УДК 669-412:519.87
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ СЛИТКА НА ОСОБЕННОСТИ ЕГО ЗАТВЕРДЕВАНИЯ НА ОСНОВЕ ХОЛОДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. Часть I
© Ромашкин Александр Николаевич, канд. техн. наук; Толстых Дмитрий Сергееевич; Мальгинов Антон Николаевич; Дуб Владимир Семенович, д-р техн. наук, проф. ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Россия, Москва. E-mail: an_romaskin@cniitmash.ru Статья поступила 27.01.2013 г.
Это первая из трех статей, посвященных исследованию влияния геометрии слитка на особенности его затвердевания на основе холодного моделирования. В первой части подробно изложены методика эксперимента, расчет критериев подобия и устройство лабораторной установки.
Ключевые слова: стальной слиток; холодное моделирование; затвердевание (кристаллизация).
Часть I. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Моделирование процессов затвердевания жидкого расплава на холодных физических моделях - широко распространенный метод исследования в лабораторной практике. Относительная простота, возможность широкого варьирования различных параметров процесса, наглядность, а также воспроизводимость результатов - это те достоинства метода, которые всегда привлекали внимание исследователей. Холодное моделирование позволяет прогнозировать поведение слитка при кристаллизации, проводить большие серии экспериментов с разными параметрами без крупных затрат. Однако ввиду сложности протекания реальных процессов в металле невозможно достаточно точно идентифицировать их на модели, поэтому полученные на холодных моделях результаты в основном носят качественный характер и могут быть использованы лишь для относительного сравнения результатов изменения технологических параметров.
В ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» холодное моделирование использовали для изучения процесса влияния геометрии слитка на особенности его затвердевания, в том числе на формирование осевой физической неоднородности (осевой рыхлости).
С целью повышения информативности холодит ного моделирования в ходе экспериментов применяли средства тепловизионного контроля, бла-^ годаря которым была обеспечена возможность определять температуру по всей поверхности мо-£ дели в режиме реального времени.
В работе было исследовано девять моделей г слитка массой 235 т в масштабе 1:25. В моделях
изменяли параметры HID в пределах от 1 до 2 и конусности K от 2 до 18 с шагом 0,5 и 8 соответственно (рис. 1). Параметры созданных моделей приведены в табл. 1. Массовая доля прибыльной части была постоянна - 20%, массовая доля кюм-пеля - 7%. Выбор такого слитка обусловлен тем, что в ЦНИИТМАШе традиционно разрабатывают комплексные, в том числе относящиеся к металлургическому переделу, технологии для атомного машиностроения, а слиток такой массы может потребоваться для изготовления деталей корпуса перспективного атомного реактора ВВЭР-ТОИ.
В ходе экспериментов оценивали изменение температуры на поверхности изложницы во времени, толщину затвердевающей корочки, скорость кристаллизации, время полного затвердевания, форму жидкой ванны.
Модель изложницы [1] представляла собой выполненные из свинца неразъемные боковые стенки и поддон, закрываемые с двух сторон двумя листами органического стекла. Для обеспечения герметичности между листами органиче-
Таблица 1. Параметры модельных слитков,
использованных при моделировании
Номер слитка Н/D K H, мм Diepx, мм D^h, мм
1 1 2 129 130 127
2 1 10 129 135 122
3 1 18 129 140 117
4 1,5 2 165 112 108
5 1,5 10 165 118 102
6 1,5 18 165 125 95
7 2 2 200 102 98
8 2 10 200 110 90
9 2 18 200 118 82
Рис. 1. Фото и схема использованных в работе моделей изложниц (а) и схема их охлаждения (б)
Рис. 2. Схема (а) и фотография (б) лабораторной установки: 1 - модель изложницы; 2 —регистрационное оборудование; 3, 4 - промежуточные ковши для заливки сверху и снизу; 5 - лампы освещения; 6 - трубки водяного охлаждения; 7 - корпус
ского стекла и свинцовым каркасом размещали резиновую прокладку. Внутри стенок и в поддоне были выполнены две водоохлаждаемые полости с возможностью подачи воды с двух сторон изложницы (см. рис. 1, б). Необходимость двухсторонней подачи обусловлена стремлением обеспечить симметричность охлаждения изложницы: при односторонней подаче тепловой центр мог сместиться к стенке модели изложницы, противоположной той, со стороны которой подают воду.
В качестве теплоизоляции прибыльной части модельных слитков использовали деревянные вставки (см. рис. 1, а).
Лабораторная установка (рис. 2) представляла собой короб размерами 650x650x1300 мм. С одного края в боковых стенках были выполнены по
два отверстия с каждой стороны для вывода гибких водоотводя-щих шлангов, а также по одному отверстию снизу и сверху для обеспечения возможности донной заливки и заливки сверху соответственно. Со стороны модели устанавливали две лампы для обеспечения стабильного освещения во время эксперимента. С другой стороны короба устанавливали оборудование для съемки и тепловизионное. Сверху, вне короба, был установлен промежуточный ковш для заливки жидкости сверху и позади короба - промежуточный ковш и трубопровод для донной заливки.
В качестве среды, моделирующей затвердевающий металлический расплав, использовали кристаллический гипосульфит (Ыа2820з-5Н20).
Соответствие моделирующего и моделируемого процессов разливки и кристаллизации проверяли с помощью критериев подобия Фруда, Рейнольдса и Вебера. Первый показывает соотношение сил инерции и тяжести в потоке; второй характеризует гидродинамический режим течения потока (ламинарный или турбулентный) и критерий Вебера характеризует соотношение сил инерции потока и поверхностного натяжения жидкости
Бг = «ВД, (1)
Ие = (ш/)/и, (2)
""е = (ры2)//а, (з)
где « - скорость потока разливки, м/с; g - гравитационная постоянная, м/с2; I - характерный геометрический размер, м; и - кинематическая вязкость, м2/с; р - плотность, кг/м3; а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м.
Кроме этого для полноты исследования рассматриваемых процессов дополнительно вводили критерии Био (Ы), фазового перехода (Ы) и Фурье (Бо) [2].
Критерий Ы описывает характер соответствия между температурными условиями в окружающей среде и распределением температуры в
Таблица 2. Теплофизические и физические параметры моделируемой и моделирующей сред [3]
Параметр Сталь Гипосульфит
Скорость потока
(линейная скорость 7,85 4,75
разливки) ы, м/с
Удельная теплота затвер- 267,5 154,3
девания Q, кДж/кг
Коэффициент теплопро- 21,1*/23,6 0,93/0,8
водности Х, Вт/м-К
Средняя массовая
теплоемкость Ср, 0,5/0,75 2,72/3,26
кДж/м-К
Плотность р, кг/м3 7800/7200 1880/1750
Температуропроводность а, м2/с 6,3'10-6/4,4-10-6 20'10-8/16,7-10-8
Гравитационная постоянная g, м/с2 9,8 9,8
Перепад температур
между поверхностью 600 40
отливки и фронтом
затвердевания ДТ, °С
Коэффициент кинематической вязкости V, м2/с 6,3-10-7 7,5-10-6
Коэффициент объем-
ного поверхностного 1,761 0,03
натяжения ст, Н/м
* Числитель - затвердевшая среда; знаменатель - расплав.
теле. Критерий затвердевания (фазового перехода) N описывает отношение теплоты фазового перехода к теплоте охлаждения. Критерий гомо-хронности Бо описывает время для нестационарного теплообмена
Ы = а/о/Х, (4)
^ CpДT/Q, (5)
Бо = ат//о, (6)
где а - коэффициент температуропроводности, м2/с; /0 - определяющий размер, м; Х - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); Ср - средняя массовая теплоемкость, кДж/(кг-К); ДТ - перепад температур между фронтом затвердевания и поверхностью отливки, °С; Q - удельная теплота затвердевания, кДж/кг; т - время затвердевания, с.
Условием оптимизации значений полученных критериев было соблюдение отношения:
Критерий модели / Критерий слитка = 1. (7) Исходные для расчета данные приведены в 2 табл. 2, результаты расчета - в табл. 3.
Как видно, значение большинства критери-™ ев подобия для модельного и реального слитков не отличается больше чем на один порядок, что £ можно считать приемлемым. Значительное рас-5 хождение отмечается только для критерия Био, г что говорит о плохом соответствии температур-
Таблица 3. Значения критериев подобия в модели и образце
Критерий подобия Значение критерия Отношение по (7)
для модели для реального слитка
Ы 3,14-10-6 1,64-10-4 0,019
N 4,47-10-1 2,43-10° 0,184
Бо 2,55-10-4 1,64'10-4 1,55
Бг 6Д4-101 1,26-Ю1 4,87
Ке 1,81-107 3,35-107 0,54
'е 1,26-104 3,22-104 0,39
Рис. 3. Пример тепловой инерции плексигласа:
а - начало съемки; б - через 2 мин
ных условий в моделируемом и моделирующем слитках. Однако близость значений большинства критериев подобия позволяет считать данное моделирование представительным.
Для измерения температуры использовали тепловизор БЫИ БС640. Особенностью применения тепловизионных средств контроля температуры является возможность измерения температуры только на поверхности, поэтому полученные результаты измерения температуры следует относить к температуре внешней поверхности плексигласовой пластины. При этом предварительная отработка методики эксперимента показала, что внешняя поверхность листа плексигласа толщиной 5 мм достигает температуры контактирующей с внутренней поверхностью нагревающей среды через 1-2 мин (рис. 3). Это имеет значение только на начальных этапах моделирования при изучении быстрых гидродинамических потоков, когда длительность исследуемых актов сопоставима с этим временем. Но в целом, учитывая то, что продолжительность эксперимента составляла более 3 ч, можно считать, что данная температурная задержка не вносит значительных искажений в получаемые результаты.
Рис. 4. Измеряемые параметры твердой корочки слитка при изучении его затвердевания
Параметры эксперимента:
Расход воды, подаваемой для охлаждения
изложницы Температура расплава гипосульфита натрия
Температура подводимой воды Диаметр заливочного отверстия в промежуточном ковше при разливке сверху и в донной части изложницы при разливке снизу Время наполнения изложницы
выдерживали в пределах Масса расплава
Для обработки тепловизионных снимков применяли компьютерную программу FLIR Reporter.
С целью обеспечения симметричности затвердевания при проведении эксперимент
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.