CC BY
23
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Вып. № 8
1999г.
УДК 669:536
Демченко Ю.А.1, Остроушко А.В/
ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СТРУИ ЖИДКОЙ СТАЛИ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ПОДДОНА
Разработана методика расчета интенсивности теплообмена в области торможения струи разливаемой стали поверхностью поддона. Получены оценки пределов изменения коэффициентов теплоотдачи от струи к поверхности по ходу разливки крупного слитка (для 20-т слитка - 450 кВт/ (л/*К) в начале заполнения изложницы и 50 кВт/ (м2*К) в конце заполнения).
Разливка стали в слитки широко распространена на металлургических, предприятиях Украины, поэтому является актуальной задача повышение стойкости сменного оборудования -изложниц и поддонов. Однако лишь единичные работы посвящены исследованию механизма процессов, протекающих на границе раздела поверхности изложниц и особенно поддонов с жидкой сталью.
При разливке стали сверху в крупные слитки развитие дефектов поверхности изложниц и поддонов (сетки разгара, размыва кюмттельной части поддонов, привара и т.п.) в значительной степени определяется интенсивностью теплообмена оборудования с жидкой и затвердевающей сталью.
Хорошо известны условия теплообмена в зазоре между слитком и изложницей после формирования последнего (см. обзоры в [1. 2]), однако для условий на границе затвердевшей корки с жидкой сталью известны лишь довольно грз'бые оценки коэффициентов теплоотдачи (см., например, [3]).
Следовательно, количественная оценка интенсивности теплообмена в области соударения струи жидкой стали с поверхностью поддона представляет значительный интерес для выбора наиболее рационального способа его защиты.
Истекающая из ковша струя при взаимодействии со сталью, уже залитой в изложницу, тормозится, вовлекая в движение близлежащие слои металла (участок струи в воздухе можно рассматривать как свободное течение, а в слое металла - как затопленное).
Исследования картины течения при взаимодействии затопленной струи с преградой [4, 5] показали, что при набегании струи на преграду(поддон) ее кинетическая энергия в лобовой точке полностью переходит в потенциальную энергию давления (статическое давление или давление торможения). В критической точке (на пересечении оси струи с поверхностью поддона) скорость течения жидкости в струе равна нулю, а при увеличении расстояния от оси растет, достигая максимума, после чего вновь уменьшается за счет вязкого торможения.
Для оценки коэффициента теплоотдачи от ясидкой сталя к поверхности наибольший интерес представляет область ускоренного течения, т.к. в ней этот коэффициент максимален [4, 5]. На основании теории пограничного слоя в [4, 5] получены зависимоти коэффициентов теплоотдачи от скорости жидкости в струе, длины струи, расстояния от оси струи. В лобовой точке при относительной длине струи И < 6,2 (Ь = Л/б?р , Ь - длина струи, с!о - ее начальный диаметр, т.е. диаметр в течке входа свободной струи в стой металла на поддоне) [4, 5]:
(I)
а при И > 6,2
ПГТУ, инж.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, проф.
где Nu = а- d0//1 - критерий Нуссельта; Re0 = w-d0/v~ критерий Рейнольдса, Pr = vja-
критерий Прандтля; а - коэффициент теплоотдачи; w - скорость жидкости в точке перехода свободной струи в затопленную; X - теплопроводность жидкости (т.е. жидкой стали); v -кинематическая вязкость жидкости; а - ее коэффициент темп ературопроводности.
Скорость жидкости и диаметр струи в точке входа в слой жидкой стали на поддоне можно получить, используя уравнение неразрывности |6]
pw-S = const, (3)
и уравнение Бернулли [6]
p-w2/2 + p-g-h = const, (4)
где S - сечение потока; р - плотность жидкости; w - скорость потока в данном сечении; h -высота данного сечения над уровнем жидкой стали в изложнице.
Для расчета скорости истечения жидкости из ковша можно использовать уравнение [7J:
w = fi-j2-g-H , (5)
где w - скорость истечения; Н - уровень жидкости в ковше над срезом стакана; |д. -коэффициент расхода, который можно рассчитать, используя зависимость [7]:
¿и = 0,592 + 5,5/y]ReH ( при ReH>l*104), (6)
где Яея = (rf/vX/2- g Jt .
Расчет по уравнениям (1)-(6) для условий разливки стали в крупные слитки массой 20 т показал, что коэффициент теплоотдачи от жидкой стали к поверхности поддона в области торможения струи меняется от примерно 450 кВт/ (м2*К) в начале 'заполнения изложницы до 50 кВт/ (м2*К) в конце заполнения.
Полученная оценка коэффициента теплоотдачи в конце разливки, когда скорость затопленной струи не сильно отличается от средней скорости циркуляционных потоков в изложнице и интенсивность теплообмена у поверхности поддона приближается к интенсивности теплообмена у стенки изложницы, вполне согласуется с опубликованными в литературе экспериментальными данными. Например, для точки на оси широкой грани изложницы на расстоянии 1 м от основания слитка, максимальные значения коэффициента теплоотдачи составили 30-34 кВт/ (м2*К) [1].
Выводы
Разработана методика расчета коэффициента теплоотдачи от жидкой стали к твердой поверхности в области торможения падающей струи стали.
Перечень ссыпок
1. Китаее ЕМ. Затвердевание стальных спитков. - М.: Металлургия, 1982. - 250 с.
2. Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. - М.: Металлургия, 1976. - 552 с.
3. Манохин A.A. Получение однородной стали. - М.: Металлургия, 1978. - 223 с.
4. Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. - М.: Машиностроение, 1977. - 248 с,
5. Брдлик П.М., Савин В.К. Теплообмен в окрестности критической точки при осесимметричном струйном обтекании плоских поверхностей, рачположенных нормально к потоку //ИФЖ. - 1966. - № 10. - С. 423-428.
6. Теоретические основы теплотехники. - Т.2. - М :Энергоатомиздаг. - 1988. - 560 с.
7. Аржанников Г.С., Садекова Г.А. Аэродинамика больших скоростей. - М.: Высшая школа, 1965. - 226 с.
Демченко Юрий Алексеевич. Инженер, окончил Днепропетровский металлургический институт в 1983 г.. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии разливки стали и изготовления сменного сталеразливочного оборудования, закономерности тепло- и массообмена в затвердевающих слитках и отливках.
Остроушко Анатолий Викторович. Канд. техн. наук, профессор кафедры теории металлургических процессов, окончил Мариупольский металлургический институт в 1965 г. Основные направления научных исследований - совершенствование процессов выплавки и разливки стали, изучение закономерностей рафинирования, раскисления и легирования стали
