Введение к работе
Актуальность работы. Кристаллизатор является важнейшим узлом машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), эффективность работы которого во многом определяет качество разливаемых на МНЛЗ заготовок, производительность МНЛЗ и себестоимость разлитого металла. Важнейшим процессом, протекающем в кристаллизаторе, является процесс теплопередачи от затвердевающего слитка к охлаждающей воде. От того, насколько рационально организован данный процесс, зависит толщина и прочность оболочки слитка на выходе из кристаллизатора, вероятность появления трещин в оболочке, срок службы рабочей стенки кристаллизатора.
Вопросы, связанные с теплопередачей в кристаллизаторе МНЛЗ, рассмотрены в трудах А.Д. Акименко, Д.П. Евтеева, Е.М. Китаева, В.И. Дождикова, В.А. Емельянова, В.М. Паршина, В.С. Рутеса, Л.С. Рудого, Ю.А. Самойловича, Н.И. Шестакова, Д.А. Дюдкина, А.П. Гиря, П.Е. Ефремова, Р.Т. Сладкоштеева, Б.Т. Борисова, В.А. Журавлева, А.И. Цаплина, З.К. Кабакова, А.Л. Кузьминова, Ю.А. Калягина, С.В. Лукина и др.
Несмотря на большое количество проведенных исследований, позволивших значительно повысить эффективность работы кристаллизаторов МНЛЗ, в настоящее время имеются возможности для совершенствования теплопередачи от слитка к кристаллизатору, например, путем выбора шлакообразующей смеси, служащей в качестве смазки кристаллизатора, и геометрических параметров рабочей стенки кристаллизатора, включающих профиль рабочей стенки, размеры и форму охлаждающих каналов. Это позволит повысить качество разлитого металла, увеличить надежность работы кристаллизатора и МНЛЗ в целом и снизить эксплуатационные затраты. Для решения данных задач необходимо разработать достаточно надежные методики расчета взаимосвязанных процессов охлаждения, затвердевания и усадки слитка в кристаллизаторе, и усовершенствовать методики расчета термического сопротивления рабочей стенки кристаллизаторов со сложной формой каналов, например, как в перспективных щелевых кристаллизаторах.
Цель работы – развитие методик расчета и совершенствование теплопередачи в кристаллизаторе МНЛЗ с целью улучшения качества металла и снижения эксплуатационных затрат.
Методы исследования. Работа выполнялась на основе аналитических и численных методов. Аналитически исследовалась теплопередача в рабочей стенке кристаллизатора и в слое теплоизолирующего шлака. Численно рассчитывались процессы охлаждения, затвердевания и усадки слитка в кристаллизаторе.
Научная новизна работы.
-
Разработана математическая модель теплообмена слитка с рабочей стенкой кристаллизатора МНЛЗ, позволяющая рассчитывать величину зазора между слитком и рабочей поверхностью кристаллизатора.
-
Разработана методика расчета эффективного коэффициента теплопроводности жидкого ядра слябовых заготовок, позволяющая учитывать скорость разливки, размеры сляба и отверстий разливочного стакана.
-
Разработана методика расчета усадки слитка в кристаллизаторе, позволяющая учитывать взаимосвязанность процессов охлаждения и затвердевания слитка в кристаллизаторе.
-
Разработана инженерная методика расчета термического сопротивления рабочей стенки щелевого кристаллизатора, позволяющая учитывать двухмерность температурного поля в ребрах рабочей стенки.
-
Разработана математическая модель теплообмена в слое теплоизолирующего шлака, позволяющая определять количество теплоты, уходящей от зеркала жидкого металла в кристаллизаторе.
-
Установлено влияние теплофизических параметров металла и смазки на процессы охлаждения и затвердевания слитка в кристаллизаторе.
-
Установлено влияние геометрических и теплотехнических параметров рабочей стенки щелевого кристаллизатора на ее термическое сопротивление.
Практическая ценность работы.
-
Разработаны рекомендации по управлению теплообменом слитка с кристаллизатором МНЛЗ, позволяющие эффективно влиять на процессы охлаждения и затвердевания слитка в кристаллизаторе.
-
Разработаны рекомендации по выбору рационального профиля рабочей стенки кристаллизатора, обеспечивающего высокую интенсивность теплообмена слитка с рабочей стенкой и исключающего деформацию оболочки под действием ферростатического давления жидкого металла.
-
Разработаны рекомендации по выбору геометрических и теплотехнических параметров рабочей стенки щелевого кристаллизатора, позволяющие резко снизить термическое сопротивление рабочей стенки, уменьшить расход охлаждающей воды, снизить расход меди на изготовление рабочей стенки и в целом повысить надежность работы кристаллизатора.
Результаты исследований рекомендованы к внедрению в сталеплавильных производствах металлургических комбинатов, а также могут быть использованы организациями, занимающимися проектированием и разработкой технологических режимов непрерывной разливки стали и модернизацией оборудования МНЛЗ.
Апробация работы. Основные разделы работы докладывались на I и II Международной научно-технической конференции «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2005, 2006), на VIII межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2007), на XVIII всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии». (Н.Новгород, 2007), на V всероссийской научно-технической конференции. «Вузовская наука – региону» (Вологда, 2007), на межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития ПДВС». (Санкт-Петербург, 2008), на Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2006).
Публикации. Основные материалы диссертации изложены в 17 работах, из них 5 статей опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ для соискателей ученой степени кандидата технических наук по научным специальностям 05.14.04, 05.02.13.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 156 страниц машинописного текста, 73 рисунка, список литературы, состоящий из 148 наименований.
Похожие диссертации на Математическое моделирование и совершенствование теплопередачи в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок
