Ультразвуковой теплообменник для разливки металла
1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА, содержащий охлаждаемый корпус с двумя крышками, соосно установленные в нем охлаждаемый стакан, бандаж и по меньшей мере два кольцевых электромеханических преобразователя, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью упрощения процесса сборки и демонтажа, а также повышения КПД, бандаж вьтолнен составным из колец, установленных по высоте стакана встык между крышками корпуса и преобразователями и в проемах между преобразователями , причем высота кольца составляет
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
91989 А
0% (11) ЗСЮ В гг В 11/10
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ71 (21) 3392457/22-02 (22) 12.02.82 (46) 15.05.84. Бюл. 11 18 (72) А.В.Марков, Ю.С.Асташкин, В.И.Петухов, А.Г.Сучков, В.С.Соседов, А.И.Мазун, B .1 . . ТTа р а нH, Н.П. Кузин и Е.И.Кузин (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.Бардина (53) 621.746.27 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
9 540433,"кл. В 22 Р 11710; 1975.
2. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. M., 1972, с.95, рис. 42.
3. Авторское свидетельство СССР
Ф 597496, кл. В 22 D, 11/10, 1976. (54)(57) 1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕПЛООБ МЕННИК ДЛЯ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА, содержащий охлаждаемый корпус с двумя крышками, соосно установленные в нем охлаждаемый стакан, бандаж и по меньшей мере два кольцевых электромеханических преобразователя, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью упрощения процесса сборки и демонтажа, а также повьппения КПД, бандаж выполнен составным из колец, установленных по высоте стакана встык между крьппками корпуса и преобразователями и в проемах между преобразователями, причем высота кольца составляет (0,3-1) высоты преобразователя, а его толщина соответственно равна (5-10) Ы0/с, rpe h — высота кольца, о0 — резонансная частота колебательной системы, C — скорость звука в материале колец бандажа.
2. Теплообменник по п.1, о т л и - g 2 ч а ю шийся тем, что кольца бандажа и преобразователи выполнены с одинаковыми внутренними диаметрами.
3. Теплообменник по и.1, о т — Я
ЪФ лич ающийс я тем, что бандаж изготовлен из материала с коэффициен,том линейного расширения, равным коэффициенту линейного расширения материала преобразователя.
1091989
Изобретение относится к .металлургии, а именно к устройствам для обработки металла при непрерывной разливке.
Известно устройство для разливки 5 металла через охлаждаемый стакан, в котором,с целью устранения явления образования твердой корочки металла на внутренней поверхности стакана, на него воздействуют колебаниями, 10 получаемыми за счет электрических разрядов в жидкости, охлаждающей внешнюю поверхность стакана (1)
Однако известное устройство характеризуется значительной потерей энергии колебаний -при передаче ее из жидкости, охлаждающей стакан, в разливаемый металл, вследствие чего становится возможным "замораживание" проточного кайала стакана и воз- 0 действие развитой кавитации на внешнюю поверхность стакана, резко сокращающей срок его службы.
Использование колебаний, получаемых с помощью ультразвуковых преобразователей, позволяет повысить на— дежность в работе охлаждаемых стаканов и увеличить срок их службы.
Известен ультразвуковой теплообменник, в котором на внешней поверхности охлаждаемого стакана, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью, жестко закреплены два магнитострикционных ультразву35 ковых преобразователя кольцевого типа (2)
Недостатками этого ультразвукового теплообменника являются неравномерность излучения колебаний внутренней поверхностью проточного канала ста— кана по его высоте и нарушение акустического контакта между преобразователями и охлаждаемым стаканом в процессе работы теплообменника, снижающие эффективность ультразвукового воздействия на разливаемый металл.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является ультразвуко50 вой теплообменник, в котором, с целью обеспечения качественного акустического контакта и устранения неравномерности излучения колебаний, на внешней поверхности охлаждаемого стакана выполнены продольные пазы и жестко закреплен бандаж, на котором, в свою очередь, закреплены два электромеханических преобразователя кольце вого типа. В этом теплообменнике, включающем охлаждаемый корпус, выполненный в виде полого цилиндра с двумя крышками, бандаж изготовлен иэ титана, а охлаждаемый стакан — иэ ,меди (3)
Однако известный ультразвуковой теплообменник имеет ряд недостатков, обусловленных тем, что для увеличения изгибной жесткости колебательной системы, состоящей иэ. кольцевых пре— образователей, набранных из магнито-! стрикциоиных пластин, и охлаждаемого стакана, т.е. для обеспечения излучения стаканом только радиальных колебаний, а также для создания качественного акустического контакта между стаканом и бандажом, последним и каждым из преобразователей, бандаж выполнен в виде массивного полого цилиндра и с тугой посадкой закреплен на охлаждаемом стакане. Вследствие этого значительная часть акустической энергии, излучаемой преобразовате" лями, теряется при прохождении через бандаж (потери за счет поглощения) и через границы раздела между преобразователями и бандажом, бандажом и охлаждаемым стаканом (потери за счет рассеяния), вследствие чего эффективность работы ультразвукового теплообменника, т.е. его КПД резко снижается. Кроме того, сборку колебательной системы, в которую входит и бандаж, необходимо вести с использованием жидкого азота-(нагрев преобразователей, состоящих из склеенных между собой пластин, исключен) и прессового оборудования (материал бандажа имеет незначительный коэффициент линейного расширения) со специальным центрирующе-фиксирующими приспособлениями, а также демонтаж колебательной системы, обусловленный необходимостью замены охлаждаемого стакана в случае его поврежде" ния или полного износа, вследствие тугой посадки элементов колебательной системы, становится неосуществимым, таК как нарушается склейка плас.тин, и преобразователи разрушаются.
Цель изобретения — упрощение процесса сборки и демонтажа, повышение
КПД.
Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковом теплообменнике для разливки металлов, содержащем охлаждаемый корпус с двумя крышками, 1091989 соосно установленные в нем охлаждае.мый стакан, бандаж, и по меньшей мере два кольцевых электромеханических преобразователя, бандаж выполнен составным из колец, установленных по высоте стакана встык между крьппками корпуса и преобразователями и в проемах между преобразователями, причем высота кольца составляет (0,3-1) высоты преобразователя, а его толщина соответственно равна (5-10) Ъ |о /С, где h — высота кольца, 1О резонансная частота колебательной системы, С вЂ” скорость звука в материале колец бандажа. !5
При этом-кольца бандажа и преобразователи выполнены с одинаковыми внутренними диаметрами.
Кроме того, бандаж изготовлен из материала с коэффициентом линейного 20 расширения, равным коэффициенту линейного расширения материала преобразователя.
На фиг. I схематически представлен 25 ,предлагаемый ультразвуковой теплообменник, вертикальный разрез, на фиг.2 — разрез А-А на фиг. 1.
В ультразвуковом теплообменнике, устанавливаемом на кристаллизаторе 1 ЗО внутри охлаждаемого корпуса, состоящего из полого цилиндра 2 и двух кры::,шек 3 и 4 соответственно верхней, являющейся съемной, и нижней, приваренной к цилиндру 2, установлен охлаждаемый стакан 5, изготовленный из меди. На его внешнюю поверхность, на которой выполнены продольные пазы р
6 прямоугольного сечения, образующие ребра 7, одеты набранные из кольцевых пластин, изготовленных из сплава
К-65, электромеханические преобразователи 8-10, снабженные обмотками 11 возбуждения, и бандаж, выполненный в виде отдельных колец 12, изготовлен- 5 ных из стали 2Х!3. Кольца бандажа установлены по высоте охлаждаемого стакана 5 встык между преобразователями и между крайними преобразователями 8 и 10 и крышками 3 и 4 охлаждаемого корпуса, причем нижнее и верхнее кольца бандажа выполнены с отверстиями 13 и 14 соответственно для обеспечения прохождения охладителя по пазам 6 охлаждаемого стакана 5.
Количество отверстий в каждом из крайних колец бандажа соответствует чис-. лу пазов 6 в охлаждаемом стакане 5, что позволяет наиболее равномерно осуществлять распределение охладителя по поверхности стакана 5, обеспечивая тем самым стабильность в его работе с точки зрения теплоотвода. Для подачи охладителя в ультразвуковой теплообменник и его отвода в нижней крьппке 4 охлаждаемого корпуса выполнены каналы 15 и 16 соответственно, причем подающие каналы 15 объединены фигурной выточкой 17, равномерно распределяющей охладитель перед его прохождением через отверстия 13 нижнего кольца бандажа. Внутри охлаждаемого корпуса установлены два Г-образных обтекателя 18,обеспечивающие,с точки зрения охлаждения преобразователей,наиболее рациональное прохождение охладителя через его полость.В тело
-охлаждаемого стакана 5 сверху и снизу введены огнеупоры 19 и 20, верхний из .которых соединен с приемной воронкой .
2l, жестко закрепленной на крьпнке 3 посредством прижимной планки 22.
Герметизация ультразвукового теплообменника осуществлена посредством ряда прокладок (затушсваны).
Ультразвуковой теплообменник работает следующим образом.
Перед разливкой металла производится сборка теплообмнника, после которой в него через каналы 15 подают охладитель, например техническую воду
По каналам 15 вода поступает в фигурную выточку 17, а из нее через отверстия 13 нижнего кольца 12 бандажа — в продольные пазы 6 охлаждаемого стакана 5. Пройдя по ним и охладив поверхность стакана 5, вода через отверстия 14 верхнего кольца 12 бандажа поступает в охлаждаемый корпус и омывает поверхности преобразовартелей 8-10. Охладив преобразователи, вода через каналы 16 выходит из ультразвукового теплообменника.
После запитки ультразвукового теплообменника водой с помощью газовой горелки начинают прогрев огнеупоров
l9 и 20 и приемной воронки 2!. Одновременно с их прогревом происходит и разогрев стакана 5, который осуществляется за счет прохождения продуктов сгорания через его канал. Вследствие того, что охлаждаемый стакан изготовлен из меди, характеризующейся большим коэффициентом линейного расширения (16,6 х 10 град 1 ), разогрев стакана приводит к увеличе» нию его внешнего диаметра на 1001О91989
l 50 мк. При этом, в силу того, что коэффициенты линейного расширения материалов колец бандажа (сталь 2Х13) и материала преобразователей(сплав
К-65)близки между собой (10»7 х х 10 град ) и примерно в 1,6 раза ниже чем у материала охлажцаемого стакана, а их внутренние диаметры толь,ко на 30-40 мк превышают внешний диа— метр с гакана до начала его прогрева (скользящая посадка),реализуется тугая посадка преобразователей 8-10 и колец бандажа 12 на охлаждаемый стакан
5, чем и обеспечивается надежный акус. тический контакт и изгибная жесткость 15 колебательной системы.
После прогрева огнеупоров, приемной воронки и охлаждаемого стакана на обмотку 13 -возбуждения преобразователей 8 — 19 подают переменное 2б напряжение резонансной частоты. Под воздействием магнитного поля они воз. буждаются и начинают совершать радиальные осесимметричные колебания, которые передаются охлаждаемому стакану 5.
После наезда разливочного ковша
23 открывают его стопорный затвор
24 и начинают разливку металла 25, 30 например углеродистой стали 45, в кристаллизатор 1, имеющий сечение, равное, например, 250х360. При этом жидкий металл 25 с температурой
1520-1530 С попадает в приемную
0 воронку 21 и через огнеупорный стакан 19 поступает в проточный канал охлаждаемого стакана 5, где он охлаждается и обрабатывается ультразвуковыми колебаниями.
В результате охлаждения металла на стенке проточного канала стакана
5 образуется тонкая корочка металла.
Под воздействием ультразвуковых колебаний стенок стакана 5 корочка раз рушается, а в жидкой фазе обрабатываемого металла интенсифицируется перемешивание. В силу этого увеличивается общий теплосъем от расплавленного металла. Одновременно с этим металл, имеющий на выходе из ультра- 11 звукового теплообменника температуру 1500 С, обогащается частичками
0 твердой фазы — разрушенной корочки металла, которые сносятся струей жидкого металла, и поступает в крис- 55 таллиэатор 1, в котором затвердевает.
Весовой расход жидкой стали через проточный канал охлаждаемого стакана. при его диаметре в 25 мм составляет
l5-20 т/ч, а скорость вытягивания слитка 0,4-0,5 M/мин.
После окончания разливки прекращают возбуждение преобразователей и подачу охладителя как в ультразвуковой теплообменник, так и в кристаллизатор.
В предлагаемом теплообменнике кольца бандажа выполнены с высотой 11 и толщиной 0 к соответственно, равными H„- 0,3 Няи 5 hing /С, где Нп— высота преобразователя, 1о -резонансная частота колебательной системы, Гц, С вЂ” скорость звука в материале колец м/с.
Экспериментально установлено, что уменьшение высоты кольца меньше указанного нижнего предела, ухудшает условия охлаждения преобразователей, а следовательно, уменьшает эффективность их работы и снижает общий тепловой поток от расплавленного металла.
Выполнение колец с высотой, большей укаэанного верхнего предела, приводит к снижению жесткости самих колец и колебательной системы в целом и к возможности возбуждения непредусмотренных изгибных типов колебаний стакана 5, что также снижает эффективность работы колебательной системы °
Выполнение колец толщиной меньше указанного нижнего предела, приводит к изгибным ультразвуковым колебаниям, а с толщиной -большей указанного верхнего предела — к затруднению отвода от поверхности охлаждаемого стакана.
В ультразвуковом теплообменнике, работающем на частоте 19,5 кГц, при толщине пакета преобразователя 20 мм, являющейся наиболее эффективной при работе на охлаждаемый стакан с вышеуказанным размером, оптимальная высота колец равна 12 мм, а толщина
3 мм.
Выполнение колец бандажа и преобразователей с одинаковыми внутренними диаметрами и из материалов, обладающих равными коэффициентами линейного расширения (оптимальный вариант их выполнения), обеспечивает им в процессе работы ультразвукового теплообменника качественный, т.е. одинаковый по величине возникающих усилий, контакт с поверхностью охлаждаемого стакана при соответствующем внешнем
1091989 диаметре последнего (скользящая посадка) .Однако в практической деятельности вьппеуказанного равенства добиться очень трудно, в. связи с чем за основополагающий фактор при изго- 5 товлении ультразвукового теплообменни. ка предлагаемой конструкции следует принимать материал преобразователя и его внутренний диаметр, учитывая их при расчете внутреннего диаметра колец бандажа и принимая во внимание то обстоятельство, что более тугая посадка колец бандажа на охлаждае; мый стакан в сравнении с посадкой на него преобразователей является наиболее целесообразной с акустической точки зрения, нежели обратная.
Изготовление ультразвукового теплообменника без соблюдения условий, касающихся соответствия между собой внутренних диаметров колец бандажа и преобразователей и коэффициентов линейного расширения их материалов, а также выполнение их с диаметрами, не отвечающими требованиям скользящей посадки на водоохлаждаемый стакан, не обеспечивает качественного контакта между звеньями колебательной системы,и, следовательно, КПД . ультразвукового теплообменника не З0 увеличивается.
Для определения оптимальных размеров колец бандажа, а также для оценки КПД предлагаемого и известного теплообменников, были приведены 35 экспериментальные исследования, результаты которых представлены в таблице. Ультразвуковые теплообменники содержали по два кольцевых маг нитострикционных преобразователя, 40 изготовленных из сплава К-65 и имею-. щих высоту пакета, равную 25 мм; водоохлаждаемые медные стаканы высотой от 80 до 155 мм с внешним и внутренним диаметрами, соответствен- 45 но равными 60 мм и 25 мм.
Ультразвуковой теплообменник бып опробован в условиях НПО "Тулачермет" при непрерывной разливке стали марки
ШХ15.
Сопоставительный анализ известного и предлагаемого ультразвуковых теплообменников показывает значительные преимущества последнего. Так, напри— мер, непосредственное расположение преобразователей на поверхности охлаждаемого стакана позволяет сократить потери ультразвуковой энергии при ее передаче в объект обработки и тем самым повысить КПД колебательной системы при сохранении ее высокой иэгибной прочности. Вместе с этим повьппению КПД способствует тпкже и то, что внутри полого корпуса установлены à †образн обтекатели, позволяющие улучшить охлаждение преобразователей и тем самьвч повысить их КПД, а следовательно, и КПД всего ультразвукового теплообменника.
Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить электроакусти-ческий КПД известного теплообменника при работе на расплавленный металл примерно в 2 раза с 10-11 до
20-217. и за счет этого значительно улучшить качество литого металла.
Кроме того конструкция предлагаемого теплообменника, вследствие выполнения колец бандажа и преобразователей с внутренним диаметром, обеспечивающим скользящую посадку 1 на охлаждаемый стакан,в значительной степени облегчает его монтаж,позволяя отказаться от использования специальных приспособлений,а демонтаж позволяет производить без разрушения преобразователей.При этом использование стали для изготовления бандажа вместо дефицитного титана позволяет снизить .стоимость ультразвукового теплообмен" ника Ожидаемый экономический эффект от использования одного ультразвукового теплообменника предлагаемой . конструкции при разливке углеродистых сталей может составить не менее
50000 руб. в год.!
1091989
Ю
Б андаж
К-во
Высота стакан
Теплообменник
Высота кольца, Толщина кольца границ мм формула
| мм формула раздела
20 - Радиально- 2 10-11 иэгибные
80
155
155
Предлагае- 80 мый
Радиальноизгибные
ll0
3 бЬЕ tC Радиальные 1
125
140
25 Нп
155
10
0,5
Р ади ал ьноизгибные
Радиальные 2 1
Предлагаемый ll0 3
12з 0 4Н
Радиальные
18! 0 10Я„ С Радиально-. иэгибные
I1!
Известный
Количество колец
10 О,ЗИ
I
2 5hfîjC
3. Тип колебаний
ll
Ig
20
20
1091939
1091989
Составитель В.Балашов
Редактор С.Лисина Техред А.Ач
Корректор О.Тигор
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Заказ 3174/7 Тираж 775 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
