POROVNÁNÍ SOUČINITELE SDÍLENÍ TEPLA PŘI VODOVZDUŠNÉM A VODNÍM CHLAZENÍ. Jiří Molínek Miroslav Příhoda Leoš Václavík:

Transkript

1 POROVNÁNÍ SOUČINITELE SDÍLENÍ TEPLA PŘI VODOVZDUŠNÉM A VODNÍM CHLAZENÍ. Jiří Molínek Miroslav Příhoda Leoš Václavík: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Abstrakt K poznání složitých termokinetických dějů ochlazování předlitků slouží matematické simulace, které využívají převážně výsledků laboratorních a provozních experimentů. Odvod tepla v sekundární oblasti chlazení předlitků je úměrný velikosti součinitele sdílení tepla α, jehož hodnota se stanovuje laboratorními experimenty na teplém modelu sekundárního chlazení zařízení plynulého odlévání. Chladicí účinky vodních trysek JATO a vodovzdušných trysek LECHLER, byly ověřovány na fyzikálním modelu katedry tepelné techniky VŠB-TU. Výsledky jsou vyhodnoceny v 3D grafech jako závislost součinitele přestupu tepla α na souřadnicích x, y. Z porovnání vyplývá vysoká účinnost vodovzdušného chlazení, která je dána jemným rozprášením kapek chladicí vody a její značnou kinetickou energií, což významně ovlivňuje povrchovou kvalitu plynule odlévané oceli. Abstract Mathematical simulations, which utilise results of laboratory and operational experiments, are used for recognition of complex thermokinetical processes during strand cooling. Heat removal in the secondary cooling zone is proportional to the heat transfer coefficient α, which value is determined by laboratory experiments carried out at the hot model of secondary cooling zone. Cooling effects of JATO water nozzles and LECHLER water-air nozzles have been verified at the physical model at the Department of Thermal Engineering of the VŠB-Technical University. Results are evaluated in 3D graphs as a dependence of the heat transfer coefficient α on co-ordinates x, y. From comparison of the nozzles follows a high performance of water-air cooling, which is achieved by fine spraying of cooling water and its considerable kinetic energy, what meaningfully influences a surface quality of the continuously cast steel. 1 Úvod Intenzita chlazení v sekundární zóně moderních ZPO je obvykle řízena podle modelu tuhnutí, pomocí jedné povrchové teploty předlitku, měřené nejčastěji na konci sekundární zóny [1]. V článku [2] se uvádí, že seřízení sekundárního chlazení podle jediné teploty není správné. Tvorba povrchových i vnitřních trhlin při plynulém lití je závislá na průběhu chlazení předlitku v primární a sekundární zóně. Z těchto důvodů je doporučován systém řízení sekundárního chlazení se zpětnými vazbami od většího počtu čidel, zjišťujících teploty povrchu předlitku ve více místech sekundární zóny. V článku [3] je pojednáno o dynamickém modelu sekundárního chlazení, podle kterého je řízena intenzita ostřiku předlitku tak, aby povrchová teplota byla udržována na konstantní, předem zadané hodnotě, nezávisle na rychlosti lití, teplotě tekuté oceli a intenzitě odvodu tepla v krystalizátoru. Model přináší zlepšení kvality předlitků a snížení výrobních nákladů. 1

2 Je zřejmé, že ideální řízení procesu lití na ZPO souvisí s přesnou znalostí povrchových podmínek ve všech oblastech chlazení předlitku. V publikaci [4] byl představen jednorozměrný model pro simulaci podmínek odvodu tepla mezi dvojicí válečků v zóně sekundárního chlazení. Model počítá teplotní pole na povrchu předlitku a rozložení teplot v licí kůře a v plastické zóně. Model byl použit pro inverzní výpočet součinitele přestupu tepla z měřených povrchových teplot. Dobrá shoda mezi modelem a dílem byla ověřena porovnáním vypočtených a naměřených povrchových teplot předlitku v určitém místě chladicí zóny. Na katedře tepelné techniky VŠB TU je sekundární oblast chlazení předlitku posuzována ze dvou hledisek: Hledisko rovnoměrné distribuce chladicí vody, stanovením ostřikových charakteristik. Stanovení rozložení součinitele přestupu tepla v jednotlivých místech ostřikového obrazce (3D graf). Obě hlediska jsou stanovovány experimentálně na laboratorním studeném i teplém modelu sekundární oblasti chlazení ZPO, pro konkrétní typy trysek a příslušné technologické podmínky, jakými jsou tlak chladicí vody resp. i vzduchu, rychlost lití, teplota povrchu předlitku, vzdálenost trysky od ochlazovaného povrchu, včetně rozteče mezi jednotlivými tryskami. Z výsledků laboratorních experimentů je hledána případná souvislost mezi intenzitou odvodu tepla a ostřikovou charakteristikou daného typu chladicí trysky. 2 Vodní a vodovzdušné chlazení V sekundární oblasti chlazení ZPO se používají dva typy chladicích systémů, a sice jednosložkové nebo dvousložkové. Optimální sekundární chlazení musí splňovat následující požadavky: rovnoměrné chlazení povrchu předlitku po šířce a výšce sekundární oblasti chlazení, zvýšená intenzita chlazení v důsledku vysokého podílu odpařené chladicí vody, krátká doba kontaktu neodpařené vody s předlitkem, široký rozsah regulovatelnosti intenzity ostřiku podle vyráběných druhů oceli, stabilní charakteristika ostřiku, minimální údržba chladicího systému. Převažující jednosložkové chlazení u tuzemských ZPO, používá k ostřiku jako chladicí médium vodu. Voda je mechanicky nebo častěji tlakově rozstřikována ve formě malých kapek na povrch předlitku. Trysky používané k rozstřiku vody na povrch předlitku se odlišují tvarem ostřikované plochy, která může být eliptická, kruhová, plochá nebo ve tvaru mezikruží. U dvousložkových systémů se zpočátku užívaly parovodní trysky, které však byly postupně nahrazovány tryskami vodovzdušnými. Tlakový vzduch uděluje vodním kapkám značnou kinetickou energii, odstraňuje z povrchu předlitku vznikající páru a zjemňuje stupeň rozprášení. Průměr kapiček je 2 až 10 krát menší, než u chlazení vodního [5]. Přes řadu výhod, které sebou aplikace vodovzdušných trysek přináší, neuplatňují se u současných licích strojů v takové míře, jak se před časem předpokládalo. Příčinu lze hledat jak v možných 2

3 komplikacích provozu, tak i ve vyšších investičních ale zejména provozních nákladech. V současné době jsou vodovzdušné trysky aplikovány v první chladicí zóně sekundárního chlazení převážně u bramových ZPO. 3 Laboratorní experimentální výzkum Laboratorní model sekundární oblasti chlazení na katedře tepelné techniky VŠB-TU Ostrava umožňuje měření ostřikových charakteristik trysek i místních hodnot součinitele přestupu tepla ostřikem. Původní dva fyzikální modely, studený a teplý, byly po rekonstrukci spojeny a na zařízení tak lze provádět jak studené, tak i teplé zkoušky trysek. Princip měření se nezměnil a odpovídá popisu již dříve uvedenému v příspěvku [6]. Fotografie studeného modelu po rekonstrukci při měření charakteristik ostřiku trysky JATO 4090 je uveden na obr. 1. Obr. 1 Měření charakteristiky ostřiku na studeném modelu ZPO 3.1 Ostřikové charakteristiky trysek Pro sekundární chlazení ZPO 1 TŽ-Třinec a.s. byly na studeném modelu sekundární oblasti ZPO proměřeny všechny typy používaných trysek. Ostřikové charakteristiky byly vyhodnoceny jak pro předlitky kruhového tak kvadratického průřezu. Rovněž byly ověřeny vzájemné rozteče dvojic trysek z hlediska rovnoměrnosti ostřiku v jednotlivých horizontálních rovinách. Nejpoužívanější vodní tryska JATO 4090 s kuželovým rozstřikem byla měřena pro vzdálenosti trysky od předlitku 70 mm, 105 mm a 150 mm, v rozsahu tlaků vody 0,2 MPa až 0,8 MPa. Vzdálenosti trysek byly voleny v souladu s umístěním trysek v provozních podmínkách. Vodní tryska používá k ostřiku jako chladicí médium filtrovanou vodu zbavenou 3

4 mechanických nečistot. Voda je tlakově rozstřikována ve formě malých kapek na povrch předlitku. Na obr. 2 je vyhodnocena ostřiková charakteristika trysky JATO 4090 pro tlak chladicí vody 0,2 MPa až 0,8 MPa, pro vzdálenost trysky od předlitku 70 mm. 4

5 OSTŘIKOVÁ CHARAKTERISTIKA intenzita ( m 3.m -2.s -1 ) Šířka předlitku ( mm ) 0.2 MPa 0.4 MPa 0.6 MPa 0.8 MPa Obr. 2 Ostřiková charakteristika trysky JATO Součinitel přestupu tepla při ostřiku Za účelem porovnání součinitelů přestupu tepla vodních a vodovzdušných trysek byla na teplem modelu proměřena vodní tryska JATO 4090 a vodovzdušná tryska LECHLER Součinitel přestupu tepla pro vodní trysku byl stanoven v rozsahu tlaků vody 0,2 MPa až 0,8 MPa. Maximální velikost součinitelů přestupu tepla byla změřena 1011 W.m -2.K -1 až 2188 W.m -2.K -1, jehož rozložení v 3D grafu pro tlak vody 0,6 MPa je uvedeno na obr. 3. Tlak vody 0,2 MPa α = 1011 W.m -2.K -1, Tlak vody 0,4 MPa α = 1392 W.m -2.K -1, Tlak vody 0,6 MPa α = 1795 W.m -2.K -1, Tlak vody 0,8 MPa α = 2188 W.m -2.K -1, Laboratorní model sekundární oblasti chlazení, původně postavený ke zkoušení vodních trysek, byl roce 2001 upraven tak, že lze na něm testovat i trysky vodovzdušné. K ověření byla vybrána dvojitá vodovzdušná tryska, používaná na bramovém licím stroji. Tryska byla proměřena na teplém modelu ve třech variantách. 5

6 Tlak vody 0,135 MPa α = 5725 W.m -2.K -1 Tlak vody 0,145 MPa α = 5946 W.m -2.K -1 Tlak vody 0,165 MPa α = 6156 W.m -2.K -1 6

7 Tlak vzduchu byl zvolen pro všechny varianty v hodnotě 0,2 MPa, tlak vody se měnil v rozsahu 0,135 až 0,165 MPa. Rozložení součinitele přestupu tepla pro tlak vody 0,165 MPa, je zobrazeno na obr. 4. Obr. 3 3D graf součinitele přestupu tepla pro vodní trysku JATO 4090 Obr. 4 3D graf součinitele přestupu tepla pro vodovzdušnou trysku LECHLER

8 Výsledky měření vodních a vodovzdušných trysek prokázaly, že součinitel přestupu tepla u vodovzdušné trysky LECHLER je pro uvedené rozsahy tlaků tři až pětinásobně vyšší než u vodní trysky Jato

9 4 Závěr Laboratorní model sekundární oblasti chlazení na katedře tepelné techniky VŠB-TU Ostrava umožňuje měření ostřikových charakteristik trysek i místních hodnot součinitele přestupu tepla ostřikem. Sloučením dvou fyzikálních modelů, studeného a teplého, byly po rekonstrukci vytvořeny podmínky pro komplexní zkoušení trysek. Z výsledků měření ostřikových charakteristik provedených na studeném modelu vyplývá, že z vyhodnocených ostřikových charakteristik trysek lze stanovit závislost intenzity ostřiku na tlaku chladicí vody, a určit počty trysek v jednotlivých horizontálních rovinách za účelem zrovnoměrnění odvodu tepla po obvodu předlitku. Na teplém modelu jsou stanovovány hodnoty součinitelů přestupu tepla konkrétních trysek, které pro praktické účely vyjadřují jejich skutečné chladicí účinky. Měření prokázala, že součinitel přestupu tepla u vodovzdušné trysky LECHLER je pro uvedené rozsahy tlaků tři až pětinásobně vyšší než u vodní trysky Jato Větší tlak chladicí vody vždy neznamená u vodovzdušných trysek automatický nárůst intenzity odvodu tepla z povrchu předlitku. Rovněž byl naměřen rozdíl v intenzitě chlazení nad a pod tryskou, který vzniká působením gravitace na proud vodních kapek. Změřenými součiniteli přestupu tepla jsou zpřesňovány okrajové podmínky počítačových programů, určených pro řešení teplotních polí tuhnoucích a chladnoucích předlitků všech typů ZPO. LITERATURA: [1] Shichkov, A. N. Bashirov, N. G. Bykasova, E. N.: Cooling control of ingot casted in continuous casters. Stal', No 7, July p [2] Smirnov, A. A. Parfenov, E. P.: On the calibration of systems for secondary cooling in slab continuous casters. Stal', No 6, June p [3] Yaukhola, M. aj.: Dynamic model of secondary cooling system for billet conticaster. Stal' No 2, Feb p [4] El-Bealy, M. Leskinen, N. Fredriksson, H.: Simulation of cooling conditions in secondary cooling zones in continuous casting process. Ironmaking and Steelmaking v 22, n 3, p [5] Šmíd, J. aj.: Problematika sekundárního chlazení na sochorových a blokových ZPO. Výzkumná zpráva. Ostrava, prosinec s. [6] Příhoda, M. aj.: Stanovení součinitele přestupu tepla v sekundární oblasti chlazení při plynulém odlévání oceli. Hutnické listy LIV, 1999, č. 7/8, s [7] Molínek, J. aj.: Odvod tepla při chlazení vodovzdušnými tryskami. Sborník 20. mezinárodní konference pracovníků kateder a ústavů vyučujících mechaniku tekutin a termomechaniku. Kouty nad Desnou, červen 2001, s ISBN Výzkum probíhá v rámci řešení grantového projektu - evidenční číslo 106/02/0116 za finanční podpory Grantové agentury ČR. 9

10 10