Теплообмен в зоне вторичного охлаждения (ЗВО)

Режим охлаждения заготовки в ЗВО должен обеспечить минимальную длительность затвердевания и отсутствие дефектов заготовки.

Для реализации этих целей необходимо выдержать следующие условия к системе ЗВО:

- обеспечить монотонное снижение температуры поверхности заготовки до полного ее затвердевания

- на всем протяжении ЗВО температура поверхности слитка должна находиться в области температур пластической деформации стали (более 800^ОС)

- обеспечить равномерное распределение температуры по поверхности слитка

- возможность регулирования интенсивности охлаждения и протяженности ЗВО в зависимости от марки разливаемой стали, скорости разливки и глубины жидкой фазы. Интенсивность охлаждения в ЗВО следует выбирать так, чтобы полное затвердевание завершалось в конце ЗВО, но при этом температура поверхности слитка не снижалась ниже 800^ОС.

Существует несколько подходов к расчету теплотехнических параметров ЗВО. Ниже приведены два варианта расчета процессов теплообмена в ЗВО.

Вариант 1

Зона вторичного охлаждения (ЗВО) МНЛЗ состоит из двух областей - водяного охлаждения и воздушного охлаждения.

В области водяного охлаждения суммарный коэффициент теплоотдачи равен:

a_å = a_вод + a_луч + a_конв (12)

a_вод - коэффициент теплоотдачи за счет охлаждения водой [Вт/м²×К]

a_луч - коэффициент теплоотдачи за счет излучения от поверхности слитка в окружающую среду [Вт/м²×К]

a_конв - коэффициент теплоотдачи конвекцией [Вт/м²×К]

Определение a_вод - охлаждения за счет распыляемой форсунками воды.

Nu = Re^0,76 + 0,91×10^-5×(Re-10⁴)×Re

, где Nu - критерий Нусельта, Re - критерий Рейнольда, l - коэффициент теплопроводности воды = 0,66 Вт/м×К, В_зво - расход охлаждающей воды, м³/час, P - периметр слитка, м, H_зво - протяженность зоны вторичного охлаждения, м, H - текущая координата, отсчитываемая от начала ЗВО, м, g - коэффициент кинематической вязкости воды = 0,478×10^-6 м²/с при 333^ОК.

Определение лучистой составляющей:

a_л = e×С₀× × (13)

где e - степень черноты слитка (e = 0,9)

С₀ = 5,7×10^-8 Вт/м²×К - постоянная Больцмана

T_пов - температура поверхности слитка,^ОК (920^ОС)

T_воз - температура окружающей среды,^ОК (20^ОС)

Определение конвективной составляющей:

(14)

В области воздушного охлаждения:

a_å = a_луч + a_кон

Пример: Определить коэффициент теплоотдачи в ЗВО (водяные охладители) и в зоне охлаждения на воздухе при следующих условиях:

Размер заготовки: 2×a´2×b = 200´750 мм²,

Скорость вытягивания W = 1,6 м/мин,

Протяженность зоны вторичного охлаждения (ЗВО) = 14 м,

Удельный расход воды в ЗВО В_зво = 0,9 м³/т.

Решение:

1. Время пребывания слитка в ЗВО, t₂ = H_зво/W = 14 м/1,6 м/мин = 8,75 мин.

2. Масса слитка в ЗВО: М_сл = H_зво×(a×b)×r = 14,0×0,75×0,2×7,4 = 15,45 т.

3. Часовой расход воды в ЗВО: = 95,4 м³/ч.

4. Определение a_зво = a_вод + a_луч + a_конв

а) Определение

Nu = Re^0,76 + 0,91×10^-5×(Re-10⁴)×Re

Рассчитываем Re.

Рассчитываем Nu: Nu = Re^0,76 + 0,91×10^-5×(Re-10⁴)×Re = 7625

= 359 Вт/м²×^ОК.

Определение лучистой составляющей a_л=e×С₀× × 0,9×5,7×10^-8×(1193² + 293²)×(1193 + 293) = 168,3 Вт/м²×К.

Определение конвективной составляющей

= = 14 Вт/м²×К.

Суммарный коэффициент теплоотдачи в ЗВО (водяное охлаждение) составит:

= a_вод + a_луч + a_конв = 359 + 168,3 + 14,0 = 541,3 Вт/м²×К.

Коэффициент теплоотдачи в ЗВО (воздушное охлаждение) составит:

= a_луч + a_конв = 168,3 + 14,0 = 182,3 Вт/м²×К.

Итак, коэффициенты теплоотдачи в основных зонах охлаждения МНЛЗ составят в среднем: a Вт/м²×К

1. Зона кристаллизатора (первичного охлаждения) - 2000

2. Зона вторичного охлаждения ЗВО (водяное) - 540-600

3. Зона вторичного охлаждения ЗВО (воздушное) - 150-250

Вариант 2

Удельную плотность теплового потока в зоне вторичного охлаждения можно определить по уравнению:

q=a(T_n-T_в)

где a - коэффициент теплопередачи конвекцией от поверхности слитка к охлаждающей воде, [Вт/м²К]

Т_п- температура поверхности заготовки,°К

Т_в- температура охлаждающей воды, °К.

Важнейшим параметром является a, теоретическое определение которого достаточно сложно, что связано во-первых с неопределенностью поля скоростей воды в факеле форсунки и во-вторых, при обтекании поверхности слитка с высокой температурой (900-1100°С) происходит частичное испарение воды и образование перовой пленки, существенно снижающей интенсивность теплоотвода.

Коэффициент теплоотдачи, отнесенный к средней температуре охлаждающей воды без разделения процессов нагрева и испарения охлаждающей воды равен:

a=(Q_в+Q_пар)/F(t_п-t_в) (15)

где Q_в - количество тепла в единицу времени, идущее на нагрев охлаждающей воды, Вт

Q_пар - количество тепла в единицу времени, идущее на процесс испарения, Вт

F - поверхность вторичного охлаждения, м²

t_п - средняя температура поверхности заготовки в ЗВО, °К

t_в - средняя температура охлаждающей воды, °С.

Основной зависимостью, определяющей процесс теплоотвода при водяном форсуночном охлаждении является зависимость коэффициента теплоотдачи от плотности орошения:

a=f(G_в/F), где G_в - расход воды на охлаждения, м³/час,

F - площадь орошения, м².

Зависимость коэф. теплоотдачи от плотности орошения аппроксимируется выражением:

a_ор=К·g_F_,где К - коэф. пропорциональности, определяется опытным путем,

g_F - плотность орошения, м³/м²·ч.

Величина К по данным различных авторов изменяется так:

К=50¸120 (Вт·ч)/(м³·К).

Линейная зависимость приведенного уравнения сохраняется при изменении плотности орошения до g_F=20м³/(м²·ч). При g_F более 20 м³/(м²·ч) значения a практически не изменяется с ростом g_F.

Теплоотдача в ЗВО на криволинейных установках более сложна, чем на вертикальных МНЛЗ. Связано это с тем, что поверхность заготовки внутреннего радиуса r охлаждается водой, поступающей сверху, а поверхность заготовки наружного радиуса R охлаждается водой, поступающей снизу. В результате при одинаковой плоскости орошения, коэффициент теплоотдачи a на грани r больше, чем на грани R, т.к. процесс охлаждения более интенсивно идет на грани радиуса r.

Установлены экспериментальные зависимости:

a_r=60 ; a_R =50

Для соблюдения синхронизации процессов охлаждения по обеим граням, т.е. равенства коэффициентов теплопередачи необходимо выдерживать соотношение:

В ЗВО интенсивность теплоотвода необходимо поддерживать на таком уровне, чтобы в конце зоны при заданной производительности завершалось полное затвердевание слитка, а температура поверхности заготовки не опускалась ниже 800°С для предотвращения образования трещин.

При брусьевом и ролико-форсуночном охлаждении средний коэффициент теплоотдачи изменяется по технологической длине МНЛЗ от 540 до 140 Вт/м²·К, а удельные расходы воды при форсуночном охлаждении слябов от 12-10 м³/(м²·ч) в зоне «подбоя» под кристаллизаторами до 0.4-0.2 м³/(м²·ч) в конце форсуночной зоны охлаждения.

На рис.3 представлен пример распределения удельных расходов воды по ЗВО МНЛЗ конструкции ПО «Уралмаш» и фирмы «Маннесман-Демаг». Кривые 2 и 3 относятся к «мягким» и «жестким» режимам охлаждения слябов сечением 250´ (1500-1700мм) из углеродистых марок сталей, а кривая 1-к охлаждению слябов сечением 210´1450 мм для трубных сталей.

Кривые рис.3 аппроксимируются следующими зависимостями:

Кривая 1: g_t_,_R=0.00041+1.94exp(-0.323·t) (16^а)

^{вертикальная МНЛЗ}

Кривая 2: g_r=0.0748+1.96exp(-0.288·t) (16^б)

^{криволинейная МНЛЗ} g_R=0.164+1.83exp(-0.275·t)

Кривая 3: g_r=0.408+1.89exp(-0.222·t) (16^в)

^{криволинейная МНЛЗ} g_R=0.553+1.74exp(-0.176·t)

где g_r и g_R - удельные расходы воды соответственно по граням внутреннего и наружного радиусов сляба, м³/(м²·ч)

t- время с момента попадания в ЗВО, мин.

Для ориентировочного расчета величины теплового потока в ЗВО по уравнению (11) необходимо прежде всего знание величины a - коэффициента теплоотдачи. Изменение a интегрального в ЗВО в зависимости от скорости разливки, полученные кривые аппроксимируются выражением:

a_ЗВО=exp(4,97+0,337·V)+exp(5,36+0,592·V-0,210·t) (17)

где V - скорость разливки, м/мин

t- время разливки, мин.

Всю зону охлаждения сляба, где устанавливаются форсунки, а длина этой зоны в современных МНЛЗ достигает 12-28 м, подразделяют на отдельные участки, конструктивно привязанные к роликовым секциям.

Для водяного охлаждения различные варианты отличаются интенсивностью теплоотвода и величиной a - коэф. теплоотдачи.

Тип охлаждения a, [Вт/м²·К]

Струйное охлаждение 2000-4000

Форсуночное жесткое 1000-1500

Ролико-форсуночное (смягченное) 300-500

Роликовое (мягкое) 200-300

Экранное 100-150

Значительная неравномерность интенсивности охлаждения, свойственная водяным форсункам, и трудности их использования при применении «мягких» режимов привели к разработке метода водо-воздушного охлаждения в районе ЗВО. Водо-воздушное охлаждение позволяет получать практически равнозначную интенсивность теплоотвода в сравнении с водяным охлаждением при меньшем расходе воды. Эффективность водо-воздушного охлаждения достигается за счет распыливания воды на мелкие капли (Æ< 100 мкм) и более высокой скорости потока в факеле. Величина a при этом способе охлаждения изменяется в пределах 250-500 .

Более равномерное охлаждение приводит к понижению перепадов температур на поверхности заготовки с 200°С при водяном охлаждении до 50 и менее, что существенно снижает опасность трещинообразования. Одним из основных является расчет изменения толщины корочки при кристаллизации в ЗВО. Связано это с тем обстоятельством, что величина Т_п- температура поверхности заготовки не остается постоянной. Если за начало отсчета принят момент выхода слитка из кристаллизатора, то толщину корочки в ЗВО можно расписать так:

s_ЗВО=s_кр+К_з (18)

где s_ЗВО - толщина корочки слитка в ЗВО, м

s_кр - толщина корочки на выходе из кристаллизатора, м

t- время от момента выхода из кристаллизатора, с

К_з - коэффициент затвердевания, м·с^-0,5.

По оптимальным данным для условий ЗВО К_з=0,0023-0,0027 м·с^-0,5.

На выходе из кристаллизатора по условиям прочности толщина корочки должна быть не менее s=25-30 мм.

Среднеинтегральную толщину корочки s в данной зоне охлаждения можно засчитать, используя закон корня квадратного в уравнении:

(19)

где - время входа слитка в данную секцию, с

- время выхода слитка из данной секции, с.

Алгоритм теплового режима ЗВО.

Основной задачей теплового расчета ЗВО является определение расхода охлаждающей воды на каждую секцию ЗВО и определение числа форсунок в секции.

Значительное влияние на теплоотдачу непрерывного слитка в зоне вторичного охлаждения оказывает конструкция поддерживающей системы. В наибольшей степени это проявляется в условиях МНЛЗ с изогнутой технологической осью. Поддерживающая система закрывает часть слитка, т.е. играет роль экрана, в результате чего не вся вода достигает поверхности охлаждения.

На основании этого замечания для каждой из секций вводится К_и - коэффициент использования воды, который может изменяться в пределах от 0,65 до 1,00 в зависимости от степени экранизации (h).

Для теплотехнического расчета ЗВО задаются: V - скоростью разливки и геометрическими размерами каждой зоны охлаждения ( - длина зоны).

По заданным V и длинам зон охлаждения () определяют время входа слитка в зону охлаждения () и время выхода из нее , где i - порядковый номер зоны охлаждения.

По закону корня квадратного или по величинам теплоотвода (Q_отв) определяют толщину корочки на выходе из кристаллизатора.

По уравнению (15) рассчитывают на выходе из данной секции ЗВО.

Для определения поверхности орошения вводят понятие степени орошения , является отношением орошаемой поверхности () к общей поверхности зоны охлаждения (F):