Тепловые процессы в кристаллизаторе и управление охлаждением кристаллизатора

Дата добавления: 2014-05-29 | Просмотров: 1773

Управление процессом кристаллизации слитка достигается выбором рациональной конструкции кристаллизатора, системы вторичного охлаждения, оптимальных скоростей вытягивания слитка и расходов охлаждающей воды.

Основные требования к организации теплового режима слитка при непрерывной разливке стали сводятся к следующему:

1. Расход охлаждающей воды в каждом из каналов кристаллизатора должен исключать недопустимый ее перегрев, выпадение солей жесткости на стенках каналов и ухудшение теплоотвода от слитка.

2. При выходе слитка из кристаллизатора толщина его оболочки должна быть достаточной для исключения прорыва металла.

3. Распределение интенсивности отвода тепла по периметру и длине слитка должно обеспечить отсутствие недопустимых напряжений, которые вызывают появление трещин.

4. В плоскости тянущих клетей в слитке не должно быть жидкой фазы.

Таким образом, организация теплового режима кристаллизатора приобретает исключительно важное значение, так как именно в кристаллизаторе происходит начальное формирование оболочки непрерывного слитка.

В кристаллизаторе есть две характерные зоны теплоотдачи: непосредственного контакта слитка со стенками кристаллизатора, который характеризуется высокими значениями теплоотвода (1,9 – 2,4 МВт/ м²) и газового зазора между слитком и стенками кристаллизатора. Образование зазора объясняется усадкой затвердевшей части слитка.

При этом термическое сопротивление на пути от жидкого металла к охлаждающей воде в кристаллизаторе увеличивается, а тепловой поток снижается до 0,7 - 0,9 МВт/м².

После этого температура оболочки слитка повышается за счет его внутреннего тепла и под действием ферростатического давления оболочка вновь прижимается к стенке кристаллизатора. Тепловой поток на короткое время возрастает, после чего опять наступает отход оболочки от стенок кристаллизатора. Окончательно газовый зазор формируется на расстоянии 600 – 700 мм от верха кристаллизатора по широким граням и на расстоянии 150 – 200 мм по узким граням. Тепловой поток при этом резко падает до уровня 0,25 – 0,5 МВт/м².

Изменение теплового потока соответствует изменению температуры поверхности непрерывного слитка. До образования газового зазора она составляет 800 – 900 ºC. После появления зазора температура оболочки несколько возрастает и далее поддерживается примерно постоянной, равной для широких граней 900 –1100 ºC, для узких граней 1100 – 1200 ºC.

Именно этим объясняется тот факт, что в экспериментах обычно получается квадратичная зависимость толщины оболочки слитка от времени его пребывания в кристаллизаторе:

ξ=Κ√τ,

где Κ – коэффициент затвердевания м/√ч.

Хотя мы и заинтересованы в отборе максимально возможного количества тепла от слитка именно в кристаллизаторе, достичь этого увеличением количества расходуемой воды не удается. Этот факт легко объясняется из анализа среднего коэффициента теплоотдачи в кристаллизаторе:

Кср = ;

где δ_м – толщина медной стенки кристаллизатора;

λ_м – коэффициент теплопроводности меди;

α_в – коэффициент теплоотдачи от медной стенки к охлаждающей воде;

β_и – среднеэффективный коэффициент теплоотдачи от слитка к медной стенке кристаллизатора.

Ввиду того, что основные термические сопротивления лежат на пути от жидкого металла к стенке кристаллизатора, значения α_в на порядок превышают

среднеэффективный коэффициент теплоотдачи β_и. и при скорости воды

6 – 8 м/с в каналах кристаллизатора средний коэффициент теплоотдачи Кср входит в зону насыщения.

Таким образом, дальнейшее увеличение расхода воды на охлаждение кристаллизатора не влияет на толщину оболочки слитка, она определяется главным образом временем пребывания слитка в кристаллизаторе:

τ = Нкр.эф./ Vр, мин.

где: Нкр.эф – эффективная высота кристаллизатора, м;

Vр – скорость разливки, м/мин.

Очевидно, что изменения уровня металла в кристаллизаторе и колебания скорости литья влияют на толщину оболочки слитка на выходе из кристаллиза-

тора больше, чем расход воды на его охлаждение.

Из экспериментальных данных следует, что уменьшение скорости воды в каналах кристаллизатора практически не сказывается на величине теплоотвода, так как уменьшение расхода воды компенсируется увеличением температуры ее нагрева.

Методы управления тепловым состоянием кристаллизаторов

Во многих случаях управление тепловым состояниемкристаллизаторов организуется на основе измерения и автоматической стабилизации температурного перепада по воде в результате изменения ее количества, проходящего через каналы кристаллизатора.

Величина этого перепада выбирается максимальной, соответствующей некоторой расчетной температуре воды на входе в кристаллизатор и предельно допустимой температуре на выходе из него. Структурная схема, которая реализует этот способ, показана на рис. 6р.

Рис. 6р. Управление тепловым режимом кристаллизатора по перепаду температур охлаждающей воды.

На рис.7р приведена другая схема, обеспечивающая автоматическое регулирование соотношения расхода охлаждающей воды и перепада температур. Она работает следующим образом.

Температура охлаждающей воды измеряется термометрами сопротивления 1 и 2, электрические сигналы от которых алгебраически суммируются в датчике температурного перепада 3. Полученная разность Δt^ф сравнивается с заданной величиной перепада температур, установленной задатчиком 4, а их разница Δt = Δt^з - Δt^ф поступает на вход регулятора соотношения 5, на другой вход которого поступает сигнал от преобразователя 6 расходомера охлаждающей воды 7.

При отклонении температурного перепада Δt^ф от заданного значения сигнал Δt, поданный на регулятор 5, нарушает равновесие на его входе и заставляет регулятор соотношения воздействовать на клапан подачи воды 8 в направлении восстановления равновесия.

Очевидно, каждому значению Δt соответствует свой расход охлаждающей воды, то-есть, схема работает с некоторой остаточной неравномерностью по тепловой нагрузке кристаллизатора. Несмотря на это, схема имеет существенное преимущество перед предыдущей: всякие возмущения со стороны подачи воды энергично устраняются регулятором 5 и не сказываются на тепловом режиме кристаллизатора.

Рис.7р. Управление тепловым режимом кристаллизатора по соотношению расход охлаждающей воды – перепад температур.

Однако, при сезонных или суточных отклонениях температуры воды на входе в кристаллизатор, обе схемы работают нерационально, уменьшая подачу охлаждающей воды при повышении ее температуры и увеличивая при понижении, то-есть действуют вопреки логике. Последнее, в частности приводит к неоправданному перерасходу воды и увеличению потребления электроэнергии на собственные нужды.
Во ВНИИАчермете разработана система автоматического управления тепловым режимом кристаллизатора, которая обеспечивает перестройку заданного температурного перепада в зависимости от температуры входящей в кристаллизатор воды. Принцип ее работы показан на рис.8р .

Температура охлаждающей воды на входе и выходе из кристаллизатора, как и ранее, измеряется термометрами сопротивления 1 и 2 с последующим их алгебраическим суммированием в блоке температурного перепада 3. Полученный разностный сигнал сравнивается с сигналом задатчика перепада 4 и их разница управляет работой регулятора расхода воды 5, который воздействует на клапан 6 в направлении восстановления заданного перепада температур.

При отклонении температуры воды на входе в кристаллизатор от заданного задатчиком 8, корректор 9 увеличивает заданный температурный перепад в случае понижения температуры на входе, или уменьшает заданный температурный перепад в случае повышения температуры на входе. И в том, и в другом случае обеспечивается сохранение предельной температуры на выходе из кристаллизатора с одновременным снижением расхода воды , когда для этого есть возможность.

Рис.8р. Управление тепловым режимом кристаллизатора с коррекцией температурного перепада по температуре воды на входе в кристаллизатор