本發(fā)明涉及一種用于鋼水導(dǎo)流的防堵塞浸入式水口。

背景技術(shù)：

在連鑄冶金工藝中，應(yīng)用功能性耐火材料控制熔融金屬的流動并防止熔液的氧化；對于連續(xù)鑄鋼工藝，鋼液由鋼包注入中間包，然后通過一個或多個出口分流至相應(yīng)的結(jié)晶器；浸入式水口就是連接中間包分流出口與結(jié)晶器的耐火材料管道，起著鋼水導(dǎo)流的作用。

目前浸入式水口通常由碳結(jié)合陶瓷制作，主要組分包括氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、二氧化硅、碳化硅、碳等。碳源主要有鱗片石墨、無定形碳、炭黑等，碳結(jié)合網(wǎng)絡(luò)主要來自于酚醛樹脂或其它合適的樹脂。

常用的浸入式水口結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括水口本體1，水口本體1頂面設(shè)有滑板機構(gòu)2，水口本體1沿軸向設(shè)有內(nèi)孔11至水口本體1下部并且連通水口本體1壁的吐出口12，滑板機構(gòu)2包括依次設(shè)置的上滑板21、中滑板22和下滑板23，中滑板22在上滑板21與下滑板23之間移動并且連通水口本體內(nèi)孔11，滑板機構(gòu)2用于調(diào)節(jié)鋼液流量，也有與塞棒結(jié)合實現(xiàn)水口鋼液的控流功能；水口本體1的中下部為環(huán)形復(fù)合套管13，稱為渣線，水口本體內(nèi)孔11在澆注操作過程中引導(dǎo)鋼液從上而下注入結(jié)晶器，渣線處于水口本體1的固、液、氣三相結(jié)合部，其由高耐侵蝕性材料組成，一般使用氧化鋯-石墨復(fù)合材料；吐出口12是鋼液由水口本體內(nèi)孔11流入結(jié)晶器或其它下部容器的導(dǎo)流口。一般水口本體內(nèi)孔11的上、中、下三個部位的內(nèi)徑d_u 、 d_m 、 d_d相等，或者是d_u > d_m > d_d，但變化量不大，形成的傾角一般不超過5°；同時水口本體內(nèi)孔11的內(nèi)壁設(shè)有內(nèi)襯14，一般為防堵塞材料，起著一定的抗熱震作用。

連鑄操作過程中，水口本體內(nèi)孔常常會粘附一些沉積物或非金屬夾雜物，造成水口本體內(nèi)孔堵塞而影響其穩(wěn)定地注流，內(nèi)孔的堵塞位置在渣線上方及吐出口尤為嚴重，沉積物或非金屬粘附物主要是氧化鋁及其它高熔點夾雜物。水口堵塞是連鑄工藝需要解決的一個嚴重問題，尤其是連鑄高氧鋼、高錳鋼、鈣處理鋼、不銹鋼等，特別是鋁鎮(zhèn)靜鋼，水口堵塞會影響注流動力學(xué)機制，降低出口速率，造成大顆粒夾雜卷入鋼液注流，從而形成鑄坯夾雜。另外，水口堵塞還會影響到滑板機構(gòu)或塞棒的控流功能，堵塞嚴重就需要更換水口，否則控流機制將不能穩(wěn)定工作，直接導(dǎo)致拉坯速度降低。因此，水口堵塞會造成鑄坯質(zhì)量及產(chǎn)量問題，并且水口的堵塞難以預(yù)期，因其起因于鋼水組分及溫度等是一個比較復(fù)雜的機制。

為解決水口堵塞問題，較早采用水口吹氣的方式減少堵塞，在連鑄時，水口內(nèi)孔引入氮氣、氬氣或二者混合氣體進行氣洗以阻止非金屬夾雜物粘附內(nèi)壁。例如英國專利GB2111880A指出了一種透氣性內(nèi)襯水口。但是吹氣需要消耗大量的氣體，并且具有復(fù)雜的水口結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此并不是一項有效的解決方法。另外，氣體有可能不能及時溢出而被撲捉進鑄坯造成針孔缺陷，氣體裹挾的顆粒夾雜物如沒有及時上浮也會給鑄坯帶來夾雜等缺陷。

其后的另一種解決途徑是應(yīng)用低熔點內(nèi)襯技術(shù)，澆注中內(nèi)襯逐漸熔融，阻止氧化鋁沉積。迄今為止已開發(fā)的內(nèi)襯材料包括英國專利GB2135918A介紹的MgO襯體，EP0309225介紹的碳結(jié)合SiAlON-石墨襯體，GB2170131介紹的CaO-MgO-Al₂O₃襯體等。總體而言，最廣泛使用的防堵內(nèi)襯為鋯酸鈣-石墨材料，美國專利US5902511給出了其典型組成：鋯酸鈣20-75wt%，石墨5-30wt%，硅酸鈣0.5-15wt%。

再進一步的解決方案是應(yīng)用致密無碳內(nèi)襯防堵。據(jù)美國專利US5370370及US5681499的描述，根據(jù)Benson理論，對于碳結(jié)合耐火材料，在連鑄澆注溫度下會釋放出CO氣體，CO氣體會與鋼液中的熔融鋁反應(yīng)形成難熔的氧化鋁析出，并沉積在水口內(nèi)孔的內(nèi)壁表面。通過對水口內(nèi)孔內(nèi)壁的脫碳處理（氧化）形成透氣氧化層，再浸入無碳耐火漿液形成致密無碳層，從而防止氧化鋁沉積。

上述這些應(yīng)用防堵材料的努力，初始應(yīng)用起來似乎是可行的，但所有方案都不能很好解決渣線（氣固液三相接觸線）下的堵塞問題，尤其是水口的吐出口部位的堵塞，沿著水口長度方向，越向下堵塞越嚴重。

隨后出現(xiàn)了改變水口結(jié)構(gòu)的防堵技術(shù)，即通過改變水口幾何形狀阻止堵塞。英國專利GB2110971描述了一種單階梯防堵水口，其機理是鋼液在注入浸入式水口時，由于溫度的突降，其中的溶解氧會為了保持溶解平衡而釋放出來，進而與鋼液中的鋁或鈣反應(yīng)生成氧化鋁或鋁酸鈣晶體，這些細微的晶體凝結(jié)團聚在一起逐步沉積在水口內(nèi)孔內(nèi)壁。該專利同時指出，由于操作問題，特別容易在水口渣線部位形成沉積和堵塞。因此，英國專利GB2110971設(shè)計了一種兩段式的內(nèi)孔，下段內(nèi)孔的直徑大于上段內(nèi)孔的直徑，兩段通過有一定角度的臺階過渡以防止?jié)沧⒅袛嗔眩谏隙螢殇X碳材料，下段為鋯碳材料。

美國專利US4566614描述了另一種錐形“階梯”內(nèi)孔吹氣防堵水口，通過錐形內(nèi)孔降低氣流的脈動，從而減少堵塞。

階梯型設(shè)計還包括將水口內(nèi)孔做成不連續(xù)的變化。美國專利US5328064描述了一種多階梯水口，內(nèi)孔具有一系列臺階，臺階的內(nèi)徑大于水口內(nèi)孔的內(nèi)徑并沿著鋼流方向逐步降低，以防止鋼液暫留并產(chǎn)生湍流以阻止氧化鋁沉積。

階梯型設(shè)計還包括螺旋形內(nèi)腔。美國專利US6425505描述了一種多“縮放”階段水口，每一階段都由一收縮部分和一發(fā)散部分組成，收縮段導(dǎo)引鋼液向水口內(nèi)孔中心集中，而發(fā)散段則向外側(cè)擴散鋼液，收縮與發(fā)散的聯(lián)合作用致使水口內(nèi)孔鋼液的對稱流動，以防止內(nèi)孔堵塞。

連鑄過程涉及幾種不同類型的瞬變現(xiàn)象。例如，文獻Modelling of Transient Flow Phenomena in Continuous Casting of Steel, Canadian Metallurgical Quarterly, 37(1998) 197 – 212描述了連續(xù)鑄鋼的瞬變流現(xiàn)象，指出湍流可引起過渡瞬變、周期振蕩和自由波動。連鑄操作條件常常需要人為干預(yù)調(diào)整，拉速要隨時升降，如鋼包、中間包內(nèi)鋼液量，換鋼種，換水口，結(jié)晶器尺寸調(diào)整等情況，這種瞬時過程可被視為過渡瞬變，因為系統(tǒng)幾分鐘后即會回歸穩(wěn)態(tài)。另一種瞬變現(xiàn)象具有周期性，包括結(jié)晶器每個振蕩周期的垂直運動，鑄坯在輥上移動產(chǎn)生的周期性凸鼓。再者，自由波動伴隨湍流是結(jié)晶器內(nèi)流體的本質(zhì)現(xiàn)象。了解這些瞬變現(xiàn)象是很重要的，因其顯著地影響鑄坯質(zhì)量和結(jié)晶器內(nèi)鋼水液面水平。

大多數(shù)瞬變現(xiàn)象需要節(jié)流設(shè)備加以控制，如滑板或塞棒。這些設(shè)備部分地遮掩了水口內(nèi)孔入口，造成鋼液進入水口內(nèi)孔時偏心，主要沿著內(nèi)孔一側(cè)流入，這種非對稱、不均勻的流體在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生脈動和湍流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于鋼水導(dǎo)流的防堵塞浸入式水口，本水口能夠消除水口內(nèi)孔壁粘附的雜物，有效防止水口堵塞，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，提高了鑄坯質(zhì)量，保證了連鑄的連續(xù)生產(chǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明用于鋼水導(dǎo)流的防堵塞浸入式水口包括水口本體，所述水口本體沿軸向設(shè)有內(nèi)孔至水口本體下部并且連通水口本體壁的吐出口，所述水口本體渣線位置為環(huán)形復(fù)合套管，所述內(nèi)孔壁沿軸向間隔設(shè)有若干溝壑，所述溝壑發(fā)端于水口本體內(nèi)孔上部低端直達至水口本體內(nèi)孔下部。

進一步，所述溝壑數(shù)量至少為二個。

進一步，所述溝壑的深度為2～5mm、寬度為10～20mm。

進一步，所述水口本體內(nèi)孔設(shè)有溝壑部位的直徑小于無溝壑部位的直徑并且通過弧形過渡。

進一步，所述水口本體內(nèi)孔直徑自上至所述吐出口逐漸增大。

進一步，所述水口本體內(nèi)孔直徑自上至所述環(huán)形復(fù)合套管逐漸增大，并且自所述環(huán)形復(fù)合套管至所述吐出口逐漸縮小。

進一步，所述水口本體內(nèi)孔直徑增大的起始角度為5～45°。

進一步，所述水口本體內(nèi)孔內(nèi)壁為連續(xù)平滑直面和/或連續(xù)平滑曲面。

進一步，所述水口本體內(nèi)孔內(nèi)壁自上向下設(shè)有若干環(huán)形臺階，每級環(huán)形臺階增大水口本體內(nèi)孔內(nèi)徑1～2%，總共增大10%。

進一步，所述環(huán)形臺階始于所述水口本體內(nèi)孔的中部，并且沿著內(nèi)壁止于所述吐出口或止于所述環(huán)形復(fù)合套管的下端位置。

由于本發(fā)明用于鋼水導(dǎo)流的防堵塞浸入式水口采用了上述技術(shù)方案，即本水口包括水口本體，所述水口本體沿軸向設(shè)有內(nèi)孔至水口本體下部并且連通水口本體壁的吐出口，所述水口本體渣線位置為環(huán)形復(fù)合套管，所述內(nèi)孔壁沿軸向間隔設(shè)有若干溝壑，所述溝壑發(fā)端于水口本體內(nèi)孔上部低端直達至水口本體內(nèi)孔下部。本水口能夠消除水口內(nèi)孔壁粘附的雜物，有效防止水口堵塞，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，提高了鑄坯質(zhì)量，保證了連鑄的連續(xù)生產(chǎn)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明：

圖1為傳統(tǒng)浸入式水口的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1的水口結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2的A-A向視圖；

圖4為本發(fā)明實施例2的水口結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例3的水口結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為圖5中B部的放大圖；

圖7至圖12為水口本體內(nèi)孔內(nèi)壁直面或曲面的示意圖；

圖13為本發(fā)明實施例4的水口結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14為本發(fā)明水口穩(wěn)態(tài)澆注的示意圖；

圖15為本發(fā)明水口控流澆注的示意圖。

具體實施方式

實施例1如圖2和圖3所示，本發(fā)明用于鋼水導(dǎo)流的防堵塞浸入式水口包括水口本體1，所述水口本體1沿軸向設(shè)有內(nèi)孔11至水口本體1下部并且連通水口本體1壁的吐出口12，所述水口本體1渣線位置為環(huán)形復(fù)合套管13，所述內(nèi)孔11壁沿軸向間隔設(shè)有若干溝壑15，所述溝壑15發(fā)端于水口本體內(nèi)孔11上部低端直達至水口本體內(nèi)孔11下部。

水口本體內(nèi)孔11設(shè)置溝壑15以增大水口內(nèi)腔體積形成足夠的負壓，溝壑15提供的容積在水口澆注過程中能夠產(chǎn)生0.05×10⁵ MPa～0.1×10⁵ MPa的負壓，溝壑15亦提供了鋼液虹吸上抽的通道；這種設(shè)計中，水口本體內(nèi)孔11的幾何形狀可以沿用當(dāng)前技術(shù)的直通形、倒錐形或其它形狀。

優(yōu)選的，所述溝壑15數(shù)量至少為二個。常用的溝壑15數(shù)量可為八個，其實任何超過二個的設(shè)計都是可行的。

優(yōu)選的，所述溝壑15的深度為2～5mm、寬度為10～20mm。溝壑15的形狀不限，任何形狀的凹陷或缺口均可采用，考量因素是易于成型制作，便于裝模及拆模并提供適宜的空間。

實施例2如圖4所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，所述水口本體內(nèi)孔11設(shè)有溝壑15部位的直徑小于無溝壑部位的直徑并且通過弧形16過渡。設(shè)有溝壑部位的水口本體內(nèi)孔厚度得到加強，即相應(yīng)部位的內(nèi)孔內(nèi)徑變小，目的是為水口本體提供足夠的強度，防止折斷；水口內(nèi)腔空間的增大可通過提高溝壑的深度和寬度實現(xiàn)，針對不同的水口，可以經(jīng)過縝密的幾何計算獲得。

實施例3如圖5所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，所述水口本體內(nèi)孔11直徑自上至所述吐出口12逐漸增大。水口本體內(nèi)孔11變化部分的空間可以分為上、下兩部分，上部空間處于水口本體1幾何形狀的中部，下部空間處于水口本體1幾何形狀的下部（或略高），內(nèi)孔11空間大小的設(shè)計以提供0.05×10⁵ MPa～0.1×10⁵ MPa的負壓為計算依據(jù)；內(nèi)孔11空間的形狀可以是連續(xù)錐體、倒錐體、球面、橢球面等。

優(yōu)選的，如圖7所示，所述水口本體內(nèi)孔11直徑自上至所述環(huán)形復(fù)合套管13逐漸增大，并且自所述環(huán)形復(fù)合套管13至所述吐出口12逐漸縮小。其形成水口渣線部位下部空腔為反轉(zhuǎn)收縮，反轉(zhuǎn)收縮的目的是向水口內(nèi)孔中心集束鋼流。水口渣線部位內(nèi)腔體積設(shè)計原則是：要足夠大，以形成足夠的負壓；要盡量小，以保持水口本體足夠的機械強度。

優(yōu)選的，如圖6所示，所述水口本體1內(nèi)孔11直徑增大的起始角度θ為5～45°。

優(yōu)選的，如圖8至圖12所示，所述水口本體內(nèi)孔11內(nèi)壁為連續(xù)平滑直面17和/或連續(xù)平滑曲面18。圖8和圖10視出了水口本體內(nèi)孔11自上部至環(huán)形復(fù)合套管13頂面為連續(xù)平滑曲面18、自環(huán)形復(fù)合套管13頂面至吐出口12為連續(xù)平滑直面17；圖9和圖12視出了水口本體內(nèi)孔11自上部至環(huán)形復(fù)合套管13底面為連續(xù)平滑曲面18、自環(huán)形復(fù)合套管13底面至吐出口12為連續(xù)平滑直面17；圖11視出了水口本體內(nèi)孔11自上部至吐出口12全部為連續(xù)平滑曲面18。

實施例4如圖13所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，所述水口本體1內(nèi)孔11內(nèi)壁自上向下設(shè)有若干環(huán)形臺階19，每級環(huán)形臺階19增大水口本體內(nèi)孔11內(nèi)徑1～2%，總共增大10%。環(huán)形臺階19增大了水口本體內(nèi)孔11的內(nèi)徑，其厚度推薦值為1～2mm。環(huán)形臺階19可逐步地增大內(nèi)孔11內(nèi)徑，從上至下內(nèi)徑的增加使得內(nèi)腔在連鑄時產(chǎn)生適宜的負壓以產(chǎn)生沖刷和剪切作用，達到阻止沉積的目的。環(huán)形臺階19適用于任何圓柱形、錐形、橢圓形腔體。增大內(nèi)腔的環(huán)形臺階19可以是多級連續(xù)設(shè)置，可以達10多個，環(huán)形臺階19的寬度推薦值為10～100mm。

優(yōu)選的，所述環(huán)形臺階19始于所述水口本體內(nèi)孔11的中部，并且沿著內(nèi)壁止于所述吐出口12或止于所述環(huán)形復(fù)合套管13的下端位置。

如圖14所示，澆注作業(yè)中，水口本體1在渣線以下浸入結(jié)晶器3中，鋼液流量由滑板機構(gòu)2控制，穩(wěn)態(tài)澆注時，鋼液在水口本體內(nèi)孔11中心部位的流速高于側(cè)邊流速，內(nèi)孔11中心兩側(cè)的流速也是一側(cè)高于另一側(cè)。內(nèi)孔11側(cè)邊的高速湍流或湍流-層流過渡態(tài)鋼液造成不同程度地撓動，在各個方向?qū)?nèi)孔11側(cè)壁形成沖刷、清掃，同時內(nèi)孔11內(nèi)壁也對鋼流產(chǎn)生剪應(yīng)力而降低流速；圖視的箭頭簡單示意了鋼流的流向分布。

如圖15所示，控流澆注時，滑板機構(gòu)2的開度調(diào)整造成鋼流偏離水口本體1內(nèi)孔11中心，同樣，箭頭示出了鋼液的流向，內(nèi)孔11內(nèi)壁粘附物會由湍流及剪應(yīng)力沖刷掉。

本發(fā)明改進現(xiàn)有水口內(nèi)孔的直徑和形狀以達到防堵塞的效果，通過增大水口內(nèi)腔空間，改善水口內(nèi)鋼水的流動性，從而降低水口內(nèi)雜質(zhì)的沉積，這種雜質(zhì)可能是非金屬夾雜或者金屬氧化物淀析物，如氧化鋁。水口本體內(nèi)孔壁的溝壑在澆注過程中提供適宜的負壓以持續(xù)改變和擴散內(nèi)部鋼流，負壓范圍在0.05×10⁵ MPa～0.1×10⁵MPa。

已經(jīng)證實，連鑄工藝穩(wěn)態(tài)操作水口時，放大的水口本體內(nèi)孔內(nèi)徑致使水口中心鋼流的速度高于水口周邊，或者水口中心一側(cè)的流速高于對側(cè)，側(cè)邊鋼流會形成湍流或處于層流-湍流轉(zhuǎn)變狀態(tài)，這種流態(tài)將造成鋼水對水口內(nèi)孔內(nèi)壁各個方向的沖刷，水口內(nèi)孔內(nèi)壁也將對鋼流產(chǎn)生一定的剪切應(yīng)力以削弱流動；而在層流狀態(tài)，鋼流中的粒子運動是沿著水口內(nèi)孔內(nèi)壁有序向前的。

在應(yīng)用滑板機構(gòu)的控流設(shè)備時，特別是那些經(jīng)常性的限流操作時，水口上部內(nèi)孔有效內(nèi)徑縮小，而較大的內(nèi)孔下部內(nèi)腔處將形成一個較大的負壓區(qū)。根據(jù)虹吸原理，內(nèi)孔上部口徑的突然收縮及負壓區(qū)的形成，其內(nèi)部鋼液將會受到一定的虹吸作用力，如果該作用力足夠大，足以克服鋼液的重力及下沖力，則會導(dǎo)致鋼液回吸，尤其是沿著水口內(nèi)孔空腔內(nèi)壁向上部回流，從而形成對水口內(nèi)壁的沖洗效應(yīng)，因此水口內(nèi)孔壁就不易附著顆粒物，即使有附著物也很難進一步沉積造成堵塞。同時，水口內(nèi)孔內(nèi)壁因湍流而形成的剪切應(yīng)力也有力地促進了粘附顆粒的沖刷作用。

因此，由上到下增大水口內(nèi)孔內(nèi)腔的設(shè)計，能夠?qū)φ掣交虺练e在水口內(nèi)孔內(nèi)壁的顆粒物形成持續(xù)的沖刷和剪切作用，從而防止進一步沉積，達到防止水口堵塞的目的。