專利名稱：減輕流體旋渦的阻旋裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種流體流動過程中產生的旋渦，具體來說是冶金行業鋼水從一個容 器轉移到另一個容器的過程中，例如鋼包或中間包澆鑄過程產生旋渦的阻旋裝置。
背景技術：
眾所周知，隨著社會進步和科技發展，對鋼材質量的要求越來越高。這就使得優質 鋼材的生產主要集中在減少雜質元素的含量和控制鋼中夾雜物。因此，整個流程的每一個 環節都要嚴格控制鋼水質量。在現代煉鋼過程中，鋼水從一個容器轉入另一容器時產生的 旋渦卷渣長期以來一直是個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，嚴重限制成品鋼質量及性能的進一步提高，而這些問題隨著社會進步，技 術提高，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，發生二次氧化，大量合金元素燒損，減少合金的收得率，降低有 益元素含量；另一方面，鋼渣進入澆鑄流，易堵塞水口，中間包內鋼渣聚集量大，降低包襯耐 材壽命。不但增加生產成本，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入水口，通常在鋼水將要澆鑄完畢時，強制關閉水口。其方式 有人工目測和安裝下渣檢測裝置。人工目測完全靠人為經驗判斷，起伏和誤差都很大，已被 安裝下渣檢測裝置所取代，即在鋼包底部外表面水口附近安裝鋼包下渣檢測系統，如電磁 式鋼包下渣檢測系統或振動式鋼包下渣檢測系統等，其工作原理是在線檢測流動的鋼水， 當檢測到通過水口的鋼液流中含有渣液后，立即啟動鋼包的滑板，強制關閉水口。此時，鋼 包中的剩余鋼水無法被利用而產生浪費。安裝了鋼包下渣檢測系統后，可以將進入中間包 的鋼渣數量降到很低的程度，凈化了鋼液，但隨之產生的問題是鋼水收得率降低，因為鋼包 澆鑄末期的下渣主要是由產生的旋渦引起的，也就是說在鋼水沒有完全流凈之前，就會出 現旋渦卷渣，這時強制關閉水口，必然有部分鋼水殘留在鋼包內而無法被利用。例如300噸 鋼包利用此方法時的殘鋼量約9噸，約占鋼水的3%。如果采用有效技術以抑制旋渦的產 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，以年產鋼300萬噸計，就能 多產鋼3萬噸，多盈利6000萬，其效益是非常顯著的。本發明就是在使用鋼包下渣檢測系 統的基礎上，在保證鋼液純凈度的同時，最大限度的澆鑄鋼液，實現提高鋼水純凈度和澆鑄 率的雙重目的。
由生產實踐可知，鋼水產生旋渦屬于自然現象，很難消除。因此，如何減輕旋渦產 生所需要的能量積累，從而降低旋渦產生的高度和強度，對于提高鋼鐵企業的產能，降低成 本，意義至關重大。發明內容
針對上述煉鋼生產現狀，本發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生下渣的方法，它從本質上阻礙了形成旋渦 并逐漸發展壯大的能量聚集，能有效地抑制旋渦的形成，減少出鋼時的下渣量，提高合金收得率，最大限度維護爐外精煉的效果，提高鋼水質量，為后續的中間包冶金及連鑄生產提供 有利的保證。
本發明創造是在現有澆鑄技術基礎上，在鋼包或中間包底部水口附近按一定規律 放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體，其截面可以為矩形或梯形或其它多邊形。 其理論依據為在沒有人為外加場的前提下，鋼液由鋼包或中間包自然澆鑄過程中，由于地 球自轉和地心引力產生地心偏向力(也叫科里奧利力)，在水口附近及水口內部，鋼液以旋 轉的流動形式運動，形成漏斗狀旋渦。根據南、北半球不同的地理位置，旋渦的方向不同。下 面通過對流體流動的受力分析，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時的受力分析。由圖可知，赤道上 一流體質點M,由于地球自西向東自轉，受一水平向東的力K。當其受到正向北的力F2，欲 向水口 1運動時，其實合力為F，因此在水口 1附近形成了逆時針的流動。同理，當其質點向 南半球的水口 2運動時，則會出現順時針的流動。
上面是從赤道上一流體質點向不同的方向運動得出旋渦的方向。下圖為從另一角 度，即從地球自轉的角速度出發，來分析流體的運動情況。
圖2為地球自轉的示意圖，在地球表面和內部的一切物質都具有角速度ω，方向 都沿ζ軸方向。在地球表面有一質點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，旋渦方向在北半球為逆時針，在南半球 為順時針，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，底部有一個出水口。水中取一個質元Α，其質量 為m，離水口中心軸線00’的半徑為r。在沒有打開出水口時，容器和A都以Q1的角速度 繞徑向軸(即00’軸)轉動，看不到它們之間有相對運動。當打開出水口時，水在重力的作 用下不停地從出水口流出。當質元A運動到A’時，離水口中心軸線00’的半徑為r’。在這 一過程中，水是自由流動的，故沿00’軸的角動量守恒，即L=常量。
因此，在 A 禾口 A，處 L = Hir2CO1 = mr，2ω/
故ω/ = (r/r，^co1
可見，質量為m的質元從A處運動到Α’處時，在Α’處的轉動角速度將是原來的 (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 旋渦產生的過程。剛開始流體由于地球自轉偏心力產生的偏向水口的流動很微弱，甚至很 難被發現，但當流體運動到水口附近，特別是距水口較遠的流體運動到水口附近時，則會產 生很大角速度，因而演變成明顯的旋渦。
本方案的出發點是從流體容器底部強加一流場，與旋渦產生的流場完全相反，抑 制了旋渦的形成。通過水模型實驗，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，取得了顯著的技術效果。根據地球自轉產生偏心力(也叫科里奧利力)和 流體力學的原理，發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時的受力分析。
圖2為地球自轉的示意圖。
圖3為北半球上一裝有水的容器，底部有一個出水口。
圖4A、B、C為位于北半球時，減輕流體旋渦的阻旋裝置。
圖5A、B、C為位于南半球時，減輕流體旋渦的阻旋裝置。
圖6為本發明的結構示意圖。
具體實施方式
由于地球自轉產生離心力，根據南北半球不同的地理位置，受力的大小、方向均不 同。流體產生旋渦的強度、方向也不相同，南半球旋渦為順時針方向，北半球為逆時針方向。 本發明根據旋渦方向的不同，有不同的放置方案。
以下根據圖4A、B、C和圖5A、B、C，具體說明該阻旋裝置的實施方式。
圖4A為位于北半球時，減輕流體旋渦的阻旋裝置。其結構為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6三個區域流向水口，磚1中的M端較L端更遠 離水口，這就使得流體通過區域4的流動方向大致上沿磚1的長度方向。同理，區域5和6 中的流體流動方向均是沿磚3和2的長度方向。這樣，水口附近流體的流動趨勢為順時針 方向，這對逆時針旋渦的形成將會產生阻礙作用，達到抑制旋渦的形成，降低旋渦臨界高度 和貫通臨界高度的目的。
圖4B和C是按照圖4A的思路和原理，由放置3塊磚改為2塊或1塊，這是因為不 同的地理位置所受力的強度不一樣，在受力強度較小的情況下，減少耐火磚的數目，這樣可 以減弱由于耐火磚而形成的順時針流動的趨勢大小。同時，耐火磚的長度I2、高度h和到水 口的距離I1也是重要的參數，根據不同的地理位置和水口直徑大小的不同，均有不同參數 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針的趨勢，這會與順時針的旋渦形 成能量的抵消，抑制旋渦的產生，降低旋渦的臨界高度。
權利要求
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律 放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體。
2.根據權利要求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律放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體，臺體的橫截面為矩 形或梯形或其它多邊形。梯形則上邊短，底邊長。
3.根據權利要求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律放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體，根據南北半球 不同的地理位置，旋渦的方向不同，臺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律放 置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體。由于不同的地理位置，旋渦產生的能量大小 不同，臺體的數目為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律 放置1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體。耐火磚臺體的高度、長度與距水口的距離 為重要的參數，根據不同的地理位置，均有不同的參數值。
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律放置 1塊或幾塊由抗侵蝕耐火材料制作的臺體。根據不同的拉坯速度，水口的直徑不同，臺體的 高度、長度與距水口的距離也有不同的參數。
全文摘要
本發明涉及減輕流體旋渦的阻旋裝置。本發明研制了一種阻礙流體旋渦產生、發展的裝置，可應用于多種領域。至于冶金行業，應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體，其截面可以為矩形或其它多邊形。其理論依據為由于地球自轉和地心引力產生地心偏向力，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加一流場，與旋渦產生的流場完全相反，抑制了旋渦的形成。通過水模型實驗，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展，能夠同時提高鋼水純凈度和金屬收得率。為后續的中間包冶金和連鑄生產提供有利保證。
文檔編號B22D41/50GK102029384SQ200910187709
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者于景坤, 毛飛雄, 藺瑞, 顏正國 申請人:東北大學