Глава 2
Общая методика и основные методы Исследований тепломассообменных процессов при
непрерывной разливке
2.1. Физическое моделирование гидродинамических процессов при литье стальных
заготовок
Как известно [15, 30, 40], подобие процессов в модели и натуре при движении
жидкости соблюдается равенством чисел We, Fr и Re, определяющих,
соответственно, силы поверхностного натяжения, тяжести и трения.
При изучении движения жидкости вне контакта с газами условием равенства чисел
We можно пренебречь [203], а в областях жидкости, контактирующей с газами,
приемлемо качественное сравнение поведения гидродинамических потоков.
Изготовленная нами модель промежуточного ковша выполнена из плексигласа и
листовой стали в масштабе 0,2 (kl=0,2) его натуральной величины (промковш ДМК).
Прозрачной сделана лишь передняя стенка модели промковша, что является
достаточным для изучения процессов поведения в нем жидкости при непрерывной
разливке. Изготовление днища модели из стального листа обеспечило возможность
установки в местах расположения стаканов-дозаторов регулируемых вентилей. Это
позволяет изменять расход жидкости в широком диапазоне и изучать поведение
жидкости в промковше как при моделировании стопорной, так и бесстопорной
разливки. Остальные геометрические параметры моделирующей системы
масштабированы по отношению к промышленным условиям.
Модель ковша установлена на специальном стенде (рис. 2.1). Опорная рама 1
установки позволяет менять положение модели промковша 4 и сливной емкости 2
относительно модели стальковша 6. Уровнемер 7 позволяет менять скорость
истечения жидкости в промковш. Подача воздуха в рабочую жидкость позволяет
моделировать картину поведения газожидкостной смеси как в защитной трубе, так и
в объеме промковша.
Согласно [3, 15], поведение жидкости в промковшах в большей степени зависит от
инерционных и гравитационных сил, чем от вязкости расплава. Значит,
определяющим при физическом моделировании поведения жидкости в промковшах
следует считать число Fr.
В нашем случае в качестве моделирующей жидкости использовалась вода. Масштаб
скорости составил kv=0,447, а масштаб объемных расходов kQ=0,018. Масштаб
времени рассчитывался из критерия гомохронности kt=kl/kv=0,447.
Объемный расход жидкого металла из промежуточного ковша через один ручей
рассчитывали из условия неразрывности
Q=SЧv, (2.1)
где S – площадь сечения ручья.
В качестве имитатора покровного шлака использовали полистироловые шарики
диаметром 0,75–4,5 мм. Визуализацию потоков жидкости в ванне промковша
осуществляли с помощью полистироловых шариков (трассеров) диаметром 0,3–1,5 мм,
имеющих нулевую плавучесть, а также посредством ввода в струю воды, истекающую
из
Рис. 2.1. Схема и внешний вид установки моделирования:
1 – опорная рама; 2 – сливная емкость; 3 – ручьи с вентилями; 4 – модель
промежуточного ковша; 5 – модель защитной трубы: 6 – модель сталеразливочного
ковша; 7 – уровнемер
модели стальковша, красящей жидкости. Направление и скорости основных потоков
жидкости определяли визуальным наблюдением и фиксацией на фотопленку и
видеокамеру. Количественные значения скоростей потоков жидкости определяли
посредством расчета отношения измеренных на фотоотпечатках длин треков
трассеров ко времени экспозиции с учетом коэффициентов масштабирования. Для
этого исследования проводились в защищенном от света помещении, а область
наблюдения в пространстве промковша получали обтюрируемым лучом света.
Для обеспечения возможности определения локальных мест износа футеровки днища
промковша дно модели покрывали равномерным тонким слоем серебристого графита. В
областях, подверженных интенсивному воздействию потоков жидкости, графит
размывался, тогда как в застойных зонах имело место его накопление.
В процессе исследований вначале изучали гидродинамическую картину в промковше
штатной конструкции при различных уровнях заполнения его жидкостью и месте ее
подачи. Затем, на основании анализа полученных данных, разрабатывали и
исследовали различные конструктивные предложения согласно поставленным
задачам.
Подача жидкости из модели стальковша осуществлялась открытой и закрытой струей
с использованием прозрачной погружной трубы. Ввод жидкости в модель промковша
производился по его поперечной оси на различном расстоянии от его задней
стенки.
Исследования гидродинамики жидкости на физической модели кристаллизатора были
проведены, в том числе, при подаче в металл нейтрального газа посредством
полого стопора-моноблока и прямоточного погружного стакана с расходом в
диапазоне 0–0,02 м3/т жидкой стали.
В качестве моделирующей жидкости использовали воду, Ar имитировали воздухом.
Определяющими критериями при моделировании являлись числа We, Fr, Ne. Число Re
находилось в области автомодельности. Основные параметры моделирования
приведены в табл. 2.1.
В процессе моделирования изучали общий характер распределения потоков жидкости
в кристаллизаторе, глубину погружения струи металла, скорости потоков жидкости,
характер поведения ее и газа в погружном стакане.
В качестве имитатора покровного шлака использовали полиэтиленовые шарики
диаметром 0,75–4,5 мм. Визуализацию потоков жидкости осуществляли с помощью
полистироловых шариков (трассеров) диаметром 0,3–1,5 мм, имеющих нулевую
плавучесть, а также посредством ввода в струю воды, истекающую из модели
промковша, красящей жидкости. Направление и скорости потоков определяли
визуальным наблюдением и фиксацией гидродинамической картины на фотопленку.
Исследования проводились в защищенном от света помещении. Область наблюдения в
пространстве мо
- Київ+380960830922