Конспект лекций по дисциплине "Технология тепловой обработки материалов" для студентов гр. ТЕ02-12м (стр. 16 )

Последним этапом реализации выбранного оптимального режима охлаждения является выбор и расстановка форсунок или других устройств для подачи охладителя в ЗВО. Этим шагом добиваются максимального приближения действительного распределения плотности орошения к заданному.

9.5 Охлаждение слитка на воздухе после ЗВО

В конце зоны вторичного охлаждения прекращается принудительное водяное охлаждение. Эта область характеризуется свободным охлаждением слитка на воздухе. При выходе из зоны принудительного вторичного охлаждения непрерывный слиток на воздухе продолжает охлаждаться за счет излучения и свободной конвекции. Как показывают опыты, основное количество теплоты отводится от слитка за счет излучения в окружающее пространство и лишь незначительная часть теплоты передается за счет свободной конвекции, а также теплопроводностью в ролики по механизму контактного теплообмена. Плотность теплового потока (Вт/м²) при охлаждении на воздухе определится по формуле

,

где  – степень черноты металла; ,  – температура поверхности слитка и окружающего воздуха, К;  – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м²×К).

Формулу для расчета величины плотности теплового потока можно представить в виде:

,

где суммарный коэффициент теплоотдачи, учитывающий передачу теплоты излучением и конвекцией, определяется как

.

Здесь

,

а для свободной конвекции может определяться из критериальной зависимости типа .

Величина суммарного коэффициента теплоотдачи в зоне воздушного охлаждения может быть определена экспериментально с помощью формулы:

.

В таблице 9.2 приведены значения суммарного коэффициента теплоотдачи при свободном охлаждении слитка на воздухе в зависимости от температуры поверхности слитка.

Таблица 9.2 – Суммарный коэффициент теплоотдачи при свободном охлаждении слитка на воздухе

Температура поверхности слитка – , °С	500	700	800	900	1000	1100
Коэффициент теплоотдачи – , Вт/(м²×К)	38	57	72	97	120	150

В случае вынужденной конвекции коэффициент теплоотдачи может определяться по эмпирическим зависимостям:

при  ≤ 5 м/с;

при  > 5 м/с,

где  – скорость вынужденного движения воздуха вдоль поверхности слитка, м/с.

Лекція 18

Теплофізичні основи твердіння металів

План лекції: Твердіння і кристалізація в процесі безперервного розливання металів. Теплофізичні властивості сталі, температури ліквідус і солідус, теплота кристалізації. Швидкість твердіння. Довжина рідкої фази, загальна висота і протяжність технологічної лінії МБЛЗ. Напружений стан злитка.

10 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

10.1 Затвердевание и кристаллизация в процессе непрерывной разливки металлов

Затвердевание металлов или сплавов – это процесс перехода из жидкого состояния в твердое, проходящий за счет охлаждения, т. е. отвода теплоты от формирующегося слитка.

Формирование непрерывного слитка является процессом, состоящим из целого ряда различных явлений, взаимодействующих друг с другом. Формирующийся слиток можно считать гетерогенной системой, для которой в общем случае характерно наличие двух фаз – жидкой и твердой, разделенных переходной двухфазной зоной.

В двухфазной зоне в жидком расплаве имеются растущие кристаллы – это зона кристаллизации. Здесь протекают взаимосвязанные процессы тепломассопереноса, вязкого течения расплава и другие в условиях неоднородности поля температур и давлений. Эти сложные физико-химические процессы в конечном счете определяют качество непрерывных слитков.

Математическая модель кристаллизации непрерывного слитка рассматривается как система уравнений, описывающих тепловые, диффузионные и гидродинамические процессы. Однако полная система уравнений получается сложной и трудно применимой для практических инженерных расчетов.

На практике используют упрощенные варианты этой модели, основанные на описании тепловых процессов при формировании слитка. Формирование слитка обусловлено совместным протеканием процессов затвердевания и кристаллизации, которые являются двумя неразрывными сторонами сложного процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизацией называется процесс формирования структуры металла с учетом всех сопровождающих его явлений. Под затвердеванием понимают процессы теплопереноса в условиях фазового превращения. В любой момент затвердевание и кристаллизация характеризуются одной и той же скоростью протекания, но роль их в процессе перехода из жидкого в твердое состояние неодинакова. Процесс кристаллизации связан с условиями возникновения и роста кристаллических зародышей, а процесс затвердевания определяет окончательное формирование твердой фазы слитка.

Таким образом, теплоперенос в условиях фазового превращения определяет обе стороны процесса перехода металла из жидкого в твердое состояние. Тепловые условия в слитке (в частности, температурное поле слитка) являются главными факторами.

10.2 Теплофизические свойства стали, температуры ликвидус и солидус, теплота кристаллизации

Процесс затвердевания непрерывного слитка, связанный с теплоотводом, определяется теплофизическими свойствами металла: теплопроводностью (), удельной теплоемкостью () и скрытой теплотой кристаллизации (или теплотой фазового превращения) (). Скрытая теплота кристаллизации физически соответствует энергии, которую необходимо отвести от металла при переходе от неупорядоченной структуры жидкости к упорядоченной кристаллической структуре твердой фазы. При этом энергия тепловых колебаний атомов не изменяется, что и соответствует постоянству температуры при этом переходе.

Затвердевание сплавов, к которым относится и сплав железа с углеродом, проходит в интервале температур ликвидуса () и солидуса (). Эти температуры для равновесного состояния определяются диаграммой состояния сплавов железо-углерод.

Скрытая теплота кристаллизации сталей выделяется в пределах двухфазной зоны в интервале (). Численная величина зависит от природы сплава и его химического состава. В общем для сталей изменяется в пределах 240-360 кДж/кг, а для большинства сталей, разливаемых непрерывным способом, она может характеризоваться средним значением, т. е.  = 270 кДж/кг.

10.3 Скорость затвердевания. Длина жидкой фазы, общая высота и протяженность технологической линии МНЛЗ

Стремление интенсифицировать процесс непрерывной разливки стали наталкивается на трудности, связанные с ограничением скорости затвердевания.

На основании опытов установлено, что при непрерывной разливке стали в кристаллизаторе в течение первых 5 с затвердевание идет при максимальном отводе теплоты. Плотность теплового потока изменяется от 4,5 до 1,16 МВт/м², а скорость затвердевания изменяется в пределах от 120-200 до 50 мм/мин. В условиях криволинейных МНЛЗ максимальная скорость кристаллизации составляет 60-66 мм/мин.

В начальный период разливки средняя скорость затвердевания в кристаллизаторе при увеличении толщины слитка не изменяется. Существенное влияние на скорость затвердевания оказывают соотношения поверхности, объема заготовки и сторон.

В зоне вторичного охлаждения основную долю в теплоотводе составляет теплота, отводимая от твердой корки слитка. Скорость затвердевания не зависит или мало зависит от интенсивности охлаждения, а зависит, в основном, от толщины слитка. Величины скорости затвердевания в ЗВО для слитков разной толщины изменяются от 7-12 до 12-16 мм/мин; средняя скорость кристаллизации для круглых слитков составляет 9-10 мм/мин.