Метод определения теплофизических свойств шлаков для непрерывной разливки стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод определения теплофизических свойств шлаков для непрерывной разливки стали

Епишев М.В. канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Мирошниченко И.В. студент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г Мариуполь

Рассмотрен метод определения теплофизических свойств шлаков для непрерывной разливки стали, заключающийся в погружении водоохлаждаемого медного патрубка в расплав шлака и фиксировании разности температур входящей и выходящей воды.

Ключевые слова: теплопроводность, шлак кристаллизатора, затвердевание, непрерывная разливка стали, кристаллизатор.

Розглянуто метод визначення теплофізичних властивостей шлаків для безперервного розливання сталі, що полягає в зануренні водоохолоджуваного мідного патрубка в розплав шлаку і фіксації різниці температур вхідної та вихідної води. шлак температура водоохлаждаемый вода

Ключові слова: теплопроводність, шлак для кристалізатора, твердіння, безперервне розливання сталі.

Investigated was the method of determination of slags properties for continuous casting of steel. This method is based on immersion of water-cooling copper pipe into slag melt and subsequent registering difference between the temperature of incoming and outgoing cooling water.

Key words: heat conductivity, mold flux, solidification, steel continuous casting.

Постановка проблемы. Как известно [1], при непрырывном литье заготовок качество конечного продукта, особенно качество его поверхности, во многом зависит от условий теплопередачи в кристаллизторе. Этот процесс протекает в несколько стадий :

· передача тепла конвекцией от жидкой стали к затвердевающей корочке слитка;

· передача теплопроводностью через корочку слитка;

· передача теплопроводностью и излучением через слой шлака, которая делиться на передачу через слой жидкого, стекловидного и кристаллического шлака;

· передачу тепла преимущественно излучением через воздушный зазор;

· передача теплопроводностью через медную стенку кристаллизатора;

· передача конвекцией от стенки кристаллизатора к охлаждающей воде.

Таким образом, тепловой поток от слитка к кристаллизатору является определяющим параметром скорости роста корочки слитка.

Механизм затвердевания корочки слитка определяется химическим составом стали и для различных марок он явно отличается [2]. Поэтому создание соответствующих условий теплопередачи в кристаллизаторе является одной из важнейших задач всего процесса непрерывной разливки стали: величина теплового потока от слитка к кристаллизатору должна быть достаточной для обеспечения необходимой скорости затвердевания слитка, исключая при этом такие негативные явления, как растрескивание корочки слитка, являющееся результатам слишком быстрого охлаждения. Повлиять на величину теплового потока в верхней части кристаллизатора (применисковая зона) можно, используя различные шлакообразующие смеси с заранее известными теплофизическими свойствами. Поэтому исследование теплофизических свойств ШОС является совершенно необходимым на этапе разработки их составов и перспективным с точки зрения повышения качества поверхности непрерывнолитых заготовок.

Анализ последних исследований и публикаций. Для оптимизации в соответствии с условиями разливки теплового потока в верхней части кристаллизатора необходимо обладать информацией о теплофизических свойствах используемых шлакообразующих смесей и шлаков, из них образующихся. Различными исследователями предлагается большое количество разнообразных методик определения этих свойств. Так, авторы работы [3] смоделировали зазор между слитком и кристаллизатором, погружая охлажденный медный блок в слой расплавленного шлака, который располагался на стальной пластине, нагреваемой электрическим током. Теплопередачу через слой шлака измеряли тремя термопарами (две в медном кристаллизаторе и одна в стальной пластине). Данные были получены для нескольких веществ и трех промышленных ШОС. В работе [4] удельная теплопроводность ШОС и полученных из них образцов шлака была определена методом лазерного импульса, в котором импульс лазерного луча направляют на одну сторону образца, и непрерывно регистрируют изменение температуры противоположной стороны. Удельную теплопроводность получали из температуропроводности, плотности и удельной теплоемкости, величины которых берут из предыдущих исследований. Авторы работы [5] использовали метод "медного патрубка" для измерения теплофизических свойств толстых пленок шлака. В этом методе охлажденный медный цилиндр погружали в ванну расплавленного шлака и измеряли температуры шлака и меди. Для получения значений эффективной теплопроводности использовали переходную модель. В работе [6] использовали метод горячей ленты для измерения удельной теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости ШОС.

Как видно из приведенного краткого литературного обзора, наиболее простой, информативной и распространенной методикой определения таких теплофизических свойств шлаков, как теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость, является метод погружения водоохлаждаемого патрубка.

Цель статьи - показать возможность разработки и реализации в условиях отечественной исследовательской лаборатории метода погружения водоохлаждаемого патрубка в шлаковый расплав для определения теплофизических свойств шлаков.

Изложение основного материала. Метод погружения в расплав шлака водоохлаждаемого стального (либо медного) патрубка состоит в следующем.

Водоохлаждаемый патрубок (рис. 1) представляет собой запаянную конструкцию типа труба в трубе длиной 400 мм. По внутренней трубе (диаметр 8 мм) вода поступает в патрубок, а по наружной (диаметр 14 мм) _ выходит из него. По разности температур входящей и выходящей воды определяют теплофизические свойства шлака. На рис. 2 представлено схематическое изображение экспериментальной установки.

При достижении некоторой фиксированной температуры (например, 1450 °С) патрубок 1 погружают в расплав шлака 2, находящийся в тигле в нагревательной печи 3. Разность температур входящей и выходящей воды и температуру в печи регистрируют термопарами 4 и 5, а расход воды - расходомером 6. С помощью аналого-цифрового преобразователя 7 сигналы от термопар и расходомера преобразуют в цифровой код и передают в компьютер.

При погружении в расплав шлака на поверхности погруженной части патрубка формируется слой намороженного шлака наподобие шлакового гарнисажа на кристаллизаторе при непрерывной разливке стали. При этом через слой шлака проходит поток мощности

, (1)

где и - температура жидкого шлака и воды в погруженной в шлак зоне патрубка, соответственно, К;

и _ толщина слоя намороженного шлака и стальной трубки, соответственно, м;

и _ теплопроводность твердого шлака и стали, соответственно, Вт/(м·К);

_ коэффициент межфазного термического сопротивления на границе "кристаллизатор/ шлаковый гарнисаж", (м²·К)/В;

Размещено на http://www.allbest.ru/

б_в - коэффициент теплоотдачи от стенки патрубка к охлаждающей воде (определяют по критериальным зависимостям), Вт/(м²·К).

Поток мощности, получаемый охлаждающей водой

, (2)

где С - теплоемкость воды Дж/(кг·К);

_ расход воды, кг/с;

_ разность температур воды на входе и на выходе, обусловленная теплопередачей через слой шлака, К;

_ поправочная температура, К;

_ площадь поверхности стальной трубки , погруженной в расплав, м².

В соответствии с законом сохранения энергии приравниваем приходящие (1) и исходящие (2) теплоты и выражаем :

.(3)

На основе выражения (3) программным обеспечением производится расчет теплопроводности намороженного шлака. Как видно, для расчета необходимо знать R_int , б_в и ДТ_холост. По данным работы [7] коэффициент межфазного термического сопротивления на границе "кристаллизатор/шлаковый гарнисаж" для ШОС, предназначенных для разливки среднеуглеродистых сталей, составляет (10…12)·10^-4 (м²·К/Вт), а для ШОС, предназначенных для разливки низкоуглеродистых сталей - (5…8)·10^-4 (м²·К/Вт).

Поправочная температура ДТ_холост представляет собой температуру, до которой нагревается вода при прохождении через патрубок, введенный в пустой тигель, размещенный в разогретую до определенной температуры печь. Печь Таммана включают на необходимую мощность, при которой будет проводиться эксперимент, и после прогрева печи и установления стационарной температуры в печном пространстве водоохлаждаемый патрубок опускается в печь с пустым тиглем до уровня, на котором впоследствии будет находиться расплавленный шлак. Температура входящей и выходящей воды фиксируется термопарами, расход воды - водометром. Таким образом, учитывается все то количество теплоты, которое получит охлаждающая вода не через слой шлака, а за счет излучения и газовой конвекции.

В следующей, основной части эксперимента, в печь помещают графитовый тигель с определенным количеством исследуемой ШОС и начинают нагрев. Температура ШОС определяется с помощью введенной в тигель термопары. После расплавления ШОС (определяется визуально) в тигель опускают водохлаждаемый патрубок и фиксируют изменение температуры воды. Эксперимент продолжают до достижения стационарных условий. Затем патрубок извлекают и производят замер толщины намороженного шлака. После этого, имея все неодходимые данные, производят расчет по вышеприведенным уравнениям.

Для более ясного представления влияния структуры и состава шлака на его теплофизические свойства, а также процессы фазообразования при быстром затвердевании шлака из расплава и его дальнейшем отжиге можно исследовать химический и фазовый состав намороженного шлака.

Таким образом, в целом данный метод позволяет определить теплопроводность твердого шлака, а в сочетании с аналитическими методами более яснее понять влияние состава и структуры шлака на его теплофизические свойства.

Выводы

1. Метод погружения водоохлаждаемого патрубка в расплав шлака позволяет имитировать условия теплопередачи в кристаллизаторе МНЛЗ, а также температурное поле, в котором находится шлаковый гарнисаж в зазоре между корочкой непрерывнолитого слитка и кристаллизатором.

2. В сочетании с методами химического и фазового анализа данный метод позволит получить более ясное представление о влиянии состава и структуры шлака на его теплофизические свойства.

3. Реализованный метод может быть использован при разработке новых и корректировке существующих составов ШОС для непрерывной разливки стали в комплексе с вискозиметрическими данными и данными по интервалу плавления.

Список использованных источников

1. Heat Transfer between Mold and Strand through Mold Flux Film in Continuous Casting of Steel / A.Yamauchi, K.Sorimachi, T.Sacuraya, T.Fujii // ISIJ International.-1993.-Vol.33.-№ 1.-P.140-147.

2. Mazumdar S. Solidification control in continuous casting of steel / S. Mazumdar, S.K. Ray // Sadhana.- Vol. 26.- Parts 1 & 2.- February-April.- 2001.- P. 179-198.

3. Ohmiya S. Heat Transfer through layers of casting fluxes / S. Ohmiya, K.H. Tacke, K.Schwerdtfeger // Ironmaking and Steelmaking.- 1983.- vol. 10.-№ 1.- Р. 24-30.

4. Thermal properties of slag films taken from continuous casting mould / M. Susa, K.C. Mills, M.J. Richardson at al. // Ironmaking and Steelmaking.- 1994.- vol. 21.-№ 4.-Р. 279-286.

5. Mikrovas A.C. Heat transfer characteristics of molten slags / A.C. Mikrovas, S.A. Argyropoulos, I.D. Sommerville // Ironmaking and Steelmaking.- 1991.- Vol. 18.- № 3.- Р. 169- 181.

6. Susa M. Thermal conductivity, thermal diffusivity, and specific heat of slags containing iron oxides / M. Susa, F. Li Nagata // Ironmaking and Steelmaking.- 1993.- Vol. 20.-№ 3.-Р. 201-206.

7. Thermal Resistance at the Interface between Mold Flux Film and Mold for Continuous Casting of Steels / J.Cho, H.Shibata, T.Emi, M.Suzuki // ISIJ International.- 1998.- Vol. 38.- №. 5.- Р. 440-446.

Размещено на Allbest.ru