СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА Российский патент 1996 года по МПК B22D11/04 

Изобретение относится к непрерывной разливке металлов и сплавов, конкретнее к способу охлаждения кристаллизаторов, преимущественно гильзовых и составных кристаллизаторов для разливки сортовых заготовок и блюмов.

Известен способ охлаждения рабочей стенки кристаллизатора путем разбрызгивания воды, позволяющий вести высокоскоростную разливку на МНЛЗ при контролировании однородности кристаллизующейся корочки слитка. При этом расход воды при скорости непрерывной разливки У_c 2,0 и 2,7 м/мин составляет соответственно 900 и 1140 л/мин (Разработка кристаллизатора УНРС со струйным охлаждением. Sasaki K. Дзайре то пуросэсу. Сигг. Аоу. Маter and Porecess, 1988, 1, N 4, c. 1257).

Недостатком этого способа является возможность засорения форсунок. Это приводит к неравномерности охлаждения, выбору большего выходного сечения форсунок, к ухудшению качества заготовок и уменьшению стойкости кристаллизатора.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ охлаждения, заключающийся в подаче в охлаждаемую полость кристаллизатора предварительно полученной в смесительной камере водовоздушной смеси, которую подают непрерывным потоком вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора с определенными значениями расходов воды и воздуха, что обеспечивает устранение пленочного эффекта охлаждения, повышение интенсивности теплообмена и коэффициента теплоотдачи и, как следствие, повышение качества слитков за счет стабилизации скорости охлаждения (авт.св. СССР N 1039641, кл. В 22 D 11/0,4, 1983).

Недостатками предложенного прототипа являются:
невозможность получения в смесительной камере и после него требуемой температуры водовоздушной смеси из-за предварительного разогрева воздуха у охлаждаемой стенки кристаллизатора, отсутствия регулируемого адиабатического сжатия и расширения воздуха в рабочем сопле для создания требуемых отрицательных температур воздуха;
снижение скорости потока водовоздушной смеси за счет противодавления воды, а следовательно, это приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи;
возможность попадания воздуха в каналы подачи воды и образование "пробок".

Предлагаемый способ охлаждения позволяет устранить дополнительное охлаждение воды после кристаллизатора и водоподготовку, получить требуемую температуру водовоздушной смеси перед кристаллизатором, за счет более низких температур водовоздушной смеси повысить коэффициент теплоотдачи, исключить противодавление воды и воздуха, эффект пленочного кипения у охлаждаемой стенки, что позволяет устранить неравномерные условия теплоотвода и повысить коэффициент теплоотдачи, что в дальнейшем, как следствие, обеспечивает повышение качества заготовок, стойкости кристаллизатора и повышение производительности МНЛЗ, исключает строительство цеха водоподготовки.

Для этого способа, заключающегося в подаче в охлаждаемую полость кристаллизатора предварительно полученной в смесительной камере водовоздушной смеси, которую подают непрерывным потоком вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора с определенными значениями расходов воды и воздуха, водовоздушную смесь получают в струйном насосе и подают с коэффициентом инжекции:

где: С_т и С_р массовые расходы воды и воздуха на одну охлаждаемую стенку кристаллизатора, кг/с, а также с расходом воды на кристаллизатор в пределах 9,4.16,7 кг/с и пределами отношений

где Р_н Р_p начальные давления воды и воздуха перед струйным насосом, Н/м²;
Р_c давление водовоздушной смеси на выходе из камеры смешения струйного насоса, Н/м²; М число Маха;
ω_a изоэнтропная скорость воздуха в выходном сечении рабочего сопла струйного насоса, м/с;
a скорость звука в данной среде, равная скорости воздуха в критическом сечении сопла, м/с.

Для достижения требуемого технического эффекта необходимы следующие факторы:
а) предварительное охлаждение воздуха в струйном насосе до минусовых температур и получение требуемой температуры воздуховоздушной смеси перед кристаллизатоpом в камере смешения, что повышает эффект охлаждения и исключает последующее охлаждение воды;
б) получение вдоль охлаждаемой стенки высокоскоростного потока водовоздушной смеси с высокой кинетической энергией для срыва с охлаждаемой поверхности зон пленочного кипения;
в) высокая однородность водовоздушной смеси и дисперсность, что обеспечивает равномерность охлаждения по всей поверхности стенки кристаллизатора.

Все это вместе взятое исключает температурную деформацию стенки кристаллизатора и формирующейся корочки металла, а следовательно, исключается износ стенки, насыщение поверхности заготовки медью, образование трещин, устраняется ромбичность, частично сглаживаются следы качания, повышается скорость разливки за счет высокого эффекта охлаждения, уменьшается расход воды в 2-3 раза.

Все эти факторы выполнимы при соблюдении указанных соотношений параметров воды и воздуха в струйном насосе, где воздух подают в рабочее сопло с начальным давлением Р_p, а вода поступает в приемную камеру с начальным давлением Р_н и массовыми расходами воды и воздуха на охлаждаемую стенку С_н и С_p, а далее вода и воздух смешиваются в камере смешения насоса и с давлением водовоздушной смеси Р_c поступает вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора.

Согласно прототипу все указанные факторы практически невыполнимы, т.к. воздух вместо охлаждения нагревается от охлаждаемой стенки и к тому же плохо охлаждает стенку кристаллизатора на самом горячем участке, отсутствует регулируемое адиабатическое сжатие воздуха и расширение в рабочем сопле для получения требуемой минусовой температуры воздуха и, следовательно, низкой результирующей температуры водовоздушной смеси, скорость водовоздушной смеси падает за счет создания противодавления воды, а поэтому невозможно получение тонкодисперсной высокоскоростной водовоздушной смеси.

Согласно предлагаемому способу водовоздушную смесь предварительно получают в струйном насосе, который позволяет произвести высокоэффективное смещение двух потоков: рабочего воздуха и инжектируемого воды, где кинетическая энергия рабочего потока частично передается инжектируемому потоку. При этом при протекании по струйному насосу происходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков и обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную.

Согласно прототипу в камере смешения вместо выравнивания скоростей потоков и получения высоких скоростей происходит торможение потоков за счет противодавления поступающей воды и возможно образование "пробок" в водной магистрали, что уже испытано на практике, а снижение скорости потока водовоздушной смеси не способствует срыву зон пленочного кипения.

Согласно предлагаемому способу воздух выходит из сопла со скоростью ω_a,, обеспечивающей соотношение
(теоретически можно достичь М 2,4) при одновременно адиабатическом сжатии и с расширением в рабочем сопле, т.к. скорость воздуха на выход из рабочего сопла в 1,9.2,1 раза превышает скорость звука в критическом сечении этого сопла, что позволяет предварительно снизить температуру воздуха перед камерой смешения до требуемых минусовых значений.

При этом, если соотношение меньше 1,9, то температура воды на выходе из кристаллизатора получается выше температуры воды на входе в кристаллизатор, а при более 2,1 температура воды на выходе равна температуре воды на входе и дальнейшего понижения не происходит, т.е. 2,1 является точкой этого соотношения в рабочих пределах коэффициента инжекции.

В результате исследований, проведенных в лабораторных и цеховых условиях, установлено, что при соотношении или значении коэффициента инжекции равного менее 3,0 коэффициент теплоотдачи начинает резко снижаться и составляет менее 23570 Вт/м²•^oС, что приводит к ухудшению охлаждения и уменьшению производительности МНЛЗ.

При коэффициенте инжекции И более 18,0 коэффициент теплоотдачи выравнивается и мало отличается от значения α 28000 Вт/м²•^oС, а дальнейшее увеличение коэффициента инжекции приводит к увеличению расхода воды, что экономически не выгодно.

В отличие от кристаллизатора с охлаждением только водой, где расход воды составляет 16,7. 33,3 кг/с и коэффициент a 23570.26700 Вт/м²•^oC, водовоздушное охлаждение при значениях a 23570.28000 Вт/м²•^oС позволяет снизить расход воды до 9,4.16,7 кг/с.

При значениях расхода воды менее 9,4 кг/с коэффициент инжекции снизится менее 3,0, что приведет к резкому падению коэффициента теплоотдачи, а при значении расхода воды более 14,1 кг/с коэффициент инжекции возрастет более 18,0, что экономически не выгодно, т.к. это требует повышения дополнительного давления воды в сети при относительно постоянном расходе воздуха 500 м³/ч и давлении 490,5•10³.686,7•10³ H/м². Однако дальнейшее повышение коэффициента инжекции до 21,0 позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи до 23578 Вт/м²•^oC при расходе воды 19,4 кг/с, если исходить из соображения эффективности охлаждения, а не экономии.

Согласно закону сохранения количества движения приведенные соотношения Р_p/P_н 1,4.2,1; Р_c/P_н 1,03.1,1 и M=ωa/a=1,9 ... 2,1 позволяет получить требуемую результирующую скорость потока водовоздушной смеси вдоль охлаждаемой стенки с указанными коэффициентами теплоотдачи.

В струйных насосах степень сжатия Р_c/P_н, как правило берется менее 1,2. Для получения требуемой результирующей скорости потока вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора оптимальным является соотношение Р_c/P_н 1,03.1,1, что позволяет достаточно эффективно снимать с охлаждаемой поверхности зоны пленочного кипения.

При увеличении Р_c/P_н более 1,1 коэффициент теплоотдачи будет менее 23570 Вт/м²•^oС и коэффициент инжекции составит менее 3,0.

При уменьшении Р_c/P_н менее 1,03 коэффициент инжекции достигнет оптимального значения И 18,0 и α 28000 Вт/м²•^oC и дальнейшее уменьшение этого соотношения экономически не выгодно, т.к. коэффициент теплоотдачи входит в полосу, где прирост не значителен.

Отношение Р_p/P_н 1,4.2,1 характеризует степень запаса кинетической энергии потока и влияет на коэффициент инжекции, с которым связан соотношением

где К₁, К₃ коэффициенты, К_p показатель адиабаты, Р_p, P_н начальные давления воздуха и воды, H/м², ΔP_c=P_c-P_н Р_c-P_н разность между результирующим давлением в камере смещения и начальным давлением воды, Н/м².

При значении Р_p/P_н менее 1,4 коэффициент инжекции будет более И 18,0, что экономически не выгодно, т.к. коэффициент теплоотдачи выравнивается и мало отличается от значения α 28000 Вт/м²•^oС, при значении Р_p/P_н более 2,1 коэффициент инжекции становится менее 3,0 и коэффициент теплоотдачи резко падает.

На фиг.1 приведена зависимость коэффициента теплоотдачи от коэффициента инжекции И и расхода воды на кристаллизатор 0, кг/с, где линия 1 зависимость f(Q) при водяном охлаждении кристаллизатора; линия 2 зависимость f(U,Q) при водовоздушном охлаждении кристаллизатора.

Оптимальная скорость водовоздушной смеси вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора является предметом НОУ-ХАУ.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Опыты проводили на сортовом кристаллизаторе сечением 125х125 мм при скорости разливки 1,8 м/мин на 6-ручьевом МНЛЗ.

Пример 1 (по прототипу). Проводили разливку стали с расходом воды на кристаллизатор 22,2; 16,7; 11,2 кг/с. Расход воды определяли по приборам, замеряли температуру воды на входе и выходе из кристаллизатора, рассчитывали коэффициент теплоотдачи a от охлаждаемой стенки кристаллизатора. Были получены следующие значения коэффициента теплоотдачи a, приведенные в таблице 1.

При испытуемых значениях расхода воды на всех 6 ручьях имелась ромбичность заготовок 4,0-12,0 мм, имелись случаи прорывов металла под кристаллизатором из-за ромбичности и по трещинам заготовок. Стойкость гильзы кристаллизатора без покрытия составляет 20.30 плавок.

Пример 2 (предлагаемый способ). Разливку на МНЛЗ провели с использованием того же кристаллизатора, но с применением системы водовоздушного охлаждения. При расходе воздуха 500 м³/ч и давлении 490,5•10³.686,7•10³ расход воды составил 16,7; 11,1; 9,4 кг/с. При этом замерялись расходы воды, температура воды и воздуха перед входом в струйный насос, расход воздуха и давление, давление воды перед струйным насосом, контролировали температуру ручья, вводили после окончания разливки серу в жидкий металл в кристаллизаторе.

По предлагаемому способу было отлито 45 плавок с одной установки. Были получены следующие данные по коэффициенту теплоотдачи в зависимости от расхода воды, приведенные в таблице 2.

Таким образом, при одних и тех же расходах воды коэффициент теплоотдачи α при водовоздушном охлаждении значительно выше.

По качеству заготовок были получены следующие результаты:
ромбичность отсутствует на всех плавках;
трещины отсутствуют на всех плавках;
следы качания кристаллизатора сглажены;
трещины (внутренние и поверхностные) отсутствуют;
стойкость кристаллизатора 45 плавок и более;
фронт кристаллизации с серным отпечатком более ровный, чем при обычном охлаждении водой.

Таким образом, освоение предлагаемого способа охлаждения кристаллизатора позволит исключить охлаждение воды после кристаллизатора и специальную водоподготовку, устранить эффект пленочного кипения у охлаждаемой стенки, что позволит устранить неравномерные условия теплоотвода, улучшить качество непрерывнолитых заготовок, повысить стойкость кристаллизаторов и производительность МНЛЗ.

(57) Изобретение относится к непрерывной разливке металлов и сплавов, конкретнее к способу охлаждения кристаллизаторов, преимущественно гильзовых и составных кристаллизаторов для разливки сортовых заготовок и блюмов. В способе охлаждения кристаллизатора, включающем подачу в охлаждаемую полость кристаллизатора охлаждаемого агента, в качестве агента используют водовоздушную эмульсию, получаемую предварительно в струйном насосе. Подают эмульсию непрерывным потоком вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора с коэффициентом инжекции расходом воды на кристаллизатор 9,4...16,7 кг/с и пределах отношений и где G_т и G_p - массовые расходы воды и воздуха на одну охлаждаемую стенку кристаллизатора, кг/с; Р_н и Р_р - начальные давления воды и воздуха перед струйным аппаратом, ; Р_c - давление в камере смешения струйного аппарата, ; М - число Маха; ω_a - изоэнтропная скорость газа, м/с; а - скорость звука в данной среде, м/с. 1 ил., 2 табл.

Способ охлаждения кристаллизатора, включающий подачу непрерывным потоком вдоль охлаждаемой стенки кристаллизатора предварительно полученной в смесительной камере водовоздушной смеси, отличающийся тем, что водовоздушную смесь получают в струйном насосе, а подают с коэффициентом инжекции И G_т/G_p (3-18), расходом воды на кристаллизатор 9,4-16,7 кг/с и соотношениями Р_н/Р_р 1,4-2,1, Р_с/Р_н 1,03-1,1,
M = ω_a/a = 1,9 - 2,1,
где G_т и G_p массовые расходы воды и воздуха на одну охлаждаемую стенку кристаллизатора, кг/с;
Р_н и Р_р начальные давления воды и воздуха перед струйным насосом, Н/м²;
Р_с давление водовоздушной смеси на выходе из камеры смешения, н/м²;
М число Маха;
ω_a изоэнтропная скорость воздуха в выходном сечении рабочего сопла струйного насоса, м/с;
a скорость звука в данной среде, равная скорости воздуха в критическом сечении сопла, м/с.