CC BY
71
Серiя: Техшчш науки
Ф1ЗИЧНА Х1М1Я ТА ТЕОРЯ МЕТАЛ УРГ1ЙНИХ ПРОЦЕС1В
УДК 621.189:669.046.581.4
Епишев М.В.1, Мирошниченко И.В.2
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ШЛАКОВ ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ
Рассмотрен метод определения теплофизических свойств шлаков для непрерывной разливки стали, заключающийся в погружении водоохлаждаемого медного патрубка в расплав шлака и фиксировании разности температур входящей и выходящей воды.
Ключевые слова: теплопроводность, шлак кристаллизатора, затвердевание, непрерывная разливка стали, кристаллизатор.
Стшев М.В., Мiрошниченко 1.В. Метод визначення теплофiзичних властиво-стей шлатв для безперервного розливання стали Розглянуто метод визначення теплоф1зичних властивостей шлатв для безперервного розливання стал1, що поля-гае в занурент водоохолоджуваного м1дного патрубка в розплав шлаку i фтсацп р1знищ температур вхiдноi та вихiдноi води.
Ключовi слова: теплопроводтсть, шлак для кристалiзатора, твердтня, безпере-рвне розливання сталi.
M. V. Epishev, I. V. Miroshnichenko. The method of determination of slags thermal properties for continuous casting of steel. Investigated was the method of determination of slags properties for continuous casting of steel. This method is based on immersion of water-cooling copper pipe into slag melt and subsequent registering difference between the temperature of incoming and outgoing cooling water.
Key words: heat conductivity, mold flux, solidification, steel continuous casting.
Постановка проблемы. Как известно [1], при непрырывном литье заготовок качество конечного продукта, особенно качество его поверхности, во многом зависит от условий теплопередачи в кристаллизторе. Этот процесс протекает в несколько стадий :
• передача тепла конвекцией от жидкой стали к затвердевающей корочке слитка;
• передача теплопроводностью через корочку слитка;
• передача теплопроводностью и излучением через слой шлака, которая делиться на передачу через слой жидкого, стекловидного и кристаллического шлака;
• передачу тепла преимущественно излучением через воздушный зазор;
• передача теплопроводностью через медную стенку кристаллизатора;
• передача конвекцией от стенки кристаллизатора к охлаждающей воде.
Таким образом, тепловой поток от слитка к кристаллизатору является определяющим параметром скорости роста корочки слитка.
Механизм затвердевания корочки слитка определяется химическим составом стали и для различных марок он явно отличается [2]. Поэтому создание соответствующих условий теплопередачи в кристаллизаторе является одной из важнейших задач всего процесса непрерывной разливки стали: величина теплового потока от слитка к кристаллизатору должна быть достаточной для обеспечения необходимой скорости затвердевания слитка, исключая при этом такие негативные явления, как растрескивание корочки слитка, являющееся результатам слишком быстрого охлаждения. Повлиять на величину теплового потока в верхней части кристаллизато-
1 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2
студент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки
ра (применисковая зона) можно, используя различные шлакообразующие смеси с заранее известными теплофизическими свойствами. Поэтому исследование теплофизических свойств ШОС является совершенно необходимым на этапе разработки их составов и перспективным с точки зрения повышения качества поверхности непрерывнолитых заготовок.
Анализ последних исследований и публикаций. Для оптимизации в соответствии с условиями разливки теплового потока в верхней части кристаллизатора необходимо обладать информацией о теплофизических свойствах используемых шлакообразующих смесей и шлаков, из них образующихся. Различными исследователями предлагается большое количество разнообразных методик определения этих свойств. Так, авторы работы [3] смоделировали зазор между слитком и кристаллизатором, погружая охлажденный медный блок в слой расплавленного шлака, который располагался на стальной пластине, нагреваемой электрическим током. Теплопередачу через слой шлака измеряли тремя термопарами (две в медном кристаллизаторе и одна в стальной пластине). Данные были получены для нескольких веществ и трех промышленных ШОС. В работе [4] удельная теплопроводность ШОС и полученных из них образцов шлака была определена методом лазерного импульса, в котором импульс лазерного луча направляют на одну сторону образца, и непрерывно регистрируют изменение температуры противоположной стороны. Удельную теплопроводность получали из температуропроводности, плотности и удельной теплоемкости, величины которых берут из предыдущих исследований. Авторы работы [5] использовали метод "медного патрубка" для измерения теплофизических свойств толстых пленок шлака. В этом методе охлажденный медный цилиндр погружали в ванну расплавленного шлака и измеряли температуры шлака и меди. Для получения значений эффективной теплопроводности использовали переходную модель. В работе [6] использовали метод горячей ленты для измерения удельной теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости ШОС.
Как видно из приведенного краткого литературного обзора, наиболее простой, информативной и распространенной методикой определения таких теплофизических свойств шлаков, как теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость, является метод погружения водоохлаждаемого патрубка.
Цель статьи - показать возможность разработки и реализации в условиях отечественной исследовательской лаборатории метода погружения водоохлаждаемого патрубка в шлаковый расплав для определения теплофизических свойств шлаков.
Изложение основного материала. Метод погружения в расплав шлака водоохлаждаемого стального (либо медного) патрубка состоит в следующем.
Водоохлаждаемый патрубок (рис. 1) представляет собой запаянную конструкцию типа труба в трубе длиной 400 мм. По внутренней трубе (диаметр 8 мм) вода поступает в патрубок, а по наружной (диаметр 14 мм) - выходит из него. По разности температур входящей и выходящей воды определяют теплофизические свойства шлака. На рис. 2 представлено схематическое изображение экспериментальной установки.
При достижении некоторой фиксированной температуры (например, 1450 °С) патрубок 1 погружают в расплав шлака 2, находящийся в тигле в нагревательной печи 3. Разность температур входящей и выходящей воды и температуру в печи регистрируют термопарами 4 и 5, а расход воды - расходомером 6. С помощью аналого-цифрового преобразователя 7 сигналы от термопар и расходомера преобразуют в цифровой код и передают в компьютер.
При погружении в расплав шлака на поверхности погруженной части патрубка формируется слой намороженного шлака наподобие шлакового гарнисажа на кристаллизаторе при непрерывной разливке стали. При этом через слой шлака проходит поток мощности
О Т - Т
Ъс _ 1 ж.шл 1 в
F ^шл.тв. , ^ст , г> , 1
1- 1- + _
1шл.тв. 1ст ^в
(1)
где Т и Т - температура жидкого шлака и воды в погруженной в шлак зоне патрубка, соответственно, К;
^иа те и <Зст - толщина слоя намороженного шлака и стальной трубки, соответственно, м;
Сер^я: Техшчш науки
Хшлтв и Хст - теплопроводность твердого шлака и стали, соответственно, Вт/(м-К);
Яш - коэффициент межфазного термического сопротивления на границе "кристаллизатор/
шлаковый гарнисаж", (м2-К)/В;
ав - коэффициент теплоотдачи от стенки патрубка к охлаждающей воде (определяют по критериальным зависимостям), Вт/(м2-К).
Рис. 1 - Схематическое Рис. 2 - Схематическое изображение метода определения те-
и3ображение водоохлаж- плофизических характеристик шлаков: 1 - стальной водоох-
даемого патрубка лаждаемый патрубок; 2 - тигель с расплавом шлака; 3 - печь
Таммана; 4 и 5 - термопары; 6 - расходомер воды; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - связь с компьютером
Поток мощности, получаемый охлаждающей водой
е = с -Ш(АГшл +ЛТ_ ) , (2)
F F
погруж
где С - теплоемкость воды Дж/(кг-К); АМ - расход воды, кг/с;
АТшл - разность температур воды на входе и на выходе, обусловленная теплопередачей через слой шлака, К; А Т - поправочная температура, К;
холост
F - площадь поверхности стальной трубки , погруженной в расплав, м2.
погруж
В соответствии с законом сохранения энергии приравниваем приходящие (1) и исходящие (2) теплоты и выражаем Хшл тв :
^шл.тв = dшЛ.тв;
(Т - Т ) - F d 1
" шл.ж в/ погруж ист п 1
С -АМ (АТшл ^АТХолост ) " _ ^ - «в
(3)
На основе выражения (3) программным обеспечением производится расчет теплопроводности намороженного шлака. Как видно, для расчета Хшлте необходимо знать , ав и АТхолост.
По данным работы [7] коэффициент межфазного термического сопротивления на границе "кристаллизатор/шлаковый гарнисаж" для ШОС, предназначенных для разливки среднеуглероди-стых сталей, составляет (10.. .12)-10-4 (м2-К/Вт), а для ШОС, предназначенных для разливки
Серiя: TexHÏ4HÏ науки
низкоуглеродистых сталей - (5.. ,8)-10-4 (м2-К/Вт).
Поправочная температура АТхолост представляет собой температуру, до которой нагревается вода при прохождении через патрубок, введенный в пустой тигель, размещенный в разогретую до определенной температуры печь. Печь Таммана включают на необходимую мощность, при которой будет проводиться эксперимент, и после прогрева печи и установления стационарной температуры в печном пространстве водоохлаждаемый патрубок опускается в печь с пустым тиглем до уровня, на котором впоследствии будет находиться расплавленный шлак. Температура входящей и выходящей воды фиксируется термопарами, расход воды - водомет-ром. Таким образом, учитывается все то количество теплоты, которое получит охлаждающая вода не через слой шлака, а за счет излучения и газовой конвекции.
В следующей, основной части эксперимента, в печь помещают графитовый тигель с определенным количеством исследуемой ШОС и начинают нагрев. Температура ШОС определяется с помощью введенной в тигель термопары. После расплавления ШОС (определяется визуально) в тигель опускают водохлаждаемый патрубок и фиксируют изменение температуры воды. Эксперимент продолжают до достижения стационарных условий. Затем патрубок извлекают и производят замер толщины намороженного шлака. После этого, имея все неодходимые данные, производят расчет по вышеприведенным уравнениям.
Для более ясного представления влияния структуры и состава шлака на его теплофизиче-ские свойства, а также процессы фазообразования при быстром затвердевании шлака из расплава и его дальнейшем отжиге можно исследовать химический и фазовый состав намороженного шлака.
Таким образом, в целом данный метод позволяет определить теплопроводность твердого шлака, а в сочетании с аналитическими методами более яснее понять влияние состава и структуры шлака на его теплофизические свойства.
Выводы
1. Метод погружения водоохлаждаемого патрубка в расплав шлака позволяет имитировать условия теплопередачи в кристаллизаторе МНЛЗ, а также температурное поле, в котором находится шлаковый гарнисаж в зазоре между корочкой непрерывнолитого слитка и кристаллизатором.
2. В сочетании с методами химического и фазового анализа данный метод позволит получить более ясное представление о влиянии состава и структуры шлака на его теплофизические свойства.
3. Реализованный метод может быть использован при разработке новых и корректировке существующих составов ШОС для непрерывной разливки стали в комплексе с вискозимет-рическими данными и данными по интервалу плавления.
Список использованных источников:
1. Heat Transfer between Mold and Strand through Mold Flux Film in Continuous Casting of Steel / A.Yamauchi, K.Sorimachi, T.Sacuraya, T.Fujii // ISIJ International.-1993.-Vol.33.-№ 1.-P.140-147.
2. Mazumdar S. Solidification control in continuous casting of steel / S. Mazumdar, S.K. Ray // Sadhana.- Vol. 26.- Parts 1 & 2.- February-April.- 2001.- P. 179-198.
3. Ohmiya S. Heat Transfer through layers of casting fluxes / S. Ohmiya, K.H. Tacke, K.Schwerdtfeger // Ironmaking and Steelmaking.- 1983.- vol. 10.-№ 1.- Р. 24-30.
4. Thermal properties of slag films taken from continuous casting mould / M. Susa, K.C. Mills, M.J. Richardson at al. // Ironmaking and Steelmaking.- 1994.- vol. 21.-№ 4.-Р. 279-286.
5. Mikrovas A.C. Heat transfer characteristics of molten slags / A.C. Mikrovas, S.A. Argyropoulos, I D. Sommerville // Ironmaking and Steelmaking.- 1991.- Vol. 18.- № 3.- Р. 169- 181.
6. Susa M. Thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat of slags containing iron oxides / M. Susa, F. Li Nagata // Ironmaking and Steelmaking.- 1993.- Vol. 20.-№ 3.-Р. 201-206.
7. Thermal Resistance at the Interface between Mold Flux Film and Mold for Continuous Casting of Steels / J.Cho, H.Shibata, T.Emi, M.Suzuki // ISIJ International.- 1998.- Vol. 38.- №. 5.- Р. 440-446.
Рецензент: С.Л. Макуров
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 01.12.2010
