專利名稱：減輕流體旋渦的阻旋裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體流動(dòng)過程中產(chǎn)生的旋渦，具體來說是冶金行業(yè)鋼水從一個(gè)容 器轉(zhuǎn)移到另一個(gè)容器的過程中，例如鋼包或中間包澆鑄過程產(chǎn)生旋渦的阻旋裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，隨著社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展，對(duì)鋼材質(zhì)量的要求越來越高。這就使得優(yōu)質(zhì) 鋼材的生產(chǎn)主要集中在減少雜質(zhì)元素的含量和控制鋼中夾雜物。因此，整個(gè)流程的每一個(gè) 環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格控制鋼水質(zhì)量。在現(xiàn)代煉鋼過程中，鋼水從一個(gè)容器轉(zhuǎn)入另一容器時(shí)產(chǎn)生的 旋渦卷渣長(zhǎng)期以來一直是個(gè)難以完全解決的問題，它的存在使得鋼中夾雜物難以排除，降 低有益元素含量，嚴(yán)重限制成品鋼質(zhì)量及性能的進(jìn)一步提高，而這些問題隨著社會(huì)進(jìn)步，技 術(shù)提高，顯得越來越突出。此外，鋼水從鋼包到中間包澆鑄末期，鋼渣卷入鋼水，一方面使得 二次精煉的鋼水再度惡化，發(fā)生二次氧化，大量合金元素?zé)龘p，減少合金的收得率，降低有 益元素含量；另一方面，鋼渣進(jìn)入澆鑄流，易堵塞水口，中間包內(nèi)鋼渣聚集量大，降低包襯耐 材壽命。不但增加生產(chǎn)成本，而且給操作人員帶來大量頻繁的清理工作。
為了避免大量熔渣進(jìn)入水口，通常在鋼水將要澆鑄完畢時(shí)，強(qiáng)制關(guān)閉水口。其方式 有人工目測(cè)和安裝下渣檢測(cè)裝置。人工目測(cè)完全靠人為經(jīng)驗(yàn)判斷，起伏和誤差都很大，已被 安裝下渣檢測(cè)裝置所取代，即在鋼包底部外表面水口附近安裝鋼包下渣檢測(cè)系統(tǒng)，如電磁 式鋼包下渣檢測(cè)系統(tǒng)或振動(dòng)式鋼包下渣檢測(cè)系統(tǒng)等，其工作原理是在線檢測(cè)流動(dòng)的鋼水， 當(dāng)檢測(cè)到通過水口的鋼液流中含有渣液后，立即啟動(dòng)鋼包的滑板，強(qiáng)制關(guān)閉水口。此時(shí)，鋼 包中的剩余鋼水無法被利用而產(chǎn)生浪費(fèi)。安裝了鋼包下渣檢測(cè)系統(tǒng)后，可以將進(jìn)入中間包 的鋼渣數(shù)量降到很低的程度，凈化了鋼液，但隨之產(chǎn)生的問題是鋼水收得率降低，因?yàn)殇摪?澆鑄末期的下渣主要是由產(chǎn)生的旋渦引起的，也就是說在鋼水沒有完全流凈之前，就會(huì)出 現(xiàn)旋渦卷渣，這時(shí)強(qiáng)制關(guān)閉水口，必然有部分鋼水殘留在鋼包內(nèi)而無法被利用。例如300噸 鋼包利用此方法時(shí)的殘鋼量約9噸，約占鋼水的3%。如果采用有效技術(shù)以抑制旋渦的產(chǎn) 生，減輕旋渦卷渣，即使殘鋼量降低1 %，也就是多澆鑄3噸鋼水，以年產(chǎn)鋼300萬噸計(jì)，就能 多產(chǎn)鋼3萬噸，多盈利6000萬，其效益是非常顯著的。本發(fā)明就是在使用鋼包下渣檢測(cè)系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在保證鋼液純凈度的同時(shí)，最大限度的澆鑄鋼液，實(shí)現(xiàn)提高鋼水純凈度和澆鑄 率的雙重目的。
由生產(chǎn)實(shí)踐可知，鋼水產(chǎn)生旋渦屬于自然現(xiàn)象，很難消除。因此，如何減輕旋渦產(chǎn) 生所需要的能量積累，從而降低旋渦產(chǎn)生的高度和強(qiáng)度，對(duì)于提高鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)能，降低成 本，意義至關(guān)重大。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述煉鋼生產(chǎn)現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種鋼包或中間包澆鑄末期能夠減 輕或消除流體旋渦的阻旋裝置以及抑制旋渦產(chǎn)生下渣的方法，它從本質(zhì)上阻礙了形成旋渦 并逐漸發(fā)展壯大的能量聚集，能有效地抑制旋渦的形成，減少出鋼時(shí)的下渣量，提高合金收得率，最大限度維護(hù)爐外精煉的效果，提高鋼水質(zhì)量，為后續(xù)的中間包冶金及連鑄生產(chǎn)提供 有利的保證。
本發(fā)明創(chuàng)造是在現(xiàn)有澆鑄技術(shù)基礎(chǔ)上，在鋼包或中間包底部水口附近按一定規(guī)律 放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體，其截面可以為矩形或梯形或其它多邊形。 其理論依據(jù)為在沒有人為外加場(chǎng)的前提下，鋼液由鋼包或中間包自然澆鑄過程中，由于地 球自轉(zhuǎn)和地心引力產(chǎn)生地心偏向力(也叫科里奧利力)，在水口附近及水口內(nèi)部，鋼液以旋 轉(zhuǎn)的流動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)，形成漏斗狀旋渦。根據(jù)南、北半球不同的地理位置，旋渦的方向不同。下 面通過對(duì)流體流動(dòng)的受力分析，得出旋渦的方向。
圖1為流體分別在南半球和北半球向水口流動(dòng)時(shí)的受力分析。由圖可知，赤道上 一流體質(zhì)點(diǎn)M,由于地球自西向東自轉(zhuǎn)，受一水平向東的力K。當(dāng)其受到正向北的力F2，欲 向水口 1運(yùn)動(dòng)時(shí)，其實(shí)合力為F，因此在水口 1附近形成了逆時(shí)針的流動(dòng)。同理，當(dāng)其質(zhì)點(diǎn)向 南半球的水口 2運(yùn)動(dòng)時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)順時(shí)針的流動(dòng)。
上面是從赤道上一流體質(zhì)點(diǎn)向不同的方向運(yùn)動(dòng)得出旋渦的方向。下圖為從另一角 度，即從地球自轉(zhuǎn)的角速度出發(fā)，來分析流體的運(yùn)動(dòng)情況。
圖2為地球自轉(zhuǎn)的示意圖，在地球表面和內(nèi)部的一切物質(zhì)都具有角速度ω，方向 都沿ζ軸方向。在地球表面有一質(zhì)點(diǎn)m，也具有ω的角速度，方向沿ζ軸。因ω是矢量，將 ω沿徑向和地面經(jīng)線切向分解，則
徑向角速度CO1=G^sine
切向角速度co2=co.cose
其中θ為地球的緯度值，北半球θ =0 90°，則sin θ >0;南半球θ =-90 0° , sine <0;在赤道上θ =O0由此也可說明，旋渦方向在北半球?yàn)槟鏁r(shí)針，在南半球 為順時(shí)針，在赤道上則沒有旋渦(俯視)。
圖3為北半球上一裝有水的容器，底部有一個(gè)出水口。水中取一個(gè)質(zhì)元Α，其質(zhì)量 為m，離水口中心軸線00’的半徑為r。在沒有打開出水口時(shí)，容器和A都以Q1的角速度 繞徑向軸(即00’軸)轉(zhuǎn)動(dòng)，看不到它們之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)打開出水口時(shí)，水在重力的作 用下不停地從出水口流出。當(dāng)質(zhì)元A運(yùn)動(dòng)到A’時(shí)，離水口中心軸線00’的半徑為r’。在這 一過程中，水是自由流動(dòng)的，故沿00’軸的角動(dòng)量守恒，即L=常量。
因此，在 A 禾口 A，處 L = Hir2CO1 = mr，2ω/
故ω/ = (r/r，^co1
可見，質(zhì)量為m的質(zhì)元從A處運(yùn)動(dòng)到Α’處時(shí)，在Α’處的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度將是原來的 (r/r’)2倍。A’靠近軸線00’，即r’ 一0，而A遠(yuǎn)離軸線00’，r較大。并且r越來越大，所 以ω/也就越來越比Q1大，旋渦就越來越急。從ω/ = (r/r’)2 ω工，就可以形象地描述 旋渦產(chǎn)生的過程。剛開始流體由于地球自轉(zhuǎn)偏心力產(chǎn)生的偏向水口的流動(dòng)很微弱，甚至很 難被發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到水口附近，特別是距水口較遠(yuǎn)的流體運(yùn)動(dòng)到水口附近時(shí)，則會(huì)產(chǎn) 生很大角速度，因而演變成明顯的旋渦。
本方案的出發(fā)點(diǎn)是從流體容器底部強(qiáng)加一流場(chǎng)，與旋渦產(chǎn)生的流場(chǎng)完全相反，抑 制了旋渦的形成。通過水模型實(shí)驗(yàn)，其臨界高度和貫通高度都有明顯的降低，特別是貫通高 度，降低了一半，取得了顯著的技術(shù)效果。根據(jù)地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生偏心力(也叫科里奧利力)和 流體力學(xué)的原理，發(fā)明一種減輕流體旋渦的阻旋裝置。


圖1為流體分別在南半球和北半球向水口流動(dòng)時(shí)的受力分析。
圖2為地球自轉(zhuǎn)的示意圖。
圖3為北半球上一裝有水的容器，底部有一個(gè)出水口。
圖4A、B、C為位于北半球時(shí)，減輕流體旋渦的阻旋裝置。
圖5A、B、C為位于南半球時(shí)，減輕流體旋渦的阻旋裝置。
圖6為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，根據(jù)南北半球不同的地理位置，受力的大小、方向均不 同。流體產(chǎn)生旋渦的強(qiáng)度、方向也不相同，南半球旋渦為順時(shí)針方向，北半球?yàn)槟鏁r(shí)針方向。 本發(fā)明根據(jù)旋渦方向的不同，有不同的放置方案。
以下根據(jù)圖4A、B、C和圖5A、B、C，具體說明該阻旋裝置的實(shí)施方式。
圖4A為位于北半球時(shí)，減輕流體旋渦的阻旋裝置。其結(jié)構(gòu)為3塊由抗侵蝕耐火 材料制成的耐火磚如圖所示砌筑在水口周圍，耐火磚1、2和3截面相同，可為矩形或梯形； 長(zhǎng)度相同或不同均可，一端位于和水口邊相切的位置附近，如耐火磚1的L端；并且有一定 高度。鋼包或中間包底部流體通過4、5和6三個(gè)區(qū)域流向水口，磚1中的M端較L端更遠(yuǎn) 離水口，這就使得流體通過區(qū)域4的流動(dòng)方向大致上沿磚1的長(zhǎng)度方向。同理，區(qū)域5和6 中的流體流動(dòng)方向均是沿磚3和2的長(zhǎng)度方向。這樣，水口附近流體的流動(dòng)趨勢(shì)為順時(shí)針 方向，這對(duì)逆時(shí)針旋渦的形成將會(huì)產(chǎn)生阻礙作用，達(dá)到抑制旋渦的形成，降低旋渦臨界高度 和貫通臨界高度的目的。
圖4B和C是按照?qǐng)D4A的思路和原理，由放置3塊磚改為2塊或1塊，這是因?yàn)椴?同的地理位置所受力的強(qiáng)度不一樣，在受力強(qiáng)度較小的情況下，減少耐火磚的數(shù)目，這樣可 以減弱由于耐火磚而形成的順時(shí)針流動(dòng)的趨勢(shì)大小。同時(shí)，耐火磚的長(zhǎng)度I2、高度h和到水 口的距離I1也是重要的參數(shù)，根據(jù)不同的地理位置和水口直徑大小的不同，均有不同參數(shù) 值(如圖6所示)。
圖5A、B和C則是用于南半球的旋渦形成的阻旋裝置，其原理和圖4相似。只是耐 火磚形成的鋼包或中間包底部流向水口的流體具有逆時(shí)針的趨勢(shì)，這會(huì)與順時(shí)針的旋渦形 成能量的抵消，抑制旋渦的產(chǎn)生，降低旋渦的臨界高度。
權(quán)利要求
1.一種減輕流體旋渦的阻旋裝置，其特征是在鋼包或中間包底部水口附近按一定規(guī)律 放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種減輕流體旋渦的阻旋裝置，其特征是在鋼包或中間包底 部水口附近按一定規(guī)律放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體，臺(tái)體的橫截面為矩 形或梯形或其它多邊形。梯形則上邊短，底邊長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種減輕流體旋渦的阻旋裝置，其特征是在鋼包或中間 包底部水口附近按一定規(guī)律放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體，根據(jù)南北半球 不同的地理位置，旋渦的方向不同，臺(tái)體有不同的擺放方式。
4.該減輕流體旋渦的阻旋裝置，其特征是在鋼包或中間包底部水口附近按一定規(guī)律放 置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體。由于不同的地理位置，旋渦產(chǎn)生的能量大小 不同，臺(tái)體的數(shù)目為1塊或多塊不等。
5.一種減輕流體旋渦的阻旋裝置，其特征是在鋼包或中間包底部水口附近按一定規(guī)律 放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體。耐火磚臺(tái)體的高度、長(zhǎng)度與距水口的距離 為重要的參數(shù)，根據(jù)不同的地理位置，均有不同的參數(shù)值。
6.減輕流體旋渦的阻旋裝置，其特征是在鋼包或中間包底部水口附近按一定規(guī)律放置 1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體。根據(jù)不同的拉坯速度，水口的直徑不同，臺(tái)體的 高度、長(zhǎng)度與距水口的距離也有不同的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及減輕流體旋渦的阻旋裝置。本發(fā)明研制了一種阻礙流體旋渦產(chǎn)生、發(fā)展的裝置，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域。至于冶金行業(yè)，應(yīng)用于鋼包或中間包澆鑄水口附近。其特征是在鋼包或中間包底部水口附近放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺(tái)體，其截面可以為矩形或其它多邊形。其理論依據(jù)為由于地球自轉(zhuǎn)和地心引力產(chǎn)生地心偏向力，使得鋼液在澆鑄末期，在水口附近，形成漏斗狀旋渦。根據(jù)不同的地理位置，有不同的放置方案。本方案是從容器底部強(qiáng)加一流場(chǎng)，與旋渦產(chǎn)生的流場(chǎng)完全相反，抑制了旋渦的形成。通過水模型實(shí)驗(yàn)，有明顯的效果，特別是貫通高度，降低了一半。它從根本上抑制了旋渦的發(fā)展，能夠同時(shí)提高鋼水純凈度和金屬收得率。為后續(xù)的中間包冶金和連鑄生產(chǎn)提供有利保證。
文檔編號(hào)B22D41/50GK102029384SQ200910187709
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者于景坤, 毛飛雄, 藺瑞, 顏正國(guó) 申請(qǐng)人:東北大學(xué)