Теплофизические процессы при вторичном рафинирующем переплаве и их совершенствование методами математического моделирования

• Автор: Потапов, Виктор Иванович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 314 с. : ил.

Введение

Глава I. Математическое описание теплофизических процессов в печах

вторичного рафинирующего переплава.

1.1. Уравнения неразрывности, движения, энергии

1.2. Система уравнений, описывающих движение жидкой среды и теплообмен.

1.3. Начальные и граничные условия.

1.4. Математическое описание теплофизических процессов ВРП

с радиальным расположением электродов

1.5. Математическое описание теплофизических процессов

печи ЭШП.

1.6. Уравнения теплообмена в ОМС с жидкометаллическим теплоносителем.

1.7. Математическое описание теплофизических процессов в печи
Выводы к главе 1.
Глава И. Модели теплообмена в ОМС с учетом гидродинамики
2.1. Теплообмен в ОМС с не жидкометаллическими средами.
2.2. Теплообмен в ОМС с жидкометаллическими средами
Выводы к главе II
Глава III. Численное моделирование теплофизических процессов ВРП
3.1. Смешанная задача для системы операторов.
3.2. Схема численного решения уравнений
3.3. Алгоритм численного решения уравнений теплообмена.
3.4. Анализ устойчивости разностной схемы.
3.5. Оценка на адекватность математической модели теплофизических
процессов.
Выводы к главе III.
Глава IV. Оптимизация процесса переплава методами математического
моделирования.
4.1. Расчет оптимального комплекса силы тока, диаметра электрода,
глубины ванны
4.2. Определение зависимости глубины ванны от скорости охлаждающего теплоносителя и толщины стенки
кристаллизатора
4.3. Определение оптимальной толщины стружки, снимаемой с боковой поверхности слитка.
4.4. Оптимальное управление режимом выведения усадочной раковины слитка.
4.5. Получение однородной структуры слитка путем электромагнитного перемешивания
4.6. Оптимальное управление ОМС расходом одной из сред.
4.7. Математическое моделирование затвердевания поверхностных слоев слитков
4.8. Кинетика зародышеобразования
4.9. Обсуждение результатов расчета
4 Исследование дендритной структуры поверхностных слоев слитков
Выводы к главе IV
. Глава V. Математическая модель напряжннодеформированного состояния
слитка.
5.1. Тензор напряжений и уравнения равновесия
5.2. Тензор деформаций и уравнения совместности деформаций
5.3. Девиаторы напряжений и деформаций.
5.4. Линейноупругая определяющая зависимость.
5.5. Определяющие уравнения для линейной термоупруговязкой
среды.
5.6. Пластическая деформация и условие текучести
5.7. Определяющие уравнения при упругопластической деформации.
5.8. Уравнения напряжннодеформированного состояния слитка.
5.9. Потенциальная функция перемещений
5 Алгоритм численного решения системы уравнений .
5 Окружные напряжения в осевой зоне слитка
5 Локализация деформации в поверхностном слое слитка
5 Анализ условий зависания слитка на пояске.
Выводы к главе V
Глава VI. Экспериметальные исследования переплавных процессов
6.1. Технология вакуумного дугового переплава.
6.2. Эмпирические модели газового режима при ВДП
6.3. Упрощенные модели теплового режима при ВДП.
6.4. Методика экспериментальных исследований
6.5. Температура стенки кристаллизатора.
6.6. Влияние подачи гелия в зазор между слитком и стенкой
кристаллизатора.
6.7. Температура стенки кристаллизатора в зоне контактного пояска
6.8. Температура стенки кристаллизатора в электродной зоне
6.9. Теплоотвод через поддон кристаллизатора
6 Эмпирическая оценка температуры поверхности слитка ВДП
6 Оценка температурного градиента в краевой зоне слитка ВДП.
6 Оценка количества тепла, аккумулированного электродом.
6 Оценка потерь тепла путем излучения с боковой поверхности
электрода.
6 Оценка потерь тепла излучением с зеркала ванны
6 Расчет потерь тепла в результате утечки тока с боковой поверхности электрода.
6 Определение неизвестных коэффициентов э, в, ду.
6 Оценка глубины и формы жидкой ванны
6 Методика определения механических свойств слитка.
Выводы к главе VI
Заключение
Библиографический список
Приложение
Приложение 2
Приложение
Приложение
Приложение
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность


Электросопротивление шлака уменьшается по гиперболическому закону при увеличении коэффициента заполнения кристаллизатора. При уменьшении диаметра кристаллизатора от 0, м до 0, м в шлаковой ванне вместо двух замкнутых контуров движения шлака образуются четыре, а при диаметре кристаллизатора равным 0, м они становятся примерно равными по размерам. Рассчитали зависимости скорости движения ишака под электродом, скорости переплава и выделяющейся энергии от кристаллизатора. Определили влияние температуры ликвидус шлака и коэффициента термического расширения шлака на скорость переплава. В работе 8 рассмотрены распределение потоков и скорость движения шлака распределение температур и тепловых потоков в шлаке химические и физические процессы в шлаке. Движение шлака подчиняется основным законам гидродинамики и определяется электродинамическими силами и конвекцией. Оно описывается уравнениями неразрывности, НавьеСтокса, Максвелла и теплообмена. Аналитические исследования движения шлака показали, что оно, в основном, определяется гидродинамическими силами. Получена критериальная зависимость, позволившая создать физическую модель процессов в шлаковой ванне 3фазной электрической печи. Ыа основе результата, полученного на физической модели, установлены толщина термического поверхностного слоя шлаковой ванны и теплопроводность вдоль и поперек потоков в ванне при электрошлаковом литье 0 т массы металла. Уравнения предназначены для расчета баланса энергии в шлаковой ванне, который может быть использован для установления температуры шлака и мощности печи. Математическое моделирование электроннолучевого переплава рассмотрено в работе 3. Разработана математическая модель теплообмена для процесса электроннолучевого переплава. Модель позволяет найти распределение температуры в переплавляемом слитке на любой стадии процесса. Представлены и обсуждены результаты моделирования переплава , и Та. Тепло и массообмен в слитках ВДП рассмотрен в работе 6. Разработанная математическая модель процессов тепло и масоообмена при вакуумном дуговом переплаве использована для расчетов переплава сплавов i и в экспериментальной установке и в промышленной печи. Модель позволяет рассчитать форму и глубину ванны расплава, а также сегрегацию кислорода, обусловленную наличием межфазной поверхности. Представлены результаты расчетов в сопоставлении с экспериментальными данными. Исследование температурных полей в составных телах с подвижными границами проведено в работе . Для расчета 1, 2 и 3мерных нестационарных температурных полей в сложных конструкциях с подвижными границами, составленных из анизотропных в том числе тепловыделяющих материалов с различными и зависящими от температуры свойствами, разработан программный комплекс РАНЕТ. Вопросы термонапреженного состояния системы слиток изложница изучены в работе 6. Выполнен теоретический анализ условий формирования корочки затвердевающего слитка и возникновения термических напряжений в корке слитка и стенке изложницы. Путем оценки термонапряженного состояния системы слиток изложница разработана конструкция изложницы для т слитков спокойных сталей. Преимущества дуговых печей на постоянном токе и современные вакуумные печи представлены в работах 2, 2. На базе математической модели магнитного поля, предложенной автором , разработана математическая модель поля потока в расплаве при ЭШП и применена к лабораторной установке с кристаллизатором диаметром 0 мм. При переплаве электрода низкоуглеродистой легированной стали диаметром мм током 0 А под шлаком I СаО рассчитали поле потока в шлаковой ванне с использованием выбранных параметров. Результаты показывают, что в ванне возникает 2 водоворота один вверх вдоль внутренней стенки кристаллизатора через поверхность раздела газ шлак и к коническому концу электрода, другой вниз по оси симметрии системы. Максимальная скорость движения шлака достигается примерно в средней части оси ванны. Моделирование и расчеты выполнены для того, чтобы рассмотреть влияние тока переплава, степени наполнения и формы конца электрода.