О МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССОВ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЕ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ СТАЛИ

В работе акцентируется внимание на моделировании процессов, происходящих в кристаллизаторе с новой запатентованной системой охлаждения в машине непрерывной разливки стали, в частности, на перепаде температур в металле заготовки и в стенке по высоте кристаллизатора, от которых зависит качество получаемой заготовки. В обзоре приводятся работы, в которых исследуются шлакообразующие смеси (ШОС), влияющие на передаваемый от металла заготовки тепловой поток в кристаллизатор. При этом зарубежные авторы акцентируют внимание на «мягком» охлаждении кристаллизатора подбором ШОС. Совершенствование процесса охлаждения заготовки в  кристаллизаторе в первую очередь направлено на улучшение качества поверхности сляба, повышение стойкости кристаллизатора и увеличение производительности машины, что, по мнению ряда авторов, можно добиться путем математического моделирования процесса. Вопрос охлаждения кристаллизатора напрямую зависит от конвективного движения жидкой стали в кристаллизаторе, что рассматривается в ряде работ зарубежных авторов. Использование принципа работы тепловых труб в системе охлаждения кристаллизатора машины, в  частности, с использованием пористого материала с рабочей средой вода и воздух, а также вопрос испарения капель жидкости на наноструктурированных супергидрофильных поверхностях также привлекает внимание исследователей. Охлаждение кристаллизатора при скоростях разливки металла более 7 м/мин, сопровождающееся возрастанием плотности теплового потока, является актуальной задачей и рассматривается рядом авторов. Взаимосвязь основных параметров процесса определяется с использованием теории размерности Рэлея. В  качестве основного параметра выбирается перепад температур в металле стенки кристаллизатора, зависящий от скорости разливки (времени нахождения формирующейся в кристаллизаторе заготовки), свойств разливаемого металла (теплоемкости, температуропроводности), теплопроводности стенки кристаллизатора, перепада температур в разливаемом металле. Показатели степени при критериях подобия определяются с учетом имеющихся экспериментальных данных зависимости плотности теплового потока от принятой скорости разливки стали, параметров стали. Полученное в работе соотношение ∆t_c/t_c (где ∆t_c – средний перепад температур по толщине стенки, t_c – среднее значение температуры стенки) для кристаллизаторов с существующей и новой (запатентованной) системой охлаждения позволяет определить перепад температур в металле заготовки, который при двух сравниваемых системах охлаждения кристаллизатора составляет ∆t_м1  =  450  °С и ∆t_м2 = 231 °С, а соотношение ∆t_м1/ ∆t_м2 = 1,95 раза. Уменьшение перепада температур металла ∆t_м2 свидетельствует о более «мягком» охлаждении кристаллизатора с новой системой охлаждения.

1. Design of the sleeve mold. Danieli Centro Met. 8 th European Continuous Casting Conference, 23 – 26 June 2014. Austria, Graz, 2014, pp. 60 – 62.

2. Kim S.Y., Choi Y.S., Hwang J.Y., Lee S.H. Mold Heat Transfer Behavior at Hing Casting Speed Over 7 m/minute in the CEM, POSCO // Iron Steel Technology. 2016. Vol. 13. No. 7. P. 47 – 56.

3. Raudensky M., Tseng A.A., Horsky J., Kominek J. Recent developments of water and mist spray cooling in continuous casting of steels // Metallurgical Research Technology. 2016. Vol. 113. No. 5. P. 509.

4. Singh V., Das S.K. Thermofluid Mathematical Modeling of Steel Slab Caster: Progress in 21 st. Century // ISIJ International. 2016. Vol. 56. No. 9. P. 1509 – 1518.

5. Hanao M., Kawamoto M., Yamanaka A. Influence of mold flux on initial solidification of hypo-peritectic steel in a continuous casting mold // Tetsu-to Hagane = Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. 2014. Vol. 100. No. 4. Р. 581 − 590.

6. Kania H., Nowacki K., Lis T. Impact of the density of the mould powder on thickness of the layer of liquid slag in the continuous caster mould // Metalurgija. 2013. Vol. 52. No. 2. Р. 204 – 206.

7. Furumai K., Miki Y. Molten Steel Flow Control Technology for Decreasing Slab Defects // JFE Giho. 2016. No. 38. Р. 36 – 41.

8. Kratzsch Ch., Timmel K., Eckert S., Schwarze R. URANS Simulation of Continuous Casting Mold Flow: Assessment of Revised Turbulence Models // Steel Research International. 2015. Vol. 87. No. 4. P. 400 – 410.

9. Sengupta J., Yavuz M. Metin. Nozzle design for ArcelorMittal Dofasco’s no. 1 continuous caster for minimizing sliver defects // Iron and Steel Technology. 2011. No. 7. Р. 39 – 47.

10. Lee P.В., Ramirez-Lopez P.E., Mills K.C. etс. Review: the “butterfly effect” in continuous casting // Ironmaking and Steelmaking. 2012. Vol. 39. No. 4. Р. 244 – 253.

11. Tingzhen Ming, Yong Tao. Улучшение теплообмена в трубе, заполненной пористым материалом: 15-я Международная конференция по теплопередаче (IYNC-15), 10-15 августа 2014 г. Япония, Киото. С. 89 – 91.

12. Хорхе Падилья, Ван П. Кэри. Экспериментальное исследование фазового перехода на наноструктурированных супергидрофильных поверхностях: 15-я Международная конференция по теплопередаче (IYNC-15), 10 – 15 августа, 2014 г. Япония, Кио­ то. С. 102 – 104.

13. Вдовин К.Н., Ларина Т.П., Ячиков И.М., Позин А.Е. Математическое моделирование затвердевания сляба в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 2. С. 38 – 41.

14. Макуров С.Л., Смирнов А.Н., Епишев М.В., Шлемко С.В. Исследование и оптимизация технологических свойств шлакообразющих смесей для непрерывной разливки стали с повышенной скоростью // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 12. С. 13 – 16.

15. Стулов В.В. Физическое моделирование охлаждения высокотемпературной техники (в металлургии). – Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, 2012. – 142 с.

16. Стулов В.В. Анализ подобия физических процессов при моделировании охлаждения кристаллизаторов машин // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2012. № 1. С. 80 – 83.

17. Стулов В.В. Моделирование охлаждения стали в кристаллизаторах // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 1. С. 73 – 77.

18. Стулов В.В. Моделирование теплообмена при охлаждении кристаллизаторов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 4. С. 78 – 84.

19. Стулов В.В., Одиноков В.И., Оглоблин Г.В. и др. Физическое моделирование процесса получения непрерывнолитой деформированной стальной заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2009. № 8. С. 41 – 46.

20. Hanao M., Kawamoto M., Yamanaka A. Influence of mold flux on initial solidification of hypo-peritectic steel in a continuous casting mold // Tetsu–to-Hagane = Journal of the Iron and Steel Institute of Japan. 2014. Vol. 100. No. 4. Р. 581 – 590.

21. Пат. № 2601713 РФ. Способ охлаждения кристаллизатора / В.В. Стулов // БИ 2016. № 10. С. 5.

22. Stulov V.V. Cooling of a Mold at Preforming Cylindrical Continuous Cast Steel Billets // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2017. Vol. 46. No. 1. P. 57 – 62.

23. Мигай В.К. Моделирование теплообменного энергетического оборудования. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. – 254 с.

24. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / Л.В. Буланов, Л.Г. Корзунин, Е.П. Парфенов и др. Под общей ред. Г.А. Шалаева. – Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы, 2003. – 320 с.