Исследование охлаждения и затвердевания слитка квадратного сечения в сортовой машине непрерывного литья заготовок

• Автор: Зимин, Сергей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.02.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Череповец
• Количество страниц: 132 с. : ил.

1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Роль процессов теплообмена при непрерывной разливке стали

1.2. Математическое моделирование процесса затвердевания слитка

1.3. Охлаждение и затвердевание слитка в кристаллизаторе

1.4. Теплоотдача от слитка в зоне вторичного охлаждения

1.5. Затвердевание слитка в МНЛЗ

1.6. Выводы по главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ СЛИТКА В МНЛЗ

2.1. Уравнение температурного поля слитка

2.2. Геометрические и физические условия

2.3. Начальные и граничные условия
2.4. Сравнение затвердевания сляба и слитка квадратного сечения
2.5. Выводы по главе
3. ТЕПЛООБМЕН СЛИТКА С КРИСТАЛЛИЗАТОРОМ :
3.1. Взаимосвязь средней и локальной плотности теплового потока
3.2. Экспериментальное исследование теплообмена слитка
с кристаллизатором сортовой МНЛЗ
3.3. Аппроксимация плотности теплового потока
от слитка к кристаллизатору
3.4. Выводы по главе
4. ОХЛАЖДЕНИЕ И ЗАТВЕРДЕВАНИЕ СЛИТКА В ЗВО
4.1. Взаимосвязь параметров охлаждения и затвердевания слитка
4.2. Измерение температуры поверхности слитка в ЗВО

4.3. Определение теплоотдачи в ЗВО на основе измерений
температуры поверхности слитка
4.4. Определение теплоотдачи в ЗВО методом теплового баланса
4.5. Затвердевание сортового слитка в МНЛЗ
4.6. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

Актуальность работы. Во всем мире особое место уделяют совершенствованию процесса' непрерывной разливки и увеличению количества стали, производимой на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Организация охлаждения слитка в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения (ЗВО) МНЛЗ во многом влияет на затвердевание слитка и на производительность МЫЛЗ. Процесс затвердевания слитка в*,настоящее время рассчитывается численно на основе квазиравновесной модели затвердевания, однако в этой; модели нужно корректно задавать условия, теплообмена на поверхности слитка в кристаллизаторе и; ЗВО; и учитывать конвективный теплообмен в жидком ядре слитка.
При разливке слитков квадратного сечения 100x100 на-сортовой МНЛЗ ЧерМК ОАО «Северсталь» скорость вытягивания заготовки достигает 6,5 м/мин и даже выше. При таких скоростях экспериментальные исследования теплообмена слитка с кристаллизатором практически не проводились.. Отсутствуют зависимости, определяющие теплообмен; заготовки с рабочей стенкой кристаллизатора во все моменты пребывания слитка в кристаллизаторе.
В ЗВО сортовой МНЛЗ установлены водяные форсунки и удельный расход воды на поверхность слитка в первой, зоне после кристаллизатора достигает 85 м3/(м2-ч); и, выше. При таких удельных расходах . теплоотдача при форсуночном водяном охлаждении в промышленных условиях не исследовалась. Отсутствуют зависимости, позволяющие определять теплоотдачу в зависимости от удельного расхода воды в условиях сортовой МЫЛЗ.
В связи с отсутствием зависимостей,: отражающих теплообмен на поверхности слитка в кристаллизаторе и ЗВО сортовой МНЛЗ' не представляется возможным точный расчет процесса затвердевания слитка, в частности, определение глубины жидкой фазы при различных скоростях
где к = 0,41 - равновесный коэффициент распределения примеси в среднеуглеродистой стали. При Ч^3 = 0,5 последняя' формула упрощается и
углерода 0,45 % А=0,41; = 1442 °С; ta = 1496 °С; средняя температура
затвердевания, рассчитанная при 'Р3= 0,5 , равна 1г = 1480 °С.
Далее в расчетах процесса затвердевания* коэффициент теплопроводности внутри слитка задается следующими выражениями:
где Дч(0 - зависимость молекулярного коэффициента теплопроводности от температуры; Г, - средняя температура затвердевания стали; Хэф - эффективный коэффициент теплопроводности жидкого ядра слитка, который можно определить следующим образом.
Пусть аж - средний коэффициент теплоотдачи от жидкой стали к межфазной границе. Расплавленная сталь поступает в кристаллизатор с температурой /,к0, превышающей температуру ликвидуса стали /л. Рассмотрим подвижный элемент квадратного жидкого слитка длиной сЬ с периметром В = 2-(2Л + 2А') = 8А. Пусть - средняя- температура жидкого металла в
данном сечении. Будем считать, что жидкий металл, несмотря на циркуляцию, в среднем перемещается вместе со слябом, а циркуляция приводит к выравниванию температуры жидкого металла по сечению. Масса жидкого металла в элементе сляба длиной сЬ, если пренебречь толщиной твердой фазы, равна М = р-2/Ь2/1-г/г, где р - плотность стали, кг/м3. За время с1х средняя температура жидкого металла в данном сечении понизится на Лж. Энтальпия рассматриваемой массы жидкого металла понизится на величину
с11 ~ сж ■ М ■ (скж/с1т)-с1т, где сж - теплоемкость жидкого металла, Дж/(кг°С); Такое же количество теплоты передается от жидкого металла к межфазной
принимает
Например, для стали с содержанием
V л *3 у
(2.18)