CC BY
17
УДК 621. 74
КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВКИ по МОДЕЛИРОВАНИЮ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКОВ МЕТАЛЛА В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ МНЛЗ
А.Г. Романенко, Д.С. Епифанов, П.О. Быков
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
МНЛЗ кристаллизаторында металл агыныныц козгалысын моделдеуп бойынша цондыргы конструкциясы сипатталган.
Описана конструкция установки по моделированию движенияпотоков металла в кристаллизаторе МНЛЗ.
A construction of a unit for modeling the movement of metal flows in a plant crystallizer has been described.
Качество непрерывнолитых заготовок во многом определяется структурой слитка, на которую решающее влияние оказывает скорость затвердевания заготовки. В свою очередь, на скорость затвердевания оказывает влияние движение расплава в незатвердевшей части заготовки. На характер этих потоков влияет истечение струи металла из промежуточного ковша МНЛЗ, организация потоков металла в обьеме самого промежуточного ковша, внешние воздействия на процесс кристаллизации и т.д [1].
Распределение скоростных потоков в отливаемой заготовке определяет формирование оболочки, условия удаления неметаллических включений из жидкой сердцевины и процессы взаимодействия жидкого металла с окружающей атмосферой. Превышение скорости потоков металла в кристаллизаторе выше определенного предела может привести к размыванию твердой оболочки слитка и вызывать образование ряда дефектов (например, горячих трещин).
по
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
Незатвердевшую часть заготовки разделяют на три зоны из которых заметное движение расплава происходит в двух из них [2]:
- в верхней зоне происходит интенсивная циркуляция, обусловленная 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, недоступной глазу в естественных условиях и удобством измерения параметров потока.
Данный метод широко используется для исследования и оптимиза ции процессов движения расплава в промежуточных ковшах и кристал лизаторахМНЛЗ [1,2, 3, 4, 5].
Для моделирования изготавливают модель кристаллизатора и зонь вторичного охлаждения МНЛЗ.
Для получения в модели движения жидкости, подобного движеник расплавленной стали в слитке, следует соблюсти равенства в модели I образце критериев Рейнольдса
(1)
V
обеспечивающего подобие сил вязкости и инерции, Фруда
обеспечивающего подобие сил тяжести и инерции,
и Вебера
(3)
е
обеспечивающего подобие сил тяжести и поверхностного натяжения, где (»-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.
Таким образом, для моделирования процесса непрерывной разливки заготовки сечением 125X125 мм и скоростью вытягивания слитка 2,5 м/ мин (согласно производственной практике сталелитейного завода ТОО «Кастинг», г. Павлодар) на воде из условия равенства критериев Вебера, масштаб модели М равен
где £' и е - коэффициенты поверхностного натяжения соответственно воды и расплавленной стали;
г' и г - соответствующие удельные веса.
Физические параметры расплавленной стали приняли по литературным данным [6, 7, 8, 9].
Из условия равенства критериев Фруда величина скорости и расхода жидкости в модели равна
112
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
5
& со< Г (0\Г)г (V
= М~2 (6)
е со! о)12 и) и
отсюда расход воды около 10892 см3/мин.
Из условия равенства критериев Рейнольдса определяется величина вязкости, которой должна обладать жидкость в модели. Условие подобия сил вязкости при выборе воды в качестве рабочей жидкости для модели не соблюдается (вода имеет более высокую вязкость, чем этого требует условие Яе^ет). Однако это не вызывает 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. Размер модели слитка в верхней части соответствовали сечению кристаллизатора, а в нижней частиих пропорционально уменьшают на толщину корочки, которую определили из средней скорости вытягивания слитка 2,5 м/мин.
Общая схема установки для моделирования непрерывной разливки изображена на рисунке 1. Установка состоит из кристаллизатора 1, разливочного сопла 2, резервуара с красителем 3, ротаметра 4, мерного бака 5. Измерение параметров потока возможно визуальным методом с использованием локального подкрашивания, непосредственным измерением скоростей с использованием напорных трубок [10].
Для моделирования движения потоков во вторичной зоне охлаждения МНЛЗ используют установку представляющую собой участок незат-вердевшего металла, т.е. «лунку», которую изготовляют из оргстекла, окруженную водяной рубашкой.
Рис. 1
Выводы:
!. Эффективным способом исследования гидродинамики разливки является метод гидравлического моделирования, который позволяет исследовать качественные и количественные параметры потока разливаемой стали;
2. Используя данную экспериментальную установку возможно установить количественные параметры потоков при различных методах внешнего воздействия на процесс непрерывной разливки и зная влияние этих параметров на скорость затвердевания можно регулировать требуемые параметры структуры непрерывнолитого слитка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. Скворцов A.A., Акименко А.Д., Ульянов В.А. - М.: Металлургия, 1991 -216 с.
2. Тепловые процессы при непрерывном лтъе стали. Самойлович ЮА, Крулевецкий CA, Горяинов В. А, Кабаков З.К. -М.: Металлургия, 1982. -152 с.
3. Астров Е.И., Тагунов Г.Е., Хрыкин И.Н., ЧепаревP.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 A.B. Защита стали в процессе непрерывной разливки. - М.: Металлургия, 1984. - 200 с.
5. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. Скворцов A.A., Акименко А.Д., Ульянов В.А. - М.: Металлургия, 1991.-216 с.
6. Тепловые процессы при непрерывном литье стали. Самойлович ЮА, Крулевецкий CA, Горяинов В А, Кабашв З.К. -М: Металлургия, 1982. -152 с.
7. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. - Гостехиздат, 1955.
8. Кунин Л.Л. Поверхностные явления в металлах. - М.: Метал-лургиздат, 1955.
9. Иванцов Г.П. Приближенный способ расчета кристаллизации. Сборник «Теплотехника слитка и печей». - М. . Металлургиздат, 1953.
10. Экспериментальные методы определения гидродинамических параметров при течении жидких металлов/ Гребенюк В.П., Ефимов В.А., Акименко А Д. и др. - Киев.: ИПЛ АН УССР, 1975. - 39 с.
