книги из ГПНТБ / Непрерывная разливка стали на радиальных установках

Г л а в а II

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ ЗАГОТОВОК НА РАДИАЛЬНЫХ УНРС

1.ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВЖИДКОЙ ЛУНКЕ КРИВОЛИНЕЙНОГО СЛИТКА

При непрерывной разливке стали в затвердеваю­ щей заготовке происходит вынужденное и есте­

ственное движение жидкого металла. Вынужденное дви­ жение жидкой стали возникает при воздействии струи металла, поступающей из ковша, или ври воздействии на жидкий расплав посторонних источников (электро­ магнитное перемешивание и т. п.). Естественная конвек­ ция вызывается разностью температур металла у фрон­ та затвердевания и в центре заготовки, разностью плот­ ностей металла у фронта затвердевания вследствие обо­ гащения жидкого расплава зародышами твердой фазы,

ствием струи происходит в период затвердевания повер­ хностной корки непрерывной заготовки. Однако влияние струи металла в соответствии с законами ее распростра­ нения прекращается на определенное расстоянии от ме­ ниска, после чего решающее значение приобретает есте­ ственная конвекция в жидкой сердцевине заготовки. На определенной стадии затвердевания заготовки естествен­ ная конвекция также практически прекращается вслед­

верхней зоне поверхностная корка заготовки затверде­ вает преимущественно в условиях вынужденного движе­ ния жидкого металла, затем кристаллизация заготовки идет в условиях устойчивого естественного конвективно-

61

го течения металла и в самой нижней части заготовки осевая зона затвердевает в условиях застоя расплава, так как вследствие высокой вязкости течения расплава больше не происходит.

Поскольку размеры поперечного сечения заготовок сравнительно малы, циркуляция жидкого металла в затвердевающей заготовке оказывает большое влияние на ход теплофизических процессов кристаллизации, а также на распределение газов, неметаллических включе­ ний и образование поверхностных дефектов. Известно, что при поступлении струи в прямолинейный кристалли­ затор потоки стали вызывают значительную неравно­ мерность толщины корки слитка, а при плохом центри­ ровании струи могут вызывать даже эрозию корочки [64]'*. Вынужденные потоки жидкого металла под дей­ ствием струи, поступающей по центру кристаллизатора, являются причиной образования поверхностных продоль­ ных трещин, особенно при отливке широких прямоуголь­ ных непрерывных слитков. Установлена значительная разница тепловых потоков в районе затопленной струи и на удаленных участках жидкаго металла [65].

Гидродинамику непрерывной разливки стали до пос­ леднего времени не изучали на жидком металле вследст­ вие значительных экспериментальных трудностей. Мно­ гие вопросы в этой области пока еще остаются неясными. Пробел в известной степени восполняется исследования­ ми по моделированию движения жидкого металла под действием вертикальной струи [66} и горизонтальной [67]. Обобщая данные этих работ, можно отметить, что для вертикальных кристаллизаторов удалось установить лишь качественную картину гидродинамических процес­ сов в зоне действия струи. Абсолютные значения скоро­ стей потоков получены довольно разные, что, по-видимО- му, объясняется несовершенством методик гидравличе­ ского моделирования

Для исследования закономерностей распространения струи жидкого металла в криволинейной затвердеваю­ щей заготовке и определения величины возникающих при этом конвективных потоков также целесообразно ис-

62

Расстояние от менисна,пн

Рис. 18 Изменение скоростей потоков, омывающих широкие стенки модели прямоугольного сечения 180X900 мм (радиус оси 8 м, наполнение в товец):

64

противоположным криволинейным сторонам. Это явля­ ется весьма важным обстоятельством, так как восходя­ щие потоки, омывающие середину затвердевающей кор­ ки широких граней, имеют более низкую температуру, чем нисходящее, что уменьшает отрицательное влияние потоков на кристаллизацию прямоугольного слитка в са­ мом опасном месте с точки зрения образования продоль­ ных трещин. Следовательно, при открытой вертикальной струе более целесообразно подводить металл в криволи­ нейный кристаллизатор ближе к узким граням.

Распределение потоков по толщине модели в плоско­ сти, проходящей через ось струи параллельно узким стенкам, изменяется при прочих равных условиях с уве­ личением расстояния от горизонтальной оси до мениска. При совпадении горизонтальной оси с мениском область максимальных нисходящих потоков смещается в сторону R. С увеличением указанного расстояния до 450 мм об­ ласть максимальных нисходящих потоков смещается в сторону г, а по стороне R возникают .восходящие потоки (в верхней части кристаллизатора). При увеличении расстояния от горизонтальной оси до мениска до 900 мм создаются только максимальные нисходящие потоки у стороны г и вооходящие у стороны R. Описанная асим­ метричность потоков в плоскости, проходящей через ось струи параллельно узким стенкам, сохраняется при всех способах вертикального подвода іметалла открытой стру­ ей. Уменьшение радиуса кривизны еще более увеличи­ вает описанное перераспределение потоков.

На изменение скоростей потоков, омывающих широ­ кие стенки в плоскости, проходящей через центральную ось и ось струи, существенное влияние оказывает также расстояние от мениска до горизонтальной оси, проходя­ щей через центр кривизны. При расстоянии 900 мм об­ ласть максимальных нисходящих потоков практически полностью смещается в сторону г. По абсолютной вели­ чине скорости потоков, омывающих стенку г, в этом слу­ чае являются максимальными из всех, зафиксированных

висследованиях, и достигают 140—170 см/с.

Вто же время у стенки наблюдаются полностью или

восновном только восходящие потоки, имеющие скоро­ сти до 40 см/с. При уменьшении расстояния от мениска до горизонтальной оси из центра кривизны кристаллиза­ тора на 450 мм стороны г и R омываются, как правило,

нисходящими потоками. Наиболее благоприятным в этом отношении является какое-то промежуточное рас­ стояние, так как уже при 450 мм различие абсолютных величин скоростей потоков по сторонам г и R меньше, чем при совпадении мениска с горизонтальной осью. Кроме того, при расположении мениска на уровне гори­ зонтальной оси возникает опасность омывания стороны R потоками, лежащими на оси струи, т. е. наиболее горя­ чими.

Изменение скорости разливки в пределах 0,5— 0,9 м/мин не оказывает заметного влияния на характер распределения циркуляционных потоков, но приводит к соответствующему изменению их интенсивности. При прочих равных условиях с уменьшением скорости раз­ ливки интенсивность циркуляционных потоков в объеме модели и около стенок уменьшается, что связано главным образом с уменьшением энергии струи вследствие умень­ шения диаметра канала дозатора. Особенно заметно снижение интенсивности циркуляционных потоков при прочих равных условиях (в частности, при одинаковой скорости разливки) в случае наполнения кристаллиза­ тора через два стакана, так как при этом значительно уменьшается диаметр их канала и, следовательно, энер­ гия истекающей струи.

При наполнении .моделей квадратного сечения интен­ сивность и распределение потоков в значительной степе­ ни зависят от расположения мениска жидкости относи­ тельно горизонтальной линии .из центра кривизны, ра­ диуса кривизны, размеров поперечного сечения и ско­ рости разливки (рис. 19).

Независимо от размеров поперечного сечения моде­ лей и скорости их наполнения имеется определенная асимметричность в распределении потоков в осевой плос­ кости моделей, перпендикулярной радиальным стенкам. При расположении мениска жидкости в моделях на уров­ не горизонтальной линии центра области максимальных нисходящих потоков по мере удаления от мениска кривизны смещаются в сторону R, так как ось верти­ кальной струи отклоняется от криволинейной оси модели. По той же причине наблюдается смещение максималь­ ных нисходящих потоков к стороне г при расположении мениска выше горизонтальной линии из центра кривизны.

Указанная асимметрия распределения потоков усу-

66

Расстояние от пениска,пн

Рис. 19. Изменение скоростей потоков, омывающих стенки модели квадратного сечения 140X140 мм (радиус 5 м):

а — Н о= 30 мм; б — Н 0=ASO мм; * — //„=900 мм; I — стенка R-, 2 —стейка г ; 3 — плоская стенка

губляетоя с увеличением расстояния от горизонтальной линии до мениска и уменьшением радиуса кривизны. Поэтому меняется и расположение зон восходящих по­ токов, которые с уменьшением радиуса кривизны модели все более перемещаются в сторону г при совпадении ме­ ниска жидкости с горизонтальной линией и к стороне R при увеличении расстояния от горизонтальной линии.

Скорость потока по оси струи при прочих равных ус­ ловиях снижается тем заметнее, чем меньше радиус кривизны. Это свидетельствует о там, что радиус кривиз­ ны квадратного слитка является одним из определяю­ щих факторов, влияющих на глубину проникновения струи в жидкую фазу. Значительное влияние на измене­ ние скорости .потоков оказывают размеры поперечного сечения. С увеличением размера поперечного сечения область максимальных потоков располагается на боль­ ших расстояниях от мениска, т. е. в зонах, где большая толщина корочки и ниже температура потоков металла.

Более слабое влияние на характер распределения по­ токов оказывает скорость разливки.

На изменение скоростей потоков у стенок модели влияет прежде всего радиус кривизны и определенным образом размер поперечного сечения. С уменьшением радиуса кривизны кристаллизатора (при совладении ме­ ниска с горизонтальной линией) значительно возрастают скорости нисходящих потоков у стороны R, а область наибольших нисходящих потоков перемещается кверху. Одновременно перемещается кверху и зона максималь­ ных восходящих потоков около стороны г и боковых сте­ нок. Значения скоростей нисходящих потоков у наруж­ ных стен модели 140X140 мм значительно больше, чем для модели сечением 250X250 мім, а их максимумы рас­ положены ближе к мениску жидкости.

Наиболее развитая циркуляция и асимметричность потоков наблюдаются при расстоянии 900 мм от гори­ зонтальной линии из центра кривизны до мениска. При уменьшении этого расстояния скорости нисходящего и восходящего потоков, а также асимметричность их уменьшаются.

Общую картину вынужденных конвективных потоков, происходящих в жидкой лунке криволинейных слитков, можно представить следующим образом. При входе в кристаллизатор струя раскрывается вследствие увлече­ ния ею окружающей жидкости. При этом возникает цир­ куляция жидкости, характеризующаяся замкнутым по­ лем токов. По мере удаления от мениска основное рас­ крытие струи происходит в сторону боковых (не ради­ альных) стенок особенно в кристаллизаторах прямоу­ гольного сечения.

Восходящие потоки смещаются в сторону боковых

68

стенок. В плоскости, проходящей через ось струи парал­ лельно боковым стенкам, в зависимости от расстояния между мениском и горизонтальной осью из центра кри­ визны создаются максимальные нисходящие потоки око­ ло одной из криволинейных стенок и восходящие потоки около другой. При нулевом расстоянии максимальные

.нисходящие потоки создаются около стороны R, а с уве­ личением расстояния максимальные нисходящие потоки постепенно перемещаются к стороне г. Уменьшение ради­ уса усугубляет описанную картину асимметричности по­ токов. Изменение центрального подвода струи на торцо­ вый позволяет создать в середине поперечного сечения слитка восходящие потоки вместо нисходящих, имею­ щих значительно более высокую скорость и температу­ ру, что весьма важно для предупреждения образования продольных поверхностных трещин.

Результаты приближенного гидравлического модели­ рования свидетельствуют о том, что величины скоро­ стей потоков относительно криволинейных стенок зави­ сят главным образом от расположения мениска относи­ тельно горизонтальной оси из центра кривизны, радиу­ са кривизны и размеров поперечного сечения слитка. В реальных условиях это может повлиять на величину удельных тепловых потоков по противоположным криво­ линейным стенкам. Примерные значения коэффициентов теплоотдачи от жидкой стали к затвердевшей корочке слитка в зависимости от скоростей потоков можно под­ считать по критериальной зависимости, характеризую­ щей процесс теплоотдачи при турбулентном движении жидкости:

Nu = 0,024 Re°'ePr0'35,

где Nu — критерий Нуссельта; Re — критерий Рейнольдса;

Рг— критерий Прандтля.

Вформулы критериев входят следующие физические

69