Анализ существующей и разработка новой конструкции перегородок для четырехручьевого промежуточного ковша слябовой МНЛЗ

На металлургических предприятиях в последние годы проводят реконструкцию действующих технологических комплексов или сооружают новые, используя современные разработки, в частности, промежуточных ковшей и кристаллизаторов слябовых машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Важнейшей частью МНЛЗ является анализ специфики технологии производства, разработка и совершенствование элементов системы МНЛЗ, прежде всего «промежуточный ковш – кристаллизатор» [1]. Одной из наиболее сложных из существующих машин непрерывного литья заготовок является четырехручье- вая машина (рис. 1), в которой задействовано одновременно два сдвоенных кристаллизатора [2]. В момент разливки жидкого металла отмеченная система агрегатов и узлов должна обеспечивать устойчивую подачу и равномерное распределение потоков стали во все кристаллизаторы четырехручьевой машины [3].

В ряде работ рассмотрена и проанализирована специфика работы системы «одноручьевой промежуточный ковш – кристаллизатор» слябовой МНЛЗ в периоды разливки стали: при начальном периоде разливки стали – при его наполнении и номинальном режиме при полностью наполненном промежуточном коше и открытых разливочных отвер-

Рис. 1. Расчетная схема для оценки движения потоков стали в системе СК–ПК–К слябовой МНЛЗ: уровни металла в системе: I–I – уровень металла в камерах ПК; II–II – расчетный уровень в разливочных отверстиях; III–III – уровень разливочных отверстий погружного стакана; 1 – cталеразливочный ковш; 2 – защитная труба; 3 – стопоры разливочных отверстий; 4 – крышка промежуточного ковша; 5 – промежуточный ковш;

6 – погружной стакан; 7 – кристаллизатор

Fig. 1. Calculation scheme for assessing the movement of steel flows in the SK-PK-K system of a slab caster: metal levels in the system: I–I – level of metal in the PK chambers; II–II – design level in pouring holes; III–III – the level of pouring holes of the submersible nozzle; 1 – steel ladle; 2 – protective pipe; 3 – stoppers pouring holes; 4 – tundish cover; 5 – tundish; 6 – submersible glass; 7 – crystallizer

стиях. Определено, что для эффективной разливки жидкого металла в начале разливки и далее в номинальном режиме работы МНЛЗ необходимо применение рациональных конструкций по защите оборудования от скоростных потоков жидкого металла в приемной и разливочных камерах [4, 5].

Целью работы является совершенствование конструкций перегородок для четырехручьевого промежуточного ковша слябовой МНЛЗ для повышения качества разливаемого металла и обеспечения стабильности процесса разливки на основе анализа гидродинамики потоков стали.

Методика исследования

В системе машины непрерывного литья заготовок определяющую роль выполняют агрегаты, обеспечивающие продвижение жидкого металла [6]. Промежуточный ковш служит в конечном итоге одной цели – транспортированию стали через разливочные отверстия в кристаллизаторы [7]. Использование сложных комплектов оборудования промежуточного ковша и других агрегатов системы приводит к значительным затратам на подготовку комплекса МНЛЗ к разливке жидкой стали. Применение рациональных конструкций системы машин непрерывного литья заготовок требует проведения анализа движения потоков жидкой стали [7].

Известно довольно большое число работ, связанных с определением характера движения потоков жидкого металла в промежуточных емкостях, например [3, 8]. В них рассматриваются вопросы математического моделирования с использованием решений двумерных уравнений движения металла как ньютоновской жидкости. Основными полученными результатами являются данные о скоростях и направлениях движения потоков стали [3]. C учетом особенностей работы и конструкции оборудования, связанного с движением жидкого металла в системе «промежу- точный ковш – кристаллизатор» четырехручьевой слябовой МНЛЗ, определены основные параметры модернизируемого оборудования, устанавливаемого в промежуточный ковш [8].

Для анализа поведения реальной (вязкой) жидкости (жидкой стали) использовалось уравнение Бернулли

P 1     U        P 2      U 2

^z 1 +    ^+a 1~ = z 2 ^{+   + a} 2“ ^{+ E} h , О)

P g    2 g      P g    2 g

Тогда потери давления определяются

A p = и ² ^fl - + Е^ 2 g I d

Имея в виду, что и = Q/S , где Y = p • g , S – площадь поперечного сечения отверстия, м², получим

A p = Q ² X

L ^Y ₂ + E^ 2 g • d • S ²

Y

2 g • S ² _

= Q ² • B -

где z – вертикальные координаты центров тяжести сечений потоков; p[ ( p g ) - пьезометрическая высота; p – избыточное давление жидкости; и ²1(2g ) - скоростная высота (напор), или удельная кинетическая энергия; и - скорость; а - коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечениям и равный отношению действительной кинетической энергии потока к кинетической энергии того же потока, но при равномерном распределении скоростей; Е h - суммарная потеря полного напора между сечениями уровней I–I и II–II, обусловленная вязкостью жидкости.

В расчетах использовалось также уравнение непрерывности для несжимаемой жидкости как алгебраическая сумма расходов, равная нулю:

Е Q , = 0. (2)

Различают два вида входящих в суммарные гидравлические потери напора: местные потери и потери на трение по длине. Местные потери напора происходят в так называемых местных гидравлических сопротивлениях [9] и определяются с использованием формулы Вейсбаха hм = ^м и2/( 2g ) , где и - скорость потока в сечении перед местным сопротивлением (при расширении) или за ним (при сужении); ^м - безразмерный ко- эффициент местного сопротивления.

Потери напора на трение по длине определяются формулой Дарси

,     . l и ²

h = X--, т d 2g, где l – длина участка трубы, на котором определяются потери; λ – коэффициент гидравлического трения, при турбулентном режиме он рассчитывается по эмпирической формуле

0,3164

^т     Re ⁰,²⁵ .

Посредством коэффициента B учитываются все виды гидравлических сопротивлений и он может быть назван характеристическим коэффициентом сопротивления. Для круглого сечения потока жидкости имеем

B = 8 P X 4 + E^. (4) n ² L d ⁵ d ⁴ J

Для решения гидравлической задачи будем рассматривать истечение стали как при параллельном соединении трубопроводов. В этом случае поток жидкости из входной магистрали разделяется на несколько участков, которые затем вновь соединяются в один магистральный трубопровод, и потери напора во всех трубах, соединенных параллельно, одинаковы A p = A p 1 = A p ₂ = A p i . В этом случае число уравнений получается равным числу параллельных трубопроводов A p i = Q i² • B i .

Полный расход стали до разветвления и после соединения остается неизменным согласно уравнению (2) Q = Q1 + Q2 +. „ + Qm . Все расходы в параллельных трубопроводах можно выразить через один из них, например, через первый Qi = Q1 ^B1 /Bi . Подставляя зна- чение расхода, получим для m параллельно соединенных трубопроводов

B ¹- = й У B ¹-V b ,     " : 1\ b ,

Q = Q i + Q i. B ¹ + . + Q i

B ₂

B

m

Из этого выражения определяется расход через первый участок параллельного соеди- нения

f

Qi= Q/ ^1 + §J B1 J-

Далее можно определить расход через произвольный i -й параллельный участок

Q,= Qi. B(6)

Bi

По найденным значениям расходов для -го отверстия определяется скорость как u= Qi Si -

Запишем уравнение Бернулли (1) для сечений I–I и II–II p      υ2       p      υ2

z ₁ + ¹ + α ₁ ¹ = z ₂ + ² + α ₂ ² + Δ h_l .

ρ g    2 g      ρ g    2 g

Используем буквенные обозначения, представленные на рис. 1, получим:

p ₁ = 0; υ ₁ = 0 ;

при турбулентном течении

α ₁ ≈ α ₂ ≈ 1 ; z ₁ = H + H ₁ + H ₂ ; z ₂ = H ₁ + H ₂

и далее упростим выражение p     υ2   Δp

H= 2+α 2+

ρ g   2 g ρ⋅ g

Запишем уравнение Бернулли для сечений I–I и III–III pυ z1 + 1 + α1 1 =

ρg2

p     υ ² Δ p

= z ₃ + ³ +α ₃ ³ +   +Δ h_l + Δ h _МС.

ρ g    2 g ρ g

Используем буквенные обозначения, представленные на рис. 1, получим:

p ₁ = 0 ; υ ₁ = 0 ; α ₁ = α ₃ = α ;

z ₁ = H + H ₁ + H ₂; z ₃ = 0 ; p ₃ = ρ gH ₂

и далее упростим выражение

υ ²   Δ p     l υ ²        υ ²

α ³ + +λ    +∑ξ _м    = H + H . (8)

м1

2 g  ρ g   d 2 g 2 g

Решая совместно (7) и (8), получим

υ32(αd -λl-∑ξмd) = (H +H1)ρg- Δp 2d                ρ используя это выражение, определим скорость

υ 2 = 3	( H + H 1) ρ g - Δ p      2 d ⋅                         . (9)
	ρ       α d + λ l + ∑ξ м d

Тогда расход жидкой стали через стакан Q _ст =ε⋅υ ₃ ⋅ S _ст .

При нахождении гидравлического сопротивления трубопровода определяется длина канала в перегородке как L = BI cos α ( B = 120 мм) (рис. 2).

Произведем расчет для исходной перегородки ПК, содержащей m = 5 отверстий диаметром d 2 = 110 мм (рис. 3). Для нижних

Рис. 2. Основные размеры канала в перегородке

Fig. 2. The main dimensions of the channel in the partition

а)

b)

Рис. 3. Исходная перегородка: а – схема перегородки; b – образец на испытаниях; 1 – передняя плоскость перегородки; 2 – ряды переливных отверстий перегородки Fig. 3. Initial partition: a – partition scheme; b – test sample;

1 – the front plane of the partition; 2 – rows of overflow holes of the partition

3 каналов при а1 = 35° L1 * 146 мм; для двух верхних каналов при а2 = 20° L2 * 128 мм.

Средний расход истечения стали из сталеразливочного ковша Q = m 0 Др-t), где m0 = 385 тир = 7000 кг/м3 - масса и плот- ность стали соответственно; t = 50 мин – вре- мя полного ее истечения из ковша, получим

Q * 0,0183м3/c = 18,3 л/c. Расход жидкого металла через одну перегородку Qпер = Q/2 =

= 9,15 л/c и через каждый из четырех погружных стаканов Q_cт = Q /4 = 4,575 л/c.

Для определения скорости найдем суммарную площадь отверстий 2 S = n -n- d 2/ 4 * * 0,048 м 2 .

Найдем среднюю скорость движения металла через отверстия и прибл = Q_пер p LS * 0,19м/с.

Для определения режима течения найдем число Рейнольдса Re = прибл—2 * 13 933, где v v = 1,5 10-6 м2/c - кинематическая вязкость жидкого металла. Из полученной оценки Re > 2300 видно, что режим движения стали через переливные отверстия турбулентный.

По формуле (3) находим коэффициент гидравлического трения

X _т =

0,3164 _Re0,25

* 0,029.

Определим сопротивление каждого отверстия по формуле (4):

B 1 = 4X . Р + ^-Р* 5,97 - 10 ⁷ кг/м⁷;

n d 2          n d ₂

B 2 = АX _T ^L р + У^-р -Ат* 5,95 - 10 ⁷ кг/м⁷, n ² d 2 n² d 4

где У2 = 2, + 22 - сумма коэффициентов местного сопротивления, причем 21 = 1 - местное сопротивление при входе в трубу из резервуара значительных размеров; 22 = 0,5 - местное сопротивление при внезапном рас- ширении потока в резервуар значительных размеров [9].

По формулам (5) и (6) определим расходы через нижний канал

(

Q 1 = Q [ i ^{+ 2 +}:= 2^ в 2 j

* 1,83 л/c

и через верхний

Q 2 = Q1_X Br * 1,833 л/c.

B ₂

Далее определим максимальную скорость дви- жения потоков стали через каналы перегородки (при Q2 > Q1) Umax = m^^ * 0,191 м/c.

Результаты исследованияи их обсуждение

Анализ оценки скоростных потоков металла через каналы показал, что через перегородки металл имеет скорость больше допустимой и _доп = 0,12 м/с [3]. Это приводит к необходимости создания новых конструкций перегородок, порогов разливочных камер, а также эффективных металлоприемников приемной камеры, созданных с учетом конструкции конкретного промежуточного ковша.

В процессе анализа существующей схемы промежуточного ковша многоручьевых слябовых машин непрерывного литья заготовок с симметричным расположением приемной камеры (см. рис. 1) выявлены следующие недостатки [11].

• 1.    В приемной камере промежуточного ковша при разливке открытой струей из сталеразливочного ковша формируются интенсивные скоростные потоки металла. Это приводит к интенсивному захвату неметаллических включений (НВ) на поверхности металла и последующему затягиванию их в металл, а также оголению его зеркала в приемной камере [3].

• 2.    Наибольшие скорости потоков металла при номинальном режиме разлива обнаружены в приемной камере промежуточного ковша в местах выхода боковых стенок ковша в районе дна и стыка дно – борт промежуточного ковша.

• 3.    В приемной камере отсутствует защитное устройство – металлоприемник.

• 4.    В ПК используются на границе приемной и разливочных камер две перегородки с пятью отверстиями. Из-за наличия скоростных потоков металла из перегородок, направленных в сторону стопора ПК, необходимо использовать на границе приемной и разливочных камер конструкций – перегородок или порогов, исключающих динамическое воздействие на стопор.

Анализ работы недостатков работы промежуточного ковша многоручьевой слябовой МНЛЗ показал пути совершенствования его конструкции.

• •    Снизить скоростные потоки металла через каналы в перегородках ковша до допустимого уровня.

• •    Необходима защита дна промежуточного ковша и внутренних покрытий боковых стенок, выполненных в виде специально нанесенной торкрет-массы и применение специальных защитных устройств – металлоприем-ников. Это позволит исключить аварийные ситуации в момент начала разливки и воздействие скоростных струй стали на оборудование ковша. Применение защитных устройств позволит исключить прямое воздействие на дно приемной камеры ковша и соответствующий стык дна и боковых поверхностей.

• •    Защита в приемной камере должна иметь компактную форму в виде законченного модуля, полностью выполняющего отмеченные требования по защите оборудования промежуточного ковша от скоростных струй жидкого металла, интенсивно перемещающихся по дну ковша в начальный период разливки.

Для четырехручьевого промежуточного ковша создан универсальный комплект ме-таллоприемника приемной камеры с перегородкой для слябовой МНЛЗ (рис. 4). Он состоит из двух перегородок со специальными переливными отверстиями и металлоприем-ника. Перегородки устанавливаются на границе приемной камеры, формируя тем самым объемы приемной и разливочных камер. Ме-таллоприемник устанавливается в приемной камере и выполняется с учетом ее геометрии и характера подачи струи стали из сталеразливочного ковша машины.

Для рассматриваемой четырехручьевой машины разработана перегородка с семью отверстиями диаметром 110 мм. Углы наклона отверстий подобраны с учетом уровня жидкой стали в ПК – 1100 мм. Переливные отверстия выполнены в два ряда. Их расположение способствует уменьшению динамического воздействия потоков металла на стопор разливочного отверстия – оси переливных отверстий разнесены относительно миделя стопора. Благодаря рациональному воздействию потоков жидкого металла обеспечивается уменьшение скоростей до значений менее 0,12 м/с в разливочных камерах ПК, а также вынос неметаллических включений в верхнюю часть промежуточного ковша. Применение созданных конструкций дает рациональную подачу потоков стали через погружной стакан в кристаллизатор машины и обеспечивает подготовку качественной непрерывной заготовки.

Разработан, испытан и прошел промышленную апробацию универсальный комплект метал-лоприемника и перегородок разливочных камер ПК многоручьевой слябовой МНЛЗ (рис. 5). Расчет переливных отверстий металлоприемни-ка и перегородки выполнены с учетом конст-

Рис. 4. Расположение новой перегородки в приемной камере промежуточного ковша: 1 – металло-приемник; 2 – перегородка; 3 – комплект отверстий перегородки

Fig. 4. Location of the new baffle in the receiving chamber of the tundish: 1 – metal receiver; 2 – partition;

3 – set of partition holes

Рис. 5. Комплект новых изделий после испытаний: 1 – разливочная камера; 2 – стопор; 3 – порог разливочной камеры; 4 – перегородка; 5 – приёмная камера Fig. 5. A set of new products after testing: 1 – pouring chamber; stopper; 3 – threshold of the pouring chamber;

4 – partition; 5 – receiving chamber

рукции промежуточного ковша и оборудования системы «сталеразливочный ковш – промежуточный ковш – кристаллизатор» в процессе разливки жидкого металла на МНЛЗ [3].

Выводы

• 1.    В целях выбора рациональных защитных конструкций ПК многоручьевой слябо-вой МНЛЗ проведенный анализ показал, что необходимо разработать основные элементы конструкций промежуточного ковша: метал-лоприемника в приемную камеру с учетом симметричного расположения разливочных отверстий и кругового движения ПК на рабочей позиции МНЛЗ.

• 2.    На основе выявленных недостатков существующих конструкций элементов ПК были разработаны:

• •    перегородка и пороги разливочных камер, исключающих динамическое воздействие на стопор разливочного отверстия;

• •    конструкции защиты металлоприемника приемной камеры промежуточного ковша в виде законченного модуля, компактно расположенного в приемной камере.

• 3.    Испытан и прошел промышленную апробацию универсальный комплект металло-приемника и перегородок разливочных камер ПК многоручьевой слябовой МНЛЗ.

• 4.    Применение новой конструкции промежуточного ковша – перегородок и метал-лоприемника приемной камеры – способствуют уменьшению скоростей потоков стали до допустимых значений, а также повышению качества получаемой непрерывнолитой заготовки.