SU1091989A1 - Ультразвуковой теплообменник дл разливки металла - Google Patents

Abstract

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА, содержащий охлаждаемый корпус с двум  крышками, соосно установленные в нем охлаждаемый стакан, бандаж и по меньшей мере два кольцевых электромеханических преобразовател , о т л и ч аю щ и и с   тем, что, с целью упрощени  процесса сборки и демонтажа, а также повышени  КПД, бандаж вьтолнен составным из колец, установленных по высоте стакана встык между крышками корпуса и преобразовател ми и в проемах между преобразовател ми , причем высота кольца составл ет

Description

Изобретение относитс  к металлургии , а именно к устройствам дл  обработки металла при непрерьшной разливке . Известно устройство дл  разливки металла через охлаждаемый стакан, в котором,с целью устранени   влени  образовани  твердой корочки металла на внутренней поверхности стакана, на него воздействуют колебани ми, получаемыми за счет электрических разр дов в жидкости, охлаждающей внешнюю поверхность стакана ij Однако известное устройство характеризуетс  значительной потерей энергии колебаний .при передаче ее из жидкости, охлаждающей стакан, в разливаемый металл, вследствие чего становитс  возможным замораживание проточного канала стакана и воз действие развитой кавитации на внеш1ПОЮ поверхность стакана, резко сокра щающей срок его службы. Использование колебаний, получаемых с помощью ультразвуковых преобразователей , позвол ет повысить надежность в работе охлаждаемых ста канов и увеличить срок их службы. Известен ультразвуковой теплообменник , в котором на внешней поверхности охлаждаемого стакана, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью , жестко закреплены два магнитострикционных ультразвуковых преобразовател  кольцевого типа zl . Недостатками этого ультразвукового теплообменника  вл ютс  неравноме ность излучени  колебаний внутренней поверхностью проточного канала стакана по его высоте и нарушение акустического контакта между преобразова тел ми и охлаждаемым стаканом в процессе работы теплообменника, снижающие эффективность ультразвукового во действи  на разливаемый металл. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату  вл етс  ультразвуковой теплообменник , в котором, с целью обеспечени  качественного акус тического контакта и устранени  неравномерности излучени  колебаний, на внешней поверхности охлаждаемого стакана выполнены продольные пазы и жестко закреплен бандаж, на котором в свою очередь, закреплены два элект ромеханических преобразовател  кольц 9г вого типа. В этом теплообменнике, включающем охлаждаемый корпус, выполненный в виде полого цилиндра с двум  крьшжами, бандаж изготовлен из титана, а охлаждаемый стакан - из ,меди З .0 Однако известньм ультразвуковой теплообменник имеет, р д недостатков, обусловленных тем, что дл  увеличени  изгибной жесткости колебательной системы, состо щей из. кольцевых преобразователей , набранных из магнитострикционных пластин, и охлаждаемого стакана, т.е. дл  обеспечени  излучени  стаканом только радиальных колебаний , а также дл  создани  качественного акустического .контакта между стаканом и бандажом, последним и каждым из преобразователей, бандаж вьтолнен ввиде массивного полого цилиндра и с тугой посадкой закреплен на охлаждаемом стакане. Вследствие этого значительна  часть акустической энергии, излучаемой преобразовател ми , тер етс  при прохождении через бандаж (потери за счет поглощени ) и через границы раздела между преобразовател ми и бандажом, бандажом и охлаждаемым стаканом (потери за счет рассе ни ) , вследствие чего эффективность работы ультразвукового теплообменника, т.е. его КПД резко сни ;аетс . Кроме того, сборку колебательной системы, в которую входит и бандаж, необходимо вести с использованием жидкого азота (нагрев преобразователей , состо щих из склеенных между собой пластин, исключен) и прессового оборудовани  (материал бандажа имеет незначительный коэффициент линейного расширени ) со спетщальНым центрирующе-фиксирующими приспособлени ми, а также демонтаж колебательной системы, обусловленный необходимостью замены охлаждаемого стакана в случае его повреждени  или полного износа, вследствие тугой посадки элементов колебательной системы, становитс  неосуществи мьм , Tak как нарушаетс  склейка плас.тин , и преобразователи разрушаютс . Цель изобретени  - упрощение процесса сборки и демонтажа, повьш1ение КПД. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в ультразвуковом теплообменнике дл  разливки металлов, содержащем охлаждаемьй корпус с двум  крьщпсами.

соосно установленные в нем охлаждае .мый стакан, бандаж, и по меньшей мере два кольцевых электромеханических преобразовател , бандаж выполнен составным из колец, установленных по высоте стакана встык между крышками корпуса и преобразовател ми и в проемах между преобразовател ми, причем высота кольца составл ет (0,3-1) высоты преобразовател , а его толщина соответственно равна (5-10)h IQ/Су где h - высота кольца, i резонансна  частота колебательной системы, С - скорость звука в материале колец бандажа.

При этом-кольца бандажа и преобразователи вьтолнены с одинаковыми внутренними диаметрами.

Кроме того, бандаж изготовлен из материала с коэффициентом линейного расширени , равным коэффициенту линейного расширени  материала преобразовател .

На фиг. 1 схематически представлен предлагаемый ультразвуковой теплообменник , вертикальный разрез, на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1.

В ультразвуковом теплообменнике, устанавливаемом на кристаллизаторе 1 внутри охлаждаемого корпуса, состо щего из полого цилиндра 2 и двух крышек 3 и. 4 соответственно верхней,  вл ющейс  съемной, и нижней, приваренной к цилиндру 2, установлен охлаждаемый стакан 5, изготовленный из меди. На его внешнюю поверхность, на которой выполнены продольные пазы 6 пр моугольного сечени , образующие ребра 7, одеты набранные из кольцевых пластин, изготовленных из сплава К-65, электромеханические преобразователи 8-10, снабженные обмотками П возбуждени , и бандаж, выполненный в виде отдельных колец 12, изготовленных из стали 2X13. Кольца бандажа установлены по высоте охлаждаемого стакана 5 встык между преобразовател ми и между крайними преобразовател ми 8 и 10 и крышками 3 и 4 охлаждаемого корпуса, причем нижнее и верхнее кольца бандажа выполнены с отверсти ми 13 и 14 соответственно дл  обеспечени  прохождени  охладител  по пазам 6 охлаждаемого стакана 5. Количество отверстий в каждом из крайних колец бандажа соответствует чисг лу пазов 6 в .охлаждаемом стакане 5, что позвол ет наиболее равномерно осуществл ть распределение охладител  по поверхности стакана 5, обеспечива  тем самьш стабильность в его работе с точки зрени  теплоотвода. Дл  подачи охладител  в ультразвуковой теплообменник и его отвода в нижней крьшже 4 охлаждаемого корпуса вьлолнены каналы 15 и 16 соответственно, причем подающие каналы 15 объединены фигурной выточкой 17, равномерно распредел ющей охладитель перед его прохождением через отверсти  13 нижнего кольца бандажа. Внутри охлаждае- мого корпуса установлены два Г-образ-

ных обтекател  18,обеспечивающие,с

точки зрени  охлаждени  преобразователей , наиболее рациональное прохождение охладител  через его полость,В тело -охлаждаемого стакана 5 сверху и снизу

введены огнеупоры 19 и 20, верхний из которых соединен с приемной воронкой Г 21, жестко закрепленной на крьшже 3 посредством прижимной планки 22. Герметизаци  ультразвукового теплообменника осуществлена посредством р да прокладок (затушеваны).

Ультразвуковой теплообменник работает следующим образом.

Перед разливкой металла производитс  сборка теплообмнника, после которой в него через каналы 15 подают охладитель, например техническую воду. По каналам 15 вода поступает в фигурную выточку 17, а из нее через отверсти  13 нижнего кольца 12 бандажа -.в продольные пазы 6 охлаждаемого стакана 5. Пройд  по ним и охладив поверхность стакана 5, вода через отверсти  14 верхнего кольца 12 банДажа поступает в охлаждаемый корпус и омьшает поверхности преобразовадТелей 8-10. Охладив преобразователи, вода через каналы 16 выходит из ультразвукового теплообменника.

После запитки ультразвукового

теплообменника водой с помощью газовой горелки начинают прогрев огнеупоров 19 и 20 и приемной воронки 21. Одновременно с их прогревом происходит и разогрев стакана 5, которьй осуществл етс  за счет прохождени  продуктов сгорани  через его канал. Вследствие того, что охлаждаемый стакан

изготовлен из меди, характеризующейс  большим коэффициентом линейного расширени  (16,6 х 10 ), разогрев стакана приводит к увеличе кию его внешнего диаметра на 100150 мк. При этом, в силу того, что коэффициенты линейного расширени  материалов колец бандажа (сталь 2X1 /и материала преобразователей(сплав К-65)близки между собой (10,7 х X 10 град ) и примерно в 1,6 ра ниже чем у материала охлаждаемого стакана, а их внутренние диаметры то . ко на 30-40 мк превышают внешний диа метр сгакана до начала его прогрева (скольз ща  посадка).реализуетс  туг посадка преобразователей 8-10 и колец бандажа 12 на охлаждаемый стакан 5, чем и обеспечиваетс  надежный аку тический контакт и изгибна  жесткост колебательной системы. После прогрева огнеупоров, приёмной воронки и охлаждаемого стакана на обмотку 1I-возбуждени  преобразователей 8-19 подают переменное напр жение резонансной частоты. Под воздействием магнитного пол  они во буждаютс  и начинают совершать радиальные осесимметричные колебани , которые передаютс  охлаждаемому стакану 5. I После наезда разливочного ковша 23открывают его стопорный затвор 24и начинают разливку металла 25, например углеродистой стали 45, в кристаллизатор 1, имеющий сечение, равное, например, 250x360. При этом 25 с температурой жидкий металл 1520-1530°С попадает в приемную воронку 21 и через огнеупорный стакан 19 поступает в проточный канал охлаждаемого стакана 5, где он охлаждаетс  и обрабатываетс  ультразв ковыми колебани ми. В результате охлаждени  металла на стенке проточного канала стакана 5 образуетс  тонка  корочка металла Под воздействием ультразвуковых колебаний стенок стакана 5 корочка ра рушаетс , а в жидкой фазе обрабатываемого металла интенсифицируетс  перемешивание. В силу этого увеличиваетс  общий теплосъем от расплав ленного металла. Одновременно с этим металл, имеющий на вькоде из ультра звукового теплообменника температуру 1500 С, обогащаетс  частичками твердой фазы - разрушенной корочки металла, которые снос тс  струей жидкого металла, и поступает в крис таллизатор 1, в котором затвердевае Весовой расход жидкой стали через проточный канал охлаждаемого стакан при его диаметре в 25 мм составл ет 15-20 т/ч, а скорость выт гивани  слитка 0,4-0,5 м/мин. После окончани  разливки прекращают возбуждение преобразователей и подачу охладител  как в ультразвуковой теплообменникj так и в кристаллизатор . В предлагаемом теплообменнике кольца бандажа выполнены с высотой h и толщиной OK соответственно, равными HO 0,3 НпИ 5 hio /С, где Нп высота преобразовател ,f -резонансна  частота колебательной системы, Гц, С - скорость звука в материале колец м/с. Экспериментально установлено, что уменьшение высоты кольца меньше указанного нижнего предела, ухудшает услови  охлаждени  преобразователей, а следовательно, уменьшает эффективность их работы и снижает общий тепловой поток от расплавленного металла. Вьтолнение колец с высотой, большей указанного верхнего предела, приводит к снижению жесткости самих колец и колебательной системы в целом и к возможности возбуждени  непредусмотренных изгибных типов колебаний стакана 5, что также снижает эффективность работы колебательной системы . Выполнение колец толщиной меньше указанного нижнего предела, приводит к изгибным ультразвуковым кол.ебани м , а с толщиной -большей указанного верхнего предела - к затруднению отвода от поверхности охлаждаемого стакана. В ультразвуковом теплообменнике, работающем на частоте 19,5 кГц, при толщине пакета преобразовател  20 мм,  вл ющейс  наиболее эффективной при работе на охлаждаемый стакан с вы- шеуказанным размером, оптимальна  высота колец равна 12 мм, а толщина 3 мм. Выполнение колец бандажа и преобразователей с «одинаковыми внутренними диаметрами и из материалов, обладающих равными коэффициентами линейного расширени  (оптимальный вариант их выполнени ), обеспечивает им в процессе работы ультразвукового теплообменника качественный, т.е. одинаковый по величине возникающих усилий, контакт с поверхностью охлаждаемого стакана при соответствующем внешнем диаметре последнего ( скольз ща  посадка) .Однако в практической де  тельности вьшеуказанного равенства добитьс  очень трудно, в св зи с че за основополагающий фактор при изго товлении ультразвукового теплообмен ка предлагаемой конструкции следует принимать материал преобразовател  и его внутренний диаметр, учитыва  их при расчете внутреннего диаметра колец бандажа и принима  во внимани то обсто тельство, что более туга  посадка колец бандажа на охлаждаемый стакан в сравнении с посадкой на него преобразователей  вл етс  наиболее целесообразной с акустической точки зрени , нежели обратна Изготовление ультразвукового теплообменника без соблюдени  условий, касающихс  соответстви  между собой внутренних диаметров колец бандажа и преобразователей и коэффициентов линейного расширени  их материалов, а также вьтолнение их с диаметрами, не отвечающими требовани м скольз щей посадки на водоохлаждаемый стакан , не обеспечивает качественного контакта между звень ми колебательной системы,и, следовательно, КПД . ультразвукового теплообменника не увеличиваетс . Дл  определени  оптимальных размеров колец бандажа, а также дл  оценки КПД предлагаемого и известно го теплообменников, были приведены экспериментальные исследовани , результаты которых представлены в таблице. Ультразвуковые теплообменники содержали по два кольцевых маг нитострикционных преобразовател , изготовленных из сплава К-65 и имею щих высоту пакета, равную 25 мм; водоохлаждаемые медные стаканы высо той от 80 до 155 мм с BHemHiM и внутренним диаметрами, соответствен но равными 60 мм и 25 мм. Ультразвуковой теплообменник был опробован в услови х НПО Тулачерме при непрерывнон разливке стали марки ШХ15. Сопоставительный анализ известного и предлагаемого ультразвуковых теплообменников показьшает значительные преимущества последнего. Так, например , непосредственное расположение преобразователей на поверхности охлаждаемого стакана позвол ет сократить потери ультразвуковой энергии при ее передаче в объект обработки и тем самым повысить КПД колебательной системы при сохранении ее высокой изгибной прочности. Вместе с этим повышению КПД способствует также и то, что внутри полого корпуса установлены Г-образные обтекатели, позвол ющие улучшить охлаждение пре- образователей и тем самым повысить их КПД, а следовательно, и КПД всего ультразвукового теплообменника. Предлагаемое техническое решение позвол ет увеличить электроакусти-ческий КПД известного теплообменника при работе на расплавленный металл примерно в 2 раза с 10-11 до 20-21% и за счет этого значительно улучшить качество литого металла. Кроме того конструкци  предлагаемого теплообменника, вследствие выполнени  колец бандажа и преобразователей с внутренним диаметром, обеспечивающим скольз щую посадку | на охлаждаемый стакан,в значительной степени облегчает его монтаж,позвол   отказатьс  от использовани  специальных приспособлений,а демонтаж позвол ет производить без разрушени  преобразователей . При этом использование стали дл  изготовлени  бандажа вместо дефицитного титана позвол ет снизить стоимость ультразвукового теплообмен ника.. Ожидаемый экономический эффект от использовани  одного ультразвукового теплообменника предлагаемой , конструкции при разливке углеродистых сталей может составить не менее 50000 руб. в год.

Известный

Предлагав- 80 мый

Предлагаемый

cpue.Z

Claims (3)

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ РАЗЛИВКИ МЕТАЛЛА, содержащий охлаждаемый корпус с двумя крышками, соосно установленные в нем охлаждаемый стакан, бандаж и по меньшей мере два кольцевых электромехани ческих преобразователя, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью упрощения процесса сборки и демонтажа, а также повышения КПД, бандаж выполнен составным из колец, установленных по высоте стакана встык между крышками корпуса и преобразователями и в проемах между преобразователями, причем высота кольца составляет (0,3-1) высоты преобразователя, а его толщина соответственно равна (5-10) hf₀/c, где h - высота кольца,

J_o - резонансная частота колебательной системы, С - скорость звука в материале колец бандажа.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что кольца бандажа и преобразователи выполнены с одинаковыми внутренними диаметрами.

3. Теплообменник по п.1, о т лич ающийс я тем, что бандаж изготовлен из материала с коэффициентом линейного расширения, равным коэффициенту линейного расширения материала преобразователя.

_n»SU 1091989 >