РАЗДЕЛ 2
ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ФУТЕРОВКИ КОВША ПЕРЕД
ОБРАБОТКОЙ РАСПЛАВА НА УСТАНОВКЕ КОВШ-ПЕЧЬ
Одной из задач, которую необходимо рассматривать при моделировании теплового состояния расплава во время его обработки на установке ковш-печь, является моделирование процесса нестационарной теплопередачи через футеровку ковша. Характер процесса теплопередачи и величина тепловых потерь зависит от начальных условий, т.е. распределения температуры внутри футеровки ковша. Всвязи с тем, что с момента выпуска расплава из сталеплавильного агрегата в ковш и началом обработки стали на установке ковш-печь проходит определенное время, необходимо контролировать тепловое состояние ковша в этот период времени. Для обеспечения достаточной точности теплофизических расчетов необходимо учитывать различные виды шлакового покрова в зависимости от технологических операций.
2.1 Виды теплопередачи в системе расплав-ковш
Изменение температуры расплава в период между окончанием выпуска из сталеплавильной печи и началом обработки на установке ковш-печь происходят за счет двух взаимосвязанных факторов: тепловых потерь с поверхности расплава вследствие излучения и конвекции, нагрева и теплопередачи через футеровку ковша. При определении тепловых потерь, согласно [50] принимаем допущение, что расплав в ковше хорошо перемешивается конвективными потоками. Поэтому предполагаем, что в любой точке объема температура жидкой стали можно считать постоянной.
Ковш с массой налива 120 т (рис. 2.1.) имеет следующие геометрические размеры: Полная высота = 3,7 м; внутренняя высота = 3,28 м; внешний нижний диаметр = 3,1 м; внутренний нижний диаметр = 2,59 м; внешний верхний диаметр = 3,55 м; внутренний верхний диаметр = 3,04 м.
Рис. 2.1. Ковш для внепечной обработки и разливки стали
При рассмотрении тепловых потерь вследствие нагрева футеровки ковша и теплопередачи через нее считаем, что стенки ковша представляют собой цилиндр, а днище ковша - плоскую стенку. Так как высота стенки ковша намного больше ее толщины, в дальнейшем учитывается только теплопередача через стенку ковша в радиальном направлении. Также считаем, что тепловые потоки в днище ковша идут только в осевом направлении. В этом случае, получаем одномерные тепловые задачи и дифференциальные уравнения теплопроводности для для каждого m-го материала футеровки согласно [67, 84] имеют вид
, (2.1)
где - радиус, м; - теплоемкость материала m футеровки; - температура материала m футеровки; - плотность материала m футеровки; - теплопроводность материала m футеровки.
Для границы расплав - футеровка задаются граничные условия 3-го рода [84]
, (2.2)
где - температура расплава; - температура внутренней поверхности периклазо-хромитового слоя футеровки; - коэффициент теплоотдачи расплава, Вт/м?•К.
С учетом того, что скорость потоков расплава в ковше уменьшается в зависимости от времени выдержки металла, коэффициент теплоотдачи стали является функцией времени. В [85] приведены в виде графика экспериментальные данные об изменении коэффициента теплоотдачи стали в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок в зависимости от времени. Автором работы [86] на базе этих данных получено уравнение вида
, (2.3)
где и - эмпирические коэффициенты.
Применение этого уравнения для описания процесса изменения коэффициента теплоотдачи в ковше, позволит более точно оценивать динамику температуры стали во время металла в ковше.
На стыках слоев футеровки и кожуха ковша задаются граничные условия 4-ого рода [62]:
, (2.4)
где - температура внешней поверхности периклазо-хромитового слоя футеровки; - температура внутренней поверхности шамотного слоя футеровки; - температура внешней поверхности шамотной футеровки; - температура внутренней поверхности теплоизоляционного слоя (асбест или алюмосиликатный самотвердеющий бетон); - температура внешней поверхности слоя изоляции; - температура внутренней поверхности кожуха; - тепловые потоки, проходящие через поверхности соприкосновения соответствующих слоев.
Для наружной поверхности ковша граничные условия 3-ого рода заданы выражением [62]:
, (2.5)
где - коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, - температура внешней поверхности кожуха ковша, - температура окружающей среды.
Для решения задачи теплопередачи важным является определение начальных условий. При определении начальных условий необходимо учитывать, что с целью снижения потерь теплоты расплавом при внепечной обработке сталь выпускают в ковши с предварительно прогретой футеровкой. При оценке качества прогрева необходимо рассмотреть следующие производственные ситуации:
* Если футеровка ковша "холодная", ковши разогревают на стендах подготовки при помощи газовых горелок;
* Если ковш контактировал с металлом длительное время, то при применении его сразу же после разливки футеровку ковша не прогревают на стендах подготовки ковшей.
Таблица 2.1 -
Виды и длительность нагрева футеровки
Вид нагреваВремя нагреваНагрев ковшей с новой футеровкой на стенде подготовки ковша24 часаНагрев применяемых ранее ковшей с "холодной" футеровкой на стенде подготовки ковша4 часаДлительный нагрев расплавом за счет теплопередачи при внепечной обработке
Примечание: если ковш контактировал с расплавом менее 4 часов, то необходим подогрев ковша на стенде4-6 часов
В ходе исследований, выполненных ранее [59, 65] и нами [87, 88] установлено, что при такой подготовке ковшей на объекте исследования перед выпуском расплава имеет место стационарное распределение температуры внутри футеровки ковша. По нашим экспериментальным данным [88] температура внутренней поверхности футеровки ковша находится в диапазоне 970 - 1470 К, что подтверждает данные, приведенные в [89].
Линейный тепловой поток между слоями футеровки и окружающей средой через стенки ковша, согласно [90], определяется из выражения
, (2.6)
где - линейный коэффициент теплопередачи, Вт/м•К.
. (2.7)
Линейное тепловое сопротивление определ