Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние электромагнитного перемешивания жидкой стали в машинах непрерывного литья заготовок 7
1.1. Влияние электромагнитного перемешивания жидкой стали на процесс затвердевания непрерывнолитой заготовки 7
1.2. Конструкции электромагнитных перемешивающих устройств, применяемых на МНЛЗ 15
1.3. Оборудование системы управления процессом ЭМП жидкой стали непрерывнолитых заготовок 26
Выводы по главе 1 30
Глава 2. Физическое моделирование процесса электромагнитного перемешивания жидкой стали 33
2.1. Конструкция установки для физического моделирования магнитогидродинамических процессов в кристаллизаторе 34
2.2. Методы измерения параметров ЭМП на жикометаллической модели 39
2.3.Исследование процесса ЭМП на жидкометаллической модели 44
Выводы по главе 2 70
Глава 3. Теоретическое исследование поля скоростей в турбулентном потоке и оптимизация процесса электромагнитного перемешивания жидкой стали 72
3.1. Разработка математической модели электромагнитного процесса ЭМП жидкой фазы при непрерывном литье стальных заготовок 72
3.2. Разработка теории расчета поля скоростей в турбулентном потоке жидкого металла при ЭМП 94
3.3. Инженерная методика расчета электротехнических параметров статора и максимальной скорости в потоке при ЭМП 111
3.4. Оптимизация процесса ЭМП жидкого металла в сортовых МНЛЗ 120
Выводы по главе 3 127
Глава 4. Разработка конструкции электромагнитных перемешивателеи жидкой стали в сортовых машинах непрерывного литья заготовок 130
4.1. Рациональная конструкция электромагнитных перемешивателеи в сортовых МНЛЗ 130
4.2. Комплекс оборудования ЭМП в сортовых МНЛЗ 143
4.3. Качество непрерывно-литых заготовок с ЭМП в кристаллизаторах 6-ти ручьевой сортовой МНЛЗ 151
Выводы по главе 4 153
Общие выводы и результаты 155
Литература 158
- Конструкции электромагнитных перемешивающих устройств, применяемых на МНЛЗ
- Методы измерения параметров ЭМП на жикометаллической модели
- Разработка теории расчета поля скоростей в турбулентном потоке жидкого металла при ЭМП
- Комплекс оборудования ЭМП в сортовых МНЛЗ
Введение к работе
Современное состояние металлургии в России характеризуется
интенсивным вхождением в мировой рынок. При этом обостряется
актуальная потребность и необходимость обеспечения
конкурентоспособности отечественной продукции. В этом формате времени мировой экономики при использовании современной технологии получения непрерывно литой заготовки требования к повышению ее качества при расширении сортамента разливаемых марок сталей и повышении производительности машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) становятся естественно неотъемлемой частью этой прогрессивной технологии.
Качество непрерывно литых заготовок зависит от всех применяемых технологических параметров литья, конструктивных параметров оборудования и т. д. Однако есть дефекты макроструктуры непрерывно литых заготовок, связанные с процессом кристаллизации, усадочными и ликвационными процессами, которые не могут быть устранены даже при рациональных применяемых конструктивных и технологических параметрах оборудования и соответственно литья.
Возможность предотвращения образования или подавления
развития кристаллизационных, усадочных и ликвационных дефектов
многие инженеры и металлурги - исследователи связывают с созданием
управляемого принудительного движения жидкой фазы
кристаллизующегося слитка, в частности, с помощью электромагнитных сил. В мировой практике в настоящее время электромагнитное перемешивание (ЭМП) является неотъемлемой частью применяемой прогрессивной технологии получения высококачественных непрерывно литых заготовок. В зависимости от требований, предъявляемых к качеству литых заготовок, перемешивающие устройства устанавливают в кристаллизаторе, зоне вторичного охлаждения и зоне окончания затвердевания.
5 Наибольшее влияние на формирование кристаллизующейся на
МНЛЗ заготовки оказывает электромагнитное перемешивание в
кристаллизаторе. Устройство ЭМП в кристаллизаторе применяется для
удаления шлаковых включений и газовых пузырей на поверхности
заготовки, уменьшения неметаллических включений и раковин по всему
сечению заготовки, уменьшения зоны столбчатых кристаллов,
уменьшения внутренних трещин, центральной пористости и осевой
ликвации.
Процесс электромагнитного перемешивания является результатом
взаимодействия электродинамических, магнитогидродинамических и
металлургических факторов. Расчет этого многофункционального
процесса чрезвычайно сложен. Его описание возможно с
использованием вычислительного микропроцессорного комплекса,
например, «ANSYS», путем построения и реализации математической
модели процессов в жидкой сердцевине заготовки при ЭМП на МНЛЗ,
основанной на совместном решении уравнений Максвелла, Навье -
Стокса и теплопроводности.
Показателем интенсивности процесса электромагнитного
перемешивания жидкого ядра непрерывно литой заготовки в мировой
практике принято считать достигаемое максимальное значение линейной
скорости (Vmax) жидкого металла в потоке пределах 0,3 которую должно развивать устройство ЭМП для улучшения качества непрерывнолитых заготовок. Поскольку практически неосуществимы натурные исследования, связанные с непосредственным измерением поля скоростей в потоке жидкой фазы кристаллизующегося слитка, так как отсутствуют в настоящее время в мировой практике такие датчики, то естественно это обстоятельство приводит к математическому и жидкометаллическому моделированию процесса ЭМП для создания методики расчетов поля скоростей в турбулентном потоке жидкого металла и параметров устройств ЭМП. С непосредственным участием автора диссертации в 1985... 1990 годах во ВНИИМЕТМАШ были проведены работы по натурному моделированию промышленных устройств ЭМП и жидкометаллическому моделированию процесса ЭМП в заготовках больших сечений (300x450 мм, 300x360 мм) на сплаве Роузе. Работы показали, что максимальная скорость в потоке жидкого металла является сложной функцией геометрических и электротехнических параметров устройств ЭМП, конструкции кристаллизаторов и в значительной степени от размеров отливаемых заготовок и воздушных зазоров между магнитной системой устройства ЭМП и жидкой фазой кристаллизующегося слитка.. В России нет изготовителей промышленных систем ЭМП для МНЛЗ, созданных отечественными инженерами, учеными и конструкторами, в то время как системы ЭМП, предлагаемые зарубежными фирмами, характеризуются недостаточной интенсивностью перемешивания высоким потреблением электроэнергии, габаритами и массой оборудования. Все это приводит к недостаточной эффективности перемешивания, большим эксплуатационным расходам и затратам капитала. В научно-технической литературе отсутствует достоверная и апробированная инженерная методика расчета максимальной скорости в потоке и параметров устройств ЭМП. На защиту в данной работе выносятся: Создание первого в отечественной практике промышленного оборудования ЭМП в кристаллизаторах сортовых МНЛЗ, превосходящего мировые аналоги по интенсивности перемешивания, потреблению электроэнергии, габаритам, массе оборудования и ремонтопригодности. Исследование процесса ЭМП в кристаллизаторе сортовой МНЛЗ на натурной жидкометаллической модели сортовой заготовки и создание фундаментальной теории расчета поля скоростей в турбулентном потоке жидкого металла, разработка инженерной методики расчета максимальной скорости в потоке и параметров устройств ЭМП сортовых МНЛЗ. В мировой практике, как правило, машиностроительные фирмы проектируют и поставляют МНЛЗ, а электротехнические фирмы отдельно от создателей МНЛЗ разрабатывают и изготавливают устройства ЭМП для перемешивания жидкого металла на этих машинах. Имея ввиду наименьшее вмешательство в конструкцию МНЛЗ, первые устройства ЭМП были спроектированы электротехническими фирмами для установки их в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ. Это были индукторы линейного типа, устанавливаемые по боковым граням блюмовых заготовок между опорными роликами. Работы ВНИИМЕТМАШ по проблеме электромагнитного перемешивания были начаты в начале 60-х годов с устройств ЭМП для кристаллизаторов, в которых вращающееся магнитное поле создается электрическим током, протекающим непосредственно по рабочим медным стенкам кристаллизатора рис. 1.2. При совмещенной конструкции кристаллизатора и перемешивателя устраняется экранирующее действие медных стенок кристаллизатора. Обмотка индуктора в виде шести стержней образуется с помощью продольных прорезей на длине в 2/3 кристаллизатора в нижней его части, а верхняя часть кристаллизатора служит общей электрической точкой звезды. В такой конструкции обмотка индуктора имеет один виток в фазе, ток фазы порядка 10000А, напряжение фазы 3...5В, частота питающего тока 50Гц. В дальнейшем во ВНИИМЕТМАШ получили развитие работы по созданию устройств ЭМП, создающих бегущее магнитное поле и вертикальное движение металла в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ. По аналогии с устройствами ЭМП для кристаллизаторов они имели один-два витка в фазе обмотки, ток фазы порядка 10000...15000 А, напряжение фазы 5...15 В. При этом индукторы питались от понижающих трансформаторов и соединялись с ними гибкими или жесткими медными токоподводами, что обеспечивало простую конструкцию индукторов и возможность их изготовления на заводах металлургического машиностроения. Индукторы ЭМП конструкции такого типа /37, 38/ рис. 1.2 находились в промышленной эксплуатации на электрометаллургическом комбинате в Осколе (ОЭМК) в 1983 году на МНЛЗ № 1 с сечением заготовки 300x360 мм. Индукторы были установлены по боковой стороне заготовки, один - на уровне последней роликовой секции ЗВО, второй -на уровне первой роликовой секции 303. Односторонний линейный трехфазный индуктор был помещен в корпус из немагнитной стали. Катушки каждой фазы трехфазной обмотки имели по два витка и были выполнены из сплошной неизолированной медной шины сечением 16x40 мм. Шины были уложены плашмя на разомкнутый шихтованный беспазовый магнитопровод. Обмотка индуктора соединена в звезду с нулевой точкой. Начало каждой фазы обмотки выведено на внешнюю поверхность корпуса через герметизированный вывод. Корпус заполнен проточной водой, применяемой на МНЛЗ для охлаждения кристаллизатора. Этой водой осуществляется одновременное охлаждение обмотки индуктора и стенки корпуса, расположенной на расстоянии 10 мм от горячего слитка. Были проведены подробные исследования влияния параметров этих индукторов, установленных в ЗВО и 303 на МНЛЗ № 1 ОЭМК (заготовка 300x360 мм), на качество непрерывно литого и прокатанного металла. Установлено, что на подобранных оптимальных режимах работы ЭМП повышается качество макроструктуры как литого, так и прокатанного металла. Электротехнические параметры устройства: 500 кВА, 12500 А, 50 Гц. Эксплуатация на ОЭМК низковольтных ЭМП выявила следующие их недостатки: значительные добавочные потери в шинах токоподводов и трансформаторов, необходимость водяного охлаждения токоподводов, большой расход меди. Измерение индукции магнитного поля во внутреннем пространстве статора было произведено специальным прибором на основе датчика Холла с пределами измерения 0-100-200 тТ и точностью измерения 3%. Измерение скорости движения сплава осуществлялось с помощью разработанных и изготовленных лабораторией ЗАО ЭМТ механических датчиков. Дополнительные контрольные замеры скорости потока для сравнения с показаниями скорости механического датчика проводились с использованиием трубки Пито. Датчик для измерения средней горизонтальной скорости вихревого потока жидкого сплава представляет собой медную трубку диаметром 10 мм с толщиной стенки 2 мм с установленными в ней сверху и снизу фторопластовыми втулками-подшипниками. В трубке в подшипниках вращается стержень из стальной немагнитной проволоки диаметром 2,5 мм, на нижнем конце которого закреплена лопасть с двумя расположенными диаметрально противоположно лопаточками. Лопасть выполнена из немагнитной стали толщиной . 0,35 мм. Возможно закрепление двух лопастей, таким образом, количество лопаточек становится равным четырем. Лопасти имеют различный внешний размер для измерения скорости на различных радиусах в одном сечении гильзы. Угловая скорость определялась путем измерения числа оборотов валика за определенное время. По числу оборотов в секунду и среднему диаметру лопасти вычислялась средняя линейная скорость на соответствующем радиусе. Измерение линейной окружной скорости в отдельной точке потока осуществлялось с помощью механического датчика давления. Датчик также имеет корпус в виде медной трубки с фторопластовыми подшипниками и внутренним стержнем. На нижнем конце стержня закреплена лопасть только с одной лопаточкой. На верхнем конце трубки закреплена втулка, служащая опорой для пластины, на которой нанесена шкала, а также для крепления одного конца противодействующей пружины. Другой конец противодействующей пружины через вспомогательный рычаг зафиксирован на внутреннем стержне, на котором также закреплен стрелочный указатель. Угол отклонения стрелочного указателя прямо пропорционален давлению на площадку лопаточки, шкала при этом равномерная. Зависимость между линейной скоростью V и усилием давления Fp на площадку характеризуется коэффициентом лобового сопротивления данной формы лопаточки площадью S/61/ V = V2Fp/c-S-p, (1) где р-плотность расплава; с - коэффициент лобового сопротивления. Лопаточка имела форму прямоугольника с соотношением сторон 1:2. Для пространственного обтекания такой пластинки потоком в трубе справочное значение коэффициента лобового сопротивления составляет 1,16 /62/. Использование этого значения коэффициента лобового сопротивления для вычисления скорости по выражению (1) в исследуемой модели дает представление о приближенной к фактической величине скорости. Поэтому было произведено тарирование механического датчика давления, в результате которого была установлена непосредственная зависимость между давлением на лопаточку и фактической скоростью потока. Для тарирования датчика был использован микродвигатель с постоянными магнитами типа ДВУ, для которого была снята зависимость момента на валу двигателя от тока якоря при скорости вращения 2...3 об/сек, что соответствовало скорости вращения сплава на модели при номинальных параметрах статора ЭМП. Затем вал микродвигателя был сочленен с верхним концом внутреннего стержня механического датчика давления. Конец медной трубки с лопастью опускался в расплав. По току микродвигателя определялся развиваемый им момент, а по моменту и среднему радиусу лопаточки - усилие давления Fp, приходящееся на лопаточку. При этом подсчитывалось число оборотов «п» лопасти по метке на валу микродвигателя за время «t», отсчитанное по секундомеру. По этим данным была найдена линейная скорость движения лопаточки V = InRn/t и таким образом установлена зависимость между усилием давления на лопаточку Fp и ее линейной скоростью движения в расплаве, что соответствует зависимости усилия давления на лопаточку при ЭМП от линейной скорости потока расплава V. Полученная экспериментальная зависимость FP = (V) позволила вычислить по выражению (1) значение коэффициента лобового сопротивления для потока жидкого металла, имеющего место на исследуемой модели. Оно оказалось равным 1,495. Модель магнитогидродинамических (МГД) процессов в жидкой сердцевине заготовки при ЭМП в кристаллизаторе основана на совместном решении уравнений Навье - Стокса и теплопроводности. Отметим, что циркуляция расплава в жидкой фазе слитка в условиях внешних воздействий характеризуется высокими числами Рейнольдса. Это вызывает необходимость учета турбулентности при переносе тепла и массы, так как расчет на основе только ламинарной модели приводит к многократно завышенным результатам. Основные уравнения теплофизики вязкой жидкости базируются на фундаментальных принципах сохранения массы, количества движения и энергии /73/. Эти уравнения справедливы для любых процессов движения и теплообмена. Применительно к непрерывным слиткам необходимо учесть особенности, связанные с фазовым переходом. Кристаллизация бинарного сплава характеризуется двухфазной зоной, представляющей смесь твердой и жидкой фаз. В соответствии с квазиравновесной теорией двухфазной зоны /74, 75/ будем полагать, что в двухфазной зоне не существует переохлажденного расплава и устанавливается однозначная зависимость между относительным количеством твердой фазы ф и локальной концентрацией примеси в жидкой фазе. Существование фронта кристаллизации слитка в виде пространственно распределенной двухфазной зоны находит отражение в математической формулировке соответствующей задачи теплопроводности. Наличие двухфазной зоны не позволяет использовать традиционную запись граничного условия у фронта кристаллизации, которая основана на представлении о существовании гладкой границы раздела фаз. Гораздо больше оснований имеется для того, чтобы учитывать выделение тепла кристаллизации при помощи функции источника тепла, вводимой в уравнение нестационарной теплопроводности. Тепловые явления, сопровождающие процесс формирования слитка, описываются уравнением переноса тепловой энергии /80/. Параметр ф для жидкой фазы равен нулю, для полностью затвердевшей фазы слитка равен единице и для двухфазной зоны изменяется от нуля до единицы. Если рассматривать процесс затвердевания в равновесной постановке (т. е. считать, что диффузионные процессы в элементарном объеме материала успевают пройти достаточно полно за время фазового перехода в этом объеме), то температурная зависимость функции (р будет находиться из равновесной диаграммы состояния расплава . Отметим, что при записи уравнений (27) и (28) предполагалось, что плотность расплава является величиной постоянной. Такое предположение представляется оправданным, если учесть, что нас интересует поведение жидкого ядра слитка в целом при вынужденной конвекции за счет подачи струи жидкого металла в кристаллизатор с определенной скоростью и поля электромагнитных сил в районе ЭМП. В этих условиях слабой температурной зависимостью плотности можно пренебречь. Кроме того, при рассматриваемых высоких скоростях разливки толщина затвердевшей оболочки слитка незначительно изменяет анализируемую расчетную область. В результате при рассмотрении поведения жидкого ядра можно не использовать уравнения (24) и (25) (геометрию расчетной области можно рассчитать заранее с использованием эмпирических эффективных коэффициентов теплопроводности в жидкой фазе /74/), моделирующие процесс затвердевания корочки слитка. Таким образом, основными уравнениями математической модели становятся уравнения (27) и (28). Граничные условия, необходимые для замыкания задачи, задаются в зависимости от вида поверхности, ограничивающей объем: неподвижная поверхность (поверхность погружного стакана, если он используется), подвижная поверхность (фронт затвердевания), плоскости симметрии, свободная поверхность, находящаяся под слоем шлакового гарнисажа (если используется), входная граница и выходная граница. Циркуляция расплава в жидком ядре слитка в условиях внешних воздействий характеризуется высокими числами Реинольдса. Это вызывает необходимость учета турбулентности при переносе тепла и массы, так как расчет на основе только ламинарной модели приводит к многократно завышенным результатам III. Турбулентность - неупорядоченное в целом движение текучей среды, характеризуемое спектрами пульсаций параметров потока (скорости, температуры, концентрации примеси и т.п.) /76/. После нарушения устойчивости ламинарного течения возникает турбулентность, т.е. в каждой фиксированной пространственной точке наблюдаются случайные по значению и направлению мгновенные скорости течения, температуры, концентрации примеси, электрические потенциалы и т.п. Абсолютное мгновенное значение этих величин ограничено характерными значениями параметра конкретного процесса. Система ЭМП сортовых МНЛЗ представляет собой комплекс оборудования, в который входят следующие составные части: кристаллизаторы - электромагнитные перемешиватели (К-ЭМП); преобразователи частоты с микропроцессорной системой управления, компьютерной диагностикой, сигнализацией и защитой обмоток статоров ЭМП в кристаллизаторах ; комплектная трансформаторная подстанция для питания системы ЭМП в кристаллизаторах сортовой МНЛЗ; Количество кристаллизаторов К-ЭМП, входящих в комплекс оборудования системы ЭМП, определяется числом ручьев сортовой МНЛЗ. Каждый ручей оснащается одним рабочим К-ЭМП. Кроме этого, на разливочной площадке на случай регламентной замены находится резервный комплект К-ЭМП, а второй резервный комплект К-ЭМП находится в мастерской по ремонту кристаллизаторов для замены изношенных гильз и текущего ремонта кристаллизаторов. Одним из основных звеньев системы ЭМП на сортовой МНЛЗ является преобразователь частоты (ПЧ). Для питания одного статора ЭМП, совмещенного с кристаллизатором сортовой МНЛЗ, применяется двухфазный ПЧ со сдвигом фаз на 90 электрических градусов и синусоидальной формой тока/60/. ВТН - трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на трех полумостовых диодно-тиристорных модулях типа СККН 162/12Е (фирма «SEMIKRON») с автоматическим выключателем на входе типа DPX-250 (фирма «Legrand») на номинальный ток 250 А; Ф-LC - фильтр индуктивно-емкостной, содержащий спеццроссель и конденсаторы типаВ43456-3, 300 мкФ, 400 В (фирма «EPCOS»); ИНД - двухфазный инвертор напряжения на IGBT-модулях, состоящий из двух мостовых однофазных инверторов типа SKIP 432 GH 120 (фирма «SEMIKRON»); СУМПиПС - станция управления микропроцессорная, представляющая собой четырехслойную печатную плату, содержащую микропроцессор фирмы «Analog Diveis» и программируемые микросхемы фирмы «Altera», а также последовательные порты RS-232 и RS-485 . ПМУ - пульт местного управления с двухстрочным жидкокристаллическим дисплеем и пленочной клавиатурой, с которого в ручном режиме можно включать и отключать К-ЭМП, переключать в автоматический режим работы с ПКВУ, а также проводить диагностику состояния К-ЭМП и ПЧ. Питание ПЧ осуществляется от промышленной трехфазной сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Выходные напряжения ПЧ формируются по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) постоянного напряжения. Диодно-тиристорный выпрямитель наряду с основной своей функцией обеспечивает предварительный заряд конденсаторов LC-фильтра ограниченным током, при этом LC- фильтр осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. Система управления ПЧ обеспечивает независимое и раздельное задание частоты и тока с обратной связью по току и точностью автоматического поддержания заданного тока и частоты до 3% и 1% соответственно с коэффициентом гармоник выходного тока не более 5% и сдвигом фаз в 90 электрических градусов (см. рис. 4.4). Кроме того, система управления ПЧ реализует требуемый набор защитных функций, в том числе, контроль температуры силовых цепей, сопротивления изоляции и т. д. В преобразователе частоты предусмотрено местное управление с пульта ПМУ или дистанционное управление с компьютера верхнего уровня ПКВУ (или пульта дистанционного управления ПДУ), включая обмен служебной информацией по сети SINEC L2-DP, диагностику и настройку технологических параметров через интерфейс RS-232 или RS-485 с компьютерных комплексов нижнего или верхнего уровня соответственно.Конструкции электромагнитных перемешивающих устройств, применяемых на МНЛЗ
Методы измерения параметров ЭМП на жикометаллической модели
Разработка теории расчета поля скоростей в турбулентном потоке жидкого металла при ЭМП
Комплекс оборудования ЭМП в сортовых МНЛЗ
Похожие диссертации на Исследование, разработка и создание оборудования электромагнитного перемешивания жидкой стали в сортовых машинах непрерывного литья заготовок для улучшения качества и увеличения производительности
