CC BY
28
The analysis of modern methods of diagnostics and service of metal-cutting machines is carried out. It is shown that, approach to the forecast as to system with delay, allows to increase significantly his accuracy, and opens prospects of transition to maintenance and repair of metal-cutting machines on the actual technical condition.
Key words: maintenance, technical condition, diagnostics of the metal-cutting equipment, metal-cutting machines, diagnostic signal.
Salnikov Vladimir Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, vsalni-kov.prof@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, er-zin79@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kovalyov Andrey Vladimirovich, postgraduate, a.w-91 amail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 669.18
ПРИБЛИЖЕННАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЖИДКОЙ СТРУИ ПРИ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ
А.И. Вальтер, А. Д. Желтов
Предложена гидродинамическая модель движения струи жидкой стали через стопорное устройство в зависимости от его геометрии и конфигурации с использованием пакета ЛЫ8У8.
Ключевые слова: жидкая сталь, стопорное устройство, гидродинамическая модель, кинематические параметры струи стали.
На струю жидкой стали оказывают влияние, главным образом, геометрические размеры стакана, форма его сечения и профиля, скорость истечения, физические свойства металла и торможение струи стопором.
Регулирование расхода при торможении струи стопором осуществляется за счет изменения коэффициента расхода сталеразливочного стакана т, зависящего в том числе от высоты подъема стопора, которая определяет отношение пропускного сечения под стопором к площади сечения канала стакана (рис. 1).
При относительно небольших подъемах стопора можно считать, что пропускное сечение под стопором пропорционально произведению диаметра окружности соприкосновения пробки со стаканом О0 на высоту подъема стопора Н. Площадь сечения канала стакана зависит от его диаметра &
Рис.1. Общий вид и схема сталеразлиеочного ковша: 1 - сливной носок: 2 - цапфа; 3 - пояс жесткости; 4 - стопор; 5 - корпус стального сосуда; 6 - огнеупорный кирпич
Следовательно, степень торможения струи зависит от высоты подъема стопора
Анализ наблюдаемых процессов, происходящих в струе при её истечении, показал, что математически эти процессы могут быть представлены в виде зависимости
где м? - скорость истечения струи из насадка; ¿/ - диаметр насадка; рж - плотность жидкости; Н^ - высота падения струи; Ше - критерий Ве-бера (определяющий отношение инерции жидкости к поверхностному натяжению); /у число Фруда (характеризует соотношение между силой инерции и внешней силой, в поле которого происходит движение).
Исследование основных особенностей гидродинамических процессов непосредственно на струе жидкой стали представляет собой значительные трудности, поэтому был использован метод приближенного гидравлического моделирования. При этом масштаб модели определялся из равенства критерия Вебера в образце и модели. В случае использования в качестве моделирующей жидкости дистиллированной воды или водных растворов поверхностно активных веществ (ПАВ) масштаб модели получается в пределах 0,33 - 0,72 в зависимости от величины поверхностного натяжения моделирующей жидкости и стали. В этих условиях значения критерия подобия течения вязкой жидкости (число Рейнольдса) в образце и модели находятся в автомодельной области и его влиянием можно пренебречь.
Для ряда расчетов, связанных с разливкой стали, важным является значение скорости струи жидкой стали при известной высоте ее падения. При падении струи происходит снижение ее скорости в результате трения
(1)
о воздух. Развитие волн на поверхности струи увеличивает потери скорости. В результате ряда преобразований уравнения Бернулли для участка струи можно получить значение скорости струи в данной точке:
где а) - коэффициент торможения струи о воздух; в - коэффициент скорости; Н0 - гидростатический напор в ковше; Щ - высота падения струи.
Экспериментальное определение коэффициента торможения производилось на гидравлической модели с помощью трубки Пито. Обработка полученных данных методом множественной корреляции дала следующую зависимость для коэффициента торможения:
Сопоставление скоростей струи, рассчитанных по формулам (2), (3) и определенных на гидравлической модели (рис. 2), дало относительно небольшие расхождения.
Поведение жидкой струи, движущейся в воздушно-газовой среде, обусловливается многими факторами. При малых относительных скоростях движения распад струи происходит, главным образом, под действием сил поверхностного натяжения. На наружной поверхности струи жидкости, вытекающей из отверстия, появляются возмущения. Их возникновение объясняется влиянием формы входной и выходной кромок отверстия, их эллиптичности, шероховатостью стенок, первоначальным сжатием жидкости и расширением ее на выходе, турбулентностью движения, дросселированием струи при движении и др.
В результате этого при относительно малых скоростях жидкости на струе развиваются, главным образом, осесимметричные возмущения с относительно большой длиной волны, приводящие в дальнейшем к разрыву струи на крупные части. С увеличением скорости струя начинает испытывать волнообразные колебания. Граница между двумя этими формами распада при нормальном атмосферном давлении лежит в области скоростей струи 19...25 м/с.
Расчеты показывают, что при разливке стали даже из ковшей большой емкости скорость струи не превышает 13... 15 м/с. Таким образом, при разливке стали должен происходить распад струи под действием осесим-метричных возмущений, что подтверждается экспериментальными данными [1].
Используя зависимость увеличения возмущений на поверхности струи высотой Н над невозмущенной поверхностью,
где е0 - начальное возмущение; ? - время действия возмущения; q - экспоненциальный рост амплитуды колебаний в струе.
(2)
(3)
е = е0ехр ((/О,
(4)
Рис. 2. Изменение скоростных параметров истечения струи жидкой стали
Анализ полученных результатов показывает, что струя должна раздробиться на отрезки длиной R0~4,5d, где d - диаметр насадка. Таким образом, наличие на струе возмущений с длиной волны, приблизительно равной A,5d, будет приводить к наиболее быстрому росту этих возмущений и разрыву струи на отдельные части. Возмущения с меньшей длиной волны будут приводить к отрыву от струи отдельных капель.
Для установления причин начальных возмущений было проведено гидравлическое моделирование процесса распада струй с помощью конечно-элементной сетки с использованием программного пакета ANS YS. Струи моделирующей жидкости, вытекают из отверстия, представляющего модель стакана. При равенстве критериев We на образце и модели значения q для моделирующей жидкости и стали были близки одно к другому.
Обработка результатов экспериментов для стаканов с цилиндрическим каналом показала, что связь величины начальных возмущений с параметрами струи может быть выражена уравнением [2]
0,015F°'1E\„e
w-o,2S А/
1+А
Ro
0,11-0,бА/1+А+1,14(А/ 1+А)" ^
Из этого уравнения видно, что наибольшее влияние на величину начальных возмущений оказывает торможение струи стопором. Анализ уравнения показывает, что начальные возмущения имеют максимум при
значении ^Д ^ ~ 0,35, что примерно соответствует равенству площади проходного сечения под стопором и площади канала стакана. Величину
Д
торможения при высоте подъема стопора - + А ~ 0,35 можно считать критической.
Рис. 3. Визуализация схемы течения жидкости при моделировании
с помощью пакета ANSYS: а - конечно-элементная сетка; б - движения струи моделируемой жидкости
По мере подъема стопора величина начальных возмущений возрастает и, достигнув максимума, начинает уменьшаться. При больших подъемах стопора величина начальных возмущений определяется характером стакана и инерционными силами.
Снижение начальных возмущений при опускании стопора может быть объяснено, во-первых, тем, что не весь канал стакана заполнен жидкостью и, во-вторых, более значительным влиянием гравитационных сил при снижении скорости истечения. На появление возмущений для жидкой стали влияет также искажение поверхности канала стакана в результате эрозии.
Образование мелких капель вокруг струи связано с отрывом капель от поверхности струи и дроблением более крупных кусков жидкости на мелкие. Известно также, что с увеличением первоначального диаметра капли скорость, при которой начинается ее дробление, уменьшается.
С увеличением диаметра струи количество капель, образующихся вокруг струи, возрастает. Одной из причин дробления струи на капли являются физико-химические процессы, происходящие в струе, в частности окисление примесей стали. При истечении стали через стакан с цилиндрическим каналом в нем образуется разрежение. При входе стали в цилиндрическую часть канала происходит резкое снижение давления.
Равновесие реакции окисления углерода зависит от давления выделения пузырей окиси углерода. Следовательно, при снижении давления выделения пузырей может происходить самораскисление стали углеродом. Образующиеся пузыри окиси углерода будут дополнительно содействовать дроблению струи на капли. Анализ показывает, что только в кипящих сталях при содержании кислорода в металле, обеспечивающем давление
121
выделения пузыейя окиси углерода, может происходить самораскисление стали углеродом. Образующиеся пузыри окиси углерода будут дополнительно содействовать дроблению струи на капли.
Наряду с этим из-за больших скоростей движения металла в струе могут иметь место случаи локального переокисления металла отдельных участков струи, что может приводить к образованию пузырей окиси углерода в самой струе.
В процессе разливки также происходит окисление металла за счет инжектирования струей металла окружающей атмосферы внутрь жидкости, хотя основное количество кислорода при вторичном окислении поступает в металл за счет непосредственного окисления кислородом воздуха струи, зеркала металла и отрывающихся от струи капель.
Следовательно, для снижения вторичного окисления основное внимание должно быть уделено защите струи и зеркала металла от соприкосновения с кислородом окружающей атмосферы
Список литературы
1. Бигеев А.М. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1987. 354 с.
2. Теоретические основы сталеплавильных процессов / Р.С. Айзату-лов [и др.]. М.: МИСИС, 2002. 320 с.
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.alekaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Желтов Антон Дмитриевич, студент, valter.alek aramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE APPROXIMA TE HYDRODYNAMIC MODEL OF FL UID JETS IN THE CASE OF
CASTING OF STEEL
A.I. Walter, A.D. Jeltov
The hydrodynamic model for the motion of the jet of liquid steel through the retaining device, depending on its geometry and configuration, using ANSYSpackage, is proposed.
Key words: liquid steel, retainer, hydrodynamic model, the kinematic parameters of the jet began.
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, valter. alek@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Jeltov Anton Dmitrievich, student, valter. alek@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
