автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теплофизические основы и разработка устройств магнитного и электрического воздействия для повышения качества металла при непрерывной разливке стали

РГ6 о

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УПИ

КАБАКОЗ Зотей Константинович

ШИ0Ф1ШЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ МАГНИТНОГО И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ

Спецаэльнооть C5.I6.02 - Металлургия черных металлов

2 1 МАР 199'»

На правах рукописи

Автореферат

Лзссертзцйн на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1994

Диссертационная работа выполнена в Научно-исследовательском институте металлургической теплотехники (ШИШ.г. Екатеринбург.

Официальные оппоненты;

- доктор технических наук, про$«ссор Ю. Г. Яроаенко;

- доктор технических наук, профессор А. Я Даплин;

- доктор технических наук А. А. Романов.

Ведущее предприятие - Институт новых металлургических технологий (ИНМТ) ЦБЙИЧМ, г. Москва.

7

Зашита состоится "O-npj-nji 1994 г. в/»' час. на засе-

дании специализированного совета Д 063.14.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Уральском государственном техническом университете - УЖ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПЯ

Ваш отзыв и замечания, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить по адресу: 620002. г.Екатеринбург, К-2, улШра, 19. УГГУ-УШ, ученому секретарю института

Автореферат разослан " J ".м^/ил 199g-г.

Ученый секретарь /О

специализированного совета, ■ Н. С. Шумаков

доктор технических наук, ОТу^

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рзбота. В современной черной металлургии для повышения качества литого металла и производительности машин непрерывного литья заготовок (ШЛЗ), расширения марочника разливаемых сталей и сортамента производимых слитков используют электромагнитные воздействия. К числу самых простых и экономичных воздействий относятся воздействия статического магнитного поля и постоянного электрического тока- Для широкого распространения этих воздействий необходимо создать научно обоснованные методы выбора параметров воздействий к устройств, реализунцих данные воздействия.

Работа выполнялась в соответствии с программой КПН ТП СЭВ (раздел 4.3.4.4).от 09.06.86 и отраслевыми комплексными программами. ■

■ Шль_работы. Создание основ теории гидродинамических, тепловых, электрических и магнитных явлений, возникающих в затвердевающем непрерывноотливаемом слитке при магнитном и электрическом воздействии, разработка методов расчета параметров воздействий и устройств для их. реализации..

Научная новизна. Выполнено математическое описание гидродинамических процессов в жвдком металле при действии статического магнитного поля и постоянного электрического тока. Выявлены критерии и безразмерные комплексы, характеризуют!» свойства этих процессов.

Разработаны физические модели для изучения гидродинамических процессов в жидком ядре слиткэ при действии статического магнитного поля к постоянного электржеского тока (или так называемом кондуктивиом электромагнитном перемешивании - КЭШ). С применением в качестве электропроводной ¡кидкссти - электролитов изучены картины циркуляции глдкого металла для различного расположения и количества полей электромагнитных сил. Установлено,что в зависимости от расположения силовых полей картины циркуляции получаются устойчивые и неустойчивые. Для устойчивых картин циркуляции получена взаимосвязь между скоростью движения электролита и основными параметрами силового поля.

При использовании в качестве модельной жидкости - сплава на основе галлия - изучены картины циркуляции для расположения и - направления силового поля поперек 'слитка (КЭШ роликового типа) и для центрального расположения и направления поля вдоль слитка (КЭШ с центральной опорой). Установлено, что зависимость, полученная при моделировании на электролитах, справедлива только для величины критерия Гартмана менее 500. Для больших значений критерия Гартмана зафиксировано явление тормоаения движения металла. Экспериментальные данные, полученные с .применением электролита и жидкого металла, обработаны в критериях подобия и пред -ставлены в виде зависимости безразмерной скорости течения металла от критерия подобия электрических полей и Гартмана. Зависимость позволяет определить параметры КЭШ (магнитную индукцию и плотность электрического тока), обеспечивающие требуемую скорость ■ движения металла.

Выполнено математическое моделирование процесса КЭШ с помощью трехмерной модели с целью анализа причин снижения скорости движения металла при значениях критерия Гартмана свыше 500. Отличием использованной модели от известных является ее трехмерность. В результате моделирования установлено, что индуцированные при движении металла во внешнем магнитном поле токи направлены против внешнего тока, уменьшают тем самым суммарный ток и соответственно электромагнитную силу, и скорость движения.

Разработаны физические модели для изучения процесса электромагнитного торможения затопленной струи (ЭМТ) жидкой стали, подаваемой в кристаллизатор из прямого и глуходонного стакана при действии поперечного магнитного поля. Результаты исследований представлены в критериальной зависимости скорости движения металла на оси струи от критерия Стюарта. Зависимость позволяет определить параметры ЭМТ (магнитную индукцию и размер участка 'обработки полем), обеспечивающие требуемую степень торможения дшиюния.

В результате анализа формулы для определения электромагнитной силы, полученной на основе аналитического решения уравнений Максвелла, выяснены оричиаы растяжения (сжатия) профиля струи в нарастающем (спадающем) магнитном поле. Результаты экспериментальных исследований деформации представлены в виде критериальной зависимости степени деформации от критерия Стюарта и относитель-

ной длины участка воздействия магнитного поля. Зависимость позволяет определить параметры воздействия (магнитную индукцию и длину участка воздействия), сОеспечивакше требуемую степень деформации птюйшя CTDVVI.

Путе;,', гзмьрекия тгкпгрьтуры в слитие на промышленной МНЛЗ впервые зафиксирован разогрев поверхностных слоев (на 60-80) при, применении КЭШ в процессе затвердбвания. Ка основе анализа литературных источников выявлены тепловые эффекты, возникающие при перемеиизании жидкой фазы в затвердевавших слитках. Разработана математическая модель затвердевания и охлаждения слитков, которая позволяет получить основные выявленные эффекты в условиях перемешивания. В отличие от известных моделей теллоперенос при перемешивании учитывается введением коэффициента эффективной теплопроводности, величина которого получена в результате экспериментов. Модель позволяет разработать ре-гхимы охлаждения, исключающие разогрев поверхности слитков в условиях перемешивания затвердевающего металла.

Болучены приближенные решения задач о распределении: -' магнитной индукции в рабочем зазоре при заданном магнитном

потенциале полюсов различной формы; - плотности тока при пропускании тока поперек слитка, которые позволяют определить параметры магнитной и электрической систем устройств, ооеспечивашие требуемые параметры воздействия. Выполнен анализ факторов,влияющих на электрическое сопротивление контакта токоподводяиего ролика с раскаленной поверхностью слитка, и данных по величине тока я ншрягввия для известных устройств КЭШ. Впервые получена зависимость сопротивления контакта от нагрузки на ролик со стороны слитка, позволяющая определить параметры подводимого к слитку тока. ■

ОЕёШШбская__цевдость__и_прожнленная^еажзация^ Выполнена

классификация устройств КЭШ и установлены принципы конструиро-' вания. Разработана конструкции устройств КЭШ для ?ШЗ с брусь-евой системой поддержи слитка и для маотнн полунепрерывного литья кузнечных слитков.

Разработана методология разработки устройств для воздействия, режимов перемешивания и охлаждения слитков.

Разработаны методики расчета устройств КЭШ, ЗМТ и ДС, реализующих требуемые показатели гидродинамических явлений при

указанных воздействиях. Ь'атодаки использованы для разработки ре-кимэв КЭШ] и охлаждения слитка при освоении устройства КЭШ на МНЛЗ Пермского машиностроительного завода, для разработки устройств, режимов КЭШ и режимов охлаждения слитков на ШЯЗ кислородно-конвертерного цеха (ККЦ) N 1 Ново-Липецкого металлургического комбината (ШШК), электросталеплавильного цеха (ЭСЩ) НЛМК и Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК), Опытного завода ШО "ШИПТМАШ" (г.Краматорск), для разработки устройства ЭМТ на КИЗ ЧерМХ. Результата разработок переданы проектным институтам НИИТЯШШ ПО "Утадмаа" и ШО "ШИШШШ" и проектно-конструкторским отделам комбинатов.

Впервые в бываем Союзе метод КЭЫП опробован при непрерывном литье крупных сдлтков - слябОЕЫх сечением 240x1550 мм2 на МНЛЗ ККЦ-1 НШ и кузнечных диаметром 500 мм на МПШ13 ШО "НОДИТМАШ".

Подучено улучшение качества литого металла на 0,5-1,5 балла, сократилось количество.неметаллических включений на 10-12 % и уменьшилась химическая неоднородность в слябовшс слитках, увеличился выход годных поковок пз кузнечных слитков на 3 % .

Результаты опробования устройства КЭШ на ШЛЗ ШШК ПО "Урал-май" использовал при проектировании аналогичных устройств для завода "Азовсталь" я Челябинского металлургического комбината. НПО "КОШГМАШ" планирует распространить технологию полунепрерывного литья кузнечных слитков с применением КЭШ на заводы Насталь и Днецроспецсталь. При использовании разработанных методик повышается качество проектирования, сокращается период промшз-ленного освоения технологии латья с применением данных воздействий.

Результаты изучения гидродинамические и тепловых процессов при КЭШ, ЭМТ и ДС могут слукить основой для создания алгоритмов управления указанными воздействия;,а при непрерывной разливке металлов. Использование результатов работы и' методик расчета уст- . ройств не ограничено только непрерывной разливкой стала,а возможно в любой отрасли промышленности,где необходимо управлять движением электропроводных шдкостей и формой открытых струй металла.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы.доложены и обсундены на зарубекной конференции по новым технологическим

процессам в черной металлургии (ЧССР, Фридек-Миствк,1988); Рижском совещании по магнитной гидродинамике (1984); Всесоюзных технических конференциях по проблемам стального слитка (1985,1987,1990): Всесоюзной научно-технической конференции по металлургической технологии в машиностроении (Волгоград,1990); Всесоюзной конференции по вопросам промышленной кристаллизации (Ижевск,1988): Всесоюзной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ВНИШГ (Свердловск,1990); Всесоюзном научно-техническом семинаре по гидродинамике разливки стали (Днепропетровск, 1989); I конгрессе сталеплавильщиков (Москва,1992).

Публикации. Результаты опубликованы в одной книге, 27 статьях и 4 авторских свидетельствах.

Объем. Диссертация состоит из введения, шести глав," заключения и двух приложений, изложена на 304 страницах и содержит 15 таблиц и 114 рисунков.' Библиографический список - 157 наименований.

На защиту выносятся:

1. Новые представления о гидродинамических, тепловых , электрических и магнитных явлениях, ■ возникающих в непрерывноотливае-мом стальном слитке при воздействии магнитного шля и электрического тока (КЭШ, ЭМТ и ДС).

2. Количественные зависимости, описывающие эти явления:

- движение металла в затвердевающем слитке при КЭШ;

- торможение затопленной струи и деформацию открытой струи в магнитном поле;

- тешюперенос в жидком ядре и охлаздение слитка при 'перемешивании;

- распределение магнитного поля и электрического тока в теле слитка;

. - изменение: электрического сопротивления контакта "ролик-поверхность слитка" от нагрузки на ролик .

3. Математическая модель затвердевания и охлаждения слитка при перемешивании жидкого ядра.

4. Методики расчета, параметров электрического и магнитного воздействия и устройств, обеспечивающих требуемые показатели

гадродинамических. процессов в слитке при непрерывной разливка стали.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В последнее время для улучшения качества металдэ и расширения сортамента слитков при непрерывной разливке стали начинают находить применение простые и экономичные электромагнитные воздействия, основанные на использовании статического магнитного поля и постояшого электрического тока. К этому классу воздействий относится кондуктивный . способ электромагнитного . перемешивания (КЭШ) жидкого ядра непрерывноотливаемого слитка, способ электромагнитного торможения (ЗМТ) затопленной струи зашкой стали в кристаллизаторе МНЛЗ и способ деформации профиля струи (ДС) яри подаче струи в кристаллизатор для литья тонких слябов.

На рисЛ показана схема устройства КЭШ рожкового типа. При КЭШ в части кидкого ядра слитка создают магнитное поле и пропускают электрический ток во взаимна перпендикулярных направлениях. Возникающее поле электромагнитных, сил ( / = I х В приводит шталл в движение. ?йталлургаческий э<К<экт от использования КЗМП в целом аналогичен эффекту от индукционного способа электромагнитного перемешивания ,(ЗМЩ. Пэрекепиваяие лсшого металла приводят к увеличения глобулярной структуры, повышении химической и структурной однородности в осевой зоне слитка. На определенной расстоянии от- поверхности слитка, соответствующем расположению перемешивателя, как правило,располагается "белая полоса", отражающая возникновение отрицательной, ликвации. При применении КЭШ белая полоса выражена меньше, чем при ЭШ. Коэффициент полезного, действия устройств КЭШ выие в 5-10 раз по сравнению с ЭМП. • В способе ЭМТ на затопленную струю действуют статическим магнитным полем (рис.2). При движении металла со скоростью V в магнитном пол$ с индукцией В в нем (металле) индуцируется ЭДС Е с направлением, определяемым по правилу "правой руки". Электрические токи г , возникающие при этом,- замыкаются за пределами струи. Взаимодействие токов ( с магнитным полем генерирует в жидкой стали поле объемных сил Р1 и направленных согласно правилу "левой руки". Электромагнитная сила ? направлена против

'не.!. Схема родзасового варианта КЭШ (а), распределения электромагнитной сим (б) и линий тока расплаза (в) в авдкои ядро непрерывного слитка: . I - звдкая фаза, 2 - корка слитка, 3 - токодддзодядпе ролики, 4 - ролигл - полиса электромагнита, § -немагнктнкэ родник, 6 - гтрсдполагаЕгая щркуаяция дадо2 фаз«

в (н 1 г^.

В'

Ряс.2. Схема агектромапжгного тормсгенпя струи яшкой" стали в кркстаглЕзагоре МНЛЗ: I - разлквочннй стакан, 2 - струя ездкой стали, 3 - кристаллизатор, 4 - полоса электромагнита, 5 - подача металла ез щгамкоЕпа; а - индуцирование ЭДС Е к за'ажание токоз при яэкжензш струг в катнктном поле В, б - направление эдектрокзгягтшл: скд-Р при взаЕмодействкг токсз г. магнитного ноль Б

движения струи, поэтому тормозит а разрушает ее. В результате действия ЭМТ устраняется размывание корки струей металла, повышается ее равномерность и толщина на выходе из кристаллизатора и тем самым создаются условия для увеличения скорости литья без опасности прорывов жидкой стали. Ускорение движения металла вдоль фронта кристаллизации способствует удалений неметаллических включений, повышению чистоты и прочности корки. При ЗМТ уменьшается глубина действия струи, облегчаются условия всплыва-ния неметаллических включений, что приводит к уменьшению количества включений в слитке в целом.

Способ ДС основан на воздействии статического магнитного поля на открытую струю, при котором профиль струи из круглого деформируется в плоский. Этот способ предложен за рубежом для решения одного из наиболее слогиых вопросов, -возникающих при создании МНЛЗ для тонких слябоз,- подачи металла в узкую полость кристаллизатора. .

Анализ литературных источников показал, что проблема применения описанных воздействий для повышения качества металла при непрерывной разливке стали довольно слозшая и комплексная. При разработке устройств для воздействия необходима ответить ца ряд взаимосвязанных вопросоз:

1. Как параметры воздействия связаны с техническими характеристиками устройств?

2. Какие теплофизические процессы происходят в яепрернвноот-ливаемом слитке при воздействии?

3. Как параметры воздействия влияют на показатели этих процессов?

4. Как показатели теплофизических процессов связаны с качеством металла?

Анализ показал таклга, что решению этих вопросов уделяется недостаточно внимания. Отсутствуют методики расчета параметров воздействий и устройств. Освоение устройств происходит, как правило, эмпирическим путем. При освоении устройств КЭМП слабо учитывается богатый опыт применения индукционного 3МП. Отсутствует классификация устройств КЗШ, что не позволяет сформулировать принципы конструирования. При. освоении технологии непрерывного литья с применением КЗШ ие учитывается влияете перемешивания на тепловые процесса в слитке.

В результате анализа состояния Еопроса поставлены слэдуюдие задачи исследования: •

1. Изучение опыта применения ЗШ для повышения качества металла при непрерывной разливке стали.

2. Изучение тешюфкзических процессов в непрерывноотливаемом стальном слитке при воздействиях типа КЭШ, ЗМТ и ДС.

3. Разработка теплофизических, основ магнитного и здектричес-кого воздействия.

4. Разработка методологии создания устройств для воздействия, методов расчета параметров воздействий и устройств.

5. Разработка и опробование устройств для магнитного и электрического воздействий.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТИПА КЭШ, ЭМТ'и ДС

Непосредственное.измерение скорости движения металла в струе и жидком ядре затвердевающего стального слитка - задача практически неосуществимая. Поэтому в данной работе для решения поставленных задач широко использовали метод физико-математического моделирования.

Предварительно на основе анализа магнитогидродшгашческих (ЫГД) процессов в жидком металле при воздейс-виа магнитного поля и электрического тока выявили основные критерии и комплексы, характеризующие общие свойства процессов. Показано, что при разработке физических, моделей процесса КЭШ следует учитывать критерии На и комплекс е , а результаты исследований установившегося течения обрабатывать в виде

V « / СО, Ва?,е), . (1}

где 7 - безразмерная скорость в характерной точке, Я = У-На , ¡7 - критерий подобия электрических полей. На - критерий Гартма-на, £ - отношение толщины жидкого ядра к толщине слитка.

Результаты изучения тормоагения струи необходимо представлять в вадэ

Ч/70 = !Ш2/Вв, Ее) , (2)

где V значение скорости в точке на оси струи, 70 - начальное значение скорости, На?/Не = St - критерий Стюарта, Ее - критерий Рейнольдса.

Физическая модель для изучения гидродинамических явлений •при КОШ представляет собой экспериментальную установку, состоящую из модели участка слитка с жидким ядром - ванны е имитатором корки и электропроводной жидкостью, моделей электромагнита и подводов тока к слитку. В качестве электропроводной жидкости применяли электролита (водные растворы солей) и жидкий металл (сплав галлия с температурой плавления 17 °С). Использование электролитов в значительной мэре облегчает проведение экспериментов и позволяет получить наглядные картггны циркуляции. Поэтому изучение гидродинамических процессов при КЭМП начиналось на установках с электролитом. На этих установках исслэдозали картины циркуляции и скорости двикения в характерной точке занны при различном расположении, количестве и параметрах силовых полей. Для визуализации картин и измерения скорости течения применялись известные методики. Подробно исследовалось.поле индукции з рабочем зазоре электромагнита с помощью теслоамперметра типа 0 '1354/1. Плотность тока определялась расчатеш путем по измеренной разности потенциалов в ванной к известной электропроводности электролита.

В результате изучения картой циркуляции электролита установлено» что „если' поле сил создает контура циркуляции,' ограниченные с двух противоположных сторон,то картина циркуляции будет устойчивой» В противном случае циркуляция' становится поустойчивей и да*» периодической. Пра устойчивой схеке царсуяяниа скорость дагэная в-характерной точке определяется формулой (см.рвс.'З)

V = й Ут/сГ ,

где к=1,35 для одноконтурной а 0,95 для дзухкоятурной циркуляция.

При моделировании кз гядком металла применяет закрытые ванна с имитаторами электропроводной корочки в виде медных.ялзс--тин. Измерение скорости движения металла осуществляли с помощью датчиков, работают по принципу трубки Пито. Кроме датчика, измерительная. система включала двухяидкостный двухбайтовый микроманометр с наклонными СТ-образннми трубка?®. В качестве второй зкидкостя применяли этиловый спирт. Тарировка измерительной сис-

Еис.З. Скорость речения в характерной точке в зависимости от. комплекса •/"Р ( опытные данные на электролите ); I - одноконтурная схема циркуляции, 2 - двухконтурная ; Р= Ш/р ,1 - плотность тока, В - индукция поля, I - длина силового поля, р - плотность жидкости

теш выполнялась на специальном стенде. Моделирование на аидком металле проведено при расположении и направлении силового шля поперек ванны и центральном расположении и направлении вдоль ванны. В результате исследований с применением кидкого металла установлено,что. магнитное поле стабилизирует циркуляцию металла. Кроме того,отмечено, что в отличие от данных, полученных на электролите,зависимость скорости от индукции имеет экстремальный характер. Положение и величина экстремума зависит от силы тока. Результаты изучения гидродинамических явлений при КЭМП на электролите и жидком металле представлены на рис.4 для двухконтурной схемы циркуляции в виде зависимости безразмерной скорости от критерия Q и На. Полученные данные аппроксимированы формулой, которая обобщена на случай одноконтурной схемы циркуляции

Яе = -Off - e)!ta? + /fQ + /Off - e)Ha?l^, (3)

где Fe -- VZ/V - безразмерная скорость движения металла в представительной точке силового шля; 5 = 0,3 и у = 0,9 для двухконтурной схемы; <3 = 0,6 и у =1,8 для одноконтурной схемы.

. Оормула (3) по заданной скорости движзния позволяет прогнозировать основные параметры воздействия типа КЭШ (индукцию магнитного поля и плотность тока) практически для всех устройств.Из анализа результатов изучения сделан важный вывод, что во избегание эффекта снижения скорости при высоких значениях индукши следует при выборе параметров устройств выполнять условие Яа<500 (или для стали ВТ < 0,045). При соблюдении этого условия результаты моделирования на электролите и металле близки мекду собой, что позволяет изучать МГД-процоссы при КЭШ на электролите.

Действие магнитного поля на затопленную струю металла, подаваемого в кристаллизатор МНЛЗ'с помощью прямого стакана, изучали на экспериментальной установке, выполненной в масштабе 1:1. Жидкий металл подавали на мениск из патрубка с внутренним диаметром 14 мм' в вертикальную прямоугольного сечения емкость с размера?® 60x210x1050 мм3. Из нижней части ванш металл откачивался с помощью кондукционного электромагнитного насоса и подавался опять к патрубку по резиновому шлангу. Насос обеспечивал начальную скорость струи 2,35 м/с. Емкость располагалась в рабочем зазоре электромэгнита так, чтобы затопленная струя проходила мевду по-

Ие-Ю'5 5

к

■5

2

<

О

Рис.4. Зависимость безразмерной скорости от силового критерия при различных значениях Гартаака (двржонтурная схема циркуляции): а а а - роликовый вариант К2ВД, опыты на электролите, л д а - то же на спааве ггдлая при С = 0,5; + * + - то же при £ = I, оо о - КЭШ с опорой на сплаве галдкя (£ - 0,5), — - расчет со формуле (3) при х =0,9; $ - 0,3; £ =0,5; ^ - гочка относится к данному значении критерия Гаркана

яосами диаметром 170 мм кандый. Максимальное значение индукции ь зазоре - 0,55 Тл. Измерение осевой скорости движения металла пшюлнялось так хе, как при изучении КЭШ. 'Аналогичные исследования проведены на экспериментальной установке, имитирующей подачу тталпь в кристаллизатор из глуходонного разливочного стакана. Результата изучения влияния магнитного поля на затопленную струю обработаны в критериях подобия. Критериальная зависимость аппроксимирована формулой

Vtl,d)/V(l,0) = 1 - 0,5-St , . ' • fO

где V/l,Oj и Vil,В) - скорости движения металла на оси струи в точке, расположенной на расстоянии Í от сопла, при отсутствии поля и при значении индукции поля В.

Изучение поведения открытой струи в'поперечном магнитном поле заполнили на установке, на которой исследовали торможение затопленной струи. Установлено, что в неравномерном магнитном поле круглая струя деформируется и становится почти плоской. В нарастающем поле струя уплощается в направлении к полисам, а в спадающем (при уменьшении индукции поля) - вдоль полюсов. Результаты исследования представлены на рис.5 в виде обобщенной'зависимости степени деформации (отношения широкой стороиы сечения к узкой) от критерия Стюарта и отношения длины участка спадания поля к начальному диаметру струи.. Там иге приведены обобщенные наш данные японских исследователей по изучении деформации профиля сечения струн. Все данные аппроксимированы формулой

и - 1 + 0.06П + l/üf-St . (5) .

Полученные формулы (4) а (5} позволяют получить исходные данные для расчета электромагнитов устройств ЭМТ я ДС.

3. РАСЧЕТНО-ТЕОРЁТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ЕИДКИЙ МЕТАЛЛ

Изучение гидродинамических процессов в гадком ядре слитка при использовании КЗШ проводилось с помощью трехмерной математической модели, включающей:

pjtc.5. Степень деформацяи открытой струи п спадаодем (/лгнитном поле в зависимости

от критерия 'Стюарта: ооо— опыт для насадка диаметром 14 ш на сплаво галлия, * * * - обобщение дмшнх японских исследователей для насадков диамотрои 8 и 10 ш на ртути, Sí = <¿3? с//р У0 , <5 и р ~ электропроводность и плотность

падкого штама

- уравнение Навье-Стокса с членом, учитывающим Лорениову силу;

- уравнение нерззравности жидкости;

- уравнение Максвелла;

- закон Ома для движущихся сред;

- граничные условия.

Поле магнитной индукции задавали, используя известные формулы и результаты изучения магнитных полей. Учитывая, что режим течения при КЭМП - турбулентный, использовали упрощенную модель турбулентности в виде

= ■ Ь , (6)

Т 1 тах

где У - максимальное значение сковости в васчетной области,

гяах * *

7} - эмпирический коэффициент, Ь - толщина жидкого ядра. Задача магнитной гидродинамики решалась численным методом с применением ЗВМ ЕС-1033.

. Предварительно выполнил!! настройку модели по параметру т) на основе результатов Физического моделирования гидродинамических явлений при КЭШ с применением жидкого металла (гл.2). В результате расчетного исследования гидродинамических процессов при-использовании устройства КЭМП роликового типа (рисЛ) установлено, что в отсутствии магнитного поля движение отсутствует, а градиент электрического потенциала вдоль слитка имеет постоянное значение. При включенном поле начинается движение металла и градиент потенциала в области полюсов электромагнита (магнитных роликов) резко возрастает. Анализ показал наличие однозначной связи между скоростью движения и скачком потенциала в области полюсов. Лучшее соответствие между результатами физического и математического моделирования достигнуто при коэффициенте т) в формуле (6), равном 1,5-Ю"3. С помощью модели изучали причины снижения скорости;движения при КЭМП с повышенными значениями индукции. Изучение выполнено для слитка сечением 240x1550 мм2, отливаемого на ОТ13 ШШК с устройством КЭШ с центральной опорой. В результате моделирования установлено, что причиной снижения скорости является уменьшение внешнего тока за счет индуцированных токов, возникающих в металле при его движении во внешнем магнитном поле.и направленных навстречу внешнему току. Индуцированные токи замыкаются в ¡юподвикной корке слитка. Результаты исследований показали, что эФ&жт снижения скорости уволичиваотся с по-

вишенном индукции и увеличением толщины корочки.

Математическую модель применяли при прогнозе режимов перемешивания для указанного объекта. Так как кривая зависимости скорости движения от индукции носит экстремальный характер, а величина и положение экстремума зависят от силы тока, то одно й то ;«е значение скорости можно получить при различных значениях силы тока на слиток и индукции поля. В связи с этим при назначении режимов работы устройства КЭШ возникает задача выбора силы'тока и индукции, обеспечивающих заданную скорость движения металла в жидком ядре слитка. Принимая во внимание, что основная мощность .устройства потребляется при пропускании тока через слиток, а подвод тока большой силы сопряжен с рядом технических трудностей, можно сделать вывод о необходимости минимизации, силы тока. В результате моделирования построены номограмм для промышленного агрегата КЭШ ШЛЗ ШШ, позволяющие по заданной скорости движения определить минимальную силу тока и соответствующую ей величину индукции для заданного диапазона скоростей вытягивания слитка.

В результате теоретического изучения торможения затопленной струи металла в поперечном магнитном поле получено приближенное аналитическое решение. Решение представлено формулой, описывающей снижение относительной скорости движения металла на оси струи в зависимости от индукции поля и длины участка струи от сопла до рассматриваемой точки на оси струи. Формула использована при аппроксимации экспериментальных данных по изучению тормохения струи в гл.2.

Выполнено аналитическое решение уравнений Максвелла с целью определения электромагнитной силы, вызывающей деформацию профиля сечения открытой струи при ее движении в неравномерном магнитном поле. Для определения плотности электромагнитной сила получено выражение

.08

/_ = - о V — Вт , 17)

02.

где о - электропроводность металла, В = В(г) - индукция цоля, направление оси 2 - вдоль струи,.ось х - перпендикулярна оси-г и вектору В .

В результате анализа решения установлено, что деформация профиля зависит от знака градиента магнитного поля. При даикениа

труп б нарастающем поле силы схимэют струю в направлении оси х, в спадаюаем - растягивают.

Расчетно-теор&тическиЯ анализ МГД-процоссов помог объяснить нутрлшие причины явления свджешя скорости движения металла ри КЭМП, торможения дшюзнкя металла в поперечном магнитном по-•э и различной деформации открытой струи в спадащем и нараставши магнитном поле.

4. ТИПОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАТВЕРДЕВАЮЩЕМ СЛИТКЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КЭШ

С целью изучения тепловых процессов при КЭШ выполнено:

- измерение температуры в затвердевающем слитке на промышленной МНЛЗ ПМЗ с устройством КЭМП роликового типа;

- экспериментальное определение коэффициента эффективной теплопроводности в нидксм ядре слитка;

- математическое моделирование затвердевания и охлаждения слитка при перемешивании ядра.

Измерение температуры проведено по методике, разработанной во Ш® и усовершенствованной для применения в условиях К5МП. В ¡анной работе выполнено опробование различных конструкций зашиты •орячих спаев термопар. В процессе опробования защита з жидкой :тали в кристаллизаторе проюгаленной МШ13 фиксировали кривую гзгрзва спая и момент выхода из строя заакты.Результаты изучения юзволяет ЕЫбрать ззсйту термопары в зависимости от условий изменения температуры. Так. например, для измерения температуры в юзерхкостком слое слитка следует применять малоинерционную 'слабую" задиту - кварцевый колпачок с заплавлением горячего лая, а в центре'слитка - необходима защита из корундового чех-га с засыпкой термопары корундовым порошком. Стойкость последней ¡агита повышается при использовании наружной стальной трубки для 'странения термического удара.

Полученные результата учитывала Ери разработке блока тертдо-гар, который шорагивали в" слиток сечением 175x1020 км2,отливаема на вертикальной промышленной КШПЗ .ПМЗ с применением КЭШ» Устройство КЭШ роликового типа располагалось во второй секшг.;: юна вторичного охлаждения (ЗВО) . -Измерение проведено. па рабочей-

скорости разливки 0,5 м/мин при расходе воды на вторичное охлаждение согласно технологической инструкции. Сила тока на слиток составляла 3200 А, магнитная индукция мехду роликами - полисами электромагнита - 0.08 Тл.

Сравнение кривых охлаждения, полученных при опытной и обычно? разливках» показало, что при использовании КЭШ томп»ратург поверхностного слоя слитка в ЗВО выше' на 60-С0 град., т>/мпорйту-ра центра не задерживается на ликвидусе, а монотонно снижается I процессе перемешивания жидкого ядра. Как известно,такое снижение температуры жидкого ядра в целом способствует объемной кристаллизации и увеличению зоны равноосных кристаллитов, что и обнаруживается на темплетах, отобранных от опытных слитков.

При разработке математического описания тепловых процессов I затвердевающем слитке в условиях перемешивания жидкого ядра принимали во внимание перечень тепловых эфХектов, зафиксированных I экспериментах на слитках и отливках. К ним относятся:

- быстрое снятие перегрева и выравнивание температуры по тол-гцшо жидкого'ядра вследствие увеличения теплоперекоса;

- торможение роста корочки и уменьшение иирина двухфазной зона при перемешивании перегретого ииякого ядра на начально; стадии затвердевания;

- увеличение ширины двухфазной зоны и сокращение продолжи тельности затвердевания слитка в целом:

- разогрев поверхности слитка и.увеличение теплоотдачи от по верхности слитка к окружающей среде.

В известных математических моделях затвердевания и охлаадени слетков процесс перемешивания учитывается одним из следукта способов:

- введение в граничное условие на фронте кристаллизации коэ<| фищ;ента эффективной теплоотдачи от жидкого ядра к корке;

- введение в уравнение теплопроводности коэффициента эф^ек тивной теплопроводности в жидком ядре;

- решение уравнений гидродинамики и теплопроводности с кор вективными членами и коэффициентами элективной вязкости теплопроводности.

Первая группа моделей опирается на экспериментальные дз!Ш1 по теплоотдаче от. жидкости к твердой стенке. Область применен! этих моделей ограничена допущениями о гладком Фронте затвердевг

кия и неизменности температуры гладкого ядра.

Если известны размеры участка перемешивания, характерная скорость движения металла и интересует усредненный тепловой эффект от перемешивания, то в этом случав наиболее оправдан второй способ описания тепловых процессов при перемешивании. Этот способ позволяет изучать влияние перемешивания на шфину двухфазной зоны.

Анализ показал, что даже эти упрощенные подходы к описанию тбплоЕшс процессов часто дают результаты, не согласующиеся с известными экспериментальными данными. В этом случав получить результаты, согласующиеся с указанным перечнем тепловых эффектов, с помощью третьего способа описания представляется весьма за -трудннтельге»:.

Нзмл использован второй подход к описанию тепловых процессов при затвердевании, основу модели составляет уравнение теплопроводности, в котором выделение теплоты кристаллизации учитывается с помощью коэффициента -эффективной теплоемкости. Предложен научно обоснованный выбор коэффициента эффективной теплопроводности в ¡кижом ядре и з двухфазной зоне слитка.

Коэффициент эффективной теплопроводности определяли с помоиью физической модели турбулентного переноса тепла поперек потока жидкого металла. Физическая модель включала'цижщрическуэ емкость из текстолита с внутренним диаметром 300 ш и внсотой 20 ?ал. В центре емкости.располагался нагреватель дааазтром 15«а.

3 емкость заливали сплав ггшш 'и прпзодалн его во вращение с помощью устройства КЭШ...Изменяя'"салу' тока на устройство, получали различные скорости, вращения металла, которьз фиксировали . по методике, указанной в гл.2. После включения нагревателя регистрируются кривые нагрева различных'точек'емкости, в частности, у края емкости. Для обработки результатов.опытов использовали математическую модель теплопроводности в -годком ядре цилиндрической формы с заданным источником тепла на поверхности нагревателя.« условием симметрии на внешней поверхности. Обработка, заключалась в psneir.ni задач теплопроводности при различных зна-чешях коеф$щиента теплопроводности и сравнении расчетных и экс-нершэнтадьЕых кривых нагрева. При достижении .достаточно точного совпадения решение заканчивалось. Устанавливая соответствие мезду коэффициентом теплопроводности и максимальной линейной

скоростью двикения металла, получили зависимость е = ?(Т?е), где £ = ^йф/^ . л и А.&ф - коэффициенты молекулярной и эффективной теплопроводности. Ре - критерий Пекле. Для стали эту зависимость можно представить в виде

£ = 1,4-1С'4-Де . (8)

При задании коэффициента эффективной теплопроводности в двухфазной зоне слитка использовали экспериментальные данные по глубине проникновения потока металла в двухфазную зону. Согласно известным исследованиям двухфазную зону можно разделить на две части: проницаемую- для потока металла <0 + ф , где ф; - доля твердой фазы в элементе объема двухфазной зоны) и непроницаемую (ф,+1,0). Глубина проникновения, определяемая изолинией величины ф, , возрастает , асимптотически с увеличением отношения скорости движения металла к скорости перемещения фронта кристаллизации ( У/К ). Известные экспериментальные данные по глубине проникновения аппроксимировали формулой .

ф, = ф*г; - е~к7/к ) (9}

где ф* - предельное значение. ф;'' , 2г - эмпирический коэффициент.

С учетом понятия о глубине проникновения коэффициент теплопроводности в двухфазной зоне задали в форме:

кэф(1- + * и-ф, ;яд7ф/ф,, (X ф £ ф, ;

яр<|н-п - Ф1 ял ( Ф, < Ф < 1 ;■ ' п0}

. \(Т) ,. Т $ гс ;

где Гл и Гс- температура ликвидуса и солидуса;Л и Хс - теплопроводность кидкой и твердой фаз; ^^-коэффициент эффективной теплопроводности в жидком ядре.. .

Разработанная модель затвердевания и охлаадеяня слитков использована для изучения тепловых процессов, сопровокдающих перемешивание кидкого ядра слитка. На рис.6 показаны.типичные кривые охлаждения слитка толщиной 0,2 ы при е = I, 7, 25, 50 и 100. Модель позволила получить известные тепловые эффекты, в частное-

/Шг-

м

СП

24- Г, МЯН

Рас.б'. Нанянео интенсивности переноса тепла в аидкоы адре на динамику охлаздашя:

I - кривая охлшздения центра, 2 ~ поверхности, ---Л?<р/Л0 - I,

— + — 7, _ .. _ 25, - - - 50, — • — 100

ти, разогрев поверхности слитка, сокращение времени затвердевания. увеличение ширина двухфазной зону. Модель применена для разработки режимов охлаждения .непрерывных слитков, отливаемых на ШИЗ ШЗ и КНЦ-1 НЛШ при воздействии КЭШ. Установлено, что прирост расходов воды на устранение разогрева поверхности пропорционален скорости движения металла и достигает 15 % в первой секции охлаждения.

5. МАШГГШЕ И ЭЛЕКТРКЧЕСКШ ПОЛЯ. СОЗДАВАЙТЕ В СЛИТКЕ УСТРОЙСТВАМИ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ _ •

В устройствах КЭШ, ЭМТ и ДС применяются мощные электромапги-ты постоянного тока, которые создают индукцию 0,1-0,5 Тл в рабочем зазоре 0,1-0,35 м. Намагничивающая сила обмоток электромагнитов достигает 200000амлер-витков. Известные методики разработаны для расчета электромагнитов, ..создающих в рабочем зазоре равномерное магнитное поле. Магнитное поле устройств КЭШ, ЭМТ и ДС обычно неравномерно, поэтому при разработке методик расчета намагничивающей силы обмоток электромагнитов..необходимо знать распределение магнитной индукции. Кроме этого, поле магнитной индукции используется при прогнозе режимов перемешивания с помощью математической модели (п.3), реяимов торможения затоплен-' ной .струи и деформации профиля: течения открытой струи в магнитном поле.

Выложено расчетное и экспериментальное изучение магнитного поля в рабочем зазоре между полюсами различной формы, в частности, между ролжами с параллельными осями, между круглыми полюсами, между' торцами тонких пластин и т.п. Для этого решена задача о распределении индукщщ между полюсами-роликами методом конформных отображений. Решение задачи в плоскости, проходящей через •поперечное сечение р6ликов,имзет зид:

ц*-----( П1}

° [(х+А)г+ у2 И (Х-А)г+ у2}

И й ___________

° 1ША)2* уг}1(Х-А)г+ у2].

где В„ , В - компоненты вектора индукции, - магнитная проницаемость вакуума, й = и/2Ы[ (С+АУЮ , л =/с2-я2""" , У - падение магнитного потенциала на рабочем зазоре, 2С - расстояние меяду осями роликов, 2В - диаметр ролика, начало координат находится по середине рабочего зазора, ось х проходит через центры сечений роликов. Формулы (11), (12) позволяют определить падение магнитного потенциала (намагничивающую силу) на рабочем зазоре по заданному значению индукции, в частности, в середине зазора

и ВПА

р _--=--1П ((х+А) , . (13)

где А = /а2 - 1 , а = С/В.

Учитывая, что насыщение наступает з первую очередь в материале сердечника,можно найти диаметр сердечника по формуле

(14) В 1п(а + А)

где I - расстояние по ролику менду катушками возбуждения, Вд -допустимое значение магнитной кшхукции для материала , сердечника.

Результаты расчета индукции по формулам (11)-(12) хороио согласуются с данными экспериментального изучения поля.

Распределение, индукции между круглым? полисами устройства ЗМТ изучалось экспериментальным путем.■Исследовали влияние конструктивных параметров ярма, полюсного наконечника и высоты зазора на распределение индукции и установили рациональные соотношения между размерами указанных элементов магнитной цепи электромагнита. Результаты изучения индукции в плоскости, проходящей через центр зазора параллельно рабочей поверхности полюса, аппроксимировали формулой

В(г) = В0етр(-4г2/ъЗЬ)., (15}

где В,. - значение индукции в центре зазора, г - расстояние от

центра зазора, <3 - диаметр полюса, б - расстояние мезду полюсами, б/Ь =0,6+1,8.

На основе зависимости (15) получена формула, связывающая величину магнитного потока со средним значением индукции на участке воздействия на затопленную струм

ф = М.В (1'_ е-гг;«м } (16}

4

необходимая для расчета электромагнита.

Методом конформных отображений решена задача о распределении индукции между торцами тонких, пластин - полюсами устройства КЭШ для крупных сортовых слитков. Решение для компоненты индукции, направленной по нормали к поверхности слитка, имеет вид

в = М (17)

7X1 (Кг- Г2 - 1)г + (2И)г ■

где 21} - падение магнитного потенциала на рабочем зззоре, 2а - расстояние между торцами X = х/а, Г = у/а - начало координат -_в центре зазора мегщу торцами пластин-полюсов.

Если пластины тонкие», то сечение сердечника мокзо определить по формуле

5 = 01/Бл , . (18) '

где I - длина покоса, © - величина магнитного потока определяется на основе формулы (17).

Получено ~ аналитическое ревенне о распределении индукции в районе плоских шин с током, используемых в магнитной системе устройств КЭШ крупных сортовых слитков. Выполнена экспериментальная проверка решения. Проведен анализ распределения индукции при различных _ ширине вшны и расстоянии мекду шинами с целью определения рациональных размеров д..ззсов.

Полученные инженерные формулы позволяют определить основные параметры электромагнитов устройств КЭШ, ЭМТ к ДС.

При разработке электрической системы устройств КЭШ, состоящей из источника питания к подводов тока к .слитку, необходимо решить две основные задачи:

- определение' величины тока на слиток по заданной плотности ■ тока на участке создания поля электромагнитных сил;

- определение напряжения источника тока при заданном расположении подвода тока к слитку.

Первая задача имеет тривиальное решение ггри пропускании тока вдоль слитка и равномерном распределении тока по сечению слитка. В случае пропускания тока поперек слитка плотность тока распределена неравномерно. Задача определения величины полного тока относится к классу обратных задач и решается методом решения прямых задач о распределении плотности тока при заданной величине тока, месте и площади его подвода. Подобная задача решена при подводе тока двумя роликами, пропускают его поперек слитка и отводе также двумя роликам, указанную задачу свели к плоской задаче о распределении тока меяду двумя бесконечны!® иглами и решили ее методом конформных отображений. В результате решения получили формулу для определения полного тока по заданной плотности тока 10 в заданной точке силового поля" у0

I = 210 Л}0г+ + ^(~а~0)г ~ 1 (19)

где 2а0 - расстояние мейду подводящими и отводящими роликами, 2аширина слитка, у0 - расстояние от середины'слитка вдоль оси-его до представительной точки.

Получена.формула для построения линий протекания тока поперек слитка, что позволила определить долю тока, участвующую в создании силового поля, или,другими словами, степень использования полного тока, подводимого к- слитку. Указанная величина для промышленного агрегата КЗМП на МКЛЗ ККЦ-1 ШШК (п.6) составила 46Ж-- для верхнего перемешивателя и 65% - для нижнего.

Трудность решения второй задачи связана с неопределенностью величины сопротивления контакта "слиток-токоподвод". Обработка своих и известных данных по падению напряжения и силе тока на слиток позволили определить зависимость сопротивления контакта от нагрузки на ролик со стороны слитка, обусловленной ферроста-тическим давлением металла. Анализ зависимости показал, что сопротивление контакта стабилизируется при нагрузке на ролик свыше 3000 кгс. Контакт резко ухудиается при нагрузке мз-

нее 2СЮ0 кгс, что необходимо учитывать при выборе места расположения токоподводов. Из общей закономерности выпадают данные ВНИШЕТМАША, полученные" на горизонтальной МНЛЗ, что связано, по-видимому, с отсутствием шлака на поверхности слитка.

6. РАЗРАБОТКА И ОПРОБОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ

При разработке и обосновании основных параметров устройств КЭШ возникает сложный комплекс взаимосвязанных вопросов, для решения которых выбрана следующая последовательность этапов работы.

На первом этапе на основании данных об МШПЗ, проблеме качества слитка и опыта применения ЭШ и КЭШ при непрерывной разливке стали намечается место расположения и длина участка 'перемешивания, схема циркуляции и скорость движения металла, участки расположения силовых полей, подвода тока и магнитного поля (гл.4).

На втором этапе выполняется измерение температуры в теле слитка с целью оценки размеров толщины корки и жидкого ядра (гл.4). •

Результаты первых двух этапов используют при создании физической модели гидродинамических явлений в .жидком ядре при применении КЭШ (гл.2). На модели изучают взаимосвязь мезду гидродинамическими характеристиками (картины и размеры контуров циркуляции, скорость движения в характерных точках) и основными параметрами устройств КЭШ (сила тока на слиток, магнитная индукция в рабочем зазоре электромагнита, размеры полюсов и т.п.), исследуют распределение индукции в рабочем зазоре и фиксируют кривую намагничивания электромагнита.

Результаты физического моделирования используют для настройки математической модели процесса КЭМП (четвертый этап).

Параллельно четвертому этапу выполняют пятый этап, связанный с расчетом электромагнита (намагничивающей силы и параметров обмоток возбуждения постоянного магнитного поля, системы охлаждения обмоток, размеров электромагнита и его потребляемой мощности). Для проверка методами расчета используют результаты второго этапа по измерению магнитной индукции на физической модели.

Определяют параметры электрической системы устройства (гл.5).

fía пестом этапе с помошью математической моде-,ли затвердевания и охлаждения слитка при заданном режиме КЭШ уточняются размеры жидкого ядра, время затвердевания и режимы вторичного охлаждения слитка (гл.4).-

Перечисленные этапы работы выполнены в полном объеме при обосновании основных параметров устройств КЭШ для МНЛЗ ННЦ-1 НЛМК (рис.7) и ШЗ . Результаты исследований теплофизических процессов при КЭШ обобщены в виде критериальных зависимостей, что позволило свести соответствующие этапы работа до инженерного уровня. В таком виде методика обоснования применена при разработке устройства КЭМП для МПНЛЗ 03 НПО "ШШПТМАШ". При опробовании указанных устройств КЭМЛ, выполненном совместно с рядом организаций, проведено исследование макрс- н микроструктуры и химической неоднородности металла. Для устройства КЭШ конструкция ПО "Уралмаш", испытанного на МНЛЗ НЛМК, получили экспериментальное подтверждение расчетных данных по магнитной и электрической системе устройства. Результаты опробования метода КЭШ на МНЛЗ различных конструкций показали, что:

-. устройство органически вписывается в конструкции литейных машин:'

- осевая ликвация снижается на 0,5-1,5 балла для углеродистых и 0,5-0,1 для низкоуглеродистых сталей;

- расход электроэнергии в 5-IQ раз ншкй, чем при ЭМП;

- при разработке устройства особое внимание следует уделять конструкции подводов тока к слитку;■

- при применении устройства КЭШ конструкции ПО "Уралмаш" под кристаллизатором с направлением силового поля вверх общий уровень неметаллических включений снизился на 10-12 % ;

- при производстве кузнечных слитков -на МПНЯ выход годных поковок увеличился в среднем на 3 % .

Разработана оригинальная конструкция . и выполнено обосповат ние устройства НЗМП для МНЛЗ с брусьевой проводкой слнтка в ЗСПД НШК и ЧерМК. В данном устройстве брусья 'использованы в качестве подводов тока и магнитного шля. Подвод тока с помощью брусьев полностью реаает проблему подвода тока на подобных МНЛЗ.

Обоснование устройств ЗМТ и ДС проще. чем устройства КЭШ, и включает только два этапа:

гГ

Ряс.7. Схема расположения секций охгавдекая и блоков

устройства КШП на МКЯЗ ККЦ-1 ЕЛЫК (а) к предполагаемая картина циркуляции металла в жидком ядре слитка (б) для одного варкаята включения блоков: . I - кристаллизатор, 2 - хидкиЗ кеталл, 3 - корочка, 4 - брусья, 5 - ролики, б - разливочный стакан, 7 - коктурн щркузищЕЕ, X—Ш - секции охлавденая»

Ы н Е2 - перекешлватели

- определение размера рабочего зазора, величины индукции, длины участка обработки струи, обеспечивающей заданную сте-. пень торможения для устройств ЭМТ ( и деформации профиля

струи для устройств ДО;

- расчет- магнитной система с заданными выше параметрами.

Обоснование устройства ЭМТ проведено для кристаллизатора, используемого при производстве нержавеющей стали в ЭС1Щ ЧерМК. Изготовлены компактные водооыаздаемыв обмотки возбуждения устройства с количеством ампер-витков 50000 каждая. Результаты измерения индукции, полученные при испытаний обмоток на специальном стенде, согласуются с расчетными, данными.

Основные результаты обоснования (исходные данные к проектированию устройств КЭШ и ЭМТ, рабочие чертеаи, режимы перемешивания слитка в условиях КЭМП) передани для использования проектным организациям» заводам и комбинатам (ПМЗ, ПШГШ, ПО "Уралмаш", НПО НИИПТ(Ш1, ККП-1 и ЭСЩ НЖК, ЭСПЦ ЧерМК). Результаты разработки и опробования устройства КЭШ с центральной опорой использованы ПО "Уралмаш" при проектировании устройств КЭШ для ШЛЗ завода "Азовсталь" и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является итогом исследований, совокупность которых представляет собой решение крупной научной проблема, ямеиаеа важное народнохозяйственное значение и заключающейся з разработке научных основ расчета параметров я устройств магнитного и электрического -воздействия для повышения качества и расширения сортамента металла при непрерывной разливке стали..

Научные основы включают новые представления о теплофизических процессах, происходящее в непрерывное?ливаемом слитке при данных воздействиях, и количественные зависимости, описывающие

- движение металла при кондуктивном электромагнитном перемешивании;

- торможение затопленной струи и деформацию профиля открытой струи магнитным полом;

- теплоперенос в замком ядре и охлаздение слитка в условиях перемешивания;

■ распределение магнитного поля и электрического тока в теле слитка;

- изгленение электрического сопротивления контакта "ролик-слиток" от нагрузки на ролик.'

На основе результатов детального комплексного изучения тепло-физических процессов при магнитном и электрическом воздействии на непрерывноотливаемый слиток разработаны методики расчета параметров и устройств КЭШ, ЭМТ и ДС; расчета режима охлаждения слитка при перемешивании. Полученные методики использованы при разработке устройств КЭМП, режимов перемешивания и охлаждения агитка для ряда металлургических заводов и комбинатов. Разработанные устройства КЭШ прошли опробование при непрерывном литье крупных слитков: слябовыз. - на МНЛЗ НШК и кузнечных - на опытном заводе НПО "ЩЖГГМАДГ. При опробовании получено повышение качества металла на 0,5-1,5 балла и уменьшение количества неметаллических включений в слябовых слитках из углеродистой и низколегированных сталей, увеличение выхода годных поковок для кузнечных слитков на 3 % ■. Результаты опробования устройства КЭШ на МНЛЗ НЛМК ПО "Уралмаш" использовал при проектирования аналогичных устройств для завода Азовсталь и Челябинского металлургического комбината.

Разработанные методики расчета ц результаты опробования устройств для воздействий создают условия для широкого внедрения в черной металлургии простых и экономичных магнитных и электрических воздействий на затвердевающий слиток с целью повышения качества и расширения сортамента металла при непрерывной разливке стали.

Результаты работы представляют интерес при разработке алгоритмов АСУ непрерывной разливкой стали с применением данных воздействий, а таюке устройств воздействия для других отраслей промышленности, где необходимо перемешивать электропроводные жидкости и управлять движением и формой струй -ладного металла.

Основные результаты диссертационной 'работы опубликованы в следующих работах:

1. Тепловые процессы при непрерывном литье стали / Самойлова Ю.Д..Горяинов В.А..Крулевецкий O.A.,Кабаков S.K. и др. М.: Металлургия, 1982. 152с.

2. Кондуктивное электромагнитное перемешивание металла

при непрерывной разливке/Нисковских B.W..Смирнов А.А.,Рябов В.В., Клак В.П..Кабаков З.К. а др.// Сталь.1990.N12.с.21-24.

3. Математическое моделирование процесса кондуктнвяого перемешивания расплава в незатвердевшей части непрерывного слитка / Самойлович Ю.А.,Шифман Э.Р.,Брыксин В.М,,Кабаков S.K. к др. // Магнитная гидродинамика Л987.N4.с.107-112.

4. Кондуктивное перемешивание расплава в незатвердевшей части слитка / Самойлович Б.А. .Брыксан ВЛ1. .Кабакоэ S.K. и др.// Известия АН СССР. Металлы.1987Л®.с.94-100.

5. Физическое а математическое моделирование кондуктхш-кого электромагнитного перемешивания при непрерывной разливке стала в листовые заготовки/ Самойлович Ю.А., Кабаков З.К., Брык-син В.М. и др. // Новые технологические процессы в черной металлургии: Сб.трудов конференции.Секция 2.Непрерывная разливка стали и производство заготовок прагмой разливкой, 23-26 мая I9S8. ЧССР. Фридек-Мястек,IS88.С.231-238.

6. Физическое' н кзтематкческоэ шдедироваш» электромагнитного перешшваная расплава з незатЕ-ердевшей части непрерывного митка/Самойлович Ю.А..Федотов В.М.,Субоч В.Д.,Тихонов Н.И., Кабаков З.Н.,Ясшщклй Л.Н.// йэженерше вопросы МГД: Тезиса докладов II йкского совещания по магнитной гидродинаьшкв /Ин-т физики Ail Латз.ССР.Саласпилс, 1984.С. 127-130.

7. Изучение гидродинамических явлений 'при кондуктивном •аершешванаа гадкого ядра непрерывного слитка / Самойлович S.A., Кабакоз З.Н., Брнксня В.М. а др. //. Совершенствование процессов непрерывной разливки стали. Киев: ШЛ АН УССР, ISS5. .

С.94-57.

Б, Физическое моделирование ксндуктивного электромагнитного перемешивания /Бркксин В.М., Кабаков З.К.,Подорванов А.Г., Смирнов А.Д.//Исследование тепловых процессов и агрегатов основных переделов черной металлургии. М.:Ы®талдургия,1Э87.С.41-46,

9. Гидродинамические явления в задком ядре непрерывного листового слитка при воздействии продольной электромагнитной■силы / Брыксин В.М. .Подорванов А.Г..Кабаков ЗЛС.даман З.Р.// Металлургическая теплотехника. М.:Мэталлургия,19Э0.С.39-44.

10. Закономерности днязешя аидкоЗ фаза з незатвердевшей части слитков при кондукциошом перемеаиванзш/ Брыксин В.М., Кабаков З.К.,Подорванов А.Г. и др.// Магнитная гшдодинамшса.1988. N1.с.95-93.

11. Физическое моделирование КЭМП с использованием жкдкоп металла/Брыксин В.М..Кабаков З.К..Подорванов А.Г.и др.//Технологическое обеспечение основных технологических процессов черно? металлургии. М.Металлургия, I98S. с.61-65.

12. Воздействие постоянного магнитного поля на струю металла/ Кабаков З.К..Подорванов А.Г..Нисковских В.М. и др.//Трудь I конгресса сталеплавильщиков. 12-14 октября,1992. Москва,1993. С.293-295.

13. Режим кондуктивного электромагнитного перемешивания при непрерывном литье стальных слябовых заготовок/ Кабаков З.К., Шифкзн З.Р., Врыкиш В.М. и др. // Теплотехническое обеспечение технологических процессов черной металлургии: Тезисы докладов на Всесоюзной конференции. Свердловск,1990.С.59-60.

14.Опытно-промышленное опробование устройства КЗМП на МНЛЕ вертикального типа / Нисковских В.М., Смирнов A.A., Хохлов В.И., Пестов В.Н., Самойловкч Ю.А., Кабаков З.К. и др..// Процессы разливки, модификации и кристаллизации стали и сплавов: 11-я Всесоюзная конференция-по проблемам слитка. Часть 2. Волгоград, 1990.С.32-34.

15. Изучение температурного поля в листовых слитках при непрерывной разливке стала на вертикальных маишнах/Самойловнч Ю.А. Горяинов В.А,, Подорванов А.Г., Кабаков З.К., Перминов В.П. //СТЗЛЬ.1975.N12.С. 1057-1092.

16. Температурное поле крупного листового слитка,отливаемого на криволинейной ШЛЗ/ Кабаков З.К., Подорванов А.Г. .Ермаков О.Н., Поливанов А .IL // Металлургическая теплотехника.

Ы.:Металлургия,I981.N9.С.33-42.

17. Особенности температурного поля блшовых заготовок при непрерывном литье с.использованием водовоэдушного охлаздения /Врыксиа В.М..Яковлев А.В.,Поляков В.В.»Кабаков З.К. и др.//йнф. сб.: Научно-технические достижения и передовой производственный опыт в черной металлургии: Ы.:Металлургия,1989.выпЛ.С.27-33.

18. К вопросу о выборе защиты термопар при температурных измерениях в непрерывном слитке / Горяинов В.А., Емельянов В.А., Ермаков О.Н., Подорванов А.Г., Кабаков З.К., Севастьянов В.В.// Непрерывное литье стал?. К.:Ыеталлургия,1878.К5.С.115-120.

19. Тепловые явления при затвердеваягз отливок из бинзр-

Bit сплавов/ Самойлович Ю.А..Горяинов В.А"..Кабаков S.K.// Топло-з массообмен в промышленных установках: Сб. научных трудов вазовского энергетического института.¡'заново, 1972.îil .С. 101 -107.

20. Самойлович Ю.А..Горяинов В.А.,Кабаков O.K. Тэплотех-зические предпосылки повыиения скоростей непрерывной разливки //Непрерывная разливка стали, M.:Металлургия,1973.N12.С.19.

21. Режимы охлаждения слитка при использовании перемешивания в процессе непрерывной разливки / Кабаков З.К., Косулыш-ков В.В., Подорванов А.Г. и др.//Тезисы докладов 1-й Всесоюзной яаучно-технической конференции "Совершенствование металлургической технологии в машиностроении",Волгоград,I9SQ. Волгоград: Волгоградский дом техники. 1990.С.НО.

22. Тепловые процессы при перемешивании жидкого затвердевающего слитка/ Кабаков З.К., Самойлович ¡O.A., Врыксин В.М. и др. // Тезисы докладов конференции "Проблемы промышленной кристаллизации и компьютерное моделирование металлургических технологий", 1-3 июня, Ш:евск,1988. И:кевск:Дсм техники, НТО.1988.С.8-9.

23. Кабаков З.К.. Килимник И.А., Самойлович Ю.А. Математическое моделирование тепловых процессов в затвердевающем слитке при перемешиваний жидкой сердцевины // Изв.вузов. Черная металлургия . I 989 .N2 . с . 1 1 5-1 1 9 .

24. Определение магнитных полей в агрегате кондуктивного электромагнитного перемешивания / Самойлович Ю.А., Кабаков З.К., Бркксин В.М. и др.// Изв. вузов. Энергетика.1993.Ш.С.37-40.

25. Теплообмен в зоне вторичного охлаадеяия криволинейных ИЗ / Самойлович Ю.А., Колпаков C.B.. Кабаков З.К., Емельянов

B.А., Ермаков О.Н. // Изв. вузов. Черная металлургия.1980.N3.

C.53-53.

26. Инженерный способ расчета вторичного охлаждения крупного непрерывного агитка / Кабаков З.К.. Горяинов В.А., Подорванов А.Г., Чесницкая Е.А. // Металлургическая теплотехника.

М.: Металлургия.I976.K5.с,¿8-33.

27. Разработка и обоснование устройств кондукционного электромагнитного перемешивания (КЗМП) жидкого ядра слитка при непрерывной разливке/Самойлович ¡O.A., Кабаков З.К., Брыксин В.М. и др.// Проблемы стального слитка.Киев,1988.С.172-176.

28. Устройство и технология кондуктивного электромагнитного перемешивания кидкой фазы при отливке слитков на мпняз /

за

Царев A.B., СамоЯлович Ю.А., Никоненко М.В., Галентовский Г.Г., Брыксин В.М., Кабаков S.K. // Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов. 11-я Всесошная конференция по проблемам слитка. Часть 2.Волгоград,1990.C.3I.

Авторские свидетельства

1. A.c. 1555048 (СССР). Устройство для непрерывного литья слитков /Ю.А.Самойлович, А.Ь!.Поливанов, В.М.Бриксин З.К.Кабаков и др. N 42967S8; Заявл.II.08.87. ОПУбл. 07.04.90. Bjoji.N 13.

2. A.c. 1235637 (СССР). Способ электромагнитного кондукцион-ного перемешивания аидкой фазы непрерывного слитка /В.М.Федотов, В.Д.Субоч, Н.И.Тихонов, Ю.А.Самойлович, З.К.Кабаков и др.

N 3789017; Заявл. 11.09.84. Опубл. 12.II.86.

3. А.с.1377164 (СССР). Способ измерения скорости течения расплавленного металла в кидкой фазе слитка при непрерывной разливке в зоне установки электромагнитного перемешивания /¡O.A.Самойлова, Э.Р.Шнфдан, З.К.Кабаков и др. N 4072194; Заявл.28.05.86. Оцубл. 08.10.87.

4.' А.с.1346330 (СССР). Способ непрерывной разливки металлов /З.К.Кабаков, А.Г.Подорванов, Ю.А.Самойлович и др. и 4003977; Заявл.08.01.86. Оцубл.22.06.87.

Условные обозначения; i - плотность тока, I- характерный размер области силового поля вдоль потока металла, d - диаметр патрубка, v- кинематическая .вязкость , р - плотность , V - скорость течения металла в характерной точке, В - значение магнитной индукции, N = il3/Wäßv - критерий подобия электрических полей. На = ВТ. vö/pv - критерий Гартмана, Re = Vd/v -критерий Рейнольдса (иногда безразмерная скорость).

Подписано в печать 25.02.24. Формат '60x84 1/16

Бумага Пдоскал печать Усх.п.л. 2,32

Уч.-иэд.л. 2,11 Тира.™ 100 Заказ 120 Бесплатно

Редакцаонно-пздательский отдел УГТУ-УШ . 620002, Екатеринбург, УГТУ-УШ, '8-й учебный корпус Ротапринт УГТУ-УПИ. 62С002, Екатеринбург, УГТУ-УШ, 8-й уч.корпу