Вторичное охлаждение заготовки - Реферат

Речь будет идти о Зоне вторичного охлаждения заготовки, на Непрерывной разливке стали на металлургических мини-заводах. Система вторичного охлаждения МНЛЗ состоит из опорных элементов, поддерживающих заготовку, устройств, обеспечивающих охлаждение слитка, а также специальных устройств, воздействующих на структуру кристаллизующейся заготовки (электромагнитное воздействие, мягкое обжатие, и т.д.). Обычно, говоря о зоне вторичного охлаждения (ЗВО), подразумевают ту часть МНЛЗ под кристаллизатором, где охлаждение происходит интенсивнее, чем просто при охлаждении на воздухе. Обычно, говоря о зоне вторичного охлаждения (ЗВО), подразумевают ту часть МНЛЗ под кристаллизатором, где охлаждение происходит интенсивнее, чем просто при охлаждении на воздухе. Система вторичного охлаждения МНЛЗ состоит из опорных элементов, поддерживающих заготовку, устройств, обеспечивающих охлаждение слитка, а также специальных устройств, воздействующих на структуру кристаллизующейся заготовки (электромагнитное воздействие, мягкое обжатие, и т.д.).В данной работе я привел схему роботы и анализ «Зоны вторичного охлаждения заготовки» На основании известных практических данных, видимо, можно говорить о том, что для различных геометрических размеров заготовки, металлургических условий, марок стали и требований к качеству металлопродукции этот метод может быть реализован различными способами.

Речь будет идти о Зоне вторичного охлаждения заготовки, на Непрерывной разливке стали на металлургических мини-заводах. Тоесть будет описана вся схема зоны вторичного охлаждения.

Система вторичного охлаждения МНЛЗ состоит из опорных элементов, поддерживающих заготовку, устройств, обеспечивающих охлаждение слитка, а также специальных устройств, воздействующих на структуру кристаллизующейся заготовки (электромагнитное воздействие, мягкое обжатие, и т.д.).

Обычно, говоря о зоне вторичного охлаждения (ЗВО), подразумевают ту часть МНЛЗ под кристаллизатором, где охлаждение происходит интенсивнее, чем просто при охлаждении на воздухе. Функционально зона вторичного охлаждения является крайне важной с точки зрения качества заготовки. Это, в первую очередь, относится к предотвращению формирования различного рода термических внутренних напряжений в твердом каркасе заготовки. Параметры вторичного охлаждения оказывают влияние на геометрическую форму заготовки и качество макроструктуры.

Зона вторичного охлаждения заготовки

Вторичное охлаждение заготовки начинается непосредственно под кристаллизатором, что обусловливается тем фактом, что твердая корочка металла, сформировавшаяся в кристаллизаторе, еще весьма тонкая и недостаточно прочная.

Обычно, говоря о зоне вторичного охлаждения (ЗВО), подразумевают ту часть МНЛЗ под кристаллизатором, где охлаждение происходит интенсивнее, чем просто при охлаждении на воздухе. Функционально зона вторичного охлаждения является крайне важной с точки зрения качества заготовки. Это, в первую очередь, относится к предотвращению формирования различного рода термических внутренних напряжений в твердом каркасе заготовки. Параметры вторичного охлаждения оказывают влияние на геометрическую форму заготовки и качество макроструктуры.

Система вторичного охлаждения МНЛЗ состоит из опорных элементов, поддерживающих заготовку, устройств, обеспечивающих охлаждение слитка, а также специальных устройств, воздействующих на структуру кристаллизующейся заготовки (электромагнитное воздействие, мягкое обжатие, и т.д.).

Опорные элементы направляют движение заготовки и предотвращают деформацию граней слитка под действием ферростатического давления. Непосредственно под кристаллизатором, где оболочка заготовки имеет небольшую толщину и прочность, ее деформация может приводить к прорывам металла, а в нижних зонах вторичного охлаждения - к образованию трещин и ликвационных полосок вблизи фронта затвердевания. Особые требования предъявляются к поддерживающим устройствам, расположенным непосредственно под кристаллизатором, где оболочка заготовки имеет еще малую толщину и высокую температуру. Наибольшее распространение в настоящее время получили роликовые секции.

На участке загиба и выпрямления непрерывнолитого металла на криволинейных МНЛЗ, кроме выполнения функции поддержания заготовки, на ролики добавляется функция правки заготовки. Известны различные схемы участков выпрямления слябов: со стационарной установкой роликов, с плавающей кассетой поддерживающих роликов, с подпружиненными поддерживающими роликами, с балансирной установкой верхних роликов, с балансирной установкой четырехроликовых блоков и т.п.

Снижение температуры в зоне вторичного охлаждения достигается путем опрыскивания заготовки водой или водовоздушной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам, а также вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду.

Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться таким образом, чтобы температура поверхности заготовки в процессе ее перемещения оставалась постоянной или медленно уменьшалась. Достаточно часто предпочтение отдается варианту, при котором температура поверхности медленно снижается по всей длине ЗВО.

Температура поверхности непрерывнолитой заготовки устанавливается таким образом, что тепловой поток через корку слитка и теплоотвод на поверхности слитка получаются примерно одинаковыми. Повышение интенсивности теплоотвода ограничивается конечным термическим сопротивлением корки заготовки. Интенсивным охлаждением можно снизить температуру поверхности непрерывного слитка, однако, на температурный режим в корке заготовки и на суммарный теплоотвод оно оказывает лишь несущественное влияние. Принято считать, что оптимальной температурой поверхности заготовки в ЗВО является диапазон 1000 - 1100 °С. При этом выбор рационального уровня температур заготовки в ЗВО зависит от ряда факторов, включающих марку стали, метод охлаждения, тип МНЛЗ и пр. Характер отвода тепла в зоне вторичного охлаждения приведен на рис.1

Рис. 1. Продольный разрез и характер отвода тепла от заготовки во вторичной зоне охлаждения

Наиболее распространенным методом охлаждения, является пропорциональный метод управления, базирующийся на табличных данных изменения расхода воды в зависимости от скорости разливки, размеров непрерывнолитой заготовки и химического состава стали. Пропорциональный метод управления позволяет достаточно точно поддерживать необходимый температурный профиль при стационарном режиме разливки. Однако поскольку изменение расхода воды по всем зонам происходит одновременно, то при изменении скорости появляются переохлажденные или перегретые участки заготовки.

Свести к минимуму перегрев и переохлаждение позволяет динамическая модель управления ЗВО. Существуют различные алгоритмы динамической модели управления. Но базовым параметром является контроль за скоростью любой точки заготовки по технологической оси машины и автономное изменения расхода воды по зонам, соответствующей так называемой приведенной скорости, различной в переходных режимах разливки для разных зон охлаждения. Для работы в режиме «online» используются регрессивные уравнения, полученные на основе математического моделирования процессов кристаллизации. Продолжительность вторичного охлаждения (длина ЗВО) выбирается из соображений того, что в случае его прекращения температура поверхности не будет уже затем существенно увеличиваться.

Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО предусматривается несколько участков с различной интенсивностью отвода тепла. Для достижения требуемой интенсивности теплоотвода применяются следующие основные методы подачи охлаждающего вещества.

Струйное охлаждение обеспечивает вторичное охлаждение струями воды, которые подаются через круглофакельные, плоскофакельные или форсунки с прямоугольной формой факела. Последний вид форсунок разработан фирмами «Lechler» и «Spraing Systems» и находит все большее распространение. Он выгодно отличается от плоскофакельных форсунок наличием двух углов раскрытия и большим проходным отверстием при заданном расходе охладителя термический металл заготовка охлаждение

Рис. 2.

Вода попадает на поверхность заготовки в виде капель, которые должны иметь достаточную энергию, чтобы проникнуть сквозь паровую «рубашку», образовавшуюся вследствие испарения воды. При струйном охлаждении управление расходом воды осуществляется изменением давления на выходе из сопла (рис.3).

Вместе с тем, этот способ охлаждения имеет ряд существенных 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 происходит термический удар, который может привести к зональной сегрегации или образованию трещин и т.д. Обычно струйное охлаждение применяется в зоне, непосредственно расположенной под кристаллизатором, а также в следующей после этого зоне.

Системой струйного охлаждения оснащены многие сортовые МНЛЗ

Рис. 3. Типичная PV диаграмма для взаимосвязи давления и расхода воды струйных форсунок

Водовоздушное охлаждение осуществляется мельчайшими частицами воды, которые распыляются воздухом. Вода, распыленная струей воздуха на мельчайшие капли (размер капель 20-150 мкм), образует как бы поток тумана, который по форме представляет собой конус. Распыление воды происходит в основном в результате соударения двух потоков - водяного и воздушного.

Распылитель представляет собой как бы две независимые форсунки - для воды и для воздуха,- струи от которых пересекаются. Оба потока выходят из распылителя в направлении поверхности 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.

Высокая эффективность метода водовоздушного охлаждения объясняется тем, что благодаря высокой кинетической энергии с металлом одновременно контактирует большое количество распыленной воды.

При одном и том же расходе воды площадь теплообмена между водой и заготовкой увеличивается: с одной стороны, вода мелко распылена и число капель очень велико, а с другой, - эти капли равномерно распределяются по поверхности заготовки, так как факел имеет устойчивую форму конуса. Вода, не испарившаяся при контакте с поверхностью заготовки, падает вниз в виде мелкого дождя, создавая зону охлаждения ближайших участков.

Устойчивое распыление воды на капли по всему факелу значительно улучшает характер охлаждения поверхности заготовки. Сам факел, несмотря на его эффективность, не является столь турбулентным, как струя воды, поэтому охлаждение металла более равномерное, без переохлаждения отдельных участков, как это бывает при охлаждении водяными струями.

Кроме того, устойчивый конус факела обеспечивает равномерное распределение воды, что способствует устранению местного переохлаждения и повторного нагрева металла. Угол раскрытия конического факела для каждой форсунки точно известен, и он остается практически постоянным при любом расходе и давлении.

Новые конструкции сопел и систем водовоздушного охлаждения позволяют достичь лучшего распределения охладителя по факелу распыла, что снижает дефекты поверхности, образование трещин по кромке слитка и осевую ликвацию. Кроме этого возможно расширение существующего сортамента продукции и повышение производительности оборудования.

Важнейшими критериями при выборе форсунок являются: · тип форсунки, исходя из производимого сортамента и конструкций машин;

· устойчивость параметров форсунки, в том числе и коэффициента теплоотдачи;

· соотношение воздухвода в смеси;

· диапазон регулирования расхода жидкой фазы;

· характер распределения охладителя по факелу распыла;

· способы крепления форсунок и дизайн подводящих коллекторов.

Известно, что увеличение соотношения воздухвода не является единственным и решающим фактором влияния на коэффициент теплоотдачи. Важную роль играют также угол и высота распыла.

Оба эти параметра определяют площадь поверхности распыла и, тем самым, непосредственно влияют на удельную площадь орошения и удельное давление струи. Наряду с этими двумя факторами необходимо принимать во внимание соотношение расхода жидкости и сжатого воздуха, как одного из главных факторов во вторичных зонах охлаждения.

Так, в зоне пленочного кипения в кратчайшее время образуется паровой слой, ухудшающий условия теплообмена.

Сжатый воздух, обладая дополнительной кинетической энергией, необходимой для проникновения капель непосредственно к поверхности металла, интенсифицирует процесс охлаждения.

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплоотдачи форсунок 100.259 и 11/90-40-40 при давлении воздуха 2 бар от давления воды

В качестве иллюстрации на рис.4 приведены коэффициенты теплоотдачи некоторых форсунок фирмы “Lechler GMBH” (Германия), являющейся одним из лидеров в производстве форсунок в мире. производстве форсунок в мире.

В рассматриваемом случае при давлении воды 4 бар для форсунки 11/90-40-40 наблюдается прекращение поступления воздуха в смеситель форсунки (воздух вытесняется жидкостью) и с этого момента начинается уменьшение коэффициента теплоотдачи.

В свою очередь применение современных форсунок серии 100.259 (Master-Cooler), позволяет устойчиво работать, в данном случае при максимальном давлении жидкости до 5,5 бар, что обеспечивает эффективное охлаждение поверхности заготовки.

Форсунки этой серии обеспечивают стабильную работу агрегата и исключают прорывы металла. Они специально сконструированы для получения максимальных значений коэффициентов теплоотдачи в диапазоне давлений 5 - 6 бар.

При этом необходимо отметить, что коэффициенты теплоотдачи водовоздушной форсунки, которая недостаточно запитана сжатым воздухом, будут ниже, чем у традиционных однофазных.

Последние результаты в области исследования и разработки двухкомпонентных распыляющих систем привели к созданию форсунок с минимальным расходом воздуха и одновременно с широким диапазоном регулирования. При постоянном давлении воздуха 2,5 бар возможно достижение соотношения 1:23. Это соотношение в 2-3 раза больше, чем у однофазных форсунок.

Новейшие агрегаты ведущих предприятий США, Европы и Азии используют водовоздушные форсунки со сниженным расходом сжатого воздуха во всем диапазоне регулирования. При этом сохраняется необходимое соотношение «воздухвода» в смеси при максимальном давлении воды и скорости разливки.

В последнее время все большее внимание уделяется проблеме водовоздушного охлаждения сортовых заготовок квадратного и круглого сечения. В этом случае плоскоструйные распылители являются далеко не оптимальным решением.

Это особенно проявляется в условиях высокой вероятности образования поверхностных и подповерхностных трещин. Эти типы дефектов усиливаются при прохождении заготовки под форсункой с интенсивным охлаждением.

В последующий момент происходит разогрев затвердевшей корочки, и соответственно, термическое расширение, приводящее к образованию внутренних интенсивных напряжений и появлению трещин.

В свою очередь плоскоконусный или полноконусный овальный тип распыла имеет более мягкое охлаждение и охватывает большую площадь. Как правило, полноконусные двухфазные форсунки имеют нестабильный угол распыла и неравномерное распределение охладителя по факелу. Характерен для них высокий расход воздуха и чувствительность к засорению, по причине малых проходных сечений.

Полноконусные овальные форсунки часто представляют собой плоскоструйный распылитель с несколькими шлицами, что может означать только определенный компромисс, а не полное решение проблемы.

Новое поколение полноконусных и овальных полноконусных двухфазных форсунок фирмы “Lechler GMBH” позволяет эффективно охлаждать сортовые и слябовые заготовки.

Диапазон регулирования лежит в пределах 1:14 при давлении воздуха 2 бар и области давлений воды от 1 до 10 бар.

Номинальный угол распыла полноконусных форсунок лежит в пределах 60 - 90 градусов.

Такие форсунки могут располагаться, как вертикально (блюм), так и горизонтально (круглая заготовка) к поверхности. Свободное проходное сечение примерно в 3 раза больше, чем у предыдущих конструкций.

В целом вторичное охлаждение заготовки распыленной водой улучшает теплопередачу, обеспечивает более интенсивный рост затвердевшей корки, более равномерное охлаждение заготовки, позволяет примерно на 15 - 20 % повысить скорость ее вытягивания и т.п.

При этом основной технологической задачей является выбор рациональных режимов охлаждения, а для конструкторов приоритетом является оптимизация конструкции форсунок.

Скорость вытягивания заготовки

X- предпоследняя цифра в номерезачетной книжки

Y- последняя цифра в номерезачетной книжки

X А Y В

1 0,10 1 1

2 0,12 2 1,1

3 0,14 3 1,2

4 0,16 4 1,3

5 0,18 5 1,35

6 0,20 6 1,38

7 0,25 7 1,4

8 0,30 8 1,5

9 0,32 9 1,58

0 0,35 0 1,6

Установление скоростного режима заключается в определении диапазона допустимых скоростей вытягивания заготовки и рабочей скорости вытягивания.

В качестве рабочей принимается такая скорость вытягивания, при которой обеспечивается сочетание высокого качества заготовки с достаточно высокой производительностью МНЛЗ.

Обычно рабочая скорость вытягивания заготовки назначается с учетом многих факторов: марки стали, размеров поперечного сечения отливаемой заготовки, температуры металла в промежуточном ковше, содержания в стали вредных примесей и др.

Если температура разливаемого металла и содержание вредных примесей в нем соответствуют требованиям, то рабочая скорость вытягивания может быть рассчитана по формуле:

где - рабочая скорость вытягивания заготовки, м/мин;

- коэффициент скорости вытягивания, м2/мин;

А, В-толщина и ширина заготовки, м.

Так как сталь марки 15 относится к группе углеродистых качественных сталей, то принимаем = 0,16 м2/мин, толщина и ширина заготовки составляет соответственно 0,25 и 1,3 м.

Тогда получаем: Рабочая скорость вытягивания заготовки является базовой для определения диапазона допустимых скоростей вытягивания: .

Получаем:

Скорость вытягивания определяет глубину лунки жидкого металла в кристаллизующейся непрерывнолитой заготовке:

;

тогда при расчете на рабочую скорость вытягивания: ;

при расчете на максимальную скорость вытягивания: Необходимая частота качания кристаллизатора определяется по формуле:

где Lk - глубина лунки жидкого металла, м;

- частота качания кристаллизатора, мин-1;

- коэффициент частоты;

- амплитуда качания кристаллизатора, м.

Принимаем = 1,1 и = 0,003 м.

Получим: Обязательным условием получения плотной осевой зоны непрерывнолитой заготовки является соблюдение соотношения:

где Lm - металлургическая длина МНЛЗ (расстояние по оси заготовки от уровня жидкого металла в кристаллизаторе до последнего поддерживающего ролика), м; в соответствии с исходными данными составляет 28 м.

Поэтому необходима проверка соблюдения этого условия при разливке с максимальной скоростью вытягивания.

При рабочей скорости вытягивания заготовки: т.е. соответствует требуемым условиям;

при максимальной скорости вытягивания: т.е. соответствует требуемым условиям.

В данной работе я привел схему роботы и анализ «Зоны вторичного охлаждения заготовки»

В который будут описаны все структуры,схемы,описания,и принципы роботы данной зоны

На основании известных практических данных, видимо, можно говорить о том, что для различных геометрических размеров заготовки, металлургических условий, марок стали и требований к качеству металлопродукции этот метод может быть реализован различными способами. Оптимизация этих способов, видимо, еще не произошла в силу ограниченного объема исследований. Между тем, предпосылкой для успешной обработки заготовки методом «мягкого» обжатия является: · наличие данных об оптимальном соотношении твердой и жидкой фазы в месте приложения усилия обжатия применительно к конкретным условиям;

· определение величины оптимальных значений степени обжатия, значений прилагаемых усилий и динамики приложения усилия обжатия;

· наличие системы, способной в реальном масштабе времени определять профиль затвердевания в зависимости от скорости литья, марки сталей, условий первичного и вторичного охлаждения и перегрева металла в промковше;

· наличие системы, позволяющей оперативно корректировать точку приложения усилия обжатия в зависимости от изменения условий разливки.

1. Бирюков А. Б., Кравцов В. В, Дылева О. Ю. Аналитический способ определения оптимального распределения интенсивности охлаждения поверхности непрерывнолитой заготовки в ЗВО // Наукові праці ДОННТУ. Серія: Металургія. - 2008. - Вип. 10 (123). - С. 29-36

2. Смирнов А. Н. Влияние динамических воздействий на формирование структуры и развитие ликвационных дефектов в непрерывнолитых заготовках // Сб. научн. тр. ДОННТУ. - 1999. - Вып. 14. - С. 42-52.

3. Емельянов В. А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок: Учебн. пос. для вузов. - М.: Металлургия, 1988. - 143 с.

4. Непрерывная разливка стали на радиальных установках / В. Т. Сладкоштеев, Р. В. Потанин, О. Н. Суладзе и др.

- М.: Металлургия, 1974. - 288 с.

5. Дюдкин Д. А. Качество непрерывнолитой стальной заготовки. - Киев: Техніка, 1988. - 253 с.

Размещено на .ru