Введение к работе
Актуальность работы. Во всем мире особое место уделяют совершенствованию процесса непрерывной разливки и увеличению количества стали, производимой на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Организация охлаждения слитка в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения (ЗВО) МНЛЗ влияет на затвердевание слитка и на производительность МНЛЗ. Процесс затвердевания слитка в настоящее время рассчитывается численно на основе квазиравновесной модели затвердевания, однако в этой модели нужно корректно задавать условия теплообмена на поверхности слитка в кристаллизаторе и ЗВО, и учитывать конвективный теплообмен в жидком ядре слитка.
При разливке слитков квадратного сечения 100100 на сортовой МНЛЗ ЧерМК ОАО «Северсталь» скорость вытягивания заготовки достигает 6,5 м/мин и даже выше. При таких скоростях экспериментальные исследования теплообмена слитка с кристаллизатором практически не проводились. Отсутствуют зависимости, определяющие теплообмен заготовки с рабочей стенкой кристаллизатора во все моменты пребывания слитка в кристаллизаторе.
В ЗВО сортовой МНЛЗ установлены водяные форсунки и удельный расход воды на поверхность слитка в первой зоне после кристаллизатора достигает 85 м3/(м2ч) и выше. При таких удельных расходах теплоотдача при форсуночном водяном охлаждении в промышленных условиях не исследовалась. Отсутствуют зависимости, позволяющие определять теплоотдачу в зависимости от удельного расхода воды в условиях сортовой МНЛЗ.
В связи с отсутствием зависимостей, отражающих теплообмен на поверхности слитка в кристаллизаторе и ЗВО сортовой МНЛЗ, не представляется возможным точный расчет процесса затвердевания слитка, в частности, нельзя рассчитать глубину жидкой фазы слитка при различных скоростях разливки.
Вопросы, связанные с охлаждением и затвердеванием слитка при непрерывной разливке стали, рассмотрены в трудах А.Д. Акименко, Д.П. Евтеева, Е.М. Китаева, В.М. Нисковских, В.И. Дождикова, В.А. Емельянова, В.М. Паршина, В.С. Рутеса, М.Я. Бровмана, М.С. Бойченко, А.В. Третьякова, Ю.А. Самойловича, Н.И. Шестакова, Л.С. Рудого, Б.И. Краснова, В.А. Карлика, Д.А. Дюдкина, О.В. Носоченко, А.А. Целикова, Г.П. Иванцова, А.И. Вейника, В.А. Ефимова, Р.Т. Сладкоштеева, Б.Т. Борисова, В.А. Журавлева, А.И. Цаплина, З.К. Кабакова, А.И. Манохина Л.Н. Сорокина, В.И. Лебедева, А.Н. Шичкова, А.Л. Кузьминова, Ю.А. Калягина, Н.В., Н.В. Телина и др.
Несмотря на большое количество проведенных исследований и сделанных на их основе разработок, процессы теплообмена в сортовых МНЛЗ, где применяются высокие скорости разливки и большие удельные расходы воды, в настоящее время практически не исследованы, что сдерживает развитие и совершенствование технологии непрерывной разливки.
Цель работы – исследование процессов теплообмена на поверхности затвердевающего слитка в кристаллизаторе и ЗВО сортовой МНЛЗ с целью контроля процесса затвердевания слитка в МНЛЗ.
Методы исследования. Работа выполнялась на основе численных и экспериментальных методов. С применением численных методов исследовалось затвердевание слитка в МНЛЗ; экспериментальными методами исследовались теплообмен слитка с кристаллизатором и теплоотдача в ЗВО криволинейной сортовой МНЛЗ.
Научная новизна работы.
1. Установлена зависимость плотности теплового потока от слитка к кристаллизатору сортовой МНЛЗ во все моменты времени пребывания слитка в кристаллизаторе.
2. Разработана методика определения эффективного коэффициента теплопроводности в жидком ядре слитка квадратного сечения.
3. Разработана методика исследования теплоотдачи на поверхности слитка в ЗВО сортовой МНЛЗ, основанная на измерении температуры поверхности слитка и математическом моделировании процесса затвердевания слитка.
4. Разработана методика исследования теплообмена в ЗВО сортовой МНЛЗ на основе исследования теплового баланса отдельных секций ЗВО и математическом моделировании процесса затвердевания слитка.
5. Установлена зависимость коэффициента теплоотдачи от удельного расхода воды в ЗВО сортовой МНЛЗ.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. На основе полученных зависимостей, определяющих теплообмен в кристаллизаторе и ЗВО сортовой МНЛЗ, произведен расчет процесса затвердевания слитка при различных скоростях разливки, в частности, получена зависимость глубины жидкой фазы от скорости разливки.
2. На основе полученных зависимостей коэффициента теплоотдачи от удельного расхода воды разработаны рекомендации по совершенствованию системы охлаждения слитка в ЗВО сортовой МНЛЗ.
3. Разработана программа расчета затвердевания слитка квадратного сечения в сортовой МНЛЗ, позволяющая контролировать процесс затвердевания заготовки при текущих технологических параметрах разливки, которая может быть рекомендована для внедрения в АСУ ТП МНЛЗ.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы организациями, занимающимися проектированием и разработкой технологических режимов непрерывной разливки стали и модернизацией оборудования МНЛЗ, а также могут быть рекомендованы к внедрению в электросталеплавильном цехе ОАО «Северсталь» при совершенствовании системы охлаждения слитка в ЗВО сортовой МНЛЗ.
Апробация работы. Основные разделы работы докладывались на кафедрах «Машины и агрегаты металлургического производства» и «Промышленной теплоэнергетики» Череповецкого государственного университета, на 5-й Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2006), на VIII межвузовской конференции молодых ученых (ЧГУ, Череповец, 2007).
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 7 работах (из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 132 страниц машинописного текста, включает в себя 46 рисунка, 5 таблиц, список литературы, состоящий из 140 наименований.
