Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование энергии жидкой стали в черной металлургии. Состояние вопроса .. 9
1.1. Использование энергии 9
1.2. Виды непрерывной разливки 17
1.3. Постановка задачи 23
1.4. Методы решения 24
1.5. Выводы по главе 24
Глава 2. Разработка энергоэффективной схемы использования энергии жидкой стали 26
2.1. Оценка ранее предлагаемых направлений использования энергии стали 26
2.2. Жидкая сталь и потери ее энергии в металлургических процессах 29
2.2.1. Расходная часть тепловых балансов сталеплавильных процессов 31
2.2.2. Энергетические и теплофизические свойства жидкой стали 33
2.3. Принципиальные возможности использования энергии стали. 35
2.4. Движение теплоносителей при охлаждении стали 44
2.4.1. Противоточное движение теплоносителей и металла 45
2.4.2. Прямоточное движение теплоносителей и металла. 46
2.4.3. Комбинированное движение теплоносителей и металла 48
2.5. Возможные направления использования энергии жидкой стали 52
2.6. Теплотехнологическая схема использования энергии жидкой стали 58
2.7. Выводы по главе 62
Глава 3. Математическое моделирование процесса разливки, охлаждения и затвердевания железа с передачей энергии теплоносителям 64
3.1. Описание процесса 64
3.2. Общая постановка задачи 65
3.3. Исходные данные 66
3.4. Основные допущения и ограничения 68
3.5. Математическая модель 68
3.6. Алгоритм решения в конечно-разностном виде., 70
3.7. Граничные условия в разностном виде 71
3.8. Численные исследования на математической модели. 71
3.9. Выводы по главе . 77
Глава 4. Лабораторные исследования возможности получения полос способом литья па жидкую подложку 78
4.1. Физическая модель 78
4.2. Холодный эксперимент, с организацией противотока . 83
4.3. Экспериментальная установка. Горячий эксперимент 85
4.3.1. Выбор моделирующих материалов 86
4.3.2. Схема экспериментальной установки. 86
4.3.3. Описание процесса 88
4.3.4. Обработка результатов эксперимента. Схема измерений 89
4.3.5. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными 92
4.4. Обработка металла давлением 94
4.5. Испытания образцов 96
4.6. Выводы по главе 99
Глава 5. Практическое применение использования энергии стали. Энергоэкономический эффект 100
5.1. Энергоэффективная схема с применением Na-K сплава 100
5.2. Энергосберегающий способ непрерывной разливки металлов 104
5.3. Оценка энергоэкономического эффекта 107
Заключение 114
Библиографический список 116
Приложения 127
- Виды непрерывной разливки
- Жидкая сталь и потери ее энергии в металлургических процессах
- Общая постановка задачи
- Холодный эксперимент, с организацией противотока
Введение к работе
Настоящее время характеризуется значительным ростом цен на энергоресурсы, поэтому энергосбережение в промышленной теплоэнергетике и тепло-технологиях приобретает важное значение. Проблема энергосбережения является актуальной для любого промышленного предприятия, но особенно — для производящего энергоемкую продукцию.
В данной работе затрагиваются вопросы энергосбережения в такой тепло-технологии, как черная металлургия, поскольку эта отрасль является одной из наиболее энергоемких (до 1500 кг у. т. на тонну готовой продукции), и для чёрной металлургии вопросы энергосбережения чрезвычайно актуальны. В числе причин высокой энергоемкости продукции черной металлургии - большие потери энергии с охлаждающимися продуктами и полупродуктами.
В технологической цепочке металлургического предприятия на отрезке до сталеплавильного производства, затрачивается 2/3 общего объема потребляемой энергии, а разливка и охлаждение стали предоставляет первую и самую большую возможность частичного возврата данной энергии, что позволяет снизить высокую энергоемкость процесса, а значит снизить и зависимость от внешних, по отношению к металлургическому предприятию, источников энергии - углю, природному газу, электроэнергии.
В последовательных операциях переработки железных руд в металлопрокат на различных стадиях передела, начиная от производства концентрата, агломерата, окатышей и заканчивая производством чугуна, необходимо отметить возрастанием потока массы, который достигает своего максимума в сталеплавильном процессе. Другой важной характеристикой является возрастание температуры процессов в указанной технологической цепочке от 1300 С в агломерационном производстве до 1600 С в сталеплавильном процессе. После сталеплавильного производства потоки массы и температуры процессов уменьшаются. Одновременное достижение максимумов потоков массы и температуры именно в сталеплавильном процессе определяет высокие потери энергии с жидкой сталью, и одновременно - наивысшие возможности использования этой
5 высокопотенциальной теплоты. Этим определяется первоочередное внимание к этому специфичному энергетическому ресурсу, так как количество и качество теплоты жидкой стали - наибольшее среди прочих потоков охлаждающихся продуктов, полупродуктов или отходов черной металлургии.
Производство жидкой стали в мире за 2004 год достигло 1000 млн. т, в том числе в Российской Федерации производится около 80 млн. тонн стали в год по трем основным технологиям. В тонне стали содержится до 1400 МДж и эта теплота характеризуется высоким температурным потенциалам около 1600 С. Таким образом, работа направлена на потенциальную экономию энергии, которая может составить до 40 млн. тонн условного топлива в год в расчете на мировое производство стали.
Известны некоторые решения по использованию теплоты разливаемой стали, однако все они относятся к низкопотенциальной (примерно ниже 800 С) части и последующим технологическим операциям. Гораздо больший энергосберегающий эффект могло бы дать использование наивысшего температурного потенциала жидкой стали (до 1500 С) и в предыдущей операции — согласно известному мощному энергосберегающему принципу технологической регенерации. В перспективе черной металлургии предстоит осуществить переход к преимущественно непрерывной разливке стали, которая в настоящее время производит заготовки, превышающие конечные размеры в несколько сот раз. Наиболее интересным направлением, с точки зрения как металлургической технологии, так энергосбережения, является непрерывная разливка стали на профиль, близкий к конечному продукту.
Одним из направлений сокращения энергетических затрат в данном секторе является применение новых и перспективных технологий на технологической цепочке сталеплавильный агрегат-разливка-прокатка. В связи с этим продолжаются исследования по разработке менее энергозатратных технологий на данном участке металлургического производства. Решение задач по снижению энергопотребления с одновременным уменьшением технологических операций и использованием всевозможных внутренних энергетических ресурсов при производстве того же продукта невозможно без теплотехнического исследования самого процесса охлаждения и затвердевания разливаемого металла.
В настоящее время энергия стали, являясь вторичным энергетическим ресурсом» с её высокими как температурным потенциалом, так и объемом энергии, используется недостаточно и с низкой эффективностью. На широко применяемых машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с водяным охлаждением, тепловая энергия стали передаётся воде, нагревающейся до 40 С, что затрудняет использование такой энергии, а фактически - вода, охлаждаясь в устройствах охлаждения циркуляционной воды, теряет и эту теплоту.
В связи с этим, разработка направлений эффективного использования энергии, содержащейся в жидкой стали является актуальной задачей в черной металлургии. Разработанная в последнее время методология интенсивного энергосбережения открывает возможности выявления и реализации предельно полного и предельно высокого уровня резерва энергосбережения, при использовании полного состава энергосберегающих мероприятий.
В общем случае, наиболее высокий энергетический эффект достигается на базе изменения принципиальных основ технологии, техники, управления, повышения качества технологической продукции и полноты полезного использования конечного технологического продукта. В связи с вышесказанным, в основу исследований и была положена данная методология, включающая, в том числе и - принцип технологической регенерации.
Совместное использование данных математического (компьютерного) и экспериментального моделирования позволяет выполнить прогнозирование возможности тех или иных процессов, в том числе и процессах, позволяющих снижать энергопотребление за счет изменения технологии и использования вторичных энергетических ресурсов.
В связи с этим исследование и разработка предельно эффективного направления использования энергии жидкой стали, в виду высокого потенциала и объема этого вторичного энергетического ресурса, является актуальной для металлургических предприятий.
Виды непрерывной разливки
Совмещение непрерывной разливки с обработкой давлением достаточно сложно, однако эта проблема представляет несомненный интерес, так как обеспечивает экономию энергии, энергоресурсов, необходимых для подогрева заготовок перед прокаткой, и повышение производительности, благодаря снижению потерь. Одновременно обеспечивается и ресурсосбережение предприятия в целом."...Поэтому главной проблемой, возникающей при совмещении непрерывной разливки с прокаткой, является изыскание такой системы охлаждения и такой конструкции кристаллизатора, которые обеспечивают выход непрерывного слитка со скоростью, достаточной для нормальной загрузки современного непрерывного прокатного стана" [30].
Максимальная скорость непрерывной разливки (и, соответственно, скорость скольжения корочки слитка по стенкам кристаллизатора), достигнутая на современных установках, составляет 4+5 м/мин, что намного ниже скорости движения заготовки в прокатном стане [31].
Разработка совмещённого процесса «непрерывная разливка-прокатка» происходит в двух направлениях: установка системы прокатных валков непосредственно на пути движения заготовок;порезка заготовок на мерные длины, пропуск горячих заготовок через дополнительное нагревательное устройство (пламенный или индукционный нагрев) и дальнейшее движение непосредственно в прокатный стан.
Для обеспечения надёжной работы комплекса «непрерывная разливка-прокатка» необходимо обеспечить получение бездефектных заготовок, позволяющее исключить операции их охлаждения, осмотра, зачистки и нагрева перед прокаткой [30]. Наиболее распространённый тип машины непрерывного литья заготовок]. Решая основную задачу (непрерывная разливка металла), установка не отвечает на вопрос: "Как использовать энергию разливаемого металла?"
Охлаждение отливаемого на МНЛЗ слитка осуществляется технической водой в кристаллизаторе Рис Л Л. Криволинейная слябовая МНЛЗ (формирование слитка и образование корочки), а также ее смесью с воздухом, через систему вторичного (форсуночного) охлаждения.
"Процесс получения изделий массового производства из жидкого металла, в частности, путём совмещения методов литья и прокатки, весьма перспективен и давно привлекает внимание металлургов" [32]. В книге [32] сделан широкий обзор существующих способов получения листовых заготовок из жидкого металла, а также рассмотрены процессы образования и формирования тонких листов на вращающихся валках-кристаллизаторах. Приведены условия кристаллизации, процессы затвердевания металла, кристаллическое строение получаемых лент, а также механические свойства получаемой заготовки. Основной задачей было показать технологические возможности, энергетической же задачи использования энергии стали в данной книге не ставилось.
В статье Данченко В.Н. [33] дает данные о том, что в 1995 г. в мире действовали 1686 МНЛЗ. Процесс непрерывного литья позволил получать не только слябы, блюмы, но и тонкие полосы и заготовки с сечением, близким к готовому прокату. Подчёркивается, что развитие ЛПК (литейно-прокатных комплексов) приведёт к созданию новых производств, кардинально изменит структуру металлургического производства. Особый интерес представляет прямое литьё плоской полосы и, прежде всего, технология валковой разливки стальных полос.
В книге [34] представлено большое разнообразие установок непрерывной разливки стали, есть установки, в которых разливка совмещена с прокаткой. Агрегат безслитковой прокаткиВУ .Рис. 1.2. УНР конструкции Г. Бессемера
Начало инженерных изысканий в этом направлении положил ещё Г. Бессемер, предложивший в 1859 году установку (рис. 1.2) непосредственного получения стальной ленты (штрипса) толщиной 2,5 мм при разливке металла между двумя вращающимися водоохлаждаемыми цилиндрами. В последнее время процесс непрерывной разливки тонких слябов вызывает широкий интерес.
При создании данной установки ставилась технологическая задача получения тонкого листа, который бы имел чистую, свободную от шлаковых включений поверхность, прочность листа и геометрические характеристики, без чрезмерных обжатий. Здесь сталь, с равномерно распределёнными элементами, мгновенно кристаллизуясь, образовывала лист высокого качества. Технологическая задача в данном агрегате была достигнута, но энергетической задачи по утилизации высокопотенциальной энергии жидкой стали здесь не ставилось.
Принцип данного способа, предложенного Бессемером, используется вомногих агрегатах и технологиях, например технология CRP [35], Myosotis [36], которые позволяют получать лист из расплава. Особенностью технологии Myosotis является то, что получается лист толщиной 2-Н мм, а скорость разливки 0,5- 1,5 м/с. Валки выполнены с нанесением медных рубашек, а боковые уплотнители изготавливают из таких металлов, как нитрид боа, бор и нитрид кремния, не смачиваемых сталью [37]. Установка фирмы Remington Arms Company
В 1940 г. фирма Remington Arms Company построила установку, в которой расплавленная формующая поверхность предназначалась для изготовления металлических полос. Подлежащий разливке металл разливался над или под расплавленной ванной другого металла, с которым не смешивался и который имел более низкую температуру плавления, но более высокую температуру кипения, чем температура затвердевания подлежащего разливке материала. Кроме того, удельный вес материала расплавленной ванны должен отличаться от удельного веса разливаемого металла. В этом случае применяют, например, свинец и алюминий. Разливаемый алюминий находится на поверхности расплавленного свинца, затвердевает и может непрерывно вытягиваться из ванны. Вместо алюминия можно разливать. сталь или железо. Для хрома или никеля можно использовать расплавленное серебро, для алюминия - расплавленный висмут или кадмий [38].
В 1944 г. фирма Vereinigte Aluminium-Werke AG указала на то, что большой недостаток применения валков в непрерывном литье заключается в том, что даже при незначительной деформации сплавов возникает ликвация. Чтобы устранить этот недостаток при изготовлении листов, полос и т. п. из лёгких металлов, было предложено подводить в прокатный стан жидкий металл совместно со струёй свинца или другого металла с более низкой температурой плавления и более высоким удельным весом. Лёгкий металл разливается на таком расстоянии от стана, которое обеспечивает его затвердевание до входа в прокатный стан.
Жидкая сталь и потери ее энергии в металлургических процессах
Техническая и экономическая целесообразность использования любого производственного отхода тепла определяется сочетанием его высокого температурного уровня, большой тепловой мощностью и непрерывностью выдачи [40]. Энергия стали обладает высоким температурным уровнем (1600 С), содержит большое количество теплоты (1400 МДж/т) среди прочих ВЭР, а непрерывная разливка стали по определению является одним из самых длительных процессов.
По мнению Семененко Н.А., наибольшее значение имеет температурный уровень, которым определяется качество тепла по формуле:" у где Т и 7о - абсолютная температура соответственно тепло вого отхода и окружающей среды. Оценку предлагается провести по коэффициентам: коэффициенту трансформации (сохранения) температуры и коэффициенту трансформации (сохранения) теплоты.
Коэффициентом трансформации (сохранения) температуры определим как коэффициент, указывающий на «качество» сохранения температуры, и определяется как отношение разности конечной температуры теплоносителя и начальной температуры теплоносителя к разности начальной температуры разливаемого металла и начальной температуры теплоносителя. Коэффициент не может быть больше 1.
Коэффициентом трансформации (сохранения) теплоты называется коэффициент, указывающий на сохранение теплоты и определяется как отношение разности конечной теплоты теплоносителя и начальной теплоты теплоно 27 сителя к разности начальной теплоты разливаемого металла и начальной тепло ты теплоносителя, коэффициент не может быть больше 1.Mm Mm Как показал аналитический обзор, проблема использования энергии металла была и остаётся актуальной. Так или иначе, появляются предложения использовать теплоту жидкого и уже сформированного металла. Эффективность трансформации (сохранения) тепла и температуры рассмотренных направлений подсчитана и приведена в таблице 2.1., исходные данные для проведённых расчётов приведены в приложении 1. Расчеты всех коэффициентов проведены в среде Excel.
Таблица 2.1 Коэффициенты трансформации (сохранения) теплоты и температуры3. Использование теплоты в установках ускоренного охлаждения металла (производится до 70 т/ч пара давлением 16 МПа, утилизи-руея до 45% теплосодержания металла.) [17] 0,83 0,224. Применение радиационных котлов-утилизаторов (подогрев воды с 55 С до В5 С и использование 46,7 % энергии металла на нагрев воды, при этом температура слябов в начале туннеля 800-900 С, а после туннеля 400 С). [13, 14] 0,20 0,055. Использование низкопотенциальной энергии воды с МНЛЗ (30 - 40 С) [15] 0,44 0,03
Автор книги [12] говорит о том, что одним из направлений использования энергии металла предлагается горячий посад (70О-Н300 С) в нагревательные ко 28 лодцы, который на практике широко распространён. Как показывают расчёты, при средней температуре посада в 750 С использованная энергия равна 472,5 МДж с каждой тонны, а коэффициенты трансформации (сохранения) теплоты и температуры — соответственно 0,34 и 0,37. Авторы источников [13, 14] описывают другое направление использования энергии жидкого металла. Предлагается в радиационном туннеле передавать теплоту жидкого металла воде, которая двигается по экранным трубам туннеля, подогревая воду с 55 С до 85 С. Рассчитанные коэффициенты трансформации (сохранения) теплоты и температуры в этом случае составили 0,2 и 0,05.
Ориентировочная оценка трансформации теплоты и температуры предложенного направления использования энергии жидкой стали автором книги [15] (использование низкопотенциальной теплоты, переданной в кристаллизаторе МНЛЗ от жидкой стали к воде), показывает, что коэффициент трансформации (сохранения) теплоты может составить 0,44, а температуры - практически приближается к нулю и составляет 0,03. Указанное в аналитическом обзоре использование горячего посада слябов в нагревательные печи и практические данные говорят о том, что температура слитков при горячем посаде составляет в среднем 550 G [17, 23]. В этом случае, как показано расчётами, коэффициенты трансформации (сохранения) теплоты и температуры составляют соответственно 0,27 и 0,38.
В этом же источнике [17] показан пример установки ускоренного охлаждения слябов, в которой металл перемещается в камере шагающими балками, которые подключены к системе испарительного охлаждения. При этом производится до 70 т пара в час с давлением 16 МПа, утилизируется 45% теплосодержания металла. Эти данные позволяют оценить коэффициенты трансформации (сохранения) теплоты и температуры, которые составляют 0,83 и 0,22 соответственно. Расчеты, приведенные в таблице 2.1, визуализированы на рисунке 2.1. Рисунок наглядно показывает, что коэффициенты преобразования энергии и теплоты намного ниже предельно возможных. Некоторые из ранее известных направлений использования энергии стали если и позволяют практически полностью использовать всю теплоту, то коэффициент трансформации (сохранения) температуры не превышает 0,47. А на самом распространенном технологическом оборудовании МНЛЗ коэффициент трансформации (сохранения) температуры приближается к нулю — 0,03. Это указывает, что ранее известные направления далеки от совершенных.
Общая постановка задачи
Непрерывно вытягиваемая пластина имеет толщину, малую по сравнению с длиной и шириной рис. 3.2. Пластина считается малой, если её толщина меньше ширины как минимум в десять раз [52]. Рассматриваемую пластину примем неограниченной, поскольку передачу теплоты будем рассматривать только в двух направлениях.
Для упрощённого решения задачи охлаждения такой пластины начальное распределение температур зададим функцией (л:,0) - /(#). Отсчёт температуры пластины для любого момента времени будем вести от температуры окружающей среды,
Для интенсивного охлаждения непрерывной полосы необходима организация двустороннего отвода теплоты. Считаем, что теплота существенно передается вдоль осей х и t. Поскольку теплота передается к теплоносителям (вверх и вниз по оси х) и вдоль листа (по оси t), задача теплопроводности является двумерной.
Жидкое железо подаётся между двумя теплоносителями (рис. 3.1), находящимися один под другим. Эти вещества не смешиваются с железом. Один слой материала имеет более низкий, а другой - более высокий удельный вес по сравнению с удельным весом разливаемого железа, как доказано ранее.
Разливаемое железо охлаждается, проходя три стадии. Участок интенсивного охлаждения жидкого железа - это участок распределения температур, внутри которого металл имеет одну температуру, близкую к температуре затвердевания. Участок II -участок, на котором образуется корочка и происходит дальнейшее затвердевание железа до центра пластины. Особенность этого участка заключается в выделении внутренней теплоты затвердевания, что значительно усложняет задачу. Участок III —это участок охлаждения твёрдой (сформировавшейся) полосы. Поскольку процессы фазового перехода здесь уже закончились и лист уже сформирован, задача охлаждения листа сводится к задаче охлаждения неограниченной пластины.
При построении математической модели был использован ряд трудов [31, 52,70-72,88-92].3.3. Исходные данные
Для расчета необходимо задаться некоторыми начальными характеристиками, геометрические, технологические и теплофизические данные сведены в таблицу 3.1. Геометрические и технологические параметры зададим изначально, причем интервал толщин получаемого литого листа обоснован тем, что, как правило, для получения качественной продукции достаточно пятикратного обжатия [37], таким образом, толщины в 5 мм достаточно, чтобы после обжатия получить лист с необходимыми прочностными характеристиками и толщиной меньше 1 мм. Скорость разливки (движение сред) задана в интервале от 1 до 10 м/с. Максимальное значение (10 м/с) соответствует средней скорости прокатки при толщине 5 мм на современных прокатных станах. Температура, при которой разливается металл (железо), как правило, не бывает ниже 1550 С, по скольку такой металл считается переохлажденным для разливки, и единичныслучаи, когда температура в промежуточном ковше превышает 1600 С. Минимальная температура теплоносителей в 150 С обусловлена тем, что свинцово-висмутовый сплав С-13 (выбранный для расчетов) кристаллизуется при температуре 123 С (табл 2.9).
Считаем, что температура существенно меняется вдоль осей х и у (рис. 3.1)и температура в данной точке не зависит от времени, поэтому — = 0,— -0.Распределение температуры в расплаве описывает уравнение энергии с учетом фазового перехода:
Для системы координат, связанной с произвольным объемом металла иучитывая оотношение - = v, можно считать, что задача для этого объема ЯВИТляется нестационарной:
Толщина полосы существенно меньше ее длины Нм «Y, причем скорость ее движения в направлении Y порядка 1 м/с.
Массовые расходы металла и подложки можно определить из условия неразрывности для металла и для подложки. Имеем: Gv = HMBvVpH,Gl! = H„BnVpn.
Будем считать, что распределение температуры в твердой, двухфазной ив жидкой области металла описывается уравнениями согласно теории квазиравновесной двухфазной зоны [90]. Температурное поле в двухфазной области разливаемого металла описывается уравнением теплопроводности с учетом выделения тепла кристаллизации [93]:где Г- температура металла, g(T) - доля твердой фазы, причем доля жидкой фазы S = \-g, Уравнения (3.3-3.5) пригодны для описания всего затвердевагощего слитка в целом, без выделения границ твердой, двухфазной и жидкой зон.
Используя подстановку - - = - -—, уравнение (3.3) примет следующийвид: При помощи созданной на основе компьютерной программы (редактор Visual Basic, встроенный в Excel) исследовалось, как изменяется длина жидкого участка и участка затвердевания от некоторых факторов, а именно, как зависят длины участков от: скорости движения потоков (скорости разливки); толщины разливаемой полосы; начальной температуры разливаемого металла; начальной температуры теплоносителей (верхнего и нижнего).
Наименьшее значение рассматриваемых параметров и результаты расчетов приведены в табл. 3.2, максимальные значения рассматриваемых параметров и результат расчета приведены в табл. 3.3, таким образом обозначены интервалы охлаждения жидкого и затвердевающего участков. Результаты расчета визуализированы на рис. 3.4, 3.5.
На рис. 3.4 видно, что на участке затвердевания верхняя часть разливаемого металла отдает теплоту, незначительно изменяя температуру, нижняя и средняя части начинают мгновенно переохлаждаются, а затем разогреваются за счет теплоты кристаллизации, выделяющейся верхними слоями разливаемогометалла.
На рисунке 3.5 приведены результаты расчета для охлаждения полосы при максимальных параметрах, которые принципиально похожи на графики для минимальных значений. Особенностью является то, что длины участков суще
Холодный эксперимент, с организацией противотока
Материалом для моделирования нижнего теплоносителя и организации подложки был выбран - свинец. В данном эксперименте материалом, моделирующим сталь, был выбран алюминий, поскольку является металлом, и есть возможность в лабораторных условиях работать с данным металлом при умеренных температурах (до 750 С). Кроме того, кристаллическая решетка у алюминия — гранецентрированная, у железа кристаллическая решетка бывает как объемно-центрированной, так и гранецентрированной, таким образом, строения кристаллической решетки схожи [49]. Алюминий имеет большое сродство с железом, но так же, как и железо, не взаимодействует (не перемешивается) со свинцом [96, 97].
Каждый комплекс должен иметь одно и то же значение для всех подобных между собой явлений, и это единственное количественное требование,; которое ограничивает свободу преобразования параметрических значений величин, непосредственно заданных согласно первоначальному условию задачи, при переходе к новому условию (определяющему явление, подобное первому). Это значит, что равенство значений комплексов, составленных из заданных по условию величин, есть единственное условие, необходимое (и достаточное) для подобия явлений [94].4.3.2. Схема экспериментальной установки Схема и принцип работы экспериментальной установки показаны на рис. 4.4. На рис. 4.5 представлена экспериментальная установка горячего эксперимента. для пуска)Как показано на рис. 4.4, в состав установки входят два одинаковых ковша 1 и 2, которые установлены в направляющих каркасах 3 и 4.
Каждый ковш имеет ёмкость 5 (изготовленную из стального листа толщиной 3 мм), которая предназначена для разогрева свинца 6. Для разогрева свинца и поддержания необходимой температуры в ковше имеется нижние 7 и боковые 8 спирали нагрева. Теплоизоляция из минеральной ваты 9 позволяет уменьшить тепловые потери. Твёрдый свинец разогревается и плавится в ковше 1. Термопары 10 и 11 позволяют следить за температурой свинца, причём термопара 10 фиксирует температуру в середине ковша, а термопара 11 - непосредственно температуру выпуска жидкой подложки, что и позволяет знать начальную температуру подложки. Клапан 12 позволяет начать и закончить выпуск теплоносителя, а также регулировать расход жидкой подложки. Когда ковш находится в нижнем положении и выполняет функцию приёмного сосуда, клапан 12 выполняет роль запорного устройства, которое позволяет удерживать жидкий теплоноситель в ковше.
После того как свинец 6 разогрет до необходимой температуры и клапан 12 открыт, свинец перетекает из полного ковша 1 в пустой ковш 2 по металлическому жёлобу 13. Поскольку температура окружающей среды (в лаборатории) не превышает 30 С, а температура кристаллизации свинца 330 С, необ ходимо обеспечить текучесть подложки и минимизировать либо компенсировать потери теплоты свинца в окружающую среду, для этого металлический жёлоб снизу равномерно обогревается спиралью накаливания 22, которая находится в керамической основе.
После того как режим течения жидкой подложки по наклонному жёлобу установился, на жёлоб 13 со стороны полного ковша 1 устанавливается промежуточный ковш 15. В промежуточный ковш заливается жидкий алюминий 14. Выливаясь из промежуточного ковша, алюминий попадает на жидкий свинец, металл начинает охлаждаться и кристаллизоваться, двигаясь с той же скоростью, что и жидкая подложка. После того как алюминий закристаллизовался, он продолжает охлаждаться и отдавать теплоту теплоносителю, тем самым его нагревая. Нагретый теплоноситель 17, стекая с металлического желоба, попадает в ковш 2, где и фиксируется его температура термопарами 18 и 19.
После того как ковш 1 опустошен, а ковш 2 наполнен, для повторного проведения эксперимента ковш один опускается в нижнее положение, ковш 2 поднимается и фиксируется на определённой высоте для придания нужного уклона жёлоба 13. Промежуточный ковш устанавливается со стороны ковша 2, и процесс проводится аналогично.
Металлический жёлоб 13 закреплён при помощи шарнира 20, который позволяет менять угол наклона для регулирования скорости движения теплоносителя 6.
В направляющих каркасах имеются отверстия 21, которые предназначены для фиксирования ковшей 1 и 2 для осуществления разного угла наклона металлического жёлоба 13.
Основной целью эксперимента было показать принципиальную возможность осуществимости предлагаемого способа при разливке металлов и экспериментального определения температуры подложки при разливке металла на жидкий теплоноситель. В состав схемы измерений (рис. 4.6) входит муфельная печь 1, которая нагревает и плавит алюминий до температуры разливки (ориен тировочно 700 С). После того как алюминий расплавляется в муфельной печи1, находясь в шамотном тигле, его температура замерялась термопарой прибора Termo Point 64. Промежуточный ковш 2 предназначен для формирования струи разливки металла в полосу. Жидкий алюминий 3, истекая через отверстие в промежуточном ковше 2 на жидкую подложку (теплоноситель, рис. 4.7) 4, затвердевает, после чего охлаждается 5.
