Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллизатор является важнейшим узлом машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), т.к. эффективность его работы во многом определяет качество разливаемых на МНЛЗ заготовок, производительность МНЛЗ и себестоимость разлитого металла. Важнейшим процессом, протекающим в кристаллизаторе, является процесс теплопередачи от затвердевающего металла 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, процесс теплопередачи от слитка к охлаждающей воде в кристаллизаторе описан недостаточно полно и адекватно и, кроме того, организован недостаточно совершенно. Так, в настоящее время отсутствуют математические модели теплообмена слитка с кристаллизатором, позволяющие рассчитывать величину зазора между слитком и рабочей стенкой кристаллизатора, представляющего наибольшее термическое сопротивление от слитка к охлаждающей воде. В результате, практически отсутствуют способы эффективного управления теплопередачей от слитка к кристаллизатору. Отсутствуют математические модели, в которых процессы охлаждения, затвердевания и усадки слитка являются взаимосвязанными, в результате чего отсутствуют надежные методики расчета рационального теплового профиля рабочей стенки кристаллизатора, при котором обеспечивается высокая интенсивность теплопередачи и исключается деформация оболочки слитка. Кроме того, отсутствуют инженерные методики, позволяющие достаточно точно рассчитывать термическое сопротивление рабочей стенки щелевого кристаллизатора, на основе которых можно проводить оптимизацию геометрических и теплотехнических параметров рабочей стенки кристаллизатора.
Исследования осуществлялись в рамках научного направления «Энергетика» по тематическому плану Министерства образования и науки по теме «Исследование теплофизических процессов, протекающих в рабочей стенке кристаллизатора и в слое защитного шлака при взаимодействии с затвердевающим металлом», номер государственной регистрации НИР 01201051825 от 19.02.2010.
Цель исследования – совершенствование методик расчета и интенсификация процесса теплопередачи в кристаллизаторе МНЛЗ с целью улучшения качества металла и снижения эксплуатационных затрат.
Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следущие задачи:
1. Разработать математическую модель теплообмена слитка с кристаллизатором, позволяющую рассчитывать величину зазора между слитком и рабочей стенкой.
2. Установить влияние теплофизических параметров смазки и металла на процессы охлаждения и затвердевания слитка в кристаллизаторе.
3. Разработать методику расчета усадки слитка и выбора рационального профиля рабочих стенок кристаллизатора, обеспечивающего высокую интенсивность теплообмена слитка с кристаллизатором.
4. Разработать методику расчета эффективного коэффициента теплопроводности расплава, включающую расчет средней скорости циркуляции расплава в кристаллизаторе и коэффициента теплоотдачи от расплава к твердой фазе.
5. Установить влияние конструктивных и теплотехнических параметров на величину термического сопротивления рабочей стенки.
6. Разработать инженерную методику расчета термического сопротивления рабочей стенки щелевого кристаллизатора.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработана математическая модель теплообмена слитка с рабочей стенкой кристаллизатора МНЛЗ, позволяющая рассчитывать величину зазора между слитком и рабочей поверхностью кристаллизатора.
-
Разработана инженерная методика расчета эффективного коэффициента теплопроводности жидкого ядра слябовых заготовок, отличающаяся учетом скорости разливки, размеров сляба и отверстий разливочного стакана.
-
Разработана инженерная методика расчета эффективного коэффициента теплоотдачи от рабочей стенки щелевого кристаллизатора к охлаждающей воде, учитывающая двухмерность температурного поля в рабочей стенке.
-
Разработана методика расчета усадки слитка в кристаллизаторе, учитывающая взаимосвязанность процессов охлаждения и затвердевания слитка в кристаллизаторе.
Практическая значимость 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 теплофизических параметров рабочей стенки щелевого кристаллизатора, позволяющие снизить термическое сопротивление рабочей стенки, уменьшить расход охлаждающей воды, снизить расход меди на изготовление рабочей стенки и в целом повысить эффективность и надежность работы кристаллизатора.
Обоснованность и достоверность результатов исследования
Обоснованность обеспечивается использованием апробированных базовых математических моделей, подходов и допущений, основанных на фундаментальных законах тепломассопереноса, а также современных методов теоретических исследований; достоверность обеспечивается согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными других авторов.
Апробация работы. Основные разделы работы докладывались на I и II Международных научно-технических конференциях «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2005, 2006), VIII межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2007), XVIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии», (Н. Новгород, 2007), V Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону» (Вологда, 2007), межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития ПДВС» (Санкт-Петербург, 2008), Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2006).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 17 научных работах, в том числе 1 – в издании, рекомендованном ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 5] – математическая модель теплопередачи в слое теплоизолирующего шлака; [6] – инженерная методика расчета эффективного коэффициента теплопроводности жидкого металла в кристаллизаторе; [7, 14] – обработка экспериментальных данных; [12] - методика расчета усадки слитка в кристаллизаторе; [3, 9, 10, 11, 13, 17] – проведение расчетов; [2, 4] - аналитическое решение для расчета температурного поля рабочей стенки щелевого кристаллизатора; [15, 16] - инженерная методика расчета теплопередачи в рабочей стенке щелевого кристаллизатора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Основная часть содержит 157 страниц, 73 рисунка, список литературы, состоящий из 148 наименований.
