Теплообмен в кристаллизаторе

При затвердевании слитка

Теплообмен при затвердевании слитка – процесс сложный, так как темперытура стали снижается и происходят фазовые переходы. Эти переходы также известны, как скрытая теплота. Кроме того, фазовые изменения происходят не только между твердыми фазами, но и другими объектами при затведевании. Примером являются мягкие зоны между ликвидусом и солидусом, которые зависят от содержания углерода в стали. Кроме того, тепловое сопротивление увеличивается с увеличением расстояния от мениска до дна кристаллизатора. Здесь теплообмен происходит за счет теплопроводности.

Между стальной и медной футеровками

Теплообмен на данном этапе является наиболее сложным и решающим шагом в кристаллизаторе. Он включает в себя два механизма передачи тепла: теплопроводности и излучения. Характерная черта этого теплообмена – уменьшение затвердевания стали (является функцией от марки стали и условий работы) и, как результат, увеличение воздушного зазора между корпусом и стальной поверхностью кристаллизатора.

Формирование воздушного зазора является сложным процессом. Зазор может изменяться как в поперечном, так и продольном направлении. Таким образом, имеем переменную, оказывающую влияние на процесс теплообмена и величину теплового потока. После образования воздушного зазора происходит передача тепла от излучения из-за снижения теплового потока. В общем, данный теплообмен представляет собой самое крупное термическое сопротивление по сравнению с другими этапами, особенно по отношению к теплообмену через медную футеровку и при охлаждении водой.

Процесс отвода тепла в кристаллизаторе зависит от динамики движения слитка. Ширина зазора увеличивается с увеличением расстояния от мениска. Стальная оболочка затвердевает и уменьшается от поверхности кристаллизатора.

Теплообмен в меди со стороны внутренней поверхности осложняется последствиями воздействия смазки. Другим фактором, влияющим на теплообмен при этом является конусная форма, которая может увеличиваться.

Таким образом, тепловой поток внизу кристаллизатора достигает максимального значения на уровне или чуть ниже мениска жидкости стали, и уменьшается по длине кристаллизатора. Средний тепловой поток для всего кристаллизатора увеличивается с увеличением скорости разливки.

В медной футеровке

Теплообмен на данном этапе зависит от теплопроводности меди и ее толщины: чем больше толщина, тем выше температура медной футеровки.

Внешняя медная футеровка и охлаждающая вода поверхности

Передача тепла на этом этапе осуществляется принудительной конвекцией. Хотя основная температура охлаждающей воды, как правило, около 40 °C (90°F), как правило, она ниже температуры насыщения при данном давлении воды. Кипение еще возможно в отдельных частях наружной поверхности, если локальная температура этой поверхности достаточно высока. Этот эффект увеличивает теплоотдачу. Кипения может привести к цикличности температурного поля через медную футеровку и к ухудшению качества продукции. Его подавляют увеличением скорости подачи воды в системе охлаждения или за счет повышения давления.

Система охлаждения

Контроль теплообмена в кристаллизаторе осуществляется принудительной конвекцией водяной системы охлаждения, которая должна быть рассчитана на высокую температуру. В общем, охлаждающая вода поступает на дно кристаллизатора, проходит вертикально через ряд параллельных каналов, расположеных между внешней стеной и выходит в верхней части.

Основными параметрами контроля являются:

Расход воды требуемой температуры, давления и качества

Как правило, под давлением рециркуляции используется замкнутая система. Уровень воды должен быть достаточным для поглощения тепла от нити без чрезмерного увеличения температуры воды. Значительное увеличение температуры может привести к снижению эффективности теплоотдачи и высоким температурам почвы. По этой же причине, температура воды на входе также не должна превышать допустимые нормы, ровно как и давление воды должно быть строго нормированным. Например, как уже говорилось ранее, чрезмерно высокое давление воды, как правило, подавляют кипение, т.к. это давление может привести к механической деформации формы.

Качество воды является важным фактором, характеризующим размеры осаждения и его форму. Размеры осаждения могут стать серьезной проблемой, т.к. их несоответствие допустимым нормам вызывает дополнительное термическое сопротивление в системе водяного охлаждения кристаллизатора, которое нагревает покрытые плесенью трубы и приводит к побочным эффектам, таким как парообразование и снижение прочности медных элементов. Это, в основном, зависит от температуры и скорости охлаждения водой и типа обработки.

Скорость потока воды

Для достижения надлежащей скорости потока, система охлаждения спроектирована специальным образом. Скорость достаточно высока, чтобы производить эффективный коэффициент теплоотдачи в системе охлаждения кристаллизатора. Слишком низкая скорость потока будет вызывать более высокую термостойкость на данном этапе, что может привести к кипению и его негативным последствиям. В общем, чем выше скорость охлаждающей воды, тем ниже температура кристаллизатора. Система охлаждения также должна быть направлена на поддержание требуемого распределения скорости потока равномерно по всему кристаллизатору. Необходимо стремиться к максимизации количества зон кристаллизатора, охлаждаемых водой. Равномерное распределение потока может быть достигнуто путем надлежащей геометрической конструкции водяных проходов с использованием пластинок.

Контроль параметров работы системы охлаждения кристаллизатора дает оценку процессу литья. Теплота отводится от кристаллизатора с помощью постоянного потока воды различной температуры на входе и выходе. Таким образом, чрезмерно большой сигнал датчика температуры может указывать на аномально низкий расход для в одной или нескольких частях кристаллизатора, в то время как чрезмерно малый сигнал может указывать на аномально большие масштабы абдсордции в одном или нескольких местах. Неравные сигналы для противоположных граней могут возникнуть в результате несимметричной заливки или искажения формы потока.

Форма колебаний

Во время разливки, когда слиток движется вниз по кристаллизатору, растягивающие усилия развиваются на поверхности слитка за счет высокого трения и прилипания к поверхности кристаллизатора. Трение и прилипание могут быть усилены за счет увеличения ферростатического давления. Если эти растягивающие усилия превышают силы сцепления, корка слитка порвется и может произойти прорыв. Прочность ухудшается в неровных частях кристаллизатора.

Чтобы уменьшить сцепление и риск прорывов жидкой стали используют колебания кристаллизатора и смазку. Колебания могут быть достигнуты путем:

В первую очередь используют электропривод.

Колебания кристаллизатора могут быть различны по частоте, амплитуде и форме. Многие колебательные системы спроектированы таким образом, что режим может быть изменен при различных размерах и марках стали. Тем не менее, есть один элемент, который используется без исключения для любых исходных данных – это отрицательная полоса в креплении оболочки. Отрицательные полосы в режиме вниз позволяют кристаллизатору двигаться быстрее, чем скорость вывода секции. В этих условиях сжимающие напряжения развиваются в креплении оболочки, которая, как правило, уплотнена для защиты поверхности от трещин и пористости и, следовательно, для повышения прочности корпуса. В режиме назад, кристаллизатор очень быстро возвращается в исходное положение и цикл повторяется. Таким образом, форма колебательного цикла не является симметричной относительно времени.

Смазка кристаллизатора

Одних колебаний кристаллизатора недостаточно для предотвращения порыва оболочки, поэтому необходимо использование смазки. Смазочные материалы кристаллизатора можно разделить на две категории:

Смазочное масло (используется для открытой разливки), как правило, увлажняет медную часть кристаллизатора и обеспечивает наибольшую теплоотдачу в верхней его части. Жидкие смазочные масла могут быть минерального, растительного, животного и синтетического происхождения. Рапсовое масло широко используется, но как альтернативу ему используют очищенные растительные масла. Масла имеют высокую температуру возгорания, поэтому в условиях разливки при высоких температурах они могут эффективно смазывать поверхность кристаллизатора в месте контакта со сталью. Масло постоянно вводят через ряд небольших отверстий или прорезей в верхней части кристаллизатора над мениском стали, чтобы сформировать тонкую сплошную пленку на поверхности стенок кристаллизатора. Масла используются, главным образом в машинах литья заготовок или блюмов.

Твердые смазочные материалы (порошки) широко используются с погруженными огнеупорными кожухами труб в литье алюминия. Ими посыпают плиты и ролики. Использование порошков приводит к большей теплоотдачи.

Порошки используют не только как смазочные материалы. Они выполняют и другие функции:

Вскоре после начала разливки на поверхность жидкой стали добавляют порошок вручную или с помощью механических дозаторов. Порошок в месте контакта с жидкой сталью формирует жидкий шлак, который затем проникает между стенкой кристаллизатора и поверхностью затвердевания стали. Порошок дополнительно добавляют постоянно, чтобы удалить поверхность заготовки от поверхности кристаллизатора. Смазка в виде порошка представляет собой сложный состав и должна обладать не только таким свойством, как вязкость, но и зависеть от условий эксплуатации, например: марки стали, скорость разливки и переходных состояний.

Кроме вязкости, которая зависит от кремния и алюминия в составе порошка, важны температурные характеристики, такие как температура плавления и кристаллизации. Как правило, именно вещества с низкой вязкостью и низкой температурой кристаллизации обеспечивают наиболее эффективный теплообмен в кристаллизаторе.

Также на функциональные особенности порошков влияют: минимальное содержание оксида железа, для защиты поверхности жидкости от повторного окисления стали; низкая плотность, которая вместе с углеродом замедляет спекание, плавкость и плавление, повышает возможности термической изоляции.

Порошки состоят из совокупности материалов, среди которых Si0₂-CaO-AI₂0₃-Na₂O-CaF₂ является основным компонентом. Их можно разделить на:

Ссылки

1. The making, Shaping and Treating of Steel, 1985, US Steel.
2. The making, Shaping and Treating of Steel, 2002, AISE Steel Foundation.