blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-1-63-68blackmet-1232Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИINFORMATION TECHNOLOGIES AND AUTOMATIC CONTROL IN FERROUS METALLURGYМОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ШЛАКОВОГО ГАРНИСАЖА НА СТЕНКЕ КРИСТАЛЛИЗАТОРА МНЛЗSIMULATION OF SLAG SKULL FORMATION ON THE WALL OF CCM MOLDГабелаяД. И.GabelayaD. I.

к.т.н., доцент кафедры металлургии, машиностроения и технологического оборудовани

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Metallurgy, Machine Building and Technological Equipment

150475@mail.ruКабаковЗ. К.KabakovZ. K.

д.т.н., профессор кафедры металлургии, машиностроения и технологического оборудования

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Metallurgy, Machine Building and Technological Equipment

150475@mail.ruГрибковаЮ. В.GribkovaYu. V.

к.т.н., доцент кафедры математики и информатики

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Mathematics and Informatics

150475@mail.ruЧереповецкий государственный университетРоссияCherepovets State University, Cherepovets, Vologda RegionRussian Federation2018140220186116368Copyright © Габелая Д.И., Кабаков З.К., Грибкова Ю.В., 20182018Габелая Д.И., Кабаков З.К., Грибкова Ю.В.Gabelaya D.I., Kabakov Z.K., Gribkova Y.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1232

Процессы формирования гарнисажа и жидкой пленки между кристаллизатором и поверхностью заготовки оказывают влияние на показатели качества и стабильность непрерывной разливки стали. Известен ряд теоретических исследований, посвященных прогнозу толщины гарнисажа и пленки жидкого шлака. Однако в этих исследованиях не учитывается взаимное влияние процессов формирования гарнисажа и пленки, а также формирования толщины оболочки заготовки. В связи с этим в работе представлена разработанная авторами математическая модель взаимосвязанных тепловых процессов в системе слоев «медная стенка кристаллизатора – гарнисаж – пленка жидкого шлака – корка слитка». Модель позволяет прогнозировать динамику формирования толщины корки слитка, шлакового гарнисажа и слоя жидкого шлака по высоте кристаллизатора и длину участка жидкостного трения в кристаллизаторе в зависимости от скорости литья, температуры разливаемой стали и плавления шлака, толщины сляба и рабочего слоя медной стенки. Установлена адекватность модели объекту по таким параметрам, как температура поверхности заготовки, толщина корки, удельный тепловой поток в кристаллизаторе и температура рабочей стенки. Показан пример применения разработанной модели, в котором исследовано влияние скорости разливки на длину участка жидкостного трения в кристаллизаторе. Установлено, что при скоростях 0,8; 1,0 и 1,2 м/мин шлаковая прослойка сохраняется на  протяжении 0,331; 0,415 и 0,498 м от мениска металла соответственно. При этом толщина гарнисажа достигает максимального значения 0,77 мм. Дальнейшее формирование заготовки происходит в условиях отсутствия смазки в кристаллизаторе. Указана возможность использования разработанной модели технологами при выборе химического состава шлакообразующей смеси, обеспечивающего требуемую длину участка жидкого шлака, и конструкторами при выборе профиля кристаллизатора с учетом толщины гарнисажа, а также в учебных целях.

 

The processes of formation of the skull and liquid film between the mold and surface of the billet effect on quality indicators and stability of the continuous casting of steel. A number of theoretical studies devoted to the forecast of skull thickness and the film of liquid slag are known. However, these studies do not take into account the mutual influence of formation processes of skull and film, as well as formation of shell thickness of the billet. In this connection, the paper presents a mathematical model of interrelated thermal processes developed by the authors in the system of layers “copper wall of crystallizer  – skull  – film of liquid slag – crust of ingot”. The model makes it possible to predict the dynamics of formation of the thickness of the ingot crust, slag skull and the layer of liquid slag along the height of the mold and the length of liquid friction portion in it, depending on casting speed, temperature of casting steel and melting of the slag, thickness of the slab and working layer of the copper wall. The adequacy of the model to the object is determined by such parameters, as surface temperature of the billet, thickness of the crust, specific heat flux in the mold and temperature of the working wall. An example of application of the developed model is shown, in which the effect of casting speed on length of the liquid friction portion in the mold is investigated. It was found that at speeds of 0.8; 1.0 and 1.2  m/min the slag layer is retained for 0.331; 0.415 and 0.498  m from the meniscus of the metal, respectively. At the same time, the thickness of the skull reaches a maximum value of 0.77  mm. Further formation of the preform occurs in the absence of lubrication in the mold. The possibility of using the developed model by technologists for selecting the chemical composition of casting powder, which provides the required length of the liquid slag section, is indicated by the designers when choosing the mold profile, taking into account the thickness of the skull, and, also for educational purposes.

машина непрерывного литья заготовоккристаллизатортеплообменшлакообразующая смесьгарнисажматематическая модельcontinuous casting machinemoldheat transferslag-forming mixtureslag skullmath modelReferencesТеория непрерывной разливки / В.С. Рутес, В.И. Аскольдов и др. – М.: Металлургия, 1971. – 296 с.Rutes V.S., Askol’dov V.I., Evteev V.P., Genkin V.Ya., Chigrinov  M.G., Manokhin A.I. Teoriya nepreryvnoi razlivki [Continuous casting theory]. Moscow: Metallurgiya, 1971, 296 p. (In Russ.).Бровман М.Я. О силах трения между слитком и кристаллизатором при непрерывной разливке стали // Металлы. 2003. № 6. С. 21 – 28.Brovman M.Ya. On the friction forces between billet and mold on continuous casting of steel. Metally. 2003, no. 6, pp. 21–29. (In Russ.).Ермолаева Е.И., Лейтес А.В. и др. Температурные условия формирования шлакового покрытия при вертикальном вводе металла в кристаллизатор // Непрерывное литье стали. Тематический отраслевой сборник. 1981. № 7. С. 80 – 83.Ermolaeva, E.I., Leites A.V. etc. Temperature conditions for the formation of slag coating during the vertical entry of metal into the mold. In: Nepreryvnoe lit’e stali. Tematicheskii otraslevoi sbornik [Continuous casting of steel. Thematic branch collection]. 1981, no.  7, pp. 80–83. (In Russ.).Куклев А.В., Лейтес А.В. Практика непрерывной разливки стали. – M.: Meталлургиздат, 2011. – 432 c.Kuklev A.V., Leites A.V. Praktika nepreryvnoi razlivki stali [Practice of continuous casting of steel]. Moscow: Metallurgizdat, 2011, 432 p. (In Russ.).Зайцев А.И., Лейтейс А. В., Либерман А. Л. Физико-химические основы нового метода управления отводом тепла от слитка к кристаллизатору // Сталь. 2003. № 3. С. 70 – 74.Zaitsev A.I., Leiteis A.V., Liberman A. L. Physicochemical basis of the new method of control of heat removal from the ingot to the mold. Stal’. 2003, no. 3, pp. 70–74. (In Russ.).Зайцев А.И., Могутнов Б.М., Шахпазов Е.Х. Современные представления о шлаках для внепечной обработки и непрерывной разливки стали // Электрометаллургия. 2010. № 8. С. 2 – 11.Zaitsev A.I., Mogutnov B.M., Shakhpazov E.Kh. Modern concepts of slags for out-of-furnace processing and continuous casting of steel. Elektrometallurgiya. 2010, no. 8, pp. 2–11. (In Russ.).Cho J., Shibata Н., Emi Т. Radiative heat transfer through mold flux film during initial solidification in continuous casting of steel // ISIJ Intern. 1998. Vol. 38. No. 3. P. 268 – 275.Cho J., Shibata N., Emi T. Radiative heat transfer through mold flux film during initial solidification in continuous casting of steel. ISIJ International. 1998, vol. 38, no. 3, pp. 268–275.Mills К.C., Alistair B.F. The role of mould fluxes in continuous casting – so simple yet so complex // ISIJ Intern. 2003. Vol. 43. No. 10. P. 1479 – 1486.Mills K.C., Alistair B.F. The role of mold fluxes in continuous casting – so simple yet so complex. ISIJ International. 2003, vol. 43, no.  10, pp. 1479–1486.Meng Y., Thomas B.G. Simulation of microstructure and behaviour of interfacial mold slag layers in continuous casting of steel // ISIJ Intern. 2006. Vol. 46. No. 5. P. 660 – 669.Meng Y., Thomas B.G. Simulation of microstructure and behavior of interfacial mold slag layers in continuous casting of steel. ISIJ International. 2006, vol. 46, no. 5, pp. 660–669.Акмен Р.Г., Кубрик Б.И., Ильченко О.Т. О распределении тепловых потоков в кристаллизаторе МНЛЗ и слитке // Изв. вуз. Черная металлургия. 1982. № 12. С. 110 – 114.Akmen R.G., Kubrik B.I., Il’chenko O.T. On the heat fluxes distribution in CCM mold and in the ingot. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1982, no. 12, pp.  110–114. (In Russ.).Суворов С.А., Вихров Е.А. Совершенствование шлакообразующих смесей // Сталь. 2010. № 4. С. 38 – 42.Suvorov S.A., Vikhrov E.A. Improvement of slag-forming mixtures for continuous-casting machine molds. Steel in Translation. 2010, vol. 40, no. 4, pp. 341–346.Рудой Л.С. Моделирование на ЭВМ затвердевания и разнотолщинности корки слитка в кристаллизаторе // Изв. вуз. Черная металлургия. 1974. № 4. С. 144 – 148.Rudoi L.S. Computer simulation of solidification and heterogeneity of the ingot’s crust in the mold. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1974, no. 4, pp. 144–148. (In Russ.).Непрерывная разливка стали на радиальных установках / В.Т. Сладкоштеев, Р.В. Потанин, О.Н. Суладзе, В.С. Рутес. – М.: Металлургия, 1974. – 288 с.Sladkoshteev V.T., Potanin R.V., Suladze O.N., Rutes V.S. Nepreryvnaya razlivka stali na radial’nykh ustanovkakh [Continuous casting of steel on radial installations]. Moscow: Metallurgiya, 1974, 288 p. (In Russ.).Рудой Л.С., Баптизманский В.И. Производительность машин непрерывного литья заготовок. – К.: Техника, 1982. – 152 с.Rudoi L.S., Baptizmanskii V.I. Proizvoditel’nost’ mashin nepreryvnogo lit’ya zagotovok [Productivity of continuous casting machines]. Kiev: Tekhnika, 1982, 152 p. (In Russ.).Гиря А.П., Убранович Л.И, Ермаков О.Н., Пестов В.И. Исследование процесса теплообмена в кристаллизаторе МНЛЗ // Повышение эффективности процесса непрерывного литья стали: Тематический отраслевой сборник. – М., 1983. С. 4 – 7.Girya A.P. Ubranovich L.I, Ermakov O.N., Pestov V.I. Investigation of heat transfer process in the CCM mold. In: Povyshenie effektivnosti protsessa nepreryvnogo lit’ya stali: Tematicheskii otraslevoi sbornik [Improvement of the efficiency of continuous casting of steel: Thematic branch collection]. Moscow: 1983, pp. 4–7. (In Russ.).Клипов А.Д., Колпаков А.И., Чигринов М.Г., Баллад Э.Р. Физико-химические и теплофизические особенности непрерывной разливки под шлаком // Сталь. 1972. № 2. С. 124 – 128.Klipov A.D., Kolpakov A.I., Chigrinov M.G., Ballad E.R. Physicalchemical and thermophysical features of continuous casting under slag. Stal’. 1972, no. 2, pp. 124–128. (In Russ.).Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Л.В. Буланов, Л.Г. Корзунин, Е.П. Парфенов и др. – Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы «Марат», 2004. – 319 с.Bulanov L.V., Korzunin L.G., Parfenov E.P. etc. Mashiny nepreryvnogo lit’ya zagotovok. Teoriya i raschet [CCM. Theory and calculation]. Ekaterinburg: Ural’skii tsentr PR i reklamy “Marat”, 2004, 319 p. (In Russ.).Журавлев В.А., Китаев Е.М. Теплофизика формирования непрерывного слитка. – М.: Металлургия, 1974. – 215 с.Zhuravlev V.A., Kitaev E.M. Teplofizika formirovaniya nepreryvnogo slitka [Thermophysics of continuous ingot formation]. Moscow: Metallurgiya, 1974, 215 p. (In Russ.).Китаев Е.М. Затвердевание стальных слитков. – М.: Металлургия, 1982. – 168 с.Kitaev E.M. Zatverdevanie stal’nykh slitkov [Crystallization of steel ingots]. Moscow: Metallurgiya, 1982, 168 p. (In Russ.).Нисковских В.М., Карлинский С.Е., Беренов А.Д. Машины непрерывного литья слябовых заготовок. – М.: Металлургия, 1991. – 272 с.Niskovskikh V.M., Karlinskii S.E., Berenov A.D. Mashiny nepreryvnogo lit’ya slyabovykh zagotovok [Machines for continuous casting of slab billets]. Moscow: Metallurgiya, 1991, 272 p. (In Russ.).Дождиков В.И. Теплофизические особенности формирования непрерывного слитка в кристаллизаторе МНЛЗ. – Липецк: ЛГТУ, 2007. – 184 с.Dozhdikov V.I. Teplofizicheskie osobennosti formirovaniya nepreryvnogo slitka v kristallizatore MNLZ: monografiya [Thermophysical features of the formation of continuous ingot in a CCM mold]. Lipetsk: LGTU, 2007, 184 p. (In Russ.).Ya Meng, Brian G. Thomas. Heat-Transfer and Solidification Model of Continuous Slab Casting: CON1D // Metallurgical and Materials Transactions B. Vol. 34B. October 2003. P. 685 – 705.Ya Meng, Brian G. Thomas. Heat-transfer and solidification model of continuous slab casting: CON1D. Metallurgical and Materials Transactions B. Vol. 34B, October 2003, pp. 685–705.Ya Meng, Brian G. Thomas. Modeling transient slag-layer phenomena in the shell/mold gap in continuous casting of steel // Metallurgical and Materials Transactions B. Vol. 34B. October 2003. Р. 707 – 725.Ya Meng, Brian G. Thomas. Modeling transient slag-layer phenomena in the shell/mold gap in continuous casting of steel. Metallurgical and Materials Transactions B. Vol. 34B, October 2003. pp.  707–725.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.