Введение к работе
Актуальность проблемы. Роликовые системы, выполняющие непрерывную обработку и транспортирование металла, широко распространены в конструкциях современных металлургических машин. От их конструктивного исполнения и температурно - деформационно-скоростных условий ведения технологических процессов зависит качество слябовых заготовок и прокатной продукции, стойкость деталей и узлов, а также производительность металлургических машин. Внедрение новых прогрессивных способов производства металла и повышения его качества (например, технология «мягкого» обжатия слитка с жидкой сердцевиной), техническое перевооружение металлургических машин, приводит к интенсификации тепло - и массообменных процессов в роликовых системах.
Тепловое проектирование роликовых систем с учетом ограничений на величину обжатия, интенсивность охлаждения и скорость движения металла, разогрев деталей и узлов представляет достаточно сложную проблему, так как тепловые нагрузки, действующие на обрабатываемый металл, элементы конструкций существенно зависят и от параметров технологического процесса и конструктивного исполнения роликовой системы. Качество теплового проектирования определяется правильностью выбора математических моделей, описывающих тепло - и массообменные процессы и тепловое состояние, как всей системы, так и ее отдельных частей и элементов. Существующие методики, как правило, не предусматривают единого подхода к расчету теплового состояния обрабатываемого металла и оборудования- Обычно в них содержатся рекомендации, касающиеся расчета отдельных показателей в отдельных операциях, например, расчет снижения температуры металла в зоне обжатия без рекомендаций по учету скорости обжатия и т.д. Отсутствие единого подхода к расчету основных показателей процесса зачастую приводит к парадоксальным явлениям, когда введение в методику нового, уточняющего элемента, снижает точность расчета других параметров. Поэтому для разработки рациональных технологических режимов, анализа эффективности работы металлургической машины в целом требуется единый методологический подход к расчету теплового состояния металла и оборудования по всей технологической линии.
Использованные в настоящей работе методы и полученные результаты применимы к проектированию новых и анализу существующих технологических процессов разливки стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и прокатки металла на непрерывных широкополосных станах горячей прокатки (НШСГП).
Целью работы является сонание общей методологии определения техполого-конструктивных параметров роликовых систем и разработка инженерной методики расчета затвердевания слитков и теплового состояния оборудования машин непрерывного литья заготовок, обеспечивающих повышение качества металла и эффективности их работы.
Поставлены следующие задачи, решение которых выносится на защиту:
- разработка модели формирования слитка в зоне вторичного охлаждения с учетом обжатия;
- разработка модели квазиустановившегося теплообмена для роликов обжимающих сегментов;
- моделирование процессов контактного, лучистого и конвективного теплообмена в роликовых системах;
разработка общей методологии определения технолого-конструктивных параметров роликовых систем, построения новых моделей процесса непрерывной разливки для всей линии МНЛЗ и ее отдельных зон и элементов и их апробация;
- разработка инженерной методики расчета обжатия, теплового состояния слитка, роликов, учитывающей технологию разливки и конструктивные особенности металлургических машин.
Научная новизна.
1 .На основе применения системного анализа разработана методология поэтапного моделирования температурно - деформационно-скоростных режимов разливки, позволяющая моделировать процессы непрерывной разливки как по всей линии МНЛЗ, так и по отдельным ее зонам и элементам.
2.Разработана математическая модель тепло - массопереноса зоны плавающих кристаллов, позволяющая находить такие условия охлаждения и обжатия слитка с жидкой фазой, которые обеспечивают заданное, т.е. выбранное на основе определенных требований к качеству металла по химической неоднородности, распределение примеси по сечению непрерывно отливаемого слитка.
3. Разработана математическая модель температурного поля в обжимающих роликах. В результате реализации модели получены общие аналитические выражения для распределения температуры в радиальном сечении вращающихся роликов при неосесимметричных стационарных граничных условиях второго рода. Полученные решения справедливы для средней по длине части бочки роликов.
4.Разработана математическая модель теплового контакта слитка с роликом, учитывающая локальность взаимодействия, скорость разливки, скорость обжатия металла, тепловыделения за счет сил трения и деформации, прослойку, состоящую из окислов металла, паров воды, воздуха и смазки. Проведено исследование влияния этих факторов в отдельности и в совокупности на интенсивность теплообмена в зоне обжатия.
5.Разработана модель лучистого теплообмена в роликовых системах. На основе результатов моделирования предложены технические решения для і
формирования тепловых воздействий на ролики и слиток посредством затеняющих и отражающих элементов систем. Получены локальные и интегральные характеристики излучения в роликовых системах,
6.Разработана модель конвективного теплообмена в каналах роликов МНЛЗ, учитывающая частичное заполнение канала охлаждающей жидкостью. Решены задачи определения оптимума сечения ролика исходя из условий перелада температур по толщине бочки и уровня нагрева охлаждающей жидкости. Проведено исследование влияния толщины и состава отложений на тепловое состояние роликов. Получены зависимости для оценки и прогноза ресурса работы роликов в условиях образования отложений на охлаждающей поверхности.
Достоверность новых моделей процесса непрерывной разливки для всей линии МНЛЗ, ее отдельных зон и элементов обусловлена применением современных физических представлений процесса непрерывной разливки и математических методов анализа; проверкой на адекватность реальным объектам путем сопоставления прогнозируемого с помощью модели теплового состояния с экспериментально измеренным, а также промышленными исследованиями, сравнением с результатами других авторов в широком диапазоне изменения технологических параметров разливки.
Практическая значимость. Разработанная методология облегчает построение и внедрение для практического использования рациональных по качеству металла в осевой зоне сляба, энергозатратам, производительности, расходу роликов и охлаждающей жидкости технологических режимов непрерывной разливки. Полученные результаты позволяют разрабатывать технические условия для составления технических заданий по выбору: длины зоны обжатия, величины обжатия слитка парой роликов. Разработаны способы и предложены конструктивные решения для их реализации для управления тепловым состоянием слитка, роликов. Даны рекомендации по выбору оптимальных геометрических параметров кольцевых каналов роликов и температуры и расхода охлаждающей жидкости. Решения конкретных задач доведены до конечных формул, которые, по существу, являются основой для инженерных методик расчета параметров обжатия слитка с жидкой сердцевиной. Получены авторские свидетельства на изобретений. Подтверждением реализации и практической ценности являются акты о внедрении, приведенные в приложениях.
Автор внес личный вклад в постановку проблемы и выполнил решения конкретных задач, имеющих важное научное и практическое значение для металлургии, непрерывной разливки стали и других технологий, выполнил экспериментальные исследования.
Апробация работы. Сделано 20 докладов на всероссийских, всесоюзных и международных научно - технических конференциях. Основные разделы работы докладывались и обсуждались на: межвузовской научно-технической конференции «Теплофизические процессы при производстве листового проката» (Череповец, 1982г.); межвузовской научно-технической конференции «Теплофизические процессы при непрерывной разливке и прокатке полос и листов» (Череповец, 1984г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование тепловых процессов при производстве проката черных металлов» (Череповец, 1986г.), Международной научно - технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец 2003 г.); Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам стального слитка «Усовершенствование процессов разливки и кристаллизации стали (Киев, 1984г.); Международной конференции «Теплотехнология непрерывной разливки стали и горячей листовой прокатки» (Вологда, 1991 г.); Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 1998, 2000, 2004г.); Региональной межвузовской научно -технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2001г.); Общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука -региону» (Вологда, 2003г.); Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2004, 2005г.); Международной научно технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2004г.); Международной научно - технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (Череповец, 2004г.); Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология» (Киров, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Непрерывные процессы обработки давлением» (Москва, 2004г.); Международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера» (Архангельск, 2004г.); Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2004г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2004г.).
Публикации. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, отражены в 49 печатных работах, в том числе 1 монографии. Кроме того, 9 технических решений защищены авторскими свидетельствами.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, приложений, списка литературы из 345 наименований, изложена на 333 страницах машинописного текста, включает 70 рисунков и 8 таблиц.
