ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2011
УДК 669.18.046
© 2011 г. Стулов В.В.
1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОХЛАЖДЕНИЯ СТАЛИ В КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ
Приведены результаты моделирования охлаждения стали в процессе получения полных заготовок с использованием модели сердечника в виде оребренной тепловой трубы при достижении ее разогрева электронагревательным элементом. Новизна подтверждается патентами на способ получения полых заготовок и охлаждения кристаллизатора тепловой трубой. Установлены тепловая мощность, передаваемая в модели тепловой трубы и высокотемпературной трубе при охлаждении стали, определена масса теплоносителя в высокотемпературной трубе и ее размеры, температуры разливаемой стали, параметры теплоносителей.
Одной из проблем машиноведения является повышение безопасности машин, в том числе литейных машин. Известно, что при прямом контакте расплавленного металла с водой и паром в литейных машинах существует серьезный риск образования взрывов. Вода применяется в системах охлаждения кристаллизатора машин при разливке стали, цветных металлов и сплавов. Охлаждение кристаллизаторов, а также центрального стержня литейных машин с использованием тепловых труб [1, 2] повышает их надежность и безопасность.
В процессе получения заготовок возникает необходимость выполнить физическое моделирование охлаждения стальной полой заготовки в кристаллизаторе [1, 3], без разливки моделирующего материала, например свинца [4].
В работе [5] приведены результаты моделирования на сплаве свинца охлаждения стали в кристаллизаторе с использованием тепловой трубы, установленной в стенке. В работе [6] приведены результаты моделирования на парафине охлаждения стали в емкости с использованием установленной по центру тепловой трубой.
С учетом выполненных работ [4—6] и установленных в них параметров процесса, в настоящей статье сделана попытка выполнить моделирование охлаждения стали без разливки моделирующего материала. В этом случае можно задавать необходимую плотность теплового потока с применением электронагрева заданной мощности сопоставимой при разливке моделирующего материала. В результате отпадает необходимость плавления, разливки и охлаждения моделирующего материала, повышается экологическая обстановка.
Цель работы — моделирование охлаждения стали в процессе получения полых заготовок с использованием модели сердечника в виде оребренной тепловой трубы при достижении ее разогрева электронагревательным элементом. В результате на модели обеспечивается достижение теплового потока дм = 102 кВт/м2 на поверхности нагревательного элемента, получаемого равнозначно от разливаемого свинца со скоростью разливки 0,57—0,7 м/мин [4].
1 В работе при изготовлении модели принимал участие инженер Шубенцев А.В. (Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет).
Оборудование и материалы. Модель оребренной тепловой трубы с электронагревом: наружный диаметр й2 = 45 мм; внутренний диаметр = 40 мм; длина I = 1000 мм; длина оребрения 11 = 910 мм; наружный диаметр оребрения й4 = 70 мм; внутренний диаметр оребрения й3 = 55 мм; шаг оребрения Ь = 5,8 мм; диаметр стального кожуха ёк = 90 мм; длина кожуха 1к = 950 мм; мощность электронагревательного элемента (ТЭНа) — 800 Вт; расход воздуха в зазоре между оребренной трубой и кожухом
V = 6,67 ■ 10-3 м3/с.
Теплофизические параметры свинца [4, 7]: р = 11340 кг/м3; С1 = 142 и С2 = 139 Дж/(кг ■ К); ?0 = 350°; ?к = 327°; а = 9,833 ■ 10-6 м2/с; 1 = 15,5 Вт/(м ■ К); Ь = 23 кДж/кг; V = 0,2 ■ 10-6 м2/с.
Теплофизические параметры стали 08Х18Н10Т [8, 9]: = 1416°; гж = 1446°; С1 = 756 и С2 = 622 Дж/(кг ■ К); Ь = 287 кДж/кг; р = 8 ■ 103 кг/м3; а = 4,63 ■ 10-6 м2/с;
V = 0,86 ■ 10-6 м2/с.
Обозначения: р — плотность; С — теплоемкость; ? — температура; а и X — коэффициенты соответственно температуропроводности и теплопроводности; Ь — удельная теплота кристаллизации; V — коэффициент кинематической вязкости; индексы: 1, 2, 5, л, к — принадлежность к жидкой и твердой фазе, солидус, ликвидус, кристаллизация.
Охлаждение тепловой трубы проводится воздухом, подаваемым от компрессора Вгауо402М. Измерение температуры пара внутри трубы и воздуха в зазоре труба — оребрение осуществляется ХК-термопарами, подключенными к универсальному цифровому вольтметру В7-38 с пределами измерения напряжения постоянного тока 10-5+103 В, показания которого по таблице переводится в температуру [10]. Температура воздуха измеряется лабораторным термометром ТЛ-2 с пределом измерения 0—150° и ценой деления 1°.
Температура неоребренной стенки в верхней части тепловой трубы измеряется бесконтактным термометром СЕМ ДТ-8812, основанном на инфракрасном излучении. Погрешность измерения ±2%.
В качестве электронагревательного элемента применяется ТЭН [8] с электрической мощностью 800 Вт.
Внешний вид модели оребренной тепловой трубы приведен на рис. 1. Схема установки для испытания модели тепловой трубы с электронагревательным элементом приведена на рис. 2.
Технологический процесс получения полой стальной заготовки осуществляется в кристаллизаторе с установленным в нем охлаждаемым стальным сердечником, выполненным в виде тепловой трубы [1, 4]. При этом зона нагрева тепловой трубы располагается непосредственно в рабочей полости кристаллизатора и контактирует с разливаемым металлом, а зона охлаждения тепловой трубы располагается за пределами кристаллизатора. При контакте зоны нагрева тепловой трубы с разливаемым металлом происходит ее нагрев с находящимся внутри нее теплоносителем, который нагревается до температуры кипения. Образующийся при кипении теплоносителя пар поступает в зону охлаждения тепловой трубы и конденсируется на внутренней поверхности трубы с ее разогревом. Выделяющееся при конденсации теплоносителя тепло передается через стенку трубы и отводится подаваемой жидкостью или водовоздуш-ной смесью. Образующийся в процессе работы тепловой трубы конденсат из зоны охлаждения под действием силы тяжести стекает в зону нагрева трубы.
Результаты исследований. На рис. 3 приведены результаты испытания модели ореб-ренной тепловой трубы с электронагревательным элементом. Видно, что температура пара внутри трубы (кривая 1) и температура стенки вверху трубы (кривая 2) всего на несколько градусов отличаются друг от друга. Через 25 минут с момента включения установки температура пара внутри трубы и стенки трубы достигает 100°.
В дальнейшем с 25 до 35 минут работы установки кривизна кривой 1 возрастает, что связано с более интенсивным кипением теплоносителя в трубе и возрастанием про-
1-Т1 11 а « 1 1 а
« 1 1 и а3 |
1 1 1 I 1 1 1 I
а2
°с 180
140
100
60
20
0 1200 2400 3600 т, с
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Ь
к
Рис. 1. Внешний вид алюминиевой оребренной трубы 2, используемой для изготовления тепловой трубы 1 Рис. 2. Схема установки для испытания модели стальной тепловой трубы: 1 — стальная тепловая труба; 2 — алюминиевое оребрение; 3 — кожух; 4, 5 — патрубки; 6 — стойка; 7, 8 — термопары; 9 — электрический нагревательный элемент Рис. 3. Зависимости температур пара, стенки трубы и воздуха от времени испытания модели тепловой трубы
цесса теплообмена. На участке с 35 до 60 минут работы кривизна кривой 1 и 2 уменьшаются по причине начала выхода трубы на стационарный установившийся режим работы. Температура в зазоре между стенкой стальной трубы и алюминиевым оребре-нием (кривая 3 на рис. 3) в интервале первых 0—25 мин работы установки на 15—20° ниже температуры стенки трубы (кривая 2). В дальнейшем в интервале 30—60 мин работы температура в зазоре (кривая 3) на 25—35° ниже температуры стенки трубы (кривая 2). Максимальное значение температуры выходящего воздуха (кривая 4 на рис. 3) равняется 95° через 55—60 мин работы.
При расходе воздуха в зазоре между оребренной трубой и кожухом V = 6,67 ■ 10-3 м3/с и перепаде температур входящего и выходящего из патрубка воздуха Л? = 75° (кривая 4 рис. 3) по выражению
д = Ст А1
определим тепловой поток, отводимый воздухом в единицу времени. Параметры воздуха С, р определяются из литературы [8]. При средней температуре воздуха 1 = 47,5° значение С = 1000 Дж/(кг ■ К) и р = 1,065 кг/м3 получаем массовый расход воздуха т = 7,104 ■ 10-3 кг/с и д = 533 Вт. При наружном диаметре стального кожуха ак = 0,09 м и его длине 1к = 0,95 м площадь поверхности теплообмена Гк = 0,27 м2. Принимаем среднее значение коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности кожуха а = 7 Вт/(м2 ■ К) [8] и перепад температур между стенкой кожуха и воздухом Л? = 60°. Тогда потери тепла с наружной поверхности кожуха определяются по выражению
дк = а ГкА
Получаем дк = 113 Вт. Суммарное значение отводимого в установке теплового потока д0 = 646 Вт. Сравнение полученного значения теплового потока с электрической мощностью нагревательного элемента 800 Вт показывает, что расхождение составляет 19%
без учета коэффициента полезного действия нагревательного элемента. При площади поперечного сечения в зазоре кожух—алюминиевое оребрение 1,178 ■ 10-3 м2 получаем среднее значение скорости воздуха ю3 = 5,7 м/с.
При непрерывной разливке стали в кристаллизатор со скоростью вытягивания заготовки 0,7+1,0 м/мин максимальное значение плотности теплового потока по широкой грани qн = 1,0+1,7 мВт/м2 [11].
При действительной мощности ТЭНа qм = 646 Вт и площади поперечного сечения трубы Гт = 12,6 ■ 10-4 м2 плотность теплового потока, передаваемого через сечение трубы q = 0,513 мВт/м2. Соотношение М9 = qн/qт = 1,95—3,31.
На основании результатов испытаний модели тепловой трубы (рис. 3) выбираем параметры теплоносителя [8]: ?м = 180°; рм = 887 кг/м3; vм = 0,172 ■ 10-6 м2/с; Хм = 0,674 Вт/(м ■ К); См = 4417 Дж/(кг ■ К); Ьм = 2,015 ■ 106 Дж/кг.
При охлаждении стали тепловой трубой с регулируемой температурой зоны охлаждения выбираем параметры высокотемпературного теплоносителя [10]: ^ = 927°; рн= 737 кг/м3; vн = 0,229 ■ 10-6 м2/с; Хн = 59,1 Вт/(м ■ К); Сн = 1280 Дж/(кг ■ К); Ьн = 3,9 ■ 106 Дж/кг. Обозначения: р, V, X, С, Ь — соответственно плотность, кинематическая вязкость, теплопроводность, удельная теплоемкость и удельная теплота фазового переход
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.