專利名稱：浸入式水口的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于引導熔融金屬例如鋼水(molten steel)的水口。更確切地說，本發明涉及在生產鋼的連續鑄造工藝中使用的所謂浸入式水口，有時也被稱作鑄造水口。本發明還涉及例如鑄鋼時用于控制熔融金屬流的系統。
背景技術：
在連續的鑄造煉鋼過程中，來自鋼包的鋼水被傾倒入被稱作中間包(timdish) 的較大容器中。中間包具有一個或多個出口，鋼水經過出口流到一個或多個相應結晶器 (mould)中，在結晶器中鋼水冷卻并凝固以形成金屬的連續鑄造的固體長度。浸入式水口位于中間包與每個結晶器之間，并引導鋼水從中間包經過鑄造水口流到結晶器內。浸入式水口為細長管道的形式，并一般具有剛性管道或管子的外觀。理想的浸入式水口具有以下主要的功能。首先，在鋼水從中間包流動到結晶器內時，水口用作防止鋼水與空氣接觸，因為暴露在空氣中會造成鋼的氧化，這會負面地影響鋼的質量。其次，非常希望水口能以盡可能平緩且非湍流的方式將鋼水引入結晶器內，因為在結晶器中的湍流會造成結晶器中鋼水表面上的熔劑下拽到鋼內(被稱作“夾帶”)，由此在鑄鋼中生成雜質。浸入式水口的第三主要功能是以可控方式將鋼水引入結晶器內以便形成均勻的凝聚殼以及鑄鋼的均勻的質量及組成，盡管鋼在最靠近結晶器壁的區域中凝固最快。應了解，設計并制造能盡可能好地執行所有上述的功能的浸入式水口是一項極具挑戰性的任務。不僅必須將水口設計和制造成耐受與快速流動的鋼水相關聯的力和溫度， 而且抑制湍流的需要與使結晶器中的鋼水均勻分布的需要相結合造成極為復雜的流體動力學問題。此外，將鋁引入鑄造過程以便與氧結合進而從鋼水中移除氧是普遍的，因為氧可在鑄造金屬內形成不期望的氣泡或空洞。然而，眾所周知的是，作為結果的氧化鋁趨于聚集在鑄造過程期間所使用的浸入式水口的內表面上。這種堆積限制了金屬通過水口的流動， 反過來，這影響了金屬離開水口的質量和流動。鋁堆積可最終地堵塞金屬的流動，從而致使水口不可用。因此，本發明的目標是提供一種改進的浸入式水口。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種用于引導熔融金屬的水口，該水口包括在上游第一末端的入口 ；至少一個朝向下游第二末端的出口 ；所述入口和所述至少一個出口之間的限定穿過水口的孔的內表面，該孔具有鄰接入口的咽喉區域；環形導槽被設定在水口的內表面內；以及布置成經由環形導槽或其下游端將流體引入孔內的流體供應裝置；其中， 所述咽喉區域具有凸出的曲面，并且環形導槽置于咽喉區域的凸出曲面內或附近。應當理解的是，由于環形導槽置于咽喉區域的凸出曲面內或附近(即在凸出曲面和孔的剩余部分之間的界面處)，環形導槽的直接上游的水口的內表面將被彎曲。申請人:已然發現，本發明允許例如氬氣的流體引入水口的孔內，而使流過水口的熔融金屬的中斷最小化。申請人相信這是因為咽喉區域的曲面提供切線向升空表面，這就鼓勵熔融金屬在通過環形導槽引入流體之前從水口的內表面分離。然而，與熔融金屬被引向水口的中心并在孔內產生紊流上網的截頭圓錐形咽喉區域的情況不同，在當前情況下， 熔融金屬保持成大體上層流的形式并在從內表面分離時以大體上彎曲的向下的方向繼續。 因此，環形導槽之前的水口的幾何形狀影響金屬流，并由此影響通過環形導槽引入的流體的有效性。由于本發明流體可被引入以在水口的內表面和流過內表面的熔融金屬之間形成簾幕(即層)，如同下文詳細描述的那樣。這就有助于防止夾雜物沿孔沉積，反過來這就影響了離開水口的熔融金屬的流動特性。在使用中，該特定的水口結構因此允許熔融金屬流入咽喉區域，直到它由于環形導槽的存在而脫離水口的內表面為止，這就可認為是內表面內的非連續性。這就在大體上無金屬流動的環形導槽的區域內產生“死區”。如果未有流體經由流體供應裝置引入的話， “死區”下游的金屬流自然地趨于膨脹并將其自身重新附連到水口。因此應當理解的是，流體供應裝置被布置成在將金屬重新附連到水口的內表面之前將流體引入“死區”。流入“死區”區域內的孔內的流體通過熔融金屬的流動被降低到孔的內表面。因此，流體在孔和金屬流之間形成套管或簾幕，這有助于防止金屬重新附連到水口的內表面，從而減少諸如鋁的夾雜物在水口的內表面上的沉積。在一些實施例中，簾幕的長度可制造成振蕩，以便提供洗滌效果以使夾雜物的沉積最小化。由于流體被引入“死區”，它能以被直接地引入到金屬流內更低的速度和壓力引入。因此，能對所需的流體量做出明顯的節省。申請人:已經執行了計算流體動力學(CFD)建模以研究在水口 12內具有截頭圓錐形咽喉區域10的效果，這種水口另外會落在本發明的上述定義中。這些研究的結果在圖1 中以用于氣體14經由環形管道16 (置于咽喉區域10內)被引入之后的最初幾秒的連續相位分布映射，同時熔融金屬18流動通過水口 12。更具體地，圖1示出了水口 12內的二十三個相位分布視圖，并示出了圖示先前幾秒后的相位分布1的各個連續視圖(當從左向右觀察)。注意地是，圖IA示出了圖1中的第一視圖的咽喉區域的放大視圖，其圖示了當氣體 14被首先引入孔內時(即當時間有效地消逝0秒之后)的相位分布。在此特殊研究中(相對于后文描述的比較研究)，簡單的末端開口的水口 12(即， 具有等于孔直徑的軸向出口)被使用。因此，在水口 12內，熔融金屬18被允許在重力下自由跌落-通過水口 12的流量控制通過止動桿20的閉合程度單獨地獲得。因此，建模結果可等同地應用到出口端口的其他布置，這可根據結晶器內的期望流動特性節進行選擇。參考圖1，能夠看到，經由圓形導槽16注入的氬氣14不在水口 12的側面之下形成保護簾幕，但是相反地沿孔的長度形成氣體14的離散凹穴。因此，由于截頭圓錐咽喉10，就不會趨于在水口 12的內表面上形成氣體簾幕，并且申請人相信，這是因為咽喉區域10的直立側將熔融金屬引向水口 12的中心，并且這在熔融金屬內導致了一定程度的湍流，反過來就會干擾流入孔內的氣體。回頭參考本發明，水口旨在用于引入止動桿的系統中，以控制熔融金屬的流動 (如上所述)。水口的咽喉區域具有座表面，其在使用中接收止動桿。止動桿和座表面之間的距離可被變化以控制熔融金屬通過水口的流動。環形導槽可置于座表面的下游。
水口可具有已知的浸入式水口的類型，因而，水口可有單片單塊耐火材料形成。可備選地，水口可由兩個或更多個離散部件形成。例如，所謂的內部水口或中間包可形成水口的上部，在使用時，所謂的浸入式水嘴(SEQ或單管水口在使用時可形成水口的下部。在一些實施例中，上部可包括在其上游端凸出彎曲的咽喉區域，并且上部可以被具有橫向凸緣的環形板終止，該環形板被設定在離咽喉區域的下游端相對短的距離。下部可在其上游端包括相應的橫向凸緣環形板，其可布置成夾緊到上部的上游端以將兩個部分緊固在一起。水口的多數孔可由下部提供。上述實施例可被用于止動桿控制的管轉換器系統， 或者用于SES或單管被手動改變的場合中。這種實施例的特殊優點在于經由圓形導槽引入的流體可形成屏障以阻止空氣進入兩個部件接合處的孔內。在某些實施例中，水口被布置成將熔融金屬從中間包傳送到結晶器。導槽要么可設定在咽喉區域內(在此情況下，導槽直接下游處的水口的內表面將被彎曲)或者可被設定在咽喉區域和孔的剩余部分的界面處。導槽的直接上游處的曲面可具有切線面，該切線面可形成相對于孔的縱向軸線測量的大約0°和理論上最大90°之間的角度。因而，理論上切線面可平行于軸線，即0° (在此情況下，導槽的直接上游處的曲面垂直于水口軸線)，或者垂直于軸線，即90° (在此情況下，導槽的直接上游處的曲面平行于水口軸線)，或者切線面可以以0°和90°之間的任何角度與軸線交叉，以便形成在上游方向打開的錐形。在一些實際實施例中，切線面可形成相對于孔的縱向軸線測量的0°和50°之間的、0°和30°之間的、0°和5°之間的、5°和 20°之間的或者5°和10°之間的角度。可備選地，切線面可形成相對于孔的縱向軸線測量的45°的角。導槽的寬度(S卩，沿孔的長度方向的尺寸)可以是短的，或者可延伸到直至至少一個出口或水口的第二末端(即，孔在導槽的上游壁的下游處的所有位置的直徑大于孔在導槽的直接上游的直徑)。更具體地，導槽的寬度可在水口的第一和第二末端之間的距離的大約0.5%到95%之間的范圍內。在某些實施例中，導槽的寬度不大于水口的第一和第二末端之間的距離的60%。在其他實施例中，導槽的寬度不大于水口的第一和第二末端之間的距離的30%。在另一個實施例中，導槽的寬度不大于水口的第一和第二末端之間的距離的10%。在再一個實施例中，導槽的寬度不大于水口的第一和第二末端之間的距離的5%。 應當理解的是，導槽的最大寬度將由水口內的導槽的位置支配。例如，當導槽置于從第一末端到第二末端的距離的10%處，導槽的最大程度將是第一末端和第二末端之間的距離的 90%。導槽的深度(即徑向范圍)可在水口的導槽直接上游的點處的厚度的大約0. 1% 到50%的范圍內。導槽的橫截面輪廓不被特殊地限制，并且他可能是例如半球形、矩形的、三角形的 (例如V形)、U形的或其他任何多邊形的形式。因此，導槽可由是彎曲的或直的或兩者組合的孔的壁部限定。另外，導槽的上游端處的壁部可大體上向水口的第二末端、水口的第一末端延伸，或者平行于第一和第二末端。盡管導槽可以是完全環形的(即，完全沿孔的內表面延伸)，從水口的內表面提起金屬的所需功能效果仍然可在導槽內獲得或部分地獲得有不連續性(即，導槽由多個互相間隔開的部分環形導槽的實施例被預期)。在此情況下，導槽之間的間隔的總和將小于50%，優選地小于35%，更優選地小于20%，并且更優選地小于導槽長度的15%。流體供應裝置可包括至少一個通道(優選地多個通道)，該通道通過水口的側面延伸到導槽或者導槽的內表面下游的一部分。流體供應裝置可包括多孔塊，該多孔組成導槽的至少一個壁部，或導槽的內表面下游的一部分，并可配置成擴散通過流體供應裝置的流體。在特定實施例中，流體供應裝置可配置成將諸如氬的氣體供應到孔內。咽喉區域可例如具有水口的第一和第二末端之間的距離的3%至10% (例如，大約5% )的軸向范圍。該至少一個出口可軸向地對齊或相對于孔的縱向軸線傾斜。導槽的水口下游的孔的直徑可以大于或等于或小于導槽區域內的孔的直徑。在一個實施例中，導槽的孔下游的直徑小于導槽區域內的孔的直徑，但是大于導槽的直接上游處的直徑。至少一個凹槽被設定在孔內。該至少一個凹槽可具有布置成允許流體引入凹槽處或下方的孔的輔助(第二)流體供應裝置。凹槽可具有環形導槽或局部環形導槽或導槽的形式。通過第二流體供應裝置引入的流體可與通過第一流體供應裝置引入的流體相同或不同，但方便地是相同的。根據本發明的第二方面，提供一種用于控制熔融金屬的流動的系統，該系統包括 根據本發明第一方面的上述實施例的任意一個的水口 ；以及止動桿，該止動桿可配置成接收在水口的咽喉區域內，以控制熔融金屬通過水口的流動。止動桿包括伸長的大體上圓柱形的主體，該主體具有圓角的或截頭圓錐形的尖端 (nose)，該尖端被配置成在與咽喉區域的座表面接觸時關閉水口的入口。止動桿可包括通過其中心的縱向導槽，以將流體供應出其尖端。流體可以是諸如氬氣的氣體。這種流體從止動桿中的供出有助于在使用中防止諸如鋁的夾雜物沉積在止動桿的尖端上以及水口內。申請人:已經發現，通過減少通過止動桿自身所進給的流體的量，在某些情況下生甚至等于零，并且代之以使用比通過止動桿正常進給的流體更小的量而在本發明的水口內獲得改進的流動特性。因此，系統的總流體消耗可被發明減少。根據本發明的第三方面，提供一種通過第一方面的水口控制熔融金屬的流動的方法，該方法包括將熔融金屬流入水口內；從導槽處的水口的內表面分離熔融金屬流，以產生死區；將流體引入死區并允許熔融金屬流引入流體到水口以在熔融金屬流和水口之間產
生屏障。


現在將通過參考附圖的示例描述本發明的特定實施例，其中圖1圖示了用于流過具有截頭圓錐形咽喉的水口的熔融金屬的連續相位分布的計算流體動力學(CFD)建模結果，其是在氣體被引入的最初幾秒內；圖IA示出了第一視1中的建模的咽喉區域的放大視圖，此時氣體被首先引入水口內；圖2A圖示了在使用中的已知鑄造組件的橫截面，其中，止動桿置于中間包內，使得它的尖端(nose)置于浸入式水口的咽喉內；
圖2B圖示了圖2A的組件的一部分的放大視圖，其示出了水口的入口和上部分以及止動桿的相鄰尖端和下部分；圖3圖示了根據本發明實施例A的水口的入口和上部分以及來自圖2A的已知止動桿的相鄰尖端和下部分的橫截面輪廓；圖4圖示了根據本發明實施例B的水口的入口和上部分以及來自圖2A的已知止動桿的相鄰尖端和下部分的橫截面輪廓；圖5圖示了根據本發明實施例C的水口的入口和上部分以及來自圖2A的已知止動桿的相鄰尖端和下部分的橫截面輪廓；圖6圖示了根據本發明實施例D的水口的入口和上部分以及來自圖2A的已知止動桿的相鄰尖端和下部分的橫截面輪廓；圖7圖示了根據本發明實施例A’的水口的入口和上部分的一側的橫截面輪廓；圖8圖示了根據本發明實施例B’的水口的入口和上部分的一側的橫截面輪廓；圖9圖示了根據本發明實施例C的水口的入口和上部分的一側的橫截面輪廓；圖10A、B、C分別圖示了用于流過根據本發明實施例B的水口的熔融金屬的連續相位分布、速度和壓力的計算流體動力學(CFD)建模結果，其是在氣體被引入的最初20秒內；圖11A、B、C分別圖示了用于流過根據本發明實施例D的水口的熔融金屬的連續相位分布、速度和壓力的計算流體動力學(CFD)建模結果，其是在氣體被引入的最初20秒內；圖12圖示了根據本發明的實施例A”的水口的縱向橫截面視圖-類似的咽喉區域在圖3和圖7中也被示出；圖12A示出了圖12的咽喉區域的一部分的放大視圖，其圖示了連接到環形導槽的流體供應裝置；以及圖12B示出了圖12的孔的一部分的放大視圖，其圖示了用于流體進入流體供應裝置的入口。
具體實施例方式如上所討論的，圖1和IA示出了用于流過具有截頭圓錐形咽喉區域10的水口 12 的熔融金屬的連續相位分布的計算流體動力學(CFD)建模結果，這是在氣體被引入的最初幾秒內。這清楚地示出引入到水口 12的孔內的氣體14不在水口 12的內表面和流過水口的熔融金屬18之間形成連續的保護層。相反，圖1顯示出，作為從截頭圓錐形咽喉10拋向水口 12的中心的熔融金屬18所引起的湍流的結果，氣體14易于分配到離散的氣泡內。參考圖2A和圖2B，其示意性地圖示了已知的鑄造組件，其中，止動桿100置于中間包102內，使得它的尖端104置于浸入式水口(SEN) 108的入口 106內。止動桿100懸離控制機構110，使得它能被垂直地布置，以控制從中間包102通過水口 108并進入下方結晶器 (未示出)的熔融金屬的流動。在所示出的組件中，水口 108大體上是具有中空的大體上圓柱形側壁116并具有限定貫通自身的孔118的內表面117的伸長管的形式。朝向水口 108的頂部(第一末端)， 側壁116向外張開以形成凸曲率的咽喉區域200。可以見到入口 106組成穿過咽喉區域200的自由端的水平面。另外，咽喉區域200的環形部分組成座表面220，該座表面在使用中用來容納止動桿100。在水口 108的下(第二)末端，具有兩個對置的徑向出口端口 210，各個端口具有通過側壁116的大體上圓形的橫截面。水口 108的底部240是被關閉的。如圖2B所示，已知的止動桿100被容納在咽喉區域200內。止動桿100包括伸長的、大體上圓柱形的主體沈0，該主體260在其下端104具有圓角尖端。圓角尖端104被配置成容納在入口 106之內，使得止動桿100相對于水口 108下降時，尖端104將最終地接觸環形座表面220上的咽喉區域200。這形成了防止金屬流從入口 106穿入孔118內的密封。 相對于水口 108(如圖IB中示出)提升止動桿100在止動桿和金屬之間產生間隙，金屬可通過間隙流入水口 108內。因而，通過改變止動桿相對于水口 108的垂直位移，有可能控制通過水口 108的流體的體積。如圖2A和圖2B中所示，止動桿100也包括通過主體200的相對大的圓柱形孔300， 以及自孔300通過尖端104延伸到止動桿100的頂端340的相對較小的圓柱形孔320。這些孔300、320可配置成允許通過止動桿100供應流體，通常是氬氣。在使用中，該氣體供應有助于防止夾雜物，夾雜物的存在可影響流入并通過水口 108的金屬，影響金屬在尖端104 的表面上以及在水口 108自身上的沉積。眾所周知的問題是在使用期間(在鋼的鑄造過程中)，夾雜物，比如鋁，沉積在水口的內表面上以便參考圖2A和圖2B作如上描述。該沉積干擾了熔融金屬通過水口并進入下方結晶器的流動，這反過來可降低鋼鑄的質量。已知的最小化夾雜物在水口內的沉積的嘗試包括在側壁116內提供多孔環(未示出)并迫使氬氣通過多孔環。該方法的有效性取決于涌入孔118內的氣體的分布。然而， 這種類型的環上的小孔來堵塞是常見的，這就導致氣體的不均勻和無效分布。另外，氣體需要以相對的高壓被引入孔118，以便能迫使側旁的鋼流讓出空間。這就導致氣體的高吞吐量，而這是一種高成本的資源。圖3圖示了本發明的實施例A，該實施例旨在解決上述問題。如圖所見，圖3示出了如同關于圖2B在上文描述的水口和止動桿的相同一般布置，并且相同的參考數字將用于適當的地方。圖2B中的現有技術中的水口 108和圖3的實施例A的水口 350之間的主要差別在于環形導槽360被設定在咽喉區域200和孔118的界面處。該實施例中的導槽360 通過相對短的徑向底切和相對長的向下和向內傾斜的壁部400形成。如果咽喉區域200的曲率持續代替導槽360并在壁部400的相同點處終止，導槽360下游處的孔118的直徑與其所引起的直徑相同。盡管在圖3中未示出，通道被設定通過水口 350的側面，以在使用中將流體比如氣體(比如氬)供應到導槽360。如同下文更加詳細地描述的那樣，圖12、12A 和12B圖示了特殊配置，以將流體供應到導槽360。圖4圖示了本發明的實施例B，該圖示出了如同關于圖3在上文描述的水口和止動桿的相同一般布置，并且相同的參考數字將用于適當的地方。圖3中的水口 350和圖4的實施例B的水口 410之間的主要差別在于環形導槽360的相對尺寸。尤其是，該實施例中的導槽420通過相對長的徑向底切440(大約為實施例A中的長度的3倍)形成。再者，如果未有導槽420提供，向下和向內傾斜的壁部460被設定成從底切44的末端到咽喉區域20 的曲率滿足孔118的點處。圖5圖示了本發明的實施例C，該圖示出了如同關于圖4在上文描述的水口和止動桿的相同一般布置，并且相同的參考數字將用于適當的地方。圖4中的水口 410和圖5的實施例C的水口 480之間的主要差別在于環形導槽500的外形。尤其是，該實施例中的導槽500具有矩形橫截面。因此，導槽500通過徑向底切520 (大約為實施例B的底切長度的一半)、垂直向下延伸的壁部540和徑向向內延伸的壁部560形成。
圖6圖示了本發明的實施例D，該圖示出了如同關于圖4在上文描述的水口和止動桿的相同一般布置，并且相同的參考數字將用于適當的地方。圖4中的水口 410和圖6的實施例D的水口 660之間的主要差別在于環形導槽680的位置。尤其是，該實施例中的導槽680被設定在座表面220和咽喉區域的下端之間的大約中間處。導槽680的一般外形與圖4中的導槽420的外形一樣，然而，由于導槽680被設定在水口 660的彎曲部分上，底切 700向外并略微地向下延伸，并且壁部720向內延伸比向下延伸明顯。圖7圖示了水口的側面的橫截面視圖，該水口示出了特定配置以獲得實施例A的導槽360(圖3)。如圖所見，直邊凹槽740最初在期望導槽360的適當位置的水口內表面 117內產生。凹槽740被配置成具有與期望導槽360 —樣的寬度，但是具有明顯更長的深度(即，徑向范圍)。陶瓷的多孔環插件760置于凹槽740的底部并且共同擠壓到水口內。 多孔環插件760被成型成隱蔽地裝配在凹槽740的底部，并使其向內的暴露表面組成期望導槽的壁部。在此特殊實施例中，多孔環插件760組成導槽360的向下和向內傾斜的壁部 400，并使凹槽740的上側的暴露部分組成底切380。多孔環插件760可配置成將來自氣體供應導槽(在圖7中未示出)的氣體擴散到導槽360內。圖8圖示了水口的側面的橫截面視圖，該水口示出了特定配置以獲得實施例B的導槽420(圖4)。如同關于圖7在上文描述的導槽和多孔環插件的相同一般布置被使用，并且相同的參考數字將用于適當的地方。圖7的布置和圖8的布置之間的主要差別在于多孔環插件780的暴露表面的角度。尤其是，多孔環插件780具有相對水平線較少陡峭暴露的表面，該表面組成實施例B的導槽420的向下和向內傾斜的壁部460。如上所述，凹槽740 的上側的暴露部分組成底切440。然而，在此實施例中，底切440明顯地大于實施例A中底切。圖9圖示了水口的側面的橫截面視圖，該水口示出了特定配置以獲得實施例C的導槽500(圖5)。如同關于圖8在上文描述的導槽和多孔環插件的相同一般布置被使用，并且相同的參考數字將用于適當的地方。圖8的布置和圖9的布置之間的主要差別在于多孔環插件800的暴露表面所產生的導槽的外形。尤其是，多孔環插件800具有縮進在凹槽740 內的垂直暴露表面，以組成實施例C的導槽500的垂直壁部M0。如上所述，凹槽740的上側的暴露部分組成底切520。另外地，凹槽740的下側的暴露部分組成徑向向內延伸的壁部 540 0因而，相對于三角形外形而言(按照實施例A和B)，此實施例中的導槽在外形上是大體上矩形的。在使用中，上述的實施例允許熔融金屬沿水口的咽喉區域流動，直到它因導槽的存在而拋離曲面為止。這就在大體上未有金屬流動的導槽的區域內產生“死區”。如果沒有氣體(氬)經由通道被引入導槽，在“死區”的下游，金屬流自然地趨于膨脹以填充孔，并且將將自身重新附連到水口的內表面。進給到“死區”的區域內的孔內的氬被通過孔的熔融金屬流降低到孔的內表面。因而，氬在孔和金屬流之間形成套管和簾幕，這就有助于防止金屬重新附連到水口的表面，從而減少比如鋁的夾雜物在水口的表面上的沉積。在一些實施例中，簾幕的長度可使得振蕩以便提供擦洗效果，以最小化夾雜物的沉積。由于氬被引入到 “死區”，它可在比直接引入到金屬流更低的速度和壓力被引入。因此，可明顯地節省所需要的氬量。應當理解的是，如果氬被供應到導槽附近或下方的位置但在金屬流重新附連到水口的內表面的點之前，可以獲得相同的效果。圖10A、B、C分別圖示了用于流過根據本發明實施例B (在圖4和圖8中示出)的水口 410的熔融金屬的連續相位分布、速度和壓力的計算流體動力學(CFD)建模結果，其是在氬氣被引入的最初20秒內；在此特殊研究中，簡單的末端開口的水口(即，具有等于孔直徑的軸向出口)被使用。因而，在水口內，熔融金屬被允許在重力下自由跌落-通過止動桿的閉合程度單獨地獲得通過水口的流動的控制。因此，建模結果將等同地應用到出口端口的其他配置中，這可根據結晶器所期望的流動特性被選擇。參考圖10A，能夠看到，經由導槽420注射的氬氣通過熔融金屬840的流動被射到水口 410的側面，以形成保護簾幕820。由于簾幕820接近水口 410的末端，熔融金屬的壓力趨于增加，這就導致簾幕分散。這是所希望的，由于它有助于防止大的氣體流(其可在結晶器內引起湍流)退出水口。也能從圖10A、B和C中可見，簾幕820在一些實施例中可能不是穩定的，實際上， 非穩定簾幕820(即，在水口 410上下振蕩的一個)可實際上導致更清潔的水口表面，因為振蕩將在水口 410的內表面上產生擦洗效果。為了減少結晶器內的湍流，期望金屬流840中的部分能量能在金屬流退出水口 410之前被耗散。這可通過保證流840不以最高速度退出水口 410而獲得。如圖IOB中所示，最高速度的區域通常被發現朝向孔的中心，并且不靠近水口 410的末端。比較圖IOB (速度)和圖IOC (壓力)，能夠看到，在此實施例中，流動中的最高壓力的區域通常在最高速度的區域下游發生，但是仍然應當注意地是，最高壓力的區域一般地不接近水口 410的末端。圖11A、B、C分別圖示了用于流過根據本發明實施例D(在圖6中示出)的水口 660 的熔融金屬的連續相位分布、速度和壓力的計算流體動力學(CFD)建模結果，其是在氬氣被引入的最初20秒內；所示的結果大體上類似于關于圖10A、10B、10C在上文描述的結果，但是由于此情況下的導槽680進一步安裝在水口 660的咽喉200的上方，簾幕820在更高的相對位置處開始并趨于在更高的相對位置下裂開。上述的建模結果可通過水口每分鐘四升的氣體供應速度并通過止動桿不供應任何氣體而獲得。這表現了當前實施中的氣體消耗的明顯減少，該當前實施通常需要通過止動桿的每分鐘8升的氣體供應。圖12圖示了根據本發明的實施例A”的水口的縱向橫截面視圖，該水口具有關于圖3和圖7在上文描述的水口的相同的一般形式，并因此相同的參考數字將用于適當的地方。圖3中所示的水口 350和圖12、12A和12B中所示的水口之間的主要差別在于到環形導槽360的流體供應裝置900現在被示出了。流體供應裝置900包括水口 350的外表面內的入口 902(配置成將流體引入水口 350之內)，自入口 902向上延伸的垂直通道904，該通道904通過側壁116延伸到置于陶瓷多孔環插件760的外邊緣周圍的環形通道906，該環形插件760形成環形通道360的外壁，如同關于圖7所描述的那樣。因而在使用中，流體 (通常是氬氣)可通過如下方式被供應到孔118 通過入口 902，沿垂直通道904，在環形通道906的周圍，并通過多孔環760進入環形導槽360。本發明的進一步實施例(未示出)包括導槽，該導槽通過大體上向外延伸的底切和大體上向下延伸的繼續到水口末端的壁部形成。因而，底切下游的孔的寬度大體上保持不變并大于底切直接上游的孔的寬度。可備選地，底切下游的孔的寬度可增加或者可減少到仍然大于底切的直接上游的點。這些特定實施例的主要優點在于熔融金屬流不得不較正常的重新附連到水口的內表面進一步膨脹。這將較先前花費更長的時間獲得，因此更可能地是，所形成的氬氣簾幕將在水口之下保持完整。本發明的不同實施例具有多個優點。尤其是，它們考慮了到結晶器內的一致金屬流、延長的水口壽命、改進的鋼質量、更高的產量和更少的氬氣消耗。本領域技術人員應當了解的是，在不脫離本發明范圍的情況下可對上述的實施例做出不同的改進。尤其是，兩個或多個描述實施例的特征可在單一實施例中被組合。
權利要求
1.一種用于引導熔融金屬的水口 G10)，該水口包括在上游第一末端的入口(106)； 至少一個朝向下游第二末端的出口(210)；所述入口(106)和所述至少一個出口(210)之間的限定穿過水口 (410)的孔(118)的內表面(117)，該孔(118)具有鄰接入口 (106)的咽喉區域O00)；環形導槽(420)被設定在水口 010)內表面(117)內；以及布置成經由環形導槽(420)或其下游端將流體引入孔(118)內的流體供應裝置(900)；其中所述咽喉區域 (200)具有凸出的曲面，并且環形導槽G20)置于咽喉區域Q00)的凸出曲面內或附近。
2.根據權利要求1所述的水口G10)，其中所述導槽020)置于咽喉區域Q00)的凸出的曲面內。
3.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其中所述咽喉區域(200)具有座表面020)，其在使用中接觸止動桿(100)以停止熔融金屬通過水口(410)的流動，并且其中，所述環形導槽(420)被置于座表面Q20)的下游。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其中所述導槽020)的寬度在水口(410)的第一和第二末端之間的距離的大約0.5%到95%之間的范圍內。
5.根據權利要求1-3中的任一項所述的水口010)，其中所述導槽020)的寬度不大于水口(410)的第一和第二末端之間的距離的5%。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其中所述導槽020)的深度在水口 010)的導槽020)直接上游的點處的厚度的大約0. 到50%的范圍內。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其中所述導槽020)的直接上游處的曲面具有切線面，該切線面可形成相對于孔(118)的縱向軸線測量的大約0°和50° 之間的角度。
8.根據前述權利要求1-6中的任一項所述的水口010)，其中020)的直接上游處的曲面可具有切線面，該切線面可形成相對于孔(118)的縱向軸線測量的大約0°和5°之間的角度。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其中所述流體供應裝置包括多孔塊，該多孔塊組成導槽G20)的至少一個壁部060)，或導槽020)的內表面下游或附近的內表面(117)的一部分，并可配置成擴散通過流體供應裝置的流體。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的水口010)，其特征在于，所述導槽(420)下游處的水口 Gio)的孔(118)的直徑等于或大于導槽G20)的直接上游處的孔(118)的直徑。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其特征在于，所述導槽020)由多個互相間隔開的部分環形導槽的實施例組成，其中，局部環形導槽之間的間隔的總和將小于局部環形導槽的長度總和的50%。
12.根據前述權利要求中的任一項所述的水口G10)，其特征在于，所述咽喉區域 (200)具有水口(410)的第一和第二末端之間的距離的3%至10%的軸向范圍。
13.一種用于控制熔融金屬的流動的系統，所述系統包括根據前述權利要求中任一項所述的水口(410)；以及止動桿(100)，該止動桿可配置成被接收在水口(410)的咽喉區域Q00)內，以控制熔融金屬通過水口 G10)的流動。
14.一種用于通過根據權利要求1-12中的任一項所述的水口(410)控制熔融金屬的流動的方法，該方法包括將熔融金屬流入水口 G10)內；從導槽020)處的水口(410)的內表面(117)分離金屬流，以產生死區；將流體引入死區并允許熔融金屬流引入流體到水口 (410)以在金屬流和水口 (410)之間產生屏障。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述流體是氬氣。
全文摘要
用于引導熔融金屬的水口(410)包括在上游第一末端的入口(106)、至少一個朝向下游第二末端的出口(210)。內表面(117)被設定在入口(106)和所述至少一個出口(210)之間以限定穿過水口(410)的孔(118)。孔(118)具有鄰接入口(106)的咽喉區域(200)。環形導槽(420)被設定在(410)的內表面內。流體供應裝置(900)被布置成經由環形導槽(420)或其下游端將流體引入孔(118)內。咽喉區域(200)具有凸出的曲面，并且環形導槽(420)置于咽喉區域(200)內或附近。本發明也提供一種熔融金屬通過上文所述水口(410)的流動，以及一種用于控制熔融金屬流的系統。該系統包括如上所述的水口(410)以及配置成容納在水口(410)的咽喉區域(200)內的止動桿(100)，以控制熔融金屬通過水口(410)的流動。
文檔編號B22D41/58GK102292176SQ200980155105
公開日2011年12月21日 申請日期2009年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者格拉爾德·尼茲爾, 約翰·戴維斯 申請人:耐火材料知識產權有限兩合公司