CC BY
10
/тггттгп гг гстгм/гсгта /74
-2 (94), 2005/ Я Ii
ИТЕЙНОЕВГ^Г ПРОИЗВОДСТВО
Crystallizer with more uniform cooling is presented.
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, ИТМ HAH Беларуси
УДК 621.746:536:242
ПОВЫШЕНИЕ РАВНОМЕРНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА ПРИ ЛИТЬЕ НАПРАВЛЕННЫМ ЗАТВЕРДЕВАНИЕМ
При литье направленным затвердеванием жидкий металл в стационарный и подвижный 1 кристаллизаторы подают посредством сифонной литниковой системы через соединительный стакан 2 до заданного уровня. Далее делают выдержку для формирования отливки 3, которую затем извлекают из стационарного кристаллизатора с помощью подвижного кристаллизатора (рис. 1). Получаемые заготовки часто имеют уменьшающуюся с высотой толщину и прилив в нижней части. Этому способствует не только гидродинамическая обстановка в расплаве кристаллизатора при его заполнении, но и охлаждение рубашки.
При литье направленным затвердеванием применяют стационарный щелевой кристаллизатор. Он состоит из рубашки 4, верхнего 5 и нижнего 6 фланцев, корпуса 7, подводящего 8 и отводящего 9 патрубков, перегородки 10 и экрана 11 (рис. 1). Вода через патрубок 8 тангенциально поступает в нижний коллектор 72, далее — в кольцевой канал (щель) между экраном и рубашкой, затем — в верхний коллектор 13 и отводится через патрубок 9. В кольцевой щели между экраном и нижним фланцем поток воды движется перпендикулярно рубашке, интенсивно охлаждая ее нижнюю часть. Это способствует образованию прилива в нижней части отливки. После поворота на 90° водяной поток движется параллельно рубашке кристаллизатора. Теплопередача от ее наружной поверхности к потоку, движущемуся со средней скоростью со, будет осуществляется через тепловой пограничный слой толщиной 5т, которая определяется следующим образом [1, 2]:
где А — высота рубашки от точки 0, где водяной поток меняет направление на 90° (рис. 1); V — кинематическая вязкость воды; Рг - число Пран-
\1СР
дтля равно
(|li, С X) — динамическая
вязкость, теплоемкость и теплопроводность воды).
0,37
8Г=-
со h
0.2
л/Рг
(1)
Рис. 1. Работа обычного кристаллизатора: / — подвижный кристаллизатор; 2 — соединительный стакан; 3 — отливка; 4 — рубашка; 5 — верхний фланец; 6 - нижний фланец; 7 - корпус; 8 - подводящий патрубок; 9 — отводящий патрубок; 10 — перегородка; 11 — экран; 12 — нижний коллектор; 13 - верхний коллектор
h
76/"«
тттгп гг ктс^ггт
(34), 2005-
Согласно С.С. Кутателадзе, коэффициент теплоотдачи ал от наружной поверхности рубашки кристаллизатора к водяному потоку можно определить по уравнению [3]:
и
а/, ~ ■
8г
(2)
-т
Подставляя в (2) уравнение (1) и учитывая, что Ц = pv, где р — плотность воды, получаем:
а,
рСрУ0,6ш0,4
(3)
ОД37/г0,6
Из уравнения (3) следует, что при постоянной скорости и физических параметрах водяного потока в кольцевом канале между экраном и рубашкой коэффициент теплоотдачи аА уменьшается с увеличением высоты кристаллизатора. Максимальная теплоотдача при охлаждении будет в нижней части рубашки, а минимальная — в ее верхней части. Это способствует уменьшению толщины отливки с увеличением ее высоты. Кроме того, неравномерность охлаждения рубашки кристаллизатора увеличивает в нем величину термических напряжений. При литье направленным затвердеванием это приводит к короблению рубашки и отливки. Для устранения этих негативных процессов разработана новая конструкция кристаллизатора, обеспечивающая постоянный по высоте рубашки коэффициент теплоотдачи на ее наружной поверхности. Это достигается тем, что в предлагаемой конструкции ширина кольцевого канала с1 между рубашкой 7 и экраном 2 является переменной величиной, определяемой по функциональной зависимости й = ЛИ) (рис. 2). Определяем это уравнение исходя из (3) и условия а^сог^. Для верхней части рубашки на высоте Я (см. рис. 1):
Рис. 2. Кристаллизатор с переменным кольцевым канал: 1 — рубашка; 2 - экран; 3 - верхний фланец; 4 — нижний фланец; 5 - подводящий патрубок; 6 — нижний коллектор; 7 - верхний коллектор; 8 - отводящий патрубок
С0Н3Н
(7)
го канала.
Значения ниям:
где Ля — площадь поперечного сечения кольцево-
5,, Я определяются по уравне-
а
рСрУ ' со
0,6 0,4
И
ОД37Я0'6
(4)
где со
н
Аналогично записать:
средняя скорость потока на высоте Я. для любого значения А можно
0,6 0,4
ОС,
рс^и'°со;
ОД 37/г
0,6
(5)
Я*
Зк=кс1(0-с1), (8)
Н = Нк-2а-в, где П — наружный диаметр рубашки; Як — высота стационарного кристаллизатора; а — толщина фланца рубашки; в — расстояние между экраном 2 и верхним фланцем 3 (рис. 2).
Из уравнений (6)—(8) следует:
А6
где со, - средняя скорость потока на высоте А.
Из равенства ан = аИ следует
Я
Щ <
(6)
где Я — высота экрана. Для кольцевых сечений
{Нк-2а-вУ </4 (р-с!)* ' (9)
Принимаем ¿/я=0,003 м; в=0,005 м; а=0,008 м; ¿/0=0,03 м; />=0,15 м. Учитывая, что ¿/я«2) и сК<В, из (9) получаем искомое уравнение (¡=ЛК), при котором аА будет постоянным по всей высоте наружной поверхности рубашки кристаллизатора:
шириной ¿/н и й
справедливо уравнение неразрывности потока:
0,000134
нЛн
(Ю)
Кристаллизатор новой конструкции работает следующим образом. Вода из подводящего патрубка 5 тангенциально поступает в нижний коллектор 6, затем через отверстия в нижней части экрана 2 — в кольцевой канал переменного сечения между экраном 2 и рубашкой /, далее — в верхний коллектор 7 и отводящий патрубок 8. Профиль внутренней поверхности рубашки кристаллизатора, выполненный в соответствии с уравнением (9), обеспечивает по всей высоте внутренней рубашки кристаллизатора постоянный коэффициент теплоотдачи.
/ТГГТТгП (Т ГС ^ГМ/ОТГТГС I 71
-2 (34). 2085/ ШШ
Таким образом, при литье направленным затвердеванием уменьшающееся по высоте сечение водяного кольцевого канала повышает равномерность его охлаждения.
Литература
1. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. М.: Металлургия, 1976.
2. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена. М.: Высш. шк., 1979.
3. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.
