автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Теплофизические закономерности формирования непрерывного слитка и совершенствование систем его охлаждения

РГ6 од

2 9 МАП 1935

На правах рукописи

ДОЖДИКОВ Владимир Иванович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО СЛИТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Специальность 05- 16- 02 — «Металлургия черных металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Липецк — 1995

Работа выполнена в Липецком государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор Дюдкин Д- А— доктор технических наук, профессор Дубровский С- А— доктор технических наук, профессор Филимонов Ю- П.

Ведущее предприятие — АО «Магнитогорский металлургический комбинат»' г- Магнитогорск-

Защита состоится 20 июня 1995 г- в 14-00 час- на заседании диссертационного совета Д 064- 22- 02 в Липецком государственном техническом университете (398055. г-Липецк, ул- Московская. 30)-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета-

Автореферат разослан « -/У» __1995 г-

Ученый секретарь »"«»«гапипиолгл

совета

ЗАЙЦЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность посблемч. Расширение марочного сортамента разливаемых'на ¡.¡Ш13 -сталей, увеличение разнообразия типоразмеров непрерывных слитков,', разработка и внедрение совмещенных процессов разливки и 'прокатки, а тйкке ужесточение требования потребителей к качеству металла требуют, '. & первую очер?дь. реаения•теплодазн-ческих проблем Формирования непрерывного слитка. Это связано с тек. что характеристики, эволюции теплового состояния слитка во времени определяют многие служебные свойства, по которым потребитель судит о качестве металла: .

Достаточно продолжительное сремл при' 'проектирования новых установок и разработке' технологических режимов разливки используют сведения о теплофиэических процессах в кристаллизаторе, полученные в основном 20-3.0 лет назад. Однако, как показал .опыт- про*' оптирования и эксплуатации последних лет., одним из ключевых моментов, определяющих успех в создании ц функционировании технологических комплексов непрерывной разливки » совмещенных процессов, оснащенных АСУ ТП я системами контроля.качества металла, является надежная и всеобъемлющая информация о теплофизических условиях первичного,охлаждения, которой, сейчас явно недостаточно.

Проблема улучшения качества металла связана и- с ' дальней»« изученная теплообмена в зоне вторичного охлаждения ММЛЗ и разработкой систем охлаждения, позеоляквдих реализовать оптимальные условия Формирования слитка.

Целью работа является комплексное зкспоричзнта.*ы;оо а рас-четно-теоретическое исследование теплофиз.гческях законоиерностеЯ формирования непрерывного слитка при гсер&лчнс» охлаадвн/и, опре-

деление злияиия основных технологических и конструктивных параметров на теплообмен в кристаллизаторе, а также, разработка способов. устройств I) систем для реализации оптимальных режимов в зоне вторичного охлаждения №1/13 при стабильных и динамических условиях разливки.

Научная нрвизкф работы

- Разработана комплексная методика экспериментального и рас-'четно-теоретического,исследования теплофпзическкх характеристик 'первичного охлаждения, основанная на численном решении обратной задачи теплопроводности для стенки кристаллизатора.

- разработана нетопика и математическая модель для расчета теплового состояния непрерывного слитка при динамических условиях, разливки.

- Разработана методика определения основных параметров области контакта слитка со стенкой кристаллизатора.

- Установлен вил Функция распределения основных теплофизи-ческих параметров по площади поверхности граней слябового кристаллизатора. а также .найдены причины, объясняющие характерные особенности эг.к распределений.

- Получены статические и динамические характеристики кристаллизатора по каналам воздействия "скорость вытягивания -» плотность теплового потока", "скорость вытягивания температура стенкч", "скорость вытягивания. -» усилие вытягивания".

- Установлены основные закономерности теплообмена в кристаллизаторе при изменении скорости вытягивания, приводящие к эффекту экстремальности характеристик теплового состояния слитка в переходчив периоды.

- Установлены основные'закономерности временного•дрейфа теп-

лофизических и эксплуатационных характеристик кристадпизаторя и их влияние на качество непрерывного слитка.

- Установлено и количественно оценено влияние теплопроводности материала стенок кристаллизатора на теплофизичеекае характеристики первичного охлаждения.

- Разработан новый. способ диспергирования газодадкостного потока, истекающего- из форсунки. ■ •'

- Разработзнз методика проектирования ■ систем охлаздения МНЛЗ, учитывающая особенности локальной неравномерности теплоот-вода от.непрерывного слитка и особенности характеристик разбрызгивающих устройств. ••'•"'

. - Создан' ряд способов управления вторичным охлаждением непрерывного слитка, направленных как на сохранение структурно", фи -зико-химической и качественной однородности металла, так и на стабилизацию полей температур' и. напряжений в системе "йНЛЗ-сли-. ток". ' ■ . . ■.

Практическая ценность и реализация работ?)

- Установленные в .результата исследования закономерности первичного охлаждения могут быть использованы при проектировании кристаллизаторов. МНЛЗ. совершенствовании технологии ■ непрерывной разливки, при создании . АСУ ТП разливки и систем управления качеством металла, при проектировании агрегатов для . совмещенных процессов. . - . " .

* - Результаты работы позволяет осуществлять сбосновенныя выбор материала стенок'кристаллизатора, а также структуры и материала защитных покрытий с целью увеличения времени эксплуатации кристаллизатора и улучшения качества Металла

- Разработаны рекомендации по улучшению качества металла н

- 6 Г-

яеблэгсприятаУе периода времени эксплуатации кристаллизатора.

-.Созданы две серии конструкций форсунок с улучшенными .характеристиками, которые реализует предложенный новый способ диспергирования жидкости.■ •

- Разработана..« внедрена универсальная система охлаждения непрерывных слитков для ШИ Новолипецкого, металлургического комбината на основе использования новых форсунок объемного распиливания серки К.

- Методика проектирования системы вторичного охлаждения, а таете разработанные способы управления вторичным охлаждением использованы при модернизации АСУ ТП МНЛЗ N5.. . 8 ККЦ-2 Новолйпещсо-го металлургического комбината, проведенной ВНИПИ САУ.

- Исследования кристаллизаторов в соответствии с п.4.3.4.1. КЛ НТП СЭБ завершены рекомендациями для участников программы.

- На основе результатов работы получено 13 авторских свиде-г-эльсто, 2 из которых внедрены на Новолилецком металлургическом комбинате.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены па международной конференции по.новым технологическим процессам в черной металлургии (ЧССР, Фридек-Мистек. 1988), на международной конференция "Черная металлургия России и стран СНГ в XXI вече" (Москва, 1994),' на первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва. 1994). на Всесоюзных конференциях по проблемам стального слитка (Киев, 1978. 1984: Мариуполь. 1987), на Всесоюзной научно-технической конференции "Совер-ш?кствпван!!е тепловые процессов при производстве проката черных металлов (Череповец. 1986). на семинаре-совещании "Новые металлургические технологии и-оборудование" (Новосибирск. 1988). на

семинаре по математическому моделированию процессов затвердевания металлов и.сплавов (Новосибирск.' 1983). на научно-практическсП конференции по практике, проблемам разработки и внедрению ресурсосберегающих технологий (Липецк. 19871, на научно-технической конференции "Теория н технология металлургических и машиностроительных процессов" (Липецк, 1994). на 3-ей Межвузовской научно-технической ' конфгренцаи .. "Теплофизические процессы при непрерывной разливке и. прокатке полос и листов" (Череповец, 1981), на объединенном научном семинаре специальных кафедр Липецкого государственного технического университета (1935), на научно-техническом совете Яоволипецкого металлургического комбината (1996). на заседании секции научно-технического совета института н.овнх металлургических технологий ЦНИИЧН (йосцва. 1995).

Публикации- Основное содержание диссертации отражено в 29 статьях и 13 авторских свидетельствах. -. ■ .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения. 9 глав, общих выводов и рекомендаций.-, приложений и библиографического списка из 291 наименований. Работа изложена на 249 страницах ' машинописного текста,- содержит-140 рисунков и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Математическое моделирование охлаждения и затвердевания непрерывного слитка

Выполнение работа потребовало многочисленных расчетов теплового .состояния непрерывного слитка. В качестве ' ¿снобы для |/у; -к тического описания охлаждения и оатвердеьаник металла''и:нольззьа

- в -

ли модель, построенную в рамках теории квазиравновесной двухфазной зоны с учетов ввделения теплоты кристаллизации в интервале, ограниченном равновесными значениями температур ликвидуса и со-лидуса:

. 01

сэ|}шрт--<Иу (Ш^гай и . (1)

дх

где сэф - эффективная теплоемкость, р ~ плотность. X коэффициент теплопроводности стали, г - температура, т - время.

Влияние конвекции на передачу тепла в жидкой фазе слитка учитывали эффективным коэффициентом теплопроводности

*аэ®<Ь) \2(г>{1+(Ев-1)ехр(-г/Л»кв)3 . (2) где Хг - коэффициент теплопроводности жидкой фазы, г - расстояние от уровня металла в кристаллизаторе, Ь3,в - эквивалентный гидравлический диаметр слитка, Е*, - максимальное значение коэффициента увеличения теплопроводности.

С помощью интегрального преобразования Гудмена уравнение теплопроводности приводили к знталышйному виду. Для решения этого уравнения была внбрэча чисто неявная схема конечно-разностного метода. В модели использовали граничные условия первого, второго и третьего рода.- Для реализации модели потребовалось, задание теп-лофизических сьоЛств углеродистых, низколегированных и электротехнических сталей в диапазоне температур, соответствующих тепловому состоянию слитка в пределах МНЛЗ.

Нестационарное температурное поле слитка и к, г.т) при динамическом режиме работы ННЛЗ описывали подмножествами Ц(х. г. г). яелтоцимися решениями систему уравнений,, включающей в себя уравнение нестационарной одномерной задачи теплопроводности, уравне-' ние движения слотка. связывающее координаты г И1. а также стати-

чесг.ус и динамическую характеристики рассматриваемого участка охлаждения. Исходя из требований по времени счета и требуемой точности описания искомого температурного поля при конечно-развост-. ной аппроксимации этой системы уравнений, выбирали интервал Лт временного смещения'-для расчета подмножеств St(x,z.х). Для этого сначала рассчитывали временное смещение для последнего решения, соответствующего ко'выч стабильным условия» разливки:

át„ * 1я +. №х(т„) . 0<z<ze . (3)

где т„ ~ момент времени, соответствувщий последнему изменению скорости, тП1 - время протекания переходного процесса для Фиксированной координата г рассматриваемого участка, гв - координата конца, рассматриваемого участка. Количество локальный решений определяется соотиоиением át„ и Ат.

Методика исследования тгплофй:ж"еских процессов в 1сристаляйзаторе Ш13 •

• ' Для исследования процессов , теплопередзчтг в слябсеом кристаллизаторе была, разработана комплексная ' зксперикентальяо-расетлая • методика, которая основана на кзиэрении температуры стенки кр«с-таллизатора. на двух уровнях вблизи eró;- рабочей поверхности с последующим численным .резэнизк обратной задачи теплопроводности, а также ьа принципах общего калориметрирования кристалшатора.

Измерения температурыохлакдаодей вода в кристаллизаторе при.' его общем калориметрировакии проводили с помомьо термометров сопротивления ТСИ-Х (градуировка 23). Б качестве.хатчикоЕ темпергту- : ры стенок кристаллизатора испсльзовали хрокель-копелевыб термопары диаметром 0.5 мм. 'достокнстзсм которых, являются высокие зчаче-

- Ю -

ния термо-здо в исследуемом диапазоне температур. Зачеканку термопар производили в каналы глухих отверстий переменного диаметра, выполненных с наружной стороны стенок кристаллизатора. При этом спаи термопар находились на расстояниях 7...9 мм и 14. ..16 км от рабочей поверхности стенки. Для получения функций распределения теплофизических параметров по Площади поверхности грани кристаллизатора зачеканку термопар производили в характерных точках этой поверхности (36...60 на широкой грани и 11.. ,48 на узкой).

При стабильных условиях разливки-температурное поле в стенке кристаллизатора является квазистациотарным, флуктуации температур % кахдсП точке которого рчзваны лишь случайными возмущениями. Пренебрегая градиентом температур по трипе стенки, для определения двумерного температурного поля по толщине и высоте стенки при помощи пятигочечной конечно-разностной схемы задавали температуры з узлах смежных рядов сетки разбиения. Тогда температуры в точках сетки с одной и другой стороны выделенных смежных рядов можно определить по Формулам •

4-1.,> * 4Ч,,> " 4*1.; ~ ~ •

где 1.^ -индексы узлов сетки разбиения по координатам х (толщина) и г (высота) соответственно.

Значения составляющих вектора плотности теплового потока на рабочей поверхности стенки находили численным дифференцированием.

Распределения температур по узлам двух выделенных смежных рядов сетки разбиения находили по экспериментальным данным измерения температур на двух уровнях по глубине стенки. Эти распределения аппроксимировали функциями вида

- и -

Т»(г) » ) а?* (1п г)« . (6)

Кто' * '

где К", - порядок полинома на я-то« участке 1-той линии, а«!...И, К - число участков аппроксинации по высоте кристаллизатора.

Для случаев, когда положение истинной точки измерения не соответствовало х~координате выбранных смежных рядов сетки разбиения. был разработан итерационный алгоритм коррекции температур» в точках сетки, разбиения по градиентам температуры в окрестности этих точек. . ' . ' . ..

При .проведении Ьбщего калориметрирования сродню» плотность теплового потока в кристаллизаторе определяли по формуле

•• 'Я» - (Св-р„-с„-Ди/5 О)

где с„ - объемный расход охлаадающей воды. • р„ - плотность води. св - средняя массовая теплоемкость води, М - разность температур воды, 5 - площадь поверхности теплообмена ■ .

с !а,-Ь,) ' ' • 1 г (аг-ьг) . 1

5= [а, т (Ц-^^Ь^-Ц^аг - --т—• «.¿-Ц )+Ьг]-1к . 18)

где а,. Л, - размеры широкой стенки вверху и внизу соответственно, аг. Ьг - размеры узкой стенки вверху и внизу соответственно, 10> Ц " ллина и активная длина кристаллизатора соответственно.

Использование комплексной методики экспериментального и рас-четно-теоретического исследования теплофизических характеристик кристаллизаторов МНЛЗ позволило найти Функции распределений плотности теплового штока и температуры. стенки по ее поверхности.

• , - 12 г . . ••-"'"•".

• исследование тешмфизических особенностей формирования

непрерывного слятка'в кристаллизаторе " '.

• В результате проведения комплексу::: исследований по. описанной выше методике было установлено, что . распределения / основных теллофиэических параметров (плотности'теплового потока, температурь; поверхности стенки кристаллизатора, температуры поверхности слитка и т.д.) по поверхности.широкой храни слябового кристадли-• затора представляют собой, ыаотоэкстремальные' функции. При этом распределение теплрфизическнх параметров е, центральной части , да- . рокой грани.. характеризуется 'ярко '.выраженной ыногоэкстремаль-, ностьс, а вблизи угла .грани " описывается., монотонно убывающими Функциями. ■.■•■■ '"•■ /.;../ '•.•;• ■

Глобальный мадскмуц плотности теплового потока располагается " на, расстоянии.» 0,1 м от урошм. металла в кристаллизаторе, и его полошше. практически, ке..зависит, от коордцната по ' ширине грани. Наибольшее различие геплофизических параметров.'- характеризуемое -значениям их'градиентов по высоте , и ширине грани,'..наблюдается-на вертикальном участке шириной «'0.3 п.прикпкагадеи к. центру грани. Приншад&ньные "особенности; функций.распределения инвариантны ' по отношения.к скорости вутяп»шшшя,, Основным изменением с увеличением скорсс'пг язАяется.-у.ввличение абсолютных значений функШШ во ' ■ вс^х точках, поверхности стенки'.; '

.Анализ значений коэффициента вариации, представляющего собой отношение стандартного отклонения плотности теплового потока к его среднему, значению на рассматриваемом горизонте по высоте кристаллизатора, показал. , что'неравномерность распределения тепло-по ' шрпй стенки возрастает пра движении к нижнему краю, кристаллизатора. • '..'. •

Распределение температуры поверхности широкой стенки по ее площади характеризуется теми же особенностями, что. и распределение тепловых потоков. Например, при скорости вытягивания 0,8 м/мин максимальные.значения температуры медной стенки (= 300°С) наблюдаются вблизи мениска металла, а у нижнего края кристаллизатора она составляет « 120°С вблизи центра грани я « 150°С на расстоянии четверти ширины грани от ее ребра.

На основе результатов исследования получены карты. изопара-метрическнх линий -хеплоеого потока и температура поверхности стенки кристаллизатора для различных скоростей вытягивания.

. . Различный как по характеру изменения, так и по величине теплоотвод по ширине грана приводит к различию режимов охлаждения участков слитка. Кривив охлаждения поверхности слитка на различных расстояниях от центра грани характеризуются, однако, и одинаковыми особенностями: резким снижением температуры ко участке 0...0,15 м от мениска, более или менее выраженным участком стабилизации температуры и небольшим по протяженности участком разогрева на выходе из кристаллизатора. Для центра грани слитка характерно отсутствие участка стабилизации. Вместо него наблюдается достаточно ярко выраженный минимум функции примерно на расстоянии 0.45 м от мениска. Протяженность участков и величина изменения температуры на каждом из них зависят от положения рассматриваемся вертикали по ширине грани и от схсрости вытягивания. Максимальные различия температур (=»200°С) наблюдаются на участке о, 4.., 0.5 и от мениска и вблизи выхода из кристаллизатора.

В результате анализа влияния скорости вытягивания слитка на теплофизические параметры первичного охлаждения получены статические- характеристики кристаллизатора как объекта, саморегулирующего теплоотвод от непрерывного слитка. Эти характеристики опи-

Л-'"- 14 - ' сываится .выражениями вила ■ .'*-.'

р « ар : v ' •. , ' (9)

где р - теллофизическнй параметр. Ар - коэффициент, и - показатель степени. * -скорость вытягивазшя.

Например, зависимость средаеинтеградыюЛ плотности теплового потока ^ от скорости вытягивания и для криволинейного кристаллизатора выглядит как 1 '.'.•;■

. Ч, « 9,53-10® • «,/3 •' . ПО)

где Чп в Вт/н', а* в м/йин.

При зтом установлено, что максимальная чувствительность к изменению скорости наблюдается на расстоянии 0.1.. .0,2 м от мениска по всей, сирине грани, вблизи.выхода из кристаллизатора в центра грани.. на расстоянии ¿ 0.6 м от мениска на участке четвер-тн ¡вфкны грани от ребра. . ■

• Для полного представления об изменен:!;! теплофизическпх характеристик первичного охлаждения определены динамические характеристики кристаллизатора. . В результате обработки данных общего К-алориметрирования установлено, что по каналу "скорость вытягива-• пия - среднеинтегрзльная плотность теплового потока" (н - Чв) криволинейный кристаллизатор можно представить в виде двух последовательно .соединенных звеньев: звена чистого запаздывания с временем запаздывания 36 с и апериодического звена второго: порядка, описываемого переходной функцией вида.

' » ^ЬбЗ-ехр^ч/^о.бЗлехр^х/^}; ..'{11)

где 1 - время после ступенчатого изменения скорости.

. Установлено, что тепловая, «нерция кристаллизатора значительно. превышает как инерционные показатели измерительного комплекса, так и тепловую инерционность стенки кристаллизатора и определяется изменением условий контакта слитка со стенкой кристаллизатора

и элемента«? поддершващей системы.ШЛЗ на.участке 2,4. ..2.3 ч от мениска металла. При этом тепловая .инерционность-криволинейно-' го кристаллизатора примерно в 1,5 раза менызе, чей вертикального, что объясняется больший« значениями скрростей' вытягивания при разливке в первкя из них. ,' -

Установлено, что изменение тепдофнзичесю'.х параметроз в определенных точках стенки кристаллизатора ■ имеет'характер быстроза-г тухаащего колебательного процесса, причем для. кногих точек этот ■процесс, вырохда.етсл.- в процесс. • описываемый переходной.Функцией апериодического звена второго порядкз. Врёкя протекания переходного процесса зависит, от координат рассматриваемой точки и увеличивается -при движении к'боковому краю стенка и к.'-выходу- из- кристаллизатора .(до.300,, .360-с): ■ , '■ .

Для определения -влияния переходных процессов в,кристаллизаторе из тепловое состояние непрерывного слитка использовали эг,-тальпиПнуа. потоковую мадель слитка. - Основным/элементом ее является уравнение-энергии для з.декентаркого участка; слитка единичное; массы,'имеющее вид.','-'-.. ;;/..-'. '_-■. ■ '"•" .. . ' ,.-.

.. ":'••• .'•' ' еп '-" Й1 - - --3 .-' ' .--" - ':• '•

-'■'' Г"4 1Г-" ч»' 77 "* ■'•''•' (12) .;•" дх. - 32-. ■. ;. Р'.-Г'!.,, ..'

где {1 - удельная энтальпия потока, т - время, г г координата вдоль технологической о'си, 5 - площадь теплообмена в кристаллизаторе. р - плотность металла.Г- ошдедь сеченад слитка.

Изменение энтальпии; слитка на выходе из кристаллизатора г.рн ступенчатом изменении скорости вытягивания определяли е виде суммы стационарной составляющей и динамического отклонения Д1»к (1). Величина динамического отклонения зависит от воздействия по сьс-таеиоиу- каналу а .- ц, - ДЬИ. а по каналу ЛЬц.лак как при сту-

пекчатом изменении скорости вытягивания одновременно изменяются к и Получена изобрашшя по Лапласу выходных величин: . а-р-ехо(-т.з) а-^ ехр1-(г2+т1)-з]

Дй (з) „ ---:---------:--- , (13)

тг(з*а)-(5+|))-зг тг (а+а) • I 1

Д1Ъ„(8).»—-г—- : ехр(-*гз) . : (14)

.где и,. Э - параметры переходного процесса.изменения я, при сту-йенчатом изменении к. -г, - время запаздывания, • тг - постоянная времени. . .

После обратного преобразования Далласа функций дг^ (£) и Дпк<(5). используя обобщенную структурную математическую модель, описывасцуо совместное влияние н и ^ на получили переходную функцию Айх(т). Эта функция имеет экстремум в момент х2, соот-ветствувдий орекени пребывания слитка в кристаллизаторе.

. Взедвиие в структурную модель (фисталлизатора по каналу воздействия ы - Дйц, балластного звена приводит, к уменьшению значений экстремума переходной фуию^и. и смещению его временной координаты. в сторону большие значений, что соответствует реальным условии прошеянш! переходных процессов в кристаллизаторе.

Реакцию теплового состояния непрерывного слитка на изменение скорости рытягивання. исследовали также с помощью математической модели охшгденая и затвердевания металла для. динамических условий разливки. При этой рассматривали изменения температуры по-, верхности слитка, положения изотерм/ изменения-толщины оболочки на серив ступенчатых Изменений скорости. В качестве граничных условий .исиольговали статическую и динамическую характеристики кристаллизатора, одлучедные ¿ксперименгальяо.

Изменения температуры поверхности слитка и толщины оболочки на выходе из кристаллизатора в переходном процессе после ступенчатого изменения скорости характеризуются экстремумом, примерно соответствующим времени пребагашш слитка в кристаллизаторе. Пиковые значения температуры поверхности слитка в переходные периог ды при изменениях скорости на 0,4 к /мин на 70... НОаС отличаются от значений.соответствующих новому установившемуся состоянию. При снижении скорости это приводит к переохлаждению слитка, а при повышении скорости -• к снижении прочностных свойств оболочки и ее разогреву. Эти эффекты не учитываются режимами охлаждения, разработанными для динамических условий разливки, и при отсутствии корректирующего воздействия начального участка системы вторичного охлаждения могут неблагоприятно сказаться на качестве металла.

Экстремальность характера изменения теплофизических характеристик слитка в переходный период наблюдается на всем протяжении активной длины кристаллизатора, причем зона экстремальных параметров перемещается вместе со слитком со скоростью вытягивания.

Исследование области контакта непрерывного слитка со стенкоП кристаллизатора

Термомеханические процессы в зоне контакта слитка со стенками кристаллизатора оказыЕавт большое влияние на распределение теплофизических параметров по площади теплообмена и формирование• оболочки слигка. Величина параметров контроля условий первичного Формирования слитка: тепловых потоков и температуры в стёиках кристаллизатора, усилия вытягивания, расхода шлакообразующей смеси, а также качественных характеристик металла - зависит от осо-

-беннэст.ей протекания этих процессов:;

Для характеристики,. взаимодействия слитка со стенкой кристаллизатора »ведено понятие зазора, как среднего за время наблюдения значения расстояния чехлу поверхностью слитка и стенкой кристаллизатора в рассматриваемой точке.Кинииальная вэтачина зазора гв1п соответствует плотному контакту рассматриваемых поверхностей-,

."•-,■''■ ' ■ т V. :

га|я - Гг;(т)йт : . : (15)

._: - .о", . ;

где гг - функция-рельефа поверхности-слитка, описывающая профиль, поверхности в направлении вытягивания за период качания кристал- . дизатора, X - период качания,--г.,- время, в общем случае зазор ск равен .- : . ' '" . • ,

i(

. С* • г.,. ♦ 5эи)с1г . (16).

Дг /

"... о

где б3 - расстояние от гребней золя поверхности слитка до стенки кристаллизатора. Ат - врёмя наблюдения. , Введено понятие относительного, зазора:-

• • ; А " С*/Га)в (1?)

Степень контакта слитка .¿о стенкой кристаллизатора определе-- на как величина, обратная зазору. :Тогда максимально возможный контакт слитка со стенкой соответствует - единичным значениям отно- . сительиого зазора в'относителы5Ьй степени контакта.

Сценку величины зазора в его характеристик (толщины '¡сидкой и твердой соотавллвдих (тковой прослойки. наличия и величины газо- .. вого зазора) провели, пспользуядакные потеплоФнзичэскимпара- .

метрам первичного охлаждения, полученный в ходе экспериментов и расчетов с использование« математичижой иодёли .охлаждения и затвердевания слитка. '••:'."..-■'"■'. '.-ч '•'- "л. -::

для верхней части, кристаллизатора подуши. уравнения вида ■ 5i " (tc -q-R» - t0);i|/(j ., (13)

бг(tb-q-Rj-t.^V./q: , ■ №) ;

где 5j, 5г - толщ«са кадкой.tt твердой составЛедих шлаковой прослойки соответственно. X,, коэффициента-теплопроводности кид-.коЗ' й. твердой ссстаэлйкнрх, £„ температура, плавления шлаковой смеси. а0. R, - термические сопротивления области контакта аид-кой составляющей шлаковой прослопки с поверхко'стью слитка и твер-Í доя.составляющей и"стенки, кристаллизатора соответственно, q' -плотность .теплового потока,-. tc ^.температура, поверхности 'слитка.' Для нижней части кристаллизатора с эффективный газовым .зазором -использовали вырахеяие (18).. а 'таюке .

'.". «г -'"50:'- áí:'>' v. ;. : <20)

л • «з г (t0 v :; лги

'•где - суммарная толщина влаковой;прослойки: б,. X¡ - толщина и . эффективнцйксэффициент теплопроводности газового зазора- соответственно., • ; "•;.'.".■■■"'■

Границу меру'вертаей и нижней частями кристаллизатора задавали неявным образом как координату первого локального'минимума ' функции : .." • .-Г' . , "■'. - "•' .'.

.-, •.,: .»(2).-в|'га>.+ б»(2> V . ;

при увеличении г от нуля. ; ■ '. „• ••;'.

Результаты расчетов показали, что для скоростей вытягивания 0.4. .,1,2 м/мин среднеинтегральное значение, тодщини шлаковой' прослойки по высоте кристаллизатора составляет 500,. .бСО ккм. Лрк .

этом толщина жидкой составляющей в 5... 7 раз меньше, чем твердой, и равняется 60.v,i00 мкм. Максимальная протяженность области с жидкой,шлаковой прослойкой составляет•« 0.5.. .0.6 к и соответствует скорости вытягивания 0.7. ..0.6 м/мин. когда наблюдается минимальное значение усилия вытягивания. Б общем.случае на расстоянии 0.3...0,6 м от мениска к шлаковой прослойке добавляется га-зобый зазор, величина которого возрастает при движении вниз. Общая величина зазора мехду слитком и стенкой кристаллизатора сос-тавляет.0,5.. .2.0 ми..

При экспериментально« исследовании влияния состава и свойств шлакообразующей смеси на теплообмен в кристаллизаторе установлено, что при использовании двух различных по химическому и компонентному составу и двух отличных по гранулометрическому составу шлакообразуюцих смесей распределения тепловых потоков по поверхности широкой грани кристаллизатора инвариантна в отношении их основных особенностей. Это свидетельствует о том. что.теплофизи-ческие свойства шлакообразующей смеси и ее характеристики в области контакта не являются определяющими для формирования особенностей распределения тепловых потоков и других теплофизических параметров по поверхности стенки.

Для'выяснения причин, определявших закономерности распределения. теплофизических параметров по поверхности теплообмена в кристаллизаторе, была разработана расчетная методика, основанная на выявлении зон максимальной степени контакта между слитком и стенкой кристаллизатора.

Еерхнвю адоть непрерывного • слитка представляли в -виде тонкостенной оболочки переменной толщины в • форме параллелепипеда. Верхний,край оболочки соответствовал уровню металла р крмсгалли-

заторе, нижний - оси первого ролика поддерживающей системы. Оболочку разбивали на элементы размером 0,06 х 0,06 мг з верхней части и 0,12 х 0.12 мг - а нижней. К оболочке.изнутри прилагали распределенную нагрузку в'соответствии с изменением ферростзти-ческого давления по высоте слитка. Основной цель» каждого этапа расчета было определение полей перемещений в направлении, перпендикулярном поверхности грани слитка в условиях ее стеснения стенками кристаллизатора при наличии переменного, по высоте зазора между ними. Функции распределения допустимого зазора определяли по результатам исследований толщины шлаковой прослойки и газового зазора. Задачу-определения перемещений решали-в упругой постановке методом конечных элементов с помощью.специализированного пакета программ твА/ПХЗРЬАУ'^

На каждом расчетном этапе.во всей .расчетной облает;; 0 .выделяли'зоны наибольших перемещений ■

р" [<и"-и,):< г) е

" (<iC-u,):< Лео • . . (23)

IJl I /

где п - номер итерации, i - номер' зоны максимальных перемещений на n-Той итерации, j - номер узла сетки.разбиения.£. - заданный интервал допуска в зону максимальных перемещений. и3 - перемещение в J-той точке. и„ - максимальное перемещение на r-той итерации.

Затем для. узлов каждой зоны максимальных перемещений устанавливали фиксированные значения перемещений иь диапазона допустимых по условиям сделанной ранее оценки, величины зазора мевду . слитком и стенкой' кристаллизатора. Эти условия добавляли к граничным условиям для п-той итераций и расчет.. повторяли. Расчет прекращали1, если- для всех' точек разбиения оболочки слитка перемещениям превышали величины допустимого зазора. . Таким образом на

каждом.расчетном этапе выявляли soi;lj максимальной степени контакта и минимального зазора, относительные, величины которых полагали равными,единице. .

Установлено/ что для .половины юрокой' гранк слитка «рагте'р-но напячие_одной-дьух областей максимумов степени контакта дли горизонтальных' раслред&лениЛ' этого параметра и днух-трех - для вертикальных: Максимальное-разнообразие, величин)! зазора vt .стегг^ич ■ контакта наблюдается на вертикальном полосе:шириной « 0.3 м вблизи центра широ; р. грани. Вблизи бокового крал, грани.зоны максимальной, степени контакта отсутствуют, :что свидетельствует о мож -тошюсти функции распределения зазора по высоте кристаллизатора в этой области. .

Совместный анализ особенностей геометрии оболочки слитка и распределений теплофизмвеских параиетров в кристаллизаторе покапал, что они аналогичны. '.Отсюда следует, что основной причиной, определяющей вид геплофизических функций, является кваэирегуляр-ны& рельеф.поверхности оболочки слитка, Формирующийся под действием ферростатичзского давления на переменную по толщине оболочку' в условиях стеснения ее стенками кристаллизатора с переменной по высоте величиной зазора.

Область контакта слитка со стенкой кристаллизатора определяет ьеличику усилия вытягивания Р слитка из кристаллизатора. Экспериментальные исследования позволили установить вид статической харрктеристики кристаллизатора по каналу w - Р. которая имеет минимум б диапазоне скоростей вытягивания 0.65...0.75 м/мин при ис-польловакип типовой ишакоо'бразущей смеси, что соответствует результатам расчета характеристик области контакта.

Пчредаточнур Функцию по каналу воздействия w - Р можно

представить о виде произведения- передаточных Функций двух типовых колебательных звеньев. глобальный экстремум переходной Функции достигается через 60...120 с от момент? изменения скорости, а максимальное изменение усилия составляет 25. .'.35Х от его начально! о значения.' При этой усилие вытягивания в начале переходного процесса уменьшается при 'повышении скорости и наоборот. -Этот эф-Фе;.г накладывается на, описанный выше, эффект экстремальности теп-лофизи'ческих характеристик в переходник период и повышает еероят-ноить образования поверхностных трем т. Длительность переходного процесса составляет 360. ..420 с. Все эти особенности хором согласуются с аналс гички;« параметрами, • описывающими изменения теп-лофнзических величин в кристаллизаторе. Это свидетельствует о глубокой взаимосвязи между ними, базируются на состоянии области контакта слитка со стенками кристаллизатора, •

Основные закономерности изменения теплоФизнческих и эксплуатационных характеристик кристаллизатора во времени

■ • В результате исследования установлено, что теплофизические характеристики первичного охлз*де«ия молю описать в виде приведения базовой теплофигической'функции Г,, ссотйстстзукщой условиям разливки с номинальными значениям« основных траметр^е. и корректирую©« Функций в,(Г) и 5.(1/, учишшшх тлкушо

значения'скорости вытягивания у. часготь позйратно-шетугателыш-го движения ( и времени эксплуатации кристаллизатора х соочаатс-твенио: .

Г(*,Г.Т| » • (24)

Влияние скорости наиболее существенно и описывается иыраяе-

киями вида Oh на основе которых были сформулированы Функции s„.

Влияние частоты возвратно-поступательного движения кристаллизатора в диапазоне ее изменения 50... 100' циклов в минуту на теплоотвод ь кристаллизаторе незначительно. С повышением частоты теллоствод увеличивается в верхней части' кристаллизатора за счет уменьшения толщины жидкой илаковой прослойки вследствие уменьшения глубины складок на поверхности слцГка. В большинстве случаев влияние;* функции C.f модно пренебречь.

Анализ Функции S,U) показал, что временной дрейф теплофизи-ческих характеристик кристаллизатора имеет три характерных этапа: начальный ятап "приработки", период нормальной эксплуатации, характеризующийся приблизительно постоянными значениями характеристик, и период "износа". Аналогичные особенности присущи изменений усилия вытягивания слитка из кристаллизатора. Эти особенности отражает временные аспекты функционирования системи, состоящей из кристаллизатора, поддерживающей системы и непрерывного слитка.

• Устаномено. что в начальный'период эксплуатации кристаллизатора каблгдавтся повышенные значения усилия вытягивания слитка, пониженный теплоотвод и повышенная скорость износа его рабочих стенок, которые сопровождается повышенной пораженностью слитков продольными трещинами, наибольшей вероятностью прорыва металла, а также максимальными значениями скоростей изменений всех этих характеристик во времени.'

По истечении периода взаимной адаптации кристаллизатора, поддерживающей системы и непрерывного слитка, продолжительностью, соответствующей разливке первых 20. ..50 плавок, происходит стабилизация всех основных теплофизических и эксплуатационных характеристик кристаллизатора, а также качества метадла. При nf-м-:- и н:>-

воП установке кристаллизатора иа машину в течение его межремонтной эксплуатации наблюдается аналогичное, но менее выраженное, изменение тегтлоФизических характеристик б начале каждого нового этапа эксплуатации после установки на Ш13. • Это свидетельствует об определявшем влиянии на.условия контакта слиткь со стенками кристаллизатора взаимного расположения и условий сопряжении кристаллизатора. к поддерживающей системы. В начальный период эксплуатации эти подсистеми объединяются в одну механическую систему связывающим их непрерывным слитком, имеющим достаточную жесткость, и начинается процесс их взаимной адаптации, длительность которого можно оценить найденными значениями времени стабилизации основных характеристик кристаллизатора и показателей качества металла. '

Изменение основных теплофнзнческих параметров первичного охлаждения во времени приводит к различию термических историй слябов. отлитых при одинаковых технологических, условиях в различные периоды эксплуатации кристаллизатора. Для количественной.оценки различия термических эволсций металла был рассмотрен пакет из 8 функционалов температурного поля оболочки слитка." После сравнительного анализа из них был выбран один, характеризующий средне-интегральную неравномерность скорости охлаждения оболочки слитка

где т, - рассматриваемы» промежуток времени эволюции. 5 - тодшша оболочки; .1 - время, Д(х.х) - функция, описывеющая вариацию температурного градиента по толщине оболочки.

В результате статистической, обработки экспериментальных и

(25)

расчетных данных получена зависимость поракенности слябов продольными поверхностными тресинад! Р. от значения критерия К4 для стапей 08Ю и Зсп вида' •

рг - ' (26) '

где Рго. п - гкплрические константы.

Устанозленс. что повы-'аиые значена поракенности слитка продольными трестами соответствуют значениям функционала. ' рассчитанный для начального этапа "ариработки" и конечного этапа'"износа* периода эксплуатаиин кристаллизатора. Это свидетельствует э том,- что причинами изменения качественных показателей слитков являются не только услогия прямиго механического взаимодействия слитка со стенками кристаллизатора и особенности локальных условия теплообмена при этом контакте, но и изменения термической эволюции слитка с течение времени эксплуатации кристаллизатора.

' Получена эмпирическая аодель кинетики нарастания ■оболочки слитка, учитываю^ влияние скорости вытягивания и времени зкс-. плузтации кристаллизатора, которая йикет быть использована е асу ТР. разтавкч.,'

Влияние теплопроводности материала стенок кристаллизатора на теплофнзическиа характеристики первичного охлаждения -

• Экспериментальные исследования проводили на опытно-промышленных кристаллизаторах с широкими стенками из фосфорсодержащей меди к;Р и узынш стенками из бронзы КН2.5КоКрХ, из легированной мели МС с электролитическим хрсэд-эольфрамовда покрытием толщиной 120 икм я без покрытия.

Установлено, что для центральных. распределении плотности

теплосогс потока по высоте узких стенок характерно наличие четырех участков: первоначального короткого участка повышения тепло-отвала, участка интенсивного понижении теплоотвода в верхней- части стенки; участка выравнивэгчя теплоотвода- в средней ее части и конечного участка понижения теплоотвода в икясней части кристаллизатора. Протяженность этих . участков зависит от теплопроводности стенки. В меньшей степени на этот'параметр влияет скорость вытягивания слипа.

Наибольшее отличие центральных распределений плотности теплового потока этих стенок состоит в том. что участок интенсивного понижения теплоотвода в верхней части для бронзовой стенки• в сравнении с другими простирается до середины высоты стенки и характеризуется меньшими значениям» градиента теплоотвода по высоте йц/Лг к большими значениями теплоотвода практически на всем протяжении этого участка.

Нанесение хром-вольфрамового покрытия на стенку из сплава КС мало изменяет особенности распределения и величину теплоотвода через эту стенку. Применение в качестве материала стенки бронзы, имеющей более низкую теплопроводность, чей сплав Р.С. приводит к существенному увеличении теплоотвода в верхней части стенки и изменению характера его распределения по сравнению со стенкой из сплава НС. Установлено, что материал стенки мало влияет на характер и уровень теплоотвода вблизи ребер кристаллизатора.

Найдены распределения температуры рабочей-поверхности узких гранёп кристаллизаторов из исследованных материалов в характерных ' точках. Так, при скорости вытягивания 1.0 м/мин максимальная тем- . пература поверхности в центре стенки в районе мениска составляет для бронзы 550*с. Для хром-вольфрамового покрытия 340°С и для

сплава МС - 220°С. „

Получено выражение, описывающее зависимость среднеинтеграль-ной по высоте плотности теплового потока: я-в центре узкой рабочей стенки от относительного- эффективного коэффициента теплопроводности стенки X, и скорости вытягивания .и

<}'--1;01{1 '+ 0;52(«/1(в-1).-. 0,9!а,-1)] , (27) где н0 - номинальное (0,8-м/мин): значение скорости вытягивания.

.С уменьшением. относительного коэффициента теплопроводности-Аз в диапазоне 1,0...0.64 теплботвод через узкую стенку возрастает.' Следовательно, нанесение покрытия,на медную матрицу или замена материала стенки.■ приводящие , к уменьшению теплопроводности стенки, вызывают , увеличение теплоотвода через эту.стенку. Это сказывается на тепловом состоянии непрерывного.слитка. Так. повышение теплопроводности стенки приводит к увеличению значений тем-'пературы поверхности слитка на выходе из кристаллизатора, а также среднеинтегралыюй его, температуры в кристаллизаторе.

Исследование кинетики' нарастания. оболочки - слитка показало, что с уменьшением теплопроводности стенки толщина оболочки слитка б кристаллизаторе возрастает. При этом происходит также снижение средиеинтегрального по высоте термического сопротивления зоны контакта.. Этот эффект связан.с уменьшением теплоотвода и усадки слитка б применйсковой области, и. как следствие, с увеличением степени контакта слитка с кристаллизатором на нижележащих горизонтах. Вследствие повышения температуры рабочей стенки при этом происходит уменьшение толщины твердой части шлаковой прослойки и. всей прослойки вцелом, что ведет к снижению термического сопротивления области контакта слитка со стенкой кристаллизатора.

- •гэ -

Разработка разбрызгивающих устройств с улучшенными характеристиками и универсальной системы вторичного охлаждения МНЛЗ

Для зоны вторичного охлаждения (ЗВО) характерным является значительная пространственная протяженность, наличие и уровень тепмоциклирования в поверхностном слое слитка, управляемость процесса охлаждения. При проектировании и расчете систем вторичного охлаждения осуществляют переход от заданного оптимального закона изменения температуры поверхности слитка от времени охлаждения к соответствующей функции изменения плотности орошения во времени > или по длине ЗВО. Для реализации последней необходимо осуществить переход от локальных параметров к интегральным, так как подача охладителя в ЗВО осуществляется не в каждой точке пространства, а через секции, объединяющие группу разбрызгивающих устройств. При этом непрерывная функция заменяется кусочной. В работе предложен вид кусочной функции, описывающей теплоотвод в межроликовон пространстве на различных по характеру теплообмена участках.

Для определения основных параметров кусочной Функции на участке воздействия на слиток диспергированной струи на гидротепловом стенде ЛП'У были получены гидравлические и тепловые характеристики плоскофакельных Форсунок, используемых на НЛ1Ж. Плиточное давление воды перед форсунками изменяли в предела:-; 0,1... О, '4 йПа, а расстояние от форсунки до орошаемой псли>рхн'лли в интервале 0.2. ..0.5 м. При ^том было устеноблвио. чго с.аонли-зация геометрических параметров струй. . исгешэдх из 'форсунок, происходит при достижении '¡веточным даедышея ьади к-р'ед Форсункой значений С.06...0.1 МП*.

Вследствие особенностей практической реализации заданного режима схлаздеэдя с. поисщь^форсунокв .пределах кгадой секции ЗВО существует, иногоэкстрекальная 'функции распрёделе)шя коэффициента, теплоотдачи, ана'штелыю отличав^ся от ,тр.ебуекрй монотонно убывающе,1. это приводит к эффекту значительного термоциклирования в поверхностном, слое слитка,; /небмгопрк&тно доказывающемся.. на качестве металла. /Приближение реального реадна овладения/к опта- ' мальному можно реализовать при использования разбрызгаваюцда устройств, которые , обеспечиваат •расширение относительной протяжен,-■ поста зоны воздействия струи по сравнеашо с расстоянием .между элементами поддеркивавдей системы и большую равномерность распределения охладителя б этой зоне... V-

Вкастрящеевреняв'системах;$торитаого охлаа^ения широкое ' распространение получили водяные Форсунки плоскофакельного типа и .. водовоздушные-форсунки, ;Прикейгние последних позволяет . 'повысить равномерность -охлаждения,,", снизать его интенсивность.' 'увеличить '-• площадь поля.орсвещ^. Обеспечивая снижеаде расхода воды примерно \ В 2...3 раза'по срашенивс чисто -водяным'охлаждением, водовоз-. . душное охлаждение требует повышения энергозатрат для производства й траиспортировд. сжатого воздуха, расход которого в десятки.раз . 1фееышаег расход воды, ..'.■ : . •-"

Лдя ре«>е«ия задачи создания водяной Форсунки, для которой. ! характерны небольшие энергозатраты и менее сложная' система вторичного охлаадения. но которая обладала бы характеристиками. : близкими. к. параметрам охлаждения еодовоздуишых устройств, была . проведена оценка1 доли полной энергии, »шдкрсти,..истекающей из фор- . сунки.1 которая идет на ее диспергирование:' Установлено, что .эта дздя. определлекая кэзффициентон распыливши,, для водяных 4-орсу-.

иок составляет 0,003.. ^ О, ОН и с увеличением избыточного давления. воды, на выходе струи из Форсунки уменьшается.' Поэтому уменьшение размера капель . в газожядкостном потоке не требует значительных энергозатрат и мозет быть осуществлено, за счет знергни слмой жидкости при.соответствующей организации процесса ее истечения.

В качестве нового способа диспергирования гидхсоти был предложен. способ, основанный на столкновении двух петокоз жидкости со свободной поверхностью, движущихся по твердой поверхности навс-

■ тречу друг другу, в результате чего образуется общая струя. Помимо улучшения процесса'диспергирования, образующаяся струя характеризуется значительным объемом, отсутствием начального пленочного участка. При это« возрастает плодадь оройення и повнпается

. равномерность распределения охладителя по этой площади- Коэффициент распиливания увеличивается в 2 раза по сравнений с обычными

■ форсунками...' ' .

. ■ Иа-основе нового слосоСа было разработано 2 тага конструкций

■ •форсунок,, реализованных, в промышленности, о виде форсунок серий X , и к- (11'.типоразиеров). Испытания 'их на,- гидротепловом стенде показали, . что давление ■ стабилизации геометрических . характеристик ■ струй составляет 0,02.,, ,0, 05 НПа. Для.форсунок,серил К углы раск-

■ рытия равна 120,.''. 130 градусов-по- большей оси поля орошения . и 40...50 градусов по. налой, ■'Площадь орошения' этих форсунок в 8 л.. 10 раз больше, чен у плоскофакельных: они характе{Шувтся бо-

.. лее равномерным распределением коэффициента теплоотдачи по поля • орошения.и обеспечивают максимальные его значения в центре поля 400...1050. ВтЛм^К), а минииапьныв - 20О...;^С Вт/(мг-К), 'что -. удовлетворяет требованиям Ио охлаждения бояьвинства групп марок

сталей. Новые форсунки обеспечивая? повышение- эффективности использования воды в системах охлаждения. Коэффициент использования хладоресурса для них а 1.5...2 раза больше, чей для обычных форсунок.

Создание форсунок объемного распиливания на базе нового способа диспергирования жидкости позволяет конструировать системы охлаждения с параметрами, которые невозможно получить с помощью других водяных форсунок. Эти системы обеспечивают орошение практически всей по' ерхности непрерывного слитка, кеэкранированной элементами поддерживающей системы, значительно уменьшают амплитуду термошпшфовашш в поверхностном слое металла, обеспечивают орошение элементов поддерживающей системы, прилегающих к поверхности слитка.и имеют возможность регулирования интенсивности теп-лоотвода от слитка в широких пределах, соответствующих диапазону скоростей вытягивания и требованиям к охлаждению практически всех сталей, разливаемых в ККЦ-1 НЛМК, от низколегированных до электротехнических.

Проектирование универсальной системы охлаждения с форсунками объемного распиливания проводили с помощью разработанной методики. основанной ча.расчете теплового состояния слитка в ЗВО с минимизацией невязки оптимальной и расчетной температуры в конт-. рольных точках по длине ЗВО.'В прямоугольной области Е допустимых даглений воды Р и расстояний от форсунки до слитка Н находили множество точек, которое аппроксимировали, полиномом вида

С0 + С,-Р.+Сг-Н, ♦ С,-Р.-Н. + С«-Р.г + С5-Н.г = О ,(28) где Р.. И. - знзчения Р и Н.соответственно, при которых в контрольной точке ЗВО соблюдается условие

И»':*1 - * <™к> I < (29)

гдэ гп(гк). (2к) - расчетная я оптимальная температура поверхности слитка в контрольной точке г* соответственно, г„ - коордк-ната контрольной точки. - ненязка.

Ввбор рабочей точка из мнояёства Г с допустимом сочетаниями Р. и Я. проводили исходя из условия обеспечения максимального диапазона регулирования интенсивности' теплоотвода з ноле орсишия Форсунки. Для этого ввела критерий •■'.

3 • П<1-а«1я) (а,„-а)) / <0^-0,,.>.. '. (30) где е. «ян я - средяеинтеградьиыё з поле срооения Форсунки

значения коэффициента теплоотдача при номинальном, ■■ максимальней и. минимальном давлении веды соответственно. Оптимальный вариант соответствует максимальному значению Л.

оптимальные реши охлаждения для трех групп марок с алей; углеродистых, низколегированных и электротехнических аппроксимировали выражениями вида "

* - Д^Ьехр^АгЧг-г»)]} . . (31)

где 1п1( - температура поверхности слитка на выходе из кристаллизатора г г, ък - текущая координата и координата конца кристалл«-, ааторз соответственно: А,. Аг -постоянные коэффициенты. .'

Результаты расчетов показали, что для проектируемой системы охлаждения.установок ККЦ-1 ШЖ наилучшим образом; подходят Форсунки объемного распиливания КИО. Эти форсунка легли в основу разработанной и внедренной в,ККЦ-1 универсальной системы охладхде-ния непрерывных слитков. Измерения температуры в ЗБО оптически;..« пирометрами подтвердили соответствие новых'режимов охлааденк* металла заданным., оптимальным. Они ' показали уменьшение мшиуйы теркоциклироииия .в поверхностном слое слитка в 3....5 раз. Зто

привело к укеньпешш в 2...3 раза количества , к глубины зон перекристаллизации.. При исследовании качества поверхности непрерывных слитков было установлено, что использование новой системы охлаждения приводит к уменьшению количества и степени развития сетчатых к продельных поверхностных, тревдн. Разработанная система охлаждения функционирует.в ККЦ-1 НЛКК с 1987 года.- .''•■■

Управление рторичным.охлаждением непрерывного, слитка ' '. .

• Разливка стали ка МНЛЗ характериэуэтея-'нрменеиияи.н скорости .вытягивания слитка, обусловлеш;умк-как особенностями технологии, (замена.погрдаых воронок. . сталзразливочных и промежуточных-ковшей и т.д. ), так и возкоаянки ее кардатш® .и аварийными ситуация«;!. Недостаточное, 'внимание к. проблеме' управления 'расходами охладителя в. эти. периоды, практически '., сводит на нет . преимущества разработанное" оптикальных режимов -охлаздеаия для стабильных'усло-влЯ.и привода? к образованию'и развитою различных дефектов м?тал-да: ■■ '■''•' .*'••."..'.•-.'-'.•...- л .'.. .'. •.' '.;.. ■'■'.. •'••'■.'• •' .. ' Для сохранения'структурной, Физик'о-хшш;«ской и качественной '. однородности.. непрерывного слитка разработаны. способы "управления ■ подачей- охладителя в ЗВО МШ13-. Сохранить оптимальный рекимохлаж-дення металла^ во времени независимо от скоростных-условий разлив--•ки позволяет способ, - в. соответствии с которым подачу охладителя, прегиводят следувщнм образом: \ ' ' .

": " -. ■ б(г) - { .':-.' .'-" - - -.--' . --, '(321 ■ ' '■'. ■ •• . * 0, .-. х > х» : •..^ ; '-

;. • "•• ... • т - д,-1-.(12-1,)-т,/тг. -,...•.'. : -

где ,ж,. -/текущее время охлаадения для ¡зас^мьтрива'стай-т&ч-'

юг, время охлаждения при скорости вытягивания-до к после ступенчатого изменения соответственно: g*(t) - оптимаяьноз • изменение плотности орошения слитка во времени, - продолжительность принудительного охлаждения, т.' - время от момента изменения скорости.

При-достаточно пологой кривой охлаждения'

g(î) - g, + ('ga-gjM./T,, , (34) ,

где g,. - значения плотности орошения в данной точке при скоростях вытягивания до и'после ступенчатого, изменения соответственно, т„ - время изменения плотности орошения.

■ х , -.'. т, <t, . Т2<Т„

.—-— • тг. , если т,<тк , х2>хх

t„ -

т2~тк

- • тг , если t, >Tst t2<r» . - (35)

• "ЧгЧ

В последней случае (т,>тк, т2<тк) после изменения скорости слиток не оровают"в течение времени

'г " «г/<тг-г1 ) ' . " (36)

В результате раочетно-теоретического анзлиза установлено, что-существуют алгоритмы управления подачей охладителя, уменьшавшие термические удары в поверхностном слое, металла в переходные периоды и . имеющие небольшие отклонения от оптимальных расходов охладителя. Один из них основан на использования статистических характеристик скоростных режимов разливки конкретной Ш!3. При этом все понижения и повышения скорости описывается. параметрами, свойственней наиболее вероятный изменения» скорости. Это зла- . чительно упрощает алгоритм управления и требуемое для его реализаций, оборудование. . . '

Управление с цель» сохранения термических историй всех элементов слитка приводит к однородности получаемого металла по многим параметрам. Однако при этом температурные профили поверхносг ти считай вдоль технологической оси МНЛЗ существенно отличаются друг от друга при различных скоростях затягивания. Это приводит и к существенному различию условий формирования слитка во времени от действия внешних для его оболочки сил: силы ферростатического давления и сил взаимодействия . слитка с элементами конструкции М&чз. Удовлетворение требований к охлаждению слитка при различных скоростях но:кет быть реализовано в максимальной степени, если обеспечить различные законы изменения теплового состояния слитка во времени для различных скоростей, ограниченные, однако.условиями максимально допустимой неоднородности структуры, теплового и напряженного' состояния слитка. Этого можно достичь, если закон оптимального охлаждения представить в виде функции плотности орошения слитка- не только от Бремени охлаждения, но и от скорости вьтягиоачия. а затем трансформировать его в функцию, описывающую зависимость оптимальной плотности орошения от времени охлаждения к координаты по технологической оси МНЛЗ.

С помощь« разработанной модели охлаждения и затвердевания непрерывного слитка для динамических условий разливки проведено исследование эффективности управления охлаждением металла • в ЗВО при использовании 12 алгоритмов управления, разбитых на 7 групп. Наследование базировалось на сравнении изменения теплового состо-даид слитка во времени и по длине ЗВО при управлении подачей ох-лздитеня в соответствии с теч или иным способом. Анализ результатов расчетов позволил провести ранжирование предложенных способов управления по Возможным отклонениям от заданного режима охлаэде-

- зг-

ния. что позволяет ..выбрать ■ оптимальный способ.для конкретной МНЛЗ. Расчеты показали такие, что:въбор способа.управления мало сказывается на. термической истории внутренних точек, слитка'и на .кинетике его,затвердевания в переходные пгрисды. Наибольшее влия-..' кие этот выбор оказьшает на . тепловую эволюцию поверхностного слоя. и. следовательно! на' его качественные характеристики .

'.'.•■■ основные еыводц и рекомендации ■'".. ':

, 1. Разработана комплексная экспериментально-расчетаал мето-.' дика тсследованцл теплофизических характеристик , работы кристаллизаторов МНЛЗ, основанная на ресении обратной задачи теплопровод- . . поста для стенки кристаллизатора, .с помочь» этой методика получена детальная • информация. об особенностях рельефа поверхностей, описьшаювдх распределения плотности, теплового потока и температуры стенки по'поверхности широкой; грани слябового кристаллизатора. Показано влияние на эти распределения- основных, технологических параметров,. .. ..'-•'

2. Получены -статические и динамические характерце гики .то каналу ,воздействия "скорость вытягивания - плотность теплового ло-. тока", для Характерных точек, граней. . а также для всего. кристаллизатора в целом, а также по каналу "скорость вытягивания '■»'. усилие вытягивания слитка из кристаллизатора". Эти характеристяки могут, бить использованы в АСУ ТП разливки и в системах., управления качеством металла. ' -■ ■'■;. 3. Установлен экстремальный характер, и • проведена количагт-"• веннзя оценка, изменения теплофизическах характеристик непрерывного слитка на всем.протяжении активной длины кристаллизатора с по-

■ ■

реходные периоды после изменения скорости вытягивания. Для компенсации этого эффекта и избежания его неблагоприятного влияния на качество , металла в эта периоды необходимо обеспечить соответствующее, особенностям этого эффекта экстремальное управление подачей охладителя в верхней часта зоны вторичного охлаждения.

4. Установлено, • что толщина шлаковой прослойки в кристаллизаторе составляет 500... 600 «км. причт среднеинтегральное значение толщины жидкой составляющей прослойки в 5...7 раз меньше, .чем твердой. По результатам исследования протяженности области жидкого трения и влияния скорости на усилие вытягивания слитка из кристаллизатора найдено оптимальное значение скорости для типовой илакообразующей смеси.

5. Разработана методика определения закономерностей распре- -, деления цатеиатически сфорыулированных величин-зазора и степени контакта в области взаимодействия слитка со стенкой кристаллизатора и определено местоположение зон с максимальной степенью контакта. С помощью этой методика-установлено, что основной причиной, определяющей особенности распределения' теплофизических параметров по площади , широкой стенки кристаллизатора является квазирегулярный рельеф поверхности оболочки слитка, формирующийся лод действием • ферросгатического давления на переменную по толщине оболочку в условиях стеснения ев стенками с переменной по высоте величиной зазора. • ' ••

6. Установлены и количественно оценены параметры временного дреП^а теплофизических характеристик кристаллизатора, имеющего три характерных этапа: начальный этап -приработки", период нормальной эксплуатации с примерно постоянными значениями параметров и период "износа".

7. Установлено, что в начальный период эксплуатации кристаллизатора при разливке первых 20.. . 50 плавок наблюдаются повышенные значения усилия вытягивания слитка, пониженный теплоотвод и повышенная скорость износа его рабочих стенок, которые сопровождаются повышенной лораженностыз слитков продольными трещинами,, наибольшей вероятностью прорыва металла, а также максимальными значениями скоростей изменения всех этих характеристик во времени. Для уменьшения негативного влияния начального периода эксплуатации кристаллизатора на качество непрерывного слитка необходимо в начале эксплуатации разливать углеродистые стали типа 08!) в слябы с минимальными значениями ширины, соблюдать постоянство значений номинальных технологических параметров, конструктивными решениями, в том числе выбором механических свойств материала стенки или ее покрытия, обеспечить резкое уменьшение периода взаимной адаптации подсистем в верхней части МНЛЗ.

8. Получена зависимость средаеинтегральной по высоте плотности теплового потока в центре узкой стенки кристаллизатора от относительной эффективной теплопроводности стенки в диапазоне изменения ее значений о,64:..1,0. Нанесение покрытия на сплав МС или замена материала стенки, сопровождающиеся уменьшением ее теплопроводности, приводят к увеличению среянеинтегрального по высоте стенки теплоотвода, уменьшение средаеинтегральной температуры поверхности слитка, температуры металла на выходе из кристаллизатора и увеличения толданы оболочки слитка. Поэтому при выборе материала или защитного покрытия стенки необходимо учитывать не только их механические и эксплуатационные свойства, но и влияние этих материалов на тепловую эволюцию слитка и, • следовательно^ на его качество.

9. Разработан новей способ диспергерования кидкости, истека-шшй из форсунок, с коэффициентом распиливания в 2 раза большим, чем для обычных. водоструйных форсунок. • Разработаны две • конструкции форсунок, реализующих новый способ и обладающих улучиенными характеристиками с коэффициентов использования хладоресурса в 1.5.. .2.0 раза большим, • чей для обычных форсунок. ■

10. Разработана методика проектирования систеп ' охлаждения МНЛЗ. учитывающая особенности локальной неравномерности теплоот-вода на различных по механизму теплообмена участках поверхности слитка, а также особенности характеристик разбрызгивающих устройств. Эта методика позволяет разрабатывать режимы охлаждения с минимальны®! отклонениями от оптимальных условий формирования слитка. •

П. Предложен ряд способов управления вторичным охлаждением непрерывного слнтка. С-помощью математической ; модели проведено сразнег&е эврлюстй теплового состояния металла, полученных при управлении г.Сдачгй охладителя в соответствии с различными, способам управления, а такяе ранжирование этих способов по отклонение теаяозбгс состояния слитка от заданного, позволяйте быбрать оптимальный, способ 'для конкретной Ш13. ' '

12. разработана .«.внедрена-универсальная система охлаждения для ИШ ККЦ-1: НЛМК на основе'использования новых Форсунок-объемного расшАливацйЯ серии К, уменьшающая количество и степень раз-зитая поверхностных треодн.слитка, ■.'. .'■"'■"

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Дождиков В.И... Бережанский В. Е.. фарафонов В. П.. Шейнфельд и. И.. Галуза В. И, Определение толщины корки слитка в крисг таллизаторе ИНДЗ // Сталь. 1987. N9,- С. 37-39.

2. Дождиков В.И.. Поливанов А.К., Губарев В.Я,, Кукарцев В.М.. Севостьянов В. В. Водяные форсунки нового типа для систем

'охлаждения МНЛЗ // Сталь. 1988. N2.-С.36-38,

3. Поливанов A.N., Дождиков В.И., Кукарцев В.М., фарафонов В. IT.. Шейнфельд И. И.. Бережанский В. Е. Оптимизация процесса непрерывной разливки стали путем улучшения теплопередачи в кристаллизаторе // Сталь. 1936. 117. - С.20-22. •

4. Паршин В.М... Дождиков В.И., Бережанский В. Е.. Шейнфельд И.И. Исследование зоны контакта слитка и стенки кристаллизатора ITO // Сталь. 1987, №. '- С. 26-28.

5. Евтеев Д.П.. Гиря А.П., Ермаков 0. Н.. Дождиков В. И. Определение систему форсуночного охлаждения слябов йа криволинейной МНЛЗ // сталь. 1983. Н12.- С. 21-?2. .

6. Дождиков В.И., Емельянов В.А.. Евтеев Д.П. и др. Исследование способов управления охлаждением непрерывного слитка с помощью математической модели // йзв; вузов. Черная металлургия. 1984. N5.- С. 113-116.

7. Дождиков В.И., Евтеев д;п.. Емельянов" В. А. й др. Тёплоот-вод в кристаллизаторе МНЛЗ при переменной скорости вытягивания // Изв. вузов. Черная металлургия. 1984.ИЗ.-..С. 104-106. '

8. Бережанский В.Е., Дождиков 8. И.. Емельянов В.А. Методика определения температур я тепловых потоков в стенке криоталлизато-

pa // Изв.- вузов. Черная металлургия.-. 1987. N5,- С. 154.

3. Бережанский В. £.. Довдиков в.и.. Емельянов В.А. Математическая модель- процесса затвердевания непрерывного слитка // Изв. ■.вузов. Черная металлургия.- 1987. NiO. -c. 139.'

. 10. Дождиков В,И.. ■ Берешнский P.E. Тецлофизические характеристики' кристаллизаторов для непрерывной разливки слябов // Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Материалы международной конференций. Т.3 - М.:. Металлургия, 1994.- С. 180-181.

.11.. Довдиков В. Si.. Бережанский В.Е. Влияние теплопроводности материала рабочих стенок кристаллизатора на теплоотвод от непрерывного слитка // Труды Первой Российской национальной конференции по теплообмену, -Г. 10 "Теплопроводность, теплоизоляция". - М.: МЭИ, 1994. - С. 93-10!. -

12. Докдекоз В,И.. Бережанский В.Е. Математические модели процессов теплопроводности на Участке первичного охлаждения непрерывного слдтка //Труды Первой Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 10 "Теплопроводность, теплоизоляция". - Н. г МЭИ. 1994.-.C.t02-105,

13. Губарев В.Я.. Дождиков В.и. Теплообмен при ламинарном обтекании тонкодасперсным газоющкостным потоком высокотемпературных- поверхностей // Труды Первой Российской конференции до теплообмену. L6'"Двухфазные течения" - И.: МЭИ. 1994.- С.53-57.

14. Дождиков В.И., Паршин Б,М., Шейнфельд И. И.. Бережанский В.Е. Комплексное .исследование условий контакта непрерывного с."!тка со стенками кристаллизатора // Новые технологические процесса в черной металлургии. .Непрерывная разливка и производство заготовок прямой разливкой. . Материалы международной конференции. Т. 2.- ЧССР. Фркдек-Кистек. 1938.. - С. 112-130.

15. Дождиков В.И., Поливанов А.И., Губарев В.Я. и др. Разработка и исследование водоструйных форсунок объемного распиливания // Новые технологические процессы в черной металлургии. Стендовые доклады и дискуссия. Материалы международной конференции.-ЧССР. Фридек-Мистек.'1938.-С. 152-162.

16. Дождиков В.И.. Хохлов В.tf. Экспериментальное исследование, теплопередачи в кристаллизаторе вертикальной МНЛЗ // Непрерывное литье стали - к: Металлургия. 1981. N7,- с. 83-85.

17. Дождиков В.И.. Битвцкая Г.С. исследование охлаадения непрерывного сляба в-кристаллизаторе МНЛЗ при переменной скорости вытягивания // Математическое моделирование процессов затвердевания металлов и сплавов. -• Новосибирск: НГУ. 1933.- С.78-79.

18. Дождиков В.И.. Паршин В.И.. фарафонов В,П. и др. йсследо- . ванне теплопередачи в кристаллизаторах ■ криволинейных МНЛЗ // Тез.док. Всесоюзной научн.-техн. конференции " Совершенствование тепловых процессов при производстве проката черных металлов" (Череповец. 1986г.). - М.: Черметинформация. 1986. - С. 4-5.

19. Мирсатшов В.И.-. Емельянов В.А., Дождиков в.Я. и др. Выбор режима охлаадения непрерывного слитка с позиций механики разрушения // Прогрессивные способы получения стальных слитков. -Киев: ИПЛ АН УССР, 1980. - С. 14-17.

20. Дождюсов В. И.. Емельянов В. А.. Бережанский В. Е. Оптимизация теплотехнологии горячего посада на участке первичного охлаждения непрерывного слитка // Новые металлургические технологии и . оборудование. Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1988.- С. 6-7.

21. Дождиков В.И., Губарев В.Я., Егоров H.A. Разбрызгивающее

устройство для системы вторичного охлаждения технологии горячего посада // Практика, проблемы разработки и внедрения ресурсосберегающих технологий. Тез.докл. науч.-дракт. конференции.-Лгпецк, 1987,-С.23. -

22. Довдшов В. И. Влияние основных технологических параметров на величину усилия вытягивания из кристаллизатора // Теория и технология металлургических и машиностроительных процессов; доклады науч. -техн. конференции,- Липецк: ЛГТУ, 1994.- С.72-76. • '" 23. .Дождик.ов В. И.. Ббрежанский В. Е. Исследование теплофизи-ческих характеристик узких стенок кристаллизатора из различных материалов // Теория и технология металлургических и машиностроительных процессов. Доклады научно-технической конференции. - Липецк: ЛГТУ, 1Ö94. - С. 76-83.

• 24. Дождиков Б. И., Береящнский В.Е. Основные -закономерности изменения эксплуатационных и технологических характеристик кристаллизатора во времени // Теория и технология металлургических и. машиностроительных процессов. Доклады научно-технической конференции.- Липецк: ЛГТУ. 1994. - С.83-91.

• 25, Уманец В.И., Довдиков В.И., Разков С.Д. и др. Исследование причин образования сетчатых трещин в поверхностном слое неп-рерцвнолитого сляба V/ Изв. вузов. Черная металлургия. 1964. И4.- .' С.45-48.

26. Дождиков В.П.. Горяинов в.А., Емельянов В. А-. и др. Экспериментальное исследование теплоотвода в кристаллизаторах верти-к°льних МНЛЗ U Теплофизика стального слитка.- Киев: ИПЛ АН УССР. 1980.- С. 147-150.

. 27. Попов А,II.. Ермаков О.Н., Тарасенко А.И.. Дождиков В.И. Измерение температуры поверхности нелрерывнолитой заготовки, от-

лшаемой lia УНРС криволинейного типа // Теплофизика стального слитка, - Киев: ЛПЛ АН УССР. 1980.- С,-150-153.

23. Дождиков В.И.-, Паршин В.М. , Бережанский В.Е. и др. Теплопередача в прпменнсковой части кристаллизаторов для отливки с.п,я-бов // Проблемы стального слггка. - Киев: ИПЛ АН УССР, 1988.- С. 187-190. . •....-.'

29. Дождиков В.IÎ.. Фарафонов В.П.. Гиря А.П. Исследование влияния основных технологических парамотроз на теплообмен в кристаллизаторе М!ШЗ // Совершенствование процессоз непрерывной разливки стали. - Киев: НПЛ АН УССР, 19В5. - С. 107-110.

30. A.c. 1405943. ' ■ Губарев В.Я.. 'Севостькнов В.В. .Доядиков В. И. и др. Устройство для охлаждения непрерывности заготовок. МКИ В 22 Д 11/124. Заявл. 15.12.83. ОПуб, 30.0S.S8.. Ь'ЮЛ.Ü24.

31. A.c. 1405949. Губарев В.Я.. Севостьшов В.В., Домиков В. И. и др. Устройство для охлаящения непрерывковдтнх слитков. МКИ В 22 Д 11/124. Заявл. 15.12.86. Опубл. ЗС.06.88, Бюл.Н 24.

32. A.c. 136362:. ПаршмВ.М., Иейнфельд Й.Й.. .Вологжаниноз И.В., Дождиков В.И. и др. Способ автоматического управления ранимом работы кристаллизатора машины непрерывного литья металла и устройство для его осуществления. МНИ В 22 Д Ii/16. Заявл. 7.04.86.

33. А.с! 1254627. Щейнфельд И.И., . Пошшанов A.M., Кузнецов Б.Г.. Паршин В.М.. Кукарцев В.М.. Рябов В.В.. Лебедев' В.П.. Дождиков В. И. Способ непрерывного литья слитков. ЯКИ В. 22 Д 11/00. Заявл. 19.06.84.

34. A.c. 910337. Дождиков В.И-. . Пятковский В. Н., Пожибанов A.M. и др. Система автоматического управления охландением слитка. 'ЖИВ 22 Д и/16. Заявл, 10.12.79, Опубл. 7.03.82. Бюл. N9.

35. -A.C. 1254628. Евтеев Д.tí.. Доздшш Ü.M.. Поживанов A.M. и. др. Способ непрерывно!! раз лиски металлов.' .МКИ В 22 Д 11/00. Запал. 20.06.84. ■

36. A.c. 1537363. Бережанский В.Ь".;. Дождиков В.И.. Поживанов

A. 13. я др.. Способ контроля процесса непрерывной разливки металла. ' ОТ В. ¿2 Д 11/16. Заявл. 15.12.87; 0»уб. 23.01.90, Еюл.ИЗ.

' 37. A.c. 13S3095. парщия"В.И., Шейнфельд И.И.. Лебедев В.И., Иводятоз А.Н.. Лунев'А. Г., Клак В.П., Молчанов 0.Е.., Тшжов В.Я., Дождиков В.И. it др. способ непрерывного литья стальных прямоугольных слитков. Ш! В 22 Д 11/00. Заявл.- 27.01.80.

. за. А. о. 1822009. Губарев В.Я., Дождиков В. 11.. Поживе шв А. М. и др. Способ распвдязашя тадкости. ЖИ В 05 В 1/н. Заяал. 4.05.87. • ' • ' 7-,; \ .

39, A.c. 18И242. Губарев В.Я., Дождиков В.И., Поживанов-A.M. к др., Устройство для охлавдешш иепрершшолитых заготовок.'МКИ В 22 Д Í1/124. Задел. .1.07.¿7. ;.' -V-: .

.' ■40,. A.c.. 1814211. Доздиков В.И., Севостьяиов'В.В.. Егоров И. А, и др. Устройство для вторичного охлаждения непрерывнслитых слитков. МКИ В 22 Д . 11/124. Заявл.'. 10.05.87.

41. A.c. 1407664. Губарев В.Я,, Севостьянов В.В.'. Дождиков

B. И, к др.;-Устройство для охлаждения непреривнолити/. заготовок. Ш В 22 Д 11/124, Заявл. 4.07.86. Опубл. -7.07.88, Бюл. 1!25. -.,.

42. "A.c. 1537300. Дождиков В.И., Поживанов A.M., Губарев В.Я. » п. . Устройство для охлаждений слитков. МКИ Б 05 В 1/04. Заявл. гь.11.87. Опуйд,- £3.01.90. Евл. КЗ. •'