автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование процесса непрерывной разливки стали на основе исследования гидродинамики и теплообмена в кристаллизаторе

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

СТУЛ О В Вячеслав Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ

05.16.02 — Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре «Двигателестроения» Днепропетровского государственного университета.

Научный руководитель — академик АН УССР ПРИСНЯКОВ В. Ф.

Официальные оппоненты: С

доктор технических наук, профессор РУДОЙ Л. С., * кандидат технических наук КОРОТКОВ Б. А.

Ведущая организация — Институт черной металлургии г. Днепропетровск

Защита состоится Лс» о X/ 1992 г. в часов на заседании специализированного совета К-053.08.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов 117936, Москва, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан «пЛ » /Л 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

И. Ф. КУРУНОВ

Распределение температуры по сечениям слитка

Распределение температуры по сечениям парафинового слитка на рис.6 при разливке по разрабатываемому способу показывает, что в

интервала первых 3-х минут с момента разливки температура жидкости в пристеночных слоях сохраняется более высокое, чем в середине. Этим определяется и более высокая температура стенок кристаллизатора и охлаждающей воды. После 4-5 минут наблюдается уменьшение температуры в пристено -чных слоях и ее выравнивание по сечению слитка.

Исследование состояния слитков из сплава Буда показало, что более ровная и мелкая складчатость наружной поверхности при разливке сплава по способу /2/ по сравнению со спосо -бом /1/ говорит о более равномерном процессе кристаллизации и плотной усадка. В результате металлографических исследований установлено, что з опытных пробах длины осей дендритов снижаются в среднем,с 20-70 мил до 10-30 мкм в .корковой зоне, с 40-100 до 30-80 мкм на расстоянии 5 мм от поверхности и со 150 до 100 мкм в центральной зоне.

U

6S

60

т®

OS ? 'f

¿у

nut

19

5 О

Рис.6

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ' СИТКА ПРИ КОНВЕКТШШ ДВНЭШ ЖИДКОЙ ФАЗЫ

Анализ затвердевания малоуглеродистой стали без рассмотрения кинетики формирования неггрерывнолктой заготовки при конвективном движении жидкой фазы выполняется по решению задачи Стефана, включающей в себя уравнение теплопроводности'в твердой фазе

?г - (3)

при иО '

и условие на границе раздела фаз

При известном отношении теплового потока к теплопроводности имеем

В начальный момент времени температура в корочке распределяется ло известному закону .

Т(а, о) . . м

где Т -температура, '-соответственно коэффициенты тем-

пературопроводности, теплопроводности и теплоотдачи, л /"-перегрев жидкости, £ -плотность, £ -толщина корочки, X -координата, -время.

Температура в корочке распределяется в виде

. Ш) +д(хф Т^- (V

Коэффициенты ряда Фурье ¿п. в выражении /7 / определяются из систему дафференвдатышх уравнений

&£п. гчгГч.^.,) 1 . / 1-.! 4

/7>

ш

+ -41__(Х-оф-^Щ '

^глТ^ (7? » * р )

с начальными условиями

У = ' (¿«г+1)

Опт (ц+т.+1)(т-п-) ' Т '

Кп/П ~ ¡¡(¡-к*1)) Л-/л.

. Закон движения граница раздела фаз определяемся как ^ =} У?" . Соотношение на границе раздела фаз /4 / в соответствии с выражением /7 / преобразуется к виду

Коэффициент затвердевания р определяется из уравнения /10/

к= Л. си)

-Р // 7 f//Гf

Система дяфферешляальннх уравнений /8/ сошестно с начальными условиями /9/ позволяет решить поставленную задачу и опредашть температуру металла и толщину образующейся корочки. Решение системы /8/ с условиями /9/ является задачей Коши. Исходная система 4-х дафйеренциачьных уравнений / л =0,1,2,3 / решается методом Рунге-Кутта. Результаты количественного сравнения толщины корочки парафина по высоте модели представлены на рис.7. Отмечается хорошее согласование расчета с экспериментом. Максимальное отличие расчетной толщины корочки парафина от наблюдаемой в эксперименте отмечается с увеличением времени заливки и не превышает 15 '¡о. Изменение средней по сечению температуры твердой фазы душ различных значений плотности теплового потока приведено на рис.8. Увелнчо -ше плотности теплового потока приводит к уменьшению температуры корочки. Анализ результатов сравнения расчетных и экспериментальных данши затвердевания парафинового слитка подтверждает адеква1;'-ность разработанной методики ее физическому аналогу.

Толщина корочки парафина

Температура корочки

60 120 № 200 60 Ш Ш 1с

1-расчет, 2-экспери.;елт Рис. 7

Плотность теплового потока:

1-22400,2-20160,3-13340 •.

.....и К

Рис.8

4. ПРй'ШИЕНИОЕ ОПРОБОВАНИЕ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

Промышленное опробование рекомендуемого способа разливки стали проводилось на металлургическом комбинате "Азовсталь". Разливка велась через разработанные и изготовленные погружные кварцевые стаканы, в которых реализованы рекомендованные параметры. В соответствии с 'программой испытаний в общей сложности через опытные стаканы разлито 30 плавок /5,1 тыс.тонн/ в сллбы сечением 0,25 х х 1,65 mi 0,3 х 1,85м различной стали /17Г1С, 09Г2С, Зсц/. В процессе исследований ло полученным результатам измерения температуры охлаздающей вода в'каналах кристаллизатора на рис.9 приведена картина плотности гешговых потоков по широким граням при дазла-вке через существующий и опытные стаканы. Расчет выполнялся по формуле у, =Ц(Ю9-сТ ,-Зр—. Из рис.9 видно, что при разливке че -раз стакан с эксцентричными отверстиями возросшая тепловая нагрузка на кристаллизатор в районе 8 -18 канатов широкой грани носит рассосредоточеяный характер ш поверхности. При этом теплообмен в кристаллизаторе возрос тает на 10-12 %. Для сравнешш на рис. 10 приведены результаты расчета плотности теплового потока на поверхности слитка /в твердой фазе/. Расчет выполняйся по формуле

-h l-f-Vn,

(12)

при А. =(/15{3-(л} , где ^ - коэффициент теплоотдачи от жидкой стали в корочку, Ъ-Т* =50 °С, /=7200 кг/м3, 2=272 Кд.-;-/кр,

0,01 м/с -скорость вытягивания слитка, скорость роста твердой

гЛ

фазы принималась равной

■Плотность теплового потока по широким граням кристаллиз атора

/2=0,01. На рис.9 обозначено:1,2-разливка через существующий

стакан,3,4-через стакан с эксцентричными отверстиями, 1,3-по большему радиусу кривизны,2,4-по меньшему радиусу.

ZOrJ/cauajQ

Рис. 9.

Плотность теплового потока на поверхности слитка

1,2-разливка через существующий стакан, 3,4-через стака!£ с эксцентричными отверстиями, 5,6-через два стакана с одним отверстием в каждом, 1,3,3-по большему радиусу слитка, 2,4,6-по малому радиусу.

ßic.lü

Из рис.10 шдно, что при разливке через опытный стакан мак- . симальноэ значение плотности теплового потока на поверхности слитка по большему радиусу увеличивается на 50 % на участке дт^аи— . ной 0,5 м. Полученные результаты находятся в соответствии с экспериментальны!« данными плотности тепловых потоков в каналах кристаллизатора. Исследования на стали 17Г1С стаканов показали, что вымыванию, в основном, подвергается рабочая поверхность ABG. Погружной разливочный стакан из кварцевого стекла при разливке малолегировалных сталей обеспечивал заданные параметры по гидродинамике и теплообмену в кристаллизаторе в интервале 15-20 минут с момента его установки. В дальнейшем за счет вымывания выходных отверстий увеличивается глубина проникновения струн с ухудшенном гидродинамики и уменьшением теплообмена в кристаллизаторе до 1013 Размывание выходных отверстиЛ способствует увеличению разно-толщинности корочки по периметру заготовки и вероятности еа -прорыва на выхода из кристаллизатора.

Исследования макроструктуры литого металла показали, что при разливке стали через стакан с эксцентричными отверстиями угленьшаетоя зона столбчатых кристаллсв-в среднем'в 1,5 раза и соответственно увеличивается зона разориентированных кристаллов, структура металла становится более однородной.

ik

ОСНОВНЫЙ шведа 110 РАБОТА

На основе экспериментальных исследований решена научно-техническая задача повышения однородности структуры получаемых за -готовок и интенсификации теплообмена жидкой стали в кристатлнза-торе.

Проведенные исследования разливают и уточняют существующие представления о.тепловой работе радиального кристаллизатора, гидродинамике и затвердевании непрерывно литых стальных заготовок при конвективном движении жидкой фазн:

1. Поставлен лабораторный эксйеримент по изучению гидродинамики жидкой стала на воде. Установлен благоприятный режим течения при разливке через два стакана, обеспечивающий циркуляционное перемешивание жидкой стали в горизонтальной плоскости кристаллизатора. Для кристаллизатора с поперечный сечением 0,3 х 1,85 и определено •расстояние между стаканами равное 700-S0Q мм, смещение стаканов

относительно др,,г друга в сторону широких граней -100-160 мм при наружном диаметре стаканов -120-145 мм с размерами выходных от -верстий 40 х 100 мм. Исследована гидродинамика течения жидкости через один стакан; со смещением отверстий 75 мм в сторону широких граней. Характер течения жидкости и поле скоростей в пристено -чных слоях кристаллизатора зависят от профиля внутренней поверхности стакана и угла установки отверстия с широкой гранью-О-Ю0.

2. Поставлен лабораторный эксперимент по изучению процесса затвердевания парафина и сплава Дуда в кристаллизаторе. В случае раз-ливш парафина с использованием двух стаканов выравнивается поле температур в корочке." Опытные ошши из сплава ^уда имеют измельченную кристаллическую структуру с. длиной осей дендригов в 1,0 раза меньше, чем в сравнительных слитках. Анализ влияния действующих факторов на динамику роста корочки и распределение температур в формирующемся слитке в зоне кристаллизатора показал, что основную роль в этих процессах играют скорости конвективных потоков.

3. Разработана методика приближенного расчета затвердевания непрерывно литого слитка малоуглеродистой стали, позволяющая расчитывать толщину формирующейся корочки в зависимости от изменения коэффициента теплоотдачи на границе с твердой фазой. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными дан-

ними. Разработана методика приближенного решения задачи движения расплат в горизонтальной, плоскости кристаллизатора, позволяющая расчитывать функции тока во внутренне;! области течений. Результаты расчета функций тока удовлетворительно согласуются о экспериментальными данными течения аидкооти.

4. На основании полученных экспериментальных и теоретических результатов разработаны способ непрерывной разливки. стали и устройство для его осуществления.

5, Экспериментальная проверка применения разработанного способа разливки стали на слябовой А1ЯЛЗ меткомбината "АзоЕсталь" дая улучшения о трут: туры получаемых заготовок и интенсификации теплооб -мена в кристаллизаторе показала его высокую эффективность. Через стаканы с эксцентричными отверстиями отлито более 30 плавок различных марок сталеЗ. Установлено, что при разливке стали через стакан е 'эксцентричными отверстиями тегшообмен в кристаллизатора увеличивается на 10-12 % и уменьшается разнотолндннооть корочки по периметру заготовки. По литому металлу установлено, что в отлитых заготовках уменьшается зона столбчатых кристаллов в 1,о-2 раза и соответственно увеличивается зона разориентировашшх кристаллов, структура металла становится более однородной. Кроме этого степень осевоЛ ликвации уменьшается в среднем на 0,5-1 балл. Исследования проката-дист толщиной 40 и 45 юл показали, что ме -там, о мигай по разработанному способу характеризуется более вы-сокиш-до о % механическими свойствами.

Совокупность полученных результатов представляется как решение научно-технической проблемы. имеющей важное народно-хозяЛст-ванноэ значение.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Студов Б.В., Гонтарев С.К. Смешение плоскопараляельных струй в ограниченном пространстве //Проблем высокотемпературной техники.-Днепропетровск, 1936. -С. 70-74. -{Сб. науч.тр./ДГУ)•

2. Стулов В.В. Теплообмен струи со стенкой //Процессы тепломассо -обмена в одно- и двухфазных системах.-Днепропетровск, 1988.-

С, 12-15. -(Сб. науч. тр./ДГУ).

3. Стулов В.В.' Экспериментальное и теоретическое исследование не-распавшейся части затопленной струи //Процессы тепломассообмена в одно- и двухфазных системах.-Днепропетровск, 1988. -С. 16-19.-(Сб. науч. тр./ДГУ).

4. Гонтарев Ю.К., Стулов В.В., Яковенко А.Г. Ламинарное истечение жидкости из насадков при взаимодействии с окружающей средой //Методы решения граничных задач и обработки данных.-Днепропетровск, 1989. -С. 12-18. -(Сб. науч. тр./ДГУ).

5. Яковенко А.Г., Стулов В.В. Алгоритм решения задачи о смешении встречных непересекающихся отруй в прямоугольной емкости //Ме -тодн решения граничных задач о обработки данных.-Днепропетровск,

' 1989. -С. 57-63./-(СсГ. науч. тр./ДОГ).

6. Стулов В.В. Исследование распределения температур в непрерывно-литом слитке на физической модели //Тез. докл. Всесоюз.семин. "Тепломассообмен и гидродинамика тонких струй вязкой жидкости" (май 1989 г.). -Днепропетровск: ДГУ.-1989. -С. 41-42.

7. Стулов В.В., Гонтарев Ю.К., Яковенко А.Г. и др. Физическое моделирование теплообмена з кристаллизаторе установок непрерывной ■разливки стали //Тез. докл. Всесоюз. семин. "Тепломассообмен и гидродинамика тонких струй вязкой жидкости" (май 1989 ) .-Днепропетровск: ДГУ.-1989.. -С. 43-44.

•8. Исследование влияния теплообмена в кристаллизаторе на образование поверхностных дефектов в непрерывнолитой заготовке и выдача рекомендаций по режиму охлаждения, организации течения металла и способу его подачи в кристаллизатор, обеспечивающих повышение выхода годная слябов.-1989. Отчет Днепропетровского госунивер -ситета.-Гос. регистр. & 01. 89. 0030475. -67 с.

9. Стулов В.В., Гонтарев Ю.К., Яковенко А.Г. и др. Экспериментам' -ное исследование гидродинамики непересекащяхся плоских струй в емкости кристаллизатора//Изв. вуз. Черная металлургия.-1989. 1Ь 11. -С. 50-52.

10. Стулов B.B., Яковенко А.Г. Теплообмен в кристаллизаторе' при конвективном движении жидкой стали //Изв. вуз. Черная металлургия. -1990. JS7 . -0.23-24.

11. А. с. 1438086 СССР. Способ непрерывного литья плоских слитков /Ю.К. Гонтарев,' Б.Ф. Белов, Ю.М. Ефиметсо, В.В. Емельянов,

A.Г..Косторнов, В.Г. Ленский, Ю.И. Михайлов, H.A. Овчинников, О.В. Носоченко, В.Ф. Приснянов, Л.А. Позняк, В.И. Трефилов,

B.В. Стулов, Г.А. Николаев. -J6 40Э5093 /31-02. ДСП.

12. Стулов В.В., Гонтарев Ю.К., Николаев Г.А. и др. Экспериментальное исследование тепловой работы радиального кристаллизатора ЖДЗ //Изв. Еуз. Черная металлургия.-1990. JS 9.- С. 25-26.

Заказ Объем 1 п.л. Тирая.ЮО экз.

Типография, ЭОЗ ЖСиС, ул. Орджоникидзе,

8/9