Оценим влияние холодильника на кинетику твердой корочки от поверхности изложницы. На рис.11 представлена кинетика затвердевания 11 - тонного слитка без холодильника (кривая 1), с 40 - миллиметровым холодильником (кривая 2) и 100 - миллиметровым холодильником (кривая 3). Значения доли твердой фазы выбраны на 20 горизонте слитка.
Как видно, для горизонтального затвердевания для всех трех вариантов имеют место два характерных участка:
Для слитка без холодильника первый участок наиболее длительный (~105 мин.). Наличие 40 - миллиметрового холодильника уменьшает длительность первого участка до 62 минут и скорость роста твердой фазы (рис.11). Поведение металла на холодильнике показано на рис. 12.
Уменьшение скорости продвижения твердой фазы объясняется снижением скорости перемешивания расплава, а значит, коэффициента теплообмена расплава у твердой корочки. Это подтверждают рис. 13 и рис. 14, на которых показаны изменения чисел Нуссельта в зависимости от размеров твердой корочки и максимальной скорости перемешивания расплава. Определяющее влияние конвекции на скорость продвижения твердой фазы от стенки изложницы показано на рис. 15. На графике представлена кинетика затвердевания для 11 - тонного слитка без холодильника (кривая 1%) и с 40 - миллиметровым холодильником, которые просчитаны в условиях отсутствия конвекции. Как видно, кривые затвердевания на первом этапе для обоих слитков совпадают. Приблизительно через 60 мин: после начала затвердевания начинает сказываться влияние холодильника, что выражается в увеличении скорости затвердевания слитка с холодильником.
Рис. 11. Кинетика затвердевания слитка без холодильника (кривая 1), с 40- мм (2) и 100- мм холодильником (3)
После того как изотерма ликвидус, продвигающиеся от изложницы, стыкуется с изотермой ликвидус, продвигающейся от холодильника, начинается второй участок затвердевания. Для 100 - миллиметрового холодильника этот этап начинается раньше и общее время затвердевания для слитка с этим холодильником равно 62 минутам. Для слитка с 40 - миллиметровым холодильником - 106 мин. Для слитка без холодильника – 147 мин. За это время поверхность слитка с холодильником остывает до температуры 1100 – 12000С, тогда как без холодильника температура поверхности слитка при полном его затвердевании (температура в центре 13900С) достигает 990 - 10000С. Это значительно снижает энергозатраты при прогреве слитка в колодце перед прокаткой.
Рис. 12. Кинетика роста и плавления твердой корочки у холодильника на этапе затвердевания слитка , цифры у кривых размеры холодильника
Рис. 13. Изменение числа Нуссельта в расплаве 11- тонного слитка : 1 – естественнозатвердевающий расплав ; 2 – с 40 - мм; 3 – с 100 - мм холодильником
Существенное влияние на процессы теплообмена оказывает наличие газового зазора на границе холодильник расплав, связанного с газовыделением. Последнее обусловлено выгоранием углерода из поверхности холодильника и испарением влаги [6]. При соприкосновении расплава с холодильником находящиеся во впадинах и шероховатостях поверхности газы подогреваются и, увеличиваясь в объеме, отжимают едва затвердевшую твердую корочку от поверхности холодильника [6]. Находящийся в контактной зоне газ поднимается вверх.
Рис. 14. Распределение скорости расплава во времени для 11- тонного обычного слитка ( кривая 1) , с 40 - ( 2 ) , 60 - (30 и 100 - ( 4 ) миллиметровым холодильником
Рис. 15. Кинетика затвердевания 11 – тонного слитка без холодильника (кривая 1) , c 40 мм холодильником (2) в условиях отсутствия конвекции
Исследования механизма намораживания расплава на холодильник [6] показали, что контакт между внешней поверхностью холодильника и кристаллизующимся вокруг него металлом имеет дискретный характер. В контактной зоне образуются окисные пленки и газовые прослойки, которые создают значительные термические сопротивления процессу теплоотдачи от металла к холодильнику и поэтому процесс намораживания происходит в два этапа. Первый протекает сразу же после соприкосновения расплава с холодильником и сопровождается намораживанием слоя металла, второй наступает через некоторое время и проявляется в расплавлении затвердевшего слоя.
Рассмотрим на примере 40 - миллиметрового холодильника теплообменные процессы в системе холодильник - близлежащий расплав в период наполнения изложницы, а затем в период затвердевания расплава в ней. Приблизительно через 4 - 5 с, на холодильник намораживается твердая корочка толщиной 2 мм. Согласно вышеописанным условиям между холодильником и твердой корочкой образуется газовый зазор, представляющий собой дополнительное термическое сопротивление, тормозящее теплоотвод от корочки к холодильнику, а значит, и прогрев холодильника. Из рис. 16 видно, что в это время наблюдается резкое изменение темпа охлаждения твердой корочки, выражающееся, в конечном итоге, в некотором повышении температуры корочки. Температура поверхности холодильника в связи с ослаблением теплоотвода от твердой корочки понижается (рис.17). Приблизительно через 20 с твердая корочка, подверженная не только тепловому воздействию, но и размыванию конвективными потоками, расплавляется, а газовый зазор исчезает. Наступает этап плотного контакта между холодильником и расплавом, что снова способствует росту твердой корочки (рис.16). Приблизительно через минуту газовый зазор способствует новому расплавлению корочки, однако, полностью она не растворяется, т.к. в нижней части слитка наблюдается некоторое охлаждение расплава. Поэтому наблюдается медленный рост твердой корочки, т.к. газовый зазор остается постоянным. Холодильник не прогрелся до конца, как в случае отсутствия зазора, поэтому рост твердой корочки продолжается на этапе затвердевания расплава. Максимальная толщина корочки в нижней части холодильника не превышает 6 мм (при отсутствии газового зазора – 8 мм). Приблизительно через 40 с, после начала затвердевания корочка начинает расплавляться и через 2 мин. полностью расплавляется. Температура расплава приблизительно на 14 – 150С выше, чем в случае отсутствия холодильника.
Рис. 16. Изменение толщины твердой корочки ( 1 ) и теплового потока от расплава к холодильнику ( 2 ) во времени
Рис. 17. Изменение температуры поверхности (1) и центра (2) 40 - мм холодильника
Математическое моделирование гидродинамических и теплообменных процессов в стальных слитках