Вторичное охлаждение заготовки

Режим вторичного охлаждения НЛЗ должен быть таким, чтобы выдерживался оптимальный температурный режим затвердевшей оболочки.

Для получения непрерывнолитого сляба с поверхностью, свободной от поверхностных трещин, температура поверхности слитка в конце затвердевания должна быть на 30..50 ºС выше, чем верхняя граница интервала провала пластичности. Поэтому, в соответствии с литературными данными [10], можно принимать следующие значе­ния температуры поверхности в конце затвердевания (t_кЗВО) для некоторых марок сталей:

Марка стали 60 30ХН3А 10ХСНД Ст 3сп 17ГС 08Ю 0403Д

t_кз, ºС 1000 1005 950 980 1000 950 950

Установив температуру в начале и в конце зоны вторичного охлаждения, необходимо подобрать режим изменения температуры по ее длине, обеспечивающий быстрое затвердевание непрерывнолитого сляба и отсутствие на нем различных дефектов.

Достаточно точно этот оптимальный температурный режим может быть задан изменением температуры поверхности НЛЗ в зависимости от продолжительности кристаллизации (рисунок 2).

Рисунок 2 – Изменение температуры поверхности НЛЗ (Δt) в процессе кристаллизации

Данные рисунка 2 позволяют построить график изменения оптимальной температуры поверхности заготовки для любой конкретной марки стали при заданной скорости вытягивания:

t_пов = t_ликв – Δt, (33)

где t_пов – температура поверхности заготовки, °С;

Δt – изменение температуры поверхности НЛЗ, °С.

Расчет режима вторичного охлаждения заготовки ведется по зонам в соответствии с конструкцией МНЛЗ при рабочей скорости вытягивания. Так как по длине любой зоны вторичного охлаждения все показатели, характеризующие тепловое состояние кристаллизующейся заготовки, непрерывно меняются, то расчет ведется для середины зоны.

Расчет каждой зоны производится в такой последовательности.

1. Определяется время, прошедшее от начала кристаллизации

(34)

где - время затвердевания НЛЗ от начала кристаллизации до середины n-зоны вторичного охлаждения, м

L_n – расстояние от верха кристаллизатора (с учетом недолива) до середины n-зоны вторичного охлаждения секции, м.

2. Вычисленное время используется для нахождения перепада температуры по толщине затвердевшего слоя Δt (из рисунка 2), температуры поверхности t_пов (уравнение 33) и толщины слоя затвердевшего металла ξ (уравнение 3).

3. Подсчитывается плотность теплового потока:

- от жидкой сердцевины к поверхности заготовки через слой затвердевшего металла Q_вн (Вт/м²), вычисляемая по формуле (26) с заменой ξ_к на ξ;

- с поверхности заготовки в окружающую среду излучением:

(35)

- с поверхности заготовки в окружающую среду конвекцией:

Q_конв = α_конв · (t_пов – t_окр), (36)

где Q_изл, Q_конв – плотность перечисленных выше тепловых потоков, Вт/м²;

ε – степень черноты поверхности заготовки;

С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м². К);

t_окр – температура окружающей среды (в упрощенных расчетах принимается равной 20-30 °С), °С;

t_пов – температура поверхности заготовки в середине n-зоны вторичного охлаждения, °С;

α_конв - коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности заготовки, Вт/(м² · град).

Из физики известно, что С₀ = 5,67 Вт/(м². К). При расчетах рекомендуется принимать ε = 0,7…0,8.

В первом приближении можно считать, что коэффициент конвективной теплоотдачи зависит от интенсивности обдува поверхности заготовки воздухом и может быть подсчитан по формуле:

(37)

где ν_об – скорость движения потока воздуха, подаваемого на заготовку, м.

При водовоздушном вторичном охлаждении заготовки рекомендуется принимать ν_об = 2-5 м/с. В случае водяного вторичного охлаждения воздух на поверхность заготовки не подается, и поэтому ν_об = 0.

4). Вычисляется плотность орошения поверхности заготовки водой

(38)

где g_ор – плотность орошения поверхности заготовки, м³/(м² · ч);

η – охлаждающий эффект воды, Вт·ч/м³.

При расчетах плотности орошения рекомендуется принимать η = 48000...52000 Вт·ч/м³ – при водяном вторичном охлаждении; η = 57000...60000 Вт·ч/м³ – при водовоздушном вторичном охлаждении.

5). Рассчитывается расход воды

(39)

где G_вода - расход воды, м³/ч;

F_ор – суммарная площадь орошаемой поверхности, определяемая исходя из сечения заготовки и длины зоны вторичного охлаждения, м².

В том случае, если на МНЛЗ отливаются НЛЗ, имеющие прямоугольное поперечное сечение с отношением сторон b/а ≥ 1,5, то водой охлаждаются только широкие грани. При этом площадь орошаемой поверхности одной грани определяется по формуле

(40)

где L_з - длина зоны, м.

В остальных случаях охлаждаются водой все четыре грани заготовки. Площадь орошаемой поверхности каждой грани рассчитывается по уравнению 40, а суммарная площадь орошаемой поверхности (F_ор) с учетом принятой системы охлаждения.

При разливке стали на МНЛЗ радиального и криволинейного типов охлаждающая вода, подаваемая по малому радиусу, использует­ся более эффективно. Поэтому расход вода по малому радиусу тех зон, где угол наклона оси заготовки к горизонту менее 45°, должен быть уменьшен по сравнению с расчетом на 15…20 %.

Для водовоздушной системы вторичного охлаждения необходимо также рассчитать и расход воздуха по зонам. Для качественного распыления воды нужно выдерживать определенное соотношение между расходами воды и воздуха. Величина этого соотношения определяется конструкцией форсунок и может меняться в широких пределах. Для ориентировочных расчетов, проводимых без учета конструкции форсунок, можно принимать соотношение расхода воды к расходу воздуха в пределах от (1:10) до (1:20).

Результаты расчетов сводятся в таблицу 7.

Таблица 7 - Результаты расчета зоны вторичного охлаждения

Параметр	Номер зоны вторичного охлаждения
			…		n
∆t
tпов
αконв
Qвн
Qизл
Qконв
gор
Fор
Gводы
Gвоздуха

После определения расхода воды по всем зонам подсчитывается общий и удельный расходы воды на вторичное охлаждение

(41)

где G_вт – общий (суммарный) расход воды на вторичное охлаждение, м³/ч;

G_i – расход воды на вторичное охлаждение i-ой зоны, м³/ч;

G_уд – удельный расход воды на вторичное охлаждение, м³/ч;

q – скорость разливки (в ручье), т/мин.