blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-6-733-742blackmet-2664Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSМоделирование нового процесса перемешивания жидкого металла в кристаллизаторе установки непрерывной разливки стали при вращающейся рубашке с вертикальными ребрамиSimulation of a new process of mixing liquid metal in CCM mold with rotating cooling jacket with vertical ribshttps://orcid.org/0000-0003-0200-1675ОдиноковВ. И.OdinokovV. I.

Валерий Иванович Одиноков, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Управления научно-исследовательской деятельностью

Россия, 681013, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

Valerii I. Odinokov, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Department of Research Activities

27 Lenina Ave., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681013, Russian Federation

79122718858@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9594-4068ЕвстигнеевА. И.EvstigneevA. I.

Алексей Иванович Евстигнеев, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник Управления научно-исследовательской деятельностью

Россия, 681013, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

Aleksei I. Evstigneev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Department of Research Activities

27 Lenina Ave., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681013, Russian Federation

diss@knastu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8023-316XДмитриевЭ. А.DmitrievE. A.

Эдуард Анатольевич Дмитриев, д.т.н., доцент, ректор

Россия, 681013, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

Eduard A. Dmitriev, Dr. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Rector

27 Lenina Ave., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681013, Russian Federation

rector@knastu.ruhttps://orcid.org/0009-0003-7137-0789КарпенкоВ. А.KarpenkoV. A.

Владимир Анатольевич Карпенко, соискатель степени к.т.н.

Россия, 681013, Хабаровский край, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

Vladimir A. Karpenko, Candidates for a Degree of Сand. Sci. (Eng.)

27 Lenina Ave., Komsomolsk-on-Amur, Khabarovsk Territory 681013, Russian Federation

volodya.karpenko.89@mail.ruКомсомольский-на-Амуре государственный университетРоссияKomsomolsk-on-Amur State UniversityRussian Federation202329122023666733742Copyright © Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Карпенко В.А., 20232023Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Карпенко В.А.Odinokov V.I., Evstigneev A.I., Dmitriev E.A., Karpenko V.A.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/2664

Предложена новая технология процесса заполнения кристаллизатора установки непрерывной разливки стали (УНРС) жидким металлом и его перемешивания. Приведена оригинальная запатентованная конструкция устройства, состоящая из глуходонного стакана и вращающейся рубашки. Экспериментальные исследования течения жидкого металла в кристаллизаторе продолжительны, сложны и трудоемки, поэтому в работе применяется математическое моделирование численным методом. Представлены основные результаты исследований течения расплава в объеме кристаллизатора. Объектами исследований являются гидродинамические и тепловые потоки жидкого металла нового процесса разливки стали в кристаллизатор прямоугольного сечения УНРС, а результатом – пространственная математическая модель, описывающая потоки и температуры жидкого металла в кристаллизаторе. Для моделирования процессов, протекающих при течении металла в кристаллизаторе, авторы используют специально созданный программный комплекс. В основе теорети­ческих расчетов лежат основополагающие уравнения гидродинамики, уравнения математической физики (уравнение теплопроводности с учетом массопереноса) и апробированный численный метод. Исследуемая область разбивается на элементы конечных размеров, для каждого элемента в разностном виде формулируется система уравнений. Результат решения – поля скоростей и температур потока металла в объеме кристаллизатора. По разработанным численным схемам и алгоритмам составлена программа расчета. Приведен пример расчета разливки стали в кристаллизатор прямоугольного сечения, схемы потоков жидкого металла по различным сечениям кристаллизатора. Наглядно представлены векторные потоки жидкого металла в различных сечениях кристаллизатора при разных числах оборотов вращающейся рубашки. Выявлены области интенсивной турбулентности. Результаты численного решения задачи представлены в графической форме схемами полей скоростей потоков жидкого металла и их температуры по различным сечениям кристаллизатора.

The article proposes a new technology of filling the CCM mold with liquid metal and mixing it. The original patented device consists of a closed bottom nozzle and a rotating jacket. Experimental studies of liquid metal flow in a mold are long, complex and time-consuming, therefore, in the work was used mathematical modeling by numerical method. The objects of research are the hydrodynamic and thermal flows of liquid metal during the new process of steel casting into a CCM mold of rectangular cross-section, and the result is a spatial mathematical model that describes the flows and temperatures of liquid metal in the mold. To simulate the processes occurring during the metal flow in the mold, the authors used a specially crea­ted software package. The theoretical calculations are based on the fundamental equations of hydrodynamics, the equations of mathematical physics (equation of thermal conductivity taking into account mass transfer) and a proven numerical method. The area under study is divided into elements of finite dimensions, for each element a formulated system of equations is written in a difference form. The result is the velocity and temperature fields of the metal flow in the mold volume. According to the developed numerical schemes and algorithms, a calculation program was compiled. The paper considers an example of calculating the steel casting into a mold of rectangular cross-section and flow diagrams of liquid metal over various mold sections. Vector flows of liquid metal in various mold sections are clearly presented for different rotary speed of the rotating jacket. The authors identified the areas of intense turbulence and presented the results of the problem numerical solution in graphical form by diagrams of the velocity fields of liquid metal flows and their temperature over various mold sections.

моделированиекристаллизаторжидкий металлзаполнениепотоки расплаваматематическая модельчисленная схемаалгоритмскорость теченияmodelingmoldliquid metalfillingmelt flowmathematical modelnumerical schemealgorithmflow rateReferencesДюдкин Д.А., Кисиленко В.В., Смирнов А.Н. Производство стали. Т. 4. Непрерывная разливка металла. Москва: Теплотехник; 2009:528.Dyudkin D.A., Kisilenko V.V., Smirnov A.N. Production of Steel. Vol. 4. Continuous Casting of Metal. Moscow: Teplotekhnik; 2009:528. (In Russ.).Ефимов В.А. Разливка и кристаллизация стали. Москва: Металлургия; 1976:552.Efimov V.A. Casting and Crystallization of Steel. Moscow: Metallurgiya; 1976:552. (In Russ.).Акименко А.Д., Гирский В.Е., Гуськов А.И. Влияние способов подвода металла в кристаллизатор на формирование осевой зоны квадратного слитка. Сталь. 1973;(5):408–409.Akimenko A.D., Girskii V.E., Gus’kov A.I. Influence of methods of metal supply to a mold on formation of axial zone in a square ingot. Stal’. 1973;(5):408–409. (In Russ.).Одиноков В.И., Дмитриев Э.А., Евстигнеев А.И. Численное моделирование процесса заполнения металлом кристаллизатора УНРС*. Известия вузов. Черная металлургия. 2017;60(6):493–498. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-6-493-499Odinokov V.I., Dmitriev E.A., Evstigneev A.I. Numerical modeling of the process of filling the CCM mold with metal. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2017;60(6):493–498. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2017-6-493-499Proceedings of the Int. Symp. on Electromagnetic Processing of Materials. October 25–28, 1994. Nagoya, Japan: ISIJ; 1994:580.Proceedings of the Int. Symp. on Electromagnetic Processing of Materials. October 25–28, 1994. Nagoya, Japan: ISIJ; 1994:580.Стулов В.В., Матысик В.А., Новиков Т.В., Щербаков С.В., Чистяков И.В., Плотников А.П. Разработка нового способа разливки слябовых заготовок на МЛНЗ. Владивосток: Дальнаука; 2008:156.Stulov V.V., Matysik V.A., Novikov T.V., Shcherbakov S.V., Chistyakov I.V., Plotnikov A.P. Development of a New Method for Casting Slab Blanks in CCM. Vladivostok: Dal’nauka; 2008:156. (In Russ.).Одиноков В.И., Дмитриев Э.А., Евстигнеев А.И. Математическое моделирование процесса течения металла в кристаллизаторе при его подаче из погружного стакана с эксцентричными отверстиями. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(8):606–612. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-8-606-612Odinokov V.I., Dmitriev E.A., Evstigneev A.I. Mathematical modeling of metal flow in crystallizer at its supply from submersible nozzle with eccentric holes. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(8):606–612. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-8-606-612Куберский С.В., Семирягин С.О., Федоров О.В. Расчеты технологических и конструктивных параметров МЛНЗ: Учебное пособие. Алчевск: ДОНГТУ; 2006:146.Kuberskii S.V., Semiryagin S.O., Fedorov O.V. Calculations of Technological and Design Parameters of CCM: Tutorial. Alchevsk: DONSTU; 2006:146. (In Russ.).Смирнов А.А., Нисковских В.М., Куликов В.И. Исследование процесса электромагнитного перемешивания металла в слябовых МНЛЗ методом моделирования. В кн.: Совершенствование конструкций, исследование и расчет машин непрерывного литья заготовок: Сборник научных трудов. Москва: ВНИИМЕТМАШ; 1987:85–90.Smirnov A.A., Niskovskikh V.M., Kulikov V.I. Investigation of electromagnetic mixing of metal in slab CCM by modeling method. In: Improving the Structures, Research and Calculation of CCM: Coll. of Sci. Papers. Moscow: VNIIMETMASh; 1987:85–90. (In Russ.).Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А. Численное моделирование процесса заполнения металла кристаллизатора с отражателем УНРС. Известия вузов. Черная металлургия. 2019;62(10):747–755. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-747-755Odinokov V.I., Evstigneev A.I., Dmitriev E.A. Numerical modelling of metal filling in CCM mold completed with deflector. Izvestiya. Ferrous metallurgy. 2019;62(10):747–755. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-10-747-755Нарцт Х.-П., Келлерер С., Штахельбергер К., Мёрвальд К., Федершпиль К., Валь Г. Новаторские решения и практические результаты технологии непрерывного литья слябов. Черные металлы. 2003;(11):34–38.Nartst Kh.-P., Kellerer S., Shtakhelberger K., Merval’d K., Fedeshpil’ K., Val’ G. Innovative solutions and practical results of continuous slab casting technology. Chernye metally. 2003;(11):34–38. (In Russ.).Виммер Ф., Тене X., Пекштайнер Л. Высокоскоростное литье мелкосортовых заготовок на МНЛЗ с кристаллизатором «Дайэмоулд». Сталь. 1999;(6):22–26.Vimmer F., Tene X., Pekshtainer L. High-speed casting of small-grade billets on CCM with Diamond mold. Stal’. 1999;(6):22–26. (In Russ.).Айхингер А., Фрауэнхубер К., Хедль X., Мервальд К. Новейшее оборудование для высокопроизводительной непрерывной разливки. Сталь. 2000;(3):25–28.Aikhinger A., Frauenkhuber K., Khedl’ X., Merval’d K. Modern equipment for high-performance continuous casting. Stal’. 2000;(3):25–28. (In Russ.).Олер К., Оденталь Х.-Ю., Пфайфер Г., Леманович И. Цифровое моделирование процессов течения и затвердевания металла в МНЛЗ для литья тонких слябов. Черные металлы. 2002;(8):22–30.Oler K., Odental’ Kh.-Yu., Pfaifer G., Lemanovich I. Digital modeling of metal flow and solidification in CCM for casting thin slabs. Chernye metally. 2002;(8):22–30. (In Russ.).Davidson P.A., Boysan F. The importance of secondary flow in the rotary electromagnetic stirring of steel during continuous casting. Applied Scientific Research. 1987;44(1–2):241–259. http://doi.org/10.1007/BF00412016Davidson P.A., Boysan F. The importance of secondary flow in the rotary electromagnetic stirring of steel during continuous casting. Applied Scientific Research. 1987;44(1–2):241–259. http://doi.org/10.1007/BF00412016Thomas B.G., Mika L.J., Najjar F.M. Simulation of fluid flow inside a continuous slab casting machine. Metallurgical Transactions B. 1990;21(2):387–400. http://doi.org/10.1007/BF02664206Thomas B.G., Mika L.J., Najjar F.M. Simulation of fluid flow inside a continuous slab casting machine. Metallurgical Transactions B. 1990;21(2):387–400. http://doi.org/10.1007/BF02664206Thomas B.G., Zhang L. Mathematical modeling of fluid flow in continuous casting. ISIJ International. 2001;41(10):1181–1193. http://doi.org/10.2355/isijinternational.41.1181Thomas B.G., Zhang L. Mathematical modeling of fluid flow in continuous casting. ISIJ International. 2001;41(10):1181–1193. http://doi.org/10.2355/isijinternational.41.1181Yuan Q., Shi T., Vanka S.P., Thomas B.G. Simulation of turbulent flow and particle transport in the continuous casting of steel. In: Computational Modeling of Materials Minerals and Metals. Warrendale, PA; 2002:491–500.Yuan Q., Shi T., Vanka S.P., Thomas B.G. Simulation of turbulent flow and particle transport in the continuous casting of steel. In: Computational Modeling of Materials Minerals and Metals. Warrendale, PA; 2002:491–500.Larreq M., Sagues C., Wanin M. Vodele mathematique de la solidification eu coulee continue tenant compte de la convection al`interface solide-liquide. Revue de Metallurgie. 1978;75(6):337–352.Larreq M., Sagues C., Wanin M. Vodele mathematique de la solidification eu coulee continue tenant compte de la convection al`interface solide-liquide. Revue de Metallurgie. 1978;75(6):337–352.Ozava M., Okano S., Matsuno J. Influence des contitions du jet de coulee sur la formation de la peau solidifiee eu lingotiere de brames de colee con-tinue. Tetsu-to-Hagane. 1976;62(4):86.Ozava M., Okano S., Matsuno J. Influence des contitions du jet de coulee sur la formation de la peau solidifiee eu lingotiere de brames de colee con-tinue. Tetsu-to-Hagane. 1976;62(4):86.Kohn A., Morillon Y. Etnde mathematique de la solidification des lingots en acier mi-dur. Revue de Metallurgie. 1966;63(10):779–790.Kohn A., Morillon Y. Etnde mathematique de la solidification des lingots en acier mi-dur. Revue de Metallurgie. 1966;63(10):779–790.Ho K., Pehlke R. Modelling of steel solidification using the general finite difference method. In: 5th Int. Iron and Steel Congress Proceedings of the 6th Process Technol. Conf. (Apr. 6–9, 1986). Warrendale; 1986;6:853–866.Ho K., Pehlke R. Modelling of steel solidification using the general finite difference method. In: 5th Int. Iron and Steel Congress Proceedings of the 6th Process Technol. Conf. (Apr. 6–9, 1986). Warrendale; 1986;6:853–866.Mizikar E. Mathematical heat transfer model for solidification of continuous cast steel slabs. Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1967;239(11):1747.Mizikar E. Mathematical heat transfer model for solidification of continuous cast steel slabs. Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1967;239(11):1747.Szekely J., Stanek V. On heat transfer and liquid mixing in the continuous casting of steel. Metallurgical Transactions. 1970;1(1):119. https://doi.org/10.1007/BF02819250Szekely J., Stanek V. On heat transfer and liquid mixing in the continuous casting of steel. Metallurgical Transactions. 1970;1(1):119. https://doi.org/10.1007/BF02819250Патент №2764446 РФ. Устройство для подачи и перемешивания стали в кристаллизаторе установки непрерывной разливки / Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Александров А.Ю., Карпенко В.А.; заявл. 20.05.2021; опубл. 17.01.2022. Бюл. № 2.Odinokov V.I., Evstigneev A.I., Dmitriev E.A., Aleksandrov A.Yu., Karpenko V.A. A device for feeding and mixing steel in CCM mold. Pat. RF 2764446. Byulleten’ izobretenii. 2022;(2). (In Russ.).Одиноков В.И., Дмитриев Э.А., Евстигнеев А.И., Кузнецов С.А., Горнаков А.И. Совершенствование устройств по заполнению кристаллизатора УНРС жидким металлом. Металлург.2021;(4):33–35. https://doi.org/10.52351/00260827_2021_04_33Odinokov V.I., Dmitriev E.A., Evstigneev A.I., Kuznetsov S.A., Gornakov A.I. Improvement of devices for filling CCM mold by liquid metal. Metallurg. 2021;(4):33–35. (In Russ.). https://doi.org/10.52351/00260827_2021_04_33Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Александров С.Ю., Карпенко В.А. Совершенствование устройств для подачи и перемешивания жидкого металла в кристаллизаторе установки непрерывного литья стали. Заготовительные производства в машиностроении. 2022;20(3):99–103. https://doi.org/10.36652/1684-1107-2022-20-3-99-102Odinokov V.I., Evstigneev A.I., Dmitriev E.A., Aleksandrov S.Yu., Kar-penko V.A. Improvement of devices for feeding and mixing of liquid metal in continuous casting mould. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2022;20(3):99–103. (In Russ.). https://doi.org/10.36652/1684-1107-2022-20-3-99-102Одиноков В.И., Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Карпенко В.А. Математическое моделирование процесса перемешивания жидкого металла в кристаллизаторе установке непрерывной разливки стали. Математическое моделирование и численные методы. 2023;(3):18–41.Odinokov V.I., Evstigneev A.I., Dmitriev E.A., Karpenko V.A. Mathematical modeling of mixing liquid metal in CCM mold. Matematicheskoe modelirovanie i chislennye metody. 2023;(3):18-41. (In Russ.).Kim, W.S., Chair T.S. A simplified phenomenological theory of viscosity for liquid metals. Bulletin of the Korean Chemical Society. 2001;22(1):43–45.Kim, W.S., Chair T.S. A simplified phenomenological theory of viscosity for liquid metals. Bulletin of the Korean Chemical Society. 2001;22(1):43–45.

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