Механизмы вторичного охлаждения, оснащенные форсунками, охлаждающие сталь при помощи струи воды, а алюминий – при помощи водяной пленки, имеют различные характеристики. При охлаждении стали, капли воды сталкиваются с раскаленной поверхностью и мгновенно испаряются, создавая граничный слой, не пропускающий воду на охлаждаемую поверхность. Отвод тепла больше ближе к центру области соприкосновения, где большая часть быстро движущихся капель проникает через слой пара.
Экстремальные условия потока образуются в пределах парового пограничного слоя и он в конечном счете становится неустойчивым и разреженным. Небольшое время контакта разбрызгиваемой воды с поверхностью слитка растет по мере возрастания скорости подачи воды, что обусловлено растущим количеством воды. Таким образом расход воды на вторичное охлаждение значительно возрастает с расходом разбрызгиваемой воды, несмотря на то, что он почти не зависит от температуры поверхности слитка. Вода течет по поверхности с одинаковой скоростью. В результате пограничный слой пара между водной пленкой и поверхностью заготовки утолщается. И, наоборот, в условиях охлаждения поверхности слитка слой пара рассеивается, и водная пленка начинает соприкасаться с поверхностью заготовки. Площадь контакта возрастает с уменьшением температуры поверхности слитка, что сопровождается внезапным нагреванием воды в теплоотводной зоне. Процесс охлаждения протекает достаточно быстро и его трудно контролировать.
В непрерывной разливке стали вторичному охлаждению ставится цель обеспечивать отвод тепла и затвердевание слитка, начатые в кристаллизаторе с минимальными изменениями температуры поверхности для того, чтобы избежать образующихся растягивающих напряжений, которые должны быть достаточно серьезны, чтобы вызвать образование трещин. Только около 50-60% общего количества тепла отводится при вторичном охлаждении. Этот процесс отвода тепла является решающим в процессе разливки так как холодная вода забирает около 80% общего тепла на протяжении установившегося режима после кристаллизатора. Отвод тепла охлаждающей водой довольно сложный процесс, т.к. сильно зависит от температуры кипения воды. Существует четыре вида передачи тепла, при контакте охлаждающей воды с раскаленной поверхностью:
1.Конвекционное охлаждение при температуре ниже 1000С.
2. Пузырьковое кипение между 1000С и температурой сгорания.
3. Переходный режим кипения между температурой сгорания и температурой Лейденфроста.
4. Плёночное кипение при высоких температурах.
ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА, КАСАЮЩИЕСЯ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.
Одним из наиболее важных факторов процесса непрерывной разливки стали является возможность получения слитка или сляба без дефектов. Двумя такими качественными результатами являются горячие и холодные трещины и контроль за измерениями. Эти проблемы напрямую относятся к механическому натяжению и температурным деформациям, образующихся во время разливки. Механически образованные деформации при растяжении, обусловленные недостаточной смазкой кристаллизатора или отклонением от оси, обычно действуют в продольном направлении и являются причиной возникновения продольных трещин. Во время сталеразливочного процесса, быстрое охлаждение может стать причиной резкого падения температуры в затвердевающей корке, что вызовет термические напряжения по мере того, как корка будет растягиваться или сжиматься. Внезапное локальное охлаждение может создать деформацию при растяжении на поверхности в то время как повторный нагрев может вызвать деформацию на участках затвердевания. Термические напряжения возникают преимущественно в поперечном направлении и являются причиной возникновения продолных трещин.
Трещины могут образоваться, если созданное напряжение при растяжении превышает напряжение в структуре металла. Ранее уже были указаны различные области стали с низкой упругостью. Самые важные из них расположены в пределах 500С температуры солидуса и наиболее предрасположены к трещинам «горячего разрыва». Большинство трещин в слябах и заготовках возникают при горячих разрывах, из-за зоны малой упругости возле жидкой границы. Внутренние трещины часто встречаются возле углов, на средней линии или диагональной между противоположными углами. Поверхностные трещины могут появляться как в области середины так и возле углов. Некоторые трещины которые формируются при температуре ниже 9000С во время выравнивания корки возникают из-за хрупкости, обусловленной усадкой в межзёренной границе.
Brimacombe обобщает все причины возникновения трещин при непрерывной разливке стали. Неправильная практика вторичного охлаждения занимает здесь большую часть. Чрезмерное или недостаточное охлаждение ведет к повторному нагреву поверхности, которая приводит к растягивающим напряжениям под коркой, включая границу затвердевания. Это приводит к внутренним трещинам. Несимметричное охлаждение в углах заготовки приводит к искажению и диагональным трещинам. Чрезвычайное охлаждение приводит к переохлаждению и большой деформации растяжения на поверхности слитка, которые могут открыть маленькие трещины, образовавшиеся в кристаллизаторе. Недостаточное охлаждение перед кристаллизатором может привести к выпячиванию(вздутию)слитка, если поверхность будет слишком раскаленной. Это может привести к различым дефектам, таким как трещины тройной точки, трещины посередине поверхности, в середине слитка, в центре ликвационной зоны. Трещины поперек поверхности и в углах образуются в кристаллизаторе, но могут быть вызваны осевыми растягивающими напряжениями, возникшими во время вторичного охлаждения, когда температура поверхности находится при низкой упругости от 700 до 9000С. Практика вторичного охлаждения, которая ведет к сильному колебанию температуры поверхности так же усугубляет эти трещины, особенно в этом критическом диапазоне температур.
Термические напряжения и деформации, появляющиеся в слитке в течение неустановившейся начальной фазы разливочного процесса, могут способствовать горячим и холодным трещинам, особенно в высокопрочных алюминиевых сплавах. Горячие трещины формируются между угловыми точками прямоугольного слитка ниже его поверхности. Холодные трещины зарождаются внутри слитка и располагаются в центральной половине по толщине слитка. Высокоскоростная разливка может обусловить возникновение горячих трещин, а низкоскоростная разливка повышает риск возникновения холодных трещин. Формирование горячих трещин так же связано с силой трения между слитком и кристаллизатором (которая возникает из-за загрязнения кристаллизатора), и с различными условиями охлаждения во время неустановившейся начальной фазы. Кроме того термические напряжения, трещины связанные со вторичным охлаждением так же обуславливают появление макро деформаций основы слитка или закручивания, особенно в начале разливки.
Проблемы производства к которым относится закручивание, включая следующие: выливание расплавленного металла, холодных закупориваний, уменьшение неустойчивой жесткости слитка в нижней части и низкое значение упругой деформации. В конечном счете, если степень закручивания чрезмерна, низ слитка должен быть отпилен.