СБОРНЫЙ КРИСТАЛЛИЗАТОР ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА Российский патент 1997 года по МПК B22D11/04 

Изобретение относится к непрерывной разливке металлов, а именно к конструкции кристаллизатора и его охлаждению.

Широко известен кристаллизатор для непрерывной разливки металла [1] содержащий стальной корпус с медными плитами, внутри которых просверлены каналы для прохода охлаждающей воды, при этом вертикальные каналы по периметру стенок объединены в три секции с образованием петлевой системы движения воды или каждая из четырех рабочих стенок выполнена с независимым подводом и отводом воды и образованием прямоточной системы охлаждения кристаллизатора.

Известен также кристаллизатор для непрерывной разливки металлов [2] содержащий водоохлаждаемые рабочие стенки с углублениями на рабочих поверхностях со стороны выхода из кристаллизатора, каналы для подвода в углубления и пароотводящие отверстия, направленные в сторону входа в кристаллизатор, причем углубления на рабочих стенках выполнены цилиндрическими, каналы для подвода воды расположены касательно к углублениям, а пароотводящие отверстия коаксиальны, при этом отношение площади пароотводящего отверстия к площади основания углубления составляет 0,002-0,013, а к площади поперечного сечения канала для подвода воды 4-19.

Наиболее близким к заявляемому кристаллизатору является кристаллизатор для непрерывного вертикального литья стальной ленты [3] содержащей охлаждаемые широкие и узкие стенки, широкие боковые стенки которого в верхней части выполнены с углом наклона к вертикали менее 10^o, сужены книзу до размера получаемой ленты и образуют рабочую полость конической формы, концевые участки широких боковых стенок выполнены параллельными, а их ширина равна по меньшей мере толщине получаемой ленты. Кроме этого, в кристаллизаторе [3] широкие боковые стенки конической части выполнены дугообразными, а узкие стенки выполнены с возможностью перемещения в зоне параллельных участков широких стенок.

Недостатком конструкции кристаллизатора [1] является значительный расход воды и неравномерность охлаждения кристаллизатора по периметру. При течении воды в канале происходит нагрев только пристеночных слоев воды, непосредственно контактирующих со стенкой, а в центре канала воды практически не нагревается. Уменьшение расхода воды с целью увеличения времени ее пребывания в канале приводит к увеличению количества выделяющихся на внутренней охлаждаемой поверхности канала отложений. Увеличение толщины отложений ухудшает теплообмен в кристаллизаторе за счет их большого термического сопротивления. В кристаллизаторах поперечных сечений 1650 х 250 мм² количество каналов достигает 100 шт. при длине канала h=1,2 м и диаметре отверстия d= 0,02 м. Удаление отложений солей в каналах является очень трудоемкой операцией, так как каналы открыты только со стороны входа и выхода из них.

Недостатком конструкции кристаллизатора [2] является возможность его использования для получения непрерывно-литых заготовок больших поперечных сечений без деформации металла. Наличие углублений на рабочих поверхностях со стороны выхода из кристаллизатора делает его неприемлемым для получения непрерывно-литых деформированных заготовок.

Кроме этого, за счет того, что кристаллизаторы [1, 2] предназначены только для кристаллизации металла и формирования оболочки заготовки без деформации металла и калибровки ее поверхности, то применение их конструкции приводит к недостаточной эффективности охлаждения металла в заявляемом кристаллизаторе.

Недостатком кристаллизатора для непрерывного вертикального литья стальной ленты [3] является возможность его использования только для получения стальных лент. Кроме этого, выполнение широких боковых стенок кристаллизатора [3] с углом наклона к вертикали менее 10^o не обеспечивает эффективное охлаждение разливаемого металла за счет увеличения расстояния δ от поверхности стенки до водоохлаждаемого канала по сравнению с расстоянием до канала в вертикальных стенках кристаллизаторов [1, 2] Уменьшение расстояния до водоохлаждаемого каналов в кристаллизаторе [3] за счет сверления наклонных отверстий с углом наклона к вертикали значительно усложняет технологию их изготовления по причине сверления отверстий с двух сторон широких стенок и необходимости очень точной разметки. В противном случае наклонные и вертикальные каналы получаются несоосными.

Дополнительно к этому, изготовление стенок кристаллизатора с углом наклона к вертикали из металлов с низким коэффициентом теплопроводности снижает эффективность их охлаждения и не обеспечивает возможность получения качественных непрерывно-литых заготовок.

Большое термическое сопротивление стенки ((δ/λ, где δ- толщина стенки до водоохлаждающего канала, l коэффициент теплопроводности металла) приводит к большому перепаду температур по толщине металла, и как результат низкая температура поверхности водоохлаждающего канала. Соответственно уменьшается количество тепла, передаваемого охлаждающей воде, что следует из выражения
Q=αF(t_к-t_в),
где α коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м^2 oC), F площадь боковой поверхности канала, м², t_к и t_в соответственно температура поверхности канала и воды, ^oC.

Заявляемый кристаллизатор направлен на создание высокоэффективного и ресурсосберегающего процесса получения непрерывно-литых заготовок.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого кристаллизатора заключается в:
1) повышении эффективности охлаждения разливаемого и деформируемого металла;
2) повышении надежности работы кристаллизатора;
3) уменьшении расхода охлаждающей воды;
4) уменьшении трудовых затрат на обслуживание кристаллизатора.

Заявляемый кристаллизатор характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: четыре попарно расположенные продольные рабочие стенки; первая пара водоохлаждаемых рабочих стенок выполнена с верхним расширенным к вертикали и вертикальным нижним участками рабочей поверхности; участок перехода с расширенного верхнего в вертикальный нижний участок выполнен криволинейным с определенным радиусом кривизны; вторая пара водоохлаждаемых рабочих стенок выполнена с возможностью возвратно-поступательного движения.

Отличительные признаки: первая пара рабочих стенок выполнена с возможностью вращательного движения; труба с заглушенным концом, по высоте которой равномерно расположены отверстия; отверстия расположены только на боковой поверхности трубки, обращенной в сторону жидкого металла; трубка с отверстиями установлена эксцентрично в канал со смещением в сторону, противоположную рабочей поверхности стенки; расстояние между отверстиями "h", число отверстий в трубке "n", смещение трубки "e" связаны с диаметром канала "D", диаметром отверстия "d", диаметром наружным трубки "D₀" и полной высотой кристаллизатора "H" зависимостями

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого кристаллизатора и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Совершение в процессе работы стенками первой пары вращательного движения обеспечивает условия захвата, обжатия и проталкивания металла к выходу кристаллизатора. При этом отпадает необходимость наличия дополнительного устройства для вытягивания заготовки, а соответственно уменьшаются затраты времени на обслуживание устройства, повышается надежность работы кристаллизатора.

Установка вовнутрь каждого канала заглушенной трубки с отверстиями уменьшает расход охлаждающей воды, с одной стороны, за счет образования кольцевого зазора для прохода воды, а с другой стороны, за счет равномерного распределения струй воды по боковой поверхности канала.

Подача распыленной воды из отверстий трубки на нагретую поверхность канала приводит к интенсивному прогреву капель жидкости и их испарению. Регулируя расход охлаждающей воды добиваются различной интенсивности теплообмена. При распыливании воды на поверхности канала образуется тонкая испаряющаяся пленка жидкости. В случае малого расхода воды пленка жидкости испаряется и образуется пар, который под давлением выходит из кристаллизатора в его нижней части. При испарении воды на поверхности канала удается отвести значительно большее количество теплоты по сравнению с конвективным течением воды в канале. При этом количество тепла, отводимого испаряющимися каплями (пленкой) воды можно определить по выражению

где C удельная теплоемкость воды, Дж/(кг^oC); массовый секундный расход воды, кг/с; t_k и t₀ соответственно температура кипения воды и ее начальная температура, ^oC; r скрытая теплота кипения (испарения) воды, Дж/кг.

При конвективном течении воды в канале количество отводимого тепла определяется по формуле
q=α_вF(t_c-t_o), (2)
где α коэффициент теплоотдачи воды, Вт/(м^2 oC); F площадь поверхности теплообмена, м²; t_c и t₀ соответственно температура поверхности канала и начальная температура воды.

Коэффициент теплоотдачи воды определяется скоростью течения воды в канале w, при этом расход воды определяется как , где ρ плотность воды, кг/м³; f площадь проходного сечения канала, м².

Количество тепла, отводимого водой по выражению (1) в несколько раз превышает количество тепла, определяемого по формуле (2).

Расположение отверстий для распыливания воды только на половине боковой поверхности трубки, обращенной в сторону жидкого металла, обусловлено следующим. В кристаллизаторах непрерывной реализации металла имеет место односторонний нагрев канала, поэтому его боковая поверхность, обращенная в сторону жидкого металла, прогревается до более высокой температуры. Поэтому распределение отверстий по всей боковой поверхности трубки приводит к неэффективному расходу охлаждающей воды.

Установка трубки в канал эксцентрично со смещением в сторону, противоположную рабочей поверхности стенки, увеличивает объем пространства заполняемого распыливаемой водой, что позволяет увеличить эффективность теплообмена.

Некоторое увеличение диаметра водоохлаждаемого канала D и уменьшение общего количества каналов n значительно облегчает изготовление кристаллизатора и упрощает его конструкцию.

Истечение жидкости через отверстие в трубке может быть определено по формуле [4] Скорость воды на основном участке струи
U_x=U_m(1-3η²+3η²), (3)
где η= r/B, b= tgβ_o(x+x_o), tgβ_o=0,22; U_m -скорость на оси струи; U₀ начальная скорость воды на выходе из отверстия трубки; x расстояние от отверстия, x₀=2,06 r₀ полюсное расстояние.

Скорость воды на оси струи определяется выражением

где r₀ радиус отверстия в трубке.

Как следует из формул (3) и (4) увеличение расстояние x от отверстия трубки до поверхности канала приводит к большому раскрытию струи, определяемому по формуле b=tgβ_o(x+x_o), а соответственно к большой поверхности теплообмена. По этой причине с увеличением расстояния x расстояние между отверстиями h может быть увеличено. Слишком малое расстояние между отверстиями h приводит к перекрытию фронтов струй, что выражается на потере их кинетической энергии. С увеличением расстояния h может оказаться, что часть поверхности канала не смачивается водой и поэтому перегревается.

Расстояние x от отверстия в трубке ограничено диаметром водоохлаждаемого канала D, смещением трубки e и ee диаметром D₀. В конструкции кристаллизатора параметры D и D₀ ограничены.

Для эффективного разбрызгивания (распыливания) воды площадь проходного отверстия в трубке F=π(D_o-2δ)²/4, где δ толщина стенки трубки должна равняться сумме площадей всех отверстий F_o=nπd²/4, где n количество отверстий в трубке. Отсюда следует, что диаметр отверстия в трубке равняется /
Из конструктивных соображений следует, что наиболее оптимальное расстояние x от отверстия в трубке до поверхности канала равняется x-D/2, а максимальное смещение e=D₀/2. Тогда линейный размер поверхности канала, омываемый струей, определяется из выражения для b по формуле (3)
B=0,11D+0,23d.

Соответственно оптимальное расстояние между отверстиями в трубке равняется h=0,11(D+2,1d).

Соблюдение расстояния между отверстиями в трубке h=0,11(D+2,1d) на практике часто затруднено из-за необходимости просверливания большого числа отверстий и малой скорости распыливаемой воды. С учетом стекания пленки распыливаемой воды по стенке водоохлаждаемого канала расстояние h между отверстиями без нарушения режима охлаждения может быть увеличено. С учетом сказанного расстояние между отверстиями лежит в пределах h=(0,11-0,50)(D+2,1d).

Уменьшение расстояния h между отверстиями h<0,11(D+2,1d) приводит к перекрытию границ фронтов истекающих струй, что нарушает сплошность струи и способствует ее распаду, то есть энергия струй реализуется не в полной мере. Увеличение расстояния h>0,5(D+2,1d) приводит к ухудшению эффективности охлаждения кристаллизатора за счет уменьшения толщины пленки воды, стекающей по внутренней поверхности канала. Недостаточное охлаждение кристаллизатора приводит к повышению температуры его поверхности, деформации рабочих граней и выходу кристаллизатора из строя. Общее количество отверстий в трубке определяется с учетом расстояния h между отверстиями и общей высоты кристаллизатора.

При смещении трубки в сторону, противоположную рабочей поверхности кристаллизатора, достаточно расположить по три отверстия в каждом горизонтальном сечении трубки на расстоянии h одного сечения от другого. При этом одно отверстие направлено в сторону рабочей поверхности стенки, а два других отверстия расположены на оси перпендикулярно к первому отверстию. Отсутствие четвертого отверстия, расположенного симметрично первому отверстию к сечению трубки, обусловлено односторонностью теплового потока от разливаемого металла.

Общее число отверстий в трубке n при полной высоте кристаллизатора H определяется как

Общее число отверстий в трубке n связано с расстоянием h между ними, поэтому закономерности их влияния на охлаждение кристаллизатора общие. Уменьшение числа отверстий n<6H/(D+2,1d) ухудшает эффективность охлаждения кристаллизатора за счет малого расхода распыливаемой воды.

Увеличение n>9H/(D+2,1d) приводит к уменьшению скорости истечения воды из отверстий трубки за счет увеличения общей площади всех отверстий. Кроме этого, увеличивается трудоемкость изготовления трубки (просверливание большего количества отверстий).

На фиг. 1 и 2 приведены внешний вид заявляемого кристаллизатора.

Заявляемый кристаллизатор на фиг. 1 и 2 состоит из водоохлаждаемого канала 1, выполненного в теле наклонной в верхней части стенки 2, патрубка 3 с гайкой 4 для подвода воды, трубки 5 с отверстиями 6 для распыливания воды, заглушки 7, наклонного участка 8, соответствующего зоне намораживания металла и вертикального участка 9, соответствующего зоне обжатия металла, стенки 2, вертикальных стенок 10.

При сборке кристаллизатора патрубок 3 с трубкой 5 устанавливается в водоохлаждаемый канал 1 наклонной стенки 2. Гайкой 4 осуществляется фиксация трубки в канале. На фиг. 2 трубка установлена со смещением "e" относительно центра канала, при этом оси двух отверстий проходят параллельно одной из осей канала, а ось третьего отверстия расположена перпендикулярно второй оси канала.

Охлаждение кристаллизатора при его работе осуществляется следующим образом. При заливке жидкого металла в кристаллизатор на фиг. 1 происходит его кристаллизация (намораживание) на наклонном 8 и деформация на участке 9 стенки 2. В процессе работы кристаллизатора с обжатием металла вертикальные стенки 10 совершают возвратно-поступательное движение, что исключает прилипание к ним металла. Выделяющееся в процессе разливки и кристаллизации металла тепло разогревает стенки кристаллизатора, а соответственно разогревается рабочая поверхность водоохлаждаемого канала 1. Вода, поступающая через патрубок 3, закрепленный гайкой 4 со стенкой 2, проходит внутри трубки 5 с заглушкой 7 и через отверстия 6 в ней разбрызгивается на поверхность канала 1. В результате разбрызгивания воды происходит ее нагрев на участках канала, соответствующих зоне намораживания (участок 8) и обжатия металла (участок 9) стенки 2. За счет нагрева воды происходит охлаждение кристаллизатора. Нагретая вода отводится в нижней части канала 1.

Источники информации
1. Попандопуло И. К. Михневич Ю. Ф. Непрерывная разливка стали. М. Металлургия, 1990, с. 111-114.

2. А. с. 1720787 СССР, B 22 D 11/04, 1992.

3. Патент СССР N 1336943, B 22 D 11/00, 1987.

4. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и др. М. Энергоиздат, 1982, с. 61.

Изобретение относится к конструкции кристаллизатора для получения непрерывно-литых заготовок. Сборный кристаллизатор с перемещающимися наклонными и вертикальными гранями имеет сквозные каналы для прохода охлаждающей воды. Во внутрь каждого канала вставляется трубка с заглушенным концом, по высоте которой равномерно расположены отверстия для распыливания воды, причем отверстия расположены на боковой поверхности трубки. С целью улучшения теплообмена трубка с отверстиями вставляется в канал эксцентрично со смещением "е" в сторону, противоположную рабочей поверхности грани, причем расстояние между отверстиями "h", число отверстий в трубке "n", смещение трубки "е" связаны с диаметром канала "D", диаметром отверстия "d", диаметром наружным трубки "D₀" и полный высотой кристаллизатора "Н" зависимостями: h = (0,11-0,50)•(D+2,1d); n = (6-9)•H/(D+2,1d); e = D₀/2. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Сборный кристаллизатор для непрерывной разливки металла, состоящий из четырех расположенных попарно продольных рабочих стенок с водоохлаждаемыми каналами, при этом первая пара рабочих стенок выполнена с верхним, расположенным под углом к вертикали, и вертикальным нижним участками рабочей поверхности, а вторая пара рабочих стенок выполнена с возможностью возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что первая пара рабочих стенок выполнена с возможностью перемещения, а внутри каждого водоохлаждаемого канала установлена трубка с заглушенным концом, по высоте которой выполнены отверстия для распыливания воды, равномерно расположенные на половине боковой поверхности трубки, обращенной в сторону рабочей полости кристаллизатора. 2. Кристаллизатор по п. 1, отличающийся тем, что трубка с отверстиями расположена эксцентрично в канале со смещением е в сторону, противоположную рабочей поверхности стенки, а расстояние между отверстиями h, число отверстий в трубке n и смещение трубки е установлены по следующим зависимостям:
h (0,11 0,50)(D + 2,1d),
n (6 9) • H/(D + 2,1d),
е D₀/2,
где D диаметр канала;
d диаметр отверстий;
D₀ наружный диаметр трубки;
H высота кристаллизатора.