Кристаллизатор

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов НАН Беларуси(72) Авторы Галагаев Сергей Викторович Бодяко Александр Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов НАН Беларуси(57) Кристаллизатор, включающий корпус с верхним и нижним фланцами, подводящим и отводящим патрубками, экран и рабочую втулку с кольцевыми поперечными ребрами на охлаждаемой поверхности, отличающийся тем, что на обращенной к рабочей втулке поверхности экрана выполнены кольцевые поперечные канавки, профиль которых соответствует профилю ребер и представляет собой равнобедренный треугольник, впадины канавок смещены относительно прилежащих вершин ребер в направлении, противоположном движению охладителя на расстояние 0,010,3 шага ребер, а шаг ребер составляет 0,022 высоты рабочей втулки. Предлагаемое техническое решение относится к непрерывному литью слитков, а именно к литью слитков круглого поперечного сечения, и может найти применение при вертикальном и горизонтальном литье черных и цветных металлов и сплавов. 26042006.04.30 Известны кристаллизаторы для непрерывного литья слитков, включающие корпус с верхним и нижним фланцами, подводящий и отводящий патрубки, экран и рабочую втулку 1, 2. Недостатком указанных кристаллизаторов является неравномерная интенсивность охлаждения рабочей втулки по высоте. В кристаллизаторе 1 наибольшая интенсивность охлаждения обеспечивается в нижней части рабочей втулки, в кристаллизаторе 2 - в верхней ее части. Кроме того, рабочие втулки этих кристаллизаторов имеют недостаточную жесткость, что отрицательно сказывается на устойчивости процесса литья, качестве слитка и стойкости самой втулки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является кристаллизатор по 3. Указанный кристаллизатор включает охлаждаемую камеру и формирующую гильзу с поперечными ребрами на водоохлаждаемой поверхности,выполненными с профилем плосковыпуклого крыла, сориентированными меньшим углом в сторону нижнего основания гильзы. Недостатком этого кристаллизатора является неравномерная интенсивность охлаждения по высоте рабочей втулки вследствие отрыва потока охладителя от охлаждаемой поверхности при прохождении нисходящей ветви выпуклой части поперечного ребра. Возникающее при этом разрежение в сочетании с безнапорным характером движения охлаждающей среды в камере охлаждения данного кристаллизатора способствует интенсификации кипения в данной зоне. Вследствие чего ламинарный пограничный слой на одних охлаждаемых поверхностях будет сохраняться, а на других разрушаться, что вызовет кольцевую неравномерность охлаждения рабочей втулки и, как следствие, ее коробление, зависание или даже обрыв слитка. К недостаткам этого кристаллизатора можно отнести также то, что жесткость сечения гильзы в зоне плоской и выпуклой ветвей ребра является разной вследствие несимметричности профиля ребра. Кроме того, данный кристаллизатор может быть применен только для вертикального литья слитков при движении охладителя в камере охлаждения в направлении сверху вниз. Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель,является повышение интенсивности и равномерности охлаждения рабочей втулки, производительности и стабильности процесса литья. Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом кристаллизаторе, включающем корпус с верхним и нижним фланцами, подводящий и отводящий патрубки, экран и рабочую втулку с кольцевыми поперечными ребрами на охлаждаемой поверхности, обращенная к втулке поверхность экрана выполнена с кольцевыми поперечными канавками,при этом профиль ребер и канавок соответствует равнобедренному треугольнику, впадины канавок смещены относительно прилежащих вершин ребер на 0,010,3 шага ребра в направлении, противоположном движению охладителя, а шаг ребер составляет 0,022 высоты втулки. На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого кристаллизатора. Он состоит из рабочей втулки 1, экрана 2, корпуса 3 с верхним 4 и нижним 5 фланцами, перегородки 6, подводящего 7 и отводящего 8 патрубков. На наружной поверхности рабочей втулки расположены кольцевые поперечные равноплечие ребра 9, а на внутренней поверхности экрана выполнены аналогичного профиля канавки 10. Экран герметично соединен с перегородкой, а между его торцами и фланцами корпуса имеются кольцевые щели 11 для подвода и отвода охладителя. Профиль сечения ребер и канавок одинаков и в сечении представляет собой равнобедренный треугольник. В результате жесткость сечения стенки втулки по обе стороны от вершин ребер будет изменяться по одинаковому закону, что снизит коробление втулки и повысит стабильность процесса литья. Взаимодействие потока охладителя с нисходящей (относительно направления движения потока охладителя) гранью канавки экрана усиливает его поджатие к стенке втулки на нисходящих участках поверхности ребер. Это предотвращает отрыв потока и возникновение зон разрежения, что повышает интенсивность охлаждения стенки втулки на нисходящей грани ребра и, таким образом, выравнивает интенсивность охлаждения втулки по высоте. 2 26042006.04.30 При величине шага ребер менее 0,02 высоты втулки возрастает гидравлическое сопротивление рубашки охлаждения и снижается положительное влияние поперечных ребер на жесткость втулки. Если шаг ребер превышает удвоенную высоту втулки, исчезает поджатие потока охладителя к стенке втулки со стороны экрана, что снижает эффективность охлаждения. Смещение впадин канавок относительно вершин ребер в направлении, противоположном движению охладителя, приводит к уменьшению проходного сечения канала камеры охлаждения на нисходящей грани ребра. В результате скорость движения охладителя на этом участке возрастает, что повышает степень турбулентности потока, уменьшает толщину ламинарного пограничного слоя и за этот счет увеличивает интенсивность теплообмена на нисходящей ветви ребра рабочей втулки. Если смещение впадин канавок относительно вершин ребер не превышает 0,01 шага ребра, то разница проходных сечений канала охлаждения со стороны восходящей и нисходящей граней ребра незначительна,увеличение скорости движения охладителя и степени турбулентности потока на участке нисходящей грани ребра невелико, что не позволяет обеспечить здесь высокую интенсивность теплообмена. Если смещение впадин канавок относительно вершин ребер превышает 0,3 шага ребра, то вместо поджатия потока на значительной части нисходящей грани ребра будет наблюдаться его отрыв. Это ведет к существенному снижению интенсивности теплообмена на этих поверхностях, неравномерности охлаждения на восходящей и нисходящей гранях ребер и, как следствие, к кольцевой неравномерности охлаждения рабочей втулки в целом. Кристаллизатор работает следующим образом. Охладитель из подводящего патрубка 7 поступает в нижнюю полость кристаллизатора тангенциально наружной поверхности экрана. Затем через кольцевой зазор 11 между нижним фланцем корпуса и торцом экрана он поступает в кольцевой щелевой канал, образованный наружной поверхностью втулки и внутренней поверхностью экрана. Поток охладителя попеременно взаимодействует то с восходящей, то с нисходящей гранями поперечных ребер на охлаждаемой поверхности втулки. При взаимодействии потока с восходящей гранью ребра интенсивность теплообмена по сравнению с движением вдоль плоской поверхности существенно выше вследствие уменьшения толщины пограничного ламинарного слоя за счет динамического воздействия набегающего потока. При переходе на нисходящую грань ребра интенсивность теплообмена поддерживается на требуемом уровне за счет увеличения скорости течения и турбулентности потока, что достигается смещением впадин канавок на внутренней поверхности экрана относительно вершин ребер в направлении навстречу движению охладителя. Все это выравнивает интенсивность теплообмена по высоте рабочей втулки, увеличивает ее жесткость, повышает охлаждающую способность кристаллизатора и стабильность процесса литья. Пример реализации заявляемого устройства. Изготовлен кристаллизатор с высотой рабочей втулки 245 мм. Длина охлаждаемой части втулки составила 200 мм, на которой с шагом 40 мм (0,16 от высоты втулки) выполнены пять поперечных ребер с профилем, соответствующим равнобедренному треугольнику. На внутренней поверхности экрана с таким же шагом выполнены 5 канавок с аналогичным профилем. При сборке кристаллизатора экран установили так, что смещение впадин канавок относительно вершин ребер составило 3 мм (0,075 от шага ребер). Проведенная пробная заливка показала, что скорость затвердевания расплава чугуна в кристаллизаторе возросла, процесс литья проходил стабильно со скоростью на 2025 выше по сравнению с вариантом использования втулки и экрана с гладкими цилиндрическими поверхностями. После разливки коробления рабочей втулки не выявлено. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3