автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Особенности теплофизических процессов при электромагнитном перемешивании стали в кристаллизаторе МНЛЗ

московский

ордена октябрьской революции и ордена трудового красного знамени институт стали и сплавов

На правах рукописи

ШЕН-ЦДЙКСИН

УДК 621.74.047:669.063.8:621.318

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ СТАЛИ В КРИСТАЛЛИЗАТОРА МНЛЗ

Специальность 05.16.02 — «Металлурги? черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре металлургии стали Московского ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени института стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент О, С. ПАНКРАТОВ

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Е. А. КАЗАЧКОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В. А. АРУТЮНОВ кандидат технических наук Н. Н. ПЕРЕВАЛОВ

Ведущее предприятие: Московский вечерний металлургический институт

Защита состоится 24 декабря 1992 г. в 15.00 часов на заседании специализированного совета по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов К.053.08.01 Московского института стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «0$» ¡2, 1992 г.

Справки по телефону: 237-84-45

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

профессор И. Ф. КУРУНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Коренное улучшение качества металлопродукции является одной из важнейших задач современной металлургии- Решение этой задачи предусматривает, в частности, повышение характеристик литого металла - достижение большей физической и химической однородности. Необходимость получения высококач&ст-' венного литого металла в условиях рассирс!гая сортамента разливаемых сталей и увеличения производительности металлургических агрегатов привела к развитию различных способов внеанего воздействия на расплав. Одним из перспективных методов внешнего воздействия является электромагнитное перемешивание (ЭШ) металлов при кристаллизации.

.Эффективность применения ЭШ зависят от применяемых режимов работы и параметров устройства ЭШ. Разнообразие конструктивных решений, некоторая противоречивость технологических результатов применения ЭМП, отсутствие в большинстве работ сведений по гидродинамике жидкой фазы позволяет оценить эффективность ЭМП только качественно. Для количественной оценки необходимо проведение исследований гидродинамики во взаимосвязи с другими физико-химическими процессами, имеющими место пдо кристаллизации непрерывного слитка. Установление таких связей позволит наиболее полно реализовать технологичес те возможности различных устройств ЭШ, научно обосновать конструкцию, параметры, режимы работы, провести их оптимизацию и разработать алгоритм управления ЗИП жидкой фазы кристаллизующегося непрерывнолитого слитка. • . Цель_работы. Исследование влияния ЭШ1 на кристаллизацию.и формирование структуры непрерывнолитых заготовок и разработка

с,

практических рекомендаций по оптимизации режима работы устройства ЭШ.

Достижение основной цели потребовало решения следующего комплекса вопросов:

- постановка задачи гидродинамики »сидкой сердце виш ^в условиях применения ЭМП и численная её реализация;

- выявление закономерностей формирования макроструктуры непрерывнолитых заготовок при ЭМП;

- выявление механизма воздействия ЭЫП на формирование микроструктуры слитка;

- изучение влияния ЭМП на неравномерность затвердевшей корочки;

- разработка практических рекомендаций по оптимизации режима работы устройства ЭМП.

Над4ная_новизна. Рассчитаны гидродинамические картиш для задач, связанных с конвекцией при ЭШ, и влияние его на эффективнее коэффициенты тепло- и массопереноса. *

На основе анализа теплофизкческкх процессов установлены закономерности формирования неггрерывнолигых заготовок при ЭШ. Строение зоны столбчатых кристаллов рассмотрено как следствие периодичности кристаллизации, при этом расчетные результаты адекватны экспериментальном. Предложен механизм влияния активных внешних воздействий на процесс объемного зародьгаеобразова-ния.

Аналитически получена зависимость оптимальной частоты питающего тока индукционного врадателя от характерного размера заготовки и требуемой скорости вращения жидкой фазы.

Практическая.ценность. Разработан способ, позволяющий прогнозировать влияние интенсивности ЭШ на структурные характеристики слитков ШЛЗ. Обоснована возможность уменьшения разнотол-щинности затвердевшей корочки за счет применения ЭМП. Предложе-

' г,

кы рекомендации по применению рационального режима работы индукционного вращателя.

Апробация работа. Материалы диссертации доложены и обсуждена на Первом конгрессе сталеплавилыцихоэ (Москва, 12-16 октября 1992 г.) и на кафедре металлургии стали МИСиС.

0бъ2м_райота. Диссертация состоит из введения, шести глав-, зая;Лзченил, списка литературы из 112 источников, содержит 117 страниц, 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Первая глава посвящена краткому обзору литература, а также анализу современного состояния теоретических и экспериментальных разработок по'обсуждаемой проблеме. В результата рассмотрения литературных источников установлено, что к основным причинам улучшения качества слитка при активных внешних воздействиях относится пульсационное движение жидкой-фазы. '

Во второй главе сформулирована система уравнений, определяет?« гидродинамический процесс в жидкой фазе неггрерывнолитых заготовок круглого сечения. Она построена на основе следующих предпсложений:

«

1) вращающееся примерно однородное магнитное поле заменено осредненным по периоду. При этой, осредтнная по период радиальная составляющая электромагнитной силы обращается в нуль;

2) течениями, иницкироваяшми струёй металла, можно пренеб-» речь в связи с ажтившм тормодегаеа :тх поперечным магнитный полей. Действи-ельмо, по литературшм данный предельная глубина влияния струп ( ¿ ) по прагатает »- 4,5*R , где R - радиус заготошя. В палец случае эта глубша ( ) окажется тем меньше, чем большэ отноЕотив aíesrpoííancmaxx спя а пнзрционныы, харак-

- б -

териэуемое числом Стюарта

= I + Г-&

где: Т* - константа, по литературным данным гг' « О",I; О — '

здесь: су - электропроводность жидкого металла (6.25.10й СНГ1

.1Г* для стали); 3 - магнитная индукция в жидком металле; $ - плотность; - скорость вытягивания слитка.

При В - 0.2 Тл., Я = 0.1 м, Щл 0.9 м/мин, & - 23.15, тогда I » 13.6 см. Фактически влияние струи сказывается только в верхней части кристаллизатора;

3) радиальная составляющая скорости, вызываемая вторичным рециркуляционными петлями из-за неравномерного магнитного поля по высоте слитка и струей по оценкам очень мала, ею также можно пренебречь;

4) исключается из рассмотрения участок разгона окружного движения, т.е. процесс считается стационарным.

Таким образом, уравнение Навье-Стокса имеет вид:

Л /V V VI Л. В2-0)-;г-г-5 _ л (I)

¿г1 г +-— - О

где: Уо - линейная скорость вращения жидкого металла; 5 - коэффициент скольжения; СО - угловая скорость вращающегося магнитного поля; СО « 2■Tí^f ( f - частота питающего тока индуктора); ДХ -эффективный коэффициент динамической вязкости жидкого металла, он определяется следующим образом:

где: (^-о , - коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости; Ц>- средняя скорость вращения жидкой фазы; о!.. - константа, в расчете по литературным данным принята равной 0.10. Граничные условия:

ув - о , при г - о ;

Ъ'е т Ч - при Г . где: ¡/с - скорость на границе пограничного слоя, она определяется формулой, полученной из эмпирической связи между характерной и средней скоростью:

V. =«,0бб-А°'6-УсР

где: $ - коэффициент сопротивления, он зависит от шероховатости фронта кристаллизации и числа Рейнольдса.

йа рис. I приведены профили скорости при частоте тока индуктора ^ ■ 6 Гц. По мере увеличения магнитной индукции увеличивается скорость вращения жидкого металла, причём,,максимум скоростей приближается к фронту затвердевания. На рис. 2 показана средняя скорость в зависимости от индукции магнитного поля и частоты тока индухтора. Видно, что достижение определённой интенсивности перемешивания может осуществляться разними комбинациями частоты тока и магнитной индукции на поверхности слитка соответственно токовой нагрузки итаукгора. Это наводит на мысль,,.что существует оптимальный режим 1. .боты. Этот вопрос обсуждён в вестой главе.

Электромагнитные силы деЯствупт активно только на уровне индуктора. Но жидкая фаза продолжает вращаться и за пределами кристаллизатора по инерции. На основе теоретического расчёта и экспериментальных данных получена закономерность падения скорости вращения жидкой фазы после выхода нз кристаллизатора:

5 - 2 Гц

0.0 а.2 0.4 0.£ О.В ГУР

О 0.06 0.12 ОЛв 0.24

Ва,Т«.

I

03 I

Рис. I Распределение скорости по радиусу слитка

Рис. 2 Средняя скорость в

зависимости от индукции и частоты

Увг = И • ехРС" 1,733-27^) (3)

где: окружная скорость на расстоянии от нижней

кромки кристаллизатора.

При 1Д/о~ 0.9 м/мин скорость вращения жидкой стали снияа-ется в С ри на расстоянии 0.52 м от кристаллизатора.

Тепло'шз процессы, протекающие при затвердевании расплава с ЭШ, могут бить описаны приближенно системой уравнений квазиравновесной теории двухфазной зона с учйтом конвективного фактора, джоулева тепловыделения ( и диссипации энергии за счёт сил вязкого трения ( £ ):

J-C.fi = Ж/(ХЭ9 рти/т)Т + ?«+ £ (4)

где:

Г С , х /-Г

^ С • • ' '

>Т>1;Т<75

Лэ<р= Л С-Д^

где: Т. - температура, пяаюекая чистого металла; \ , 7$ -тс^этературл еткгадуса н конца кристаллизации расплава; -

плотность, теплое^аость я ноэффяцнент теплопроводности расплава; Д, - коэффщнент распределена* пртаэса; Х- - тепло 1грис-

О

таллнзацпя.

-V ITUr - ^'^n-Tcf)

Граничные условия:

-X. Ш

-R

ill - о

где: I Тср - температуры поверхности слитка и среды; ol - коэффициент теплопередачи.

В третьей главе для оценки влияния ЭМП на макроструктуру слитка поставлена и решена одномерная задача теплопроводности с использованием неявной схемы метода конечных разностей. Дяя описания зонального строения в расчёте использованы известные критерии перехода от зоны столбчатых к зоне равноосных кристаллов:

Ь < < 30

где: (j - градиент температуры на фронте кристаллизации; -скорость перемещения фронта кристаллизации; £0 - исходная концентрация примеси; Д - некоторая константа, она равна 35 для сплава Ре-С.

В таблице I приведены результаты расчета, характеризующие влияние интенсивности перемешивания (0 ».Х^/М на глубину жидкой лунки ( L*), длину, на которой полностью снимается перегрев металла (¿л), толщину корочки слитка в момент выхода из кристаллизатора (Д,), и ширину зоны равноосных кристаллов (^раВН

Видно, что ЭШ способствует быстрому снятию перегрева металла и расширению зоны равноосных кристаллов, при этом мало влияет на глубину жидкой лунки и толщину корочки слитка после выхода из кристаллизатора.

При разливке стали традиционным методом образование широкой зоны равноосных кристаллов происходит только при очень малых величинах перегрева металла. Однако снижение перегрева - ответст-

Таблица I

Влияние перемешивания на показатели процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки

Ъэ л 1 1* 1 ' м ' 1 1 п 1 м • 1 К ! , см * ! Я р< см

I 6.1% ' 4.212 2.106 3.32

' 5 " 6.112 3.991 2.069 3.42

I (Г 6.074 3.757 2.054 4.54

20 6.042 3.387 2.059 6.36

50 6.007 2.637 2.093 7.58

100 5.985 1.949 2.121 8.П4

равн.

венная технологическая операция, т.к. это может привести к затягиванию металлом разливочного стакана. В таблица 2 показано влияние двух противоположно влияющих фактора - перегрева металла £Д'Г)

и интенсивности перемешивания на ширину зоны равноосных кристаллов.

. . *

Таблица 2

Влияние интенсивности перемешивания и перегрева металла на ширину зоны равноосных кристаллов

н.Х0< 5 ! 1° ! , 20 * \ \ 50

ю ^ 5.07 5.99 7.11

20 . 4.54 ' 5.54 7.04 7.5.9

50 3.42 4.54 6.36 7.58

70 3.34 3.99 5.98 7.58

• Можно сделать вывод, что при низких уровнях йерегрева металла для получения широкой зоны равноосных кристаллов потребуется

о

меньшая интенсивность перемешивания и что широкая зона равноосных кристаллов образуется даже при высоком перегреве, если перемеш2{-

вание достаточно интенсивно.

Известно, что улучшение качества поверхности слитка можно достичь путём торможения'роста корочки в начальной стадии затвер-

ь

девания за счёт так называемого "мягкого" охлаждения в кристаллизаторе. Причина этого эффекта, по-видимому, в том, что сохраняется высокая пластичность твердой фазы в начальной стадии затвердевания. Эквивалентные результаты, как показали расчёты, могут быть получены методом ЭШ. Благодаря турбулентному движении жидкого металла в верхней части кристаллизатора происходит интенсивный сброс тепла перегретым металлом, так что ЭШ существенно подавляет рост корочки в начальной стадии затвердевания.

В четвёртой главе выявлено влияние ЭШ на процесс формирования микроструктуры слитка. Моделирование роста отдельного кристалла невозможно провести в рамках теории квазиравновесной двухфазной зоны, поскольку в ней исключён термодинамический стимул * роста - переохлаждение. Поэтому здесь использована сравнительно простая, но неравновесная модель, учитывающая переохлаждение (или перегрев) на фронте кристаллизации. Именно, составлен баланс теплового потока на всех этапах - от жидкой фазы до поверхности слитка. Кроме того, дополнительно введено предположение, что в ламинарном подслое пограничного слоя может иметь место аккумуляция тепла. Оно основывается на том, что при переходе от турбули-зованного течения к ламинарному многократно - от эффективного до молекулярного - уменьшается коэффициент теплопроводности. В результате получено следующее уравнение, описывающее неравновесный тепловой процесс ка фронте кристаллизации

с1адТ

(6)

х

- 13 - С

где, кроме введенных ранее величин: ДТ - переохлаждение (или перегрев) на фронте; К - коэффициент скорости роста кристаллов;

1- - расстояние от поверхности слитка; <Г - толщина пограничного слоя. Индексы /. к £ относятся к жидкой и твердой фазам соответственно.

Общее решение этого уравнения имеет периодический сомножитель:' • С • $

дТ = ехр(- Г^Й • з НА -о^ + в' ) (7)

(3)

где: Ц - Г к^Л _( С$ • !5 V г

Л = 1р- Тп ;

3 = Г- Я ^ V т") -¿ГЛ! • С тп - Тср)

где: , Тп • Тср " температуры кристаллизации, поверхности слитка и среды.

Скорость перемещения фронта при нормальном законе роста:

где: 9 - агад(~)

Уравнение (9) свидетельствует, что скорость движения фронта кристаллизации может быть отрицательной, т.е. возможно подплавле-

ние, если тепловое сопротивление твердой фазы и аккумулирование в

с>

ней тепла не обеспечивают сброс локального перегрева.

Предположим, что рост осей второго порядка начинается в тот момент, ког^а скорости роста кристаллов обращается в нуль. Тогда расстояние между дендритными осями второго порядка определяется периодом в (9):

= Ж, = ¿-Л, т.е.

4 = я-ЯУА- <10>

Принимая по литературным данным:

Л ш 2.72.Ю5 Дж/кг, Л, » 29 Вт/(м.к), к * ЗЛО"2 ыЛс.к), « & = 7.2.103 кг/м3 и считая <Г ■ (10~4«"—' м, ¿¿.«С^Ч для в железоуглеродистых сплавах получим интервал (45~450) мкм, совпадающий с экспериментальными данными.

Используя формулу эмпирической связи толщины пограничного слоя с характерной скоростью потока:

* 7 5 ' И

можно получить влияние скорости на фронте (рис. 3), а также частоты и индукции на расстояние между осями второго порядка (рис. 4).

В рамках сделанных предположений, кроме того, можно получить зависимость структурного фактора от скорости охлаждения (IV):. пк - „ г

(и)

где: ^•Л^с,.;,)0'5

где: Т/ - перепад температуры в подслое.

Уравнение (II) адекватно экспериментальной зависимости " Р'М^Сгде: Р - эмпирическая константа и коэффициент К из-

12а на юо зо во ?а (10 50 40

О 0.2 0.4 О.б а.е

. ио^/с

Рис. 3 Расстояние между осями второго .. порядка в зависимости от скорости расплава на фронте кристаллизации.

5о,Т/1.

4 Влияние индукции, и-частоты на расстояния' между осями второго йорядяа

-16 -

меняются в пределах 0.25"~0.5).

Существуют различные точки зрения относительно механизма влияния внешних воздействия на процесс объёмного зародышеобразова-ния. Если судить по опубликованным данным, каждый метод имеет свой механизм воздействия. Например, в случае использования электрических и магнитных полей для перемешивания - это изменения энергетического состояния атома и условий на межфазной границе; для механического перемешивания - обламывание кристаллов - раз-

метода приводят к почти оди-ыдвинут общий механизм влия-

множекие затравок. Тем не менее, оба маковым результатам. В связи с этим ш ния внешних воздействий на формирование микроструктуры слитка, основанный на предположении о коагуляции частиц в вязком подслое и турбулентном потоке .жидкой фазы.

Очевидно, что наличие градиента скорости способствует встречам, частиц конечных размеров, если при этом расстояние между ними не превышает суммы их радиусов. Такое условие выполняется в. пограничном слое, где существует сильное падение скорости при турбулентном перемешивании. Коагуляцию при этом'называют градиентной.

Относительный градиентный коагулирующий эффект (по сравнению с броуновским) определяется значением;

д. _ •_Ып21_ _ „1 й 5 (12)

~ Н.., ~ М,5г.Д.Т и • * где: £ - постоянная Больцмана; Т - температура расплава; К -сумма радиусов двух встречающих частиц. При 14-1 м/с, Т -■ 1773 К, > I, когда > 4.8.10"® м . в турбулентном потоке , частота встреч частиц существенно увеличивается по сравнению с числом встреч в неподвижной среде. Относительный турбулентный коагулирующий эффект (по сравнению с броуновским) . определяется значением :

о - - У'71" (А, с Р5 Р 5

По оценкам, сделанным в главе 3, величина £ может достигать значений порядка 10^~10б Дж/м2. с при ЭМП. Соответственно

—Я '

для > I размер частиц должен превышать (3<~б).10-а м. '

Известно, что самопроизвольное развитие зародыша кристалла возможно лишь в том случае, если его размер превышает некоторое критическое значение (диаметр ({* ). Оно определяется следующей формулой: „ ' Ц-Оп-\

<< = ТТ2т (.14'

где: О; - поверхностная энергия. Для железа она составляет 0.204 Дж/м2.

На практике при кристаллизации металлов переохлаждение имеет порядок ОЛ'-ГО К, тогда для стали получим с|* « 7.4.(10"^ —10."®) м. Следовательно, турбулентное перемешивание приводит к коагуляции докритических частиц, увеличению числа жизнеспособных зародышей. Таким образом, по предлагаемому механизму к обычно превалирущему гетерогенному зароддаеобразованига добавляется энергичное гомогенное. Корка непрерывнолотой заготовки -имеет значительную разнотол-щинность по периметру, что оказывает влияние на качество слитка и производительность МНЛЗ. Установлено, что она особенно резко проявляется при разливке круглых заготовок. Данное явление известно под названием "полигональности" заготовки. По-видимому, она является следствием разных условий теплоотдачи от слитка к кристаллизатору по периметру. ' %

' Для выяснения влияния ЭМП та полигональность заготовки в пятой главе решена двумерная задача теплопроводности с использованием уравнений квалиравновесной теории двухфазной зоны. Алгоритм по-

строен на основе неявной схемы метода переменных направлений. Для количественной оценки разностенносги затвердевающего слитка •используют величину разности между максимальным и минимальным значением толщины корочки металла в данном сечении слитка ( « Змах" ^м'ш ^ • и величину коэффициента неравномерности толщины корочки И =(;М;Л/|(где: ^ ~ средняя толщина корочки в данном сечении слитка).

На рис. 5 приведены расчётные Кривые и П (точки - экспериментальные данные - по литературе - без ЭМП). Из приведен' ной зависимости следует, что коэффициент неравномерности толщины корочки 71 в кристаллизаторе имеет приблизительно постоянное значение 0.6-~0!б5. При выходе слитка из кристаллизатора в зону вторичного охлаждения величина 7\ увеличивается сначала быстро до 0.75""О.80, а затем медленно возрастает, стремясь к величине, близкой к единице в конце затвердевания. В то же время абсолютная разнотолщинность в кристаллизаторе постоянно растёт и достигает максимума при выходе слитка из кристаллизатора, а затем ' плавно снижается. Видно, что воздействие ЭМП уменьшает величину на 3~5 мм, что удовлетворительно совладает с имеющимися экспериментальными данными.

Выравнивание толщины корочки слитка электромагнитным перемешиванием уменьшает вероятность прорыва. В результате появляется возможнорть повышения скорости вытягивания слитка и, следовательно, производительности Ш13. Однако такая возможность ограничена металлургической длиной МНЛЗ, поскольку, как.установлено , в главе 3, ЭШ в кристаллизаторе мало влияет на глубину жидкой лунки.

Разработанный метод расчета разнотолщинности и влияния на него вращения расплава даёт результаты, хорошо совпадающие с

Рис. 5 Динамика абсолютной (л $ ) и относительной ( 71 )

разнотолщинности по длине слитка (экспериментальные данные откосятся к И без ЭМП)

экспериментальными данными, вследствие чего может быть применен для достаточно надёжного прогнозирования этого явления.

Управление перемешиванием можно осуществлять либо путём изменения интенсивности магнитного поля, либо варьированием частоты тока индуктора. Результативность применения индукционного вращателя во многом зависит от режима работы устройства. Шестая глава посвящена выбору оптимальной частоты тока индукционного вращателя.

Для уменьшения влияния экранирования электропроводных материалов, располагающихся между жидкий металлом и внутренней поверхность© вращателя (медный кристаллизатор, кожух, экраны и водяная рубашка из нержа'веющей стали) вместо промышленной частоты принято использовать низкочастотные вращатели, причём частоты подбираются опытным путём, что требует значительное материало- и трудозатрат. Кроме того, понижение частоты вызывает уменьшение схорос-ти вращающего магнитного поля и, следовательно, понцеромоторной силы. Для достижения требуемой скорости вращения приходится повышать токовую нагрузку индуктора. Это приводит к быстрому нагреву обмоток статора и большей потере электрической энергии.

На основе теоретического анализа получена следующая зависи-

™ г <■<{■&>ш :

где: С = 0,5'Я- СГ- К*

•где: -р(АБК) - средняя по углу объемная электромагнитная сила, воздействующая на гадкую сталь в середина радиуса.слмтха Д ; -сала ютсяцэго тога индуктора; П - некоторая константа, зашся-цал от конструкции индуктора; ^ - абсолютная магнитная проница-

емость металла. Для всех нем&гнитиьк металлов, включая жидкие чугун и сталь, ока практически равна абсолютной магнитной проницаемости в вакууме: М^» 4Л".Ю-7 Гн/м; й - эквивалентная толщина всех проводящих сред, кроме жидкого металла, Д = ^

(где: Х^ , - толщина и удельная электропроводность материала всех проводящих сред, кроме жидкого металла).

Оптимальная частота питавшего тока должна обеспечить максимальную величину Р - для не*? должно выполняться условие

= 0. Реализовав- его, получим квадратное уравнение:

+ _!_. + Ж. = п (16)

* А Т + П-Я и

Тогда оптимальная частота для получения требуемой интенсивности

перемешивания ( ):

(. = + Лг . Л-г±- + (г?)

> ¿-А* Я-Я + А Аг ^ ТТ Я I

На рис. 6 показана зависимость оптимальной частоты питающего тока от требуемой скорости вращения жидкой стали и радиуса заготовки. Видно, что она, во-первых, увеличивается по мере увеличения требуемой скорости и уменьшения размера заготовки, и, во-вторых, охватывает весь диапазон применяемых в практике частот (2—12 Гц). На рис. 7 отражено влияние изменения толщи№ медной изложницы на оптимальную частоту тока при постоянном радиусе, равном 0.15 м. Из рисунка видно, что оптимальная частота очень чувствительна к изменению толщины медной изложницы из-за большой удельной электропроводности меди. Отсюда следует, что в качестве конструктивных материалов необходимо по возможности применять не-

V

магнитные материалы с относительно низкой удельной электропроводностью.

Рис. 6 Зависимость оптимальной частоты от размера заготовки и средней скорос-*ти вращения жидкости

Рис. 7 Зависимость оптимальной частоты от толщины изложницы и средней скорости вращения расплава

- 23 -ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения гидродинамической картины в жидкой фазе при ЭМП в кристаллизаторе. Она отличается тем, что при решении уравнения Новье-Стокса автоматически определена соответствующая турбулентная вязкость, характеризующая интенсивность пульсационного движения жидкости. Это даёт возможность оценить эффективный коэффициент теплопроводности к дкффузгга в. жидкой фазе.

2. Получена закономерность падения скорости вращения жидкой фазы под кристаллизатором, позволяющая оценить эффективную¿»ону воздейстгая электромагнитного поля.

3. Разработана математическая модель теплофизических процессов затвердевания стали при ЭШ в кристаллизаторе с учётом кон-

v вективного фактора, джоулева тепловыделения н диссипации энергии за счёт вязкого трекия. Установлено, что ЭШ жидкой фазы в кристаллизаторе способствует быстрому снятию перегрева металла, что приводит к расширению зоны равноосных и подавлению роста столбчатых кристаллов, при этом оно практически из сказывается га, толщине корки' затвердевшего расплава после выхода из кристаллизатора. Широкая зона равноосных кристаллов образуется даже при шеоком перегреве металла, если перемешивание жидкой фазы достаточно интенсивно.

4. Предложен механизм воздействия вращающегося магнитного поля на качество поверхности заготовки. Для достижения этой цели следует сохранять высокую интенсивность перемешивания непосредственно под мениском, чтобы затормозить рост норочот п гадальной стадии затвердевания. ■

5. На основе предположения об аккумулирования тепла ламинар-

Получены оценки условий, при ёг турбулентного движения жид-

ным подслоем гидродинамического пограничного слоя получена математическая иоцель, описывающая неравновесный периодический рост дендрнпмх кристаллов. Получении с использованием этой модели оценки зависимости расстояния между осями ветвей второго порядка от условий затвердевания адекватны установленным экспериментально.

6. Предложен едишй механизм влияния активных внешних воздействий на формирование микроструктуры слитка, основанный на предположении о коагуляции докриги^еских частиц в вязком подслое и турбулентном потоке жидкой фазы, которых коагуляция аффективна за сче кой стали. '

7. Установлено, что вращение жидкой сердцевины в кристаллизаторе влечёт за собой выравнивание толщины корки по периметру, за счёт чего уменьшается вероятность прорыва её. В результате возможно увеличение скорости вытягивания слитка, а следовательно, и производительности ШЯЗ. Однако, такая возможность ограничена мв- ' таллургической длиной МШ13, поскольку- ЭШ в кристаллизаторе мало влияет на глубину жидкой лунки.

8. Аналитически получена зависимость оптимальной частоты питающего тока, индуктора с учётом экранирования электропроводящих сред, располагающихся метлу поверхностью индуктора и жидким металлом, рт характерного размера заготовки и требуеомй скорости вращения из условия максимально эффективного использования мощности индуктора. •

tA««