Тепловые условия работы разливочных ковшей

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 3

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ... 4

1.1. Тепловые условия работы разливочных ковшей 4

1.2. Теплоотдача на стенках металлургических агрегатов. 6

1.3. Тепловые потери сталеразливочного ковша 8

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.. 12

2.1. Физическая постановка задачи. 12

2.2. Математическая модель. 13

3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА.. 19

3.1. Расчет распределения температуры 19

3.2. Определение тепловых потерь металла 21

4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. 22

ВЫВОДЫ... 26

ЛИТЕРАТУРА.. 27

ВВЕДЕНИЕ

К кладке металлургических печей предъявляют ряд требований, связанных с ее теплотехническими, технологическими и строительными функциями. Основными требованиями являются: противодействие кладки разрушающим воздействиям жидкого металла, шлаков и газов, создание условий для получения в рабочем пространстве печи заданных температур, снижение тепловых потерь из рабочего пространства в окружающую среду. Сочетание указанных требований с экономическими соображениями приводит к конструкции многослойной кладки, состоящей из нескольких разнородных материалов.

Температура металла на выпуске из конвертера является важным параметром, влияющим на технологические и технико-экономические показатели плавки. При высокой температуре выпуска существенно повышается окисленность металла и шлака, что влечет за собой снижение стойкости футеровки конвертера, повышение угара железа раскислителей и легирующих и, как следствие, ухудшение качества металла за счет повышенного содержания газов и неметаллических включений.

С другой стороны, температура металла на выпуске определяется маркой выплавляемой стали (расходом раскислителей и легирующих), способом разливки металла и тепловыми потерями металла за период его пребывания в ковше.

Основными статьями потерь тепла металлом за указанный период являются:

- тепловое излучение поверхности струи металла при его выпуске из конвертера в ковш;

- тепловые потери излучением с поверхности зеркала металла в ковше;

- потери тепла через футеровку сталеразливочного ковша.

Потеря тепла через футеровку включает тепло нагрева футеровки и теплоотдачу с поверхности кожуха в окружающую среду.

Анализ аккумуляции тепла в стенках при периодически действующем нагреве имеет важное значение для установления оптимальной толщины стенки печи, при которой потери тепла в окружающую среду минимальны.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Тепловые условия работы разливочных ковшей

Одним из главных параметров, обеспечивающих высокое качество литья, является достаточно высокая температура разливаемого металла. Она влияет на процессы вторичного окисления сплавов, формирование кристаллической структуры отливок и загрязнение их неметаллическими включениями. Поэтому главной заботой литейщиков и металлургов является решение проблемы получения относительно стабильной температуры металла в ковше в процессе всего периода разливки. Недостаточное внимание технологов к выполнению указанных требований приводит к тому, что в результате неудовлетворительной теплозащиты металла в ковше малой емкости приходится перегревать чугуны и стали на 150...200°С, а для средней емкости - на 89...150°С. Это обстоятельство отрицательно отражается не только на качестве литья, получаемого в начале и конце разливки, но и увеличивает энергозатраты на дополнительный перегрев сплавов выше температуры ликвидуса. Большие потери на образование настылей затвердевшего металла наблюдаются при заливке холодных плавок.

Наименьшая интенсивность падения температуры при равных теплофизических свойствах в 100-тонном ковше получается при предварительном подогреве или заливке металла сразу же после разливки предыдущей плавки [4.1].Наибольшие потери тепла наблюдаются при разливке из холодного ковша. Снижение температуры стали в этот период достигает 100... 200 °С. Наиболее интенсивное снижение температуры происходит в первые 30 мин разливки. Оно связано, по-видимому, с большими тепловыми потерями с открытой поверхности, покрытой слоем шлака. Скорость охлаждения внутренней поверхности футеровки после окончания разливки для ковшей средней емкости, по данным различных исследователей, составляет 5...6 °С/мин.

Рис.4.1. Изменение температуры жидкой стали в ковше в процессе ее

разливки:

1 – без подогрева; 2-с подогревом; 3 – без охлаждения ковша после разливки.

Теоретическое определение количества тепла, которое теряет жидкий металл в процессе разливки стали. Для примера был выбран 50-тонный сталеразливочный ковш, размеры которого приведены на рис.4.2, при следующих исходных расчет ных данных: толщина футеровки 170 мм, теплофизические характеристики шамотной футеровки: теплопроводность = 0, 7 ккал/(м-ч-°С); теплоемкость с = 0, 225 ккал/(кг-°С); удельный вес = 1900 кт/м³; температуропроводность а = 0, 00165 м²/ч. Расчет был проведен методом конечных элементов, при котором шамотную футеровку по толщине делили на пять частей протяженностью = 0, 034м, прогрев каждой из которых рассматривался через каждые = 0, 35 ч охлаждения стали. Принималось, что ковш предварительно прогревался в течение 1, 06 ч до температуры внутренней поверхности t_ст = 900 °С. Продолжительность разливки принималась равной 1, 05 ч.

Потери тепла металла, находящегося в ковше, расходуются на прогрев ее футеровки и на излучение из открытой поверхности металла.

На рис.4.3 приведены данные распределения температуры по сечению футеровки ковша на глубинах. Они показывают стремительный подъем температуры кладки только до толщин 80... 120мм. В более глубоких слоях наблюдается незначительный прогрев ее до температур 20... 93 °С. Такое распределение температурных полей свидетельствует о возможности уменьшения толщины футеровки, особенно в том случае, если между арматурным слоем и металлическим кожухом ковша выполняется достаточно эффективная теплоизоляционная защита. По распределению температуры в стенке ковша рассчитывалось количество тепла, расходуемого на нагрев футеровки, которое составляло =455000 ккал.

1.2. Теплоотдача на стенках
металлургических агрегатов.

Теплопередача от движущихся потоков перегретого жидкого металла к теплопроводящей поверхности формы может происходить или под действием внешних сил, или вследствие разности плотностей жидкого металла по оси отливки и у границы затвердевания. В первом случае, теплообмен происходит в условиях вынужденной конвекции, а во втором – имеет место свободная конвекция. Особенности теплообмена при вынужденной конвекции описаны критериальными зависимостями.

При соприкосновении перегретого металла с холодной вертикальной стенкой формы или кристаллизатора плотность его увеличивается и он опускается вниз, вызывая, по закону непрерывности потоков, перемещение осевых объемов металла вверх. Скорость его опускания зависит от высоты Н и разности температуры металла по оси и поверхности теплоотвода отливки .

,

где - коэффициент объемного расширения металла.

Распределение скоростей и температуры в пределах пограничного слоя имеет вид, приведенный на рис.3.3. Максимальная скорость Wmax в конвективном потоке развивается на расстоянии, равном 0, 385, а температура потока Т убывает по направлению к охлаждаемой поверхности. Из представленного рисунка следует, что как толщина , так и скорость опускания перегретых объемов металла W ot верхнего горизонта к нижнему непрерывно увеличиваются в зависимости от величины Н.

Рис.3.3. Распределение температуры Г в тепловом пограничном слое при конвективном движении расплава вдоль вертикальной поверхности: Г_ст — температура стенки; Г_о — тем­пература расплава за пограничным слоем

Для всех металлов, где Рг < 1 отношение гидродинамического к тепловому слоям, при умеренных скоростях движения потока, = Рг⁰⁵. Если определить по приведенным выше зависимостям значения коэффициентов теплопередачи на горизонтах слитка Н₁ = 0, 5 м и Н₂ – 2м, то оказывается, что значения коэффициентов теплопередачи от слитка к охлаждаемой форме на нижнем горизонте теоретически почти на порядок превышают их значения на верхнем горизонте. В реальных условиях формирования отливки скорость конвекции вследствие охлаждения металла и повышения его вязкости практически не увеличивается. Полученный результат имеет большое практическое значение для организации рационального режима теплоотвода при производстве качественных отливок и непрерывнолитых заготовок.