CC BY
17
III ТЕХНОЛОГИ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБКИ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ МАТЕР1АЛ1В
УДК 669.147
С. В. Синепн, д-р техн. наук Б. М. Бойченко, канд. техн. наук В. Г. Герасименко,
Л. С. Молчанов, В. I. Хотюн
Нацюнальна металургшна академ1я Украши, м. Днтропетровськ
Ф1ЗИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОДУВКИ СТАЛ1 ГАЗОВОЮ СУСПЕНЗ1еЮ У ПРОМ1ЖНОМУ КОВШ1 МБЛЗ
Об 'ектом до^дження е процес безперервного розливання сталi, що включае вдування газо-порошково'1 сумiшi порожнистим стопором-iнжектором промiжного ковша. Методами фiзичного моделювання до^джено вплив продувки на процес безперервного розливання, включаючи гальмування струменя металу, режим витiкання газо-порошково'1 сумiшi i розподш порошку в кристалiзаторi МБЛЗ.
Ключовi слова: безперервне розливання, моделювання, продувка, iнокулятор.
Вступ
Безперервне розливання сталi е фшшною опера-щею, у результата яко! отримують товарний продукт -заготовку, розмiри та властивосп яко! вiдповiдають го-товiй продукцп. Тому на сучасному етапi розвитку вичизнянох металургп велику увагу придiляють методам захисту сталi вiд вторинного окисления та техноло-пям обробки стал1 у передкристатзацшний перiод (елек-тромагштне перемiшування, «м'яке» обтиснення, об-робка iнокуляторами та iн.).
З цього погляду перспективною технологiею е вдування у рвдку сталь шокулятора (залiзного порошку або модифiкувальних добавок) у струмеш iнертного газу через порожнистий стопор промiжного ковша, що чинить комплексний ефект на технолопю розливання, сприяючи захисту струменя вщ вторинного окислення та видаленню газiв i неметалевих включень у шлакову фазу промiжного ковша та подрiбнення макрострукту-ри заготовки при об'емнш кристалiзацil, що шщшова-на iнокуJIяторами. Також автори роботи [1] стверджу-ють, що у випадку потрапляння бульбашок аргону у кристалiзатор зменшуеться поглиблення перегрiтого струменя металу в рщку фазу заготовки та зменшення заростання заглибного стакану, при розливаннi неiржа-в1ючо! стал1.
Зручним iнструментом для вивчення пдродинамь чних аспектiв взаемодп газо-порошкового струменя з родиною е фiзичне моделювання на водяних моделях.
Методика дослщжень
Вiтчизнянi металурги при моделюванш процесу безперервного розливання сталi зазвичай використо-вують три числа подоби: 1) число Фруда Fr, що характе-ризуе вiдношення шерщйно! сили потоку та гравггацш-
но! сили; 2) число Рейнольдса Re, що характеризуе вiдношення шерцшно1 сили та сил молекулярного тер-тя (в'язкосп) в рiдинi або газц 3) число Вебера We, що характеризуе вiдношення шерщйно1 та кашлярних сил. За даними робгт [2-4], при моделюванш безперервного розливання сталi можна знехтувати числом Вебера. Визначення решти чисел подоби автори ще1 роботи здiйснювали вщповщно до п- теореми за методикою, що вже докладно описана [4]. Визначальними при iмiтацil гальмування струменя рщини е число Фруда, безрозмiрний iмпульс та лiнiйний симплекс.
Fr = -
ё ■ Ир
- число Фруда;
I = -
Р м ■ ё ■ И
- безрозмiрний iмпульс газового
струменя, який характеризуе вiдношення iмпульсу газового струменя до граытащйних сил, що дють на рiди-
ну;
Ир
и __р_ . . „ „ .
И ~ лiнiиний симплекс, що характеризуе ввдно-
Ис
шення рiвня рiдини у нашрнш емностi до висоти сопла над гирлом заглибного стакану; де м> - середньовитратна швидк1сть випкання рiдини, м/с;
ё - прискорення вiльного падiння, м/с2; Р - густина рiдини, кг/м3; Нр - рiвень рiдини в нашрнш емносп, м; I - секундний iмпульс газо-порошкового струменя, Н ;
И - рiвень сопла над гирлом заглибного стакану, м;
© е. В. Синепн, Б. М. Бойченко, Л. С. Молчанов, В. I. Хотюн, 2014
2
w
г
Тда приймаючи лiнiйний масштаб та масштаб гус-тини 1:2 та 1:7,2 ввдповвдно, можна розрахувати масш-таби iмпульсу та швидкосп:
К = =V05 = 0,25,
k = k p ■ k, = — ■ - = 1 ' p 1 7,2 2 A
'14,4
; 0,07
(1)
(2)
де к№, к, кс, Щ - вiдповiдно масштаби швидкосп, секундного iмпульсу газового струменя, густини рiдини та лiнiйний масштаб.
Для iмrгащl взаемодй газо-порошкового струменя з потоком рщини, що витiкаe з промiжного ковша, було зiбрано фiзичну модель у масштабi 1:2 (рис. 1), яка скла-даеться з нашрно1 eмностi 1 з мiрною шкалою, з яко! вода скляною трубкою 2 витiкае в модель кристалiзато-ра 3, поверхня рiдини в якому вкрита сушшшю 4 вакуумного масла та керосину в пропорцп 1:1 для iмiтацil шлакоутворювально! сумiшi на дзеркалi металу в крис-талiзаторi. Рiвень води в кристалiзаторi щдтримуеться сталим за допомогою гнучкого шланга 5.
Рис. 1. Принципова схема експериментально! установки:
1 - натрна емнють; 2 - скляна трубка; 3 - модель кристал-¡затора; 4 - сумш вакуумного масла та керосину; 5 - зливний шланг; 6 - труба для постачання води у натрну емнють; 7 - вентиль; 8 - компресор; 9 - ресивер; 10 - бункер з тском; 11 - мщна трубка з гумовим наконечником; 12 - вентиль; 13 - манометр; 14 - ротаметр
Воду в нашрну емшсть постачають через трубу 6 i3 вентилем 7. Стиснене повиря з компресора 8 потужш-стю 1,5 кВт гнучкими шлангами подають до ресивера 9 об'емом 35 л, тсля чого змiшують у бункерi 10 з порошком, що iмiтуe iнокулятор. Отриману повиряно-порошкова сушш через мiдну трубку 11 i3 гумовим наконечником вдувають у потж рiдини, що витiкаe з натрно! eмностi. Висоту сопла над рiвнем стоку ре-гулюють за допомогою шартрно! передачi з точтстю 0,5 мм. Витрату повiтря з ресивера регулюють вентилем 12, тиск i витрату повiтря перед соплом вишрюють вiдповiдно манометром 13 i ротаметром 14 iз поправками на втрату тиску при транспортувант газо-порош-ково! сумiшi. Режими взаемодй' газового струменя з родиною фiксують камерою з частотою 60 ка^в на секунду з пiдсвiчуванням двома галогенними лампами. Отримане HD-ввдео розкадровують у програмi VirtualDub для подальшо! вiзуальноi оцшки режимiв випкання газового струменя з сопла. Зображення зони взаемодй' газового струменя з рщиною обробленi у програмi Adobe Photoshop для кращо! вiзуалiзацii (рис. 2).
Рис. 2. Зона взаемодй газо-порошкового струменя з рщиною: а - бульбашковий режим: Н = 1,8, I = 1,87 • 10-4, Бг = 1,46 ; б - бульбашково-струминний режим: Н = 5,6 , I = 5,63 •Ю-5, Бг = 0,34
Феноменолопчний ¡шали отриманих результата
У ходi статистичного аналiзу експериментальних да-них було виявлено, що безрозмiрний iмпульс мае двi автомодельнi по вiдношенню до числа Фруда облает!
Перша автомодельна область I < 10 4 вщповвдае випад-ку високого рiвня води в нашрнш емностi за низько! iнтенсивностi продувки. У цьому випадку iнерцiйнi сили потоку рвдини, що випкае з нашрно1 емностi, пе-реважають над iмпульсом газового струменя. Число Фруда в цьому випадку залежить лише вщ висоти стопора к , при збiльшеннi яко1 (зменшеннi Н) цей вплив
посилюеться. Друга автомодельна область I > 5 • 10-2, навпаки, спостерiгаеться при висок1й iнтенсивностi продувки за низького напору рщини, тобто коли iмпульс газового струменя переважае над шерцшними силами потоку рвдини, яка витiкае з нашрно1 емност! У цьому разi положення стопора настiльки низьке, що струмшь газу практично повнiстю блокуе випкання рiдини.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2014
59
Гальмування струменя рщини, що може бути опи-сане симплексом швидкосп W, визначасться за вираза-ми (3) i (4), що графiчно зображено на рис. 3.
1,5 1,25 1
0,75 0,5 0,25 0
5 6 7 H
а
Рис. 3. Граф1чне зображення моделей: а - модель (3), б - тривим1рне зображення модел1 (4), в - зображення модел1 (4) у вигляд1 ¡золшш
W = ■
W --
факт
H
H
125 89,73
(r2 = 0,92), (3)
= 1 - —, при I < 10-4, (R2 = 0,92
факт
0,04
Vi • H1,
при I > 10-4, R2 = 0,7271), (4)
де , w
факт ном
- вщповщно фактична середньо-витратна швидк1сть за продувки та номшальна серед-ньовитратна швидк1сть випкання без продувки.
З рис. 3 видно, що швидюсть витiкання рщини при продувц1 може зменшуватися до повно1 зупинки або збiльшуватися щонайменше у 1,5 рази за р!зних режимiв
продувки. У промислових умовах продувка вщбуваеть-
ся в режим! I > 10-5, Н > 8, за умов якого симплекс швидкосп змшюсться в межах 0,3^0,45.
Ефективнiсть обробки сталi мiкрохолодильниками значною м1рою залежить в1д характеру взаемоди части-нок порошку з редким металевим розплавом. Попршен-ня умов контакту призводить до уповiльнення на^ву та плавлення порошку, а також тдвищення в1рог1дност1 його виносу газовими бульбашками у шлакову фазу.
У численних роботах в1тчизняних i закордонних дос-л1дник1в шляхом моделювання на водяних моделях та розплавах легкоплавких метатв та !х сплавiв було вста-новлено, що дрiбнодисперснi часточки за низько1 концентрацп порошку в шз1 формують газо-порошковий струмшь, що здатен пройти кр1зь поверхню бульбаш-ки. При збiльшеннi концентрацп порошку в газi утво-рюеться однорщний газо-порошковий струм1нь. Фор-мування бульбашкового та струминного режимiв залежить в1д розм1р1в частинок порошку, його об'емно1 концентрацп в сум1ш1, ввдносно! швидкост1 порошку у струмеш газу, густини та в'язкост1 останнього. У ро6от1 [5] перехiд бульбашкового режиму у струминний описано залежшстю (5), що була експериментально шдтвер-джена дослiдженнями авторiв:
б(б/Т^ +1)
де еп - об'емна частка порошку; а число Рейнольдса розраховуеться за формулою:
(5)
Re = d п (w г - wn )
(б)
де dn - розмiр фракцп порошку, м; wz, wn - вiдповiдно швидюсть газу i порошку, м/с; нг - юнематична в'язк1сть газу, м2/с.
На рис. 4 наведена умова переходу бульбашкового режиму продувки у струминний, отримана за виразом (5).
Характер розподалу порошку в рщкш фазi заготовки не змiнюеться за рiзних режимiв продувки i мае од-наковий циркуляцiйний контур, який у верхнiх шарах рвдини збiгаеться з циркуляцiйним контуром рвдини. У нижнiх шарах рвдини, де швидкосп потоков уповшьню-ються, порошок iз густиною, вищою за густину води, починае осаджуватися. Водночас щшьшсть седимен-тацп в поперечному перетиш заготовки дещо нерiвно-мiрна. Максимум l'i спостерiгаеться в осьовiй частиш заготовки, периферiйнi дiлянки перетину заготовки мен-шою мiрою насичуються порошком.
Визначення орiентовного градiенту концентрацп' порошку у поперечному перетиш заготовки на рiзнiй глибиш вiд менiску аналiзували шляхом порiвняння свiтлопроникностi води. Для цього розкадроваш зоб-
раження обробляли на ПЕОМ у п р о г р а м i Adobe
Photoshop фiльтром Posterize до отримання зображення областей iз рiзною яскравiстю, що вiдповiдае рiзнiй концентрацп порошку в водг Характер розпод^ по-
п
б
V
г
в
2
W
ном
W
ном
700
600
г 500
з
о
о 400
с
га
s ш
¡1 200
С 100
струминний режим
бульбашковий режим
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Фракц1я порошку, мкм
Рис. 4. Умова юнування струминного i бульбашкового режиму для порошку pi3Hoi' фракци та його масово!' витрати
рошку рiзноl густини в об'емi заготовки зображено на рис. 5.
У разi використання порошку з густиною, нижчою за густину рiдини, близько 50^80 % порошку затягуеть-ся висхедними струменями газу, що спливають у рiдкiй фазi заготовки, i асимiлюються шлаковою фазою. Реш-та порошку у нижшх шарах заготовки значною мiрою
0,95 п
0,85
0,75
0,65 --
0,55
0,45
0,35
0,25 -I
0 0,05 0,1 0,15 Товщина, м
0,95
0,85
0,75
0,65
____j___l
0,55
0,45
0,35
0,25
0 0,05 0,1 0,15 Товщина, м
Рис. 5. Епюри концентрацй порошку важчого (а) i легшого (б) за рiдину по перетину заготовки на рiзнiй глибинi рщко!' фази (менiску вiдповiдаe позначка 1 м, крайка трубки занурена на 5 см тд менюк рщини)
рiвномiрно розподiляеться по перетину заготовки i по-ступово спливае.
Кривi розпод1лу концентрацй в обох випадках подiбнi до криво1 нормального розподiлу Гауса i при вiддаленнi вед менiску наближаються до прямо1. Концентрацiйний градiент при вдуванш легкого порошку в цен^ заготовки майже вiдсутнiй i спостерiгаеться лише в пери-фершнш частинi заготовки. Важкий порошок утворюе значний концентрацiйний градiент на всьому перетинi заготовки. Концентрацiйний градiент майже ведсутнш на глибинi 800 мм для важкого порошку i 600 мм для легкого.
След вiдзначити, що в разi використання плавких мжрохолодильнишв градiент концентрацй порошку в поперечному перетиш заготовки буде меншим. Це зу-мовлюеться швидшим розплавленням порошку в «тепишй» осьовiй частинi заготовки.
Висновки
За результатами фiзичного моделювання доследже-но 3 важливi пдродинашчт аспекти взаемоди газо-по-рошково1 сумiшi з родиною: гальмування струменя реди-ни, режим взаемоди газо-порошкового струменя з рединою та розподш порошку в рiдкiй фазi кристалiзатора. Iнжекцiя газо-порошкового струменя в редкий метал промiжного ковша МБЛЗ може ведбуватися у бульбаш-ковому або бульбашково-струминному режимах. Ос-таннiй е б№ш бажаним, оск1льки зменшуе вiрогiднiсть затiкання редко1 сталi в досить велике (4-6 мм) сопло стопора^нжектора.
Додатковим ефектом вед вдування газо-порошково1 сумiшi, який позитивно впливае на умови формування коринки заготовки у кристатзатор^ е гальмування майже у 2 рази потоку стал^ що випкае з промковша. Розподш плавкого мжрохолодильника, який е щшьшшим за рiдку сталь, у редкш фазi кристалiзатора нагадуе кри-ву Гауса, яка згладжуеться з поглиблення далi вед метс-ка. З урахуванням розплавлення частини iнокулятора в рiдкiй фазi заготовки можна стверджувати про його
0
ISSN 1607-6885 Hoei MamepiaMU i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2014
61
р1вном1рний розподш по всьому об'ему радио! фази у кристалiзаторi.
Список лттератури
1. Лейтес А. В. Защита стали в процессе непрерывной разливки / А. В. Лейтес. - М. : Металлургия, 1984. - 200 с. :
2. Исследование вынужденных и свободных циркуляционных потоков жидкого металла в непрерывном слитке на водяных моделях / [А. Д. Акименко, А. А. Скворцов, А. И. Гуськов] // Непрерывное литье стали. Тематический отраслевой сборник № 3. - М. : Металлургия, 1976. -С. 48-53.
3. Протопопов Е. В. Исследование гидродинамики метала в промежуточном ковше слябовой МНЛЗ / Е. В. Про-
топопов, Л. А. Ганзер // Новини науки Придншров'я. -2008. - № 3-4. - С. 54-56.
4. Синегин Е. В. Расчет масштаба модели для изучения процесса распределения инокуляторов в жидкой фазе кристаллизующейся заготовки / Е. В. Синегин // Специальна металурпя : вчора, сьогодш, завтра : матер^али X М^жнародно! науково-практично! конференцй. - К. : НТУУ «КШ», 2012. - С. 308-321.
5. Айронз Г. А. Научный и практический аспекты конструирования фурм для вдувания порошков / Г. А. Ай -ронз // Труды конференции «Инжекционная металлургия». - М. : Металлургия, 1990. - С. 44-62.
Одержано 26.02.2014
Синегин Е.В., Бойченко Б.М., Герасименко В.Г., Молчанов Л.С., Хотюн В.И. Физическое моделирование продувки стали газовой суспензией в промежуточном ковше МНЛЗ
Объектом исследования является процесс непрерывной разливки стали, включающий вдувание газопорошковой смеси через полый стопор-инжектор промежуточного ковша. Методами физического моделирования изучено влияние продувки на процесс непрерывной разливки, включая торможение струи металла, режим истечения газопорошковой смеси и распределение порошка в кристаллизаторе МНЛЗ.
Ключевые слова: непрерывная разливка, моделирование, продувка, инокулятор.
Synegyn E., Boychenko B., Gerasimenko V., Molchanov L., Hotyun V. Physical modeling of purging steel by gas suspension in caster tundish of CCM
Object of research is the process of continuous casting of steel which includes injection of gas-powder mixtue through a hollow stopper-injector in a tundish. By methods ofphysical modeling influence of injection on continuous casting process, including metal flow braking, a mode of expiration the gas-powder mix and a powder distribution in crystallizer of CCM, were investigated.
Key words: continuous casting, modeling, injection, inoculator.
