Конспект лекций по дисциплине "Технология тепловой обработки материалов" для студентов гр. ТЕ02-12м (стр. 9 )

4) блочные толстостенные со сверленными цилиндрическими каналами.

Тонкостенные сборные кристаллизаторы первого типа широко применяются у нас в стране и за рубежом. Кристаллизатор собирается из четырех отдельных стенок, каждая из которых состоит из рабочей медной и опорной стальной (или чугунной) плит, соединенных между собой шпильками. Толщина рабочей медной плиты изменяется в пределах 10-25 мм. Щелевые каналы прямоугольного сечения для прохода охлаждающей воды выполняются или в медных рабочих пластинах или в стальном корпусе (рис. 6.2); толщина каналов ~ 5 мм. Стенки кристаллизатора либо собираются в особом корпусе, либо соединяются между собой с помощью специальных стяжек и болтов. Кристаллизаторы этого типа находят широкое применение для сортовых отливок.

Рис. 6.2 – Схемы каналов для охлаждающей воды в стенках тонкостенного кристаллизатора с прямоугольными каналами

Преимущества тонкостенных кристаллизаторов: они обладают высоким теплоотбором от слитка, простотой изготовления и невысоким расходом меди на 1 т разливаемой стали. Медные пластины являются сменными, заменяются после 2-3 прострожек (прострожка – снятие тонкого слоя отработанной меди для выравнивания поверхности пластины), а остальные детали используются длительное время.

К недостаткам тонкостенных кристаллизаторов можно отнести невысокую стойкость из-за сравнительно быстрого истирания углов, нарушения плотности сочленения стенок в углах, сложность сборки.

Толстостенные сборные кристаллизаторы изготавливают из четырех отдельных стенок или из двух гнутых П-образных половин, жестко соединяемых по узким гранями и со стальным корпусом. Толщина медных стенок составляет 50-60 мм, сверленные каналы диаметром 20 мм выполняются вертикально вдоль стен с шагом 45 мм (рис. 6.3). Расстояние водоохлаждаемого канала до рабочей поверхности составляет ~ 15-20 мм.

Рис. 6.3 – Схемы каналов для охлаждающей воды в стенках толстостенного кристаллизатора со сверленными цилиндрическими каналами

Преимущества толстостенных кристаллизаторов со сверлеными каналами для охлаждающей воды: повышенная равномерность теплоотвода от корочки в начальный момент затвердевания; высокая стойкость (в 2-3 раза выше, чем тонкостенных); малое искажение профиля слитка при увеличении скорости разливки.

Основным недостатком толстостенных кристаллизаторов является повышенный расход меди, а также истирание углов и нарушение сплошности стыков в углах.

Блочные толстостенные кристаллизаторы не нашли широкого применения. Их иногда применяются для отливки сортовых заготовок. Они изготавливаются из цельного медного блока. Стойкость блочных кристаллизаторов не выше, чем сборных, а основными недостатками являются сложность изготовления и высокий расход меди.

Гильзовые кристаллизаторы имеют широкое применение для отливки сортовых заготовок до размера 200 х 200 мм.

Каждый из перечисленных типов кристаллизаторов имеет свою специфику и характерную область применения. Так, для плоских (прямоугольных) заготовок применяются, в основном, сборные кристаллизаторы. Для квадратных заготовок – сборные и гильзовые. Для отливки круглых заготовок применяются кристаллизаторы из цельнотянутых труб (гильз). В машинах криволинейного типа для отливки крупных слябов применяются, как правило, сборные толстостенные кристаллизаторы.

В зависимости от конструкций МНЛЗ различают прямолинейный (в основном, для вертикальных МНЛЗ) и радиальный (для радиальных и криволинейных машин) кристаллизаторы.

В радиальном кристаллизаторе медные плиты образуют внутреннюю рабочую полость, кривизна которой соответствует радиусу технологической оси МНЛЗ. Сверления для охлаждающей воды выполняются в медных плитах до их изгиба по заданному радиусу. Медные плиты, являющиеся узкими сторонами кристаллизатора, зажаты между листами, которые образуют широкие стороны.

Сортовые заготовки часто разливают в кристаллизаторы с параллельными стенками, иногда делают прямую конусность (т. е. с постепенным расширением сечения кристаллизатора по ходу движения слитка) для уменьшения трения и улучшения качества поверхности. При разливке в крупные заготовки с толщиной ~ 300 мм используют кристаллизаторы с обратной конусностью (~ 1 %). При отливке крупных слитков с целью повышения эффективности работы нижней части кристаллизатора и предохранения от прорывов применяют сборные кристаллизаторы с поджатием узких граней. С этой же целью применяются кристаллизаторы с обратной конусностью.

Иногда применяются кристаллизаторы с раздвижными стенками, где имеются возможности для быстрого изменения сечения кристаллизатора.

Внутренние размеры кристаллизатора соответствуют заданному сечению слитка. Форма сечения кристаллизатора в зависимости от требуемой заготовки может быть прямоугольной, квадратной, круглой, фасонной.

Материал рабочих стенок кристаллизатора должен обладать прежде всего высокой теплопроводностью, а с другой стороны иметь достаточно высокие механические свойства для уменьшения износа. В большинстве случаев внутренние рабочие стенки кристаллизатора, непосредственно соприкасающиеся с жидкой сталью, изготавливают из красной меди, к чистоте которой предъявляют особые требования. Чем чище медь, тем выше ее теплопроводность, но ниже твердость, поэтому медные стенки сравнительно быстро истираются (изнашиваются). Следствием недостаточной твердости меди является также высокий коэффициент трения между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора. Для снижения трения о стенки используют различные сплавы на основе меди и применяют улучшающие покрытия.

Внешние стенки корпуса кристаллизатора представляют собой жесткую раму. Они изготавливаются из чугуна или стали для придания корпусу необходимой прочности и сохранения профиля.

6.3 Выбор длины кристаллизатора

Длина кристаллизатора зависит от сечения разливаемых слитков и в общем случае может изменяться от 300 до 1500 мм. Для заготовок мелких сечений иногда применяются кристаллизаторы длиной до 100 мм, при отливке заготовок крупных сечений применяются кристаллизаторы длиной от 500 мм до 1100-1200 мм.

Возможность применения коротких кристаллизаторов теоретически обосновывается тем, что корка должна затвердевать лишь такой толщины, которая обеспечит достаточную прочность оболочки слитка. Минимально допустимая толщина корочки на выходе из кристаллизатора в зависимости от сечения заготовки составляет 10-25 мм. Такую толщину корки можно получить при разливке через кристаллизатор длиной менее 1000 мм. Преимуществами таких кристаллизаторов являются простота изготовления и меньший расход меди.

Опыт эксплуатации современных МНЛЗ показал, что надежная и стабильная работа при удовлетворительном качестве может обеспечиваться с кристаллизатором длиной 800-1000 мм.

При возникновении зазора между слитком и стенкой кристаллизатора и неравномерном по периметру затвердевании слитка создается опасность прорывов.

На практике часто возникают осложнения при снижении уровня металла в кристаллизаторе и др., поэтому при работе с короткими кристаллизаторами необходимо строгое выполнение режима разливки.

Лекція 12

Теплообмін в кристалізаторі

План лекції: Теплові умови формування твердої скориночки злитка в кристалізаторі. Термічні опори при передачі теплоти від рідкого металу до води, що охолоджує.

7 ТЕПЛООБМЕН В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ

7.1 Тепловые условия формирования твердой корочки слитка в кристаллизаторе

Кристаллизатор выполняет две основные функции: формообразователя и теплообменного аппарата. В нем отводится до 20-25 % всей теплоты слитка.

В кристаллизаторе начинается формирование твердой корочки слитка, поэтому возможность возникновения различных дефектов и допустимая скорость разливки во многом зависят от условий кристаллизации и процессов теплообмена между жидким металлом и стенками кристаллизатора.

Тепловой режим кристаллизатора должен обеспечить:

– толщину твердой корочки слитка на выходе достаточной для предотвращения возможности прорыва металла;

– отсутствие опасных напряжений по сечению корочки, которые могли бы привести к появлению трещин.

Толщина корочки слитка x на выходе из кристаллизатора зависит от скорости разливки, физических свойств стали и длины кристаллизатора. При повышении скорости разливки толщина корочки слитка на выходе из кристаллизатора уменьшается, а тепловой поток при этом возрастает. Имеется эмпирическая зависимость для оценки толщины корочки:

, [м]

где q – плотность теплового потока, МВт/м²; v – скорость разливки, м/мин;  – длина кристаллизатора, м; 11,5 – опытный коэффициент.

Например, при q = 0,85 МВт/м² (среднее значение плотности теплового потока в современных кристаллизаторах), v = 5 м/мин, = 1,1 м толщина корочки на выходе из кристаллизатора составит x = 0,01626 м » 16 мм.

На базе аналитического решения классической задачи Стефана при постоянной температуре поверхности было получено уравнение квадратного корня, которое связывает толщину корочки x со временем t:

, [м]

где k ‑ коэффициент затвердевания, величина которого для разных сталей может изменяться в пределах ; t – время, мин. Эта зависимость может использоваться для примерных расчетов при условии, что температура поверхности слитка в пределах кристаллизатора изменяется незначительно.

Например, при условиях предыдущего примера: v = 5 м/мин, = 1,1 м, сначала найдем время нахождения слитка в кристаллизаторе t = / v = 1,1 / 5 = 0,22 мин = 13,2 с. Далее, приняв k = , определим толщину корочки на выходе из кристаллизатора = 0,0129 м » 13 мм.