Магистерская Работа

Тема магистерской работы: “Разработка теплотехнических основ для оптимизации тепловой работы сортовых МНЛЗ’’ (На  ОАО «ЕМЗ»)

Цель работы: Определение  основных режимов для разливки марки стали 25Г2С.

Задачи работы:  1. Промоделировать температурное поле формирующейся заготовки при существующих параметрах разливки (скорость разливки, расход первичной воды, расход вторичной воды по секторам, температура  стали в стальковше, температура стали в промежуточном ковше).

2. Проанализировать температурное поле и выявить препятствия для разливки марки стали 25Г2С.

3. Выработать параметрами температурно-скоростного режима, позволяющая разливать марку стали.

Основные технологические данные МНЛЗ ОАО «ЕМЗ» приведены в таблице1.

 Таблица1-Основные технические данные МНЛЗ ОАО «ЕМЗ»

 Основные тенденции развития технологии и инжиринга сортовых машин для непрерывной разливки стали показали, что для условий производства  на ОАО «ЕМЗ» представляются важными улучшение  качества непрерывных слитков, повышением производительности МНЛЗ, расширение перечня марок разливаемых сталей.

С этой целью  необходимо для данной марки стали:

- установить связь между температурным полем формирующейся заготовки  и параметрами разливки (скорость разливки, расход первичной воды, расход вторичной воды по секторам, температура  стали в стальковше, температура стали в промежуточном ковше);

-Выработать параметры температурно-скоростного режима, позволяющие разливать данную марку стали.

 Данная задача  в какой-то мере может быть решена в результате проведения опытно-промышленных испытаний. С одной стороны они являются достоверными, но с другой стороны они ограничены, так как измерить температуру можно только на поверхности,  а для моих исследований необходимо  знать температуру по всему сечению заготовки. Поэтому на начальных этапах исследования целесообразным является проведение предварительных исследований при помощи метода математического моделирования. Практическая задача  определения динамики  затвердения расплава, включающая определение температурного поля, толщины твердой корки и скорости продвижения фронта затвердевания, а также времени полного затвердевания слитка и глубины жидкой фазы. Определение этих параметров позволит более конкретно анализировать сложные явления, сопровождающие процесс формирования кристаллической структуры непрерывного слитка

Математическая модель кристаллизации непрерывного слитка рассматривается как результат протекающих одновременно тепловых, диффузионных и гидродинамических явлений. При фундаментальном теоретическом подходе требуется анализ всего комплекса явлений, происходящих в слитке—   термодинамических, диффузионных и тепловых.

Однако при этом система уравнений получается сложной и трудно применимой для практических инженерных расчетов.

Поэтому в своей работе я использую упрощенный вариант этой модели для анализа исследования теплового режима формирования слитка. Формирование слитка обусловлено совместным протеканием процессов затвердевания и кристаллизации, которые являются неразрывными сторонами сложного процесса перехода металла из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации связан с условиями возникновения и роста кристаллических зародышей, а процесс затвердевания, связанный, прежде всего с теплоотводом, определяет окончательное формирование твердой фазы слитка.

Таким образом, теплоперенос в условиях фазового превращения определяет обе стороны процесса перехода металла из жидкого в твердое состояние (в частности температурное поле слитка) являются главными факторами.

Процесс затвердевания непрерывного слитка,  связанный с теплоотводом, определяется теплофизическими свойствами металла: теплопровод­ностью (λм), теплоемкостью (См) и скрытой теплотой кристаллизации (или теплотой фазового превращения) (q_кр). Скрытая теплота кристал­лизации физически соответствует энергии, которую необходимо отвести от металла при переходе от неупорядоченной структуры жидкости к упорядоченной кристаллической структуре твердой фазы. При этом энергия тепловых колебаний атомов не изменяется, что и соответствует постоянству температуры при этом переходе.

Затвердевание сплавов, к которым относится и сплав железа с углеродом, проходит в интервале температур ликвидуса (tл) и солидуса (tc).  Эти температуры для равновесного состояния определяются диаграмма состояния сплавов железо —углерод.

Скрытая теплота кристаллизации сталей выделяется в пределах двухфазной зоны в интервале (tл - tc). Численная величина  q_кр  зависит с природы сплава и его химического состава. Стремление интенсифицировать процесс непрерывной разливки стали наталкивается на трудности, связанные с ограничением скорости затвердевания.

На основании опытов некоторыми авторами установлено, что  при непрерывной разливке стали в течение первых 5 с затвердевание  идет при максимальном отводе тепла. Плотность теплового потока изменяется от 4,5 до 1,16 мВт/м², а скорость затвердевания изменяется в пределах от 120-200 до 50 мм/мин.

По  данным В. Т. Сладкоштеева  и  др.  в условиях МНЛЗ максимальная скорость кристаллизации составляет 1,0 – 1,1мм/с.

В начальный период разливки средняя скорость затвердевания  в кристаллизаторе при увеличении толщины слитка не изменяется. Существенное влияние  на скорость затвердевания оказывают соотношения поверхностного объема заготовки и сторон. Для углеродистых сталей на выходе из кристаллизатора скорость затвердевания изменяется в пределах 15-22мм/мин.

По данным М.С.Бойченко и В.С.Рутеса в зоне вторичного охлаждения основную долю в теплоотводе составляет тепло, отводимое от твердой корки слитка. Скорость затвердевания не зависит или мало зависит от интенсивности охлаждения, а зависит, в основном, от толщины слитка. Величины скорости затвердевания для слитков разной толщины изменяются от 7 - 12 до 12 -16мм/мин; средняя скорость кристаллизации для круглых слитков составляет 9 – 10мм/мин.

В работе В. Т, Сладкоштеева и др. показана интересная особенность затвердевания криволинейного непрерывного слитка. В начальный период скорость затвердевания несколько выше по грани меньшего радиуса r, а затем -по грани большего радиуса R. На основании экспери­ментальных данных установлено, что скорость кристаллизации возра­стает с увеличением расхода воды на вторичное охлаждение.

Из приведенных литературных данных следует, что скорость затверде­вания зависит от формы и размеров слитка, от ряда технологических и теплотехнических факторов и изменяется в широких пределах. В связи с этим при проектировании необходимо определять скорость затвердева­ния для каждого конкретного случая в зависимости от конструктивных и режимных параметров работы МНЛЗ.

Точное знание факторов, которые оказывают влияние на процесс затвердевания приобретает принципиальную важность с точки зрения, как проектирования, так и эксплуатации действующих МНЛЗ. Это связано с тем, что время полного затвердевания слитка при заданной скорости разливки определяет длину жидкой фазы (L_Ж), которая является одним из важнейших параметров проектирования установки.

В общем случае протяженность зоны вторичного охлаждения определяется максимальной длиной, которую может достигать жидкая сердцевина слитка или металлургическая длина. Суммарная длина кристаллизатора и ЗВО определяют общую высоту и протяженность технологической линии МНЛЗ.

Влияние процесса затвердевания необходимо учитывать как на стадии проектирования, так и при определении производственной эффективности МНЛЗ. Скорость затвердевания является одним из важнейших факторов, определяющих структурообразование непрерывного слитка. Кроме того, знание закономерностей затвердевания необходимо для анализа напряженного состояния слитка.

Величина термических напряжений определяется перепадом температур по сечению (толщине) затвердевшей корочки. Как показывают опыты, уже в течении первых 5-10с от начала разливки перепад температур по толщине корочки составляет 100-2000С, что может привести к возникновению значительных термических напряжений. В связи с этим знание процесса затвердевания представляет собой фундаментальную основу для соответствующего выбора таких основных параметров разливки как скорость разливки, интенсивность и характер первичного и вторичного охлаждения, температуры  металла.

Описание математической модели

 В основу математической модели положено дифференциальное уравнение теплопроводности нестационарной теплопроводности с внутренними источниками тепла в интервале температур ликвидус-солидус.

При построении модели приняты следующие допущения:

-начало координат движется вниз вместе со слитком с постоянной скоростью, равной скорости вытягивания;

-перенос тепла вдоль оси (в направлении вытягивания ) пренебрежимо мал по сравнению с переносом тепла в поперечных направлениях;

-граничные и начальные условия симметричны относительно геометрических осей симметрии слитка

-для задания граничных условий вдоль технологической оси слитка выделяются такие  характерные зоны:  кристаллизатор, ЗВО, зона свободного охлаждения (на воздухе).

Дифференциальное уравнение теплопроводности для двухмерной задачи (учет выделения теплоты кристаллизации осуществляется за счет введения величины эффективной теплоемкости Сэ):

                      

где  ρ– плотность металла, кг/м³;

         – субстанциальная производная температуры;                 

   Величина эффективной теплоемкости задается в виде системы:

   где   t_л, t_с – температуры ликвидус и солидус соответственно, ˚С;

           q_кр – теплота кристаллизации, Дж/кг;

              - скорость затвердевания сплава м/мин

 -относительное количество еще не выделившегося тепла кристаллизации. Vтв и V₀ – соответственно объемы всего                                                                                                       расплава и твердой фазы. Ψ=0 для жидкой фазы, Ψ=1 для полностью затвердевшей части слитка и для двухфазной зоны может изменяться от нуля до единицы.

Таким образом, учет выделения теплоты кристаллизации в двухфазной зоне сводится к соответствующему заданию зависимости Сэ=Сэ(t)

 

Начальные условия

Начальные условия задают распределение значений физических величин в исследуемой области в начальный момент времени. В данной работе задание начальных условий  ограничено определением поля температур в «нулевой» момент времени, то есть на мениске. При этом предполагается, что температура жидкого металла одинакова по сечению и задается следующим условием:

  Граничные условия

 Наиболее эффективным является использование для описания теплообмена между заготовкой и охлаждающей средой граничных условий третьего рода

 Вышеприведенные системы уравнений вместе с условиями однозначности представляет собой полную формулировку математической модели процесса затвердевания непрерывного слитка.

Решение этой системы позволяет определить температурное поле непрерывного слитка в любой момент времени от начала формирования оболочки слитка на уровне металла в кристаллизаторе и другие параметры, а также исследовать влияние внешних условий на тепловой режим формирования слитка.

 Использованная литература

 1.Металлургические мини-заводы: Смирнов А.Н., Дорохова Л.В., Цупрун А.Ю.- Донецк: Норд-Пресс,2005.-469с.

2.Тепловая работа непрерывного литья заготовок. Емельянов В.А. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Металлургия, 1988, 143с.

3.Научно-технический журнал «Металлургическая и горнорудная  промышленность »

Особенности процесса охлаждения заготовки в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ

Е.М. Дымченко, А.Ю. Оробцев, С.М. Стриченко,С.Г. Бутаков, А.Ю. Жиглявский./2004.