1.2 Зона вторичного охлаждения
Функционально зона вторичного охлаждения является крайне важной с точки зрения качества заготовки. Это, в первую очередь, относится к предотвращению формирования различного рода термических внутренних напряжений в твердом каркасе заготовки. Параметры вторичного охлаждения оказывают влияние на геометрическую форму заготовки и качество макроструктуры.
Опорные элементы направляют движение заготовки и предотвращают деформацию граней слитка под действием ферростатического давления. Непосредственно под кристаллизатором, где оболочка заготовки имеет небольшую толщину и прочность, ее деформация может приводить к прорывам металла, а в нижних зонах вторичного охлаждения – к образованию трещин и ликвационных полосок вблизи фронта затвердевания. Особые требования предъявляются к поддерживающим устройствам, расположенным непосредственно под кристаллизатором, где оболочка заготовки имеет еще малую толщину и высокую температуру. Наибольшее распространение в настоящее время получили роликовые секции.
Конструкция ЗВО состоит из системы опорных элементов (роликов), поддерживающих и направляющих заготовку, и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка за счет впрыскивания охлаждающей воды, расположенных между роликами. Точность расположения опорных роликов является весьма важным элементом в системе обеспечения качества непрерывнолитой заготовки, поскольку любые отклонения положения роликов от номинальной позиции приводят к дополнительной деформации заготовки в процессе ее движения по ЗВО.
Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО обычно разбивается на несколько секций. Как правило, их число колеблется от 3 до 5 для сортовых и блюмовых МНЛЗ и от 8 до 15 для слябовых. Разбивка ЗВО на сегменты упрощает монтажные работы на МНЛЗ, а также позволяет выполнять настройку сегментов за ее пределами. В конструкционном плане сегменты представляют собой две сварные рамы с роликами, которые жестко стянуты между собой специальными стяжками.
Рисунок 2 – Схематическое изображение зоны вторичного охлаждения радиальной слябовой МНЛЗ с разбивкой ее на сегменты
В наиболее сложных условиях работают ролики слябовых МНЛЗ, поскольку они имеют большое расстояние между подшипниковыми опорами и максимальную тепловую нагрузку вследствие большой ширины сляба. Ролики современных слябовых МНЛЗ состоят из трех обечаек, опирающихся на четыре подшипника качения, установленные в подушках.
Рисунок 3 – Конструкция комбинированных роликов МНЛЗ
В верхней части ЗВО устанавливаются опорные ролики минимального диаметра (100-120 мм), что позволяет в максимальной степени ограничивать выпучивание твердой корочки. По мере продвижения заготовки в ЗВО диаметр роликов увеличивается. В последних секциях ЗВО слябовых МНЛЗ он достигает величины 300-350 мм.
Рисунок 4 – Схема выпучивания твердой корочки заготовки в ЗВО
Вторичное охлаждение заготовки начинается непосредственно под кристаллизатором, что обусловливается тем фактом, что твердая корочка металла, сформировавшаяся в кристаллизаторе, еще весьма тонкая и недостаточно прочная.
На участке загиба и выпрямления непрерывнолитого металла на криволинейных МНЛЗ, кроме выполнения функции поддержания заготовки, на ролики добавляется функция правки заготовки.
Снижение температуры в зоне вторичного охлаждения достигается путем опрыскивания заготовки водой или водовоздушной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам, а также вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду.
Интенсивность охлаждения во вторичной зоне должна выбираться таким образом, чтобы температура поверхности заготовки в процессе ее перемещения оставалась постоянной или медленно уменьшалась. Достаточно часто предпочтение отдается варианту, при котором температура поверхности медленно снижается по всей длине ЗВО.
Температура поверхности непрерывнолитой заготовки устанавливается таким образом, что тепловой поток через корку слитка и теплоотвод на поверхности слитка получаются примерно одинаковыми. Повышение интенсивности теплоотвода ограничивается конечным термическим сопротивлением корки заготовки. Интенсивным охлаждением можно снизить температуру поверхности непрерывного слитка, однако, на температурный режим в корке заготовки и на суммарный теплоотвод оно оказывает лишь несущественное влияние. Принято считать, что оптимальной температурой поверхности заготовки в ЗВО является диапазон 1000 – 1100 °С. При этом выбор рационального уровня температур заготовки в ЗВО зависит от ряда факторов, включающих марку стали, метод охлаждения, тип МНЛЗ и пр.
Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО предусматривается несколько участков с различной интенсивностью отвода тепла. Для достижения требуемой интенсивности теплоотвода применяются следующие основные методы подачи охлаждающего вещества.
Струйное охлаждение обеспечивает вторичное охлаждение струями воды, которые подаются через круглофакельные, плоскофакельные или форсунки с прямоугольной формой факела.
Вода попадает на поверхность заготовки в виде капель, которые должны иметь достаточную энергию, чтобы проникнуть сквозь паровую «рубашку», образовавшуюся вследствие испарения воды. При струйном охлаждении управление расходом воды осуществляется изменением давления на выходе из сопла.
Вместе с тем, этот способ охлаждения имеет ряд существенных недостатков: величина теплоотдачи не всегда увеличивается пропорционально увеличению расхода воды; капли из водяной форсунки обычно достаточно крупные, что не способствует увеличению скорости парообразования и ограничивает эффективность охлаждения; в месте воздействия водяной струи происходит термический удар, который может привести к зональной сегрегации или образованию трещин и т.д. Обычно струйное охлаждение применяется в зоне, непосредственно расположенной под кристаллизатором, а также в следующей после этого зоне.
Водовоздушное охлаждение осуществляется мельчайшими частицами воды, которые распыляются воздухом. Вода, распыленная струей воздуха на мельчайшие капли (размер капель 20-150 мкм), образует как бы поток тумана, который по форме представляет собой конус. Распыление воды происходит в основном в результате соударения двух потоков – водяного и воздушного. Распылитель представляет собой как бы две независимые форсунки – для воды и для воздуха,- струи от которых пересекаются. Оба потока выходят из распылителя в направлении поверхности непрерывнолитой заготовки и встречаются один с другим, образуя факел мелкодисперсных капель воды. Воздух при этом способе охлаждения играет двоякую роль: он обеспечивает распыление воды и сообщает каплям необходимую высокую кинетическую энергию. Характер распыления воды определяется расходом и давлением воздуха и поддается регулированию в широком диапазоне параметров.
Высокая эффективность метода водовоздушного охлаждения объясняется тем, что благодаря высокой кинетической энергии с металлом одновременно контактирует большое количество распыленной воды. При одном и том же расходе воды площадь теплообмена между водой и заготовкой увеличивается: с одной стороны, вода мелко распылена и число капель очень велико, а с другой, - эти капли равномерно распределяются по поверхности заготовки, так как факел имеет устойчивую форму конуса. Вода, не испарившаяся при контакте с поверхностью заготовки, падает вниз в виде мелкого дождя, создавая зону охлаждения ближайших участков.
Устойчивое распыление воды на капли по всему факелу значительно улучшает характер охлаждения поверхности заготовки. Сам факел, несмотря на его эффективность, не является столь турбулентным, как струя воды, поэтому охлаждение металла более равномерное, без переохлаждения отдельных участков, как это бывает при охлаждении водяными струями. Кроме того, устойчивый конус факела обеспечивает равномерное распределение воды, что способствует устранению местного переохлаждения и повторного нагрева металла. Угол раскрытия конического факела для каждой форсунки точно известен, и он остается практически постоянным при любом расходе и давлении.