Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокие темпы роста доли стали, разливаемой на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) объясняются экономическими и техническими преимуществами этой технологии: сокращением цикла металлургического производства, снижением расхода энергии и удельных капитальных затрат, повышением выхода годного и улучшением качества производимого продукта.
Производительность процесса непрерывной разливки и качество заготовок в значительной мере определяются тепловыми процессами, протекающими как в элементах оборудования, так и в разливаемом металле. Теплофизическим аспектам формирования непрерывного слитка посвящено значительное количество монографий и научных статей, изданных в нашей стране и за рубежом. Основополагающими являются работы Г.П.Иванцова, А.И.Вейника, А.А.Скворцова, А.Д.Акименко, Д.П.Евтее-ва, Ю.А.Самойловича, Е.М.Китаева, В.Т.Борисова. Теория тепловых процессов, протекающих при кристаллизации непрерывного слитка, развита в трудах В.Т.Сладкоштеева, В.С.Рутеса, М.Я.Бровмана, А. Н.Шич-кова, О.А.Шатагина, Д.А.Дюдкина, А.И.Манохина, З.К.Кабакова, В.И.Дождикова и др.. Тепловая работа роликов МНЛЗ описана в трудах В.М.Нисковских, С.Е.Карлинского, Ю.ВДенисова, А.В.Третьякова, Р.И.Непершина, В.П.Козлова, В.И.Губинского, В.М. Губы и др..
Значительное расширение марочного сортамента разливаемых сталей, увеличение производительности, ужесточение требований к качеству заготовок требует дальнейшего развития теории тепловых процессов, протекающих в кристаллизующемся металле и в элементах оборудования МНЛЗ.
Целью работы является развитие теории тепловых процессов, протекающих в непрерывноотливаемом слитке и элементах оборудования МНЛЗ - кристаллизаторе и роликах зоны вторичного охлаждения, разработка на основе этого инженерных методов расчета теплообмена при непрерывной разливке стали, совершенствование технологии разливки и конструктивных элементов МНЛЗ, разработка способов контроля и управления процессом разливки в направлении повышения производительности МНЛЗ, увеличения стойкости оборудования и улучшения качества слитка.
Поставлеішая цель достигается путем экспериментального исследова-
ния теплообмена в натурных и лабораторных условиях, аналитического и численного решения систем дифференциальных уравнений теплообмена с учетом результатов натурных замеров, расчета напряженно - деформированного состояния слитка и элементов оборудования МНЛЗ. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Получены аналитические решения трехфазной задачи Стефана при различных граничных условиях, с использованием которых установлен характер влияния основных определяющих параметров (критерий Био, Коссовича, Стефана, трансляционного теплопереноса и т.д.) на температурное поле затвердевающего непрерывноотливаемого слитка и динамику роста твердой фазы.
-
Получены аналитические решения задач Неймана, Дирихле и Дирихле - Неймана для прямоугольной области с вырезанными областями прямоугольной, круглой и сегментной формы, использованные для расчета термического сопротивления и температурного поля рабочей стенки кристаллизатора, оснащенного одно - и двухрядной системой охлаждения с каналами различной конфигурации. Установлена зависимость термического сопротивления и температурного поля рабочей стенки кристаллизатора от теплофизических параметров материала, геометрических характеристик водоохлаждаемых каналов, шага их расположения и величины удаления от рабочей поверхности.
-
Разработаны и научно обоснованы математические модели:
- теплообмена во вращающемся двухслойном полом цилиндре при
внешнем переменном контактном и конвективно - лучистом теплообмене
и прямоточно - противоточной схеме движения теплоносителя внутри
цилиндра при переменной степени заполнения полости;
напряженно - деформированного состояния кольцевого тела в условиях локального действия внутренних источников теплоты, перемещающихся с переменной скоростью;
теплообмена во вращающемся полом теле переменной массы в условиях конвективного теплообмена на поверхности полости и конвективно - лучистого теплообмена на внешней поверхности при наличии локально-действующего источника теплоты, перемещающегося по периодическому закону.
На основе реализации математических моделей, адаптированных по результатам натурных замеров, установлена закономерность распределения тепловых потоков, температуры и термических напряжений в ролике
1 І
МНЛЗ при его эксплуатации; установлена связь этих характеристик с технологическими параметрами процесса разливки (расход охладителя, степень наполнения канала водой, толщина слоя накипи на поверхности канала, скорость разливки, пространственное расположение ролика по отношению к слябу). Установлена функциональная связь величины усадки бандажных колец при термоструктурной обработке роликов с определяющими критериями процесса. Установлен характер влияния технологических параметров процесса плазменной наплавки на распределение температуры и термических напряжений в ролике.
4. Разработана и научно обоснована математическая модель напря
женно - деформированного состояния оболочки слитка при непрерывной
разливке стали и на основе этого установлена функциональная связь:
технологических параметров процесса разливки, механических и теп-лофизических характеристик разливаемого металла, формы технологической оси криволинейной МНЛЗ с характеристиками деформационных процессов на границе раздела фаз;
усилий, действующих на поддерживающие ролики радиальной и криволинейной МНЛЗ, с конструктивными характеристиками машины, технологическими параметрами процесса разливки, механическими и тепло-физическими свойствами разливаемого металла.
5. Получено аналитическое решение задачи о затвердевании металла
в интегральной форме и на основе этого установлен характер влияния
определяющих параметров (критерий Био, Коссовича, Стефана, Нуссель-
та, трансляционного теплопереноса и др.) на распределение тепловых
потоков в поперечном сечении непрерывноотливаемого слитка и вдоль
технологической оси.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в следующем:
1. Разработаны инженерные методики расчета:
температурного поля непрерывноотливаемого слитка как в пределах кристаллизатора, так и в зоне вторичного охлаждения;
температурного поля и термического сопротивления рабочей стенки кристаллизатора, оснащенного различными системами охлаждения;
тепловой работы кристаллизатора;
положения базовой плоскости радиальной и криволинейной МНЛЗ;
формы технологической оси криволинейной МНЛЗ;
шага расположения роликов с учетом различных факторов, влияю-
1 I
щих на деформацию оболочки слитка;
- усилий, действующих на поддерживающие ролики.
-
Разработаны конструкции кристаллизаторов с оптимальной формой и расположением охлаждающих каналов.
-
Разработана и реализована в промышленных условиях усовершенствованная технология эксплуатации роликов при непрерывной разливке стали.
-
Разработаны и изготовлены бандажированные ролики новой конструкции с оптимизированными геометрическими характеристиками бандажных колец.
-
Разработана и реализована в промышленных условиях технология изготовления бандажированных роликов методом термоструктурной обработки.
-
Разработана и реализована в промышленных условиях усовершенствованная технология изготовления и восстановительного ремонта роликов методом плазменной наплавки.
-
Разработан способ контроля уровня металла в кристаллизаторе методом ультразвуковой локации. Разработано, изготовлено и реализовано в промышленных условиях устройство для осуществления этого способа.
-
Разработан способ непрерывного контроля толщины оболочки слитка на выходе из кристаллизатора по результатам косвенных замеров, успешно прошедший промышленные испытания.
-
Разработан ряд способов управления процессом непрерывной разливки стали и устройств для их осуществления, часть из которых успешно испытана в промышленных условиях.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международных конференциях: "Кристаллизация и компьютерные модели" (г.Ижевск, 1992 г.), "Теплотехнология непрерывной разливки стали и горячей листовой прокатки" (г.Вологда, 1991 г.), на Всесоюзных конференциях: "Управление распределенными системами с подвижным воздействием" (г.Куйбышев, 1983 г.), "Состояние и перспективы развития средств измерения температуры" (г.Львов, 1984 г.), "Поверхности раздела, структурные дефекты и свойства металлов и сплавов" (г.Череповец, 1988 г.), "Передовой опыт производства стали, ее внепечной обработки, разливки в слитки и получения кузнечных заготовок" (г.Волгоград, 1989 г.), "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации сплавов и компьютерное моделирование" (г.Ижевск, 1990 г.), "Ресурсо-
сбережение в производстве листового проката" (г.Москва, 1990 г.), "Металло- и энергосберегающая' технология термической и химико - термической обработки" (г.Москва, 1990 г.), "Прогрессивная технология и оборудование для нагрева заготовок под ковку, штамповку, термообработку. Автоматизация и механизация средств нагрева" (г.Москва, 1990 г.), "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (г.Свердловск, 1990 г.), "Методология измерений" (г.Ленинград, 1991 г.), "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико - термической обработки в машиностроении и металлургии" (г.Новокузнецк, 1991 г.), "Комплектование и сборочные процессы" (г.Севастополь, 1991 г.), "Измерительные и информационные системы" (г.Санкт-Петербург, 1991 г.), на Межреспубликанской конференции "Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин" (г.Волгоград, 1991 г.), на межвузовских конференциях "Тепловые процессы при производстве листового проката" (г.Череповец, 1981 г., 1983).
Публикация работы. Основное содержание работы опубликовано в двух монографиях, одном учебном пособии, 51 статье в научных журналах и сборниках, 32 технических решения признаны изобретениями, ряд статей переиздан за рубежом.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, содержит 269 стр. текста, 91 рисунок, список литературы (251 наименование), приложение (164 стр.).