Контрольная работа: Теплообмен в кристаллизаторе

Уменьшение температуры охлаждающей воды на 10°С ведет к росту толщины корки на выходе на 1 мм. При высоких скоростях влияние этой разницы в процентном отношении выглядит более существенным.

Термосопротивление корочки слитка, которое составляет 13-27% от суммарного термосопротивления, зависит от теплофизических свойств разливаемых сталей. Однако, поскольку химический состав сталей задан номенклатурой сталей в производственной программе, значением этого термосопротивления управлять невозможно.

- кристаллизатор, II - зазор, III - двухфазная зона, IV - затвердевшая корочка, V - жидкая сталь, VI - охлаждающая вода;

- порошок или гранулы ШОС, 2 - полуспекшийся слой шлака, 3 - слой жидкого шлака, 4 - жидкая сталь, 5 - стенка кристаллизатора, 6 - шлаковый рант, 7 - следы качания, 8 - шлаковый гарнисаж в зазоре, 9 - затвердевшая корка металла, 10 - всплывающие из стали и адсорбируемые шлаком неметаллические включения

Рисунок 9 - Схематическое изображение контакта через зазор между стенкой кристаллизатора и коркой слитка (а) и температурный профиль по сечению кристаллизатора и затвердевшей корочки (б)

Следует иметь в виду, что чем ниже от мениска, тем тоньше слой жидкого шлака, который в значительной степени и определяет теплоотвод. Составляющие зазора между стенкой кристаллизатора и коркой слитка имеют совершенно иную теплопроводность, чем сталь и медь. Например, коэффициент теплопроводности жидкой составляющей шлаковой прослойки составляет примерно 2,0 Вт/(м·К), а эффективного газового зазора - 0,14 Вт/(м·К).

Этим объясняется значительный скачок температуры в указанном зазоре. За счет выбора химического состава ШОС можно влиять на теплообмен в зазоре между стенкой кристаллизатора и коркой слитка, поэтому выбор порошка является очень важным фактором. Порошок обычно состоит из шлаковой матрицы, флюса и углерода. Шлаковая матрица является основным компонентом расплавляемого шлака. Она должна под действием тепла со стороны жидкого металла быстро расплавляться для формирования стабильного шлака. Типичный трехкомпонентный шлак содержит SiO2, CaO и Al2O3. Для достижения необходимой точки плавления и вязкости шлаковой матрицы и получения шлака, пригодного для условий разливки, добавляют флюс. Для этого применяют смеси соединений F, Na и Ca. Углерод используется для покрытия шлаковой матрицы и частиц флюса, чтобы он поглощался в процессе окисления. Он регулирует скорость плавления шлаковой матрицы и флюса с целью удовлетворения условий разливки и обеспечения достаточной толщины слоя шлака. Если скорость плавления шлаковой матрицы слишком низкая, приток шлака из района мениска расплава уменьшается, ухудшается смазочный эффект шлака, что может привести к прорывам. С другой стороны, при высокой скорости плавления приток шлака с мениска является интенсивным, слой изолирующего порошка становится тонким, и возможно быстрое охлаждение расплава в менисковой зоне. Для обеспечения высококачественной разливки необходимо обеспечивать расход порошка на соответствующем уровне (0,25-0,5 кг на тонну разливаемой стали). Толщина расплавленного шлака должна быть в 2-2,5 раза больше хода качания. Например, при качаниях с величиной хода ±3 мм рекомендуемая толщина составляет 8-15 мм. Порошок должен полностью покрывать мениск, а его поверхность не должна достигать красного цвета.

Известно, что основные шлаки затвердевают в виде кристаллической структуры, а кислотные - в виде стеклообразной структуры. Стеклообразные шлаки характеризуются более высокой теплопередачей между корочкой и стенкой кристаллизатора. Для определения основности В существуют несколько различных уравнений, например:

В = ((%CaO)+%(MgO)) / ((%(SiO2) +%(Al2O3)) (15)

Если основность менее единицы, то шлак кислотный и стеклообразный, если более единицы, то основной и кристаллический.

Стали в зависимости от содержания углерода имеет разную тенденцию к образованию типичных дефектов. Например, для стали со сверхнизким содержанием углерода характерны неметаллические включения и газы, а для перитектических сталей - поверхностные трещины. Это определяет различные требования к свойствам ШОС. Авторы работы [7] дают следующие общие рекомендации по применению ШОС в зависимости от содержания углерода в сталях.

2.4 Влияние гидродинамики расплава

На интенсивность затвердевания и качество непрерывнолитых заготовок влияют и особенности развития турбулентных потоков расплава. На участках, где конвективные потоки имеют высокую скорость или происходит соударение потока с корочкой слитка, происходит интенсивный прогрев корки вплоть до подплавления. Это вызывает на отдельных участках размывание корочки, а также возникновение трещин обычно в местах, прилегающих к угловым поверхностям кристаллизатора. На рисунке 10 стрелками показаны векторы скорости потоков расплава в кристаллизаторе. Одним из распространенных причин снижения качества непрерывнолитых заготовок является захват шлаковых включений обратными турбулентными потоками металла, выходящими из погружного стакана, которые обладают большими скоростями.

Рисунок 10 - Вихревые потоки расплава, вытекающего из погружного стакана в кристаллизаторе (стрелками показаны направления скоростей потока)

В дальнейшем эти частицы не успевают всплыть в шлак, оставаясь в заготовке. Возможности минимизации захвата шлаковых включений связаны с увеличением вязкости ШОС, оптимизации конструкции погружного стакана и его заглубления. При использовании электромагнитного торможения удается в значительной степени снизить интенсивность движения потоков стали, а также исключить или снизить скорость соударения потоков расплава с коркой слитка.

Самое серьезное внимание следует уделять обеспечению стабильных условий теплообмена на мениске, и это обусловлено следующими причинами: высокой плотностью теплового потока, малой толщиной корочки, которая подвержена деформациям и чувствительна к изменению условий теплообмена, наличием высокотемпературного интервала хрупкости вблизи солидуса. Следовательно, следует минимизировать колебания уровня металла на мениске, которые приводят к нестабильности теплообмена, к неравномерному расплавлению ШОС, что может вызывать значительные колебания температур и температурных напряжений и инициировать образование поверхностных трещин в заготовке. По этой причине современные МНЛЗ обязательно имеют систему автоматического поддержания уровня.

Заключение

Кристаллизатор и процессы формирования корочки слитка в нем играют очень важную роль в решении проблемы качества непрерывнолитой заготовки. По этой причине внимание металлургов и исследователей обращено на совершенствование технологического процесса формирования слитка в кристаллизаторе. Оно заключается в выборе материалов ШОС, автоматизации ее подачи, оптимизации конструкции погружных стаканов, параметров качания кристаллизатора.

В настоящее время большое внимание уделяется интеллектуальным технологиям, направленным на совершенствование управления и контроля процесса формирования корки слитка в кристаллизаторе.

Совершенствование и развитие методов и систем мониторинга процесса формирования слитка в кристаллизаторе позволит обеспечить снижение дефектности непрерывнолитой заготовки, которая во многом определяет качество готовой металлопродукции.

Список литературы

1) Паршин В.М. Буланов Л.В. Непрерывная разливка стали. - Липецк: ОАО «НЛМК». 2011. - 221 с.

) Авт. свид. Л 1257930, от 19.04.1984. Соавторы: А.Б. Локщин, А.А. Гоцуляк, и др. Способ непрерывного литья заготовки.

) Авт. свид. № 1294463, от 12.07.1985. Соавторы: Н.И. Шестаков, Е.А. Нечаев и др.Способ регулироваиия подачи ШОС в кристаллизатор МНЛЗ и устройство для его осуществления Б7 от 07.03.1987.

) Авт. свид. № 1245407, от 12.10.1984. Соавторы: A.M. Поживанов, В.В. Рябов и др. Способ непрерывного литья заготовки.

) Авт. свид. № 1243891, от 27.11.1984. Соавторы: А.Н. Шичков, Н.И. Шестаков, А.Л. Кузьминов и др. Способ автоматического управления МНЛЗ и устройства для его осуществления Б11 от 23.03.1986.

) Авт. сввд. Л 1329022, от 03.04.1985. Соавторы: A.M. Поживанов, В.В. Рябов, А.А. Угаров, и др. Способ непрерывного литья заготовки.