книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

ностей гидродинамики жидкой стали и теплообмена можно по формуле (69) :

лочки слитка по противоположным криволинейным сто­ ронам могут возникнуть вследствие различных значений z3аз, аж, Д*2. Для учета этих величин разработаны соот­ ветствующие номограммы.

Рассмотрим экспериментальные данные о затвердева­ нии радиальных непрерывных слитков, чтобы проверить правильность уравнения (69). Фронт затвердевания оп­ ределили при непрерывной разливке 18 радиальных слитков по трем методикам (табл. 5).

Сернистое железо, упакованное в дюралюминиевую трубку диаметром 30 мм и длиной 1000 мм, в количестве

0,25 кг (75X500 мм) и 1,2 кг (150X600 мм) быстро по­ гружали в жидкую фазу непрерывного слитка в конце разливки. Радиоактивный изотоп S35, упакованный в свинцовые ампулы, в количестве 200—300 мК вводили или в струю металла в месте входа ее в мениск (три опы­ та), или при помощи металлического стержня быстро опускали в жидкую фазу затвердевающего слитка.

Из слитков, в жидкую фазу которых вводили сернис­ тое железо, и из оболочек слитков после выливания жид-

Таблица 5

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРОНТА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Методика Размер слитка, мм Число опытов

кого металла вырезали, начиная от верха, поперечные темплеты через каждые 60 мм (5—10 шт.), а затем че­ рез 100 мм (3—5 шт.). После соответствующей механи­ ческой обработки с темплетов снимали серные отпечат­ ки. Из слитков, в которых фронт затвердевания был за­ фиксирован радиоактивной серой, вырезали продольные темплеты длиной 320—500 мм и 2—3 поперечных темплета. С темплетов затем были сняты радиограммы. Время экспозиции составляло 14—15 суток.

На серных отпечатках, радиограммах и оболочках слитков замеряли толщину затвердевшей корочки через каждые 20 мм по периметру. Время затвердевания в от­ дельных сечениях определяли на основании расшифров­ ки диаграмм скоростей вытягивания слитка.

Время полного затвердевания криволинейных слит­ ков определяли по трем методикам (табл. 6).

Таблица 6

МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПОЛНОГО ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Жидкий свинец (6—10 кг) заливали в кристаллиза­ тор. После полного затвердевания из нижней части слит­ ков вырезали продольные темплеты, на которых по мес­ ту залегания свинца определяли глубину жидкой фазы. В этом случае время полного затвердевания определяли по соотношению

т = — _

V

где Ьж— глубина жидкой фазы, м; V— скорость разливки, м/с.

132

температур 0—1600Х.

Данные о средней толщине корочки радиальных слит­ ков в зависимости от времени затвердевания обрабаты­ вали методом наименьших квадратов. Поскольку для описания процесса затвердевания слитков в условиях вертикальной непрерывной разливки стали часто поль­

периментальные данные обработали по этому уравнению. Полученные при этом коэффициенты затвердевания в кристаллизаторах прямоугольного сечения оказались хотя и разными для корки сторон меньшего и большего радиусов, но довольно близкими между собой: 2,8 мм/с1/

И 2,7 мм/с'/*.

Для описания по опытным данным затвердевания ра­

133

диальных слитков прямоугольного сечения исходили из величины возможного теплового потока у фронта затвер­ девания:

( П О )

где q — удельный тепловой поток, Вт/м2 [ккал(м2-ч)];

— температура оболочки у фронта затвердевания,

tc — температура среды, окружающей слиток, °С; I — толщина корочки, м;

h — коэффициент теплопроводности твердой короч­ ки, Вт (м-град) [ккал/(м-ч-град)];

ап — коэффициент теплоотдачи на поверхности слит­ ка, Вт/(м2-град) [ккал/(м2-ч-град].

Величина удельного теплового потока связана со ско­ ростью нарастания оболочки соотношением

(111)

где р — плотность корочки, кг/м3;

q* — скрытая теплота затвердевания с учетом физи­ ческой теплоты затвердевшей корочки, Дж/кг (ккал/кг);

q* = qK+ 0,5 с (tKp- t ny,

<7к — истинная теплота кристаллизации, Дж/кг (ккал/ кг);

с — теплоемкость затвердевшего металла, Дж/(кгХ Хград) [ккал/(кг-град)];

tKV— температура кристаллизации, °С;

tu — средняя температура поверхности слитка в кри­ сталлизаторе, °С.

Приравнивая выражения (ПО) и (111), получаем

( 112)

После интегрирования уравнения (112)

( И З )

134

Решая квадратное уравнение (113), определяем

Согласно уравнению (114), экспериментальные дан­ ные о толщине затвердевшей оболочки в зависимости от времени целесообразно аппроксимировать в виде функ­ ции

X = — А + У'А2 + В тсм. (115)

Представительный объем экспериментальных данных (слитки толщиной от 75 до 180 мм) позволяет опреде­ лить зависимость (115) для радиальных слитков прямо­ угольного сечения в безразмерных координатах

T = f ( F o ) ,

где \ — безразмерная толщина;

D/2 — половина толщины слитка;

Fo — критерий Фурье, или безразмерное время;

Зависимости (116) и (117) и фактические экспери­ ментальные данные приведены на рис. 49. Полученные результаты, обобщающие обширный экспериментальный

135

Рис. 49. Зависимость изменения толщины корки слитка по -криво­ линейным граням г (а) и R (б) от времени затвердевания

материал и отражающие процесс затвердевания слит­ ков различных сечений (75X500, 150X600, 160X900 и 180X900 мм) с привлечением ряда методик определения фронтов затвердевания (введение в сталь сернистого железа и изотопов, выливание жидкого остатка и метал­ лографическое исследование), позволяют заключить, что интенсивность нарастания оболочки по широкой грани меньшего радиуса сначала превышает рост корочки по грани большего радиуса, а затем преобладает скорость нарастания оболочки по грани большего радиуса.

Теоретическая формула (69) для определения толщи­ ны оболочки с учетом всех особенностей гидродинамики и теплообмена в радиальных кристаллизаторах также удовлетворительно подтверждается экспериментальными данными (рис. 50).

Затвердевание квадратных слитков по сравнению с затвердеванием прямоугольных является более слож­ ным, что обусловлено четко выраженным влиянием двухмерности теплоотвода. Поэтому вид соотношения l =f ( x ) для начального периода определяют исходя из закона изменения удельных тепловых потоков в зависимости от времени затвердевания слитка в кристаллизаторе. Экс­ периментально установили, что

q = Л — В Ух ,

где^ q — удельный тепловой поток; т— время затвердевания;

А, В — постоянные.

136

Толщину корочки, затвердевшей к моменту времени т, можно определить из соотношения

т

Подставляя значение q из выражения (111), находим вид £ = /(т ) для начального периода затвердевания

по методу наименьших квадратов получены следующие зависимости, характеризующие интенсивность роста обо­ лочки слитка сечением 130X145 мм в первые 40—50 с от начала затвердевания:

по грани большего радиуса

Рис. 50. Закономерность затвердевания корки непрерывного слитка прямоугольнаго сечения в радиальном кристаллизаторе:

137

корки на стороне меньшего радиуса, можно рекомендо­ вать для практических расчетов толщины корки ради­ альных квадратных слитков при длине кристаллизатора 600—900 мм с учетом имеющейся неравномерности фрон­ та затвердевания.

На рис. 51 представлены экспериментальные данные о зависимости средней толщины корки слитка от време­ ни затвердевания и выведенные по ним расчетные зависи­ мости. Наблюдается некоторое отставание интенсивнос­ ти роста корки в кристаллизаторе по грани меньшего ра­ диуса по сравнению с интенсивностью роста корки на вы­ пуклой и плоской сторонах.

В соответствии с полученными зависимостями сред­ няя толщина корки на грани меньшего радиуса меньше, чем на гранях большего радиуса и плоской грани на 1 — 6% и 7 —ю% соответственно. Максимальные скорости затвердевания корки слитка находятся в пределах 1,0—

1,1 мм/с.

При затвердевании слитка в зоне вторичного охлаж­ дения коэффициенты затвердевания имеют практически постоянные значения. Постоянство коэффициентов зат­ вердевания после выхода слитков из кристаллизатора объясняется относительно небольшим изменением темпе­ ратуры его поверхности. Поэтому для изучения затверде­ вания в зоне вторичного охлаждения можно ислользо-

Ріис. 51. Изменение толщины корки квадратного слитка в кристал­

лизаторе .в зависимости от времени затвердевания (точки — экспе­ риментальные данные по отдельным плавкам):

а—«сторона R; б—сторона г

138

Обезразмерное бремя ат/Яг

100—200 с.

■В результате обработки опытных данных при периоде 40—100 с получили для большего радиуса

6= 3,16 1/7

идля меньшего радиуса

а= 3,00 ]/т .

Как видно, коэффициент затвердевания в зоне вто­ ричного охлаждения на б—7% выше по грани большего радиуса, чем по грани меньшего радиуса. В период зат­ вердевания 100—200 с нарастание корки подчиняется ли­ нейной зависимости:

6 = 19,5 + 0,125 т.

Полученные зависимости толщины корки слитка от времени затвердевания удовлетворительно описывают экспериментальные данные (рис. 52). Уравнение, описы­ вающее весь процесс затвердевания квадратного ради­ ального слитка, имеет вид

В безразмерных координатах зависимость толщины

139