CC BY
54
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.746.66.001.57
Н. И. Вайнер, В. Д. Тутарова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВНУТРЕННИХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ
Рассматриваются причины образования поверхностных дефектов в непрерывнолитых заготовках и возможность их устранения. На основании анализа результатов математического моделирования процесса затвердевания металла делается вывод о целесообразности применения в непрерывной разливке внутренних охладителей различного размера и температуры нагрева с целью предотвращения образования термических трещин и, как следствие, повышения качества выпускаемой стали.
Введение
Одним из доминирующих направлений развития современной металлургической промышленности является расширение области применения непрерывной разливки стали. В связи с этим продолжаются исследования по разработке новых и усовершенствованию внедренных технологий данного способа. К преимуществам непрерывной разливки относятся: однородность кристаллического строения и технологических свойств литой стали вдоль оси заготовки; повышение качества непрерывнолитой стали (по сравнению со сталью, полученной при литье в изложницы) за счет интенсивного охлаждения поверхности заготовки; возможность механизации и автоматизации процесса и существенное улучшение условий труда на разливочной площадке; возможность совмещения непрерывной разливки и прокатки в единой технологической линии [1]. Схема криволинейной машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с шестью зонами вторичного охлаждения (ЗВО) приведена на рис. 1.
Одним из способов повышения качества металла является разработка и применение оптимальных условий охлаждения заготовок, которые позволяют снизить образование поверхностных дефектов. К числу наиболее распространенных, опасных и трудноустранимых видов брака металлопродукции относят поверхностные трещины, образование которых возможно на всех стадиях ТП.
Формирование трещин в стальных непрерывнолитых заготовках является нерешенной проблемой. Трещины в объеме возникают в районе углов, в осевой части и по диагонали между противоположными углами заготовки. На поверхности продольные и поперечные трещины располагаются на гранях и в углах заготовок. Как правило, металл, пораженный внутренними нарушениями сплошности, после нагрева подвергается обработке давлением. В таких случаях решающее значение имеет размер полости трещины и условия деформирования. При прокатке внутренние нарушения сплошности становятся причиной возникновения поперечных трещин - разрывов внутри деформированного металла, часто выходящих на его поверхность. Металл, пораженный таким дефектом, бракуется.
1 Постановка задачи
К образованию нарушений сплошности в заготовках приводят термические напряжения - напряжения, возникающие в твердой оболочке заготовки при неравномерном распределении температур, вызванном неравномерным охлаждением заготовки в машине непрерывного литья заготовок, т.е. величина, характеризующая интенсивность действия сил, имеющих термическую природу, внутри твердой оболочки затвердевающей заготовки [2].
Исследования управляемости процессом затвердевания непрерывнолитой заготовки в МНЛЗ показывают ограниченные возможности внешнего охладителя для массивных заготовок. При этом увеличение расхода охладителя (воды, водяного пара или газо-воздушной эмульсии) приводит к более интенсивному охлаждению поверхности, увеличению перепада температур в затвердевающей корке заготовки и, следовательно, термонапряжений и трещин на поверхности заготовки, в то же время скорость затвердевания изменяется незначительно. Это говорит об исчерпывающих возможностях внешних граничных управлений.
Одним из эффективных способов управления формированием заготовки в кристаллизаторе является ввод вовнутрь заготовки внутренних охладителей. В качестве таковых в разное время использовались металлические порошки и дробь, армирующие вставки (лента, стержень, каркас), инертные газы в газообразном и сжиженном состоянии, водоохлаждаемые охладители. Ввод экзогенных центров кристаллизации в жидкий металл снимает его перегрев, уменьшает время общего затвердевания и улучшает макроструктуру получаемых заготовок. Расплавляясь, охладитель поглощает тепло жидкого металла и становится новым центром кристаллизации [3].
Сложность конструирования машин непрерывной разливки с вводом внутренних охладителей в свое время не позволила внедрить их на металлургических и машиностроительных предприятиях, но в настоящее время в связи с повышением требований к качеству металла, необходимостью получения заготовок с заданными структурой и механическими свойствами среди исследователей вновь возникла идея возвращения к описанным выше технологиям и конструкциям.
Гл дТ 1 д " дТ" Г дТ 1
К(Т) т- дх +ду К(Т) т- _ дУ _ = рСэф 1 < 1 ^ > 1 ГО v 1
Была поставлена задача провести пассивный эксперимент для оценки эффективности применения внутреннего охладителя с целью снижения перепада температуры по сечению заготовки и, следовательно, снижения ее термического напряжения.
2 Математическая модель
В качестве математической модели для расчетов температурного поля в прямоугольной заготовке используется известное нелинейное уравнение теплопроводности:
_д_
дх
где Сэф - эффективная теплоемкость, Вт/кг-°С; р - плотность, кг/м3; Х(Т) - коэффициент теплопроводности, Вт/м-с-°С; v - скорость вытягивания заготовки, м/с.
Начальные условия задачи управления затвердеванием заготовки задаются в виде
T(x, у, z)z=o = To = const,
где T0 - температура подаваемого в кристаллизатор металла, °С.
Для расчета температурного поля при использовании внутренних охладителей добавляются начальные условия:
Тохл(х y, z)z=0 Тохл 0 < ^soli^
где Тохл 0 - температура подаваемого в металл охладителя, °С; Tsolid - температура затвердевания металла, °С.
Для определения теплообмена на внешней поверхности заготовки задаются граничные условия. В кристаллизаторе задаются граничные условия второго рода - плотность тепловых потоков (q), при этом по широкой и узкой граням она одинакова:
.дТ . дТ
-К----= q, -К----= q .
дх ду
Для зон вторичного охлаждения задается граничное условие третьего
рода:
-К— = ау(тп, д1 ^ п'
Т )
ср/’
где а^ - суммарный коэффициент теплоотдачи с поверхности заготовки, Вт/°С-м2; Тпов и Тср - температуры поверхности заготовки и среды, °С; I, х, у -координаты по длине и поперечному сечению заготовки, м.
Имеются ограничения на размер охладителя (исходя из физической сущности задачи):
Иохл < И, 1охл < /,
где Иохл - толщина охладителя, м; И - толщина заготовки, м; /охл - ширина охладителя, м; I - ширина заготовки, м.
В качестве управляющих воздействий в системе могут быть выбраны начальное распределение температуры в охладителе и его размеры.
3 Результаты моделирования
В результате математического моделирования процесса затвердевания непрерывнолитой заготовки в МНЛЗ, выполненного при следующих исходных данных: марка стали 08пс (ГОСТ 1050), сечение заготовки 1100^250 мм2, скорость вытягивания 0,7 м/с, температура металла в промежуточном ковше 1550 °С, температура окружающей среды 20 °С, МНЛЗ криволинейного типа с водовоздушным охлаждением, шесть зон вторичного охлаждения, длины по зонам составляют: 0,15; 0,72; 1,79; 2,9; 2,56; 3,12 м, расход воды по зонам составляет 1300, 5000, 6500, 12000, 9500, 10500 кг/ч, получено распределение температуры по сечению заготовки в различные моменты времени.
Рассчитано температурное поле заготовки с вводом в кристаллизатор охладителя из сплава того же химического состава различного прямоугольного сечения (150x400, 100x100 и 50x50 мм2) и с начальной температурой нагрева 20...500 °С. Схема расположения охладителя внутри заготовки приведена на рис. 2. В табл. 1 приведена разность температур между поверхностью заготовки и ее центральной частью по мере прохождения заготовки вдоль технологической линии МНЛЗ при вводе охладителя крупного сечения 150x400 мм2 при различной температуре охладителя.
Таблица 1
Разность температуры между поверхностью и центром заготовки в зависимости от начальной температуры охладителя, °С
Особенности охлаждения Зоны вторичного охлаждения МГР
1 3 4 5
Без охладителя 740 590 550 510 400
150x400 мм2 20 °С 700 550 440 420 210
150x400 мм2200 °С 740 550 460 430 230
150x400 мм2 500 °С 730 540 500 420 240
Анализ результатов расчетов показывает, что разница температур между охлажденной поверхностью и горячей сердцевиной без ввода охладителя достигает наибольшего значения в кристаллизаторе (750.800 °С) и снижается по мере охлаждения, составляя около 400 °С на выходе из ЗВО. Использование внутреннего охладителя позволяет значительно снизить перепад температур по сечению заготовки на всем протяжении МНЛЗ (до 240 °С на выходе из ЗВО), что приводит к уменьшению термических напряжений и, как следствие, снижению риска образования горячих трещин.
Изменение начальной температуры охладителя не оказывает значительного влияния на перепад температуры по сечению заготовки, следовательно, можно обойтись без затрат на его обогрев. Вне зависимости от начальной температуры поверхность охладителя нагревается до температуры ликвидуса, что обеспечивает его бесшовную свариваемость с заготовкой.
В табл. 2 приведена разность температур между поверхностью заготовки и ее центральной частью по мере прохождения заготовки вдоль технологической линии МНЛЗ при вводе охладителя с температурой 20 °С и различной шириной сечения до машины газовой резки (МГР).
Таблица 2
Разность температуры между поверхностью и центром заготовки в зависимости от ширины сечения охладителя, °С
Размер сечения 2 охладителя, мм Зоны вторичного охлаждения МГР
1 3 4 5
50x50 760 595 530 495 320
150x50 740 570 470 430 240
400x50 725 575 460 435 220
Увеличение ширины сечения охладителя приводит к снижению перепада температур по сечению и уменьшению времени, необходимого для полного затвердевания заготовки. Однако можно ожидать, что на практике оно будет определяться прежде всего техническими ограничениями, связанными со сложностью ввода охладителя в металл.
В табл. 3 приведена разность температур между поверхностью заготовки и ее центральной частью по мере прохождения заготовки вдоль технологической линии МНЛЗ при вводе охладителя с температурой 20 °С, шириной сечения 400 мм и различной толщиной сечения.
Таблица 3
Разность температуры между поверхностью и центром заготовки в зависимости от толщины сечения охладителя, °С
Размер сечения 2 охладителя, мм Зоны вторичного охлаждения МГР
1 3 4 5
400x50 725 575 460 435 220
400x100 715 560 450 425 215
400x150 700 550 440 420 210
Увеличение толщины сечения охладителя сказывается на перепаде температур незначительно, что позволяет без потери эффективности применять охладители малой толщины (<50 мм). Это объясняется тем, что температура по высоте заготовки распределяется более равномерно, чем по ширине.
Заключение
Таким образом, по результатам моделирования можно сделать вывод о возможности и целесообразности применения внутренних охладителей прямоугольного сечения для управляемости процессом затвердевания непрерывнолитой заготовки в МНЛЗ и, как следствие, предотвращения образования термических трещин и повышения качества выпускаемой стали.
Список литературы
1. Девятов, Д. Х. Оптимальное управление тепловой обработкой в непрерывной разливке стали / Д. Х. Девятов. - Магнитогорск, 1998. - 130 с.
2. Скворцов, А. А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок / А. А. Скворцов, А. Д. Акименко, В. А. Ульянов. - М. : Металлургия, 1991.
3. Герман, Э. Непрерывное литье / Э. Герман. - М. : Металлургиздат, 1961.
