ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КРИСТАЛЛИЗАТОР МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛОВ
VERTICAL DIE OF CONTINUOUS CASTING MACHINE

Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для получения непрерывнолитых заготовок в охлаждаемых кристаллизаторах.
Известен способ охлаждения кристаллизатора с прямоточной системой охлаждения и конструкция кристаллизатора с охлаждаемыми каналами [1. Попандопуло И.К., Михневич Ю.Ф. Непрерывная разливка стали. М.: Металлургия, 1990. 296 с. См. стр. 111-112], заключающийся в независимом подводе и отводе воды в вертикальные каналы четырех стенок кристаллизатора.
Недостатком известного кристаллизатора [1] является применение его преимущественно в существующих в настоящее время установках непрерывной разливки стали с большими расходами охлаждающей воды. Наличие прямоточной системы охлаждения с существующими размерами цилиндрических и щелевых каналов, а также их расположение в стенках, не позволяет организовать энергоэффективное и равномерное охлаждение по ширине стенок вертикального кристаллизатора. Кроме этого, для охлаждения низкотемпературной воды (25-35°C), выходящей из кристаллизатора, приходится строить градирни, в которых вода контактирует с окружающим воздухом и отдает им тепло.
Известно также устройство для охлаждения кристаллизатора [2. Патент №2326751 RU. Устройство для охлаждения кристаллизатора при разливке высокотемпературных металлов / В.В. Стулов, В.В. Одинокое, А.В. Шубенцев. БИ 2008], состоящее из
2
1
четырех расположенных попарно продольных рабочих стенок, вторая пара рабочих стенок содержит вертикальные каналы для охлаждающей среды, выполненные в дентальной части стенок, и наклонные каналы для охлаждающей среды, примыкающие к вертикальным каналам, дополнительно, в стенках второй пары изготовлен горизонтальный канал, установлена герметичная камера охлаждения, представляющая собой две коаксиально расположенные трубы: меньшего диаметра «Д» для подачи охлаждающей воды с продольными ребрами на внутренней поверхности и большего диаметра «Д», соединенной патрубками с вертикальными и наклонными каналами для охлаждающей среды, причем горизонтальный канал, вертикальные и наклонные каналы и герметичная камера охлаждения образуют замкнутый контур высокотемпературной тепловой трубы.
Недостатки известного устройства для охлаждения кристаллизатора [2] заключаются в следующем: 1. Возможность использования устройства только для охлаждения кристаллизатора, состоящего из четырех расположенных попарно продольных рабочих стенок с охлаждаемыми каналами, первая пара стенок которого имеет верхний участок, расположенный под углом к вертикали, и нижний вертикальный участок, рабочие стенки второй пары выполнены в виде тепловых труб. 2. Отсутствие сведений о диаметре каналов и их количестве в стенках, материале стенок кристаллизатора ограничивает возможность использования устройства для охлаждения кристаллизатора.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого кристаллизатора, заключается в:
1. Повышении надежности и энергоэффективности охлаждения четырех расположенных попарно рабочих стенок кристаллизатора.
2. Уменьшении расхода охладающей воды на весь кристаллизатор в 3-5 раз.
3. Возможности использования нагретой охлаждающей воды на бытовые нужды.
4. Повышении прочности стенок кристаллизатора.
5. Прогреве стенок кристаллизатора перед разливкой в него металла.
Заявляемый кристаллизатор характеризуется следующими существенными признаками.
Ограничительные признаки: четыре расположенные попарно рабочие стенки, в одной паре из которых выполнены вертикальные каналы, и горизонтальный канал для охлаждающей среды; герметичная камера охлаждения, состоящая из коаксиально расположенных труб - меньшего диаметра для подачи охлаждающей среды, с продольными ребрами на внутренней поверхности, и большего диаметра, соединенной патрубками с вертикальными каналами.
1
2
1
2
Отличительные признаки: во  второй паре рабочих стенок выполнены дополнительные вертикальные и горизонтальный каналы для охлаждающей среды; герметичная камера охлаждения образует с горизонтальными каналами и вертикальными каналами замкнутый контур высокотемпературной тепловой трубы; количество вертикальных каналов в каждой рабочей стенке кристаллизатора равно n=2-25; количество горизонтальных каналов в каждой рабочей стенке равно n=2-5; диаметр вертикальных каналов в стенках равен d=45-65 мм; диаметр горизонтальных каналов в стенках равен d=25-35 мм; рабочие стенки кристаллизатора выполнены из стали, коэффициент теплопроводности которой «λ» и толщина стенок «δ» связаны соотношением λ/δ=3,5-4,5; кристаллизатор снабжен термопарами, установленными в вертикальных и горизонтальных каналах рабочих стенок и на входе и выходе из трубы меньшего диаметра для измерения температуры охлаждающей воды, электрическими нагревательными элементами, установленными в нижней части рабочих стенок; термопары и электрические нагревательные элементы подключены к системе автоматического управления охлаждением кристаллизатора.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого кристаллизатора и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Выполнение во второй паре рабочих стенок кристаллизатора вертикальных и горизонтального каналов позволяет произвести заправку в них охлаждающей среды и образовать совместно с герметичной камерой охлаждения замкнутый контур высокотемпературной тепловой трубы. Образование замкнутого контура высокотемпературной тепловой трубы, включающего герметичную камеру охлаждения с горизонтальными и вертикальными каналами в стенках, позволяет высокоэффективно прогревать стенки кристаллизатора перед разливкой в него металла, а также высокоэффективно охлаждать стенки при разливке металла в кристаллизатор.
1
Изготовление вертикальных каналов для охлаждающей среды в каждой рабочей стенке в количестве n<2 не позволяет организовать энергоэффективное охлаждение даже стенок шириной 100-150 мм.
1
Изготовление вертикальных каналов для охлаждающей среды в каждой рабочей стенке в количестве n>25 приводит к нерациональному увеличению трудоемкости изготовления даже стенок шириной 1500-2000 мм. Кроме этого, возможно уменьшение прочности стенок и кристаллизатора в целом.
Изготовление горизонтальных каналов в каждой рабочей стенке вертикального кристаллизатора повышает равномерность охлаждения металла по ширине и высоте стенок, что уменьшает вероятность образования трещин в заготовках.
2
Изготовление горизонтальных каналов в каждой рабочей стенке вертикального кристаллизатора в количестве n<2 не позволяет организовать достаточно равномерное охлаждение металла по ширине и высоте стенок, в частности для вертикальных кристаллизаторов высотой 0,8-1,2 м.
2
Изготовление горизонтальных каналов в каждой рабочей стенке вертикального кристаллизатора в количестве n>5 приводит к нецелесообразному увеличению трудоемкости изготовления каналов и к уменьшению прочности стенок.
1
Уменьшение диаметра вертикальных каналов в стенках d<45 мм уменьшает объем полостей с охлаждающей средой и ограничивает количество тепла, передаваемого в вертикальном кристаллизаторе.
1
Увеличение диаметра вертикальных каналов в стенках d>65 мм приводит к нецелесообразному увеличению толщины стенок и к вероятности неравномерного охлаждения металла по периметру вертикального кристаллизатора.
2
Уменьшение диаметра горизонтальных каналов в стенках d<25 мм приводит к затруднению их изготовления по ширине стенок и не обеспечивает достаточно равномерное охлаждение металла по высоте стенок.
2
Увеличение диаметра горизонтальных каналов в стенках d>35 мм приводит к уменьшению прочности стенок.
Изготовление стенок вертикального кристаллизатора из стали обеспечивает достаточную их прочность при сравнительно высоких температурах и давлениях охлаждающей среды по сравнению с медными стенками.
Уменьшение соотношения λ/δ<3,5 (где λ - коэффициент теплопроводности материала стенок, δ - толщина стенок) ограничивает значение плотности теплового потока, отводимого кристаллизатором и, как результат, ограничение скорости разливки металла и производительности машины.
Увеличение соотношения λ/δ>4,5 приводит к нецелесообразному уменьшению толщины стенок вертикального кристаллизатора и, как результат, уменьшение их прочности и срока службы.
Установка термопар в горизонтальных и вертикальных каналах стенок вертикального кристаллизатора позволяет контролировать температуру, а соответственно, и давление охлаждающей среды в каналах стенок, что повышает надежность и эффективность охлаждения кристаллизатора.
Установка термопар на входе и выходе из трубы меньшего диаметра герметичной камеры охлаждения позволяют получать информацию о температуре охлаждающей воды с целью корректировки ее расхода и определения значений отводимого теплового потока.
Установка электрических нагревательных элементов в нижней части рабочих
стенок вертикального кристаллизатора обеспечивает возможность прогрева стенок перед разливкой металла, что повышает качество получаемых заготовок в начале процесса разливки.
Подключение термопар, а также электрических нагревательных элементов в рабочих стенках кристаллизатора к системе автоматического управления охлаждением кристаллизатора, позволяет управлять процессом получения непрерывнолитых заготовок и исключает вероятность возникновения аварийной ситуации.
На фиг. 1 приведен внешний вид одной из четырех рабочих стенок вертикального кристаллизатора; на фиг. 2 - вид сбоку стенки на фиг. 1.
Вертикальный кристаллизатор на фиг. 1 и 2 состоит из четырех расположенных попарно рабочих стенок 1 первой и второй пары с вертикальными каналами 2 и горизонтальными каналами 3 для охлаждающей среды, герметичной камеры охлаждения 4, включающей две коаксиально расположенные трубы меньшего диаметра 5 с продольными ребрами 6 для подачи охлаждающей воды и трубы большего диаметра 7, патрубков 8, термопар 9-11 в рабочих стенках 1, термопар 12 и 13 соответственно на входе и выходе из трубы меньшего диаметра 5, электрических нагревательных элементов 14, подключенных в систему автоматического управления охлаждением кристаллизатора.
Предварительно в рабочие стенки 1 первой и второй пары заливается определенное количество охлаждающей среды и включаются электрические нагревательные элементы 14, что приводит к разогреву охлаждающей среды в вертикальных каналах 2. После достижения заданной температуры в вертикальных каналах 2 стенок 1, фиксируемой
по показаниям термопар 9-11, включается подача охлаждающей воды в трубу меньшего диаметра 5 с продольными ребрами 6 герметичной камеры охлаждения 4, а электрические нагревательные элементы отключаются системой автоматического управления охлаждением кристаллизатора. Одновременно производится заливка жидкого металла в вертикальный кристаллизатор, что приводит к дальнейшему разогреву стенок 1 и находящейся в каналах 2 охлаждающей среды с ее испарением и кипением. Образующийся пар по вертикальным каналам 2 и патрубкам 8 поступает в трубу большего диаметра 7 герметичной камеры охлаждения 4 и конденсируется на наружной поверхности трубы меньшего диаметра 5. Образующийся конденсат по патрубкам 8 стекает вниз вертикальных каналов 2 и повторно разогревается. Образующийся при кипении охлаждающей среды пар одновременно заполняет также горизонтальные каналы 3 в стенках 1. При конденсации пара охлаждающей среды на поверхности трубы меньшего диаметра 5 выделяется скрытое тепло конденсации, которое передается через стенку трубы 5 и отводится охлаждающей водой, что фиксируется по показаниям термопар 12 и 13. Регулировкой расхода охлаждающей воды, подаваемой в трубу меньшего диаметра 5, добиваются заданной ее температуры на выходе из трубы герметичной камеры охлаждения 4.