Смирнов А.Н., Сафонов В.М. и др. Металлургические мини-заводы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 391

Рис. 4.27. Факел форсунки с прямоугольным пятном

распыления.

Вода попадает на поверхность заготовки в виде капель,

которые должны иметь достаточную энергию, чтобы проникнуть

сквозь паровую «рубашку», образовавшуюся вследствие испаре-

ния воды. При струйном охлаждении управление расходом воды

осуществляется изменением давления на выходе из сопла

(рис._4.28).

Вместе с тем, этот способ охлаждения имеет ряд сущест-

венных недостатков: величина

теплоотдачи не всегда увеличива-

ется пропорционально увеличению расхода воды; капли из водя-

ной форсунки обычно достаточно крупные, что не способствует

увеличению скорости парообразования и ограничивает эффек-

тивность охлаждения; в месте воздействия водяной струи проис-

ходит термический удар, который может привести к зональной

сегрегации или образованию трещин и т.д. Обычно

струйное ох-

лаждение применяется в зоне, непосредственно расположенной

под кристаллизатором, а также в следующей после этого зоне.

392 Металлургические мини-заводы

Системой струйного охлаждения оснащены многие сортовые

МНЛЗ.

Рис. 4.28. Типичная PV диаграмма для взаимосвязи давле-

ния и расхода воды струйных форсунок

Водовоздушное охлаждение осуществляется мельчайшими

частицами воды, которые распыляются воздухом. Вода, распы-

ленная струей воздуха на мельчайшие капли (размер капель 20-

150 мкм), образует как бы поток тумана, который по форме пред-

ставляет собой конус. Распыление воды происходит в основном в

результате соударения двух потоков – водяного и воздушного.

Распылитель представляет собой как бы

две независимые фор-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 393

сунки – для воды и для воздуха,- струи от которых пересекаются.

Оба потока выходят из распылителя в направлении поверхности

непрерывнолитой заготовки и встречаются один с другим, обра-

зуя факел мелкодисперсных капель воды. Воздух при этом спо-

собе охлаждения играет двоякую роль: он обеспечивает распыле-

ние воды и сообщает каплям необходимую высокую кинетиче

скую энергию. Характер распыления воды определяется расхо-

дом и давлением воздуха и поддается регулированию в широком

диапазоне параметров.

Высокая эффективность метода водовоздушного охлажде-

ния объясняется тем, что благодаря высокой кинетической энер-

гии 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 ближай-

ших

участков.

Устойчивое распыление воды на капли по всему факелу

значительно улучшает характер охлаждения поверхности заго-

товки. Сам факел, несмотря на его эффективность, не является

столь турбулентным, как струя воды, поэтому охлаждение метал-

ла более равномерное, без переохлаждения отдельных участков,

как это бывает при охлаждении водяными струями. Кроме того,

устойчивый конус

факела обеспечивает равномерное распределе-

ние воды, что способствует устранению местного переохлажде-

ния и повторного нагрева металла. Угол раскрытия конического

394 Металлургические мини-заводы

факела для каждой форсунки точно известен, и он остается прак-

тически постоянным при любом расходе и давлении.

Новые конструкции сопел и систем водовоздушного охла-

ждения позволяют достичь лучшего распределения охладителя

по факелу распыла, что снижает дефекты поверхности, образова-

ние 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 кон-

струкций машин;

•

устойчивость параметров форсунки, в том числе и коэффи-

циента теплоотдачи;

•

соотношение воздух-вода в смеси;

•

диапазон регулирования расхода жидкой фазы;

• характер распределения охладителя по факелу распыла;

•

способы крепления форсунок и дизайн подводящих кол-

лекторов.

Известно, что увеличение соотношения воздух-вода не яв-

ляется единственным и решающим фактором влияния на коэф-

фициент 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 соотноше-

ние расхода жидкости и сжатого воздуха, как одного из главных

факторов во вторичных зонах охлаждения. Так, в зоне пленочно-

го кипения в кратчайшее время образуется паровой слой, ухуд-

шающий условия теплообмена. Сжатый воздух, обладая допол-

нительной кинетической

энергией, необходимой для проникно-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 395

вения капель непосредственно к поверхности металла, интенси-

фицирует процесс охлаждения.

В качестве иллюстрации на рис.4.29 приведены коэффици-

енты теплоотдачи некоторых форсунок фирмы “Lechler GmbH”

(Германия), являющейся одним из лидеров в производстве фор-

сунок в мире.

Рис. 4.29. Зависимость коэффициента теплоотдачи

форсунок 100.259 и 11/90-40-40 при давле-

нии воздуха 2 бар от давления воды

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 теплоот-

дачи. 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.

330

370

380

430

450

280

320

380

360

370

200

250

300

350

400

450

500

1234567

100 259

11 / 90-40-40

Коэффициент теплоотдачи,

В/м

/К

Давление воды

396 Металлургические мини-заводы

Форсунки этой серии обеспечивают стабильную работу аг-

регата и исключают прорывы металла. Они специально сконст-

руированы для получения максимальных значений коэффициен-

тов теплоотдачи в диапазоне давлений 5 - 6 бар. При этом необ-

ходимо отметить, что коэффициенты теплоотдачи водовоздуш-

ной форсунки, которая недостаточно запитана сжатым воздухом,

будут ниже, чем у традиционных однофазных.

Последние результаты

в области исследования и разработ-

ки 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 со-

отношение в 2-3 раза больше, чем у однофазных форсунок.

Новейшие агрегаты ведущих предприятий США, Европы и

Азии используют

водовоздушные форсунки со сниженным рас-

ходом сжатого воздуха во всем диапазоне регулирования. При

этом сохраняется необходимое соотношение «воздух-вода» в

смеси при максимальном давлении воды и скорости разливки.

В последнее время все большее внимание уделяется про-

блеме водовоздушного охлаждения сортовых заготовок квадрат-

ного и круглого сечения. В этом случае плоскоструйные распы

лители являются далеко не оптимальным решением. Это особен-

но проявляется в условиях высокой вероятности образования по-

верхностных и подповерхностных трещин. Эти типы дефектов

усиливаются при прохождении заготовки под форсункой с ин-

тенсивным охлаждением. В последующий момент происходит

разогрев затвердевшей корочки, и соответственно, термическое

расширение, приводящее к образованию внутренних интенсив-

ных

напряжений и появлению трещин.

В свою очередь плоскоконусный или полноконусный

овальный тип распыла имеет более мягкое охлаждение и охваты-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 397

вает большую площадь. Как правило, полноконусные двухфаз-

ные форсунки имеют нестабильный угол распыла и неравномер-

ное 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 распыли-

тель с несколькими шлицами, что может означать только

опреде-

ленный компромисс, а не полное решение проблемы.

Новое поколение полноконусных и овальных полноконус-

ных двухфазных форсунок фирмы “Lechler GmbH” позволяет эф-

фективно охлаждать сортовые и слябовые заготовки. Схематиче-

ски распределение охлаждающей среды при использовании

овальных полноконусных двухфазных форсунок представлено на

рис. 4.30. 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 во-

дой улучшает теплопередачу

, обеспечивает более интенсивный

рост затвердевшей корки, более равномерное охлаждение заго-

товки, позволяет примерно на 15 - 20 % повысить скорость ее вы-

тягивания и т.п. При этом основной технологической задачей яв-

ляется выбор рациональных режимов охлаждения, а для конст-

рукторов приоритетом является оптимизация конструкции фор-

сунок.

398 Металлургические мини-заводы

Рис.4.30. Расположение коллекторов и форсунок на

круглой заготовке

Для повышения качества непрерывнолитой продукции в

последние десятилетия все более широко применяют методы эле-

ктромагнитного воздействия, обеспечивающие перемешивание

жидкой фазы заготовки. По совокупности получаемых эффектов

и специфике используемых приемов воздействия на всей протя-

женности технологической длины непрерывнолитой заготовки

можно условно выделить следующие наиболее характерные зоны

(рис. 4.31): зона кристаллизатора (1) или непосредственно

распо-

ложенная под кристаллизатором (2); зона столбчатых кристаллов,

которая удалена от нижнего торца кристаллизатора на расстояние

нескольких метров (3); зона объемной кристаллизации (4).

При выборе режимов и характера приложения электромаг-

нитного воздействия необходимо принимать во внимание тот

факт, что при непрерывной разливке в достаточно широких пре-

делах изменяется целый ряд параметров: химический состав

ста-

ли, температура разливки (в том числе и температура перегрева

над линией ликвидус), скорость разливки стали, сечение заготов-

Глава 4. Непрерывная разливка стали на мини … 399

ки, режимы качания кристаллизатора, способ подвода стали в

кристаллизатор, режимы вторичного охлаждения, требования к

кристаллической структуре и химической однородности и пр.

Рис. 4.31. Схематическое представление расположения

возможных точек приложения электромагнитного

воздействия: 1 - кристаллизатор; 2 – непосредст-

венно под кристаллизатором; 3 – зона роста

столбчатых кристаллов; 4 – зона объемной кри-

сталлизации

Наиболее характерной особенностью распределения ско-

ростей конвективных потоков при электромагнитном перемеши-

вании является их максимальное значение непосредственно у ис-

точника воздействия с последующим уменьшением интенсивно-

сти перемешивания по мере приближения к оси заготовки. Мак-

симальная скорость принудительных потоков при электромаг-

400 Металлургические мини-заводы

нитном перемешивании регулируется посредством напряженно-

сти электромагнитного поля и может достигать значений не-

скольких метров в секунду. При этом в зависимости от условий

воздействия в жидкой фазе могут формироваться как ламинарные

течения, так и турбулентные потоки и вихревые зоны. Однако ог-

раничения по скорости движения принудительных потоков будут

сформулированы из соображений

обеспечения химической и фи-

зической однородности заготовки.

Основной эффект электромагнитного воздействия в кри-

сталлизаторе, видимо, следует связывать с изменением гидро-

динамической обстановки в жидкой ванне кристаллизатора под

влиянием принудительных конвективных потоков.

Обобщая имеющиеся в литературе данные относительно

направленности принудительных конвективных потоков в кри-

сталлизаторе в условиях наложения электромагнитного воздейст-

вия,

следует отметить, что превалирующее число исследователей

считает целесообразным обеспечивать организацию движения

восходящих потоков вдоль фронта затвердевания. Вертикальное

перемешивание создает возможность повысить качество поверх-

ности непрерывной заготовки за счет выноса определенного ко-

личества неметаллических включений из подповерхностных сло-

ев к зеркалу металла. В целом положительный эффект электро-

магнитного воздействия на процессы формирования

непрерывно-

литой заготовки посредством принудительных восходящих вдоль

фронта затвердевания конвективных потоков, видимо, следует

связывать со следующими явлениями:

•

улучшение условий выноса из металла газовых пузырьков,

макро- и микро- неметаллических включений;

•

подавление отрицательных явлений, связанных с внедре-

нием в жидкую ванну струи металла за счет изменения ха-