Повышение эффективности работы кристаллизатора при непрерывном литье слитков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

п ггттгГггг ггшггятк /ioq

- 2 (34). 2005/ lU«

ИТЕЙНОЕв!^" ПРОИЗВОДСТВО

The new, more effective crystallizer for continuous casting of ingots is presented.

Е. И. МЛРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, ИТМ HAH Беларуси

УДК 621.746:536.242

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КРИСТАЛЛИЗАТОРА ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ СЛИТКОВ

При непрерывном литье слитков наибольшее распространение получил щелевой кристаллизатор. Схематично его конструкция включает в себя рубашку /, корпус 2 с верхним 3 и нижним 4 фланцами, экран 5, перегородку 6, подводящий 7 и отводящий 8 патрубки (рис. 1). Подвод охладителя осуществляется через нижний коллектор 9 в кольцевую щель между экраном и нижним фланцем. Охлаждение рубашки происходит при вынужденной конвекции охладителя в кольцевом канале между рубашкой и экраном. Отвод охладителя осуществляется через кольцевую щель между экраном и верхним фланцем, далее — через верхний коллектор 10. Наиболее распространенным охладителем является вода, которая обычно подается в кристаллизатор при температуре 20—30 °С. Для оптимальной работы щелевого кристаллизатора необходимо, чтобы ширина кольцевого канала между рубашкой и экраном составляла 5 мм и скорость движения воды в канале — 4-5 м/с [1, 2]. При этом охлаждение рубашки кристаллизатора осуществляется потоком с развитой турбулентностью, поскольку число Рейнольдса (11е) 20 000-25 000. Вода, входящая в кольцевой канал, испытывает вдоль стенок рубашки 1 и экрана 2 торможение (возмущение), вследствие чего развиваются два гидродинамических пограничных слоя толщиной 5 каждый (рис. 2). В нем скорость воды меняется от 0 до скорости невозмущенного потока и>0. На начальном участке длиной /нг поток охладителя по толщине динамического пограничного слоя является переменным. Величина 1ш при турбулентном пограничном слое составляет (50—100)*/, где с1 — ширина кольцевого канала [3]. Следовательно, начальный участок потока охладителя в кольцевом канале до длины 250—500 мм гидродинамически нестабильный, с переменным значением 5. Это означает, что щелевые кристаллизаторы в основном охлаждаются нестабилизированными гидродинамическими потоками. Толщину динами-

Рис. 1. Схема щелевого кристаллизатора: 1 — рубашка; 2 — корпус; 3 — верхний фланец; 4 — нижний фланец; 5 — экран; 6 - перегородка; 7 - подводящий патрубок; 8 — отводящий патрубок; 9 — нижний коллектор; 10 — верхний коллектор

У*

Рис. 2. Структура пограничных слоев в кольцевом канале между рубашкой и экраном щелевого кристаллизатора: / — рубашка; 2 — экран

ческого пограничного слоя от его протяженности х определяем по следующему уравнению[3]:

mo;,

гггпгг ктмчргпп

(34). 2005 -

6 = 0,37

(

ч0.2

WnX

(О

где V - кинематическая вязкость воды.

Из теории конвективного теплообмена известно, что теплопередача от нагретой рубашки кристаллизатора 1 при температуре Г к вынужденному невозмущенному потоку с температурой Т0 в отсутствии кипения будет осуществляться через тепловой пограничный слой 8т (рис. 2). Это расстояние, на котором температура воды меняется от Г до значения, весьма близкого к температуре Т0. Между 5 и 8т существует зависимость [4]

5Т

JPr'

(2)

где Рг - число Прандтля. Оно содержит только физические параметры воды и рассчитывается как:

Рг:

(3)

где jli, Ср, X — динамическая вязкость, теплоемкость и теплопроводность воды.

При Т= 20 °С и Г=100 °С средняя температура теплового пограничного слоя будет составлять 60 °С, а его толщина 8т=0,588. Учитывая это, а также то, что в кольцевом канале щелевого кристаллизатора осуществляется односторонний теплоотвод, можно считать, что по длине рубашки он всегда будет переменным. Следовательно, таким же будет и коэффициент теплоотдачи ах. Его можно определить из соотношения [5]:

где Nux - число Нуссельта при вынужденной конвекции на расстоянии х от начала рубашки кристаллизатора. Это число характеризует соотношение между интенсивностью теплоотдачи и температурным полем в тепловом пограничном слое 8т:

«А

Nuy = -

(5)

Подставляя уравнение (5) в (4), получаем искомое выражение для ах с учетом уравнений (1)-(3) и |1=ру:

РСрУ°-Ч4

ОС,

0Д37х

0.6

(6)

где р — плотность воды.

Из уравнения (6) следует, что при постоянной скорости и физических параметрах потока коэффициент теплоотдачи уменьшается по длине рубашки пропорционально л0 6. Максимальная теплоотдача при охлаждении водой будет в нижней части кристаллизатора, а минимальная - в его

верхней части. Это способствует неравномерной кристаллизации отливки по высоте (длине) и приводит к короблению рубашки щелевого кристаллизатора. Если разливку жидкого металла производить сверху, то эти эффекты будут максимальны. Меньшие термические напряжения будет испытывать рубашка щелевого кристаллизатора при подаче в него расплава со стороны подвода охладителя.

Из уравнения (6) следует, что повысить охлаждающую способность щелевого кристаллизатора можно двумя способами: увеличением плотности, теплоемкости и кинематической вязкости воды и повышением ее скорости в кольцевом канале между рубашкой и экраном. Первый способ (физический) можно осуществить, добавив в воду этиленгликоль т.е., используя в качестве охладителя тосол. Второй способ (кинематический) относительно более эффективный, но при этом, чтобы повысить ах в 2 раза, нужно увеличить w0 в 5 раз. Это создает большие технические трудности по обеспечению Re на уровне 100 000—125 000. Нужны насосы очень большого давления, что экономически не выгодно.

В ИТМ HAH Беларуси разработан струйный кристаллизатор, позволяющий существенно повысить его охлаждающую способность без увеличения числа Рейнольдса [6]. Конструкция включает в себя рубашку /, корпус 2 с верхним 3 и нижним 4 фланцами, экран 5, перегородку б, подводящий 7 и отводящий 8 патрубки (рис. 3). В экране со стороны подвода охладителя равномерно по всей поверхности выполнены отверстия диаметром 4-5 мм с определенным, заданным шагом по высоте и образующей. При этом экран устанавливается на расстоянии 7—10 мм от рубашки кристаллизатора. Для создания большего избыточного давления в верхнем коллекторе 10 экран соединен с верхним фланцем. Между нижним фланцем и экраном остается кольцевая щель, которая совместно с шириной кольцевого канала регулирует интенсивность охлаждения нижней части рубашки кристаллизатора. Его охлаждение происходит следующим образом. Охладитель из подводящего патрубка 7 тангенциально поступает в верхний коллектор 10 и равномерно, с одинаковой скоростью продавливается через отверстия в экране 5 в виде затопленных струй. Они ударяют в наружную поверхность рубашки 1 перпендикулярно ее поверхности. При этом существенно возрастает турбулентность потока вблизи стенки рубашки и уменьшается толщина пограничного слоя. Здесь также увеличивается радиальное гидростатическое давление охладителя, что особенно важно для предотвращения его кипения и образования паровой пленки. Все это значительно повышает охлаждающую способность кристаллизатора. Определим во сколько раз охлаждающая способность струйного кристаллизатора выше обычного щелевого.

т

Nu, =0,017Re;'0 Рг,

Ч- , (7)

жш^к ггшшгтп:п 11Л1

-- 2 (34). 2065 / 141

Для сравнения охлаждающей способности двух кристаллизаторов будем считать Re,=Re2= 20 ООО, Рг —Рг Рг — Рг

1 1 1 cl с2'

_i л -

Тогда, приняв ^ _А' , разделим Nu2 на Nu, и с учетом формулы (5) получим

<*2 =28П 1

а

Рис. 3. Схема струйного кристаллизатора: / - рубашка; 2 -корпус; 3 — верхний фланец; 4 — нижний фланец; 5 — экран; 6 — перегородка; 7 — подводящий патрубок; 8 - отводящий патрубок; 9 — нижний коллектор; 10 — верхний коллектор

При течении капельной жидкости (воды) в каналах кольцевого поперечного сечения щелевого кристаллизатора средний коэффициент теплоотдачи (ос,) по длине рубашки / для ее наружной

поверхности можно найти по формуле Исаченко и Галина [7]

\0,25 / \0,18

где N11, , Рг1 — соответственно средние числа

Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля для потока охладителя щелевого кристаллизатора; Ргс1 — число Прандтля охладителя при Г; йх — наружный диаметр рубашки; (¡2 — внутренний диаметр экрана.

й 2

Формула (7) справедлива при "^" = 1,2-1,44;

"7 =50—460; Рг=0,7-100.

а

Если поток капельной жидкости (воды) направлен по нормали к поверхности рубашки струйного кристаллизатора, то средний коэффициент теплоотдачи (а2 ) для ее наружной поверхности при Ке=103—2 105 можно вычислить по следующей формуле [4]:

\0,25

Ми2=0,2511е°'6 Рг2°'4|^ , (8)

где №12 , Яе2, Рг2 — соответственно средние числа

Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля для потока охладителя струйного кристаллизатора; Ргс2 ло Прандтля охладителя при Т.

чис-

где 5П и ЬТ1 — соответственно средние толщины тепловых пограничных слоев для щелевого и струйного кристаллизаторов.

Поскольку ЪТ2 < 5Л , то средний коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности рубашки струйного кристаллизатора а2 существенно

(более чем в 2 раза) больше а, для щелевого

кристаллизатора. Кроме того, новая конструкция обеспечивает более равномерное охлаждение слитка, поскольку толщина теплового пограничного слоя будет в основном определяться равными, гидродинамическими параметрами каждой струи.

Применение струйного кристаллизатора позволит значительно увеличить производительность и стабильность непрерывного литья. Помимо этого, новая конструкция позволяет легко регулировать интенсивность охлаждения рубашки кристаллизатора как по высоте, так и ее периметру. Например, для непрерывного горизонтального литья необходимо, чтобы верхняя часть слитка охлаждалась более интенсивно, чем нижняя, поскольку она под действием сил тяжести прижимается к нижней стенке рубашки. Эта задача легко решается частотой размещения и различными диаметрами отверстий в экране кристаллизатора.

Таким образом, кристаллизатор со струйной системой охлаждения является наиболее эффективным при непрерывном литье слитков.

Литература

1. Баранов O.A., Ветров Б.Г., Поль В.Б. и др. Непрерывное литье чугуна. М.: Металлургия, 1968.

2. Кац A.M., Шадек Е.Г. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983.

3. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали.М.: Металлургия, 1976.

4. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена. М.: Высш. шк., 1979.

5. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

6. Пат. РБ №1959и.

7. Исаченко В.П., Осипова В.А., Суко-мел A.C. Теплопередача. М.: Металлургия, 1975.