專利名稱：用于連續(xù)熔融金屬澆鑄的中間罐塞棒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及熔融金屬，例如鋼、銅、鋁和它們的合金的澆 鑄。更具體而言，本發(fā)明涉及用于在連續(xù)澆鑄操作期間調(diào)節(jié)從中間罐 排放的熔融金屬的流速的塞棒。
背景技術(shù)：
熔融金屬的連續(xù)澆鑄涉及在合適的容器，例如中間罐或澆包中提 供可用的熔融金屬源，所述容器物理地位于連續(xù)澆鑄裝置中的鑄模之 上。當(dāng)使用中間罐作為用于容納瑢融金屬的容器時(shí)，熔融金屬流以適
合于澆鑄條件的流速從那里通過中間罐排放塞孔(nozzle)排放到鑄模 中。正從中間罐塞孔排放的熔融金屬的流速由塞棒可控地調(diào)節(jié)。更具 體而言，塞棒相對于中間罐塞孔可在就座和離座狀態(tài)之間移動(dòng)。因而， 塞棒相對于中間罐塞孔的移動(dòng)將選擇性地調(diào)節(jié)在塞棒尖端和中間罐塞 孔之間限定的環(huán)形孔口面積，熔融金屬被允許流過所述孔口面積。由 此可調(diào)節(jié)地改變有效環(huán)形孔口面積將轉(zhuǎn)而可調(diào)節(jié)地控制正從中間罐排 放的熔融金屬的流速。
與控制熔融金屬流有關(guān)的一個(gè)問題是當(dāng)它通過塞孔從中間罐被排 放時(shí)所謂的夾雜物(例如熔融金屬的污染物，譬如正被澆鑄的金屬的 氧化顆粒)典型地存在于熔融金屬中。能夠就座于中間罐塞孔的塞棒 尖端的特殊幾何形狀可以產(chǎn)生流動(dòng)剖面(flowprofiles),該流動(dòng)剖面促 使夾雜物淀積在塞棒和/或中間罐塞孔的表面上。所以隨著時(shí)間的推移， 在中間罐塞孔和塞棒尖端之間限定的孔口的幾何形狀可能由于夾雜物 的連續(xù)淀積而變化，由此最終不利地影響塞棒的流動(dòng)控制特性。
當(dāng)流體在固體表面上流動(dòng)時(shí)形成邊界層，所述固體表面可以是平 的、弧形的或沿著3-D表面的三維(3-D)曲線。其特征主要是因?yàn)樵?所述表面和遠(yuǎn)離它的地方，在所謂的邊界層之外，有速度梯度；流動(dòng) 表現(xiàn)為無粘性流。于是，在邊界層內(nèi)部粘性力比慣性或?qū)α髁φ純?yōu)。
邊界層內(nèi)部的速度剖面非常依賴于表面的曲率半徑。該半徑是如 此的具有決定性以至于可能取決于特定流動(dòng)條件而出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn) 象。分離現(xiàn)象意味著流體不再由負(fù)壓力梯度驅(qū)動(dòng)沿著表面向下游連續(xù) 流動(dòng)，而是發(fā)現(xiàn)自己在正壓力梯度的前面。類似于此的流動(dòng)條件造成
下游流動(dòng)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致SEN中端口面積的不完全利用。換句話說， 分離現(xiàn)象可以造成SEN及其端口的內(nèi)壁的不穩(wěn)定性，促使流量波動(dòng)， 鑄模中浴槽的彎液面波動(dòng)和速度的湍流猝發(fā)失控。所有這些現(xiàn)象引起 嚴(yán)重的連鑄坯缺陷。
在中間罐(timdish)中使用塞棒進(jìn)行流動(dòng)控制的主要根源是塞棒 尖端的形狀。連續(xù)澆鑄工業(yè)中的多數(shù)塞棒具有帶有不同半徑的圓形尖 端。當(dāng)使用圓形尖端時(shí)，鋼水形成非常厚的邊界層，在那里流體速度 非常小。于是僅僅在尖端形成停滯區(qū)并且接觸該區(qū)域的任何夾雜物失 去動(dòng)量并可以容易地被截留在尖端的陶瓷表面上，并且隨著時(shí)間的推 移而變成堵塞問題。而且，圓形尖端增大了尖端上游區(qū)域中的邊界層 厚度并且這些傾向于夾雜物截留，從而增加塞孔堵塞的危險(xiǎn)。
所以理想的是可以提供一種用于連續(xù)熔融金屬(molten metal)澆 鑄的塞棒，其使淀積到塞棒尖端上的夾雜物最小化(如果不是完全消 除的話)，由此允許塞棒保持使用延長的時(shí)間期限和/或提高鋼水的清潔 度。本發(fā)明致力于滿足這樣的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明廣義地體現(xiàn)為一種用于連續(xù)熔融金屬澆鑄的塞棒，當(dāng)熔融 金屬正通過塞孔從容納熔融金屬的容器中被排放時(shí)，所述塞棒產(chǎn)生熔 融金屬的流動(dòng)剖面以便增強(qiáng)金屬清潔度。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的塞 棒阻止夾雜物(例如不需要的顆粒，譬如金屬氧化物)淀積到塞棒尖 端上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的方面，提供了一種用于連續(xù)熔融 金屬澆鑄的塞棒，其具有幾何剖面以便充分增加流動(dòng)熔融金屬的速度 以減小鄰近塞孔和塞棒尖端表面的這樣的流動(dòng)熔融金屬的邊界層厚 度，從而使淀積在其上夾雜物最小化。
有利地，根據(jù)本發(fā)明的塞棒尖端的幾何剖面也沒有不利地影響塞 棒的提升力靈敏度。也就是說，塞棒尖端的幾何剖面不會(huì)產(chǎn)生這樣的
熔融金屬流動(dòng)剖面，該流動(dòng)剖面使得難以實(shí)行塞棒尖端相對于中間罐 塞孔的物理位移。結(jié)果，本發(fā)明的塞棒展現(xiàn)從中間罐排放的熔融金屬 流的相對寬的流速控制范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種用于熔融金屬的連續(xù)澆鑄的中間罐 塞棒包括塞棒主體，和在塞棒主體的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端 具有終止于凹陷鼻部中的截頭圓錐形外表面。
有利地凹陷鼻部是凹曲線表面(例如球截段)，但是也可以提^l非
曲線表面(例如菱柱形(prismatic)、錐形、三角形、和四邊形表面)。
在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，截頭圓錐形表面與水平面形成角9，該 角在大約55°到大約85°之間，并且更優(yōu)選地大于70。。中心氣流通 道和尖端氣流通道有利地分別形成于塞棒主體和塞棒尖端中以允許惰 性氣體供應(yīng)到凹陷鼻部。截頭圓錐形外表面和主體的外表面之間的接 合處理想地是平滑的，即沒有急劇的方向變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于熔融金屬的連續(xù)澆鑄的 系統(tǒng)，其包括用于容納(hold)待澆鑄的熔融金屬的供應(yīng)的容器，用于 從所述容器排放熔融金屬的排放塞孔，和塞棒，其被安裝成用于朝著 和遠(yuǎn)離排放塞孔作往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)以允許通過排放塞孔從所述容器排放 的熔融金屬的流速調(diào)節(jié)，其中所述塞棒包括塞棒主體，和在塞棒主體 的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有終止于凹陷鼻部中的截頭圓錐 形外表面。有利地，所述容器是中間罐或澆包。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種在連續(xù)澆鑄操作期間調(diào)節(jié)通 過排放塞孔正從容器被排放的熔融金屬的流速的方法，所述方法包括 提供塞棒，所述塞棒包括塞棒主體，和在塞棒主體的下端的塞棒尖端， 所述塞棒尖端具有終止于凹陷鼻部中的截頭圓錐形外表面；將塞棒定 位在容器內(nèi)使得塞棒尖端可操作地與排放塞孔配合；和相對于排放塞 孔可控地移位塞棒尖端以便調(diào)節(jié)通過容器排放塞孔正從容器被排放的 熔融金屬的流速。
在仔細(xì)考慮其優(yōu)選的典型實(shí)施例的以下具體描述之后，這些和其 他方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更顯而易見。


在下文將參考附圖，其中在所有不同圖中類似的參考數(shù)字指示類 似的結(jié)構(gòu)元件，并且其中
圖1是中間罐的示意性橫截面正視圖，該中間罐具有根據(jù)本發(fā)明 的特別優(yōu)選的實(shí)施例的一種用于連續(xù)熔融金屬澆鑄的塞棒；
圖2是圖1中所示的塞棒的橫截面正視圖3是塞棒尖端的放大橫截面詳圖；和
圖4是與本發(fā)明的范圍之外的塞棒相比，可以預(yù)期截留在根據(jù)本 發(fā)明的塞棒的耐熱表面上的熔融金屬中截留夾雜物的百分比柱狀圖， 圖5是本發(fā)明的塞棒的進(jìn)一步例子的與圖2類似的視圖，以及 圖6是本發(fā)明的塞棒的更進(jìn)一步例子的與圖2和5類似的視圖。
具體實(shí)施例方式
附圖1描繪了連續(xù)澆鑄中間罐系統(tǒng)10，其包括用于在其中容納熔 融金屬14的供應(yīng)的中間罐12。熔融金屬14通過中間罐入口孔16被引 入到中間罐10中，并且通過中間罐排放塞孔18從中間罐被排放。典 型地，中間罐排放塞孔連接到與連續(xù)澆鑄鑄模(未顯示)相聯(lián)系的浸 漬澆孔(immersionnozzle) 20以便將熔融金屬輸送到鑄模。盡管中間 罐12被顯示并且將在下文具體地進(jìn)行參考，也可以利用澆包作為用于 容納熔融金屬14的容器。然而，為了便于論述，將在下面具體地描述 中間罐12，原因是它代表用在本發(fā)明中的特別優(yōu)選的容器。
根據(jù)本發(fā)明的塞棒22被安裝成用于相對于中間罐排放塞孔18作 往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)使得塞棒尖端22-l能夠基本上垂直地朝著和遠(yuǎn)離塞孔18 移位(圖1中的箭頭Al)。塞棒尖端22-1的位移由此改變用塞孔18 限定的孔口面積，這轉(zhuǎn)而控制通過其正被排放的熔融金屬的流速。在 這點(diǎn)上，塞棒22包括橫銷22-2，該橫銷接合到與提升機(jī)構(gòu)，例如液壓 致動(dòng)器(未顯示)相聯(lián)系的臂24。
或許在附圖2和3中更清楚地描繪了根據(jù)本發(fā)明的塞棒22。如這 里所示，塞棒22是細(xì)長的大體圓柱形的塞棒主體元件22-3，該塞棒主 體元件在其上端22-4和其下端22-5之間稍稍逐漸變細(xì)。塞棒主體22-3 最優(yōu)選地由適于浸入熔融金屬中的高溫陶瓷材料形成。
塞棒尖端22-1在塞棒主體的下端22-5聯(lián)接到塞棒主體22-3的下
端并且也最優(yōu)選地由適于浸入熔融金屬中的高溫陶瓷材料形成。塞棒
尖端22-l與塞棒主體22-3相比可以由相同或不同陶瓷材料形成。另夕卜， 盡管塞棒主體22-3和尖端22-1被描繪成分離結(jié)構(gòu)部件，當(dāng)需要時(shí)它們 例如可以形成為整體結(jié)構(gòu)。
尖端通氣通道22-6居中地形成于塞棒尖端22-1中并且與形成于塞 棒主體22-3中的中心通氣通道22-7連通。尖端通氣通道22-6與中心 通氣通道22-7相比最優(yōu)選地直徑更小?？傊?，通氣通道22-6和22-7 允許可以由形成塞棒主體22-3和/或尖端22-1的陶瓷材料生成的廢氣 排出中間罐12使得它不會(huì)污染其中的熔融金屬14。盡管在附圖1-3中 顯示了通氣通道22-6和22-7，根據(jù)本發(fā)明的塞棒22可以不帶有任何 這樣的通氣通道。另外，如圖5中所示，通過尖端22-1的通道22-9可 以被提供并且當(dāng)想要通過其引入惰性吹掃氣時(shí)特別有用。氬典型地通 過通道22-7和22-9供應(yīng)到尖端。
通過塞棒主體22-3形成開孔22-8以便接收橫銷22-2。也可以提供 提升塞棒22的備選機(jī)構(gòu)。例如，螺紋螺母可以物理地嵌入或固定到塞 棒主體22-3的上端使得塞棒22可以螺紋地附著到提升桿。備選地或附 加地，為了該目的外部壓力軸環(huán)可以附著到塞棒主體22-3的上端。
對于本發(fā)明來說重要的是，塞棒尖端22-1具有包括凹陷鼻部22-lb 的截頭圓錐形外表面22-la。最優(yōu)選地，凹陷鼻部22-lb是平滑的弓形 凹面，例如球截段。然而，實(shí)際上任何凹面可以用在本發(fā)明的實(shí)踐中。 因而凹陷鼻部22-lb可以體現(xiàn)為規(guī)則和不規(guī)則的曲線表面。備選地，非 曲線表面(例如菱柱形、錐形、三角形、四邊形等)可以用于形成凹 陷鼻部22-lb。
塞棒尖端22-1的截頭圓錐形外表面22-la最優(yōu)選地相對于水平面 形成角e ，該角足夠大以便增加流動(dòng)熔融金屬的速度，從而減小其鄰 近塞孔和塞棒尖端表面的邊界層厚度以便使淀積在其上夾雜物最小 化。另外，截頭圓錐形外表面22-la形成的角不會(huì)太大以至于不利地影 響塞棒22的提升力靈敏度。有利地，塞棒尖端22-l的截頭圓錐形外表 面22-la與水平面形成角e ，該角在大約55。到大約85°之間。根據(jù) 本發(fā)明的特別優(yōu)選的實(shí)施例，截頭圓錐形外表面22-la形成的角9大于 70。，例如在70°和76°之間。
在使用中，凹陷或淺凹鼻部22-lb的使用導(dǎo)致壓力增加澆鑄金屬 (鋼)速度的突然變化，然后停滯金屬的尺寸減小。淺凹深度應(yīng)當(dāng)大 約為5mm。
當(dāng)通過塞棒注入氬氣時(shí)，它在凹陷或淺凹處達(dá)到更高速度，氣泡 揭掉在鼻部的堵塞材料。通過塞棒塞孔的流體流動(dòng)剖面由氬的供應(yīng)而 改善，原因是沿著塞棒尖端錐體，中間罐底部和塞棒鼻部和圓柱形主 體之間的接合處之上的區(qū)域的表面的邊界層的厚度成流線型并且比用 單相流(single-phase flow)觀察到的更薄。中間罐中的夾雜物的浮動(dòng) 速度增加。除了減小凹陷或淺凹的表面上的邊界層，惰性氣體的注入 減小了鋼一氣體混合物的局部密度并且結(jié)果是塞孔淺凹喉部中的浮力 更高。這促進(jìn)了附近夾雜物浮出來。惰性氣體(例如氬)注入穩(wěn)定了 中間罐中的流動(dòng)剖面。整個(gè)液體中的流動(dòng)剖面將是一致的，與惰性氣 體流速無關(guān)。用于注入惰性氣體的大孔徑尺寸增強(qiáng)了以上優(yōu)點(diǎn)，盡管 可以預(yù)見一些激冷效應(yīng)。這就是小孔徑尺寸，例如2mm為什么優(yōu)于比 如說5mm孔徑的唯一原因。
為了進(jìn)一步減小在鼻部的截頭圓錐形表面和塞棒主體的圓柱形主 體之間的(銳)接合處的邊界層，該接合處可以是圓形的，如圖5中 的22-lc所示。
該環(huán)形接合處的倒圓產(chǎn)生幾個(gè)好處，艮口
i) 它減小了沿著圓柱形塞棒主體和截頭圓錐形尖端流動(dòng)的鋼 的速度。
ii) 它減小了非?？拷羧缀聿康膮R集高速度的高速范圍 的大小。
iii) 靠近塞棒喉部的夾雜物"浮動(dòng)"將發(fā)現(xiàn)它們自身處于較小速 度的范圍中，結(jié)果是浮力可以向上驅(qū)動(dòng)夾雜物而不是由慣性力朝著塞 孔喉部拖曳。
iv) 它將增強(qiáng)夾雜物附著到塞棒的主體上而不是附著到位于尖
端或塞孔喉部中的區(qū)域。
通過參考以下非限定性例子將進(jìn)一步理解本發(fā)明。 例子
基于與拉格朗日模型耦合的數(shù)學(xué)流體湍流模型進(jìn)行粒子軌跡的計(jì)
算機(jī)模擬。用于動(dòng)量轉(zhuǎn)移的選擇模型是被稱為k- e的湍流型態(tài)。對于 每個(gè)正被檢査的塞棒模擬4.0噸/分鐘的恒定的澆鑄速度。
比較塞棒No.l (CSR1)形成有塞棒尖端，該塞棒尖端被構(gòu)造成具 有上圓柱形表面部分，中間截頭圓錐形表面部分，和終端平滑凸出鼻 部。比較塞棒No.2 (CSR2)形成有具有半橢球表面構(gòu)造的塞棒尖端。 根據(jù)本發(fā)明的塞棒如上面的圖1-3中所示被構(gòu)造。在圖4中顯示了每個(gè) 塞棒的截留夾雜物形成堵塞的百分比柱狀圖。與本發(fā)明的范圍之外的 塞棒CSR1和CSR2相比，顯然根據(jù)本發(fā)明的塞棒導(dǎo)致顯著更小的截留 夾雜物的百分比。
盡管結(jié)合當(dāng)前被認(rèn)為是最可行和最優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明， 應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明并不限于公開的實(shí)施例，而是相反，旨在涵蓋包 括在附屬權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種用于熔融金屬的連續(xù)澆鑄的塞棒，其包括塞棒主體，和在塞棒主體的下端的塞棒尖端，所述塞棒尖端具有終止于凹陷鼻部中的截頭圓錐形外表面。
2. 如權(quán)利要求l所述的塞棒，其中所述凹陷鼻部是凹曲線表面。
3. 如權(quán)利要求2所述的塞棒，其中所述凹曲線表面是球截段。
4. 如權(quán)利要求l所述的塞棒，其中所述凹陷鼻部是凹陷的非曲線表面o
5. 如權(quán)利要求4所述的塞棒，其中所述凹陷的非曲線表面選自菱 柱形、錐形、三角形、或四邊形表面。
6. 如權(quán)利要求l一5中任一項(xiàng)所述的塞棒，其中所述截頭圓錐形 表面與水平面形成角e，該角在大約55。到大約85°之間。
7. 如權(quán)利要求6所述的塞棒，其中所述角9大于大約70° 。
8. 如權(quán)利要求l一7中任一項(xiàng)所述的塞棒，其包括形成于塞棒主 體中的供氣通道。
9. 如權(quán)利要求8所述的塞棒，其中所述塞棒尖端包括尖端供氣通 道，該尖端供氣通道聯(lián)接到塞棒主體供氣通道以便使氣體能夠通過塞 棒主體通道和尖端供氣通道供應(yīng)到鼻部的所述凹陷。
10. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的塞棒，其中所述塞棒主體和 截頭圓錐形外部之間的接合處是弧形的/圓形的。
11. 一種用于熔融金屬的連續(xù)澆鑄的系統(tǒng)，其包括用于容納待澆鑄的熔融金屬的供應(yīng)的容器；用于從所述容器排放熔融金屬的排放塞孔；和塞棒，其被安裝成用于朝著和遠(yuǎn)離排放塞孔作往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)，以 允許通過排放塞孔從所述容器排放的熔融金屬的流速調(diào)節(jié)，其中所述 塞棒包括，(i) 塞棒主體，和(ii) 在塞棒主體的下端的塞棒尖端，(iii) 所述塞棒尖端具有終止于凹陷鼻部中的截頭圓錐形外表面。
12. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)， 凹曲線表面。
13. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，
14. 如權(quán)利要求ll所述的系統(tǒng)， 凹陷的非曲線表面。其中所述塞棒尖端的凹陷鼻部是其中所述凹曲線表面是球截段。 其中所述塞棒尖端的凹陷鼻部是
15. 如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述凹陷的非曲線表面選自 菱柱形、錐形、三角形、或四邊形表面。
16. 如權(quán)利要求11一15中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述截頭圓錐 形表面與水平面形成角e，該角在大約55。到大約85°之間。
17. 如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述角9大于大約70° 。
18. 如權(quán)利要求11一17中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述塞棒進(jìn)一 步包括形成于塞棒主體中的供氣通道。
19. 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述塞棒尖端包括尖端供氣 通道，該尖端供氣通道聯(lián)接到塞棒主體供氣通道以便使氣體能夠通過 塞棒主體通道和尖端供氣通道供應(yīng)到鼻部的所述凹陷。
20. 如權(quán)利要求11一19中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述塞棒主體 和截頭圓錐形外部之間的接合處是弧形的/圓形的。
21. 如權(quán)利要求11一20中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述塞棒進(jìn)一 步包括適于附著到提升機(jī)構(gòu)的橫銷。
22. 如權(quán)利要求11一21中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述容器是中 間罐。
23. —種在連續(xù)澆鑄操作期間調(diào)節(jié)通過排放塞孔正從容器被排放 的熔融金屬的流速的方法，所述方法包括(a) 提供塞棒，所述塞棒包括塞棒主體，和在塞棒主體的下端的 塞棒尖端，所述塞棒尖端具有終止于凹陷鼻部中的截頭圓錐形外表面； 和(b) 將塞棒定位在容器內(nèi)使得塞棒尖端可操作地與排放塞孔配 合；和(c) 相對于排放塞孔可控地移位塞棒尖端，以便調(diào)節(jié)通過容器排 放塞孔正從容器被排放的熔融金屬的流速。
24. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中步驟(b)包括將塞棒定位 在中間罐內(nèi)。
全文摘要
一種用于熔融金屬的連續(xù)澆鑄的塞棒(22)，具有塞棒主體(22-3)，和在塞棒主體的下端的塞棒尖端(22-1)。塞棒尖端限定終止于凹陷鼻部(22-1b)中的截頭圓錐形外表面(22-1a)。凹陷鼻部最優(yōu)選地具有曲線表面(例如球截段)，但是也可以備選地利用非曲線表面(例如菱柱形、錐形、三角形、和四邊形表面)。塞棒尖端的截頭圓錐形外表面(22-1a)相對于水平面形成一個(gè)角，該角足夠大以便增加流動(dòng)熔融金屬的速度，從而減小其鄰近塞孔和塞棒尖端表面的邊界層厚度以便最小化夾雜物淀積在其上。優(yōu)選地角θ大于70°并且小于85°。
文檔編號B22D41/14GK101171095SQ200680015239
公開日2008年4月30日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月3日
發(fā)明者L·D·加西亞, R·D·莫拉萊斯 申請人:福士科國際公司