погружаемый стакан для непрерывной разливки металлов

Формула изобретения

ПОГРУЖАЕМЫЙ СТАКАН ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛОВ, имеющий выпускное отверстие щелевой формы с диффузором на выходе, длина которого составляет 1,5 - 4,5 его начальной ширины, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества слитка, угол раскрытия широких стенок диффузора равен 30 - 60^o, а выпускное отверстие выполнено с расположенным перед диффузором участком постоянной ширины, длина которого составляет 1 - 6 его ширины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, конкретно к непрерывной разливке стали на МНЛЗ.

Известен погружаемый стакан (заявка Великобритании N 1433173, кл. В 22 D 11/10), имеющий выпускное отверстие в форме щели, что обеспечивает формирование затопленной плоской веерной струи. Известен погружаемый стакан (авт. св. СССР 420381, кл. В 22 D 11/00, 1974), имеющий крестообразное щелевое выпускное отверстие, образованное пересечением двух плоских щелей отверстий, и обеспечивающий формирование затопленной пространственной струи.

Использование указанных стаканов при отливке слябов и блюмов или круглых заготовок позволяет добиться равномерного распределения потоков расплава по сечению кристаллизатора. Однако использование известных стаканов приводит лишь к незначительному улучшению качества слитка, в основном за счет повышения равномерности затвердевания и снижения степени отрицательной ликвации в подповерхностной зоне слитка вследствие уменьшения интенсивности локального теплового и гидродинамического воздействия струи расплава из погружаемого стакана на фронт затвердевания, и не позволяет улучшить качество поверхности внутренней структуры слитка.

Известен погружаемый стакан, имеющий выпускное диффузорное отверстие щелевой формы с углом раскрытия широких стенок 2= 10-26^о и длиной диффузора составляющей 1,5-4,5 его начальной ширины.

При таких углах раскрытия и длине диффузора значительно снижается интенсивность вихреобразования вследствие того, что отрыв транзитной турбулентной струи от широких стенок диффузора происходит вдали от его начального сечения. В результате имеет место смягчение торможения струи при сокращении длины диффузора. Щелевая форма отверстия уменьшает размывающее действие струи на фронт затвердевания.

Использование указанного стакана позволяет повысить скорость затвердевания в кристаллизаторе, что с точки зрения формирования непрерывного слитка не соответствует оптимальному режиму затвердевания и ведет к ухудшению качества структуры слитка (Соболев В.В., Трефилов П.М. Теплофизика затвердевания металлов при непрерывном литье. М.: Металлургия, с.69).

Кроме того, обусловленное ростом скорости затвердевания в кристаллизаторе увеличение толщины корочки слитка в нем приводит к снижению температуры поверхности, ухудшению работы шлакового гарниссажа и росту количества дефектов на поверхности слитка.

Цель изобретения - улучшение качества слитка.

Это достигается тем, что в погружаемом стакане, имеющем выпускное диффузорное отверстие щелевой формы, длина которого составляет 1,5-4,5 его начальной ширины, угол раскрытия широких стенок диффузора выполнен равным 30-60^о, а выпускное отверстие дополнено расположенным перед диффузором участком постоянной ширины, при этом длина участка составляет 1-6 его ширины.

На фиг.1 показан погружаемый стакан с прямоточным выпускным диффузорным отверстием в виде крестообразной щели, образованной пересечением двух плоских щелевых отверстий, общий вид; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1.

Погружаемый стакан 1 имеет центральный канал 2 и выпускное отверстие 3 в виде крестообразной щели, образованной пересечением двух плоских щелевых отверстий. Отверстие имеет расположенный перед диффузором 4 с начальной шириной b и углом раскрытия широких стенок 5 2= 30--60^о участок 6 постоянной ширины, равной начальной ширине b диффузора 4. Длина участка 6 постоянной ширины составляет l₁= = (1-6)b, диффузора - l₂ = (1,5-4,5). При такой конструкции выпускного отверстия 3 погружаемого стакана 1 на участке 6 постоянной ширины b происходит формирование равномерного по сечению профиля скорости потока, а в диффузоре с углом раскрытия широких стенок отверстия 2= 30...60^о - интенсивное вихреобразование.

При углах раскрытия 2 =30...60^о отрыв затопленной транзитной турбулентной струи от широких стенок 5 диффузора 4 начинается уже в его начальном сечении 7, что приводит к интенсивному зарождению вихрей по всей длине диффузора на неустойчивой границе струи, где градиенты давлений и скорости максимальны.

За счет повышения начальной интенсивности турбулентности _и, обеспечивающей значительную деформацию границ струи, проявляется эффект ее аномального расширения. Сразу за выпускным отверстием погружаемого стакана идет быстрое увеличение уровня турбулентной вязкости _т, а после достижения расширяющейся струей фронта кристаллизации турбулентная вязкость расплава распределена по сечению практически равномерно.

За счет эффекта "дальнодействия" турбулентности происходит передача турбулентных пульсаций в потоке на значительные расстояния, в том числе и по направлению нормали к линиям тока. Турбулентный перенос импульса, тепла и вещества по интенсивности намного превосходит молекулярный, что обуславливает для области турбулентного перемешивания рост коэффициента эффективной теплопроводности _эф , выравнивание температуры и химического состава, повышение перепада температур Т у фронта затвердевания, рост коэффициента теплоотдачи _ж и плотности теплового потока q=_жT от расплава к фронту затвердевания.

В результате в области перемешивания замедляется скорость его продвижения при одновременном повышении равномерности затвердевания. Увеличение плотности теплового потока q от расплава к корочке слитка при уменьшении ее толщины, а следовательно, и величины термического сопротивления приводит к усилению теплоотвода от слитка и ускоренному снятию перегрева его жидкого ядра, более раннему переходу от последовательного к объемному характеру затвердевания.

Ускоренное снятие перегрева за счет турбулентного перемешивания создает благоприятные теплофизические условия для расширения центральной зоны равноосных кристаллов, сокращения зоны столбчатых кристаллов и уменьшения осевой физической и химической неоднородности слитка.

Турбулентное перемешивание, предотвращая коагуляция неметаллических включений (НВ) в расплаве и способствуя росту дисперсности дендритной структуры за счет роста температурного градиента у фронта затвердевания, обеспечивает уменьшение размеров НВ и степени их отрицательного влияния на качество слитка. Кроме того, при перемешивании вследствие сокращения ширины двухфазной зоны снижается вероятность захвата НВ растущими дендритами и уменьшается количество НВ в подповерхностной зоне слитка.

За счет гидродинамического воздействия турбулентного потока на фронт затвердевания при перемешивании в подповерхностной зоне происходит усиление вымывания ликвирующей примеси из междендритного пространства и устраняется возможность образования подповерхностных газовых пузырей при кристаллизации. В результате повышается чистота, плотность и прочность подповерхностного слоя слитка, снижается вероятность образования трещин и прорывов, уменьшается количество поверхностных дефектов на прокате. Этому способствует также и повышение качества поверхности слитка в результате увеличения температуры его поверхности и улучшения работы шлакового гарниссажа.

При угле раскрытия широких граней диффузора 2 меньше 30^о область отрыва транзитной струи смещается от начального сечения диффузора вниз по ходу распространения струи и эффективность вихреобразования, а следовательно, и турбулентного перемещения снижается. При 2 больше 60^о неоправданно возрастают габариты, вес и стоимость погружаемого стакана без роста эффективности вихреобразования. При длине l₁ участка выпускного отверстия постоянной ширины меньше b резко снижается стабильность гидродинамических характеристик затопленной струи во времени за счет химической и термомеханической эрозии выпускного отверстия стакана под действием потока расплава, а при длине l₁ больше 6b не улучшается стабильность гидродинамических характеристик струи, но возрастает вероятность заметалливания отверстия стакана в начале разливки. При длине l₂ участка диффузорной части выпускного отверстия меньше 1,5b резко снижается интенсивность вихреобразования и не достигается поставленная цель, а при l₂ больше 4,5b возрастают габариты, масса и стоимость стакана без повышения эффективности вихреобразования.

Погружаемый стакан может иметь одно или несколько выпускных отверстий как боковых, так и прямоточных.

П р и м е р. Погружаемый стакан для отливки блюмов и круглых заготовок имеет центральный канал диаметром 90 мм и прямоточное выпускное отверстие в виде крестообразной щели, образованной пересечением двух плоских щелевых диффузорных отверстий. Начальный размер каждой щели 20х90 мм. Отверстие имеет участок постоянной ширины b = 20 мм длиной, составляющей 4b = 420 = 80 мм и диффузор с углом раскрытия по широким граням 2= 40^о и длиной 2b= 220 = =40 мм.

Применение предложенной конструкции погружаемого стакана с указанными значениями угла раскрытия широких граней диффузора, длины участка постоянной ширины и диффузора обеспечивает за счет интенсификации турбулентного перемешивания расплава в кристаллизаторе улучшение качества поверхности и структуры непрерывнолитого и катаного металла, повышение его служебных и технологических свойств. В результате снижения чувствительности формируемой структуры и развития осевой физической и химической неоднородности в слитке к изменению таких параметров технологии как степень перегрева металла, скорость разливки, интенсивность вторичного охлаждения снижаются требования по точности их соблюдения, а также по точности настройки роликов зоны вторичного охлаждения. При этом упрощается и удешевляется эксплуатация МНЛЗ и обеспечивается достаточно высокий уровень качества литого и катаного металла.