125406 (Расчет технологических, теплотехнических и конструктивных параметров машин непрерывного литья заготовок), страница 3

3.2 Определение температуры поверхности по длине заготовки и расхода воды на охлаждение в ЗВО

Для выбора режима охлаждения в зависимости от разливаемой стали (температуры поверхности слитка в конце ЗВО) и скорости вытягивания слитка задается кривая температуры поверхности по длине слитка. Эта кривая выбирается из условия минимизации термических напряжений в непрерывнолитом слитке, что достигается равенством скоростей охлаждения слоев металла, рас-положенных у фронта кристаллизации и на поверхности:

.

Решение этого равенства позволило получить следующее уравнение:

, (3.25)

где _о = t_o/t_r –относительная температура поверхности и заготовки на выходе из кристаллизатора; t_o –температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора, ^оС; t_r – температура кристаллизации стали, ^оС; _к = t_к/t_r– относительная температура поверхности заготовки в конце затвердевания; (t_к – температура поверхности слитка в конце затвердевания, ^оС); а – толщина слитка; _о–толщина оболочки слитка при выходе из кристаллизатора.

Как следует из уравнения, если заданы толщина оболочки, температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора и температура поверхности слитка в конце зоны затвердевания, то для каждого размера заготовки и скорости вытягивания существует определенная закономерность изменения температуры поверхности слитка по его длине, при которой коэффициент имеет максимальное постоянное значение на всем участке охлаждения.

Так как коэффициент постоянен, то для любого участка зоны вторичного охлаждения можно записать:

, (3.26)

где _n и – относительная температура и толщина оболочки слитка в момент времени ;

Если известно распределение температуры по длине слитка, то приведенное уравнение позволяет определить толщину оболочки слитка в любой момент времени .

Время достижения соответствующей температуры поверхности определяется из выражения:

,(3.27)

где – плотность жидкой стали; q_к – скрытая теплота плавления стали;

– коэффициент теплопроводности стали.

Уравнения (3.26), (3.27) позволяют построить зависимости температуры поверхности слитка t_n и толщины затвердевающей оболочки от времени или глубины жидкой лунки L для заданных скоростей разливки и температуры поверхности слитка в конце затвердевания t_к..

На основании приведенных выше уравнений определим температуру поверхности по длине слитка при разливке на МНЛЗ заданной марки стали.

Принимаем температуру поверхности слитка в конце затвердевания металла t_к=900⁰С; теплоемкость затвердевшей стали С=0,545 кДж/(кг*К); теплопроводность стали =29 Вт/(м*К); скрытую теплоту затвердевания q_к=270 кДж/кг; коэффициент кристаллизации k=30 мм/мин^0,5; эффективную высоту кристаллизатора Н=0,9 м.

По значению толщины оболочки и температуры поверхности t_п слитка на выходе из кристаллизатора и температуре поверхности слитка в конце зоны затвердевания определяем из условий ( – время от начала выхода из кристаллизатора; L – расстояние от среза кристаллизатора) найдем

Толщина оболочки слитка на выходе из кристаллизатора была определена выше и составляет 19,97 мм.

Температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора равна 1190 ^оС.

Относительная температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора:

в конце затвердевания слитка

Тогда

Используя уравнения (3.25), (3.26) и задаваясь температурой поверхности слитка, определим зависимости

Время, необходимое для достижения температуры поверхности 1150⁰С при =0,51 составит

Относительная температура поверхности:

Определим

После подстановки получим =29,3 с или 0,49 мин.

Толщина оболочки слитка при t_n=1150⁰C

мм.

Расстояние точки с t_n=1150⁰C от нижнего среза кристаллизатора:

L=w=1,3*0,49=0,63 м.

Распределение температуры поверхности и толщины корки слитка по длине непрерывнолитого слитка при =0,51 приведено в таблице 4.

Данные, приведенные на рис.2 (Приложение 1), иллюстрируют распределение температуры поверхности по длине слитка и изменение толщины закристаллизовавшейся оболочки.

Наличие распределения температур по длине слитка и толщине оболочки позволяет определить тепловые потоки на поверхности слитка, необходимые для отвода физической теплоты оболочки и теплоты кристаллизации q_кр:

, (3.28)

, (3.29)

где t_ср1, t_ср2 – средняя температура оболочки в начале и конце участка охлаждения; ₁, ₂ – толщина оболочки в начале и в конце участка охлаждения; L₁, L₂ – расстояние от торца кристаллизатора на входе и выходе с участка охлаждения; w – скорость вытягивания слитка; С – теплоемкость затвердевшего металла.

Таблица 4. Изменение температуры поверхности заготовки и толщины корки по длине непрерывного слитка.

Зная тепловой поток и температуру поверхности, можно определить

Для выполнения требований по плавному изменению интенсивности охлаждения слитка по его длине для стали различных марок и возможности регулирования длины участка водяного охлаждения в зависимости от скорости литья и глубины жидкой лунки вся зона вторичного водяного охлаждения разбивается на отдельные секции. Каждая секция обеспечивается самостоятельным подводом воды и установкой соответствующих форсунок.

При расчете основных параметров систем вторичного охлаждения радиальных и криволинейных машин необходимо скорректировать плотность орошения слитка по малому радиусу за счет стекания воды, уменьшив его на 20…30 % по сравнению с большим радиусом.

Как показывает практика эксплуатации слябовых машин, протяженность зоны форсуночного охлаждения по узким граням может быть сокращена на 20…30 %.

Определим расход воды на четырехроликовую секцию длиной l=1 м, расположенную на расстоянии L=2,0 м от мениска металла.

Как следует из уравнений (3.28), (3.29) необходимо определить среднюю температуру и толщину оболочки в начале и конце участка охлаждения. По приведенным числовым данным и данным рис.2 определим, что t_п на входе в секцию составляет 1130 ⁰С, а на выходе из секции t_п =1090⁰С, соответственно толщина образовавшейся корки слитка на входе и выходе из секции соответственно составили ₁ =30 и ₂ =38 мм.

Принимаем с целью упрощения расчета линейное изменение температу-ры по толщине корочки. Тогда

Суммарный тепловой поток q на поверхности слитка, обусловленный отводом физической теплоты и теплоты кристаллизации, составит:

а средний коэффициент теплоотдачи соответственно:

Плотность орошения на данном участке составит:

Учитывая, что секция расположена практически вертикально, расход воды на грань по большому радиусу и грань по малому радиусу будет одинаков, а общий расход воды на секцию составит:

4. Выбор формы технологической оси

4.1 Базовый радиус МНЛЗ

При использовании радиальных и криволинейных МНЛЗ при переводе слитка в горизонтальное положение его приходится деформировать – разгибать. При разгибе или правке возникающие в слитке напряжения могут превысить предел прочности и привести к образованию различного рода трещин. При этом необходимо принимать во внимание отливаемый сортамент, сечение заготовки и условия охлаждения слитка, так как все эти параметры определяют допустимую величину деформации металла [8].

В случае радиальной машины разгиб слитка, как правило, проводится полностью в затвердевшем состоянии в одной точке.

Одним из способов предотвращения образования дефектов при разгибе слитка является при всех прочих равных условиях увеличение радиуса кривизны, что позволяет снизить величину деформации и ее скорость. На основании опыта эксплуатации радиальных МНЛЗ и исследования влияния величины и скорости деформации при разгибе на качество непрерывного слитка ПО «Урал-маш» выработало практические рекомендации для выбора минимального базо-вого радиуса в зависимости от толщины слитка:

Толщина слитка а, мм……………..….150 200 250 315 350

Базовый радиус R_o, м 5 6 8 10 12

Однако, как показывает опыт эксплуатации радиальных установок, при отливке различных марок сталей в ряде случаев приходится снижать скорость разливки стали из-за появления внутренних горячих трещин в металле при его разгибе. Это обусловлено тем, что к точке разгиба слиток приходит с температурой в его центральной части, близкой к температуре кристаллизации. В области этих температур существует так называемый высокотемпературный интервал хрупкости, характеризуемый резко выраженным «провалом» прочностных и пластических свойств металла. Для многих сталей он проявляется при температурах 1300⁰ С и выше. Так, предел прочности углеродистой стали в температурном интервале хрупкости снижается до 1...10 МПа. Поэтому для предотвращения образования внутренних трещин необходимо при разгибе снижать скорость и величину деформации слоев металла, находящихся в температурном интервале хрупкости.

Исследования механических свойств стали при 1300…1450⁰ С позволили получить уравнение для оценки допустимого базового радиуса технологической оси МНЛЗ с разгибом в одной точке в зависимости от разливаемой марки стали и интенсивности охлаждения:

(4.1)