blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-1-57-61blackmet-1564Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEФОРМИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ НЕПРЕРЫВНОЛИТЫХ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОКFORMATION OF TEMPERATURE FIELDS AND THERMAL STRESSES ARISING DURING SOLIDIFICATION OF CYLINDRICAL CONTINUOUSLY CAST STEEL BILLETSКраюшкинН. А.KrayushkinN. A.

ведущий инженер-программист кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Senior Software Engineer of the Chair “EnergyEfficient and Resource-Saving Industrial Technologies”

KNA-1989@mail.ruПрибытковИ. А.PribytkovI. A.

к.т.н., профессор кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “EnergyEfficient and Resource-Saving Industrial Technologies”, Deputy Head of the Chair

ШатохинК. С.ShatokhinK. S.

к.т.н., доцент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий 

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies”

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation2019220220196215761Copyright © Краюшкин Н.А., Прибытков И.А., Шатохин К.С., 20192019Краюшкин Н.А., Прибытков И.А., Шатохин К.С.Krayushkin N.A., Pribytkov I.A., Shatokhin K.S.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/1564

В работе изложены результаты исследования влияния неоднородности граничных условий на интенсивность охлаждения металла в процессе непрерывной разливки цилиндрических заготовок из коррозионностойких марок сталей. Предполагается, что граничные условия неоднородны по периметру заготовки. В продольном направлении интенсивность охлаждения считается постоянной в рамках выделенного охлаждаемого сектора заготовки. В ходе исследований принималось наличие перетоков теплоты между секторами охлаждения. Приводится сравнительный анализ градиентов температур и возникающих термических напряжений в затвердевающей заготовке при различных интенсивностях охлаждения, реализуемых в зоне вторичного охлаждения. Значения термических напряжений сравниваются с предельно допустимыми для каждой марки стали с целью определения условий охлаждения, при которых термические напряжения не будут превышать допустимую величину. На основе полученных результатов делаются выводы о влиянии интенсивности охлаждения на возникновение наружных и внутренних дефектов в получаемых цилиндрических непрерывнолитых заготовках. Также делаются выводы о влиянии неоднородности граничных условий на формирование температурных полей в затвердевающей цилиндрической непрерывнолитой заготовке. Результаты проведенных исследований представляются в графическом виде и проводится их детальный анализ. Для расчета температурных полей в затвердевающей заготовке использована специально разработанная математическая модель, в основе которой лежит уравнение нестационарной теплопроводности. Для расчета термических напряжений использованы известные методики, которые позволяют рассчитывать величины термических напряжений, возникающих между зонами охлаждения в затвердевающей заготовке. Результаты исследований могут быть использованы для разработки рациональных режимов охлаждения, при которых не будет наблюдаться превышения допустимых термических напряжений. Это, как следствие, позволит уменьшить количество внутренних и наружных дефектов, возникающих в затвердевающей непрерывнолитой заготовке.

The article presents investigation results of the effect of inhomogeneity of boundary conditions on the intensity of metal cooling in the process of continuous casting of cylindrical billets from corrosionresistant steels. It is assumed that the boundary conditions are nonuniform along the billet perimeter. In the longitudinal direction, the cooling intensity is assumed to be constant within the cooled sector of the billet. During the research it was believed that there are flows of thermal energy between the cooling sectors. A comparative analysis of temperature gradients and resulting thermal stresses in the solidified billet at different cooling intensities realized in the secondary cooling zone was carried out The values of thermal stresses are compared with the maximum permissible for each grade of steel in order to find those cooling conditions in which the thermal stresses do not exceed the permissible values. Based on the results obtained, conclusions are drawn about the effect of cooling intensity on the occurrence of external and internal defects in the resulting cylindrical continuous cast billets. The authors have also made the conclusions about the effect of inhomogeneity of the boundary conditions on the formation of temperature fields in a solidified cylindrical continuously cast billet. The results of the conducted studies are presented in a graphic form and their detailed analysis is carried out. To calculate the temperature fields in the solidifying billet, a specially developed mathematical model was used, based on the equation of nonstationary heat conductivity. For the calculation of thermal stresses, known mathematical formulas have been used that allow calculating the values of thermal stresses arising between cooling zones in the solidifying billet during the continuous casting of steel. The obtained data are of high practical importance, since they can be used to develop rational cooling regimes, in which excess permissible thermal stresses will not be observed. This, as a consequence, will reduce the number of internal and external defects arising in the solidifying continuously cast billet.

непрерывная разливказона вторичного охлажденияинтенсивность охлаждениянеоднородность граничных условийкоэффициент теплоотдачискорость разливкиградиенты температуртермические напряженияcontinuous castingsecondary cooling zonecooling intensityinhomogeneity of the boundary conditionsheat transfer coefficientcasting speedtemperature gradientsthermal stressReferencesЕвтеев Д.П., Колыбалов И.Н. Непрерывное литье стали. – М.: Металлургия, 1984. С. 131 – 135.Evteev D.P., Kolybalov I.N. Nepreryvnoe lit’e stali [Continuous casting of steel]. Moscow: Metallurgiya, 1984, pp. 131–135. (In Russ.).Кан Ю.Е. Управление технологическим процессом производства непрерывнолитых заготовок // Непрерывная разливка стали. – М.: Металлургия, 1989. С. 9 – 16.Kan Yu.E. Process control of cast billets production. In: Nepreryvnaya razlivka stali [Continuous casting]. Moscow: Metallurgiya, 1989, pp. 9–16. (In Russ.).Лин Дж. Б. Исследование непрерывной разливки стали / Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1982. С.159 – 168.A studу of the continuous casting of steel. Brussels: International Iron and Steel Institute, 1977. (Russ.ed.: Lean J.B. Issledovanie nepreryvnoi razlivki stali. Moscow: Metallurgiya, 1989, pp. 9–16).Стальной слиток. Т. 2. Затвердевание и охлаждение / Ю.А. Самойлович и др. – Минск: Белорусская наука, 2000. – 640 с.Samoilovich Yu.A., Timoshpol’skii V.I., Trusova I.A., Filippov V.V. Stal’noi slitok: v 3-kh t. T. 2. Zatverdevanie i okhlazhdenie [Steel ingot: in 3 vols. Vol. 2. Solidification and cooling]. Minsk: Bel. navuka, 2000, 637 p. (In Russ.).Малиночка Я.Н., Моисеева Л.А., Есаулова Т.В. Некоторые дефекты непрерывнолитых слитков и улучшение качества металла // Сталь. 1987. № 10. С. 27 – 30.Malinochka Ya.N., Moiseeva L.A., Esaulova T.V. Some defects in continuously cast slabs and metal quality improvement. Stal’, 1987, no. 10, pp. 27–30. (In Russ.).Мищенко И.О. Управление уровнем дефектов поверхности и макроструктуры непрерывнолитых слябов МНЛЗ: Автореф. дис... канд. тех. наук. – М.: МИСиС, 2006. – 25 с.Mishchenko I.O. Upravlenie urovnem defektov poverkhnosti i makrostruktury nepreryvno-litykh slyabov MNLZ: avtoref. dis... kand. tekh. nauk. [Management of defects level of surface and macrostructure of cast slabs: Extended Abstract of Cand. Sci. Diss.]. Moscow: MISiS, 2006, 25 p. (In Russ.).Краюшкин Н.А., Кузнецова Н.П. Исследование тепловых режимов затвердевания круглых сортовых заготовок из высококачественных марок сталей при полунепрерывной разливке стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2012. № 7. С. 45 – 48.Krayushkin N.A., Kuznetsova N.P. Investigation of thermal conditions of round billets of high-quality steel solidification for semicontinuous casting. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2012, no. 7, pp. 45–48. (In Russ.).Кузнецова Н.П., Краюшкин Н.А. Сравнительный анализ процесса полунепрерывной разливки стали в России и Европе // 66-ые Дни науки МИСиС. – М.: МИСиС, 2011. С. 365.Kuznetsova N.P., Nikitin D.A. Comparative analysis of the process of semicontinuous casting of steel in Russia and Europe. In: 66-e dni nauki NITU “MISiS” [66th Scientific Days in NUST MISIS]. Moscow: MISiS, pp. 287–294. (In Russ.).Емельянов В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок: Учеб. пособие. – М.: Металлургия, 1988. – 142 с.Emel’yanov V.A. Teplovaya rabota mashin nepreryvnogo lit’ya zagotovok: Uchebnoe posobie [Thermal operation of continuous casting machines: Textbook]. Moscow: Metallurgiya, 1988, 142 p. (In Russ.).Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков. – М.: Металлургия, 1991. – 216 c.Skvortsov A.A., Akimenko A.D., Ul’yanov V.A. Vliyanie vneshnikh vozdeistvii na protsess formirovaniya slitkov [Influence of external influences on the formation of ingots]. Moscow: Metallurgiya, 1991, 216  p.Дождиков В.И. Теплофизические закономерности формирования непрерывного слитка и совершенствование систем его охлаждения: Автореф. дисс… док. техн. наук. – М.,1995. – 46 с.Dozhdikov V.I. Teplofizicheskie zakonomernosti formirovaniya nepreryvnogo slitka i sovershenstvovanie sistem ego okhlazhdeniya: avtoref. diss...doktora tekhn. nauk [Thermophysical regularities in the formation of a continuous ingot and the improvement of its cooling systems: ExtendedAbstract of Dr. Tech. Sci. Diss.]. Moscow: 1995, 46 p. (In Russ.).Кузнецова Н.П., Краюшкин Н.А. Исследование тепловых режимов затвердевания при полунепрерывной разливке круглых стальных слитков для производства бесшовных труб // Изв. вуз. Черная металлургия. 2014. № 3. С. 34 – 38.Kuznetsova N.P., Krayushkin N.A. Research of thermal modes of solidification in semi-continuous casting of round steel ingots for the production ofseamlesstubes. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2014, no. 3, pp. 34–38. (In Russ.).Иерусалимов И.П., Суковатин И.В. Исследование динамики продвижения слитка в МНЛЗ // Сталь. 2003. № 4. С. 26 – 29.Ierusalimov I.P., Sukovatin I.V. Investigation of dynamics of strand movement in caster. Stal’. 2003, no. 4, pp. 26–29. (In Russ.).Журавлев В.А., Колодкин В.М. САПР технологии металлургических процессов кристаллизации // Литейное производство. 1986. № 4. С. 27 – 28.Zhuravlev V.A., Kolodkin V.M. CAD technology of metallurgical processes of crystallization. Liteinoe proizvodstvo. 1986, no. 4, pp.  27–28. (In Russ.).Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. Методики расчета нагревательных и термических печей: Учебно-справочное издание. – М.: Теплотехник, 2004. – 400 с.Gusovskii V.L., Lifshits A.E. Metodiki rascheta nagrevatel’nykh i termicheskikh pechei: uchebno-spravochnoe izdanie [Methods for calculating the heating and heat treatment furnaces: Educational and reference book]. Moscow: Teplotekhnik, 2004, 400 p. (In Russ.).Темлянцева М.В, Осколкова Т.Н. Трещинообразование в процессах нагрева и охлаждения сталей и сплавов. – М.: Флинта: Наука, 2005. – 195 с.Temlyantseva M.V, Oskolkova T.N. Treshchinoobrazovanie v protsessakh nagreva i okhlazhdeniya stalei i splavov [Cracking in heating and cooling processes of steels and alloys]. Moscow: Flinta: Nauka, 2005, 195 p. (In Russ.).Краснокутский П.Г., Кривандин В.А., Безруков В.И., Ольяк В.Д. Температурные напряжения в условиях скоростного струйного нагрева металла // Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 11. С. 25 – 27.Krasnokutskii P.G., Krivandin V.A., Bezrukov V.I., Ol’yak V.D. Thermal stresses in a high-speed jet of metal heating. Kuznechnoshtampovochnoe proizvodstvo. 1983, no. 11, pp. 25–27. (In Russ.).Мирсалимов В.М., Емельянов В.А. Напряженное состояние и качество непрерывного слитка. – М.: Металлургия, 1990. – 151 с.Mirsalimov V.M., Emel’yanov V.A. Napryazhennoe sostoyanie i kachestvo nepreryvnogo slitka [Stress state and quality of continuous ingot]. Moscow: Metallurgiya, 1990, 151 p. (In Russ.).Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. – М.: Металлургиздат, 1962. – 567 с.Taits N.Yu. Tekhnologiya nagreva stali [Technology of steel heating]. Moscow: Metallurgizdat, 1962, 567 p. (In Russ.).Краснокутский П.Г., Кривандин В.А., Ольяк В.Д., Безруков В.И. Определение допустимой интенсивности нагрева металла // Изв. вуз. Черная металлургия. 1984. № 7. С. 115 – 119.Krasnokutskii P.G., Krivandin V.A., Ol’yak V.D., Bezrukov V.I. Determination of permissible intensity of metal heating. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1984, no. 7, pp. 115–119. (In Russ.).

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