УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ И СПЛАВОВ Российский патент 2003 года по МПК B22D11/04 B22D11/55 

Изобретение относится к металлургическому машиностроению и может найти применение в установках полунепрерывного и непрерывного литья слитков, а также в теплообменниках.

Известны толстостенные кристаллизаторы для установки непрерывной разливки металлов со сверленными цилиндрическими каналами для охлаждающей жидкости [1, стр. 43, рис. 5,б].

Известны кристаллизаторы для устройств непрерывной разливки металлов [2] с каналами для охлаждения, в которые установлены составные поворотные втулки из нескольких частей по высоте, и теплопроводность их материала увеличивается книзу. Недостатком таких кристаллизаторов является недостаточная интенсивность отвода тепла из-за существенных термических сопротивлений между корпусом 1 кристаллизатора и поворотными втулками 2.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является кристаллизатор для непрерывной разливки металлов и сплавов [3]. В рабочих стенках выполнены цилиндрические вертикальные каналы для движения охлаждающей жидкости с размещенными в них стержнями винтовой формы и имеющими возможность вращения вокруг своей продольной оси при движении охлаждающей жидкости. Однако при движении жидкости по винтовым каналам происходит затрата энергии на вращение стержней винтовой формы, преодоление моментов трения в опорах этих стержней при их вращении.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение производительности и стойкости кристаллизатора за счет увеличения интенсивности отвода тепла от рабочих стенок кристаллизатора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в рабочих стенках кристаллизатора выполнены цилиндрические охлаждающие каналы с вставленными в них элементами, имеющими возможность вращения вдоль своей продольной оси при движении охлаждающей жидкости. Элементы выполнены в виде полосы прямоугольного, поперечного сечения b•Δ, шириной b=d и толщиной Δ=(0,1-0,15)d, где d - диаметр круглого отверстия канала, закрученной вдоль продольной оси на заданное количество оборотов, необходимых для максимального использования охлаждающей способности среды.

Полоса может состоять из двух участков l₁ и l₂, длины которых определяются соотношениями l₁= 0,618 l₀ и l₂=0,382 l₀, углы закручивания каждого участка определяют по соотношениям (Σϕ)₁ = 1,618(Σϕ)₂ или (Σϕ)₂ = 0,381(Σϕ)₁ при заданном значении одного из них. Полоса может иметь переменный шаг закручивания по длине рабочей части l_z.

На фиг.1 изображен кристаллизатор, продольный разрез. На фиг.2 - сечение А-А. На фиг.3, 3а - поперечное сечение винтовой перегородки.

Кристаллизатор содержит толстую медную рабочую стенку 1, в которой просверлены каналы 2. В канал 2 вставлена винтовая перегородка 3. Торцы винтовой перегородки 3 имеют специальные вырезы 4, предупреждающие перемещение перегородки вдоль канала 2. К верхним и нижним концам канала 2 примыкают расточки 5 специальной формы для подводящих и отводящих коллекторов, расположенных в несущем корпусе 6. Толщина Δ перегородки 3 выбирается в пределах Δ=(0,1-0,15)d, где d - диаметр круглого отверстия 2 в медной рабочей стенке 1. Перегородка 3 толщиной менее Δ<0,075d имеет недостаточную поперечную жесткость, напротив, при толщине более Δ>0,0125d значительно стесняет живое сечение исходного цилиндрического канала 2, затрудняет скручивание полосы перегородки вдоль ее продольной оси и монтаж. Установка в канал 2 перегородки 3 приводит к сокращению его живого сечения, см. фиг.2, сечение А-А, и образует два сегментных канала.

Закручивание винтовой перегородки 3 вдоль продольной оси на угол Σ_ϕ может осуществляться как с постоянным шагом спирали, так и с переменным. При закручивании винтовой перегородки 3 на Σ_ϕ=4 полных оборота элементарные объемы охлаждающей жидкости, перемещающиеся по каналу 2, начинают проявляться действия существенных по величине центробежных сил, перпендикулярных к оси канала 2 и оси винтовой перегородки 3, и перемещаться от оси канала 2 к его стенке. Действие полей этих центробежных сил способствует поперечному перемешиванию элементарных объемов внутри потока охлаждающей жидкости.

Максимальное значение угла закручивания Σ_ϕ винтовых перегородок 3 вдоль продольной оси ограничивается пластическими свойствами металла, способностью сохранять форму поперечного сечения b•Δ винтовой перегородки 3. В целом это объясняется тем, что винтовое движение является суммой переносного (поступательного) и вращательного движений [4, стр.36 и 40], порождающего действие на поток охлаждающей жидкости поля центробежных сил.

Длина заготовки для винтовой перегородки 3 определяется из заданного суммарного угла ее закручивания Σ_ϕ вдоль продольной оси. Пусть, например, Σ_ϕ=z полных оборотов, тогда шаг винтовой линии определится частным l₀/z и длина винтовой линии определится как гипотенуза прямоугольного треугольника (см. фиг.2) по выражению

Произведение l¹ на z витков (полных двойных оборотов) определяет длину спиральной части l_z заготовки. Тогда можем написать
(1)
Интенсивность тепловых потоков, облучающих рабочую стену кристаллизатора в зоне, прилежащей мениску, существенно выше, чем на выходе. Поэтому целесообразно на участке канала, прилежащего к мениску, винтовая перегородка 3 должна имеет больший угол закручивания Σ_ϕ, т.е. меньший шаг винтовой спирали, а на оставшемся участке канала производить закручивание на меньший угол закручивания Σ_ϕ, т.е. увеличенный по сравнению с предыдущим участком шаг спирали винтовой линии. Длина каждого участка такой исходной заготовки винтовой перегородки 3 для каждого участка будет определяться по формуле (1) и затем суммируется.

Рекомендуется принимать отношение длины винтовой перегородки 3 к длине второго участка винтовой перегородки 3 равным величине "золотого сечения" Ф= 1,618. Если длину первого участка обозначить l₁, а второго l₂, то можно составить систему уравнений: l₁+l₂= l₀ и l₁/l₂=Ф, из решения которой получим длину каждого участка l₁=0,618 l₀ и l₂=0,318 l₀.

Величины углов закручивания Σ_ϕ винтовой перегородки 3 на первом и втором участках канала 2 различны. Отношение угла закручивания (Σ_ϕ)₁ винтовой перегородки 3 на первом участка к углу закручивания Σ_ϕ винтовой перегородки 3 на втором участке равно Ф= 1,618. Тогда из отношения (Σ_ϕ)₁/(Σ_ϕ)₂=Ф получим (Σ_ϕ)₁=1,618•(Σ_ϕ)₂ и (Σ_ϕ)₂=(1/1,618)•(Σ_ϕ)₂=0,618)•(Σ_ϕ)₂.

Установка винтовой перегородки 3 превращает круглое сечение канала 2 в два сегментных канала и это приводит к модификации гидравлических режимов течения жидкости. Для оценки интегральной степени модификации гидравлических режимов течения охлаждающей жидкости в сдвоенных сегментных каналах в сравнении с режимом течения жидкости в одном круглом провели серию экспериментов. На универсальном гидравлическом стенде установили трубу с внутренним диаметром d=0,02 м (20 мм) как в действующих установках [1, стр. 68, "Пример. .."] и длиной 1 м. Через этот отрезок трубы осуществляли наполнение мерной емкости объемом Q=10 литров, фиксировали время t наполнения водой мерного сосуда в секундах. Секундный расход жидкости q_s определялся по соотношению q_s=Q/t. С другой стороны, этот секундный расход воды в трубопроводе определяется соотношением q=S_f•V_f, где S_f - фактическая площадь поперечного сечения отрезка трубы, V_f - действительная скорость движения воды в трубопроводе. Равенство секундных расходов q_s=q дает выражение для определения фактической скорости V_f, движения жидкости в трубе V_f=q_s/S_f.

В трубу поочередно устанавливали винтовую перегородку 3 сечением b•Δ= 0,0015•0,02 м (1,5•2 мм) с разным количеством витков спирали, которая создает два канала в виде сегмента. Расчет величины площади сегментного поперечного сечения производился по выражению (см. фиг.3, 3а)

в котором S - площадь сечения сегмента м², r=(d/2) м.

Расчет по выражению (а) площадь каждого канала в форме сегмента S_max= 0,0001421 м². Для справки, при использовании для винтовой перегородки 3 полосы толщиной Δ=0,0125 d=0,0125*0,02=0,0025 м площадь проходного сечение каждого канала снизится и составит S_min=0,0001421 м². В первом случае снижение общей площади поперечного сечения канала с установленной в ней перегородкой 3 составит 9,54%, а во втором - 15,87%.

Результаты обработки эксперимента по приведенным соотношениям представлены в таблице.

Из экспериментов следует, что скорости истечения жидкости из трубы с установленной в них винтовой перегородкой 3 несущественно различаются между собой при изменении суммарного угла закручивания Σ_ϕ винтовой перегородки 3.

Отношение площадей сечений отрезков трубы без вставки к площади трубы со вставкой в проведенном эксперименте составляет величину (0,000314/2•0,0001421)= 1,054. Отношение средних скоростей движения жидкости в опытах второй - пятой серии к скорости опыта первой серии находятся в одном диапазоне от 1,0329 до 1,1065. Таким образом, существенного изменения скоростного режима движения жидкости в трубах с винтовой перегородкой 3 и различными углами закручивания не наблюдается.

Специально была проведена группа экспериментов на отрезке трубы длиной 1 м, в которые установили винтовую перегородку 3 с 21 витком. В этих экспериментах время заполнения мерной емкости объемом 0,01 м³ (10 л) составило 21 секунду и скорость движения жидкости в трубе с винтовой перегородкой 3 достигала 1,68 м/с или упала на 21,12%.

В проведенных экспериментах струя воды, истекающая из трубы с винтовой перегородкой 3, была плотной, не разбрызгивалась и вращалась.

Перед сборкой кристаллизатора в соответствии с изобретением "Устройство для интенсификации охлаждения кристаллизатора непрерывной разливки металлов и сплавов" следует изготовить необходимое количество винтовых перегородок 3. Для этой цели вырезают из стальных листов толщиной Δ, шириной b и длиной l₀= (l_z+10) мм, используя формулу (1) для принятого числа витков спирали z, необходимое количество полос.

Тепловая работа рабочей стенки 1 кристаллизатора. Охлаждающая жидкость (вода) из коллектора К поступает в канал 2, в котором установлена спиральная вставка 3, начинает совершать сложное винтовое движение по спирали. Каждый элементарный объем жидкости dV с хаотически, турбулентно, перемещающимися внутри его частицами жидкости совершает сложное движение: мгновенное поступательное движение вдоль оси отверстия 2 и мгновенное вращение при перемещении вдоль спиральной вставки 3. При таком вращательном движении элементарный объем dV испытывает действие центробежной силы, перпендикулярный к оси канала 2 и оси спиральной вставки 3. Действие этой элементарной центробежной силы способствует поперечному "перемешиванию" каждого элементарного объема dV. Это приводит, в конечном счете, к увеличению коэффициента теплопередачи между охлаждающей жидкостью (водой) и поверхностью канала 2 рабочей стенки 1. Известно, что при движении жидкости по изогнутым трубам (змеевикам) коэффициент теплопередачи вследствие дополнительной турбулизации в местах изгиба труб несколько возрастает по сравнению с прямыми трубами [5] .

Таким образом, установка винтовой перегородки 3 внутри отверстий 2 рабочей стенки 1 кристаллизатора обеспечивает повышение интенсивности процессов его охлаждения и работы в целом.

Пример расчета параметров винтовой перегородки. В конвертерном производстве в настоящее время используются стенки [1, стр. 68, "Пример..."], имеющие каналы для охлаждения диаметром d=0,02 м (20 мм) и длиной 0,945 м (945 мм). Требуется определить длину рабочей части l_z заготовки для изготовления винтовой перегородки 3.

1. Требуется рассчитать длину рабочей части l_z заготовки для изготовления винтовой перегородки 3 с 15 витками спирали. Исходные данные: d=20 мм, l₀=945 мм и Σ_ϕ=15. Воспользуемся формулой (1) и в нашем случае получим
l_z=l₀•[(π•d•Σ_ϕ/l₀)+1]^1/2=945•[(π•20•15/945)+1]^1/2=945•1,39= 1335,5 мм.

Полная длина заготовки будет l_z=l_z+10=1335,5+10≈1346 мм.

Если же требуется изготовить винтовую перегородку 3 с Σ_ϕ=10 виткам спирали, то аналогичные вычисления дают l_z= l₀•[(π•d•Σ_ϕ/l₀)+1]^1/2=945•1,29= 1219,4 мм и тогда l_z=l_z+10=1219,4+10≈1230 мм.

2. Требуется рассчитать длину рабочей части l_z заготовки для изготовления двухступенчатой винтовой перегородки 3 c числом витков спирали (Σ_ϕ)₂= 15 . Исходные данные: d=20 мм, l₀=945 мм.

Воспользуемся соотношениями l₁=0,618 l₀ и l₂=0,381 l₀, из которых получим длины первого горячего l₁=0,618 l₀=0,618•945=584,04 мм и второго участка l₂= 0,382 l₀= 0,381•945= 360,96 мм. Далее принимаем l₁=584 мм и l₂=361 мм. Определим количество витков спирали на втором участке винтовой перегородки 3 по соотношению (Σ_ϕ)₂=(0,618)•(Σ_ϕ)₁)₂=0,618•15=9,27 витка. В расчетах примем (Σ_ϕ)₂= 9 витков. Расчетная длина заготовки для первого участка определяется по формуле (1)
(l_z)₁=l₁•[(π•d•(Σ_ϕ)₁/l₁)+1]^1/2=584•[(π•20•15/584)+1]^1/2= 944,2 мм. Аналогично для второго участка
(l_z)₂=l₁•[(π•d•(Σ_ϕ)₂/l₂)+1]^1/2=361•[(π•20•9/361)+1]^1/2= 578,3 мм.

После этого величина общей длины заготовки для изготовления ступенчатой спиральной вставки 3 будет
l_z=(l_z)₁+(l_z)₂+10=578,3+944,1+10=1533 мм.

Источники информации
1. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок. Емельянов В.А. Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1988, 143 с.

2. Авторское свидетельство СССР 634845, М.Кл.² В 22 D 11/04, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР SU 1016048 А, В 22 D 11/04, 1982.

4. Механика жидкости и газа. Лойцянский Л.Г. Изд. 5-е., переработанное. Главная редакция физико-математической литературы, издательство "Наука", М., 1978, 736 стр.

5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971, с.755 (см. стр. 299, первый верхний абзац).

Изобретение относится к металлургии и может применяться в установках полунепрерывного и непрерывного литья слитков, а также в теплообменниках. В рабочих стенках предлагаемого кристаллизатора выполнены цилиндрические охлаждающие каналы с вставленными в них элементами, имеющими возможность вращения вдоль своей продольной оси при движении охлаждающей жидкости. Элементы выполнены в виде полосы прямоугольного поперечного сечения b•Δ, шириной b=d и толщиной Δ= (0,1-0,15)d, где d - диаметр круглого отверстия канала, закрученной вдоль продольной оси на заданное количество оборотов, необходимых для максимального использования охлаждающей способности среды. Изобретение позволяет повысить производительность и стойкость кристаллизатора за счет увеличения интенсивности отвода тепла от рабочих стенок кристаллизатора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Устройство для интенсификации охлаждения кристаллизатора установки непрерывной разливки металлов и сплавов, в рабочих стенках которого выполнены цилиндрические охлаждающие каналы с вставленными в них элементами, имеющими возможность вращения вдоль своей продольной оси при движении охлаждающей жидкости, отличающееся тем, что элементы выполнены в виде полосы прямоугольного поперечного сечения b • Δ, шириной b = d и толщиной Δ = (0,1-0,15)d, где d - диаметр круглого отверстия канала, закрученной вдоль продольной оси на заданное количество оборотов, необходимых для максимального использования охлаждающей способности среды. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полоса состоит из двух участков l₁ и l₂, длины которых определяются соотношениями l₁ = 0,618 l₀ и l₂ = 0,382 l₀, а углы закручивания каждого участка определяют по соотношениям l₁ = 0,618 l₀ и l₂ = 0,382 l₀, углы закручивания каждого участка определяют по соотношениям (Σϕ)₁ = 1,618(Σϕ)₂ или (Σϕ)₂ = 0,381(Σϕ)₁ при заданном значении одного из них. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полоса имеет переменный шаг закручивания по длине рабочей части l_z.