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.