Особенности течения жидкой стали в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ

Раздел 3

References

1. Dyuldina E.V., Selivanov V.N., Lozovskiy E.P. Formation of slag in intermediate ladle CCM. VestnikMagnitogorskogo gosudarstvennogo tehni-cheskogo universiteta im. G.I.Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2009, no.4(28), pp. 26-29.

2. Korotin A.V. Lozovskiy E.P. Dyuldina E.V. Selivanov V.N. Varying the chemical composition of the slag while increasing its weight in intermediate ladle CCM. Theory and technology of metallurgical production: interregional collection of proceedings. Magnitogorsk: Publishing the Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2014, no.14, pp. 39-41.

3. Selivanov V.N., Dyuldina E.V., Rybalko O.F. and other. Features of slag formation in the intermediate ladle caster with fireclay lining and of magnesian. Proceedings of XII Congress of Steelmakers [англ.]. Moskow: Mettallurgizdat, 2013, pp. 283-286.

4. Selivanov V.N., Kolesnikov Y.A., Budanov B.N. and other. The use of mathematical models for exploring of steelmaking processes. Stal [Steel]. 2014, no.5, pp. 16-20.

5. Dyuldina E.V. Selivanov V.N. Gelchinskiy B.R. and other. Change the working layer of the lining intermediate ladle CCM in the process continuous casting of steel. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta im. G.I.Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2013, no.1(41), pp. 23-26.

♦ ♦ ♦

УДК 669.621.746.27:047

Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Ячиков И.М., Тутарова В.Д.

ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОЙ СТАЛИ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ СЛЯБОВОЙ МНЛЗ

Аннтотация С использованием математического моделирования показана возможность изменения конструкции погружного стакана при разливке стали 17Г1С на машине непрерывного литья заготовок. Установлено, что модернизированный стакан обеспечивает получение более качественного металла, так как исключается захват неметаллических включений с поверхности кристаллизатора.

Ключевые слова: cталь, кристаллизатор, машина непрерывной разливки, заготовка, сляб, погружной стакан.

Кристаллизатор является одним из основных узлов машины непрерывной разливки стали, где формируется корочка затвердевшей стали. Охлаждение поверхности заготовки в кристаллизаторе МНЛЗ происходит путем контакта внутренней (рабочей) поверхности кристаллизатора с поверхностью затвердевающего металла.

В кристаллизаторе жидкий металл, непрерывно подаваемый из промежуточного ковша через погружной стакан, кристаллизуется по периметру, и на выходе из него оболочка из затвердевшего металла образует сосуд с жидким металлом, внутри которого в направлении от стенок к центру продолжается кристаллизация, но форма непрерывно-литой заготовки и ее поперечные размеры уже определены формой и размерами полости кристаллизатора [1]. Интенсивному охлаждению подвергаются поверхностные слои залитой стали, поэтому в кристаллизаторе и на выходе из него заготовка имеет не затвердевшую часть (жидкое ядро) и твердую корку, которая должна обладать достаточной толщиной и прочностью, чтобы противостоять давлению столба жидкого металла и не допускать прорыва металла в машину непрерывного литья. Обычно такую толщину принимают в пределах от 15 до 40 мм в зависимости от размера заготовки.

Струя стали, попадающая в кристаллизатор из промежуточного ковша, имеет большую кинетическую энергию, достаточную для промешивания

больших объемов металла, что может повлечь за собой:

• более интенсивный прогрев стенки кристаллизатора;

• замедление нарастания твердой корочки;

• захват неметаллических включений с поверхности жидкого металла.

В представленной работе исследуются конвективные потоки стали в кристаллизаторе МНЛЗ с использованием математического моделирования при изменении:

• глубины погружения стакана в металл;

• конструкции погружного стакана (в том числе параметров отверстий его) [1].

Объектом исследования выбрана подсистема промежуточный ковш - погружной стакан - кристаллизатор одноручьевой комбинированной криволинейной слябовой МНЛЗ.

Такой кристаллизатор имеет следующие технические характеристики: базовая ширина - 2530 мм, толщина - 250 мм, высота - 900 мм. Исследование выполнялось для двух конструкций корундографито-вых погружных стаканов (рис. 1).

Основное отличие модернизируемого стакана, представленного на рис. 1, б, в уменьшении размеров наружной поверхности и изменении геометрии выходного отверстия, основным из которых является наличие прорезей в нижней части.

52

Теория и технология металлургического производства

Для исследования была выбрана конструкционная низколегированная сталь для сварных конструкций 17Г1С, как наиболее часто разливаемая в конвертерном цехе ОАО «ММК». Химический состав этой стали представлен в табл. 1.

а б

Рис. 1. Схемы конструкций корундографитовых погружных стаканов базовой (а) и усовершенствованной (б) геометрии

Химический состав стали марки 17Г1С, %

Таблица 1

[C] [Si] [Mn] [S] [P] [Cr] [Ni] [Cu]

0,175 0,5 1,2 0,018 0.015 0,065 0,075 0,065

При этом температура ликвидус составляет 15200С,солидус - 15010С.

Разработана математическая модель движения потоков стали в кристаллизаторе. При её составлении использованы уравнения Навье-Стокса, неразрывности потока и конвективной диффузии. Геометрия модели принята в зависимости от конструкции и глубины погружения выбранного стакана и параметров кристаллизатора. Основные уравнения имеют следующий вид [1, 2]:

dv i \ 1 2

— + (и • Vb = F - — V p + vV и, dt р

Vu = 0,

uVC - DV2C = 0,

где и - вектор скорости жидкости; F - объемные силы; p - давление жидкости; Ур - градиент давле-

ния; V - коэффициент кинематической вязкости;

2

V и - лапласиан и ; р - плотность стали; u - вектор скорости движения частиц включений; C - концентрация примеси; D - коэффициент диффузии.

При расчете турбулентных течений металла в кристаллизаторе использовалась (к — е) модель турбулентной вязкости [2-4]. При этом принималось, что на основании гипотезы Буссинеска коэффициент вязкости, входящий в уравнения Навье-Стокса, включает в себя молекулярную /л и турбулентную ¡лТ вязкости [3], а коэффициент эффективной вязкости определялся по формуле

^^ + .

С учетом гипотезы Буссинеска уравнения Навье-Стокса принимает вид

^ + F-1Vр +-1 -Уи

Турбулентная вязкость [ЛТ определялась решением дополнительных уравнений распространения турбулентной энергии к и скорости ее диссипации £ [4]

С к2 Ит = .

Вектор скорости включений и

u =

где Uo - скорость всплытия включений в спокойной среде; C ^ =0,09 - стандартный параметр (к — S) модели; ц, и2, V3 - проекции скоростей течения жидкости на оси x1, x2, Х3 соответственно.

Скорость U0 определяли по формуле Стокса [4] в интервале диаметров частиц d е (0; 100) мкм.

При составлении математической модели приняты следующие допущения: объем промежуточного ковша, из которого подается сталь, изначально заполнен, вязкость стали зависит от ее агрегатного состояния; скорость истечения металла из промежуточного ковша в кристаллизатор постоянна и задана.

Математическое моделирование осуществляли с использованием CAD-системы SolidWorks 2012 пакета Flow Simulation.

Начальные условия включали задание температуры металла в промежуточном ковше 15270С, скорости вытягивания заготовки 1,0 м/мин, динамическая вязкость стали, подаваемой в ковш, принимали равной 0,006 Па-с. Теплофизические параметры твердой и жидкой стали, используемые при расчете, приведены в табл. 2.

Раздел 3

Теплофизические параметры стали

Таблица 2

Параметры

Плотность,

3

м

Теплопроводность, Вт

м • К

Теплоемкость,

Дж кг • К

Жидкая сталь

7400

29

695

Твердая сталь

7800

35

678

Граничные условия учитывают температуру нагрева погружного стакана до 9300С, изменение температуры стенок кристаллизатора от 250 до 1500С вдоль фронта движения заготовки и температуру шлакооб-разующей смеси (ШОС) на поверхности зеркала металла в кристаллизаторе 12300С.

Расчетные траектории и скорости движения конвекционных потоков стали в кристаллизаторе приведены на рис. 2 и 3.

Серийный погружной стакан базовой конструкции

Экспериментальный стакан усовершенствованной конструкции

Ш; : ' А \\ '

Рис. 2. Траектории движения конвекционных потоков стали в кристаллизаторе

Серийный погружной стакан базовой конструкции

Экспериментальный стакан усовершенствованной конструкции

Рис. 3. Скорость движения конвекционных потоков стали в кристаллизаторе

В отличие от стакана упрощенной геометрии, погружной стакан с измененной геометрией (см. рис. 1, б) дает меньшую степень завихрения вблизи границы сталь - ШОС при всех уровнях погружения, но увеличивает скорость конвекционных потоков стали в кристаллизаторе, вызванных особенностями конструкции в виде прорезей.

Для стакана упрощенной конструкции вихревые потоки при погружении на номинальную глубину -их скорость значительно ниже 0,03 м/с. Для стакана измененной конструкции скорости движения конвекционных потоков стали в кристаллизаторе значительно выше, но вместе с тем распределены равномернее и достигают 0,04 м/с, что приводит к более активному

54

Теория и технология металлургического производства

перемешиванию стали, особенно в нижней части кристаллизатора.

Таким образом, одним из вариантов совершенствования элементов системы промежуточный ковш -погружной стакан - кристаллизатор предложена новая конструкция погружных стаканов.

При использовании серийных погружных стаканов их следует заглублять в кристаллизатор на номинальный уровень, что позволит снизить степень захвата частиц шлакообразующей смеси с поверхности кристаллизатора и получить заготовку более высокого качества; используя экспериментальный стакан, уровень погружения его относительно зеркала металла, можно поддерживать на глубине не более 150 мм, что обеспечит более эффективное перемешивание стали и

достаточную толщину образовавшейся затвердевшей

корочки стали на выходе из кристаллизатора.

Список литературы

1. Вдовин К.Н., Точилкин В.В., Ячиков И.М. Непрерывная разливка стали: монография. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. 540 с.

2. Вдовин К.Н., Семенов М.В., Точилкин В.В. Рафинирование стали в промежуточном ковше МНЛЗ: монография. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. 118 с.

3. Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки. М.: Наука, 1976. 376 с.

4. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии, 2004. 784 с.

Сведения об авторах

Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой литейного производства и материаловедения ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-85-30. E-mail: Vdovin@magtu.ru

Точилкин Виктор Васильевич - д-р техн. наук, проф., институт металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: toch56@mail.ru

Тутатарова Власта Диляуровна - канд. техн. наук, доц., институт энергетики и автоматизированных систем ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: vlasta_dev@mail.ru

Ячиков Игорь Михайлович - д-р техн. наук, проф. кафедры вычислительной техники и программирования ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: Jachikov@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

FEATURES OF THE FLOW OF LIQUID STEEL IN THE MOULD THE KEY SLAB CASTER

Vdovin Konstantin - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: Vdovin@magtu.ru Tochilkin Victor - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: toch56@mail.ru Tutarova Vlasta - Ph. D., Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: vlasta_dev@mail.ru Yachikov Igor - D. Sc. (Eng.), Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: Jachikov@mail.ru

Abstract. Mathematical simulation has shown the ability to change the design of the submersible of the glass with the 17G1S steel casting in a continuous casting machine. It is shown that upgrade glass provides quality metal, as it does not capture non-metallic inclusions from the surface of the mold.

Keywords: steel, mould, continuous casting Machine, billet, slab, submersible glass.

References

1. Vdovin K., Tochilkin V., Yachikov I. Nepreryvnaya razlivka stali: monografiya [Continuous casting of steel: monograph]. Magnitogorsk: Publishing house of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2012. 540 p.

2. Vdovin PHD, Semenov M., Tochilkin V. Rafinirovanie stali vpromezhutochnom kovshe MNLZ: monografiya [Refining of steel in the tundish of a continuous caster: monograph]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2006. 118 p.

3. Akselroad A. Gibkie obolochk [ Flexible sheath]. Moscow: Nauka, 1976. 376 p.

4. Efimov V., Eldarhanov A. Tekhnologii sovremennoj metallurgii [The technology of modern metallurgy]. Moscow: New technologies, 2004. 784 p.

♦ ♦ ♦