УДК 669.18:621.746.047
оптимизация теплофизических характеристик шлакообразующих смесей для промежуточного ковша
© Лебедев Илья Владимирович; Тиняков Владимир Владимирович, канд. техн. наук; Топтыгин Андрей Михайлович, канд. техн. наук ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина». Россия, Москва. E-mail: info@corad.ru Анисимов Константин Николаевич
ЗАО «КОРАД». Россия, Москва Статья поступила 03.12.2012 г.
Рассмотрен вопрос утепления металла в промежуточном ковше при разливке сталей ответственного назначения. Авторами изучено влияние органической добавки в порошковой шлакообразующей смеси на ее теплопроводность. Получены количественные зависимости коэффициента теплопроводности и насыпной плотности смеси от содержания в ней рисовой лузги. По результатам сравнительной оценки утепляющих свойств теплоизолирующих смесей, применяемых на передовых комбинатах России, и порошковых ассимилирующих смесей, содержащих рисовую лузгу, авторами установлена возможность применения последних без дополнительного утепления.
Ключевые слова: непрерывная разливка; промежуточный ковш; шлакообразующая смесь; теплопроводность; насыпная плотность.
В настоящее время для непрерывной разливки сталей ответственного назначения на большинстве металлургических предприятий в промежуточный ковш (ПК) подаются две смеси: ассимилирующая и затем теплоизолирующая. Такой способ защиты металла в ПК предусматривает подачу всего объема ассимилирующей смеси единовременно на первой плавке в серии без возможности добавки на последующих плавках, так как сверху подается теплоизолирующая смесь другого химического состава. Авторами установлено, что данная технология подачи смесей в ПК обеспечивает в нем хорошую теплоизоляцию металла, но ассимилирующая способность шлака резко снижается уже к середине серии. Для обеспечения возможности обновления состава шлака в процессе разливки серии плавок необходимо применять ассимилирующую смесь с хорошими
теплоизоляционными характеристиками без дополнительной подачи утепляющей смеси.
Цель работы - изучение теплофизических характеристик применяемых на различных предприятиях утепляющих смесей и улучшение теплоизолирующей способности ассимилирующих смесей для обеспечения возможности использования последних без дополнительного утепления.
Тепло физические характеристики утепляющих смесей для ПК. В табл. 1 приведены химический состав и свойства теплоизолирующих и ассимилирующих смесей для ПК, применяемых на различных предприятиях.
В рамках эксперимента по определению те-плофизических свойств теплоизолирующих смесей для защиты зеркала металла в ПК были определены следующие параметры: насыпная плотность, коэффициенты тепло- и температуро-
Таблица 1. Химический состав и свойства теплоизолирующих и ассимилирующих смесей
Условное название Назначение Химический состав, мас. % Насыпная плотность, г/см3 Тпл, C
CaO SiO2 AI2O3 MgO R2O Fe2O3 Ctot H2O
ТИС-1 Теплоизоляция <2,0 75,0-85,0 <7,0 - - <2,0 <6,0 <1,0 0,15-0,35 >1500
ТИС-2 -»- <2,0 75,0-90,0 <5,0 - - <1,5 <10,0 <1,0 0,15-0,35 >1500
ТИС-3 -»- <1,5 >90,0 - - - - <5,0 <1,5 0,25-0,30 1600 ± 30
ТИС-4 -»- <5,0 60,0-90,0 <5,0 <5,0 - - 2-25 <2,0 0,8-1,0 1450 ± 30
АС-1 Ассимиляция 27,0-32,0 43,0-48,0 <5,0 2,0-5,0 6,0-9,0 <1,0 <2,0 <1,0 0,9-1,1 1350 ± 30
АС-2 -»- 36,0-39,0 33,0-36,0 7,0-9,0 <4,0 5,0-7,0 <1,0 <2,0 <1,0 0,9-1,1 1340 ± 30
к АБАМ4018
Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки:
а - вид стенда; б - схема (стенд не показан)
Таблица 2. Коэффициенты теплопроводности и насыпная плотность исследованных смесей
Условное название Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) Насыпная плотность, г/см3
ТИС-1 0,18 0,31
ТИС-2 0,19 0,33
ТИС-3 0,17 0,28
ТИС-4 0,08 0,92
АС-1 0,20 1,05
АС-2 0,19 1,04
проводности и удельная массовая теплоемкость. Насыпную плотность определяли как отношение массы навески свободно насыпанной смеси к ее объему. Массу определяли с использованием весов класса точности 0,05, а объем с помощью мензурки с ценой деления 0,5 мл. Коэффициенты тепло- и температуропроводности определяли методом регулярного теплового режима при граничных условиях первого и третьего рода соответственно [1] на экспериментальной установке (рис. 1).
Установка оборудована электрическим водонагревателем 1, обеспечивающим нагрев исследуемого образца 2 в кипящей воде при граничных условиях первого рода. Интенсивность кипения регулируют с помощью ЛАТРа. Образцы после нагрева могут быть извлечены с помощью подъемного устройства 3 и зафиксированы в поднятом положении для охлаждения на воздухе при граничных условиях третьего рода. Для ослабления влияния случайных потоков воздуха при охлаждении на воздухе включают вентилятор 4 с помощью тумблера 5, расположенного на передней панели установки.
Температуру центра и поверхности образцов 2 измеряли термопарами ТХА 6 и 7. Термопара 8 измеряет температуру среды. Для проведения эксперимента исследуемую навеску сыпучего материала помещают в калориметрическую бомбу - завинчивающийся стальной цилиндр длиной 82 мм и диам. 22,5 мм, в котором закреплены термопары 6 и 7. Согласно [2], коэффициент формы образца к составляет для данных размеров 2,031-10-5 м2.
Установка оборудована устройством связи с объектом (УСО) АЭАМ4018 класса точности 0,1, передающим в компьютер показания термопар. Компьютер одновременно записывает данные на жесткий диск и визуализирует их изме-
нения на мониторе. На диаграмме, выводимой на монитор, данные представляются в виде зависимости логарифма избыточной температуры центра и поверхности исследуемого образца от времени. В протоколе эксперимента данные сохраняются в виде зависимости температур от времени.
Для оценки утепляющих свойств перечисленных в табл. 1 теплоизолирующих и ассимилирующих смесей авторами с использованием описанной выше установки определены их коэффициенты теплопроводности. Результаты представлены в табл. 2, где также указаны измеренные значения насыпной плотности.
Так как утепляющие смеси имеют различную насыпную плотность, для оценки их утепляющих свойств в равных условиях необходимо рассчитать количество тепла Qi, проходящего через слой ¿-той смеси толщиной ^ в единицу времени Ь через равную площадь 5 при равном удельном расходе и одинаковом градиенте температур по толщине слоев ДТ по следующей формуле: Qi = Л^ФДШ,.
Сравнительный анализ количества тепла, проходящего через слои различных теплоизолирующих смесей при прочих равных условиях, представлен в табл. 3.
Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что лучшей теплоизолирующей способностью обладают смеси ТИС-3 и ТИС-1, представляющие собой золу рисовой лузги. Порошковые ассимилирующие смеси АС-1 и АС-2, как и следовало ожидать, обладают худшими утепляющими характеристиками.
Авторами работ [3, 4] показано, что повысить утепляющую способность порошковых ШОС возможно добавлением в их состав органического наполнителя, например рисовой лузги, которая уменьшает насыпную плотность смеси и при
б
Таблица 3. Оценка утепляющих способностей теплоизолирующих смесей
Условное название Коэффициент теплопроводности, Вт/(м'К) Относительная толщина слоя* Относительное количество тепла, проходящего через слой смеси
ТИС-1 0,18 2,97 й 0,76Q
ТИС-2 0,19 2,79й 0,85Q
ТИС-3 0,16 3,28й 0,6^
ТИС-4 0,08 й Q
АС-1 0,20 0,88й 2,84Q
АС-2 0,19 0,88й 2,70Q
* При одинаковом удельном массовом расходе.
10 15 20 Содержание лузги, мас. %
сгорании на зеркале металла образует пористый слой, имеющий большое тепловое сопротивление. Однако теплопроводность смеси в зависимости от содержания в ней органического наполнителя не исследовалась.
Для изучения влияния содержания рисовой лузги в порошковой ассимилирующей смеси на ее теплопроводность были изготовлены и проанализированы по описанной выше методике две ассимилирующие смеси (АС-1 и АС-2) с различным содержанием рисовой лузги. Результаты представлены на рис. 2.
В табл. 4 приведен сравнительный анализ количества тепла, проходящего через слои смесей
10 15 20 25 Содержание лузги, мас. %
Рис. 2. Зависимость насыпной плотности смеси (а) и ее теплопроводности (б) от содержания в ней рисовой лузги
Таблица 4. Оценка утепляющей способности теплоизолирующих смесей
Условное название Коэффициент теплопроводности при 100 °С, Вт/(мК) Относительная толщина слоя Относительное количество тепла, проходящего через слой смеси,
АС-1 + ТИС-1 0,19* 3,85й** 0,66Q
АС-1 + ТИС-3 0,18* 4,16й** 0,6^
АС-1 + ТИС-4 0,14* 1,88й** Q
АС-1 0,20 1,76й 1,53Q
АС-1 + 7% лузги 0,165 1,93й 1,15Q
АС-1 + 12% лузги 0,135 2,16й 0,84Q
АС-1 + 18% лузги 0,107 2,67й 0,54Q
АС-1 + 24% лузги 0,095 3,23й 0,39Q
АС-1 + 30% лузги 0,090 3,91й 0,31Q
АС-2 0,19 1,76й 1,45 Q
АС-2 + 7% лузги 0,142 1,88й 1,01Q
АС-2 + 12% лузги 0,110 2,02й 0,73Q
АС-2 + 18% лузги 0,085 2,32й 0,49 Q
АС-2 + 24% лузги 0,080 2,78й 0,40Q
АС-2 + 30% лузги 0,078 3,68й 0,28Q
* Среднее значение (при условии равных расходов ассимилирующей и теплоизолирующей смесей). ** Суммарная толщина слоя.
в различных сочетаниях в ПК. В расчетах принято, что при «двухслойной» технологии удельные массовые расходы ассимилирующей и теплоизолирующей смесей равны, при «однослойной» технологии удельный массовый расход ассимилирующей смеси с добавкой рисовой лузги равен суммарному расходу смесей при «двухслойной» технологии подачи.
По данным табл. 4 построен график изменения относительного количества тепла, проходящего через слой смеси, при различном содержании в ней рисовой лузги (рис. 3).
Из полученных данных следует, что для обеспечения теплоизолирующей способности, аналогичной
0,22 j
В CD H 0,20
0 ffl H 0,18 -
OJ 0,16 -
< 0 к 0,14-
OJ 0 0,12 -
л < CD 0,10 -
s и о 0,08 -
н о 0,06 - -
0
-•- АС-1
N \ N \ \ X. -*- АС-2 -АС-1+ТИС-3
ч
s
•v. —* т
Содержание лузги, мас. %
Рис. 3. Зависимость относительного количества тепла, проходящего через слой смеси, от содержания в ней рисовой лузги
смесям АС-1 + ТИС-3, необходимо добавить в состав порошковых ассимилирующих смесей АС-1 и АС-2 16,5 мас. % и 14,5 мас. % лузги соответственно.
Таким образом, порошковые ассимилирую
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.