用于钢水转移的正压强水口
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种用于钢水转移的正压强水口。
背景技术
钢铁生产中，钢水不断地从一个容器转移到另一个容器，每一个容器都因冶炼的需要，有相应的熔渣：转炉内有钢渣，钢包内有钢包渣，中包内有中包渣。为了避免影响钢铁生产过程和钢铁质量，都必须尽量减少熔渣进入下一个容器。
熔渣之所以会随着钢水通过水口转移，是由于液体流动中的漩涡现象。漩涡是我们生活中常见的一种现象，它是流体在流动过程中由于相邻各质点间流速不一致而引起的。而在垂直水口上方，液体达到一定的临界高度，就会形成可见漩涡。漩涡将本来漂浮于钢水上面的钢渣卷吸进入水口，到达下一个容器，造成钢水质量问题等一系列其它问题。
对于某些高级钢种，钢厂往往采用牺牲钢水收得率的方法，提前关闭水口，致使转炉、钢包、中包都有大量残钢无法得到利用；而对某些质量要求不太高的钢种，则任由钢渣混入钢水，虽然提高了钢水的收得率，但降低了钢水质量。
而随着现在钢铁生产节奏加快，钢水转移速度也随之加快，需要加大各种水口直径，导致下渣的问题更突出。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种用于钢水转移的正压强水口，降低旋涡临界高度，大幅度减少钢渣卷入钢水数量，提高钢水质量，减少钢水精炼处理成本。
为实现上述目的，本发明所设计的用于钢水转移的正压强水口，包括沿着钢水流动方向依次密封布置的钢水汇聚区和锥形过渡段，所述钢水汇聚区和锥形过渡段均为上大下小的空心的倒圆台形，还包括1～4个坡形导流槽，所述坡形导流槽为横向的半圆台结构，所述坡形导流槽深度较大的一端与所述钢水汇聚区连通，且所述坡形导流槽的上表面与所述钢水汇聚区的上表面平齐，该上表面亦即容器的底面，所述坡形导流槽以来流方向穿过钢水汇聚区中心的线为对称轴，对称分布在所述钢水汇聚区的周围，上述各部分平滑而紧密连接。
优选地，所述锥形过渡段的底部连接有收缩整流段，所述收缩整流段分为两部分，上部分为上大下小空心倒圆台形的收缩段，下部分为直筒段，下部分的直径等于上部分的下端直径。
优选地，所述钢水汇聚区的上底直径为下底直径的2～5倍，其高为下底的1.0～4.0倍。
优选地，所述收缩整流段中收缩段的上底直径为下底直径的1.2～2.0倍，其高度大于下端直径。所述收缩整流段中直筒段的长度随生产需求而定。
优选地，所述锥形过渡段的上底直径为下底直径的1.1-2.0倍，其长度可以根据需要设置，不必受限于容器耐火砖的尺寸。
优选地，所述锥形过渡段和收缩整流段的连接处设有滑板，控制钢水转移。
优选地，所述钢水汇聚区和坡形导流槽由耐火砖砌筑而成。
优选地，所述锥形过渡段和收缩整流段一次成型。
优选地，所述收缩整流段的中心与所述钢水汇聚区和锥形过渡段的中心不在一条直线上。
优选地，所述收缩整流段单独成型，可拆卸安装在所述锥形过渡段底部，便于更换。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、降低了漩涡临界高度，大幅度减少钢渣卷入钢水的数量，提高钢水质量，减少钢水精炼处理成本；
2、钢水转移速度快，提高了炼钢生产效率；
3、大幅度降低了转炉、钢包、中包的残钢量；
4、提高了水口整体寿命，降低了材料成本，节省了水口更换时间，提高了作业率；
5、水口内各处压强均大于大气压强，保证不会从滑板处吸气，避免钢水二次氧化；
6、钢水流出水口后形状规则，减少钢水流出水口后的二次氧化，提高钢水质量；降低了钢流对熔池的冲击强度，减少或避免卷渣发生，提高钢水质量。
附图说明
图1为本发明用于钢水转移的正压强水口的结构示意图；
图2为图1的正视图。
图中各部件标号如下：
钢水汇聚区1、锥形过渡段2、坡形导流槽3、收缩整流段4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明用于钢水转移的正压强水口，包括沿着钢水流动方向依次密封布置的钢水汇聚区1和锥形过渡段2，钢水汇聚区1和锥形过渡段2均为上大下小的空心的倒圆台形，还包括1-4个坡形导流槽3，坡形导流槽3为横向的半圆台结构，坡形导流槽3深度较大的一端与钢水汇聚区1连通，且坡形导流槽3的上表面与钢水汇聚区1的上表面平齐，坡形导流槽3以来流方向穿过钢水汇聚区1中心的线为对称轴，对称分布在钢水汇聚区1的周围。
另外，锥形过渡段2的底部连接有收缩整流段4，收缩整流段4分为两部分，上部分为上大下小空心倒圆台形的收缩段，下部分为直筒段。
其中，钢水汇聚区1的上底直径为下底直径的2～5倍，其高为下底直径的1.0～4.0倍，收缩整流段4中收缩段的上底直径为下底直径的1.2～2.0倍，锥形过渡段2的上底直径为下底直径的1.1-2.0倍，其长度由容器耐火材料厚度确定，但不局限于容器厚度，为了提高出钢速度，可以适当加长锥形过渡段2的长度，锥形过渡段2的上底直径为下底直径的1.1-2.0倍。
本发明实施时，在某些实施例中，锥形过渡段2和收缩整流段4的连接处还可以设有滑板，收缩整流段4的中心与钢水汇聚区1和锥形过渡段2的中心可以不在一条直线上。
同样地，钢水汇聚区1、锥形过渡段2、收缩整流段4和坡形导流槽3可以一次成型。而且，坡形导流槽3和钢水汇聚区1可以由容器耐火砖砌筑而成，也可以一次成型后安装在容器中，收缩整流段4也可以单独成型，可拆卸安装在锥形过渡段2底部。
需要说明的是，本发明虽然对部分尺寸作了限制，但并不是只有在限制范围内才有作用。本限制范围是综合考虑了设备尺寸、加工成型难度、操作等诸多方面因素。
另外，本发明涉及到以下几个概念：
正压强水口，是指水口内的任意一点的压强，均大于大气压强，换言之，若在水口上任意一点开一小孔，钢水都会流出，而空气不会进入。
规则流，是指出水口后流股形状规则，表面光滑，在下降过程中直径逐渐变细，不间断。如果是水流，可见表面反光。规则流相当于层流，对周围的空气卷吸少，进入下一容器声音小。
弥散流，是指出水口后流股形状不规则，表面粗糙，在下落过程中直径逐渐变粗，可能会发生间断，流股中包裹大量空气，进入下一容器声音大。
本发明将漩涡的形成分成两部分：“漩”与“涡”。所谓“漩”，是流体相邻质点由于速度不一致，互相缠绕，形成各个方向的漩涡，使液面凹陷。所谓“涡”，水口边缘处的流体受到水口壁的摩擦力，速度最小，中心流体仅受液体本身的粘性力，速度最大，当液面高度达到某一值时，液体压强降低，流体不能充分补充，造成水口上方流体供不应求，形成的贯通凹陷。“漩”与“涡”在水口上方合二为一，形成贯通漩涡，就会将上方的钢渣、空气卷吸入。“漩”产生的离心力加大了漩涡的强度。试验发现，水口越长，流股中心与边缘速度差越大，漩涡临界高度越大，漩涡强度越大，卷吸渣量越大。
普通水口，由于液体向下流动时，受到重力作用，速度逐渐加大，钢流有逐渐变细的趋势，然后受到水口的阻碍，尺寸不能发生变化，因此产生负压，而由于水口壁对钢流的摩擦力，钢流中心速度最大，负压对水口上方的钢水作用最大，因此在液位到达某一值时，就产生了涡，带入钢渣。
本发明的原理如下：
在不考虑摩擦力等阻力的情况下，液体从容器底部(此时水口长度为0)流出后流股直径随流出距离的关系如下：
Dh＝D0[H/(H+h)]1/4
H：容器内液位高度
h：流股距水口距离
D0：水口直径
Dh：h处流股直径
从上式中可以看出，当D0、H一定时，Dh随h增加而变小，即流股随距离逐渐变细；当D0、h一定时，Dh随H降低而迅速变小，即液位下降时，流股快速变细。
在实际钢水转移过程中，当钢液面到达一定高度时，就会产生漩涡，其原因有三：一是相邻质点速度不一致产生的流体任一方向旋转；二是由于水口壁的阻力，水口中流股中心速度远大于边缘速度；三是随流出距离增加，流股变细，而又被水口所阻，产生负压，增加了流股中心与边缘的速度差。虽然现在出钢口设置有锥度，但不足以解决问题。
本发明使用时，坡形导流槽3稳定控制钢水流动方向，直指水口中心，避免因流股不对称产生旋转初速度，且坡形导流槽3设置在容器底面以下，流动速度大，冲击钢水汇聚区1液体，扰乱漩涡的形成条件，降低漩涡的强度，另外流动速度大，提高了出钢速度，保证对水口钢水供应。
同时，钢水汇聚区1保证了钢水向水口的供应量，特别是钢水转移后期，由于液体压强降低，速度变低，通过加大通道的横截面保证了钢水通量。锥形过渡段2满足钢水向下流动时速度增加，钢流逐渐变细的需要。收缩整流段4对上部钢流形成顶托，增加阻力，降低平均流速，保证在钢水汇聚区1、锥形过渡段2内钢流保持正压强(如果在钢水汇聚区1、锥形过渡段2内任一点打孔，钢水会向外流出，而不是空气进入)，降低漩涡临界高度和强度，且大幅度降低钢水在钢水汇聚区1、锥形过渡段2壁处的流速，减小钢水对水口壁的摩擦，提高钢水汇聚区1、锥形过渡段2的寿命。如果装有滑板，也会减少滑板的磨损，提高寿命。另外，保证钢水流出水口时为规则流，对空气卷吸少，带入下一熔池的空气少，这一点对钢水从钢包进入中包更有好处，减少钢水二次氧化。最后收缩整流段4设置在容器外部，容易更换。
另外，当收缩整流段4的中心与钢水汇聚区1和锥形过渡段2的中心不在一条直线上，其顶托作用更明显，但对耐材的质量要求更高。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
其中，结合图2所示，坡形导流槽3两端的深度为R1、R2，R2>R1，L为坡形导流槽3两端之间的长度；钢水汇聚区1上底直径D1，下底直径D2，高H1，锥形过渡段2上底直径D2，下底直径D3，高H2，收缩整流段4收缩段上底直径D3，下底直径D4，高H3，直筒段直径D4，高H4。
用直径600mm的有机玻璃桶，可更换不同尺寸的水口。初始水位400mm高，静置4min后打开水口阀门，记录水位下降到100mm的时间作为流尽时间，形成贯通漩涡时的水位作为漩涡临界高度。
对照例1：直径40mm长度90mm的直筒水口，流尽时间48s，漩涡临界高度90mm，漩涡强度弱，流股为规则流，对下一容器冲击弱，声音小，入水气泡大而少；
对照例2：直径40mm长度400mm的直筒水口，流尽时间28s，漩涡临界高度90mm，漩涡强度大，流股为弥散流，对下一容器冲击强，声音大，入水气泡小而密集。将水口壁钻一小孔，插入内径1mm橡皮管，外端浸入一盛水的烧杯，当水口阀门打开后，可见水流从烧杯流进水口，说明水流产生了负压；
对照例3：模拟现用出钢口，上端直径45mm，下端直径40mm，长度400mm的锥形水口，流尽时间26s，漩涡临界高度90mm，漩涡强度大，流股为弥散流，对下一容器冲击强，声音大，入水气泡小而密集
对比对照例1和2，说明水口长，可以大幅度缩短流尽时间。
对比对照例2和3，说明现用锥形水口，可以缩短流尽时间，但对漩涡临界高度和漩涡强度影响不大。
实施例1：一种正压强水口，R1＝20mm，R2＝30mm，L＝150mm，三条坡形导流槽3，均匀分布在钢水汇聚区1周围；D1＝120mm，D2＝60mm，H1＝60mm，D3＝40mm，H2＝250mm，D4＝35mm，H3＝20mm，H4＝20mm，流尽时间23s，漩涡临界高度约30mm，将锥形过渡段2从上至下1/4处、1/2处、3/4处钻三个小孔，当阀门打开后，可见水流从从小孔流出，而且水流射程依次而远。说明水流产生了正压强，且水口下部正压强更大；
实施例2：一种正压强水口，R1＝20mm，R2＝40mm，L＝150mm，三条坡形导流槽3，均匀分布在钢水汇聚区1周围，D1＝200mm，D2＝70mm，H1＝80mm，D3＝50mm，H2＝350mm，D4＝40mm，H3＝20mm，H4＝20mm，出尽时间21s，漩涡临界高度<40mm，漩涡强度弱，流股为规则流，对下一容器冲击弱，声音小，入水气泡大而数量少；
实施例3：一种正压强水口，R1＝20mm，R2＝40mm，L＝150mm，三条坡形导流槽3，均匀分布在钢水汇聚区1周围，D1＝240mm，D2＝70mm，H1＝80mm，D3＝50mm，H2＝400mm，D4＝40mm，H3＝20mm，H4＝150mm，出尽时间18s，漩涡临界高度<40mm，比实施例2稍大，漩涡强度弱，流股为规则流，对下一容器冲击弱，声音小，入水气泡大而数量少。
实施例4：一种正压强水口，R1＝20mm，R2＝40mm，L＝150mm，一条坡形导流槽3，在钢水汇聚区1来流方向；D1＝240mm，D2＝70mm，H1＝80mm，D3＝50mm，H2＝400mm，D4＝40mm，H3＝20mm，H4＝200mm，出尽时间19s，漩涡临界高度<40mm，比实施例3稍大，漩涡强度弱，流股为规则流，对下一容器冲击弱，声音小，入水气泡大而少。
实施例5：一种正压强水口，R1＝20mm，R2＝40mm，L＝150mm，三条坡形导流槽3，均匀分布在钢水汇聚区1周围，D1＝240mm，D2＝70mm，H1＝50mm，D3＝40mm，H2＝450mm，取消收缩整流段。出尽时间20s，漩涡临界高度40-60mm，漩涡强度弱，流股为弥散流，入水气泡较多而细小。
本发明适合转炉钢水向钢包转移的出钢口系统，钢包钢水向中间包转移的水口系统，以及中间包钢水向结晶器转移。
本发明也适合其它高温金属的转移。
本发明用于钢水转移的正压强水口，降低了旋涡临界高度，大幅度减少钢渣卷入钢水数量，提高钢水质量，减少钢水精炼处理成本；且钢水转移速度快，提高了炼钢效率；大幅度降低各容器中的残钢量，增加了钢产量；并提高了水口寿命，降低了材料成本，节省了水口更换时间，提高了作业率；另外，水口内各处压力均大于大气压，保证不会从滑板处吸气，避免钢水二次氧化；钢水流出水口后形状规则，减少钢水流出水口后的二次氧化，提高钢水质量，降低了钢流对熔池的冲击强度，减少或避免卷渣发生。
