Введение к работе
Актуальность работы.
С каждым годом в черной металлургии растет количество машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и наблюдается значительный рост требований, предъявляемых современным машиностроением к качеству непрерывнолитых заготовок и стальных изделий в целом. В связи с этим, одной из главных практических задач является совершенствование технологического процесса непрерывной разливки стали, его оптимизация с целью получения более качественного продукта.
Кристаллизатор является важнейшим технологическим узлом машины непрерывного литья заготовок, так как в нем происходит начальное формирование оболочки непрерывного слитка путем отвода от кристаллизующейся стали такого количества тепла, которое обеспечивает условия для формирования оболочки достаточной толщины и прочности, чтобы она не разрушалась под действием трения и ферростатического давления на выходе из кристаллизатора. Тепловая работа кристаллизатора в значительной мере определяет качество непрерывнолитой заготовки, поэтому закономерно внимание, которое уделяется тепловым процессам в нем и их анализу.
Совершенствование конструкций промышленных МНЛЗ и технологии разливки, возможность получения качественных слитков в значительной мере зависят от дальнейшего исследования тепловой работы машины. Сложная взаимосвязь явлений и многообразие факторов, влияющих на процесс формирования непрерывного слитка, ставят изучение теплопереноса при непрерывной разливке в ряд важнейших и актуальных задач теплотехники.
Развитию теории тепловых процессов, протекающих при кристаллизации непрерывного слитка посвящено значительное количество монографий и научных статей. Однако рассматриваются в основном кристаллизаторы со сверлеными каналами. В настоящее время перспективным направлением в сталеплавильном производстве является применение кристаллизаторов со щелевыми каналами различной формы, имеющих ряд преимуществ в изготовлении и эксплуатации.
В связи с этим разработка инженерной методики расчета теплообмена в таких кристаллизаторах и исследование их теплового режима являются актуальными.
Задачи работы.
В ходе выполнения работы поставлены следующие задачи:
Получить расчетные зависимости, применимые для расчета температурных полей кристаллизаторов, оснащенных щелевыми каналами круглой и прямоугольной формы.
Разработать инженерные методики расчета термического сопротивления рабочих стенок кристаллизаторов с круглыми и прямоугольными щелевыми каналами.
Исследовать влияние режима движения охлаждающей воды в каналах кристаллизатора и конструктивных параметров рабочей стенки (ее высоты, шага расположения и формы каналов) на термическое сопротивление. Предложить мероприятия по совершенствованию работы и
'
І *'UC. НАЦИОНАЛЬНА» БИБЛИОТЕКА
конструкции кристаллизаторов, оснащенных круглыми и прямоугольными каналами щелевого типа.
4. Определить тепловые потоки от горячего металла к охлаждающей воде. Исследовать изменение температуры охлаждающей воды в каналах кристаллизаторов и оценить влияние на этот процесс режима движения охлаждающей воды. На основании этого, предложить направления совершенствования режима охлаждения кристаллизаторов, оснащенных круглыми и прямоугольными каналами щелевого типа.
Методы исследований. В данной работе использовались методы математического моделирования, полученные результаты сравнивались с экспериментальными и расчетными данными. Для численного решения дифференциальных уравнений теплообмена применялось программное обеспечение: Mathcad 2000, Matlab 6R12.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель теплообмена в зоне кристаллизатора,
на ее основе дан анализ роли отдельных компонентов теплового потока.
Проведена адаптация предложенной математической модели для
кристаллизаторов со сверлеными каналами и сопоставление ее с
распределением температурного поля и тепловых потоков по высоте и
периметру кристаллизатора при различных технологических режимах
разливки по результатам натурного эксперимента.
Впервые разработаны методики расчета термических сопротивлений рабочих стенок кристаллизаторов машины непрерывного литья заготовок с круглыми и прямоугольными щелевыми каналами.
Установлена взаимосвязь термического сопротивления и температурного поля рабочей стенки кристаллизатора с теплофизическими параметрами материала, геометрическими характеристиками водоохлаждаемых каналов, шагом их расположения и толщиной стенки.
Исследовано влияние основных технологических параметров процесса непрерывной разливки стали на тепловые характеристики теплообмена в кристаллизаторе (величину термического сопротивления рабочей стенки, изменение температуры охлаждающей воды по высоте кристаллизатора, тепловые потоки от охлаждающей воды к металлу).
Практическая ценность.
1. Разработана математическая модель расчета температурного поля
кристаллизатора М11ЛЗ, оснащенного щелевыми каналами
круглой и прямоугольной формы.
2. Разработана инженерная методика расчета термического
сопротивления рабочей стенки кристаллизатора и тепловых
процессов происходящих в нем.
Реализация работы.
Разработанные рекомендации по совершенствованию тепловой работы кристаллизатора МНЛ'З переданы специалистам ОАО «Северсталь» для внедрения.
На основе математической модели разрабатывается автоматизированное рабочее место инженера для обучения студентов ВУЗов и производственного персонала.
Апробация работы. Основные разделы докладывались, на IV Международной научно-технической конференции посвященной 120 летию И.П.Бардина (г. Череповец 2003 г.), на Первой общероссийской Научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, 2003 г.), на IV Межвузовской конференции молодых ученых (г. Череповец 2003 г.), на 4-й Международной научно-технической конференции «Инфотех-2004» «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (г. Череповец, 2004); на Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию АГТУ (Архангельск, 2004); на 4-й Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (г. Вологда, 2004), на научных семинарах и заседаниях кафедры «Промышленной теплоэнергетики» ЧГУ.
Материалы диссертации были опубликованы в ведущих центральных научных журналах: «Известия вузов. Черная металлургия», «Проблемы машиностроения и надежности машин», «Заготовительные производства в машиностроении». Часть материалов была включена в монографию «Математическое моделирование теплообмена в непрерывноотливаемом слитке», вышедшей в 2003 году. Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе одна монография. Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 146 страниц машинописного текста, включает в себя 56 рисунков и список литературы, состоящий из 104 наименований.
