СПОСОБ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАГОТОВОК В МАШИНАХ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ КРИВОЛИНЕЙНОГО ТИПА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B22D11/124 

Изобретение относится к металлургии и может быть использованы в сталеплавильном производстве для охлаждения непрерывнолитых заготовок во вторичной зоне машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) криволинейного типа.

В настоящее время в технологии получения непрерывнолитых заготовок применяют различные способы охлаждения и охлаждающие устройства, главной задачей которых является реализация оптимальной гидродинамической картины распределения охладителя в зоне вторичного охлаждения (ЗВО), обеспечивающей высокую производительность МНЛЗ при удовлетворительном качестве заготовок.

Однако адаптация известных способов и устройств в реальных условиях на МНЛЗ определенной конструкции представляет известные трудности, препятствующие достижению положительного эффекта. Современные криволинейные МНЛЗ высокой производительности оснащаются во вторичной зоне разрезными и многоопорными роликами, имеющими средние (промежуточные) опоры (Совершенствование конструкций, исследование и расчет машин непрерывного литья заготовок. Сб. ВНИИМетМаш. М. 1987). Наличие таких опор существенно изменяет гидродинамическую картину в ЗВО, что в свою очередь приводит к искажениям температурного поля заготовки.

Это обусловлено следующим:
корпуса средних (промежуточных) опор экранируют поверхность заготовки под ними, ограничивая попадания охладителя на экранируемую часть;
использование роликов со средними (промежуточными) опорами приводит к разрыву контакта роликов с заготовкой вдоль образующей, в результате чего образуются каналы для неконтролируемого отвода отработанного охладителя.

На фиг. 1 представлены результаты исследований температурного состояния заготовки в ЗВО МНЛЗ-5 АО "Северсталь". Кривая 1 демонстрирует температурный профиль поверхности заготовки со стороны малого радиуса в первой секции (для сечения заготовки, отстоящего на расстоянии 0,78 м от кристаллизатора), а кривая 2 в конце четвертой секции (для сечения, отстоящего на расстоянии 9,5 м от кристаллизатора). Из приведенных зависимостей следует, что в начале ЗВО имеет место недоохлаждение заготовки в средней части (режим охлаждения задавался из условия поддержания температуры поверхности заготовки в ЗВО 950^oC, что соответствует пунктирной прямой на фиг.1, где температура превышает требуемую на 210-230^oC. Анализ кривой 2 показывает, что в конце радиального участка картина изменяется в противоположную сторону. Здесь имеет место переохлаждение средней части на 130-140^oC, а также заметно переохлаждение ребер на 230-240^oC. Последнее свидетельствует о том, что поверхность средней и угловой части поперечного сечения заготовки попадает перед зоной разгиба в опасную зону температурного охрупчивания, где вероятность появления трещин очень высокая.

Известен способ и устройство водовоздушного охлаждения, разработанный фирмой Coucast (См. "Air mist cooling on slab casters, Willim F." Coucast Fehnol nens, 1984, 23, N 1, 5-6), где охладитель подают со стороны узких граней заготовки в виде узких факелов (струй) вдоль широких граней сляба с помощью спрейерного устройства, сопла которого установлены в два ряда со стороны узких граней сляба.

Способ и устройство обладают следующими недостатками:
подача охладителя со стороны узких граней при наличии средних (промежуточных) опор приводит к непроизводительным потерям подаваемого охладителя и полной потере контроля над отработанным охладителем на грани малого радиуса;
отсутствие приемов, регламентирующих условия подачи охладителя относительно ребер заготовки и средних опор, приводит к существенной неравномерности температурного профиля поверхности заготовки;
оснащение устройства соплами, установленными в два ряда без определенной ориентации относительно друг друга, приводит к скоплению охладителя под промежуточными опорами и переохлаждению заготовки перед зоной ее разгиба.

Известен способ вторичного охлаждения непрерывного слитка и устройство для его осуществления по а.с. СССР N 1201049, кл. В 22 D 11/124, где регламентируются условия подачи охладителя и приведены конструктивные параметры устройства в части установки форсунок. Согласно этому способу, подачу охладителя на поверхность заготовки осуществляют в виде попарно скрещивающихся веерных факелов, образующих в плоскости поперечного сечения заготовки общий факел с фиксированной длиной и шириной. Устройство для реализации способа содержит попарно установленные коллектора, оснащенные форсунками, центральные оси которых в плоскости поперечного сечения коллекторов пересекаются под углом.

Способ и устройство обладают следующими недостатками:
способ не предусматривает приемов, улучшающих тепловое состояние заготовки при наличии средних опор, а подача факелов с общей длиной, равной таковой одного из них, приводит к недоохлаждению заготовки в первых секциях, при использовании факелов с малой длиной и переохлаждению заготовки при использовании факелов с длиной, равной размеру заготовки;
выполнение устройства в виде двухрядного спрейера, оснащенного форсунками, смежные из которых своими осями пересекаются под одним и тем же углом во всех секциях устройства, не позволяет усилить охлаждение под средними опорами первых секций и эффективно разрушить поток отработанного охладителя в последующих секциях.

Последние способ и устройство выбраны в качестве прототипа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение качества заготовок и повышение устойчивости процесса непрерывного литья.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе вторичного охлаждения МНЛЗ, включающем подачу охладителя на ее поверхность в виде попарно скрещивающихся факелов, образующих в плоскости поперечного сечения заготовки общий факел с фиксированной длиной и шириной, факелы смещают от ребра заготовки в направлении технологической оси МНЛЗ, при этом величину смещения увеличивают пропорционально увеличению расстояния факела от кристаллизатора до величины, равной половине малого размера поперечного сечения заготовки в конце первого участка охлаждения, длину которого выбирают в пределах 8-14% от длины жидкой фазы, а на оставшемся участке зоны вторичного охлаждения смещения факелов увеличивают на величину прироста толщины твердой оболочки заготовки. Кроме того, угол скрещивания факелов устанавливают переменным вдоль технологической оси МНЛЗ, при этом в начале зоны вторичного охлаждения упомянутый угол устанавливают 12-24^o, а к концу радиального участка его увеличивают до 30-50^o.

В известном устройстве для реализации способа, содержащем попарно установленные коллектора, оснащенные форсунками, центральные оси которых в плоскости поперечного сечения коллекторов пересекаются под углом, смежные форсунки парных коллекторов, установленных в первой секции устройства, составляет 12-24^o и увеличивается с увеличением номера секции, достигая в последней секции устройства 30-50^o.

Сущность предлагаемого изобретения показана на фиг. 2-3.

На фиг. 2 представлена схема реализации способа с помощью двухрядного спрейерного устройства, две смежных форсунки которого продуцируют два плоских факела в общее межроликовое пространство. Устройство включает коллекторы 1 с форсунками 2, центральные оси которых пересекаются под углом α
Подачу охладителя осуществляют из коллектора 1 через форсунки 2 в пространство между роликами 3 на поверхность заготовки 4, размеры которой в плоскости поперечного сечения составляют a и b, причем, а≅b. Опорные ролики 3 имеют средние опоры 5, позволяющие при меньшем диаметре бочки выдерживать большие усилия со стороны заготовки. Факелы подаваемого охладителя смещают от ребра заготовки к технологической оси МНЛЗ на величину D в.

На фиг. 3 представлена схема поля орошения заготовки в ЗВО. Площадка орошения (заштрихованная область) сужается с удалением от кристаллизатора вследствие использования приема смещения факелов и уже в конце первого участка, длиной l₁, меньше соответствующего размера заготовки в на величину Длину l₁ выбирают предварительно из условия ее равенства 0,08-0,14 длины жидкой фазы. На оставшемся участке смещение Δb₂ факелов увеличивают пропорционально росту твердой оболочки заготовки, т.е. на величину прироста толщины твердой оболочки.

Угол α скрещивания факелов устанавливают переменным вдоль технологической оси МНЛЗ, при этом в начале ЗВО (первая роликовая секция) угол a устанавливают 12-24^o, а к концу радиального участка МНЛЗ его увеличивают до 30-50^o.

Эффективность способа снижается за пределами заявляемого диапазона углов. Так с увеличением угла α > 50^° заметно растут непроизводительные потери охладителя и усложняется контроль режима охлаждения ввиду усиления роли неорганизованного охладителя в теплообменном процессе. С уменьшением угла α < 12^° возрастает неравномерность охлаждения в начале (неохлаждение средней части), так и в конце ЗВО (переохлаждение средней части поверхности заготовки).

Пример. В процессе непрерывной разливки стали (ст. 3), температура которой в промковше 1540^oC, в заготовку сечением 1550х250 мм² со скоростью вытягивания 1 м/мин, в режиме охлаждения, обеспечивающем температуру поверхности заготовки в ЗВО 950^oC, предлагаемый способ реализовали следующим образом.

1. Определяют длину l₁ первого участка охлаждения, которая составляет 8-14% от длины L_ж фазы. Для данного режима разливки L_ж=25м. Тогда l₁= 25•(0,08-0,14)=(2,0-3,l5)м. Выбирают среднее значение l₁=2,75 m.

2. Определяют величину смещения факелов на первом участке. В соответствии с предлагаемым способом Тогда для любого факела в пределах первого участка охлаждения смещение определится из условия пропорциональности расстоянию l до кристаллизатора в виде мм/м. Например, для факела, отстоящего на расстоянии 2 м от кристаллизатора, Δb₁=45,45•2=90,9 мм.

3. Определяют величину смещения факелов на оставшемся участке ЗВО. Толщину твердой оболочки определяют по известной формуле где l - расстояние до уровня жидкой фазы (мениск), м, V_p -скорость разливки, м/мин, К коэффициент отвердевания,мм, мин 1/2. Согласно предлагаемому способу, на оставшемся участке ЗВО смещение факелов от ребра к технологической оси МНЛЗ увеличивают на величину прироста Δd твердой оболочки. Тогда (здесь l₁ расстояние от уровня жидкой фазы до конца первого участка и с учетом высоты столба жидкости в кристаллизаторе 1 м; 3,75 м) и Например, для факела, отстоящего на расстоянии 15 м от кристаллизатора, величина смещения составит (здесь К=25 мм, мин 1/2 для выбранного режима разливки с температурой поверхности заготовки в ЗВО 950^oC).

4. Подачу охладителя на поверхность заготовки непосредственно под кристаллизатором (между кристаллизатором и первым роликом) осуществляют известным способом (Δb 0; d Const), при котором факелы охватывают заготовку по всему периметру его сечения. Подачу охладителя на боковую (малую) грань в рамках предлагаемого способа осуществляют только на первом участке.

5. Смещение факелов к технологической оси МНЛЗ осуществляют путем перемещения спрейерных устройств или поворота коллекторов (форсунок) на определенный угол α
Ниже в таблице приведены значения параметров реализации способа.

На фиг. 4 представлены результаты опробования предлагаемого способа, где кривые 1-2 демонстрируют тепловой профиль поверхности заготовки в сечениях, отстоящих на расстояниях 0,78 и 9,50 м от кристаллизатора, соответственно. Совместный анализ кривых, приведенных на фиг. 1 и 4, показывает, что использование предлагаемого способа приводит к существенному улучшению теплового состояния заготовки в ЗВО. Заметно улучшилось охлаждение средней части заготовки в первой секции (что позволило увеличить толщину твердой оболочки на выходе из первой секции на 8-11%). В конце радиального участка применение предлагаемого способа позволило практически исключить переохлаждение заготовки в средней и существенно уменьшить переохлаждение угловой части.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет выравнить температурный профиль поверхности заготовки и тем самым повысить устойчивость процесса литья за счет интенсификации охлаждения под средними опорами в начале ЗВО, а также избежать переохлаждения заготовки перед зоной разгиба и тем самым обеспечить прогнозируемый уровень качества непрерывнолитой заготовки.

Использование: в области металлургии, в установках непрерывного литья заготовок криволинейного типа, для вторичного охлаждения. Сущность: способ и устройство для его осуществления позволяют подавать охладитель на поверхность заготовок в виде парных факелов, образующих общий факел, при этом факелы смещают в направлении технологической оси машины, с постепенным регламентированным увеличением величины смещения по участкам охлаждения, одновременно увеличивая угол скрещивания факелов от 12-24 до 30-50^o к концу радиального участка, причем охладитель подают через коллекторы, оснащенные форсунками, и смежные форсунки парных коллекторов установлены с увеличивающимся в указанных пределах углом пересечения центральных осей по мере удаления от первого участка охлаждения. 2 с.и. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ вторичного охлаждения заготовок в машинах непрерывного литья криволинейного типа, включающий подачу охладителя на поверхность заготовки в виде парных факелов, образующих в поперечном сечении общий факел с фиксированной длиной и шириной, отличающийся тем, что факелы смещают от ребра заготовки в направлении технологической оси машины, при этом величину смещения увеличивают пропорционально увеличению расстояния факела от кристаллизатора до величины, равной половине малого размера поперечного сечения заготовки в конце первого участка охлаждения, длину которого выбирают в пределах 8 14% от длины жидкой фазы, а на оставшемся участке зоны вторичного охлаждения смещение факелов увеличивают на величину прироста толщины твердой оболочки заготовки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол скрещивания факелов устанавливают переменным вдоль технологической оси машины, при этом в начале зоны вторичного охлаждения его устанавливают в 12 24^o, а к концу радиального участка его увеличивают до 30 50^o. 3. Устройство вторичного охлаждения заготовок в машинах непрерывного литья криволинейного типа, содержащее попарно установленные коллекторы, оснащенные форсунками, центральные оси которых в плоскости поперечного сечения коллекторов пересекаются под углом, отличающееся тем, что смежные форсунки парных коллекторов установлены с переменным углом пересечения их центральных осей, при этом угол пересечения центральных осей смежных форсунок парных коллекторов, установленных в первой секции устройства, составляет 12 24^o и увеличивается с увеличением номера секции, достигая в последней секции устройства значений 30 50^o.