автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование теплового взаимодействия в системе "кристаллизатор МНЛЗ-слябовая заготовка" и совершенствование конструкции рабочей стенки кристаллизатора

На правах рукописи

СУХАРЕВ Роман Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ

«КРИСТАЛЛИЗАТОР МНЛЗ - СЛЯБОВАЯ ЗАГОТОВКА» И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕЙ СТЕНКИ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы

(металлургическое производство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0034Б <-<=>-з

Череповец 2009

003467631

Работа выполнена в Череповецком государственном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Кабаков Зотей Константинович

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор

Мухин Владимир Васильевич

- кандидат технических наук Алексеев Алексей Васильевич

Ведущее предприятие - ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ

им. академика Целикова А.И.»

Зашита диссертации состоится « 17 » апреля 2009 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.01 в Череповецком государственном университете по адресу: 162600, г. Череповец Вологодской обл., пр. Луначарского, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета.

Автореферат разослан « 16» марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Никонова Е. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), так как в нем происходит формирование оболочки слитка и отводится до 25 % теплоты кристаллизации металла. Установлено, что подавляющее число поверхностных дефектов слитка (продольные и поперечные горячие трещины, ужимины, плены, паукообразные трещины) зарождаются в кристаллизаторе.

Возможность возникновения поверхностных дефектов и допустимая скорость разливки во многом зависят от условий кристаллизации и процессов теплообмена между жидким металлом и рабочими стенками кристаллизатора. Поэтому для повышения качества непрерывного слитка, повышения стабильности работы всей МНЛЗ и её производительности необходимо обеспечение правильной организации теплового режима кристаллизатора, тепловых процессов в начальной стадии затвердевания слитка.

Важное значение для обеспечения хорошей работы кристаллизатора имеет выбор конструктивных параметров его рабочей стенки. Стенки работают в тяжёлых условиях, подвергаясь резким температурным колебаниям и неравномерному нагреву в различных точках, в результате в них возникают высокие термические напряжения.

При проектировании рабочей стенки кристаллизатора необходимо выбирать такие оптимальные геометрические параметры (рабочую толщину стенки, шаг каналов, высоту и толщину ребра), которые обеспечат необходимое тепловое состояние кристаллизатора, т.е. отсутствие кипения на поверхностях каналов охлаждения, превышение значения температуры в любой точке рабочей стенки над температурой разупрочнения (рекристаллизации) материала из которого она изготовлена и равномерность температуры на рабочей поверхности.

В последнее время в производстве непрерывнолитого слитка происходит переход от толстостенных кристаллизаторов со сверлеными каналами охлаждения к тонкостенным с фрезерованными охлаждающими каналами. Однако существующий на данный момент большой объём информации по тепловым процессам, протекающим в кристаллизаторе, относиться в основном к кристаллизаторам со сверлеными каналами охлаждения и не может с достаточной точностью быть применим к тонкостенным кристаллизаторам с фрезерованными охлаждающими каналами.

Исследования же тепловых режимов работы кристаллизатора, позволяющие выявить основные закономерности теплообмена, для тонкостенных кристаллизаторов с фрезерованными охлаждающими каналами в литературе отражены скудно.

В известных работах применяются недостаточно обоснованные допущения. Данные, полученные на конкретном кристаллизаторе, используют при моделировании и исследовании тепловой работы кристаллизатора с другими конструктивными параметрами. Тепловые процессы в рабочей стенке кристаллизатора рассматривают отдельно от слитка. На самом деле, в тепловом

отношении кристаллизатор и слиток тесно связаны между собой, а формирование температурного поля рабочей стенки кристаллизатора и слитка происходит во взаимосвязи. Это всё может привести к большим погрешностям при обосновании конструктивных параметров других рабочих стенок.

Поэтому разработка новых методик расчета теплового состояния и конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора представляется весьма актуальной и целесообразной.

Цель работы.

Совершенствование конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора и режимов его охлаждения, неправленых на повышение производительности МНЛЗ и качества заготовки.

Научная новизна работы.

1. Разработаны стационарная и динамическая модели тепловых процессов, протекающих в слитке и рабочей стенке кристаллизатора, в которых в отличие от известных:

- учитывается влияние шлака в зазоре между слитком и стенкой кристаллизатора на тепловые процессы, протекающие в слитке и рабочей стенке;

- учтён теплообмен излучением между шлаком на поверхности жидкого металла и рабочей стенкой кристаллизатора.

2. Впервые установлен вид функции «связь уровня» (доли контакта между слитком и рабочей стенкой кристаллизатора) при разливке с использованием шлака.

3. Получены новые оценки термических сопротивлений корки, зазора, рабочей стенки и теплоотдачи от стенки к воде при теплопередаче от жидкого металла к охлаждающей воде и закономерности их изменения. В отличие от известных, данные получены при повышенных скоростях разливки для кристаллизатора, рабочие стенки которого изготовлены из сплава МСр.

Практическая ценность.

1. Установлено рациональное соотношение высоты ребра к его толщине.

2. Предложен способ динамического управления охлаждением кристаллизатора при переходных режимах разливки.

3. Разработанные компьютерные модели могут быть использованы при:

- проектировании конструкции рабочей стенки промышленных кристаллизаторов с прямоугольными пазами и круглыми каналами для охлаждающей воды;

- расчете температурного поля в слитке и рабочей стенке кристаллизатора при переходных режимах;

- разработке системы управления охлаждением кристаллизатора;

- создании автоматизированного рабочего места (АРМ) технолога для разработки и совершенствования режимов охлаждения кристаллизатора.

Методы исследований.

В данной работе использован метод математического моделирования. Разработанные математические модели были протестированы и прошли проверку адекватности путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными на прямолинейном кристаллизаторе МНЛЗ,

установленном в ЭСПЦ ОАО «Северсталь», а также с известными экспериментальными данными.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IV международной научно-технической конференции, посвященной 120-летию И.П. Бардина (Череповец 2003 г.), на третьей Всероссийской научно-методической конференции «Образование, Наука, Бизнес: Особенности регионального развития и интеграции» (Череповец 2004 г.), на IV международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец 2004 г.)

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ в научных сборниках.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 154 страницы печатного текста, включает 79 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы и приведена характеристика структуры диссертации.

В первой главе проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных работ многих авторов по следующим вопросам:

- конструкция и условия работы кристаллизатора;

- представления о тепловом взаимодействии в системе «слиток -кристаллизатор»;

- математическое моделирование температурных полей в рабочей стенке кристаллизатора.

Вопросами совершенствования рабочих стенок кристаллизатора занимались многие авторы, однако следует заметить, что большой объём информации по тепловым процессам, протекающим в кристаллизаторе относиться в основном к толстостенным кристаллизаторам со сверлеными каналами охлаждения и не может с достаточной точностью быть применим к тонкостенным кристаллизаторам с фрезерованными охлаждающими каналами.

На основе анализа литературных источников были поставлены следующие задачи исследования:

1. На основании системного подхода разработать математические модели, позволяющие рассматривать взаимное влияние тепловых процессов, протекающих в непрерывнолитом слитке и рабочей стенке кристаллизатора с фрезерованными каналами охлаждения.

2. С помощью моделей исследовать тепловые процессы, протекающие в слитке и рабочей стенке кристаллизатора.

3. Разработать рекомендации по совершенствованию конструкции рабочей стенки кристаллизатора и технологии его работы.

Во второй главе на основе системного подхода построена структурная схема тепловых процессов в системе «слиток - кристаллизатор» (рис.1), отмечены особенности разработки математических моделей сложной системы.

Параметры жидкой стали Параметры зазора Параметры стенки и воды

скорость разливки

Параметры и

марка ишака

толщина шлака

марка стали

Подсистема «спитою»

теплопроводность

затвердевание

гидродинамические процессы

толщина шлака в зазоре

связь уровня

расход температура параметры

воды воды пазов

Подсистема «стенка кристаллизатора»

теплопроводность 1

Г 1

теплоотдача к воде

поле температур

толщина корки

поле температур

температура воды

Рис. 1. Структурная схема тепловых процессов в системе «слиток - стенка кристаллизатора»

Здесь же представлена модель системы «слиток - стенка кристаллизатора с пазами прямоугольного сечения».

Модель описывает процессы в расчетном поперечном сечении слитка и рабочей стенке кристаллизатора (рис. 2), которое перемещается с постоянной скоростью вытягивания слитка вдоль технологической оси г. Поперечное сечение включает типичный элемент стенки кристаллизатора с прямоугольным пазом и часть слитка, прилегающего к этому элементу. Модель включает двумерную подмодель «слиток» и двумерную подмодель «стенка».

12 3 4

шлаком; 4 - рабочая стенка; 83 - величина зазора; 5М - рабочая толщина медной стенки; 2а - ширина канала; Ь - высота ребра; 2/к- шаг каналов

Подмодель «слиток» описывает тепловые явления при затвердевании и охлаждении слитка в кристаллизаторе. Схема расчетной области слитка представлена на рис. 3. 1 2

гг

ft J

Рис. 3. Схема расчетной области: 1 - жидкая сталь; 2 - корка; 18- толщина слитка; 2- шаг каналов; Г1-Г4- границы области

Подмодель включает уравнение температурного поля слитка, общее для жидкой фазы, двухфазной зоны и твердой фазы:

5T__5f дТ) д_ dt'8x{ m дх) + ду

дТ

* ду

начальное условие:

Т(0,х,у)=Т° = const , и условия на границах (рис. 3):

Г1, Г2, Г4: k— = 0,w = x,y;

dw

ox ox

(1) (2)

(3)

(4)

где 0<<</к, 0 < л < 5', 0 < у < /к; 5 - половина толщины слитка; 2 /к - шаг каналов; сЭфф - коэффициент эффективной теплоемкости; р - плотность стали; Т°- начальная температура металла; /^ф - коэффициент эффективной теплопроводности; Тпош — температура поверхности слитка; Ти\ - температура рабочей стенки кристаллизатора со стороны слитка; к - коэффициент теплопередачи через зазор.

Коэффициент теплопередачи через зазор в формуле (4) определяется выражением:

к = (1 - Ф)

(5)

где ал - эффективный коэффициент теплоотдачи излучением от поверхности слитка к рабочей стенке кристаллизатора; /-,- - коэффициент теплопроводности газа в зазоре; 83 - величина зазора; ф = ф(/) - функция «связь уровня».

С помощью коэффициента эффективной теплоемкости учитывается выделение теплоты кристаллизации в интервале температур ликвидус - солидус.

С помощью коэффициента эффективной теплопроводности учитывается

перенос теплоты с потоками расплава при перемешивании струями из разливочного стакана и свободной конвекцией.

Подмодель «стенка». Схема расчетной области рабочей стенки кристаллизатора представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема расчетной области рабочей стенки кристаллизатора: 5К - толщина рабочей стенки; 2/к - шаг каналов; Г5-Г10- границы области

При математическом описании тепловых процессов в рабочей стенке кристаллизатора принимаем, что при каждом значении координаты г в поперечном сечении стенки кристаллизатора устанавливается стационарное состояние. Поэтому вторая подмодель включает стационарное уравнение температурного поля стенки:

—U ^

дх I дх

ду

" ду)

= 0,

(6)

и условия на границах (рис. 4):

Г5: аналогично условию на границе ГЗ (4);

Г6,Г7,Г10: К — = °= У, (?)

dw

Г8.Г9: = = (8)

ow

где 0<?<^, (0<x<b, 0<y</K)U(6 <x<St,0<y<ay, К,-коэффициент теплопроводности меди; Гм2 - температура поверхности стенки кристаллизатора со стороны воды; Тш - температура охлаждающей воды; ав - коэффициент теплоотдачи от рабочей стенки к воде.

Система уравнений (1) - (8) решена численным методом конечных разностей с использованием явной схемы аппроксимации производных. Алгоритм решения реализовали в виде компьютерной программы на языке программирования Borland Delphi.

Количество узлов по осям Ох и Оу для слитка и рабочей стенки кристаллизатора определяется при тестировании математической модели на основании исследования сходимости решения к точному. В результате тестирования установлено, что количество узлов, при котором относительная погрешность определения температуры не превышает 1%, должно быть больше 11.

Проведена адаптация модели по величине плотности теплового потока путем варьирования функции <р = ф(г) (доли контакта между слитком и рабочей стенкой кристаллизатора через шлак в зазоре). Результаты адаптации модели представлены на рис. 5.

Время, мин

Рис. 5. Изменение величины удельного теплового потока: • - экспериментальные данные (Э. Бахнер); А - Л. В. Буланов; * - Е. П. Астров;--модель

Установлено, что требуемая точность результатов достигнута при следующем виде функции ср = ф(г):

ф(?)= 0,9 • е~ам' + 0,1. (9)

График функции <р = ф(/) (9) изображен на рис. 6.

Время ,с

Рис. 6. Зависимость ф от времени:« -данные, полученные при разливке без защитного шлака (В. Т. Сладкоштеев); Д - Л. С. Рудой;--функция ф = ф(<) (9)

Как видно на рис. 6, значения функции ф в верхней части кристаллизатора, полученные при разливке без шлака, отличаются от значений, полученных при моделировании. Использование шлака при разливке увеличивает долю контакта в верхней части кристаллизатора. Шлаковая прослойка, прилегающая к слитку в верхней части кристаллизатора, находится в полужидком состоянии. Поэтому при

усадке слитка шлак заполняет образовавшийся зазор между слитком и рабочей стенкой кристаллизатора.

Проверка адекватности модели

Проверку адекватности модели выполнили путем сравнения результатов моделирования с результатами исследований теплового потока. Исследование проводили на прямолинейном кристаллизаторе МНЛЗ высотой 1 м с пазами прямоугольного сечения (9x25 мм), установленном в ЭСПЦ ОАО «Северсталь».

Анализ проводили для низкоуглеродистых и низколегированных сталей марки СтЗсп при разливке в слитки сечением 0,20x1,55 м . При разливке измеряли расходы воды на стенку кристаллизатора, температуру на входе и выходе. Средний тепловой поток от слитка к охлаждающей воде подсчитывали по формуле:

где св - удельная теплоемкость воды; р„ - плотность воды; (7В - расход воды на стенку; АТ - перепад температур охлаждающей воды; Р - поверхность теплообмена.

Результаты моделирования в виде изменения величины среднего теплового потока и данные экспериментальных исследований представлены на рис. 7.

Рис. 7. Влияние скорости разливки на величину среднего теплового потока: • - прямолинейный кристаллизатор с прямоугольными пазами, установленный на МНЛЗ в ЭСПЦ ОАО «Северсталь»; — модель

0.4 0,6 0,8

Скорость разливки, м^мин

Как видно на рис. 7, данные, полученные при исследовании теплового потока, подтверждают результаты моделирования. Величина среднего теплового потока пропорционально возрастает с увеличением скорости разливки.

Далее проверку адекватности модели выполнили путем сравнения результатов моделирования с известными из литературы экспериментальными данными по толщине корки, температуре поверхности слитка и температуре поверхности стенки кристаллизатора со стороны слитка.

Результаты сравнения приведены на рис. 8-10.

На рис. 8 представлены результаты моделирования в виде изменения толщины корки по границе выливаемости (30% твердой фазы) и данные экспериментальных исследований.

0,2 0,4 0,6 0,8 Время,мин

Рис. 8. Изменение толщины корки по высоте кристаллизатора при скорости разливки 0,8 м/мин: • - экспериментальные данные (Э. Бахнер); д - А. П. Гиря;--модель

На рис. 9 представлены результаты моделирования в виде изменения температуры поверхности слитка по высоте кристаллизатора и данные экспериментальных исследований.

1500Т .. 1450

1150 110fr

Рис. 9. Изменение температуры поверхности слитка; • - экспериментальные данные (Э. Бахнер);--модель

О 0.2 0.4 0.6 0,8 1 1,2 Время, мин

На рис. 10 представлены результаты моделирования в виде распределения температуры медной стенки со стороны слитка по высоте кристаллизатора и данные экспериментальных исследований.

300т

Рис. 10. Распределение температуры рабочей стенки со стороны слитка: • - экспериментальные данные (Э. Бахнер); — модель

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Время, мин

Как видно на рис. 8-10, результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными. Следовательно, модель можно использовать для прогнозирования тепловой работы кристаллизатора.

В третьей главе разработана динамическая модель тепловых процессов в системе двух тел «слиток - стенка кристаллизатора». Модель рассматривает вопросы динамики тепловых процессов в данной системе. Модель состоит из двух подмоделей и описывает тепловые процессы в вертикальном сечении слябового слитка и рабочей стенки кристаллизатора (рис. 11), проходящем через ось слитка и середину широкой стенки кристаллизатора.

Я

Рис. 11. Схема затвердевания и охлаждения слитка в водоохлавдаемом кристаллизаторе: / - жидкая сталь; 2 - затвердевающая корка; 3 - зазор, частично заполненный шлаком; 4 - рабочая стенка; <7 - удельный тепловой поток от слитка; 1Ш - толщина шлака; 83 - величина зазора; 5'„ - толщина рабочей стенки - пластины; а3ф - эффективный коэффициент теплоотдачи от рабочей стенки к охлаждающей воде

Подмодель «слиток» описывает тепловые явления при затвердевании и охлаждении слитка в кристаллизаторе. Схема расчетной области слитка показана на рис. 12.

Г2 Я

Рис. 12. Схема расчетной области: 25-толщина слитка; //с - высота слитка; Г] - Г4 - границы области

Подмодель включает уравнение температурного поля слитка, общее для жидкой фазы, двухфазной зоны и твердой фазы:

(дТ дТ) 8 (. 8Т) 8 (. дТЛ

эффэфф(10)

начальное условие:

Г(0,дс,г)=Г,; (11)

и условия на границах (рис. 12): Г1, ГЗ: аналогично первой модели (3,4);

Г2: ÄU^-7;); (12)

Г4: = 0 , (13)

где 0 ^ / < , 0 < х < S, 0 < z < Нс; /к - время пребывания сечения слитка в кристаллизаторе; #с - высота слитка; v - скорость разливки; Т„ - температура ликвидуса для конкретной стали; к^ - коэффициент теплопередачи шлака; Гпов- температура поверхности слитка; Гср - температура окружающей среды; q. - удельный тепловой поток вдоль оси z.

Подмодель «стенка кристаллизатора». Схема расчетной области рабочей стенки кристаллизатора показана на рис. 13.

Подмодель описывает тепловые процессы в рабочей стенке кристаллизатора и включает уравнение температурного поля стенки:

дТы 8 (. 8Т„) 8 (. 8Т„)

начальное условие:

T4{0,x,z)= Т° = const ; (15)

и условия на границах (рис. 13): Г5: аналогично условию на границе ГЗ (4);

, дТ

Г6: (16)

Г7,Г9: (17)

Г8: К^ = **(т*~т.)> <18>

где 0</<^, 0<.г 0 <:<Ht; SK- толщина рабочей стенки кристаллизатора; Як - высота кристаллизатора; см - теплоёмкость меди; рм - плотность меди;

- коэффициент теплопроводности меди; qx = о„ешФ/Л4 - поток на рабочую стенку кристаллизатора со стороны шлака на мениске металла; о0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела ; 8ш - приведенная степень черноты шлака; ф idz ~ угловой коэффициент излучения с поверхности шлака шириной 25 на элемент медной стенки сЬ; Тш - температура шлака; Тн2 - температура поверхности рабочей стенки кристаллизатора со стороны воды; ТЕ - температура охлаждающей воды; аЭф - эффективный коэффициент теплоотдачи от рабочей стенки - пластины к воде.

Рис. 13. Схема расчетной области рабочей стенки кристаллизатора: - толщина стенки; Я* - высота кристаллизатора; Г5-Г9- границы области

Система уравнений (10) - (18) решена численным методом конечных разностей с использованием явной схемы аппроксимации. Расчетное поперечное сечение слитка и рабочей стенки кристаллизатора при этом заменили дискретной сеткой с шагом по осям Ох и Оу, равным, соответственно, Ах и Ау:

Для проверки адекватности разработанной комплексной модели реальному процессу проведено сопоставление результатов моделирования с известными экспериментальными данными. С целью установления адекватности модели проведено моделирование процесса затвердевания охлаждения слитка стали 17Г1С сечением 0,25x1,55 м2 в кристаллизаторе МНЛЗ. Результаты сравнения приведены на рис. 14-16.

...... к 1 ..... .............-.........- | -......:.........

¡Л» ;

— (

—1— I

—___т__.................,.........

Г

6

I 1,0

£ 0,5

0,3 0,4 0,5 О,Б 0.7 0,8

Расстояние ог начала кристаллизатора, м

Рис. 14. Изменение величины удельного теплового потока по высоте кристаллизатора при скорости разливки 1 м/мин: 1 - от слитка к меди; 2 - от меди к воде; • - экспериментальные данные (М. Лари)

1500 1450 1400 у 1350 а-1Э00 &12Я

5 1200

В 1150 5 »100 И 1050 1000

<Ц2 ОЛ 0.4 0,5 0,1 03

Расстояние от начала кристаллизатора, и

Рис. 15. Изменение температуры поверхности слитка по высоте кристаллизатора при скорости разливки 1 м/мин: • - экспериментальные данные (Е.М. Китаев);--расчёт

Рис. 16. Распределение температуры медной стенки по высоте кристаллизатора при скорости разливки V = I м/мин: 1 - со стороны слитка; 2 - со стороны охлаждающей воды; • - экспериментальные данные (Э. Бахнер)

Как видно на рис. 14-16, результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

На рис. 14 видно, что величина теплового потока, отводимого от слитка к рабочей стенке кристаллизатора в районе мениска, больше величины теплового потока, отводимого от стенки к охлаждающей воде. Максимальное значение теплового потока, отводимого от стенки к охлаждающей воде, находится немного ниже уровня мениска. Различие потоков по величине и смещение максимального значения теплового потока, отводимого от стенки к охлаждающей воде связаны с отводом теплоты, как в горизонтальном, так и в вертикальном (осевом) направлениях. Поэтому, данные, полученные при исследовании тепловых потоков при помощи термопар установленных в рабочей стенке, дают не точные представления о распределении тепловых потоков, а именно в верхней части кристаллизатора в районе мениска.

В четвертой главе

1. Представлена методика определения эффективного коэффициента теплоотдачи аЭф, позволяющая заменить стенку кристаллизатора сложной формы на пластину и упростить решение задачи теплопроводности в вертикальном сечении кристаллизатора.

2. Проведено исследование влияния повышенных скоростей разливки на термические сопротивления корки, зазора, рабочей стенки и теплоотдачи от стенки к воде при теплопередаче от жидкого металла к охлаждающей воде.

Результаты моделирования представлены в табл. 1.

Таблица 1

Средние термические сопротивления отдельных элементов в зависимости от скорости разливки, (%)

Элементы Скорость разливки, м/мин

0,4 - 0,6 [Л.В. Буланов] 0,4 0,8 1,2 1,6

Корка 26- -37 24,68 19,78 17,82 16,33

Зазор 63- -71 70,29 74,03 74,82 75,36

Рабочая стенка 1 - -з 3,49 4,29 5,11 5,76

Теплоотдача к воде 2- -з 1,54 1,9 2,26 2,55

Как следует из табл. 1, большую долю термического сопротивления теплопроводности от жидкого металла к охлаждающей воде составляет зазор между слитком и стенкой кристаллизатора. Доли термического сопротивления рабочей стенки и теплоотдача к воде составляют 3,49 5,76 и 1,54 + 2,55 % от общей доли сопротивления теплопередачи от жидкого металла к охлаждающей воде. Результаты моделирования показали, что при повышении скорости разливки доля термического сопротивления рабочей стенки и теплоотдачи к воде возрастает, в связи с этим для эффективного охлаждения слитка необходимо уменьшить значения этих термических сопротивлений (уменьшить толщину стенки и увеличить скорость движения воды).

3. Исследовалось влияние конструктивных параметров рабочей стенки с пазами прямоугольного сечения на тепловую работу кристаллизатора.

При анализе результатов моделирования учитывали три косвенных критерия оценки работы кристаллизатора:

1) температура рабочей поверхности стенки кристаллизатора для выбранного материала (сплав МСр) не должна превышать 350 °С из условия разупрочнения.

2) температура кипения воды зависит от давления в каналах охлаждения.

3) температура поверхности канала не должна превышать 150 °С для давления воды в каналах кристаллизатора не ниже 0,6 МПа.

На рис. 17 представлены результаты исследования влияния толщины рабочей стенки на тепловой поток, отводимый от слитка и максимальную температуру стенки со стороны слитка в верхней части кристаллизатора (в районе мениска).

о ~ ё §2,2

с

н 2 350

и 300

¿200 150

0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 Толщина рабочей стенки, м Рис. 17. Влияние толщины рабочей стенки на тепловой поток, отводимый от слитка (а) и на температуру рабочей поверхности стенки кристаллизатора (б) в районе мениска: 1 - формула (19) при qmш = 2,5 МВт/м2 - const; 2 - формула (19) при дтах =/4,); 3 - результат моделирования

Как видно на рис. 17, при увеличении толщины рабочей стенки величина теплового потока, отводимого от слитка в районе мениска, снижается, а температура стенки возрастает. Многие авторы не учитывают уменьшения теплового потока, отводимого от слитка, с увеличением толщины рабочей стенки при исследовании тепловых процессов при формировании стальных слитков. Для получения достоверных результатов необходимо учитывать влияние толщины рабочей стенки на тепловой поток, отводимый от слитка. Это особенно важно при исследовании влияния конструктивных параметров рабочей стенки на тепловую работу кристаллизатора (рис. 17, б)

В области мениска металла в рабочей стенке кристаллизатора происходит растекание теплового потока в вертикальном направлении. Поэтому температура рабочей стенки в реальных условиях в области мениска будет ниже температуры, рассчитанной по выражению для одномерного поля:

^шх Ят

Ч 1

К «.У

+'., (19)

Максимальная температура рабочей поверхности стенки (рис. 4, б), при моделировании ниже температуры, рассчитанной по формуле (19), и составляет 165 °С для стенки толщиной 10мм и 220 °С для стенки - 30 мм, а при расчете по формуле температура составит 190 и 289 °С соответственно.

На рис. 18 представлены результаты исследования влияния толщины ребра на температуру медной стенки кристаллизатора на уровне мениска.

Толщина ребра, мм

Рис. 18. Влияние толщины ребра на значения температуры рабочей стенки со стороны слитка и со стороны охлаждающей воды на уровне мениска металла: толщина стенки от рабочей поверхности до канала - 30 мм; ширина канала охлаждения - 9 мм; глубина канала - 25 мм; 1 - температура со стороны слитка; 2- со стороны охлаждающей воды

На рис. 19 представлены результаты исследования влияния толщины ребра на термическое сопротивление рабочей стенки кристаллизатора.

Толщина ребра, мм Рис. 19. Влияние толщины ребра на термическое сопротивление стенки кристаллизатора

На рис. 18 видно, что толщина ребра значительно влияет на температуру рабочей стенки кристаллизатора. При увеличении толщины ребра температура стенки возрастает. Анализ показал, что минимальное значение температур (рис. 18) и термического сопротивления стенки (рис. 19) наблюдается при толщине ребра 9 мм, т.к. данная толщина ребра является оптимальной по отношению к заданной длине, а наибольшая толщина ребра для стенки, выполненной из сплава МСр, по условию разупрочнения составляет 60 мм, а по условию кипения воды -70 мм (рис. 18).

На рис. 20 представлена зависимость термического сопротивления стенки от величины отношения высоты ребра к толщине ребра - показателя эффективности оребрения.

Рис. 20. Зависимость термического сопротивления стенки от величины отношения высоты ребра к его толщине: толщина стенки от рабочей поверхности до канала - 30 мм; ширина канала - 9 мм; / - а» = 15000Вт/(м2К); 2 - 25000; 3 - 35000 Вт/(м2К)

На рис. 20 видно, что существует оптимальный показатель эффективности оребрения, который зависит от коэффициента теплоотдачи на поверхности канала охлаждения. При увеличении коэффициента теплоотдачи величина показателя эффективности оребрения увеличивается. Более наглядно влияние отношения глубины канала к толщине ребра представлено на рис 21.

На рис. 21 представлено температурное поле рабочей стенки при различном показателе эффективности оребрения (отношении высоты ребра к толщине).

Температура,0 С

¿50 ш 2:19 дв^^^^^'и}

Рис. 21. Распределение изотерм в рабочей стенке при аь = 25000 Вт/(м2К): а ~ отношение высоты ребра к толщине равно 1; б- 2,5; в - 2; г - 3,125

Установлено (см. рис. 21), что для данного коэффициента теплоотдачи (скорости движения воды) оптимальным является отношение равное 2. При увеличении отношения путем уменьшения толщины ребра, часть ребра со стороны стальной плиты перестает участвовать в теплообмене, т.к. температура ее (части) сравнивается с температурой воды - 30 °С (рис. 21, г). Удаление не работающей части ребра не изменяет температуру рабочей стенки (рис. 21,6, в).

Проведено исследование влияния периодичности расположения каналов на неравномерность охлаждения рабочей стенки кристаллизатора.

На рис. 22 представлено изменение температуры рабочей стенки кристаллизатора на уровне мениска при разной толщине рабочей части стенки в районе крепления шпильки, т.к. в этом месте самые высокие температуры.

б

зго\

Рис. 22. Распределение температуры по ширине стенки кристаллизатора на различном расстоянии от рабо кристаллизатора для различных толщин рабочей части стенки 5М: а - 8М=10 мм; б — 20 мм; в - 30 мм; 1 — температура уровне каналов охлаждения; 2 - на удалении 10 мм от канала охлаждения; 3 - на удалении 20 мм; 4 - темпер поверхности стенки; скорость литья 0,8 м/мин

Как видно на рис. 22, в стенке кристаллизатора наблюдается неравномерность температурного поля по ширине, которая уменьшается с удалением рассматриваемого сечения от каналов охлаждения. Эта неравномерность связана с расположением каналов. Её можно охарактеризовать разностью между максимальным и минимальным значением температуры. При перестрожке стенки уменьшается толщина её рабочей части, что не очень благоприятно сказывается на колебания температуры на рабочей поверхности при большом шаге каналов охлаждения (в районе крепления шпильки). Неравномерность температур создаваемая периодичностью расположением каналов с уменьшением рабочей толщины стенки появляется на поверхности стенки (рис. 22, а). Это может привести к неравномерному охлаждению расплава в момент зарождения корки и образованию поверхностных дефектов, снижающих механические свойства литого металла

Было проведено исследование влияние ширины канала на термическое сопротивление рабочей стенки кристаллизатора. При увеличении ширины канала термическое сопротивление стенки возрастает. Это происходит из-за уменьшения отношения рабочей поверхности (поверхности нагрева) к поверхности охлаждения.

4. При помощи динамической модели, представленной в гл. 3, проведено исследование влияния переходных режимов разливки на тепловые процессы в стенке кристаллизатора. Моделировали следующие варианты переходных режимов: в первом варианте был рассмотрен резкий скачок скорости от рабочего значения 1,0 до 0,5 (или 1,0 —> 0,5) м/мин, во втором - скачок скорости 0,5 —> 1,0 м/мин и в третьем варианте - плавный переход от скорости 0,5 до 1,0 м/мин.

Разработан способ динамического управления охлаждением стенки кристаллизатора. Скорость движения воды в каналах охлаждения выбирали таким образом, чтобы при изменении скорости разливки максимальная температура рабочей стенки (в районе мениска) оставалась постоянной или изменялась не значительно.

Исследовано влияние толщины рабочей стенки кристаллизатора на величину среднего теплового потока, отводимого от слитка, и на тепловую инерцию. При увеличении толщины рабочей стенки величина среднего интегрального теплового потока отводимого от слитка уменьшается, а тепловая инерция увеличивается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнено исследование теплообменных процессов при затвердевание жидкой стали в кристаллизаторе методом математического моделирования. В ходе исследований получены следующие результаты:

1. На основе анализа построена структурная схема тепловых процессов в сложной системе «слиток - кристаллизатор».

2. Разработано математическое описание тепловых процессов при непрерывной разливке стали, протекающих совместно в непрерывнолитом слитке и медной стенке кристаллизатора. На основе математического описания создана

стационарная модель для горизонтального сечения, включающего в себя сечение слитка движущегося со стационарной скоростью и элемент медной стенки, а также создана динамическая модель тепловых процессов в системе двух тел «слиток - стенка кристаллизатора», которая рассматривает вопросы динамики тепловых процессов при разливке в вертикальном сечении. Проведена проверка адекватности и адаптации моделей реальному процессу путем сравнения полученных результатов моделирования с известными из литературы экспериментальными данными, а также с данными, полученными при исследовании тепловой работы прямолинейного кристаллизатора МНЛЗ установленного в ЭСПЦ ОАО «Северсталь».

3. Разработана методика определения эффективного коэффициента теплоотдачи Оф позволяющая заменить стенку кристаллизатора сложной формы на пластину и упростить решение задачи теплопроводности в вертикальном сечении кристаллизатора.

4. С помощью стационарной модели для горизонтального сечения исследовано влияние конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора с каналами прямоугольного сечения на термическое сопротивление стенки и её температурное поле.

Определены рациональные соотношения конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора. Для эффективного охлаждения рабочей стенки необходимо выбирать минимальную ширину каналов. С учетом возможности их засорения. При этом необходимо соблюдать рациональное соотношение высоты ребра к его толщине. Установлено, что для достижения наиболее эффективного охлаждения кристаллизатора необходимо применять стенки с соотношением высоты ребра к его толщине равным 2,0 - 2,5 для скорости движения воды -5 + 7 м/с (22000 - 29000 Вт/(м2К)).

5. Уточнили представления о распределении тепловых потоков и температуры поверхности рабочей стенке кристаллизатора.

6. Получены новые оценки термических сопротивлений отдельных элементов на пути теплового потока от корки слитка к воде. В отличие от известных, данные получены при повышенных скоростях разливки для кристаллизатора, рабочие стенки которого изготовлены из сплава МСр.

Получены представления о влиянии периодического расположения каналов на характер температурных волн в рабочей стенке кристаллизатора.

7. С помощью динамической модели исследовали влияние на тепловые процессы, протекающие в слитке и медной стенке кристаллизатора, переходных режимов разливки. Разработан способ динамического управления охлаждением стенки кристаллизатора при переходных режимах разливки. Скорость движения воды в каналах охлаждения выбирали таким образом, чтобы при изменении скорости разливки максимальная температура рабочей стенки (в районе мениска) оставалась постоянной или изменялась не значительно.

Результаты исследования тепловых процессов в системе «слиток - стенка кристаллизатора» рекомендуется использовать при проектировании новых и совершенствовании режимов работы действующих кристаллизаторов МНЛЗ, для повышения их производительности.

Результаты исследования переданы ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ им. академика Целикова А.И.» для использования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кабаков, З.К. Моделирование тепловых процессов в системе «кристаллизатор - слиток» [Текст] / З.К. Кабаков, Р.В. Сухарев, Д.И. Габелая // Металлург. - 2007. - №3. - С. 58 - 60.

2. Кабаков, З.К. Разработка методики расчета основных конструктивных и технологических параметров кристаллизатора МНЛЗ с прямоугольными пазами [Текст] / З.К. Кабаков, Н.И. Шестаков, А.Л. Кузьминов, С.В.Лукин, Р.В. Сухарев // Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства: Материалы IV Международной НТК, посвященной 120-легию академика И.П. Бардина. - Череповец: ЧГУ. - 2003. - С. 17 - 19.

3. Кабаков, З.К. Исследование температурного режима работы профилированной медной стенки кристаллизатора [Текст] / З.К. Кабаков, А.Л. Кузьминов, Р.В. Сухарев // Образование, Наука, Бизнес: Особенности регионального развития и интеграции: Сборник трудов Всероссийской научно-методической конференции. - Череповец: ИМИТ СПбГПУ. - 2004. - С.283 - 287.

4. Кабаков, З.К. Математическая модель стационарного поля температуры в медной профилированной стенке кристаллизатора МНЛЗ [Текст] / З.К. Кабаков, А.Л. Кузьминов, Р.В. Сухарев // Образование, Наука, Бизнес: Особенности регионального развития и интеграции: Сборник трудов Всероссийской научно-методической конференции. - Череповец: ИМИТ СПбГПУ. - 2004. - С.288 -292.

5. Кабаков, З.К. Динамическая модель тепловых процессов в системе «слиток-кристаллизатор» [Текст] / З.К. Кабаков, Д.И. Габелая, О.Н. Ермаков, Р.В. Сухарев // Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах «ИНФОТЕХ-2004»: Материалы IV Международной научно-технической конференции. - Череповец : ГОУ ВПО ЧГУ. - 2005. - С.28 -31.

6. Кабаков, З.К. Исследование влияния переходных режимов разливки на тепловые процессы в слитке и кристаллизаторе [Текст] / З.К. Кабаков, Д.И. Габелая, Р.В. Сухарев // Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах «ИНФОТЕХ-2004»: Материалы IV Международной научно-технической конференции. - Череповец : ГОУ ВПО ЧГУ. -2005.-С.32-34.

7. Кабаков, З.К. Стационарная модель тепловых процессов в системе «слиток - кристаллизатор» [Текст] / З.К. Кабаков, Д. И. Габелая, Р.В. Сухарев // Вестник ЧГУ. Сер. Естественные и технические науки. - 2005. -№2. - С.51- 54.

8. Кабаков, З.К. Исследование влияния гидродинамических явлений на динамику затвердевания и охлаждения непрерывного слитка в кристаллизаторе [Текст] / З.К. Кабаков, Д. И. Габелая, Р.В. Сухарев // Вестник ЧГУ. Сер. Естественные и технические науки. - 2005. - №2. - С. 94 - 97.

Подписано к печати 12.03.09 г. Тир. 75 Усл. печ. л. 1 Формат 60x84/16 Заказ № 263

ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600, г. Череповец, пр. Луначарского, 5

Введение

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Кристаллизаторы машин непрерывного литья стальных слябовых заготовок

1.2 Теплообмен при формировании слитка в кристаллизаторе

1.3 Математические модели затвердевания и охлаждения слитка при непрерывной разливке стали

1.3.1 Модель затвердевания и охлаждения слитка

1.3.2 Модель нагрева рабочей стенки кристаллизатора

1.4 Выводы по главе

2 СТАЦИОНАРНАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ «СЛИТОК-СТЕНКА КРИСТАЛЛИЗАТОРА С ПАЗАМИ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ»

2.1 Основные идеи математического описания

2.2 Математическое описание тепловых процессов в системе «слиток-стенка кристаллизатора с пазами прямоугольного сечения»

2.2.1 Основные допущения в расчетном сечении и процессах

2.2.2 Подмодель «слиток»

2.2.3 Подмодель «стенка»

2.2.4 Теплоотдача от рабочей стенки к воде

2.3 Дискретная модель тепловых процессов в системе «слиток - стенка кристаллизатора с пазами прямоугольного сечения»

2.3.1 Дискретная подмодель «слиток»

2.3.2 Дискретная подмодель «стенка»

2.4 Тестирование, адаптация и проверка адекватности модели

2.4.1 Тестирование при охлаждении путем принудительной конвекции

2.4.2 Адаптация и проверка адекватности модели

2.5 Выводы по главе

3 ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ

СЛИТОК-КРИСТАЛЛИЗАТОР»

3 Л Особенности моделирования тепловых процессов в системе слиток — кристаллизатор»

3.2 Математическое описание тепловых процессов в системе «слиток-кристаллизатор»

3.2Л Подмодель «слиток»

3.2.2 Подмодель «стенка кристаллизатора»

3.2.3 Определение углового коэффициента излучения с поверхности шлака на медную стенку кристаллизатора

3.3 Дискретная модель тепловых процессов в системе «слиток -кристаллизатор»

3.3.1 Дискретная подмодель «слиток»

3.3.2 Дискретная подмодель «стенка кристаллизатора»

3.4 Тестирование и проверка адекватности модели

3.5 Выводы по главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ

В СИСТЕМЕ «СЛИТОК - СТЕНКА КРИСТАЛЛИЗАТОРА»

4.1 Разработка методики приведения стенки с пазами прямоугольного сечения к плоской пластине

4.2 Исследование термических сопротивлений в системе корка - охлаждающая вода»

4.3 Исследование влияния толщины медной стенки на максимальную температуру рабочей поверхности

4.4 Исследование тепловых процессов протекающих в непрерывнолитом слитке и кристаллизаторе

4.4.1 Исследование влияния геометрии канала прямоугольного сечения на температурные показатели стенки кристаллизатора

4.4.2 Исследование влияния геометрии канала прямоугольного сечения на неравномерность охлаждения медной стенки кристаллизатора

4.5 Исследование влияния переходных режимов разливки на тепловые процессы в слитке и стенке кристаллизатора

4.6 Выводы по главе

Проблема повышения качества непрерывнолитых слитков, получаемых с помощью машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), напрямую связано с задачей улучшения качества отечественного металлопроката, повышения его конкурентоспособности на мировом рынке, в связи, с чем одной из главных практических задач является стабилизация технологических режимов литья, в том числе температурного режима. Особенно это важно на переходных режимах в процессе разливки на МНЛЗ.

Основное влияние на качество непрерывнолитого слитка оказывают наружные и внутренние продольные, поперечные и диагональные трещины и дефекты усадочного происхождения. Установлено, что перечисленные выше дефекты в основном зарождаются в кристаллизаторе [1,2].

Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом машины непрерывного литья заготовок, так как в нем происходит формирование оболочки слитка и отводится до 25 % теплоты кристаллизации металла [3].

Возможность возникновения поверхностных дефектов и допустимая скорость разливки во многом зависят от условий кристаллизации и процессов теплообмена между жидким металлом и рабочими стенками кристаллизатора. Поэтому, для повышения качества непрерывнолитого слитка, повышения стабильности работы всей МНЛЗ и её производительности, необходимо обеспечение правильной организации теплового режима кристаллизатора, тепловых процессов в начальной стадии затвердевания слитка.

Тепловой режим кристаллизатора организуется так, чтобы на выходе твёрдая оболочка слитка была достаточной по толщине и прочности для предотвращения возможности прорыва металла. Распределение интенсивности теплоотвода по периметру и длине слитка должно обеспечивать отсутствие опасных напряжений, которые могли бы привести к появлению трещин.

Важное значение для обеспечения хорошей работы кристаллизатора имеет выбор конструктивных параметров его рабочей стенки. Рабочие стенки работают в тяжёлых термических условиях, подвергаясь резким температурным колебаниям и неравномерному нагреву в различных точках, в результате в них возникают высокие термические напряжения.

При проектировании рабочей стенки кристаллизатора необходимо выбирать такие оптимальные геометрические параметры (рабочую толщину стенки, шаг каналов, высоту и толщину ребра), которые обеспечат необходимое тепловое состояние кристаллизатора, т.е. отсутствие кипения на поверхностях каналов охлаждения, превышение значения температуры в любой точке рабочей стенки над температурой разупрочнения (рекристаллизации) материала стенки и равномерность температуры на рабочей поверхности.

Тепловым процессам, протекающим в рабочих стенках кристаллизатора и в непрерывнолитой заготовке, посвящено значительное количество экспериментальных и теоретических исследований [3 - 30]. Существенный вклад в развитие науки внесли работы Г. П. Иванцова, В. С. Рутеса, А. И. Манохина, Б. Т. Борисова, Ю. А. Самойловича, А. А. Скворцова, А. Д. Акименко, Е. И. Астрова, В. Т. Сладкоштеева, В. А. Ефимова, Д. П. Евтеева, Э. Германа, О. Клейнгауэра, С. Огибаяси.

Развитие требований к современным МНЛЗ и появление новых технологических приемов приводят к тому, что сложившиеся представления о тепловых процессах протекающих в рабочих стенках кристаллизатора и в непрерывнолитых заготовках оказываются недостаточными. В силу этого возникает необходимость в углубленном исследовании этих тепловых процессов при формировании слитков на МНЛЗ в стационарных и, особенно, в переходных режимах литья. Следует отметить, что экспериментальное изучение процессов формирования непрерывнолитых слитков сопряжено с большими трудностями. В этих условиях значительную роль играют теоретические исследования, в частности, метод математического моделирования с использованием современных ПК.

В настоящее время при обосновании конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора, как правило, рассматривают тепловые процессы в рабочей стенке отдельно от слитка при упрощённых представлениях о затвердевании слитка и не учитывают особенностей теплового взаимодействия в системе «слиток - стенка кристаллизатора». Такой подход может привести к большим погрешностям при обосновании параметров других конструкций рабочей стенки кристаллизатора.

Поэтому разработка новых методик расчета теплового состояния и конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора представляется весьма актуальной и целесообразной.

В настоящей диссертации излагаются результаты разработки и совершенствования математических моделей, предназначенных для расчетов процессов затвердевания и охлаждения непрерывнолитых заготовок, охлаждения рабочей стенки кристаллизатора и исследования процесса управления переходными режимами непрерывной разливки стали. В работе проведена комплексная проверка разработанных моделей и расчетных методов на основе экспериментальных данных многих исследователей, подробный анализ которых приведен в литературном обзоре. Расчетно-теоретические и некоторые экспериментальные исследования проведены для условий непрерывной разливки стали на МНЛЗ вертикального типа установленной на ОАО «Северсталь».

Цель работы.

Совершенствование конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора и режимов его охлаждения для повышения производительности МНЛЗ и качества заготовки.

Научная новизна работы.

1. Разработаны стационарная и динамическая модели тепловых процессов, протекающих в слитке и рабочей стенке кристаллизатора, в которых в отличие от известных:

- учитывается влияние шлака в зазоре между слитком и стенкой кристаллизатора на тепловые процессы, протекающие в слитке и рабочей стенке; учтён теплообмен излучением между шлаком на поверхности жидкого металла и рабочей стенкой кристаллизатора.

2. Впервые установлен вид функции «связь уровня» (доли контакта между слитком и рабочей стенкой кристаллизатора) для кристаллизатора при разливке с использованием шлака.

3. Разработана методика определения эффективного коэффициента теплоотдачи к охлаждающей воде аЭф, позволяющая заменить стенку кристаллизатора сложной формы на пластину и упростить решение задачи теплопроводности в вертикальном сечении кристаллизатора.

4. Уточнены представления о распределении тепловых потоков по длине кристаллизатора в районе мениска.

5. Получены новые оценки термических сопротивлений корки, зазора, рабочей стенки и теплоотдачи от стенки к воде при теплопередаче от жидкого металла к охлаждающей воде и закономерности их изменения для повышенных скоростей разливки, которые необходимо учитывать при конструировании кристаллизаторов.

Практическая ценность.

1. Установлено рациональное соотношение высоты ребра к его толщине, которое зависит от коэффициента теплоотдачи к охлаждающей воде.

2. Предложен способ динамического управления охлаждением кристаллизатора при переходных режимах разливки.

3. Разработанные компьютерные модели могут быть использованы при: проектировании конструкции стенки промышленных кристаллизаторов с прямоугольными пазами и круглыми каналами для охлаждающей воды. расчете температурного поля в слитке и рабочей стенке кристаллизатора при переходных режимах; разработке системы управления охлаждением кристаллизатора.

- создании автоматического рабочего места (АРМ) технолога и в учебном процессе по специальности «Металлургия черных металлов».

Методы исследований.

В данной работе использован метод математического моделирования. Разработанные математические модели были протестированы и прошли проверку адекватности путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными на прямолинейном кристаллизаторе МНЛЗ, установленного в ЭСПЦ ОАО «Северсталь», а также с известными экспериментальными данными.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на IV международной научно-технической конференции посвященной 120-летию И.П. Бардина (Череповец 2003 г.), на третьей Всероссийской научно-методической конференции «Образование, Наука, Бизнес: Особенности регионального развития и интеграции» (Череповец 2004 г.), на IV международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец 2004 г.)

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ в научных сборниках.

Настоящая работа содержит 153 страниц печатного текста, включает 79 рисунков, 11 таблиц и список литературы, состоящий из 101 наименования.

Автор пользуется случаем выразить глубокую благодарность доктору технических наук, профессору 3. К. Кабакову за научное руководство и помощь в выполнении настоящей работы, а также сотрудникам кафедр «Металлургических технологий» ЧТУ.

Результаты исследования уточняют представления о тепловых процессах при формировании слитка и могут быть использованы при проектировании новых кристаллизаторов МНЛЗ, для повышения их производительности. К тому же информация о тепловой работе кристаллизатора является предпосылкой для оптимизации работы всей МНЛЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнено исследование теплообменных процессов при затвердевании жидкой стали в кристаллизаторе методом математического моделирования. В ходе исследований получены следующие результаты:

1. На основе системного анализа построена структурная схема тепловых процессов в системе «слиток - кристаллизатор».

2. Разработано математическое описание тепловых процессов, протекающих совместно в непрерывнолитом слитке и медной стенке кристаллизатора, при непрерывной разливке стали. На основе математического описания создана стационарная модель для горизонтального сечения, включающего в себя сечение слитка движущегося со стационарной скоростью и элемент медной стенки, а таюке создана динамическая модель тепловых процессов в системе двух тел «слиток — стенка кристаллизатора», которая рассматривает вопросы динамики тепловых процессов при разливке в вертикальном сечении.

3. Проведена проверка адекватности и адаптации моделей реальному процессу путем сравнения полученных результатов моделирования с известными из литературы экспериментальными данными, а также с данными, полученными при исследовании тепловой работы прямолинейного кристаллизатора МНЛЗ установленного в ЭСПЦ ОАО «Северсталь».

4. Разработана методика определения эффективного коэффициента теплоотдачи сц» позволяющая заменить стенку кристаллизатора сложной формы на пластину и упростить решение задачи теплопроводности в вертикальном сечении кристаллизатора.

5. Получены новые оценки термических сопротивлений отдельных элементов на пути теплового потока от корки к воде при повышенных скоростях разливки.

6. Уточнили представления о распределении тепловых потоков и температуры поверхности рабочей стенке кристаллизатора.

7. С помощью стационарной модели для горизонтального сечения исследовано влияние конструктивных параметров рабочей стенки кристаллизатора с каналами прямоугольного сечения на термическое сопротивление стенки и её температурное поле.

Определены рациональные конструктивные размеры рабочей стенки кристаллизатора. Для эффективного охлаждения рабочей стенки необходимо выбирать минимальную ширину каналов, при этом следует отметить, что узкие каналы могут привести к их засорению и рациональное соотношение высоты ребра к его толщине, которое зависит от коэффициента теплоотдачи к охлаждающей воде. Для достижения максимального охлаждающего эффекта необходимо применять кристаллизаторы с соотношение равным 2,0 2,5 для скоростей движения воды — 5

7 м/с (22000 - 29000 Вт/(мТС)).

8. Получены представления о влиянии периодического расположения каналов на характер температурных волн в рабочей стенке кристаллизатора.

9. С помощью динамической модели исследовали влияние на тепловые процессы, протекающие в слитке и медной стенке кристаллизатора, переходных режимов разливки. Разработан способ динамического управления охлаждением стенки кристаллизатора при переходных режимах разливки. Скорость движения воды в каналах охлаждения выбирали таким образом, чтобы при изменении скорости разливки максимальная температура рабочей стенки (в районе мениска) оставалась постоянной или изменялась не значительно.

1. Нисковских, В. М. Машины непрерывного литья слябовых заготовок / В. М. Нисковских, С. Е. Карлинский, А. Д. Беренов. М. : Металлургия, 1991- 272 с.

2. Сычков, А. Б. Трансформация дефектов непрерывнолитой заготовки в поверхностные дефекты проката Текст. / А. Б. Сычков, А. В. Жигарев, С. Н. Мазанов, В. С. Зенин // Металлург. 2006. - №2. - С. 60 - 64.

3. Куклев A.B. Оптимизация гидравлических характеристик и тепловой работы слябового кристаллизатора для скоростной непрерывной разливки стали Текст. / A.B. Куклев, В.В. Тиняков, B.JL Данилов, C.B. Зарубин // Металлург. 2001. -№1.- С. 41-43.

4. Носоченко, О. В. Моделирование процесса охлаждения непрерывнолитых слитков Текст./ О. В. Носоченко, В. И. Лебедев, В. В. Емельянов, Г. А. Николаев // Сталь. 1983. -№ 12. - С. 37.

5. Дождиков, В.И., Математическое моделирование форсуночного охлаждения непрерывного слитка Текст. / В. И. Дождиков, А. В. Горяинов, В. А. Емельянов, Е. И. Ермолаева // Непрерывное литье стали. Москва. — 1978.-№5.-С. 21-25.

6. Хасин, Г.А. О математическом моделировании процесса формирования поверхностных слоев слитка Текст. / Г. А. Хасин [ и др] // Известия вузов. Черная металлургия. 1987. - № 8. - С. 133-135.

7. Самойлович, Ю. А. Тепловые процессы при непрерывном литье стали Текст. / Ю.А. Самойлович, С.А. Крулевецкий, В.А. Горяинов, З.К. Кабаков.- М. : Металлургия, 1982. 152с.

8. Кабаков, З.К. Стационарная модель тепловых процессов в системе «СЛИТОК-КРИСТАЛЛИЗАТОР» Текст. / З.К. Кабаков, Д. И. Габелая, Р.В. Сухарев // Вестник ЧТУ. Сер. Естественные и технические науки. -2005. — №2.-С. 51-54.

9. Вдовин, К. Н. Анализ тепловой работы сборных кристаллизаторов МНЛЗ Текст. / К. Н. Вдовин, И. М. Ячикив, Т. П. Ларина // 60 лет непрерывной разливки стали в России. М.: Интерконтакт Наука. - 2007. -С. 365-377.

10. Самойлович, Ю.А. Закономерности кристаллизации плоской отливки из бинарного сплава Текст. / Ю.А. Самойлович, В.А. Горяинов, И.М. Дистергефт, Е.А. Чесницкая // Горение, теплообмен и нагрев металла: Сб. науч. тр. № 24. М. : ВНИИМТ. - 1973. - С. 75-88.

11. Журавлёв, В.А. Теплофизика формирования непрерывного слитка Текст. / В. А. Журавлёв, Е. М. Китаев. М.: Металлургия, 1974. - 216с;

12. Ефремов, П. Е. К вопросу о формировании поверхностных слоев непрерывного слитка Текст. / П. Е. Ефремов, Д. А. Дюдкин // Известия вузов. Черная металлургия. 1984. -№ 11. - С. 49 - 51.

13. Хорбах, У. Литье сортовых заготовок с высокой скоростью через кристаллизатор параболического профиля Текст. / У. Хорбах, Й. Коккентидт, В. Юнг // МРТ. 1999. - С. 42 - 51.

14. Дождиков, В.И. Экспериментальное исследование теплопередачи в кристаллизаторе вертикальной МНЛЗ / В.И. Дождиков, В.И. Хохлов // Непрерывное литьё стали. Тематический отраслевой сборник. 1981. — №7. -С. 83-85.

15. Рутес, B.C. Теория непрерывной разливки Текст. / B.C. Рутес, В.И. Аскольдов, Д.П. Евтеев, и [др]. М. : Металлургия. - 1971. - 296 с.

16. Шестаков, Н. И. О расчете температурного поля непрерывного слитка при известной интенсивности охлаждения Текст. / Н. И. Шестаков, Ю. А. Калягин, С. В. Лукин // Металлы. 2003. - №5. - С. 22 - 25.

17. Калягин, Ю. А. Особенности работы кристаллизаторов криволинейных слябовых МНЛЗ / Ю. А. Калягин //Заготовительные производства в машиностроении. 2003. -№12. - С. 39 - 41.

18. Еланский, Т. Н. Совершенствование кристаллизаторов современных МНЛЗ Текст. / Т. Н. Еланский, И. Ф. Гончаревич, К. Штурм // Сталь. 2005. - №2. - С. 33 -36.

19. Юровский, Н. А. Расчётный анализ влияния параметров непрерывной разливки на порообразование слитка Текст. / Н. А. Юровский, Л. В. Буланов //Сталь.-2005.-№9.-С. 14-16.

20. Хехт, М. Исследования кристаллизатора машины непрерывного литья толстых слябов Текст. / М. Хехт [и др] // Чёрные металлы. 2006. - №4. - С. 41-47.

21. Клипов, А. Д. Физико-химические и теплофизические особенности непрерывной разливки под шлаком Текст. / А. Д. Клипов, А. И. Колпаков, М. Г. Чигринов, Э. Р. Баллад // Сталь. 1972. - № 2. - С. 124-128.

22. Калягин, Ю. А. Физические и механические свойства защитных покрытий стенок кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок Текст. / Ю. А. Калягин, А. А. Зайцев // Заготовительные производства в машиностроении. 2005. - № 9. С.35 - 39.

23. Макрушин, A.A. Радиальный слябовый кристаллизатор с щелевыми каналами и никелевым покрытием стенок Текст. / А.А.Макрушин, A.B.

24. Куклев, Ю.М. Айзин, C.B. Зарубин, A.M. Ламухин, В.Г. Ордин, А.Г. Лунев, А .Я. Груздев Текст. // Металлург. 2005. - №2. - С. 39 - 41.

25. Непрерывное литьё стали. Труды Международной конференции. Перевод с англ. Текст. / Под ред И.Н. Колыбалова и Б.Е. Гуревича. — М.: Металлургия, 1982. 480 с.

26. Поживанов, А. М. Повышение стойкости кристаллизаторов криволинейных МНЛЗ Текст. / А. М. Поживанов, А. П. Шаповалов, В. В. Чуйков [и др] // Сталь. -1984. -№11. С. 27-28.

27. Николаев А.К. Материалы для кристаллизаторов непрерывного литья слитков Текст. / А.К. Николаев // Цветные металлы. 1983. - №2. С.51 - 58.

28. Николаев А. К. Хромовые бронзы Текст. / А. К. Николаев, А. И. Новиков, В. М. Розенберг. М.: Металлургия, 1993. - 176 с.

29. Руэди Г. Охлаждающая вода для непрерывной разливки Текст. / Г. Руэди // Metallurgical Plant and Technology. 1983. - №3. - C.226 - 229.

30. Малевич, Ю. А. Теплофизические основы затвердевания отливок и слитков / Ю. А. Малевич, Ю. А. Самойлович. Минск.: Высшая школа, 1989.-200 с.

31. Емельянов, В. А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок Текст. / В. А. Емельянов. М. : Металлургия, 1988.

32. Вукалович, М. П. Термодинамические свойства воды и водяного пара Текст. / М. П. Вукалович // Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М. : Энергия, 1965. - 400 с.

33. Буланов, Л. В. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет Текст. / Л. В. Буланов, Л. Г. Корзунин, Е. П. Парфенов, Н. А. Юровский, В. Ю. Авдонин. Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы, 2003. - 320 с.

34. Бровман, М. Я. О силах трения между слитком и кристаллизатором при непрерывной разливке стали Текст. / М. Я. Бровман // Металлы. 2003. -№6.-С. 21-28.

35. Ермолаев, Е.И. Температурные условия формирования шлакового покрытия при вертикальном вводе металла в кристаллизатор Текст. / Е.И. Ермолов, А.В. Лейтес [и др.] // Непрерывное литьё стали. Тематический отраслевой сборник. 1981. - №7. - С. 80 - 83.

36. Заццев А. И. Физико химические основы нового метода упровления отводом тепла от слитка к кристаллизатора Текст. / А. И. Зайцев [и др] // Сталь. - 2003. - №3. - С. 70 - 74.

37. Акмен, Р.Г. О распределении тепловых потоков в кристаллизаторе MHJI3 и слитке Текст. / Р.Г. Акмен, Б.И. Кубрик, О.Т. Ильченко// Известия вузов. Черная металлургия. 1982. - № 12. - С. 110-114.

38. Баптизманский, В.И. Повышение эффективности производства стальных слитков Текст. / В.И. Баптизманский, A.M. Поживанов, Е.И. Исаев, А.П. Огурцов. М. : Металлургия. - 1992. - С. 70 - 91

39. Чижиков А. И. Непрерывная разливка стали в заготовки крупного сечения Текст. / А. И. Чижиков, В. П. Перминов, В. JI. Иохимович. -М.: Металлургия, 1970. 136 с.

40. Исаев, О. Б. Влияние нестационарных режимов непрерывной разливки стали на качество заготовки и листового проката Текст. / О.Б. Исаев // Металлург. 2004. - №2. - С. 39 - 42.

41. Бахнер, Э. Условия затвердевания и температурное поле в кристаллизаторе MHJ13 Текст. / Э. Бахнер, М. Муссар // Черные металлы Пер. с нем. 1976. - № 5. С. 3 - 9.

42. Савченко, В.В. Тепловая работа радиального кристаллизатора для отливки заготовок крупных сечений Текст. /В.В. Савченко, A.M. Колотов,

43. Е.П. Лобанов // Непрерывное литьё стали. Тематический отраслевой сборник.- 1978. №5. С. 79 - 83. - Библиогр.: с. 82 - 83.

44. Hebert, L. Cilles. Development of thermal solidification models for bethlehem's slab casters 76-th steelmaking conference proceedings Vol. 76.Dallas, TX, 1993.-P. 315-328.

45. Ефимов, В. А. Современные технологии разливки и кристаллизации сплавов Текст. / В. А. Ефимов, А. С. Эльдорханов. М. : Машиностроение, 1998.-360 с.

46. Китаев, Е. М. Затвердевание стальных слитков Текст. / Е. М. Китаев.- М.: Металлургия, 1982 168 с.

47. Thomas, В. G. Mathematical modeling of the continuous slab casting mold: a state of the art review 74-th Steelmaking conference proceedings Washington. Vol. 74. 1991.-P. 107- 109.

48. Скворцов, А. А. Теплопередача и затвердевание стали в установках непрерывной разливки Текст. / А. А.Скворцов, А. Д. Акименко. — М.: Металлургия, 1966. 190 с.

49. Акименко, А. Д. Проблемы стального слитка Текст. / А. Д. Акименко, Д. К. Григорьев, В. Е. Гирский, В. П. Перминов М.: Металлургия. - 1976. - С.325 - 355.

50. Рудой, Л.С. Известия вузов. Черная металлургия. 1961. - №2. - С51 -52.

51. Рудой Л.С., Майоров Н.П., Кушнарев И.Т. // Сталь. 1966. - №12. -С.1093 - 1095.

52. Сладкоштеев, В. Т. Непрерывная разливка стали на радиальных установках Текст. / В. Т. Сладкоштеев, Р. В. Потанин, О. Н. Суладзе, В. С. Рутес. М. : Металлургия, 1978. - 288 с.

53. Ефимов, В.А. Разливка и кристаллизация стали Текст. / В. А. Ефимов. М.: Металлургия, 1976. - 552 с.

54. Самойлович, Ю. А. Горение, теплообмен и нагрев металла Текст. / Ю.А. Самойлович, 3. К. Кабаков // Сб. науч. тр. № 24. М. : ВНИИМТ, 1973.- 147 с.

55. Вейник, А. И. Теория затвердевания отливки Текст. / А. И. Вейник. — М.: Машгиз., 1960. 435 с.

56. Иванцов, Г. П. Нагрев металла Текст. / Г. П. Иванцов. М.: Металлургиздат., 1948.

57. Иванцов, Г. П. Теплообмен между слитком и изложницей Текст. / Г. П. Иванцов. -М.: Металлургиздат., 1951. 140 с.

58. Лукин, С. В. Математическая модель теплообмена сляба с рабочей стенкой кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок / С. В. Лукин, Н. И. Шестаков, Т. И. Страшко // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. - № 3. - С. 13-16.

59. Самойлович, Ю. А Закономерности кристаллизации плоской отливки из бинарного сплава Текст. / Ю.А.Самойлович, В.А.Горяинов, И.М.Дистергефт, Е.А.Чесницкая // Горение, теплообмен и нагрев металла: Сб. науч. Тр. №24 М. : ВНИИМИТ. 1973. - С. 75 - 88.

60. Борисов, В. Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка Текст. / В. Т. Борисов. М.: Металлургия, 1987. - 224 с.

61. Поживанов, А. М. Повышение стойкости кристаллизаторов криволинейных МНЛЗ Текст. / А. М. Поживанов, А. П. Шаповалов, В. В. Чуйков [и др] // Сталь. -1984. -№11. С. 27-28.

62. Самойлович, Ю. А. Математическое моделирование затвердевания стали с учетом термоконвективного движения расплава Текст. / Ю. А.

63. Самойлович, Л.Н. Ясницкий // Известия вузов. Черная металлургия. 1981. -№ 12. - С. 75-78.

64. Травкин, В. С. Численное моделирование задачи теплообмена в лунке непрерывного слитка Текст. / В. С. Травкин // Теплофизика высоких температур. 1984. - № 2. - С. 306 - 314.

65. Повх, И.Л. Влияние циркуляции расплава на структуру слитка Текст. / И.Л. Повх, П.Ф. Завгородний, А.В. Рудик // Известия АН СССР. Металлы. 1973.-№5.-С. 166.

66. Бояринцев, Д. А. Тепловой поток от затвердевающего металла к кристаллизатору слябовой МНЛЗ Текст. / Д. А. Бояринцев, В. Н. Селиванов // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. - №5. - С.68 - 69.

67. Мищенко, И. О. Моделирование и оптимизация температурного поля непрерывно-литого слитка Текст. / И. О. Мищенко [и др] // Известия вузов. Черная металлургия. 2006. - №3. - С. 15 - 21.

68. Кадашников, В. И. Работа кристаллизатора с щелевыми каналами машины непрерывного литья слитков Текст. / В. И. Кадашников // Технология машиностроения. 2007. - №2. - С. 10 - 12.

69. Шмидт, П.Г. Влияние механического перемещения жидкой стали на процесс кристаллизации непрерывного слитка Текст. / П.Г. Шмидт // Известия вузов. Черная металлургия. 1974. - № 4. - С. 35 - 38.

70. Волхонский, JI. А. Вакуумные дуговые печи Текст. / Л. А. Волхонский. -М.: Энергоатомиздат., 1985. 232 с.

71. Хворинов, Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали Текст. / Н. И. Хворинов. М.: Машгиз., 1985. - 382 е., ил.

72. Мирсалимов, В. М. Напряженное состояние и качество непрерывного слитка Текст. / Мирсалимов В.М., Емельянов В.А. М.: Металлургия., 1990. - 151 с.

73. Кутателадзе, C.C. Справочник по теплопередаче Текст. / С. С. Кутателадзе. М. : Государственное энергетическое издание, 414с.

74. Григорьев, Д. К. К вопросу о контроле уровня металла в кристаллизаторе МНЛЗ Текст. / Григорьев Д.К., Акименко А.Д. // Прогрессивные способы получения стальных слитков. Сборник научных трудов. Киев . - 1980. - С.77 - 79.

75. Рудой Л. С. Вопросы формирования стальных заготовок, выбора параметров машин для их литья и скорости непрерывной разливки Текст. / Л. С. Рудой // Автореф. на соискание степени докт. техн. наук. -Днепропетровск, 1979. 48 с.

76. Мусин, А. Р. Разработка динамической модели охлаждения и затвердевания сляба на машинах непрерывного литья заготовок Текст. : Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. -Череповец, 2004. 24 с.

77. Исаченко, В. П. Теплопередача Текст. / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М. : Энергоиздат, 1981. - 416 с.

78. Мс. Adams W.H. Heat Transmission, McGraw-Hill Series in Chemical Engineering. McGraw-Hill, New York, 2000.

79. Ривкин В. Г., Александров A.A. Термодинамические свойства воды и водяного пара. -М.: Энергоатомиздат, 1984 150 с.

80. Самойлович Ю.А., Исследование процесса формирования стального слитка Текст. / Ю. А. Самойлович, 3. К. Кабаков, В. С. Кошман, И. М. Дистергефт // Металлургическая теплотехника. 1979. - № 8. - С. 73-76.

81. Дождиков В. И., Теплоотвод в кристаллизаторе MHJI3 при переменной скорости вытягивания Текст. / В. И. Дождиков [и др] // Известия вузов. Черная металлургия. 1984. - № 3. - С. 104-106.

82. Сорокин С. В. Экспериментальное исследование теплового потока в кристаллизаторе слябовой MHJI3 Текст. / С. В. Сорокин, Ю. А. Калягин / Вологда. 1986. - 15 с. - Деп. в Черметинформацию 10.06.86, № ЗД/3519.

83. Ламухин, А. М. Методика расчета теплообмена в кристаллизаторе в условиях действующего МНЛЗ на установившемся режиме Текст. / А. М. Ламухин, А. Л. Кузьминов, Н. И. Шестаков, А. В. Голубев, Д. И. Габелая //

84. Энергосбережение в теплоэнергетических системах: материалы международной научно-технической конференции. Вологда: ВоГТУ. -2001.-С. 91-94.

85. Гиря, А.П. Исследование процесса теплообмена в кристаллизаторе MHJ13 Текст. / Гиря А.П., Убранович Л.И, Ермаков О.Н., Пестов В.И. // Повышение эффективности процесса непрерывного литья стали. М. : Металлургия. - 1983. - С.4 - 7.

86. Окунева, Т.А Расчет удельного теплового потока на плакированную полосу со стороны мениска металла Текст. / Т.А. Окунева, З.К. Кабаков, Н.И. Шестаков // Вестник ЧТУ. Сер. Естественные и технические науки. : Череповец. 2005. - №2. - С.54 -56.

87. Лари, М. Результаты эксплуатации кристаллизаторов длиной 900 мм на МНЛЗ ф. «Соллак» Текст. / М. Лари, М. Ванин [и др] // Revue de Metallurgia. 1982. -№12. С. 981 - 989.