Кристалізатор для безперервного розливання металів з каналом для охолоджуючого засобу

1. Кристалізатор (1) для безперервного розливання металів, що має канал (2) для охолоджуючого засобу, який утворений за допомогою направленої до розплавленого металу внутрішньої стінки (3) кристалізатора як гарячої сторони, зовнішньої стінки (4) кристалізатора як холодної сторони, правої бічної стінки (5) і лівої бічної стінки (6), який відрізняється тим, що канал для охоло C2 2 (19) 1 3 могою того, що геометрична форма теплопередавальних поверхонь охолоджуючого каналу або однієї групи охолоджуючих каналів підганяється за формою, поверхнею поперечного перерізу, кола, властивості межуючої поверхні, орієнтації до контактної поверхні, компонування і/або щільності компонування в порівнянні з контактною поверхнею до локальної щільності теплового потоку і/або до температури контактної поверхні в експлуатації, зокрема, в зоні дзеркала металу. При безперервному розливанні рідкий розплавлений метал надходить з розподільника через заглибний стакан в хитний мідний кристалізатор, що охолоджується водою. Внаслідок відведення тепла знижується температура розплавленого металу нижче температури солідусу і утворюється тонка безперервна корка, яка витягується в напрямі лиття. Внаслідок охолоджування, що посилюється, наростає товщина корки, поки безперервнолита заготовка повністю не затвердіє. У залежності від формату і кількості струмків швидкості розливання досягають сьогодні 6м/хв. і більше. Звичайна щільність теплового потоку лежить в порядку величин до 12МВт/м2. Тепловий потік, що відводиться охолоджуючим засобом, залежить, крім іншого, від геометрії охолоджуючих каналів, шорсткості стінок, а також швидкості течії охолоджуючого засобу і, отже, від міри турбулізації. Чим вище міра турбулізації на стороні охолоджуючого засобу, тим інтенсивніше перемішування і тим більше тепла відводиться. Хоча таким чином збільшуються теплопередавальні поверхні, однак це збільшення укладене у вузьких межах. Зокрема, при дуже високій щільності теплових потоків часто настає забруднення теплопередавальних поверхонь відкладенням, так зване «заростання» (fouling). Оскільки відкладення володіє дуже низькою теплопровідною здатністю, то згадане заростання веде у випадку охолоджування кристалізатора до сильного підвищення температури мідної стінки і, тому, до зменшеного терміну служби кристалізатора. Звичайні кристалізатори для безперервного розливання виконують з прямокутними каналами для охолоджуючого засобу, який тече по них зі швидкістю течії приблизно 10м/с. В цих каналах для охолоджуючого засобу при значенні числа Рейнольдса приблизно 250000 формується турбулентна течія з основним компонентом в аксіальному напрямі. Загальна турбулізація приводить до підвищеного масового, імпульсного і енергетичного обміну між окремими шарами охолоджуючого засобу. Поблизу стінок утворюються прикордонні шари течії і температури, які можна описувати за допомогою так званого логарифмічного закону розподілу швидкостей у стінки. При наближенні до стінки турбулізація меншає. Основний недолік звичайного охолоджування полягає в направленій турбулізації з переважаючими компонентами в аксіальному напрямі течії і нижчими складовими в радіальному напрямі течії. В основі винаходу лежить задача створення кристалізатора для безперервного розливання, в якому сповільнюється процес рекристалізації матеріалу кристалізатора або матеріалу стінок кана 92985 4 лу для охолоджуючого засобу, який залежить від температури експлуатації і тривалості експлуатації, а також підвищується термін служби кристалізатора і згадана турбулізація і досягається гомогенне перемішування охолоджуючого засобу. Ця задача відповідно до винаходу вирішена тим, що в кристалізаторі для безперервного розливання з каналом для охолоджуючого засобу, який утворений за допомогою направленої до розплавленого металу внутрішньої стінки кристалізатора як гарячої сторони, зовнішньої стінки кристалізатора як холодної сторони, а також правої і лівої бічних стінок, канал для охолоджуючого засобу забезпечений турбулізуючими елементами. За допомогою введення турбулізуючих елементів досягається принципово більш сильне перемішування охолоджуючого засобу. Одночасно турбулізуючі створюючі турбулентність елементи збільшують теплопередавальні поверхні каналу для охолоджуючого засобу, або стінок кристалізатора. Спільний вплив обох заходів, тобто забезпечення турбулізації і збільшення теплопередавальних поверхонь, поліпшує локальну теплопередачу від стінокканалу і, відповідно, від стінок до охолоджуючого засобу, який потім відводить тепло. Основний ефект всіх турбулізуючих елементів полягає в індукованому турбулизацією масовому, імпульсному і енергетичному перенесенні. Теплопередача в канал для охолоджуючого засобу від кристалізатора для безперервного розливання поліпшується відповідно до винаходу. Внаслідок інтенсивного перемішування турбулізуючі елементи забезпечують підвищену локальну щільність теплового потоку, тобто збільшується теплота, що відводиться від одиниці поверхні. Турбулізація як поблизу стінки, так і в зоні центральної частини струменя підвищується, і досягається гомогенне перемішування. За допомогою турбулізуючих елементів досягається підвищене перемішування охолоджуючої води і знижується температурний рівень в мідній стінці кристалізатора, причому сповільнюється той, що залежить від температури експлуатації і тривалості експлуатації процес рекристалізації матеріалу кристалізатора або матеріалу стінок каналу для охолоджуючого засобу. Це веде до підвищення терміну служби кристалізатора. Матеріалом кристалізатора або стінок кристалізатора є, наприклад, мідь, зокрема, мідь або інший матеріал. Далі скорочуються забруднення і схильність до відкладення за допомогою підвищеної турбулентності і більш високих сил сколювання на гарячій стороні охолоджуючого каналу. На задньому краї турбулізуючих елементів течія води відривається і утворюється нестаціонарна і завихрена, тобто турбулентна, зона рециркуляції. Перше здійснення турбулізуючих елементів передбачає горизонтальні рівні в охолоджуючому засобі, які, наприклад, виконані прямокутного профілю і тягнуться по всій ширині або в часткових діапазонах каналу для охолоджуючого засобу. Друге і третє здійснення турбулізуючих елементів передбачає форму тетраедра і крильця. При цих формах індукуються збігаючі вихори, що закручуються всередину, які ведуть до ще більш інтенсивного перемішування. Збігаючі вихори можна спо 5 стерігати на кінці профілю крила або позаду транспортних засобів, де вони принципово небажані. Турбулізуючі елементи розташовуються на гарячій стороні, наприклад, зі зміщенням один за одним, причому відстань визначається в основному за допомогою об'ємного розширення розташованих вище за течією зон рециркуляції. Як альтернатива, турбулізуючі елементи можуть бути встановлені на холодній стороні, тоді вплив рециркуляції розповсюджується до гарячої сторони. Також можлива комбінація з тетраедра на холодній стороні і горизонтально нанесених рівнів на гарячій стороні каналу для охолоджуючого засобу. Також можна розташувати турбулізуючі елементи лише на вході каналу для охолоджуючого засобу або тільки на рівні дзеркала металу, щоб обмежити технологічні витрати. Додатково до названих потокових ефектів, теплопередавальні поверхні підвищуються за допомогою турбулізуючих елементів, для описаних тетраедрів приблизно 6%. Таким чином, збільшується також локальна щільність теплового потоку. За допомогою не дуже великих вибраних розмірів турбулізуючих елементів можуть бути забезпечені незначні втрати тиску. У принципі робота відповідного винаходу каналу для охолоджуючого засобу може бути підтверджена за допомогою чисельної симуляції течії (CFD-Computational Fluid Dynamics). Варіанти здійснення винаходу детальніше описуються за допомогою дуже схематичних креслень, на яких показано: Фіг.1 - в об'ємному уявленні частина кристалізатора для безперервного розливання; Фіг.2 - в перерізі на вигляді спереду кристалізатор для безперервного розливання з турбулізуючими елементами відповідно до першого здійснення; Фіг.3 - в перерізі на вигляді спереду кристалізатор для безперервного розливання з турбулізуючими елементами відповідно до другого варіанту здійснення; Фіг.4 - в перерізі на вигляді спереду кристалізатор для безперервного розливання з турбулізуючими елементами відповідно до третього варіанту здійснення; і Фіг.5 - в перерізі на вигляді збоку кристалізатор для безперервного розливання з турбулізуючими елементами. Фіг.1 показує в об'ємному уявленні частину кристалізатора 1 для безперервного розливання з каналом 2 для охолоджуючого засобу, який утво 92985 6 рений за допомогою направленої до розплавленого металу внутрішньої стінки 3 кристалізатора як гарячої сторони, зовнішньої сторони 4 кристалізатора як холодної сторони і правої бічної сторони 5 і лівої бічної сторони 6. У напрямі 8 течії розташовані турбулізуючі елементи 7, 9 і 10 на внутрішній стінці 3 кристалізатора, тобто гарячій стороні, які виступають в канал 2 для охолоджуючого засобу. Фіг.2 показує в розрізі на вигляді спереду канал 2 для охолоджуючого засобу, в якому в два ряди 11 розташовані турбулізуючі елементи 7 в формі тетраедра на внутрішній стінці 3 кристалізатора. Тетраедр направлений своїм вістрям проти напряму 8 течії. Завдяки такому розташуванню утворюється опір потоку. Після тетраедра охолоджуючий засіб має турбулентний режим. Тетраедри також можуть бути розташовані зміщеним чином. На Фіг.3 представлені турбулізуючі елементи 9 в формі горизонтальних рівнів. Горизонтальні рівні утворені, наприклад, за допомогою прямокутного бруска (див. Фіг.5), який тягнеться через всю ширину каналу 2 для охолоджуючого засобу. Інша форма турбулізуючих елементів 10 подана на Фіг.4. Цей турбулізуючий елемент 10 має форму крильця. Ці, схожі з крилом літака крильця або закріплені в рядах 11 орієнтовані один за одним на внутрішній стінці 3 кристалізатора, або розподіленим чином закріплені на внутрішній стінці кристалізатора, як визначено за допомогою найнижчого крильця. Всі турбулізуючі елементи 7, 9 і 10 виступають над внутрішньою стінкою 3 кристалізатора в канал 2 для охолоджуючого засобу або протилежно і впливають на охолоджуючий засіб, коли він тече через канал 2 для охолоджуючого засобу в напрямі 8 течії. Список умовних позначень 1 Кристалізатор для безперервного розливання 2 Канал для охолоджуючого засобу 3 Внутрішня стінка кристалізатора 4 Зовнішня стінка кристалізатора 5 Права бічна стінка 6 Ліва бічна стінка 7 Тетраедр 8 Напрям течії 9 Горизонтальний рівень 10 Крильце 11 Ряд 7 92985 8 9 92985 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 92985 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601