Установка для непрерывной разливки металла

 

Изобретение относится к металлургии и предназначено для получения непрерывнолитых заготовок. Технический эффект - создание высокопроизводительного и безотходного процесса получения непрерывнолитых заготовок. Установка для непрерывной разливки металла содержит в верхней части двух наклонных граней кристаллизатора щелевые сопла, коллектор с патрубком для подвода горячей жидкости и защитный экран. Оси выходных отверстий сопел установлены параллельно наклонной поверхности грани, а количество сопел n, расположенных на одном коллекторе, площадь поперечного сечения патрубка для подвода жидкости F₀ и сопла F₁, длина поперечного сечения выходного отверстия сопла 2b₀ и его ширина m, расстояние между крайними кромками сопел L связаны следующими зависимостями: F₀ = F₁ · n, 2b₀/m = 4 - 6, L = 0,44 · (x - 2,23b₀), где: x - расстояние от отверстия сопла вдоль его оси до точки пересечения струй, n = 2 - 10. 2 ил.

Изобретение относится к металлургии, а именно к непрерывной разливке металлов в водоохлаждаемые кристаллизаторы.

Известно устройство для непрерывной разливки металла, выбранное в качестве прототипа предлагаемой установки, содержащее разливочный ковш, сборный кристаллизатор с рабочими гранями, внутри которых просверлены сквозные каналы для прохода охлаждающей воды, вмонтированные на различных уровнях от верха кристаллизатора термопары и систему автоматического контроля температуры поверхности [1].

Недостатки известного устройства для непрерывной разливки металла заключаются в наличии только вертикальных, неподвижных в процессе работы друг относительно друга граней кристаллизатора, в результате чего усложняется разогрев наружной поверхности граней горячей жидкостью (водой). При этом не обеспечивается эффективный теплообмен поверхностей с жидкостью, что обуславливает нерациональный ее расход. Кроме того, разогрев холодного кристаллизатора на практике заливаемым жидким металлом приводит к переводу головной части образующейся заготовка длиной l = (0,3 - 0,5)H в брак (H - высота кристаллизатора).

Предлагаемая установка для непрерывной разливки металла направлена на создание высокопроизводительного и безотходного процесса получения непрерывнолитых заготовок.

Технический результат, получаемый при использовании установки, заключается в следующем: 1. Повышение надежности работы и срока службы кристаллизатора; 2. Повышение производительности процесса получения непрерывнолитых заготовок; 3. Повышение выхода годного металла.

Установка характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: разливочный ковш со стаканом; кристаллизатор с рабочими гранями; канал для прохода охлаждающей воды; термопары для измерения температуры поверхности; система автоматического контроля температуры поверхности.

Отличительные признаки: щелевые сопла и коллектор для подвода горячей жидкости; защитный экран; количество сопл n = 2 - 10, площадь поперечного сечения патрубка для подвода горячей жидкости F₀ и сопла F₁, длина поперечного сечения сопла 2b₀ и его ширина m, расстояние между крайними кромками сопл L, связаны следующими зависимостями: F₀ = F₁·n, 2b₀m = 4 - 6, L = 0,44(x - 2,23b₀), где x - расстояние от отверстия сопла вдоль его оси до точки пересечения струй.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков предлагаемой установки и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Теплообмен горячей жидкости с поверхностью наклонной грани определяется равномерностью потока жидкости и ее скоростью. Увеличение толщины слоя жидкости на поверхности грани практически не отражается на увеличении теплообмена и приводит к неэффективному расходу греющей среды. Для интенсивного прогрева кристаллизатора используются плоская струя /3/, обеспечивающая увеличение поверхности контакта жидкости и высокие значения скоростей с гранью по сравнению с круглой струей. При этом струя меньше подвержена распаду.

Скорость жидкости на основном участке плоской струи определяется по выражению /2/ U_x= U_m(1-3η²+2η³) (1) где U_m - скорость на оси струи, η = y/b - параметр, Y - координата перпендикулярная оси струи, b - граница струи на расстоянии x от выходного отверстия, определяемая по выражению b = 0,22 (x + x₀), x₀ = 2,3b₀ - полюсное расстояние, 2b - длина выходного отверстия. Скорость на оси струи U_m связана с начальной скоростью истечения жидкости из отверстия U₀ выражением . Длина начального участка I_н, на котором сохраняется максимальное значение скорости U₀, связана с длиной отверстия зависимостью I_н = 10b₀.

Для проектируемой установки толщина рабочей грани C может колебаться в широких пределах C = 30 - 500 мм. С увеличением толщины грани C количество сопл n, необходимых для обогрева, увеличивается. Оптимальное количество сопл для обогрева кристаллизатора равняется n = 2 - 10.

Увеличение количества сопл n > 10 приводит к увеличению сопротивления истекающей жидкости, что вызывает необходимость увеличения давления в коллекторе и приводит к увеличению трудоемкости изготовления устройства. Уменьшение количества сопл n < 2 приводит к разрушению истекающих струй в точке встречи их фронтов, а соответственно к неравномерности прогрева граней. Кроме того, увеличивается разбрызгивание струй за счет больших скоростей жидкости.

При длине сопла 2b₀ и его ширине m соотношение 2b₀/m = 4 - 6. Увеличение отношения 2b₀/m > 6 приводит к увеличению сопротивления истекающей струи из отверстия сопла. Уменьшение 2b₀/m < 4 приводит к неэффективному расходу горячей жидкости и неравномерности прогрева граней кристаллизатора.

Наличие защитных экранов по всей длине наклонных граней исключает разбрызгивание горячей жидкости и ее охлаждение при соприкосновении с окружающим воздухом. Кроме того, увеличивается давление жидкости на поверхность наклонной грани за счет увеличения сплошности струи и исключения ее распада при течении между двумя поверхностями.

Расположение осей выходных отверстий сопл параллельно поверхностям наклонных граней обеспечивает достижение максимальных значений скоростей греющей жидкости в пограничном слое стенки за счет развития настильных струй /3/. При этом увеличивается значение коэффициента теплоотдачи жидкости и количество передаваемого стенке тепла.

Выполнение равенства площади поперечного сечения патрубка для подвода жидкости в коллектор F₀ сумме площадей выходных отверстий сопл F₀ = F₁·n обеспечивает соблюдение равенства расхода горячей жидкости подводимой в коллектор и истекающей из сопл.

Необходимое расстояние между соплами L выбирается из расчета параметров струй, обеспечивающего возможность развития струи и реализации запасенной в ней энергии, достижение на границе струй скорости U_x = (0,3 - 0,5) U_m, где U_x - скорость на оси струи на расстоянии x от отверстия сопла. Необходимость достижения скорости на границе встречных струй в т. А значений U_x = (0,3 - 0,5) U_m вытекает из следующих соображений. Уменьшение скорости U_x < 0,3U_m приводит к существенной неравномерности поля скоростей горячей жидкости по поверхности наклонной грани, а соответственно к ее неравномерному разогреву, что следует из выражений теплообмена /2/.

Nu = 0,332Re^0,5Pr^0,33 (Pr/Pr_c)^0,25 где Nu = αx/λ - критерий Нуссельта, Re = U_xx/ν - критерий Рейнольдса, Pr - критерий Прандтля, α - коэффициент теплоотдачи греющей жидкости, λ и ν - соответственно коэффициенты теплопроводности и кинематической вязкости жидкости.

Как следует из выражения (2), неравномерное поле скоростей U_x на поверхности грани приводит к неравномерным значениям коэффициента теплоотдачи α греющей жидкости и как результат к различному количеству подводимого к граням тепла и различным ее температурам. Сказанное поясняется выражением q = α(t_г-t_п), (3)
где g - плотность теплового потока от жидкости поверхности грани, t_r и t_n - соответственно температура жидкости и поверхности грани.

Увеличение значения скорости U_x > 0,5U_m приводит к разрушению струй в т. А их встречи на фиг. 2. При этом возможен отрыв жидкости от поверхности грани кристаллизатора, а соответственно ухудшается ее разогрев. Кроме того, увеличивается расход горячей жидкости и возрастает неравномерность поля скоростей и температур поверхностей граней кристаллизатора.

Необходимое расстояние между кромками выходных отверстий сопл при их установке в коллекторе L = 0,44 (x - 2,23b₀), обеспечивающее значение скорости U_x = (0,3 - 0,5) U_m, получается из следующих соображений на фиг. 2. При границе фронта каждой струи в т.А, равном значению B, и длине отверстия сопла 2b₀ необходимое расстояние L между кромками выходных отверстий равняется L = 2(b - b₀). После постановки в приведенное выражение значений b = 0,22 (x - x₀) и X₀ = 2,3b₀ получаем L = 0,44(x - 2,23b₀).

На фиг. 1 и 2 приведен внешний вид установки.

Установка для непрерывной разливки металла на фиг. 1 и 2 состоит из защитных экранов 1, коллекторов 2 с щелевыми соплами 4 и патрубками 3 для подвода горячей жидкости, кристаллизатора 5 с вертикальными 8 и наклонными 9 гранями, водоохлаждаемых каналов 6, термопар 7.

Перед прогревом кристаллизатора 5 наклонные грани 9 сводятся навстречу друг другу до установления минимального расстояния α между вертикальными участками. Защитные экраны 1 устанавливаются параллельно наклонным поверхностям граней 9. Включается подача холодной воды в каналы 6.

Открывают кран, и горячая жидкость через патрубки 3 поступает в коллектор 2, откуда истекает через сопла 4 в рабочее пространство, ограниченное поверхностями вертикальных 8 и наклонных граней 9 кристаллизатора 5, а также защитных экранов 1. С помощью сигналов, получаемых от термопар 7 и системы автоматического контроля температуры поверхности, обеспечивается заданный режим разогрева кристаллизатора. При достижении максимальной температуры поверхностей граней 9 разогрев кристаллизатора заканчивается. После этого выключают подачу горячей жидкости и приступают к разливке металла.

Прогрев рабочих поверхностей кристаллизатора горячей жидкостью уменьшает время его выхода на стационарный (установившийся) режим работы, повышает качество поверхности и внутренней структуры головной части получаемой заготовки. Кроме этого, повышается срок службы граней и надежность работы кристаллизатора за счет "мягкого" режима разогрева рабочих поверхностей при минимальном перепаде температур по толщине стенки по сравнению с его разогревом разливаемым металлом.

Формула изобретения

Установка для непрерывной разливки металла, содержащая разливочный ковш со стаканом, кристаллизатор с рабочими гранями, внутри которых просверлены каналы для прохода охлаждающей воды и вмонтирована термопара, и систему автоматического контроля температуры поверхности кристаллизатора, отличающаяся тем, что в верхней части двух наклонных граней кристаллизатора расположены щелевые сопла, коллектор с патрубком для подвода горячей жидкости и защитный экран, при этом оси выходных отверстий сопел установлены параллельно наклонной поверхности грани, количество сопел n, расположенных на одном коллекторе, n = 2 - 10, площадь поперечного сечения патрубка для подвода жидкости F₀, сопла - F₁, длина поперечного сечения выходного отверстия сопла 2b₀, его ширина m, расстояние между крайними кромками сопел L связаны следующими зависимостями:
F₀ = F₁ · n,
2b₀ / m = 4 ^oC 6,
L = 0,44 (x - 2,23b₀),
где x - расстояние от отверстия сопла вдоль его оси до точки пересечения струй.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2