CC BY
15
№1, 2005 г.
5
УДК 621.74
ГИДРОМОДЕЛИРОВАНИЕ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ
П.О. Быков, М.М. Суюндиков, Д.С. Епифанов
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова,
\1ак,алада узЭ/лгс/'з к,уйылган болагп даиыпдамалардыц жэне к,уймакесектердщ xpcuemmepi мен сапасын гидромодельдеу ар^ылы болжау
MyMKiHdiKmepi жоне осы adicnen шешивтш мэселелер царастырылган,
В статье рассмотрены возможности прогнозирования свойств и качества непрерывнолитых стальных заготовок и слитков методом гидромоделирования и задачи, решаемые этим способом.
The article is considered by the possibility of prognosing properties and quality of continues steel ingots to hydromodeling methods and problems, which ¡s decided by this methods.
Ведущим способом разливки стали является непрерывная разливка на машинах непрерывного литья заготовок. Непрерывнолитые стальные заготовки, в особенности трубные [1], должны обладать повышенным качеством (точными размерами, качественной поверхностью, низким содержанием неметаллических включений, их равномерным распределением, однородной структурой и т.д.). Это заставляет на всех этапах производства заготовок сочетать мероприятия, обеспечивающие предотвращения возникновения дефектов и формирования требуемой структуры.
Качество непрерывнолитых заготовок во многом определяется структурой слитка, на которую доминирующее влияние оказывает скорость затвердевания заготовки. В свою очередь, на скорость затвердевания оказывает влияние движение расплава в незатвердевшей части заготовки, на характер которого влияет истечение струи металла из промежуточного ковша МНЛЗ, организация потоков металла в обьеме самого промежуточного ковша и т.д.
Кроме этого, распределение скоростных потоков в отливаемой заготовке определяет формирование оболочки, условия удаления неметаллических включений из жидкой сердцевины и процессы взаимодействия жидкого металла с окружающей атмосферой. Так, превышение скорости потоков металла в кристаллизаторе выше определенного предела может привести к размыванию твердой оболочки слитка и вызывать образование горячих трещин.
Циркуляционные потоки играют существенную роль в процессах сегрегации примесей, т.е. могут способствовать удалению неметаллических включений из жидкой сердцевины заготовок (восходящие потоки), определять расположение скопления шлака на зеркале металла.
Влиянию этих потоков особенно подвержены заготовки мелких сечений и затвердевшие оболочки широких граней слябов.
Незатвердевшую часть .заготовки можно разделить на несколько характерных зон [2]:
- в верхней зоне происходит интенсивная циркуляция, обус лов ленная внедрением струи;
- в промежуточной зоне, лежащей ниже, движение расплава обусловлено неравномерностью полей плотности расплава, вызываемого некоторой неравномерностью поля температуры в поперечном сечении заготовки, сотрясением, сопровождающим перемещение слитка вдоль технологической оси, расхождением направления ускорения силы тяжести и направления перемещения слитка (для радиальных машин).
Аналитическое изучение процессов движения потоков расплава сильно затруднено. Поэтому- в современных условиях, помимо численных методов решения таких задач с использованием прикладных компьютерных программ моделирования. ценным методом экспериментального исследования является гидравлическое моделирование, позволяющее обобщать результаты единичного опыта и распространять их на группу явлений подобных изучаемому.
Эффективность метода обусловлена дешевизной исследований по сравнению с натурными условиями, возможностью визуального наблюдения физической картины, недосту пной глазу в естественных условиях и удобством измерения параметров потока.
Данный метод широко используется для исследования и оптимизации процессов движения расплава в промежуточных ковшах и кристаллизаторах МНЛЗ [2,3,4,5].
Гидромоделированием исследовалось влияние различных методов подвода металла в кристаллизатор МНЛЗ на глубину и характер распространения цир-
1\|о1, 2005 г.
7
куляционных потоков в слитке, на поведение шлака на мениске металла и условия всплывания шлака [2, 3. 4. 5], изучалась зависимость характера истекающей струи из промежуточного ковша в кристаллизатор от геометрических размеров сталеразливочного огнеу порного стакана [4, 5] и т.д.
Сущность метода заключается в следующем.
Для получения в модели движения жидкости, подобного движению расплавленной стали в слитке, следует соблюсти равенства в модели и образце критериев Рейнольдса
п
Яе = — (1)
ооеспечивающсго подооие сил вязкости и инерции, Фруда
1
г С0~
* = - (2)
обеспечивающего подобие сил тяжести и инерции, и Вебера
*2
\Уе = — (3)
обеспечивающего подобие сил тяжести и поверхностного напряжения,
где щ-средняя скорость движения жидкости;
/ - характерный линейный размер;
V -кинематический коэффициент вязкости;
£ - ускорение силы тяжести;
У - удельный вес жидкости;
е - коэффициент поверхностного натяжения.
При расчете модели принимаются следующие допущения:
а) процесс разливки является изотермическим и движение жидкой стали в слитке вынужденным;
б) эжектируемый воздух не растворяется в металле;
в) фронт кристаллизации неподвижен (скорость его движения мала по сравнению со скоростью движения расплавленного металла);
г) поверхность застывшей корочки является гладкой.
В качестве рабочей жидкости для модели выбирают воду (иногда парафин). Таким образом, для моделирования процесса непрерывной разливки заготовки сечением 125x125 мм на воде из условия равенства критериев Вебера,
определили масштаб модели М, который в данном случае не мог быть выбран произвольно:
\еу
I и/
0,6
(4)
где £ и £ - коэффициенты поверхностного натяжения соответственно воды и расплавленной стали;
г' и г - соответству ющие удельные веса.
Физические параметры расплавленной стали приняли по литературным данным [7,8,9].
Из условия равенства критериев Фруда определили величины скорости и расхода жидкости в модели:
со
со
(5)
V О)1 г а'(П2
о со} со\1
-\ =Л/2
(6)
Из условия равенства критериев Рейнольдса определили величину вязкости, которой должна обладать жидкость в модели. Хотя условие подобия сил вязкости при выборе воды в качестве рабочей жидкости для модели соблюдено не было (вода имеет более высокую вязкость, чем этого требу ет у словие Ле^ёет). это не могло вызвать существенного нарушения подобия процесса разливки в модели в связи с автомодельностью процессов в известной области значений критерия Яе.
Саму модель кристаллизатора МНЛЗ изготовляют из оргстекла, что позволяет более удобно наблюдать за потоками жидкости в модели кристаллизатора.
Выводы:
1. Исследования гидродинамики непрерывной разливки является актуальной задачей, т.к. движение расплава в жидкой сердцевине заготовки влияет, в конечном счете, на качество непрсрывнолитой заготовки и. следовательно, конечного проду кта - проката.
2. Эффективным способом исследования гидродинамики разливки является метод гидравлического моделирования, который позволяет исследовать качественные и количественные параметры потока разливаемой стали.
3. Гидравлические исследования по у правлению потоками в кристаллизаторе МНЛЗ позволят находить пути управления процессом формирования качественной непрсрывнолитой заготовки.
NqI , 2005 г.
9
ЛИТЕР\ТУРА
1. Технология трубного производства: Учебник для ву зов/ В.Н. Данченко, А.П. Коликов. Б.А. Романцсв, С В. Самусев. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 640 с.
2. Тепловые процессы при непрерывном литье стали. Самойлович Ю.А.. Кру-левецкий С.А., Горяинов В.А., Кабаков З.К. - М.: Металлургия, 1982. - 152 с.
3. Астров Е.И., Тагунов Г.Е., Хрыкин И.Н., Чепарев P.M., Комаров Ю.И. Моделирование способов подвода металла в кристаллизатор УНРС// Непрерывная разливка стали. Тематический отраслевой сборник №2. - М.: Металлургия. 1974.-е. 105-110.
4. Лейтес А.В. Защита стали в процессе непрерывной разливки. - М.: Металлургия. 1984. - 200 с.
5. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. - М.: Металлургия, 1991. -216с.
6. Тепловые процессы при непрерывном литье стали. Самойлович Ю.А., Кру-лсвецкий С.А.. Горяинов В.А.. Кабаков З.К. - М : Металлургия, 1982. - 152 с.
7. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. - Гостехиздат. 1955.
8. Кутшн Л.Л. Поверхностные явления в металлах. - М.: Металлургиздат. 1955.
9. Иванцов Г.П. Приближенный способ расчета кристаллизации. Сборник «Теплотехника слитка и печей». - М.: Металлургиздат. 1953.
