Теплообмен между слитком и изложницей

Вейник А.И.

Металлургиздат, 1959 г.

Неохлаждаемая изложница

Интенсивность процесса теплообмена между слитком и изложницей определяется условными коэффициентами теплообмена , которые зависят от многих факторов (температуры заливаемого металла, рода вещества, заполняющего зазор, и т. п.), но более всего чувствительны к изменению величины зазора. На рис. 50 приведены кривые изменения температуры горячей и холодной чугунных пластин для пяти значений величины зазора. Кривая 6 соответствует изменению температуры вещества зазора (обезвоженной бумаги) для всех случаев (кроме пятого). Рис. 50 с большой убедительностью свидетельствует о чрезвычайно значительном влиянии величины зазора на скорость изменения температуры пластин, а следовательно, слитка и изложницы.

Заметим, кстати, что рассматриваемая температура tK не зависит от величины и свойств заполняющего зазор вещества. Это непосредственно следует из данных, приведенных на рис. 50. Здесь кружочками отмечены температуры, относящиеся к средней плоскости зазора. При равенстве размеров чугунных пластин измеренная температура зазора для всех значений  в точности совпадает с калориметрической температурой системы.

В работе [7] на стр. 66 (рис. 30) изображены кривые охлаждений плоской алюминиевой отливки в чугунном кокиле. Эти данные также свидетельствуют о значительном влиянии на интенсивность теплообмена свойств (величины) зазора.

При большой интенсивности теплообмена коэффициенты  не теряют своего смысла, так как практически никогда не становятся равными бесконечности. Действительно, наименьшим термическим сопротивлением, соответствующим наибольшим значениям , зазор отличается в течение первых двух стадий охлаждения, когда поверхность слитка непосредственно прилегает к поверхности изложницы. Однако в этот период обе поверхности практически всегда разделены слоем смазки и окислов, термическое сопротивление которых не равно нулю. Следовательно, коэффициенты  никогда не обращаются в бесконечность.

Кривые 5, соответствующие нулевому зазору, должны были бы пройти значительно круче. Однако в действительности зазор считается нулевым условно, так как идеального контакта между пластинами получить невозможно.  Этим и объясняется конфигурация фактически полученных кривых.

Выбор коэффициентов теплообмена   

Рассмотренное уточнение обычно имеет практическое значение лишь для первых моментов времени, когда величина коэффициентов  максимальна. С течением времени зазор увеличивается и интенсивность теплообмена снижается. И результате величина истинной температуры tK приближается к найденной по формуле (264). Только у крупных слитков большая интенсивность теплообмена сохраняется длительное время.

Так, благодаря введению калориметрической температуры t*, к которой стремится температура любой точки слитка и изложницы, оказывается возможным рассматривать процессы охлаждения слитка и прогрева изложницы независимо один от другого. При этом tK становится определяющей температурой процесса: ока играет роль условной температуры окружающей среды одновременно как для слитка, так и для изложницы.

Анализ уравнений (254) — (264) показывает, что калориметрическая температура tK непосредственно связывает отдельные наиболее важные параметры слитка и изложницы. В результате при изучении процесса охлаждения слитка до температуры tK через эту температуру естественно вводятся в рассмотрение соответствующие параметры изложницы. Аналогичным образом параметры слитка учитывают при изучении температурного поля  изложницы. Именно благодаря этому независимое рассмотрение температурных полей приводит к правильным выводам о взаимном тепловом влиянии слитка и изложницы. Аналитическое исследование температурного поля системы «слиток — зазор — изложница» чрезвычайно сильно упрощается, так как условия на границах слитка и изложницы можно считать постоянными.

Течение металла и отвод теплоты перегрева

Четыре стадии охлаждения слитка. В предыдущей главе весь процесс охлаждения слитка был расчленен на четыре характерные стадии, соответствующие течению металла, отводу теплоты перегрева от неподвижного металла, затвердеванию металла и охлаждению полностью затвердевшего слитка. Такое рассмотрение процесса позволило чрезвычайно упростить решение поставленной задачи.

В настоящей главе так же, как и во всех последующих, процесс охлаждения слитка по-прежнему расчленяется на четыре стадии. Расчленение делается по признаку изменения температуры центра слитка (рис. 21—23).

Течение металла. Процессы охлаждения слитка и прогрева изложницы рассматриваются независимо один от другого. Приняв малую интенсивность теплообмена для потока, можно рассчитывать температуру движущегося металла по формулам, приведенным в работе [4]. Однако, если не считаться с изменением температуры металла при его течении через данное сечение изложницы, то при изучении процесса охлаждения слитка можно вообще не учитывать процесса течения. При этом время течения Т] (включающее время То подхода металла к рассматриваемому сечению изложницы) надо прибавлять к расчетному времени при сравнении тепловых режимов различных частей одного и того же слитка (§ 13 и 14).

Отвод теплоты перегрева. Во второй стадии охлаждения отводится теплота перегрева от неподвижного жидкого металла, т. е. слиток охлаждается от температуры начальной до температуры кристаллизации. Температуру слитка с достаточным приближением можно считать одинаковой по всему сечению.

В этих условиях конфигурация слитка не влияет на процесс теплообмена и имеют значение только его объем  и площадь поверхности охлаждения . Длительность второй стадии может быть найдена по формулам § 14.

 Затвердевание плоского слитка

Общее решение. Выше было показано, что затвердевание слитка в неохлаждаемой изложнице можно рассматривать как процесс, протекающий при постоянной температуре tK, которая представляет собой условную температуру некоторой воображаемой окружающей среды (внешней для слитка и внутренней для изложницы). В качестве коэффициента теплообмена для слитка выбирается условная (тоже постоянная) величина  определяемая по формулам § 19.