Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 6.2

Системы и способы охлаждения заготовки

Равномерное охлаждение непрерывнолитой заготовки является наиболее важной задачей, решаемой в ЗВО. При этом сортовая заготовка, выходящая из кристаллизатора, имеет твердую корочку толщиной 14-16 мм, а также жидко-твердую зону и внутреннюю зону с жидкой фазой, имеющую температуру близкую к температуре ликвидус.

Отвод тепла от поверхности заготовки в ЗВО достигается путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой или водовоздушной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам, вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду. Наиболее интенсивно тепло отводится в области прямого действия форсунки и в области контакта опорного ролика с поверхностью заготовки (где скапливается часть подаваемой на охлаждение воды), а минимальный отвод тепла имеет место в зоне под роликами, куда практически не попадает распыляемый охладитель.

Интенсивность охлаждения заготовки в ЗВО должна выбираться таким образом, чтобы температура поверхности заготовки в процессе ее перемещения по ней оставалась примерно постоянной или медленно уменьшалась. Достаточно часто предпочтение отдается варианту, при котором температура поверхности медленно снижается по всей длине ЗВО. Наиболее неблагоприятными условиями охлаждения являются колебания температуры заготовки в области аустенитного превращения, поскольку они провоцируют возникновение горячих поверхностных трещин.

Плотность теплового потока в ЗВО (q) прямо пропорциональна разнице температур поверхности заготовки и окружающей среды и может оцениваться по формуле

где a – коэффициент теплопередачи; Tпов – температура поверхности заготовки; Tос – температура охлаждающей среды.

По имеющимся данным о необходимой плотности теплового потока представляется возможным рассчитать требуемый расход охладителя (охлаждающей воды или водовоздушной смеси). Считается, что заготовка должна охлаждаться равномерно, а появление темных или ярких пятен на ее поверхности служит показателем неудовлетворительной работы форсунок или системы в целом.

Температура поверхности заготовки в кристаллизаторе находится на уровне 1200-1280 oС, а при выходе из него она достаточно плавно снижается до уровня 1150-1200 oС. В дальнейшем температура поверхности непрерывнолитой заготовки в ЗВО устанавливается таким образом, чтобы тепловой поток через корку слитка и теплоотвод на поверхности слитка получались примерно одинаковыми. При этом интенсивное снижение температуры заготовки происходит на протяжении первых зон (от 0,9 до 6 м). Оптимальная температура поверхности заготовки при этом, как правило, составляет 1100-1180 oС. Повышение интенсивности теплоотвода ограничивается термическим сопротивлением твердой корочки заготовки. Выбор рационального уровня температур заготовки (и интенсивности охлаждения) в ЗВО зависит от целого ряда факторов, включающих марку стали, метод охлаждения, требования к качеству заготовки, тип МНЛЗ и пр.

Длина ЗВО выбирается из тех соображений, что в случае прекращения подачи охладителя температура поверхности не будет уже затем существенно увеличиваться, то есть прогреваться за счет тепла внутренних объемов заготовки. Удлинение ЗВО особенно при больших скоростях разливки, наоборот, может обеспечить более высокий теплоотвод и весьма часто также требуется для поддерживания заданных температур поверхности в нижней части машины. Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО предусматривается несколько секций с различной интенсивностью отвода тепла. Для достижения требуемой интенсивности теплоотвода применяются следующие основные методы подачи охлаждающего вещества: охлаждение струями воды (струйное охлаждение) или водовоздушной смесью (водовоздушное охлаждение), подаваемой между опорными роликами через специально устанавливаемые форсунки; а также охлаждение на воздухе посредством излучения.

При этом температурное состояние непрерывнолитой заготовки может достаточно полно быть оценено на математических теплофизических моделях. Эффективность применения на практике таких моделей достаточно велика, и поэтому они широко применяются при работе современных МНЛЗ. При этом особо важным элементом моделирования является отработка режимов охлаждения при нестационарных режимах литья, которые возникают при замене промковша или уменьшении скорости вытяжки заготовки.

В настоящее время для охлаждения сортовых заготовок в ЗВО используют однофазные и двухфазные форсунки [110, 114, 459]. Основные типы форсунок наиболее широко используемых для охлаждения сортовых заготовок, а также форма образуемого ими факела представлены в таблице 6.1.

В системах охлаждения сортовых машин для обычных сталей (например, конструкционных), используются, как правило, однофазные форсунки преимущественно с полноконусным факелом распыла. В системах охлаждения высококачественных сталей (например, коррозионностойкие, пружинные, канатные) необходимы широкий диапазон регулирования и часто малые расходы, что невозможно достичь с помощью однофазного распыления.

Однофазные плоскоструйные форсунки обеспечивают параболическое, овальное или прямоугольное распределение жидкости по поверхности заготовки, а полноконусные – круглую, квадратную или овальную поверхность орошения. Для этих форсунок характерен ограниченный диапазон регулирования объемного расхода охладителя в пределах 1:3,5 и относительно малые значения проходных сечений, что способствует их склонности к засорению. Ширина факела распыла варьируется в зависимости от величины давления.

Таблица 6.1 – Основные типы форсунок, применяемых для охлаждения сортовых заготовок, и характер образуемого ими факела

Основные типы форсунок, применяемых для охлаждения сортовых заготовок, и характер образуемого ими факела

Используемые на практике двухфазные плоскоструйные форсунки (Mastercooler, Slabcooler) и форсунки с круглой или овальной поверхностью орошения (Billet Cooler – круг и овал) имеют диапазон регулирования от 1:6 до 1:10, относительно большие значения проходных сечений, что снижает их склонность к засорению, высокие значения коэффициента теплоотдачи за счет дополнительной кинетической энергии сжатого воздуха, а также стабильную ширину факела распыла [110]. Это позволяет добиться равномерного распределения охладителя во всем диапазоне регулирования.

Струйное водяное охлаждение заготовки осуществляется специальными разбрызгивающими форсунками (рисунок 6.3), расположенными между опорными роликами. Вода попадает на поверхность заготовки в виде капель, которые должны иметь достаточную энергию и скорость, чтобы проникнуть сквозь паровую «рубашку», образовавшуюся на поверхности заготовки вследствие интенсивного испарения воды.

Факел распыляемой воды форсунки струйного распыления и схема расположения форсунки относительно поверхности заготовки

Рисунок 6.3 – Факел распыляемой воды форсунки струйного распыления (а) и схема расположения форсунки относительно поверхности заготовки (б)

Этот способ охлаждения непрерывнолитой заготовки имеет ряд существенных технологических недостатков: величина теплоотдачи не всегда увеличивается пропорционально увеличению расхода воды; капли из водяной форсунки обычно достаточно крупные, что не способствует увеличению скорости парообразования и ограничивает эффективность охлаждения; в месте воздействия водяной струи с заготовкой происходит термический удар, который может привести к зональной ликвации или образованию трещин и т.д.

Между тем, система струйного охлаждения является достаточно простой в конструкционном плане, что позволяет широко использовать ее на сортовых МНЛЗ. Вода, подаваемая под давлением 0,25-0,35 МПа, проходя через сопла определенной конфигурации, самостоятельно дробится за счет перепада давлений на капли размером 0,2-1,0 мм и в виде факела плоской, овальной или округлой формы попадает на охлаждаемую поверхность. Необходимая форма факела обеспечивается конструкцией форсунки и ее сопла. Вся эта группа форсунок имеет цилиндрический подводящий канал, заканчивающийся полусферой, в которой вода дополнительно сжимается и выбрасывается через щелевое сопло, расположенное по центру полусферы. Сопла обеспечивают раскрытие факела по большой оси на 80-1500, а по малой на 5-80.

Большим недостатком системы водяного охлаждения при подаче охладителя через форсунки является также высокая неравномерность охлаждения поверхности слитка даже на сравнительно небольших ее участках в пределах одной секции по ее длине. Это объясняется схемой подачи воды в зазор между роликами. Поэтому участки слитка, перекрытые роликами, не получая необходимого охлаждения, перегреваются, а открытые участки, имеющие небольшую ширину, переохлаждаются. В результате разница температур на сравнительно небольших участках достигает 120-150 oС. Такое циклическое изменение режима нагрев-охлаждение происходит по всей зоне водяного охлаждения и, многократно повторяясь, приводит к возникновению дополнительных напряжений в корке слитка и, как правило, к появлению трещин.

Водовоздушное охлаждение осуществляется частицами воды, которые распыляются воздухом. Распыление воды происходит в основном в результате соударения двух потоков (водяного и воздушного) внутри форсунки. Распылитель представляет собой как бы две независимые форсунки для воды и для воздуха, струи от которых пересекаются. Оба потока выходят из распылителя в направлении непрерывнолитой заготовки и встречаются один с другим, образуя факел мелкодисперсных капель воды. Воздух при этом способе охлаждения играет двоякую роль: он обеспечивает распыление воды и сообщает каплям необходимую высокую кинетическую энергию. Характер распыления воды определяется расходом и давлением воздуха и поддается регулированию в широком диапазоне параметров.

Все основные способы водовоздушного охлаждения можно с определенной степенью условности объединить в две большие группы.

1. Образование водовоздушной смеси в специальных, отдельно расположенных смесителях с последующим транспортированием смеси к слитку. Достоинством такой системы является сравнительная простота подачи готовой смеси на слиток с помощью несложных по конструкции форсунок. Но в целом вся система достаточно громоздка, и главным ее недостатком является расслаивание смеси при ее транспортировке и неоднородность от форсунки к форсунке.

2. Образование водовоздушной смеси непосредственно перед подачей ее на слиток путем раздельной подачи из коллектора воды и воздуха. При пересечении струй под определенными углами происходит их соударение, дробление струи воды и образование направленного водовоздушного факела. Система достаточно компактна, но регулирование интенсивности охлаждения затруднено, так как при изменении расходов и давлений воды или воздуха меняется как дисперсность водяных капель, так и форма направленности водовоздушного факела.

Высокая эффективность метода водовоздушного охлаждения объясняется тем, что благодаря большой кинетической энергии с металлом одновременно контактирует множество капель распыленной воды. При одном и том же расходе воды площадь теплообмена между охладителем и заготовкой увеличивается, поскольку вода мелко распылена и число мелких капель очень велико. При этом капли достаточно равномерно распределяются по поверхности заготовки, так как факел имеет устойчивую геометрическую форму. Вода, которая не испарилась при контакте с поверхностью заготовки, падает вниз в виде мелкого дождя, создавая зону охлаждения ближайших участков.

Основные технологические преимущества системы водовоздушного охлаждения заключаются в следующем:

  • высокие скорости движения потоков непосредственно в отверстии форсунки, что существенно уменьшает вероятность его зарастания;
  • возможность формирования капель воды оптимальных размеров, что повышает эффективность охлаждения в целом;
  • широкий диапазон изменения параметров подачи охлаждающей жидкости и воздуха, что дает возможность использовать один типоразмер форсунок для различных марок сталей и скоростей литья;
  • однородность распыления воды вдоль поверхности широких граней слябов за счет использования нескольких форсунок по ширине (с перекрытием), что снижает вероятность локального переохлаждения (перегрева) поверхности слитка.

Бесперебойная работа систем форсуночного охлаждения во многом зависит от качества используемой воды (таблица 6.2). Грязная и слишком жесткая вода приводит к засорению форсунок. Засорение форсунок приводит к неравномерному разбрызгиванию охлаждающей жидкости и, соответственно, к неравномерному охлаждению непрерывнолитой заготовки.

Таблица 6.2 – Основные параметры воды для ЗВО

Основные параметры воды для ЗВО

В настоящее время для обеспечения МНЛЗ водой надлежащих кондиций (давление 0,5-0,6 МПа, расход до 200-220 м3/ч, температура на входе – max 35 oС, температура на выходе – max 45 oС) предусматриваются специальные станции ее очистки и химической обработки [460]. По ряду показателей такая вода превосходит качество питьевой воды (таблица 6.2).

  Раздел 6.2
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ