зона вторичного охлаждения (ЗВО) заготовки начинается непосредственно под кристаллизатором. Это обусловливается тем фактом, что твердая корочка металла, сформировавшаяся в кристаллизаторе, еще весьма тонкая и недостаточно прочная и требует дальнейшего ее наращивания. В современных МНЛЗ протяженность зоны вторичного охлаждения в зависимости от сечения заготовки и скорости литья может составлять от 8-10 м до нескольких десятков метров. При этом она может продолжаться вплоть до тянуще-правильной клети.
Конструкция ЗВО состоит из системы опорных элементов (роликов), поддерживающих и направляющих заготовку, и устройств, обеспечивающих охлаждение слитка за счет впрыскивания охлаждающей воды, расположенных между роликами. Точность расположения опорных роликов является весьма важным элементом в системе обеспечения качества непрерывнолитой заготовки, поскольку любые отклонения положения роликов от номинальной позиции приводят к дополнительной деформации заготовки в процессе ее движения по ЗВО.
Для обеспечения равномерного охлаждения заготовки по длине ЗВО обычно разбивается на несколько секций. Как правило, их число колеблется от 3 до 5 для сортовых и блюмовых МНЛЗ и от 8 до 15 для слябовых. Разбивка ЗВО на сегменты упрощает монтажные работы на МНЛЗ, а также позволяет выполнять настройку сегментов за ее пределами. В конструкционном плане сегменты представляют собой две сварные рамы с роликами, которые жестко стянуты между собой специальными стяжками.
В металлургической практике предпочтение отдается цельнокованым толстостенным роликам, имеющим различные системы внутреннего водяного охлаждения. Ролики без внутреннего охлаждения водой используются, как правило, в сортовых и блюмовых МНЛЗ. Их охлаждение достигается путем орошения водой, разбрызгиваемой для охлаждения заготовки.
В целом опорные ролики МНЛЗ работают в достаточно сложных условиях, поскольку находятся в зоне повышенных температур и испытывают высокие нагрузки, связанные с поддержкой заготовки. Температурный режим охлаждения опорных роликов представляется достаточно важным фактором, обеспечивающим их эксплуатационную стойкость. При этом рабочая поверхность роликов постоянно контактирует с горячей поверхностью заготовки, и ролики соответственно подвергаются сильному температурному воздействию.
Если интенсивность водяного охлаждения оказывается недостаточной, то термические нагрузки на поверхность роликов приводят к появлению на их рабочей поверхности трещин (так называемый «разгар»), которые отрицательно влияют на качество поверхности заготовки, а также приводят к поломке роликов. Дополнительным фактором, влияющим на качество поверхности заготовки в случае недостаточного охлаждения роликов, является развитие явления «налипания» окалины на их рабочую поверхность. Налипшие куски окалины травмируют поверхность сляба, оставляя в нем соответствующие вмятины.
Между тем, функции поддерживающих устройств не ограничиваются только сохранением геометрической формы заготовки. Кроме того, заготовку необходимо непрерывно вытягивать из кристаллизатора, перемещать ее вдоль технологической линии МНЛЗ одновременно с ее выпрямлением (а для криволинейных МНЛЗ еще и загибом).
Для равномерного вытягивания заготовки необходимо создать определенное усилие между роликами и формирующимся слитком. Усилие прижима, передаваемое роликами на слиток, должно быть равно или несколько превышать (10-15%) ферростатическое давление жидкой фазы слитка на ролики. Оно обеспечивается с помощью гидравлических или пружинных устройств, расположенных на верхней раме. Для предотвращения большой деформации слитка от давления роликов между верхней и нижней рамами устанавливаются специальные упоры. При этом для того, чтобы уменьшить растягивающие усилия, действующие во время вытягивания на его оболочку, целесообразно распределить приводные ролики по всей длине технологической линии. В большинстве случаев делают приводными часть нижних роликов, распределяя приводы равномерно по длине машины.
Равномерное охлаждение непрерывнолитой заготовки является наиболее важной задачей, решаемой в зоне вторичного охлаждения. При этом заготовка, выходящая из кристаллизатора, имеет твердую корочку толщиной 15-35 мм, а также жидко-твердую зону и внутреннюю зону с жидкой фазой, имеющую температуру стали на уровне температуры ликвидус.
Отвод тепла от поверхности заготовки в ЗВО достигается путем интенсивного опрыскивания ее поверхности водой или водовоздушной смесью, отвода тепла к поддерживающим роликам с внутренним охлаждением, вследствие конвекции и лучеиспускания в окружающую среду (рисунок 3).
Рисунок 3. Характер отвода тепла от заготовки в ЗВО
Обычно струйное охлаждение применяется в зоне, непосредственно расположенной под кристаллизатором, а также в следующей после нее зоне. В зоне подбоя форсунки расположены таким образом, что струи направлены под углом к днищу кристаллизатора. При этом вода не попадает в проем кристаллизатора, а направляется на опорные ролики, обеспечивая этим дополнительное их охлаждение. В зонах 1 и 2 форсунки располагаются аналогичным образом, то есть часть струи омывает ролики при любых расходах воды, дополнительно их охлаждая.
Для слябовых МНЛЗ устанавливаются несколько форсунок в растворе роликов (рисунок 4). При этом предварительно необходимо определить участки перекрытия струй, что позволяет обеспечить равномерное распределение воды по всей ширине охлаждения. Дополнительные технические затруднения вызывает расположение форсунок в ЗВО современных слябовых МНЛЗ, которые имеют возможность изменения ширины сляба в процессе разливки.
Большим недостатком системы водяного охлаждения при подаче охладителя через форсунки является также высокая неравномерность охлаждения поверхности слитка даже на сравнительно небольших ее участках в пределах одной секции по ее длине. Это объясняется схемой подачи воды в зазор между роликами. Поэтому участки слитка, перекрытые роликами, не получая необходимого охлаждения, перегреваются, а открытые участки, имеющие небольшую ширину, переохлаждаются. В результате разница температур на сравнительно небольших участках достигает 120-150 С. Такое циклическое изменение режима нагрев-охлаждение происходит по всей зоне водяного охлаждения и, многократно повторяясь, приводит к возникновению дополнительных напряжений в корке слитка и, как правило, к появлению трещин.
Рисунок 4. Схема расположения форсунок в растворе роликов