Раздел 2
Исследование процесса перелива металла из промежуточного ковша в кристаллизатор
с применением методов физического моделирования
2.1. Методика и аппаратура исследования процесса перелива металла из
промежуточного ковша в кристаллизатор при непрерывном литье заготовок
Одним из наиболее эффективных методов изучения процессов непрерывной разливки
стали принято считать метод физического моделирования [68], который позволяет
проводить исследования с минимальными материальными и временными затратами.
Основные задачи холодного моделирования можно сформулировать следующим образом:
изучение возможностей оптимизации процесса перетекания металла из
промежуточного ковша в кристаллизатор многоручьевой МНЛЗ;
изучение характера воздействия струи металла, проникающей из промежуточного
ковша в кристаллизатор высокоскоростной МНЛЗ, на характер затвердевания
непрерывнолитой сортовой заготовки.
Для решения поставленных задач необходимо соблюдать контроль следующих
параметров непрерывной разливки: скорость и расход жидкости, проникающей в
кристаллизатор, формирование толщины корочки закристаллизовавшегося слоя,
расход вдуваемого через стопор-моноболок аргона и динамику его воздействия на
проникающую в кристаллизатор струю.
С учетом этого, а также с использованием теории подобия были определены
параметры разливки, которые оказывают влияние на процессы, происходящие в
кристаллизаторе сортовой МНЛЗ.
С применением модели «черный ящик» были определены основные критерии подобия,
которые легли в основу установки по изучению процессов.
Для создания физической модели изучения процесса перетекания металла из
промковша в кристаллизатор сортовой МНЛЗ воспользовались методом анализа
размерностей. Если считать, что скорость потоков в кристаллизаторе Vп зависит
от следующих факторов (рис. 2.1): скорости поступления струи из промежуточного
ковша Vстр , диаметра струи dст, принятого равным диаметру стакана-дозатора,
характерного геометрического
Рис.2.1 - Модель «черный ящик» процесса перетекания металла из промковша в
кристаллизатор
размера кристаллизатора Х, ускорения силы тяжести g, сил поверхностного
натяжения у, а также вязкости м и плотности жидкости с, в общем случае можно
записать:
Vп =f (Vстр, dст, Х, g, м, у , с) (2.1)
Отдельные величины уравнения (2.1) имеют следующие размерности: Vп = [Lф-1],
Vстр = [Lф-1], dст = [L], Х = [L], g = [Lф-2], м = [М L-1], у = [Мф-2], с =
[МL-3].
Из уравнения (2.1) следует, что общее число размерных параметров,
характеризующих движение потоков в полости кристаллизатора равно 8, а число
базовых размерностей – 3. Согласно р-теореме количество чисел подобия должно
составлять: m = 8 – 3 = 5.
Для определения конкретного вида этих чисел составим комбинацию параметров и,
наложив на него условие нулевой размерности, получим:
П = Vпn1 Vстрn2 dстn3 Хn4 gn5 сn6 мn7 у n8 (2.2)
Подставим вместо параметров в уравнение (2.2) их размерности, тогда
П = [Lф-1]n1 [Lф-1]n2 [L]n3 [L]n4 [Lф-2]n5 [МL-3]n6 [М L-1]n7 [Мф-2]n8 (2.3)
Из выражения (2.3) получаем систему линейных уравнений (2.4-2.6):
n1 + n2 + n3 + n4 + n5 - 3n6 - n7 (2.4)
- n1 - n2 - 2n5 - 2n8 (2.5)
n6 + n8 + n7 (2.6)
Решив эту систему уравнений получим:
n1 = - n2 - 2n5 - 2n8
n6 = - n8 – n7
n3 = n5 –n8 – 2n7 – n4
Поставляя полученные значения в исходное уравнение (2.2), получаем:
П = Vп- n2 - 2n5 - 2n8 Vстрn2 dст n5 –n8 – 2n7 – n4 Хn4 gn5 с- n8 – n7 мn7 зn8
Сгруппировав члены с одинаковыми показателями степени имеем выражение (2.7):
(2.7)
Полученные в результате выполненного анализа критерии подобия имеют вид:
- выражает необходимость геометрического подобия модели и натурного объекта;
- выражает необходимость подобия скоростей потоков в модели кристаллизатора и
самом кристаллизаторе;
- критерий, обратный критерию Рейнольдса. Физически Re представляет собой
отношение сил инерции к силам внутреннего трения и, кроме того является
критерием, определяющим характер течения;
- критерий, обратный критерию Вебера. We представляет собой отношение сил
инерции к силам поверхностного натяжения;
- критерий, обратный критерию Фруда. Физически критерий Фруда характеризует
влияние силы земного тяготения на процесс перетекания металла из промковша в
кристаллизатор.
Следует отметить, что соблюдение всех критериев подобия одновременно
невозможно; так нельзя, например, соблюсти одновременного соблюдения критериев
Фруда и Рейнольдса. Это связано с тем, что для обеспечения равенства критериев
модели и натурного образца линейный размер требуется в одном случае уменьшить,
а во втором – увеличить.
Следовательно, представляется целесообразным определение критериев, соблюдение
равенства которых наиболее полно характеризует процесс внедрения струи в ванну
кристаллизатора.
В качестве жидкости, моделирующей расплав, была выбрана вода при температуре
15-25°С, как наиболее удобная среда для имитации металлического расплава. Тем
не менее соблюдение критерия Рейнольдса в этом случае оказалось
затруднительным, так как в реальных условиях, зависящих от температуры и
химического состава, вязкость металла изменяется в довольно широких пределах.
Наиболее предпочтительным для изучения процесса перетекания металла из
промежуточного ковша в кристаллизатор сортовой МНЛЗ оказалось соблюдение
равенства критериев Фруда и Вебера.
При выборе геометрического масштаба модели кристаллизатора исходили из условий
Fr=item и We=item. Модель кристаллизатора изготовили из органического
- Київ+380960830922