Гидродинамика и тепломассоперенос в слитке, затвердевающем под теплоизолирующим слоем

• Автор: Жук, Виктор Иванович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Донецк
• Количество страниц: 234 c. : ил

Вв еде ни
1. Современное состояние вопроса
1.1. Химическая неоднородность слитка
1.2. Особенности математической постановки задачи о распределении примеси в условиях конвективного переноса
1.3. Распределение дисперсной фазы в кристаллизующемся слитке
1.4. Гидродинамика частиц в конвективных потоках расплава
1.5. Постановка задачи исследования
2. Теоретическое исследование распределения примеси при затвердевании бинарного расплава
2.1. Анализ затвердевания расплава при отсутствии перемешивания
2.2. Распределение примеси в условиях вынужденной конвекции
2.3. Распределение примеси в условиях свободной конвекции
2.4. Вы в о д ы
3. Исследование гидродинамики и тепломассопереноса в слитке, затвердевающем под теплоизолирующим слоем
3.1. Математическая модель конвективного тепломассопереноса в жидком ядре слитка
3.2. Анализ термоконцентрационной конвекции в условиях теплоизоляции зеркала металла
3.3. Распределение примеси в затвердевающем слитке
3.4. В ы в о д ы

4. Гидродинамика твердых частиц в конвективных потоках
расплава
4.1. Математическая модель поведения частиц
4.2. Гидродинамика неметаллических включений
4.3. Перемещение кристаллов
4.4. В ы в о д ы
3 а к л ю ч е н и е
Л и т е р а т у р а
П р и ло ж е н и е

Проблема получения качественного металла является в настоящее время одной из наиболее актуальных в металлургии. Возможности управления структурой, химической неоднородностью и распределением включений при затвердевании слитка в изложнице ограничены, так как причины образования многих дефектов в слитке еще не выявлены. Многообразие явлений, происходящих при кристаллизации, пока не могут быть описаны в рамках единой теории. Известно, какую важную роль при получении слитка играют процессы конвективного тепломассопе-реноса в жидком ядре затвердевающего расплава. Трудности в экспериментальном изучении этого вопроса заставляют исследователей искать другие цути подтверждения ряда предположений, гипотез и косвенных факторов. Значительный успех в этом направлении достигнут благодаря математическому моделированию процессов, происходящих при кристаллизации. Разработка и реализация соответствующих моделей позволяет, несмотря на ряд приближений и допущений, подучить важные результаты. В этом случае отдельные экспериментальные данные и косвенные факты могут служить подтверждением правильности принятой модели. В то же время перед исследователем открываются перспективы прогнозирования и возможности управления качеством слитка.
Рассматриваемая в настоящей диссертации проблема связана с конкретным процессом, имеющим место в большинстве современных технологий получения слитка в изложнице: затвердевание расплава в условиях теплоизоляции зеркала металла. Этот способ получения слитков при разливке под теплоизолирующим слоем нашел широкое применение при выплавке как черных, так и цветных металлов благодаря тому, что он позволяет совратить размеры области, занятой усадочной раковиной, рыхлостью и пористостью и тем самым увеличить выход

дения включений в расплаве. С этой целью в раде работ /53,55,57/ применен метод физического моделирования, в котором жидкая сталь с тем или иным содержанием углерода моделируется прозрачным расплавом со взвешенными в нем включениями. Поведение включений фиксировали визуально и фотографированием. Обнаружено, что движение частиц в значительной мере подвержено влиянию естественного конвективного течения. Повышение температуры расплава приводит к ускорению очищения жидкой сердцевины слитка. Однако это происходит не за счет их более интенсивного всплывания, а за счет ускоренного опускания в донную часть слитка вследствие тепловой конвекции, где они и фиксируются /53/. С увеличением содержания примеси фиксация включений в теле слитка происходит более интенсивно /55/, что связано с концентрационной неоднородностью /67/. Фиксация включений в слитке осуществляется двумя путями: "захватом" включений щеткой дендритов, растущих от боковых стенок изложницы и образованием на включениях кристаллов тугоплавкой фазы расплава, приводящее к их утяжелению /53/. Несмотря на то, что моделировалось поведение по сути экзогенных включений, плотность которых мало отличалась от плотности расплава, полученные результаты и выводы имеют большое значение для качественного анализа гидродинамики частиц в жидкой стали.
Точное математическое описание закономерностей движения частиц в вязком потоке не представляется возможным вследствие сложного механизма взаимодействия частиц с потоком и гидродинамическим взаимодействием между частицами. Исследования в этой области основаны на полуэмпирических методах и простейших математических моделях, использующих данные при обтекании одиночных частиц стоксовым потоком /66/. Как отмечалось выше, модель двухфазной среды /44-46/ не может пока быть применимой к описанию поведения включений и кристаллов из-за отсутствия информации об объемной концентрации