ITMI20070083A1 - Scaricatore sommerso - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

“Scaricatore sommerso”

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad uno scaricatore sommerso per scaricare acciaio fuso nelle lingottiere per bramme.

Stato della tecnica

Nella pratica industriale comune, nella colata continua di bramme si utilizzano scaricatori sommersi, qui di seguito detti anche SEN (submerged entry nozzle) dal gergo tecnico inglese, di forma semplicemente tubolare con due porte ricavate ai due lati dell’estremità inferiore.

Molto spesso questa soluzione viene accoppiata al sistema di regolazione a slide gate, in altri casi al sistema a stopper, nella parte di ingresso dell'acciaio fuso.

In questi scaricatori si presentano problematiche di carattere fluidodinamico e di processo. Per i tipi di scaricatori nei quali viene utilizzato uno slide gate, viene prodotta una asimmetria per cui il flusso è costretto ad occupare preferibilmente un lato del SEN. Se invece si utilizza per sistema di regolazione uno stopper un problema di asimmetria non sussiste. Quando il flusso scende all'altezza della porte laterali, esso inizia a fluire attraverso di esse per cui la sezione circolare del SEN diventa troppo grande rispetto alla portata residua verticalmente in transito.

Questo fa sì che nella parte inferiore del SEN si inneschi una rotazione del flusso che può essere :

- sempre con il medesimo senso di rotazione nel caso in cui si utilizzi il sistema di regolazione a slide gate, a causa deN’asimmetria da esso indotta;

- continuamente alternante in modo instabile fra i due opposti sensi di rotazione nel caso di utilizzo dello stopper, non introducendo questo alcuna asimmetria da uno specifico lato.

Questa rotazione prodotta all'interno dello scaricatore, sia essa stabile o instabile a seconda del sistema di regolazione, come descritto, fa sì che il flusso di acciaio fuso non fuoriesca uniformemente dalle porte ma tenda a occuparne preferibilmente un lato. Inoltre l’impatto della corrente discendente nel SEN sulla base inferiore completamente chiusa e piana, rende la ripartizione della portata sulle due porte del SEN continuamente instabile e non equilibrata.

Conseguenze svantaggiose di questo comportamento fluidodinamico dei SEN della tecnica nota sono le seguenti:

- si genera un campo di moto instabile all’interno del cristallizzatore, con conseguenti instabili condizioni per la prima solidificazione e formazione di cricche longitudinali,

- vi è la tendenza dei getti prodotti dalle porte del SEN ad impattare su uno dei lati larghi del cristallizzatore, che è sempre lo stesso nel caso dello slide gate, mentre nel caso dello stopper sono entrambi i lati sui quali i getti impattano in modo casuale e instabile;

- viene causata una conseguente non uniformità del flusso termico estratto dal cristallizzatore, dello spessore e della temperatura della pelle solida in via di formazione;

- si produce un’ondosità superficiale del menisco e quindi si hanno condizioni disuniformi nel corso della prima solidificazione del prodotto di colata;

- non si può controllare la velocità superficiale del menisco e vorticosità del flusso superficiale attorno al SEN, con intrappolamento delle polveri di copertura nel prodotto;

- in caso di eventuale iniezione di argon nel SEN, si produce una disuniforme distribuzione del bubbling all’interno del cristallizzatore, con conseguente possibilità di formazione di pin-holes nel prodotto di colata. Sono stati fatti molti tentativi per migliorare la problematica illustrata sopra. Ad esempio, dal documento JP7232247A è noto uno scaricatore sommerso per colata continua di prodotti in acciaio che mira a ridurre i difetti di inclusione nelle bramme. Esso propone una rastremazione della sezione di estremità dello scaricatore dalla quale esce l'acciaio. Alla punta estrema del tubo, per il passaggio dell'acciaio fuso sono presenti una fessura che si estende per tutta la larghezza del tubo e due fori circolari sui due lati del tubo aventi assi di simmetria paralleli al piano di simmetria longitudinale della fessura. I risultati ottenuti grazie a questo scaricatore sono migliori, ma tuttavia nel corso della colata si producono all'interno della lingottiera dei flussi di acciaio che non sono compietamente soddisfacenti.

La presente invenzione si propone quindi di ovviare agli inconvenienti sopra discussi che presentano i noti scaricatori sommersi, mediante uno scaricatore che produca un prodotto di colata di migliore qualità.

Sommario dell’invenzione

Scopo primario della presente invenzione è dunque di realizzare uno scaricatore sommerso che risolva tutte le problematiche fluidodinamiche e di processo sopra elencate, in modo semplice ed efficace.

Questi scopi sono raggiunti da uno scaricatore per acciaio fuso atto ad essere usato in immersione in una lingottiera per bramme comprendente un corpo tubolare allungato, definente un asse longitudinale e un piano di simmetria verticale passante per l’asse longitudinale, avente un foro centrale con asse parallelo all'asse longitudinale, una prima apertura ad una prima estremità per l’ingresso dell'acciaio fuso, una coppia di porte laterali ad una seconda estremità per l’uscita di acciaio fuso, definenti rispettive direzioni medie di uscita del flusso formanti ciascuna con l’asse longitudinale un primo angolo compreso tra 20° e 90°, una seconda apertura alla seconda estremità del corpo tubolare per l’uscita di acciaio fuso, avente una direzione di uscita sostanzialmente parallela all'asse longitudinale e una sezione di passaggio di area tale da consentire una portata di acciaio molto inferiore alla portata delle porte laterali, in cui sono previste in prossimità della seconda estremità del corpo tubolare e all’interno di questo due superfici inclinate rispetto all’asse longitudinale e convergenti verso la seconda estremità, la linea di intersezione ideale o reale di dette due superfici inclinate essendo giacente sul piano di simmetria verticale.

Essendo le problematiche fluidodinamiche dipendenti dal design del SEN, grazie alla particolare configurazione del condotto interno, delle porte di uscita e dell’apertura sul fondo, il SEN conforme alla presente invenzione assicura un flusso stabile ed equilibrato ed è in grado di garantire un processo ottimale ed esente dai problemi precedentemente evidenziati.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di uno scaricatore sommerso illustrato, a titolo esemplificativo e non limitativo, con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una vista dello scaricatore secondo l’invenzione; la Fig. 2 rappresenta una vista laterale dello scaricatore di Fig. 1;

la Fig. 3 rappresenta una sezione assiale dello scaricatore di Fig. 1 lungo un piano verticale;

la Fig. 4 rappresenta una sezione assiale lungo il piano C-C di una prima variante dello scaricatore di Fig. 3;

la Fig. 5 rappresenta una sezione assiale lungo il piano C-C di una seconda variante dello scaricatore secondo l’invenzione;

la Fig. 6 rappresenta una sezione perpendicolare all’asse longitudinale lungo il piano A-A dello scaricatore della Fig. 5;

la Fig. 7 rappresenta una sezione del prodotto di colata nella lingottiera con l’andamento dello spessore della pelle in fase di solidificazione con uno scaricatore dello stato dell’arte;

la Fig. 8 rappresenta una sezione del prodotto di colata nella lingottiera con l’andamento dello spessore della pelle in fase di solidificazione con uno scaricatore secondo l'invenzione.

Descrizione in dettaglio di forme di realizzazione preferite dell'invenzione Con riferimento alle Figure, è rappresentata una prima forma di realizzazione dello scaricatore o SEN oggetto della presente invenzione, globalmente indicato con il numero di riferimento 1.

Il SEN ha un corpo allungato di forma tubolare 2 che presenta preferibilmente un asse X di simmetria longitudinale. Tale corpo allungato tubolare 2 presenta una prima apertura 3 ad una prima estremità che costituisce l’ingresso dell’acciaio fuso cooperando, per esempio, con una paniera o una sottopaniera o con un altro contenitore opportuno, a seconda dell'impianto di colata continua nel quale lo scaricatore viene impiegato. Questo passaggio può essere aperto o chiuso in funzione delle necessità operative direttamente o indirettamente mediante un dispositivo di otturazione e/o di controllo del flusso, quale ad esempio un sistema a slide gate oppure incorporante uno stopper.

Il corpo tubolare 2 presenta un foro centrale 4, di sezione preferibilmente ma non esclusivamente circolare, il cui asse è parallelo all'asse longitudinale X oppure, preferibilmente, coincidente con esso.

All'estremità del corpo tubolare 2, opposta a quella dove si trova la prima apertura 3 per l’immissione dell’acciaio, sono previste due porte o bocche laterali 5, 6 di uscita per l’acciaio che viene scaricato nella lingottiera. Queste porte, durante il processo di colata, rimangono sommerse all'interno del bagno di acciaio fuso sotto il livello del menisco.

Le porte 5, 6, di uguale forma e sezione, sono ricavate nelle pareti laterali del corpo tubolare 2. Queste due porte 5, 6 hanno le proprie pareti laterali, determinanti il flusso di uscita dell’acciaio, leggermente divergenti verso l'esterno del corpo tubolare, come illustrato in Fig. 1 e in Fig. 6. Le frecce F1 e F2 indicano la direzione media di uscita del flusso di acciaio rispettivamente dalle porte 5 e 6 e sono giacenti sostanzialmente su uno stesso piano di simmetria verticale del corpo tubolare 2 passante per l'asse di simmetria X longitudinale dello stesso corpo tubolare.

Le porte laterali 5 e 6 hanno una forma trapezoidale con la base più corta del trapezio posta verso il basso, per inserirsi nella forma rastremata della punta del corpo tubolare 2 dello scaricatore 1.

Le porte 5 e 6 sono divergenti lungo la direzione di uscita del flusso dalle porte stesse sia in sezione verticale (Figura 4) che in sezione orizzontale (Figura 6), mantenendo una sezione trapezoidale ma progressivamente di area crescente damasse X del corpo tubolare verso la superficie esterna del corpo tubolare 2.

Il raccordo superiore 8 delle porte 5 e 6, corrispondente alla base di maggiore lunghezza del trapezoide di cui hanno la forma, è conformato e dimensionato per sfruttare il cosiddetto "effetto Coanda” e quindi garantire un flussaggio uniforme e stabile dell’acciaio fuso anche nella parte superiore delle porte stesse.

Con riferimento alla Figura 4, si definiscono i seguenti angoli:

- “γ” è l’angolo che la tangente al bordo esterno del raccordo superiore 8 della porta 5, 6 forma con l'asse X;

- “β” è l’angolo che la tangente al bordo inferiore esterno 5’, 6’ delle bocche 5, 6 forma con l'asse X ;

- “a” è l’angolo che la direzione media del flusso di uscita F-ι, F2forma con l’asse X.

In accordo con la presente invenzione detti angoli possono assumere vantaggiosamente valori compresi nei seguenti intervalli:

In prossimità della seconda estremità o punta del corpo tubolare 2, l'interno del tubo è definito da due piani 9, 10 inclinati rispetto all’asse longitudinale X e convergenti verso la punta del corpo tubolare 2. La linea di intersezione ideale o reale di questi due piani 9, 10 giace sul piano di simmetria Y del corpo tubolare 2.

Questi due piani 9, 10 formano un restringimento dell'interno della punta del corpo tubolare associato alla forma trapezoidale delle porte 5, 6, e la geometria globale riduce la sezione di passaggio del flusso di acciaio in proporzione alla portata in via di fuoriuscita dalle porte laterali.

Questi due piani 9, 10 inclinati possono vantaggiosamente essere accompagnati da un corrispondente restringimento esterno delle pareti 9', 10' del corpo tubolare 2.

Una ulteriore apertura, prevista sul fondo 4’ dello scaricatore 1 , ha una direzione di uscita del flusso di acciaio sostanzialmente allineata con l’asse longitudinale X del corpo tubolare 2. Essa può avere una sezione di passaggio, vantaggiosamente circolare, preferibilmente realizzata sot to forma di foro calibrato 11, con un’area molto inferiore all’area della sezione del foro centrale 4 del corpo tubolare 2 e delle bocche laterali 5, 6. Questa ulteriore apertura ha la funzione di stabilizzare la cella di pressione che il flusso genera all’impatto sul fondo del SEN, garantendo così l’equità della portata di flusso in uscita dalle porte laterali 5, 6 ed evitando i pendolamenti trasversali del flusso all’interno del SEN. Attraverso detto foro calibrato 11 fuoriesce una portata minima di acciaio, grazie alle sue piccole dimensioni.

Preferibilmente, ma non necessariamente, il bordo inferiore esterno 5', 6' delle bocche 5, 6 è posto oltre la linea del fondo 4' interna del corpo tubolare in direzione della punta.

Grazie alla sinergia di tutti questi elementi costruttivi questo SEN è in grado di dare un completo e stabile flussaggio nella parte terminale del SEN. Il flusso attraverso le porte 5, 6 è bilanciato, stabile ed uniforme. Questo comportamento del flusso nella parte terminale del SEN e attraverso le porte permette di conseguire una serie di caratteristiche della fluidodinamica nel cristallizzatore, e di conseguenza i seguenti benèfici vantaggi in termini di processo:

- un campo di moto estremamente stabile all’interno del cristallizzatore, con ottimali condizioni per la formazione della prima solidificazione;

- una distribuzione dei getti all’interno del cristallizzatore ben centrata e senza la tendenza a impattare su uno dei lati larghi del cristallizzatore; - una conseguente ottima uniformità del flusso termico estratto dal cristallizzatore, dello spessore e della temperatura della pelle solida in via di formazione;

- la minimizzazione dell’ondosità superficiale del menisco con conseguenti condizioni di buona uniformità per la prima solidificazione del prodotto;

- una uniforme distribuzione della velocità superficiale del menisco e l’assenza di vorticosità del menisco attorno al SEN, evitando quindi l’intrappolamento delle polveri di copertura nel prodotto;

- una migliore uniformità nella distribuzione del bubbling all’interno del cristallizzatore (nell’eventualità dell’iniezione di argon nel SEN).

In una seconda forma di realizzazione alternativa, illustrata nelle Figure 5 e 6, l’apertura praticata nella chiusura inferiore o fondo del SEN può avere anche la forma di una fessura longitudinale o asola o slot 12, anziché di foro circolare, ma di estensione longitudinale non superiore al diametro interno del foro 4 del corpo tubolare 2.

In entrambi i casi comunque detta apertura (foro calibrato 11 o fessura longitudinale 12) non è una porta di alimentazione del flusso nel cristallizzatore di portata paragonabile a quella delle bocche laterali 5, 6, ma serve ad effettuare lo scarico di una minima quantità di portata che non cambia l’andamento di flusso all’interno del cristallizzatore ma serve a dare stabilità al flusso all’interno del SEN.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scaricatore per acciaio fuso atto ad essere usato in immersione in una lingottiera per bramme comprendente un corpo tubolare allungato (2), definente un asse longitudinale (X) e un piano di simmetria verticale passante per l’asse longitudinale, avente un foro centrale (4) con asse parallelo all'asse longitudinale (X), una prima apertura (3) ad una prima estremità per l’ingresso dell'acciaio fuso, una coppia di porte laterali (5, 6) ad una seconda estremità per l’uscita di acciaio fuso, definenti rispettive direzioni medie (F1, F2) di uscita del flusso formanti ciascuna con l’asse longitudinale (X) un primo angolo (a) compreso tra 20° e 90°, una seconda apertura (11, 12) alla seconda estremità del corpo tubolare (2) per l’uscita di acciaio fuso, avente una direzione di uscita sostanzialmente parallela all'asse longitudinale (X) e una sezione di passaggio di area tale da consentire una portata di acciaio molto inferiore alla portata delle porte laterali (5, 6), in cui sono previste in prossimità della seconda estremità del corpo tubolare (2) e all’interno di questo due superfici inclinate (9, 10) rispetto all’asse longitudinale (X) e convergenti verso la seconda estremità, la linea di intersezione ideale o reale di dette due superfici inclinate essendo giacente sul piano di simmetria verticale.
2. 2. Scaricatore secondo la rivendicazione 1, in cui le porte laterali (5, 6) hanno una sezione trapezoidale.
3. 3. Scaricatore secondo la rivendicazione 2, in cui le porte laterali (5, 6) sono divergenti lungo le rispettive direzioni medie (F1, F2) di uscita del flusso sia in sezione verticale che in sezione orizzontale.
4. 4. Scaricatore secondo la rivendicazione 1 , in cui è previsto un raccordo superiore (8) delle porte laterali (5, 6) dimensionato per sfruttare l’effetto Coanda.
5. 5. Scaricatore secondo la rivendicazione 4, in cui una tangente al bordo esterno di detto raccordo superiore (8) forma un secondo angolo (γ) con l’asse longitudinale (X), essendo α < γ < (a 15°).
6. 6. Scaricatore secondo la rivendicazione 5, in cui una tangente al bordo esterno inferiore delle porte laterali (5, 6) forma un terzo angolo (β) con l’asse longitudinale (X), essendo (a -15°) < β < a.
7. 7. Scaricatore secondo la rivendicazione 1, in cui la seconda apertura (11, 12) alla seconda estremità del corpo tubolare (2) è prevista sul fondo (4’) dello scaricatore.
8. 8. Scaricatore secondo la rivendicazione 7, in cui detta seconda apertura è realizzata sotto forma di foro calibrato (11).
9. 9. Scaricatore secondo la rivendicazione 7, in cui detta seconda apertura è realizzata sotto forma di fessura longitudinale (12).
10. 10. Scaricatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il foro centrale (4) ha sezione circolare.