Кристаллизатор для непрерывной разливки с каналом для охлаждающего средства
Кристаллизатор (1) для непрерывной разливки имеет канал (2) для охлаждающего средства. Он образован направленной к расплавленному металлу внутренней стенкой (3) кристаллизатора, внешней стенкой (4) кристаллизатора, правой боковой стенкой (5) и левой боковой стенкой (6). В канале расположены турбулизирующие элементы, которые выполнены в форме тетраэдров или горизонтальных ступеней или крылышек. Турбулизирующие элементы размещены с обеспечением гомогенного перемешивания охлаждающего средства за счет повышения турбулизации вблизи стенки и в зоне центральной части струи. Обеспечивается замедление процесса рекристаллизации материала кристаллизатора или материала стенок канала для охлаждающего средства. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение касается кристаллизатора для непрерывной разливки с каналом для охлаждающего средства, образованным посредством обращенной к расплавленному металлу внутренней стороны кристаллизатора в качестве горячей стороны, наружной стороны кристаллизатора в качестве холодной стороны и правой, и левой боковых сторон.
Из DE 19826522 А1 известна стенка кристаллизатора непрерывной разливки, которая состоит из внутренней панели кристаллизатора и соединенного резьбовым соединением с внутренней панелью кристаллизатора водяного бака, причем внутренняя панель кристаллизатора имеет на обращенной к водяному баку стороне стержни с проходящими между ними пазами, в которых расположены вставки. Пазы служат при этом в качестве охлаждающих каналов для охлаждающей жидкости, как правило воды. Вставки служат для уменьшения поперечного сечения каналов, так что повышается скорость течения охлаждающего средства в канале.
DE 19842674 A1 описывает похожие вставки.
Кристаллизаторы для непрерывной разливки с охлаждающими каналами известны далее из документа DE 10122618 А1, DE 10035737 А1 и DE 10138988 C2.
Из DE 10253735 А1 известен кристаллизатор для непрерывной разливки расплавленных металлов, в частности стали, с охлаждающими каналами в виде охлаждающих пазов, охлаждающих шлицев или охлаждающих отверстий на противоположной горячей стороне кристаллизатора контактной поверхности. Теплоотдача кристаллизатора улучшается посредством того, что геометрическая форма теплопередающих поверхностей охлаждающего канала или одной группы охлаждающих каналов подгоняется по форме, поверхности поперечного сечения, окружности, свойству граничащей поверхности, ориентации к контактной поверхности, компоновке и/или плотности компоновки по сравнению с контактной поверхностью к локальной плотности теплового потока и/или к температуре контактной поверхности в эксплуатации, в частности, в зоне зеркала металла.
При непрерывной разливке жидкий расплавленный металл поступает из распределителя через погружной стакан в качающийся и охлаждаемый водой медный кристаллизатор. Вследствие отвода тепла снижается температура расплавленного металла ниже температуры солидуса и образуется тонкая непрерывная корочка, которая вытягивается в направлении литья. Посредством усиливающегося охлаждения нарастает толщина корочки, пока непрерывнолитая заготовка полностью не затвердеет. В зависимости от формата и количества ручьев скорости разливки достигают сегодня 6 м/мин и больше. Обычные плотности теплового потока лежат в порядке величин до 12 МВт/м2.
Отводимый охлаждающим средством тепловой поток зависит, помимо прочего, от геометрии охлаждающих каналов, шероховатости стенок, а также скорости течения охлаждающего средства и, следовательно, от степени турбулизации. Чем выше степень турбулизации на стороне охлаждающего средства, тем интенсивнее перемешивание и тем больше тепла отводится. Хотя таким образом увеличиваются теплопередающие поверхности, однако это увеличение заключено в узких границах. В частности, при очень высокой плотности тепловых потоков часто наступает загрязнение теплопередающих поверхностей отложениями, так называемое «зарастание» (fouling). Так как отложения обладают очень низкой теплопроводящей способностью, то упомянутое зарастание ведет в случае охлаждения кристаллизатора к сильному повышению температуры медной стенки и поэтому к уменьшенному сроку службы кристаллизатора.
Обычные кристаллизаторы для непрерывной разливки выполняют с прямоугольными каналами для охлаждающего средства, которое течет по ним со скоростью течения примерно 10 м/с. В этих каналах для охлаждающего средства при значении числа Рейнольдса приблизительно 250000 формируется турбулентное течение с основным компонентом в аксиальном направлении. Общая турбулизация приводит к повышенному массовому, импульсному и энергетическому обмену между отдельными слоями охлаждающего средства. Вблизи стенок образуются приграничные слои течения и температуры, которые можно описывать посредством так называемого логарифмического закона распределения скоростей у стенки. При приближении к стенке турбулизация уменьшается. Основной недостаток обычного охлаждения состоит в направленной турбулизации с преобладающими компонентами в аксиальном направлении течения и низшими составляющими в радиальном направлении течения.
В основе изобретения лежит задача создания кристаллизатора для непрерывной разливки, в котором замедляется процесс рекристаллизации материала кристаллизатора или материала стенок канала для охлаждающего средства, который зависит от температуры эксплуатации и продолжительности эксплуатации, а также повышается срок службы кристаллизатора и упомянутая турбулизация и достигается гомогенное перемешивание охлаждающего средства.
Эта задача в соответствии с изобретением решена тем, что в кристаллизаторе для непрерывной разливки с каналом для охлаждающего средства, который образован посредством обращенной к расплавленному металлу внутренней стенки кристаллизатора в качестве горячей стороны, наружной стенки кристаллизатора в качестве холодной стороны, а также правой и левой боковых стенок, канал для охлаждающего средства снабжен турбулизирующими элементами. Посредством введения турбулизирующих элементов достигается принципиально более сильное перемешивание охлаждающего средства. Одновременно турбулизирующие образующие турбулентность элементы увеличивают теплопередающие поверхности канала для охлаждающего средства, или стенок кристаллизатора. Совместное влияние обеих мер, то есть обеспечение турбулизации и увеличение теплопередающих поверхностей, улучшает локальную теплопередачу от стенок канала и, соответственно, от стенок к охлаждающему средству, которое затем отводит тепло.
Основной эффект всех турбулизирующих элементов заключается в индуцируемом турбулизацией массовом, импульсном и энергетическом переносе. Теплопередача в канал для охлаждающего средства от кристаллизатора для непрерывной разливки улучшается в соответствии с изобретением. Вследствие интенсивного перемешивания турбулизирующие элементы обеспечивают повышенную локальную плотность теплового потока, то есть увеличивается отводимая теплота от единицы поверхности. Турбулизация как вблизи стенки, так и в зоне центральной части струи повышается, и достигается гомогенное перемешивание. Посредством турбулизирующих элементов достигается повышенное перемешивание охлаждающей воды и снижается температурный уровень в медной стенке кристаллизатора, причем замедляется зависящий от температуры эксплуатации и продолжительности эксплуатации процесс рекристаллизации материала кристаллизатора или материала стенок канала для охлаждающего средства. Это ведет к повышению срока службы кристаллизатора. Материалом кристаллизатора или стенок кристаллизатора является, например, медь, в частности, медь или другой материал. Далее сокращаются загрязнение и склонность к отложениям посредством повышенной турбулентности и более высоких сил скалывания на горячей стороне охлаждающего канала.
На заднем крае турбулизирующих элементов течение воды отрывается и образуется нестационарная и завихренная, то есть турбулентная, зона рециркуляции. Первое осуществление турбулизирующих элементов предусматривает горизонтальные ступени в охлаждающем средстве, которые, например, выполнены прямоугольного профиля и простираются по всей ширине или в частичных диапазонах канала для охлаждающего средства. Второе и третье осуществление турбулизирующих элементов предусматривает форму тетраэдра и крылышка. При этих формах индуцируются внутрь закручивающиеся сбегающие вихри, которые ведут к еще более интенсивному перемешиванию. Сбегающие вихри можно наблюдать на конце профиля крыла или сзади транспортных средств, где они принципиально нежелательны. Турбулизирующие элементы расположены на горячей стороне, например, со смещением друг за другом, причем расстояние определяется в основном посредством объемного расширения расположенных выше по течению зон рециркуляции. В качестве альтернативы, турбулизирующие элементы могут быть установлены на холодной стороне, тогда влияние рециркуляции распространяется до горячей стороны. Также возможна комбинация из тетраэдра на холодной стороне и горизонтально нанесенных ступеней на горячей стороне канала для охлаждающего средства. Также возможно располагать турбулизирующие элементы лишь на входе канала для охлаждающего средства или только на уровне зеркала металла, чтобы ограничить технологические затраты. Дополнительно к названным потоковым эффектам, теплопередающие поверхности повышаются посредством турбулизирующих элементов, для описанных тетраэдров примерно 6%. Таким образом, увеличивается также локальная плотность теплового потока. Посредством не слишком больших выбранных размеров турбулизирующих элементов могут быть обеспечены незначительные потери давления.
В принципе, работа соответствующего изобретению канала для охлаждающего средства может быть подтверждена с помощью численной симуляции течения (CFD-Computational Fluid Dynamics).
Варианты осуществления изобретения подробнее описываются с помощью очень схематических чертежей, на которых показано:
фиг.1 - в объемном представлении часть кристаллизатора для непрерывной разливки;
фиг.2 - в сечении на виде спереди кристаллизатор для непрерывной разливки с турбулизирующими элементами в соответствии с первым осуществлением;
фиг.3 - в сечении на виде спереди кристаллизатор для непрерывной разливки с турбулизирующими элементами в соответствии со вторым вариантом осуществления;
фиг.4 - в сечении на виде спереди кристаллизатор для непрерывной разливки с турбулизирующими элементами в соответствии с третьим вариантом осуществления; и
фиг.5 - в сечении на виде сбоку кристаллизатор для непрерывной разливки с турбулизирующими элементами.
Фиг.1 показывает в объемном представлении часть кристаллизатора 1 для непрерывной разливки с каналом 2 для охлаждающего средства, который образован посредством обращенной к расплавленному металлу внутренней стенки 3 кристаллизатора в качестве горячей стороны, внешней стороны 4 кристаллизатора в качестве холодной стороны и правой боковой стороны 5 и левой боковой стороны 6.
В направлении 8 течения расположены турбулизирующие элементы 7, 9 и 10 на внутренней стенке 3 кристаллизатора, т.е. горячей стороне, которые выступают в канал 2 для охлаждающего средства.
Фиг.2 показывает в разрезе на виде спереди канал 2 для охлаждающего средства, в котором в два ряда 11 расположены турбулизирующие элементы 7 в форме тетраэдра на внутренней стенке 3 кристаллизатора. Тетраэдр направлен своим острием против направления 8 течения. Благодаря такому расположению образуется сопротивление потоку. После тетраэдра охлаждающее средство имеет турбулентный режим. Тетраэдры могут быть расположены также смещенным образом.
На фиг.3 представлены турбулизирующие элементы 9 в форме горизонтальных ступеней. Горизонтальные ступени образованы, например, посредством прямоугольного бруска (см. фиг.5), который простирается через всю ширину канала 2 для охлаждающего средства.
Другая форма турбулизирующих элементов 10 представлена на фиг.4. Этот турбулизирующий элемент 10 обладает формой крылышка. Эти, сходные с крылом самолета крылышки, или закреплены в рядах 11, ориентированные друг за другом на внутренней стенке 3 кристаллизатора, или распределенным образом закреплены на внутренней стенке кристаллизатора, как обозначено посредством самого нижнего крылышка.
Все турбулизирующие элементы 7, 9 и 10 возвышаются над внутренней стенкой 3 кристаллизатора в канал 2 для охлаждающего средства или противоположно и воздействуют на охлаждающее средство, когда оно течет через канал 2 для охлаждающего средства в направлении 8 течения.
Список условных обозначений
1 - Кристаллизатор для непрерывной разливки
2 - Канал для охлаждающего средства
3 - Внутренняя стенка кристаллизатора
4 - Внешняя стенка кристаллизатора
5 - Правая боковая стенка
6 - Левая боковая стенка
7 - Тетраэдр
8 - Направление течения
9 - Горизонтальная ступень
10 - Крылышко
11 - Ряд
1. Кристаллизатор (1) для непрерывной разливки, имеющий канал (2) для охлаждающего средства, образованный посредством направленной к расплавленному металлу внутренней стенки (3) кристаллизатора в качестве горячей стороны, внешней стенки (4) кристаллизатора в качестве холодной стороны, правой боковой стенки (5) и левой боковой стенки (6), в котором расположены турбулизирующие элементы, отличающийся тем, что турбулизирующие элементы (7, 9, 10) выполнены в форме тетраэдров, или горизонтальных ступеней, или крылышек и размещены с обеспечением гомогенного перемешивания охлаждающего средства за счет повышения турбулизации вблизи стенки и в зоне центральной части струи.
2. Кристаллизатор (1) по п.1, отличающийся тем, что турбулизирующие элементы (7, 9, 10) расположены на внутренней стенке (3) кристаллизатора.
3. Кристаллизатор (1) по п.1, отличающийся тем, что турбулизирующие элементы (7, 9, 10) расположены на внешней стенке (4) кристаллизатора.
4. Кристаллизатор (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что турбулизирующие элементы (7, 10) расположены в рядах (11).
5. Кристаллизатор (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что турбулизирующие элементы (7, 10) расположены в рядах (11) смещенным образом.
6. Кристаллизатор (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что турбулизирующие элементы (7,9, 10) расположены в зоне зеркала металла.
