CC BY
71
УДК 621.746. 27
С.В. Лукин, Г.Н. Шестаков, С.А. Зимин ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет»
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ СОРТОВОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
На шестиручьевой сортовой машине непрерывного литья заготовок электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) ОАО «Северсталь» при использовании гильзового кристаллизатора длиной 1 м с параболической конусностью рабочих стенок разливают сталь в заготовки сечением 100 х 100 мм со скоростью 5-^5,5 м/мин и выше. При таких условиях исследование теплообмена в кристаллизаторах МНЛЗ практически не проводилось.
На хромированную криволинейную медную гильзу толщиной 11 мм надета рубашка из нержавеющей стали, повторяющая профиль гильзы. Зазор между гильзой и рубашкой составляет 5 мм. Охлаждающая вода движется в зазоре между рубашкой и гильзой снизу вверх со скоростью примерно 15 м/с. Расход воды на охлаждение гильзы составляет в среднем 120 м3/ч. Для смазки кристаллизатора используется рапсовое или синтетическое масло.
Уровень зеркала жидкого металла поддерживают в среднем на значении 71 %, что соответствует рабочей высоте кристаллизатора 0,71 м. Отклонение уровня жидкого металла от среднего значения обычно составляет + 5 %. Уровень металла в кристаллизаторе регулируют за счет изменения скорости разливки. Время пребывания слитка в кристаллизаторе при стационарных режимах разливки составляет от 5,5 до 13 с.
В АСУ МНЛЗ непрерывно регистрируются и заносятся в базу компьютера через каждые несколько секунд следующие данные по кристаллизатору: скорость разливки v, м/мин; объемный расход охлаждающей воды V, м3/ч; перепад температур охлаждающей воды в кристаллизаторе Aie, °С; уровень жидкого металла в кристаллизаторе ср, %. Измерение уровня жидкого металла производится радиоактивным датчиком с точностью + 3,0 мм.
За основу исследования были выбраны экспериментальные данные, полученные на 6 ручьях МНЛЗ в период с 27. 10. 2007 г. по 30. 10. 2007 г. Расчет средней плотности теплового потока от слитка к кристаллизатору q производится следующим образом. Скорость разливки v выражается в м/с; объемный
расход охлаждающей воды V в м3/ч пересчитывается в массовый расход по формуле G = F/3,6, кг/с; тепловой поток, уносимый охлаждающей водой, определяется выражением Q = G-cB -AtB, кВт, где AtB -нагрев воды в кристаллизаторе, 9С; св = 4,19 кДж/(кг • °С) - теплоемкость воды; рабочая высота кристаллизатора равна Н= ф/100 -1, м; время пребывания слитка в кристаллизаторе ткр = H/v, с;
площадь рабочей поверхности кристаллизатора, м2: F = 2- 0,1 + 0,1 H. Величина q определяется выражением q=Q/F, кВт/м2.
Не все значения из массива данных, заносимых в базу компьютера, можно использовать для определения средней плотности теплового потока, что связано с тепловой инерцией рабочей стенки кристаллизатора. Из массива экспериментальных данных выбирались такие, когда уровень мениска и скорость разливки практически не изменялись в течение нескольких секунд.
На рис. 1 показана экспериментальная зависимость величины q от времени пребывания слитка в кристаллизаторе ткр приткр>6,3с.
д, МВт/м;
6 п
5 -
2 -
О
5
7
9
11
Рис. 1. Зависимость ^(ткр) для сортового кристаллизатора
Экспериментально определенные значения плотности теплового потока, изображенные на рис. 1 в виде точек, с погрешностью не более 5 % описываются аппроксимирующей зависимостью
где а = 4,38 МВт/(м2- с0,5). Зависимость (1) получена для ткр> 6,3 с.
На основе (1) получим зависимость плотности теплового потока д от слитка к кристаллизатору от времени пребывания элемента слитка в кристаллизаторе т*. Поскольку формирование твердой фазы слитка определяется в основном временем т*, то и величина q, усредненная по периметру кристаллизатора, зависит от этой величины [1]: д = д т* .Величину д при стационарной скорости можно рассчитать так:
(2)
Продифференцировав (2) по ткр, получим:
т.
т.
р
Из последнего выражения найдем:
Используя формулы (1) и (3), получим выражение для расчета q при временах т*, отличных от начальных моментов времени:
* = (4)
д т
В работе [2] на основе математического моделирования теплообмена слитка с кристаллизатором показано, что за исключением начальных моментов времени величина q в зависимости отт* описывается выражением (4), где а зависит от теплофизических свойств смазки и металла.
На шестом ручье сортовой МНЛЗ скорость достигает значения 6,5 м/мин. Например, при V = = 6,5 м/мин и Н = 0,71 м ткр = 6,5 с. Величина q, рассчитанная по (4), где а = 4,38 МВт/(м2 • с0,5), при т* = ткр = 6,5 с, равна 1,71 МВт/м2. Величина д, рассчитанная по выражению (1), равна 3,42 МВт/м2. Максимальная
плотность теплового потока в кристаллизаторе qmax превышает величину д, т.е. дшах > 3,4 МВт/м2 .
При малых ткр зависимость (1) дает большие значения д . В частности, при ткр = 0 (что соответствует уровню мениска жидкого металла) величина д формально обращается в бесконечность. В действительности величина д ограничена максимальным значением дтах, равном максимальному значению дтах. Это следует из того, что величина дтах соответствует уровню мениска жидкого металла, т.е. моменту ткр = 0, поэтому из (3) следует: дтах=д 0 =д 0 =дтах.
Величина дтах является достаточно неопределенной, т.к. зависит от многих факторов, таких как теплофизические свойства смазки (ее теплопроводность, текучесть, температура затвердевания), от условий качания кристаллизатора, от колебаний свободной поверхности жидкого металла, обусловленных возмущающим действием струи жидкого металла, и т.п. Можно говорить лишь о среднестатистической максимальной плотности теплового потока дтах. В кристаллизаторе сортовой МНЛЗ ЭСПЦ ОАО «Северсталь» в качестве смазки применяют рапсовое или синтетическое масло, обладающее хорошей текучестью и не образующее твердого гарнисажа на стенке на уровне мениска жидкого металла, поэтому в данном случае величина дтах может достигать весьма больших значений по сравнению со слябовыми кристаллизаторами, где в качестве смазки применяются шлакообразующие смеси, затвердевающие при достаточно высокой температуре и образующие на уровне мениска твердый гарнисаж [2].
Анализ показывает, что величину д в кристаллизаторе при ткр > 0 удобно аппроксимировать в виде выражения:
Ч ткр =-—-0<ткр, (5)
п г, / 2 п '
Ткр + 1 ' <7тах
где qmax - максимальное значение плотности теплового потока в начальный момент времени; п > 1 — постоянный коэффициент. Из формулы (5) следует, что при ткр = 0 д =дтах; при х^ »0 формула (5)
превращается в формулу (1). Коэффициента и величина дтах подбираются, исходя из опытных данных по величине д при малых временах ткр. При больших ткр коэффициент п и величина qrr¡ax практически не влияют на значения д .
Величина q в зависимости от т* рассчитывается по формуле, полученной на основе выражений (3) и
2-е
д г =■
т* "+ 2 -а/дп
2/7
1/2/7
О- "Г
т* + 2-о/дп
2/7
1+1/2/7
, 0 < Т*. (6)
/7
Для сортового кристаллизатора получено ст = =4,38 МВт/(м2 • с0,5); кроме того, установлено, что дтах >3.42 МВт/м2. Оценим величину дтах значением 6 МВт/м2. Значения дтах и п влияют лишь на температурные условия в верхней части гильзы, а на теплообмен и затвердевание слитка в кристаллизаторе в целом практически не влияют. При толщине гильзы 11 мм, коэффициенте теплопроводности меди 385 Вт/(м • °С), коэффициенте теплоотдачи к воде 35 000 Вт/(м2-°С) и средней температуре воды 25 °С температура рабочей поверхности гильзы при qmax = 6 МВт/м2 составит около 350 °С, что при наличии никелевого покрытия является допустимым с точки зрения стойкости гильзы.
На рис. 2а и 26 показаны величины д и д в зависимости отткр или т*, рассчитанные по (5) и (6), где п = 1; 2; qmax = 6 МВт/м2. Также на рис. 2а и 2б показаны величины д и ц, рассчитанные по формулам (1) и (4).
В качестве аппроксимации ц для сортового кристаллизатора предложено выражение, полученное на основе (6) при цтах = 6 МВт/м2 и п = 2:
8.76
д т* = -
4.38 • т*
т* " +4.54
1/4
+ 4.54
5/4
, т* >0, (7)
где д т* измеряется в МВт/м2.
2
у, МВт/м2
О 4 8 12 "^кр? с
Рис. 2а. Зависимость д(т )
Выражение (7) может быть использовано при математическом моделировании процесса затвердевания слитка в кристаллизаторе сортовой МНЛЗ. При моделировании температурных условий в верхней части гильзы (7) не годится, поскольку точное значение величины дтах следует уточнять экспериментально.
q , МВт/м2
о 4 s 12 х*, с
Рис. 2б. Зависимость q т* Список литературы
1. Лукин С.В., Калягин Ю.А., Шестаков Н.И. Тепловые потоки в рабочей стенке кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок при стационарных и нестационарных режимах разливки // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2002. - № 1. - С. 53-55.
2. Лукин С.В., Шестаков Н.И., Страшко Т.И. Математическая модель теплообмена сляба с рабочей стенкой кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2007. - № 3. - С. 13-16.
