Конспект лекций по дисциплине "Технология тепловой обработки материалов" для студентов гр. ТЕ02-12м (стр. 15 )

где  – плотность орошения, м³/(м²×ч);  – коэффициент, определяемый из опыта.

Для разных случаев  = 50-120 (Вт×ч)/(м³×К).

Линейная зависимость может использоваться в рабочих диапазонах изменения плотности орошения примерно до 20 м³/(м²×ч). При повышении величины плотности орошения свыше 20 м³/(м²×ч) значение a практически стабилизируется.

Теплоотдача в ЗВО на криволинейных установках протекает в более сложных условиях, чем на вертикальных. Дополнительная сложность состоит в том, что криволинейная грань меньшего радиуса "r" охлаждается водой, поступающей в основном сверху, а грань большего радиуса "R" охлаждается водой, поступающей снизу. Это создает разные условия вынужденного движения пленки воды вдоль охлаждаемых поверхностей противоположных криволинейных граней и может привести к различным коэффициентам теплоотдачи при одинаковых значениях плотности орошения: со стороны малого радиуса a выше.

Установлены опытные зависимости коэффициентов теплоотдачи от плотности орошения для криволинейных слитков:

;

.

При соблюдении равенства коэффициента теплоотдачи на противоположных сторонах криволинейного слитка получена зависимость между плотностью орошения для малого r и большого R радиусов:

.

Полученные результаты исследований часто не учитывают экранирующего действия конструкции поддерживающей системы зоны вторичного охлаждения, в частности, экранирования роликами (см. рис. 9.1) или брусьями, которые могут изменить гидродинамическую картину на охлаждаемой поверхности слитка.

Применяемые способы водяного охлаждения в зоне ЗВО отличаются интенсивностью и величиной коэффициента теплоотдачи a, Вт/(м²×К) (табл. 9.1).

Таблица 9.1 – Коэффициенты теплоотдачи при различных способах водяного охлаждения в зоне ЗВО

№	Способ водяного охлаждения	a, Вт/(м²×К)
1	Струйное охлаждение	2000-4000
2	Форсуночное жесткое	1000-1500
3	Ролико-форсуночное (смягченное)	300-500
4	Роликовое (мягкое)	200-300
5	Экранное	100-150

В зоне вторичного охлаждения требуется поддерживать интенсивность охлаждения на таком уровне, чтобы при заданной производительности температура поверхности удерживалась на уровне не ниже 900 °С, что способствует предотвращению появления трещин вблизи фронта кристаллизации, и одновременно были исключены резкие колебания температуры поверхности слитка. Управление отводом теплоты в зоне вторичного охлаждения может оказать значительное влияние на качество непрерывных слитков.

Струйное охлаждение обеспечивает самую высокую интенсивность охлаждения, при этом отвод теплоты в единицу времени в ЗВО больше, чем в кристаллизаторе. Так, при скорости разливки 0,5-0,8 м/мин в ЗВО Вт. Удельные расходы воды при струйном охлаждении могут превышать 10 л/кг. Однако, как показывают многочисленные результаты исследований, пропорциональное увеличение теплоотвода с ростом удельных расходов происходит примерно до g = 5,0 л/кг, а далее замедляется. Увеличение удельного расхода воды свыше 6,5-7 л/кг практически не влияет на величину теплоотвода. При изменении удельного расхода воды в пределах 2,5-5,0 л/кг величина Вт.

При интенсивности струйного охлаждения, когда a = 2500 Вт/(м²×К), в конце ЗВО температура поверхности может опуститься до  = 250-300 °С, что приводит к возникновению значительных термических напряжений и внутренних трещин.

Форсуночное жесткое охлаждение с удельными расходами воды более 1 л/кг также приводит к резкому охлаждению поверхности.

Опыты показывают, что для предупреждения образования внутренних трещин удельные расходы воды должны быть < 1 л/кг.

Ролико-форсуночное охлаждение обеспечивает более умеренную интенсивность охлаждения при g < 1 л/кг. Теплоотвод значительно снижается по сравнению со струйным охлаждением,  Вт. При a = 250-500 Вт/(м²×К) обеспечивается уровень  = 600-800 °С в конце зоны. Металл находится в зоне пластических деформаций, при этом улучшается качество слитка, снижается количество внутренних трещин, уменьшается искажение профиля заготовки.

Плотность орошения при ролико-форсуночном способе составляет 1,25-3,5 м³/(м²×ч).

При роликовом бесфорсуночном охлаждении часть воды попадает непосредственно на охлаждаемую поверхность, так что в чистом виде роликовое охлаждение осуществить практически трудно. Роликовый способ позволяет осуществить "мягкий" режим охлаждения слитка. Интенсивность роликового охлаждения в пределах плотности орошения от 3,0 до 10 м³/(м²×ч) изменяется мало. Это создает благоприятные условия для равномерности охлаждения слитка. Но, с другой стороны, при роликовом охлаждении невозможно обеспечить регулирования интенсивности охлаждения в широких пределах.

Экранное охлаждение по интенсивности эквивалентно охлаждению на воздухе в условиях свободной конвекции, что приводит к значительному разогреву поверхности слитка.

Основные способы охлаждения, которые применяются в настоящее время, можно разделить на следующие характерные режимы:

– охлаждение в пароводяной среде;

– в пузырчатом слое воды;

– водо-воздушное охлаждение;

– паро-воздушное охлаждение;

– охлаждение па воздухе.

При интенсивном водяном охлаждении в пароводяной среде на поверхности слитка скорость затвердевания несколько увеличивается, глубина жидкой фазы уменьшается. Но при этом на поверхности слитка возникает неравномерное распределение по периметру паровых пленок, что приводит к появлению резких градиентов температур и возникновению трещин.

Режимом, получившим широкое распространение, является охлаждение в пузырчатом слое воды, при котором одновременно с выравниванием температур происходит равномерное медленное охлаждение слитка. Такой режим обеспечивает наилучшее качество слитков различных профилей и марок сталей.

Водо-воздушное охлаждение, имеющее наибольшее распространение, обеспечивает изменение в широких пределах a = 250-500 Вт/(м²×К) и выше. Охлаждающая вода распыляется струями воздуха на мельчайшие частицы. Образующееся при этом облако воздушно-водяной эмульсии переносится с большой скоростью по поверхности слитка, что увеличивает зону охлаждения, повышает его равномерность и регулярность. Более 95 % частиц воды имеет размер < 100 мкм, создается водяной туман, объем которого в сравнении с обычным водяным охлаждением имеет большую величину. Поэтому, несмотря на меньшую концентрацию воды, достигается более интенсивное охлаждение заготовки, а колебания температуры поверхности при охлаждении водяным туманом примерно в 2 раза меньше. Более равномерное и интенсивное охлаждение обеспечивается преимущественно в результате отвода теплоты на испарение более мелких капель воды. Перепады температур на поверхности заготовки вместо 200 °С не превышают 50 °С и соответственно снижаются величины термических напряжений, вызывающих появление трещин. Повышение скорости воздушного потока и расхода воздуха при неизменном расходе воды увеличивает теплоотвод с поверхности слитка. Таким образом, водо-воздушное охлаждение позволяет благодаря выравниванию температур получать заготовки с меньшими дефектами и высокой температурой поверхности в конце ЗВО.

Паро-воздушное и воздушное охлаждение характеризуются низкой интенсивностью. Для газообразных охладителей a = 150-200 Вт/(м²×К) и ниже, что приводит к разогреву поверхности слитка и, следовательно, к снижению качества отливки.

В процессе освоения непрерывной разливки происходит последовательное снижение интенсивности теплоотдачи в зоне вторичного охлаждения.

Значительное уменьшение удельного расхода воды и соответственно интенсивности охлаждения, в свою очередь, увеличивает глубину жидкой лунки и необходимую длину зоны вторичного охлаждения. Кроме того при низкой интенсивности и a = 150 Вт/(м²×К) возникает осевая рыхлость в слитке. При интенсивности охлаждения, соответствующей a = 250-300 Вт/(м²×К) существенно улучшается макроструктура слитка, уменьшается осевая рыхлость и ликвация, снижается количество трещин и других дефектов.

По результатам многих исследований установлено, что скорость затвердевания слитков в ЗВО мало зависит от интенсивности вторичного охлаждения, а зависит, в основном, от толщины слитка. Увеличение a в 4 раза [от 500 до 2000 Вт/(м²×К)] приводит к сокращению длины жидкой фазы всего лишь на 15 %. Следовательно, иногда можно пренебречь влиянием a на затвердевание.