Основное количество тепла от затвердевающей заготовки к стенке кристаллизатора (70...80%) передается ниже зоны контактного теплообмена, высота которого составляет 180...250 мм. Механизм возникновения зазора объясняется следующими обстоятельствами.

Для каждого типа отливаемого слитка существует вполне определенная скорость деформации, при превышении которой образование трещин неизбежно. Поэтому при проектировании изложниц чрезвычайно важно учитывать величину возможного изменения скорости деформации корочки во времени.

В силу того, что при охлаждении металла в изложнице корочка стремится сократить свои размеры, а возникающие в ней растягивающие напряжения стремятся ее увеличить, суммарное удлинение, или величина так называемой внутренней деформации, приближенно равно:

l = l_Σ – l_лу = σ_Σb / E – αbΔt, см                    (1)

где l_Σ — деформация корочки вследствие возникновения растягивающих напряжений; l_лу — деформация (линейная усадка) корочки в результате снижения ее температуры; σ_Σ — суммарные напряжения в корочке слитка; b — линейный размер рассматриваемого участка корочки слитка; α — коэффициент усадки металла; Δt — разность температур; E — модуль упругости при соответствующих температурах металла.

Если величину внутренней деформации разделим на продолжительность каждого из рассмотренных выше периодов напряженного состояния корочки слитка, то получим представление о характере изменения скорости деформации корочки во времени. Из зависимости (1) видно, что с увеличением линейных размеров слитка величина и скорость внутренней деформации первичной корочки увеличиваются.

Величина зазора была экспериментально определена В.А. Ефимовым при затвердевании слитков из ст. 10, 20, 4Ох, 18хгт, 45Г2 и ст. 65. Установлено, что толщина газового зазора сильно зависима от марки стали.

Не ставя перед собой задачу всесторонне осветить расчет теплопередачи от жидкой стали к охлаждающей воде, методам которого посвящен ряд монографий, отметим в этом статье только особенности теплопередачи через газовый зазор.

Тепловой поток от поверхности затвердевающей заготовки к внутренней поверхности медного кристаллизатора определяется кондуктивной и радиационной теплопередачей:

q_з = (λ_з/ δ)( (Т_пов — Т_кр) + εσ₀ (Т_пов⁴ – Т_кр⁴),                         (2)

где  λ_з— теплопроводность газа в зазоре при температуре (Т_пов + Т_кр)/2; Т_пов—температура поверхности заготовки; Т_кр — температура внутренней поверхности кристаллизатора; δ —толщина газового зазора; ε — приведенная степень черноты контактируемых поверхностей, определяемая из выражения 1/ε = (1/ ε₁) + (1/ε₂) – 1; ε₁ и ε₂ — степень черноты поверхности заготовки и кристаллизатора; σ₀ — постоянная Стефана—Больцмана, равная 5,67 * 10^-8 Вт/(м² * К).

Теплопроводность газов при любой температуре подсчитывают по зависимости:

λ = λ₀ (T / T₀) ⁿ ,                                                (3)

где λ₀ — теплопроводность при T = 0 ⁰C;  T₀, Т— температуры газа соответственно исходная и в процессе теплообмена.

Значение λ₀ и показателя n для различных газов приведены в таблице.

Таблица – Значения λ₀ и n в формуле λ = λ₀ (T / T₀) ⁿ при T₀ = 0 ⁰C

Из приведенной таблицы следует, что при вдувании в зазор водорода коэффициент теплопроводности λ₀ может увеличиться почти в восемь раз по сравнению с воздухом.

Следует отметить, что возможность радиационного теплообмена в условиях высокотемпературного взаимодействия поверхностей еще не исчерпаны. В частности, структура теплового потока излучения в зазоре еще не изучалась в электромагнитном поле, вызывающем довольно значительные флуктуации теплоты. Используя теорию равновесных тепловых флуктуаций, в электродинамике изучался перенос энергии изучения между близко расположенными металлическими поверхностями при низких температурах. При этом одна из поверхностей была резонатором.

Плотность теплового потока в зависимости от расстояния между пластинами в условиях низких температур и вакуума уже подробно рассматривались. Полученные результаты показывают существенное изменение плотности теплового потока лишь после некоторого критического расстояния. Интенсивный рост тепловых потоков наступает после величины зазора, равного трехкратной длине волны теплового излучения:

lT = 3b;    l_кр = 3b / T,                                      (4)

где l — расстояние между поверхностями излучения; Т— температура горячей поверхности; b — опытный коэффициент, b = 0,2898 см * К.

Зазор также определяет границу применяемости закона Стефана—Больцмана. Тепловой поток излучения обычно рассчитывается по зависимости:

q = (σ₀ (Т_пов⁴ – Т_кр⁴)) / (1/ ε₁ + 1/ ε₂ – 1),                               (5)

К сожалению, до сих пор совершенно неясным остается влияние на теплообмен вибрации кристаллизатора или оболочки заготовки, а также продувки газовой среды в зазоре.

Большое внимание к теплопередаче в зазоре связано с тем, что он является главным тепловым сопротивлением при отводе теплоты от затвердевающей заготовки. Это обстоятельство подтверждается следующими простыми соображениями. Процесс теплопередачи в кристаллизаторе от жидкого металла к охлаждающей воде описывается следующей известной зависимостью:

q = (Т_ж — Т_в) / ((1/β_ж) + (ξ/ λ_ст) + Z_заз + (l_м/λ_м) + (1/β_в)),                                             (6)

где q — удельный тепловой поток; β_ж — коэффициент теплопередачи от перегретой жидкой стали к затвердевающей оболочке; ξ — толщина затвердевшего слоя металла оболочки заготовки; λ_ст — коэффициент теплопроводности затвердевшей оболочки; Z_заз — термическое сопротивление зазора;  l_м— толщина медной стенки кристаллизатора; λ_м — коэффициент теплопроводности медной стенки; β_в — коэффициент теплопередачи от медной стенки к воде; Т_ж — Т_в — перепад температуры от жидкой стали к воде.

Сопротивления теплопередаче от жидкого металла к корочке 1/β_ж, через высокотеплопроводную медную стенку кристаллизатора l_м/λ_м к охлаждающей воде весьма незначительны. Поэтому, если обозначить сумму этих сопротивлений через Σ_z = 1/β_ж + l_м/λ_м + 1/β_в то уравнение (6) принимает вид:

q = ΔT / ((ξ/ λ_ст) + Z_заз + Σ_z ,                         (7)

Обычно в кристаллизаторе Σ_z составляет 4...6% от общего сопротивления теплопередачи и ею при расчетах пренебрегают.

Тогда соотношение (7) принимает вид:

q = ΔT / ((ξ/ λ_ст) + Z_заз ,                                 (8)

Из этого уравнения следует, что главное сопротивление теплоотводу от затвердевающей стали создают толщина затвердевшей оболочки металла и газовый зазор. Так как теплопередача через слой металла зависит от теплофизических свойств той или иной марки стали, то единственным параметром, через который мы можем управлять процессом затвердевания, остается регулирование образования зазора и условия теплопередачи в нем.

Интересное по теме: