METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
TEPELNÁ PRÁCE TRUBKOVÉHO KRYSTALIZÁTORU THERMAL WORK OF THE TUBE CC MOULD Andrea Michalikováa Jiří Molíneka Miroslav Příhodaa a
VŠB-TU Ostrava, FMMI, katedra tepelné techniky, 17. listopadu 15, 708 33 OstravaPoruba, ČR, e-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstrakt Rovnoměrná tvorba licí kůry v krystalizátoru je závislá na jeho tepelné práci, související s rozložením teplot po výšce jednotlivých stěn krystalizátoru, která zásadním způsobem ovlivňuje činnost celého ZPO, zejména kvalitu produkce. Ze stanovených tepelných toků a teplotních profilů po výšce stěny trubkového krystalizátoru je hodnocena jeho tepelná práce. Dokonalý teplotní profil po výšce krystalizátoru zaručuje rovnoměrný odvod tepla z předlitku a je nezbytným předpokladem kvalitní výroby. Abstract Uniform formation of casting shell in CC mould is depending on its thermal work. It has connection with temperature distribution along individual mould wall height, which essentially affects running of all CCM, especially production quality. The thermal work is evaluated from determined heat fluxes and temperature profiles along wall height of the tube casting mould. Ideal temperature profile along mould height guarantees equal heat removal from blank and it is inevitable presumption of production quality. 1. ÚVOD Tvorba licí kůry v krystalizátoru je složitým fyzikálně-chemickým procesem. V krystalizátoru rozeznáváme tři zóny, lišící se způsobem a intenzitou transportu tepla. V horní části krystalizátoru, při jeho těsném styku s ocelí, je růst licí kůry limitován vnitřním sdílením tepla, tedy součinitelem teplotní vodivosti, který je pro určitou značku oceli danou hodnotou. Ve střední části krystalizátoru, která se někdy nazývá jako přechodová, se odvod tepla děje při střídavém kontaktu licí kůry s měděnou deskou vedením vrstvou prášku. V dolní části, kde vzniká plynová mezera, určuje proces tuhnutí vnější přestup tepla. Dominujícím mechanismem se stává sdílení tepla vedením a sáláním přes vrstvu plynu v mezeře. Odvod tepla je v této zóně podstatně nižší. Odvod tepla z předlitku v krystalizátoru významnou měrou ovlivňuje jeho kvalitu. Rozložení teplot resp. tepelných toků po výšce a po obvodu krystalizátoru má úzkou souvislost nejen s kvalitou předlitku, ale rovněž s opotřebením pracovního povrchu měděné vložky a patních válečků. Odvod tepla by měl být v daném místě krystalizátoru pokud možno konstantní a po obvodu příčného průřezu rovnoměrný. Proměnný odvod tepla vyvolává v licí kůře napětí a při překročení kritických hodnot vznikají trhliny, které mohou vést až k průvalu. 2. PROVOZNÍ EXPERIMENT Katedra tepelné techniky VŠB-TU provedla provozní experimentální výzkum na několika sochorových ZPO při odlévání čtvercového formátu. Předmětem experimentu bylo měření
1
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ teplot, výpočet tepelných toků ve stěnách krystalizátoru a vyhodnocení teplotních profilů po výšce trubkového krystalizátoru. Do měděné krystalizátorové vložky o délce 1 m bylo nainstalováno celkem 14 termosond (obr. 1). Za účelem stanovení teplotního profilu po výšce krystalizátoru bylo na straně velkého (VR) a malého (MR) rádiusu zabudováno 10 termočlánků v 5 horizontálních rovinách. Termočlánky byly umístěny do měděné vložky ve vzdálenosti cca 3 mm pod pracovním povrchem s označením T1, T3, T4, T5, T6 na straně VR a T8, T10, T11, T12, T13 na straně MR. Za účelem stanovení tepelných toků v horní a dolní části krystalizátoru byly ve vzdálenosti cca 6 mm pod pracovním povrchem krystalizátoru na straně VR a MR navíc umístěny 4 termočlánky s označením T2, T7 a T9, T14. K měření byly použity plášťované termočlánky NiCr-NiCu typu E o průměru 0,5 mm s provedením teplého spoje na plášť, z důvodu zmenšení časové konstanty a kontroly kontaktu teplého spoje s krystalizátorovou vložkou. Studený spoj byl vyveden kompenzačním vedením na konektory, kde byla měřena svorková teplota, za účelem eliminace vlivu kolísání okolní teploty. Svorkovnice byly propojeny vícežilovým kabelem s měřicí kartou PC. V dalším textu jsou vyhodnoceny výsledky měření z jedné sekvence lití 4 taveb, dvou různých značek ocelí - viz tab. 1. První 3 tavby stejné značky s obsahem uhlíku 0,153 až 0,163 % a teplotou likvidu 1507,5 až 1508 °C a poslední tavba s obsahem C 0,204 %, teplota likvidu 1504 °C. Předpokladem ke správné analýze měřených dat je splnění podmínky konstantní rychlosti odlévání. Tuto podmínku však z provozních důvodů Obr. 1. Schématické rozmístění měřicích míst nelze vždy beze zbytku dodržet. Během Fig. 1. Schema of measuring places location celé sekvence se licí rychlost pohybovala v rozmezí 2,3 až 2,7 m.s-1. Tabulka 1. Chemické složení oceli Table 1. Chemical composition of steel číslo tavby 1. 2. 3. 4.
C 0,153 0,162 0,162 0,204
Mn 1,31 1,32 1,33 1,21
Si 0,336 0,333 0,331 0,354
Složení oceli [hm. %] P S Cu Cr Ni 0,029 0,024 0,08 0,14 0,05 0,02 0,021 0,05 0,13 0,06 0,017 0,024 0,09 0,14 0,05 0,014 0,031 0,05 0,06 0,05
2
Al 0,022 0,024 0,025 0,021
Mo 0,012 0,01 0,008 0,009
Co 0,004 0,004 0,004 0,004
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________
V místech měření diferencí teplot, byla ze vztahu (1) pro vedení tepla rovinnou stěnou vypočtena hustota tepelného toku: q=
λ ⋅ ∆t ∆s
(W.m-2)
(1)
kde λ je součinitel tepelné vodivosti mědi (W.m-1.K-1), ∆s - vzdálenost mezi měřenými místy (m), ∆t - teplotní rozdíl mezi měřenými místy (°C). Na obr. 2 jsou znázorněny průběhy hustot tepelných toků na straně VR, vypočtených z teplot T1, T2 a z teplot T6, T7. Na straně MR byly hustoty tepelných toků vypočteny z teplot T8, T9 a T13, T14 (obr. 3). Časové průběhy hustot tepelných toků byly vyhlazeny klouzavým průměrem s periodou 100. Z průběhů je zřejmé, že hustota tepelného toku v horní části krystalizátoru je vyšší než dolní části. 4 3,5
-2
q (MW.m )
3 2,5 2 1,5 1 q_1-2
0,5
q_6-7
0 0
10
20
30
40
čas (min)
Obr. 2. Hustota tepelného toku VR Fig. 2. Heat flow density VR
3
50
60
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ 4 3,5
-2
q (MW.m )
3 2,5 2 1,5 1 q_8-9
0,5
q_13-14
0 0
10
20
30
40
50
60
čas (min)
Obr. 3. Hustota tepelného toku MR Fig. 3. Heat flow density MR Z průměrných teplot, vypočtených pro zvolený desetiminutový úsek tavby, ve kterém nedochází k výrazným změnám licí rychlosti, byly vytvořeny teplotní profily po výšce stěny krystalizátoru. Na obr. 4 je patrné, že tento profil je rovnoměrný po celé výšce krystalizátoru. V horní části krystalizátoru byly teploty vyšší na straně MR, kdežto v dolní části docházelo ke zvýšení teploty na straně VR, což souvisí s polohou předlitku v krystalizátoru.
200 180
teplota (°C)
160 140 120 100 80 VR
60
MR
40 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
výška krystalizátoru (m)
Obr. 4. Teplotní profil po výšce krystalizátoru Fig. 4. Temperature profiles along mould wall height Základem výroby kvalitního předlitku je jeho rovnoměrné chlazení po celé výšce krystalizátoru. Z průměrných hodnot průtoku vody krystalizátorem a rozdílu teplot chladicí vody na vstupu a výstupu z krystalizátoru byl ze vztahu (2) vypočten tepelný výkon, odvedený z kokily chladicí vodou. Průměrná hodnota hustoty tepelného toku za celou sekvenci dosáhla 1,84 MW.m-2. Hustotu tepelného toku, vypočtenou prostřednictvím chladicí vody krystalizátoru, lze vyjádřit jako:
4
METAL 2006 23.-25.5.2006, Hradec nad Moravicí ___________________________________________________________________________ q=
Qm ⋅ (tvyst − tvst ) ⋅ c p S
kde Qm tvyst tvst cp S
je -
(W.m-2)
(2)
průtok vody krystalizátorem (kg.s-1), teplota vystupující vody (°C), teplota vstupující vody (°C), tepelná kapacita vody (J.kg-1.K-1), ekvivalentní povrch krystalizátoru (m2).
Hustoty tepelných toků, zjištěné termočlánkovými sondami, odpovídají hodnotám, vypočteným z přírůstku entalpie chladicí vody krystalizátoru.
3. ZÁVĚR Z výsledků experimentu lze učinit následující závěry: • Hustota tepelného toku v horní části krystalizátoru je vyšší než v dolní části. Příčinou je postupný růst tloušťky licí kůry. Povrchová teplota předlitku klesá, kůra se smršťuje, čímž se zhoršuje odvod tepla. • Hustoty tepelných toků jsou na straně MR vyšší než na straně VR. Svědčí to o lepším kontaktu předlitku se stěnou na MR, který je způsoben silou tažných stolic. •
Teploty v horní části krystalizátoru jsou vyšší na straně MR, což koresponduje s názorem, že licí soustava, v důsledku konvekce tekuté oceli, výrazněji ovlivňuje přestup tepla na MR. Naopak ve spodní části krystalizátoru jsou vyšší teploty na stěně VR.
LITERATURA [1] PŘÍHODA, M., aj. Nové poznatky z výzkumu plynulého odlévání oceli. 1. vyd. Ostrava : VŠB-TU Ostrava, 2001. 177 s. ISBN 80-248-0037-3. [2] MOLÍNEK, J., VÁCLAVÍK, L. Problematika měření teplot v krystalizátoru ZPO. In Sborník přednášek z konference Měření a regulace teplot v teorii a praxi : 4. - 5. 6. 2002, Hotel HARMONY Ostrava. Ostrava : TANGER, spol. s r. o., s. 80-85. ISBN 80-85988-75-5. [3] PŘÍHODA, M., MOLÍNEK, J., PYSZKO, R., BSUMKOVÁ, D. Sdílení tepla při odlévání kruhových formátů na ZPO. In Sborník 10. mezinárodní konference metalurgie a materiálů METAL 2001 : květen 2001, Ostrava. s. 30. ISBN 80-85988-56-9.
5
