Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали
Разработана математическая модель температурного режима стакана-коллектора ковшового шиберного затвора при различных способах разливки стали. Температурное поле конструкции описывается нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности, дополненным необходимыми краевыми условиями. Для расчета р...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61455 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали / И.И. Жульковская, А.П. Огурцов, О.А. Жульковский // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 6. — С. 31-36. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860087189023490048 |
|---|---|
| author | Жульковская, И.И. Огурцов, А.П. Жульковский, О.А. |
| author_facet | Жульковская, И.И. Огурцов, А.П. Жульковский, О.А. |
| citation_txt | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали / И.И. Жульковская, А.П. Огурцов, О.А. Жульковский // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 6. — С. 31-36. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Разработана математическая модель температурного режима стакана-коллектора ковшового шиберного затвора при различных способах разливки стали. Температурное поле конструкции описывается нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности, дополненным необходимыми краевыми условиями. Для расчета радиационного теплообмена применен резольвентно-зональный метод.
Розроблено математичну модель температурного режиму стакана-колектора ковшового шиберного затвору при різних способах розливу сталі. Температурне поле конструкції описується нелінійним диференційним рівнянням теплопровідності, що доповнено необхідними крайовими умовами. Для розрахунку радіаційного теплообміну застосовано резольвентно-зональний метод.
There was designed the mathematical model of temperature rate of glass-collector of the gate surface under different ways of steel casting. The temperature field of gate was described by non-linear differential equation of heat conduction, supplemented with necessary boundary conditions. The calculation of radiation heat exchange was made in the base of resolvent-zone method.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:20:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
Разливка стали, как заключительный этап ста;
леплавильного производства, оказывает сущест;
венное влияние на его эффективность, посколь;
ку достигнутые в процессе выплавки и
внепечной обработки металла положительные
показатели могут быть утрачены, если не обеспе;
чиваются соответствующие условия реализации
технологии регулируемой разливки металла из
ковша. Дозированный выпуск стали из ковша
осуществляется с помощью затворов, в основ;
ном, шиберного (скользящего) типа. Огнеупоры
ковшового затвора должны обеспечивать надле;
жащие эксплуатационные характеристики уст;
ройства в условиях воздействия высоких темпе;
ратур и циклических термосмен [1].
В работе [2] разработана математическая мо;
дель температурного состояния ковшового ши;
берного затвора, позволяющая оценить прост;
ранственное температурное поле огнеупорных
плит и окаймляющего их стального корпуса с
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 31
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Розроблено математичну модель
температурного режиму стакана-колек-
тора ковшового шиберного затвору при
різних способах розливу сталі. Темпера-
турне поле конструкції описується
нелінійним диференційним рівнянням
теплопровідності, що доповнено не-
обхідними крайовими умовами. Для роз-
рахунку радіаційного теплообміну засто-
совано резольвентно-зональний метод.
Разработана математическая модель тем-
пературного режима стакана-коллектора
ковшового шиберного затвора при раз-
личных способах разливки стали. Темпе-
ратурное поле конструкции описывается
нелинейным дифференциальным уравне-
нием теплопроводности, дополненным
необходимыми краевыми условиями. Для
расчета радиационного теплообмена при-
менен резольвентно-зональный метод.
There was designed the mathematical
model of temperature rate of glass-collec-
tor of the gate surface under different ways
of steel casting. The temperature field of
gate was described by non-linear differen-
tial equation of heat conduction, supple-
mented with necessary boundary condi-
tions. The calculation of radiation heat
exchange was made in the base of resol-
vent-zone method.
УДК 621.746.328:536.12.001.57
ЖУЛЬКОВСКАЯ И.И., ОГУРЦОВ А.П.,
ЖУЛЬКОВСКИЙ О.А.
Днепродзержинский государственный технический университет
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО
РЕЖИМА СТАКАНА-КОЛЛЕКТОРА ПРИ
БЕССТОПОРНОЙ РАЗЛИВКЕ СТАЛИ
a – поглощательная способность;
с –удельная теплоёмкость;
q – плотность теплового потока;
r – радиальная координата;
T –температура;
T0 –температура окружающей среды;
z – осевая координата;
α – местный коэффициент теплоотдачи;
– средний по поверхности коэффициент теп;
лоотдачи;
Ф – разрешающий угловой коэффициент излуче;
ния;
λ –коэффициент теплопроводности;
ρ – плотность;
σ0 –постоянная Стефана;Больцмана;
τ – время;
ζ – логический коэффициент (принимает значе;
ния 0 и 1).
Индексы:
bot – нижний;
ext – наружный;
int – внутренний;
top – верхний;
k –конвективный;
r –радиационный;
з – зеркало металла;
Me –металл;
с –струя металла.
Сокращения:
МНЛЗ – машина непрерывного литья заготовок.
α
обеспечением адекватности полученных резуль;
татов численного и промышленного экспери;
ментов. Поскольку указанная математическая
модель адаптировалась к условиям разливки ста;
ли в изложницы сверху, то ее реализация для про;
чих способов разливки потребовала внесения не;
которых существенных корректировок [3].
Кроме этого, в уточненной и унифицированной
модели [3] реализовано решение фундаменталь;
ной задачи радиационного теплообмена в про;
зрачной (диатермичной) системе излучающих
диффузно;серых поверхностей сложной геомет;
рии: затвор–струя–зеркало металла [4].
Предложенная математическая модель [3]
температурного режима ковшового шиберного
затвора не рассматривает стакан;коллектор – не;
отъемлемую часть устройства.
Сложность расчета теплового режима стакана;
коллектора обусловлена, также как и в [3], необ;
ходимостью решения фундаментальной задачи
радиационного теплообмена в системе трех диф;
фузно;серых излучающих поверхностей [5]. Так,
в случае теплообмена наружной торцовой по;
верхности стакана;коллектора эта система вклю;
чает струю и зеркало металла в металлоприёмни;
ке, а в случае наружной боковой поверхности
устройства – зеркало металла и нижнюю поверх;
ность корпуса плит затвора (рис.1).
В настоящей работе разработана и реализова;
на математическая модель температурного режи;
ма стакана;коллектора шиберного затвора стале;
разливочного ковша при различных способах
разливки металла (в изложницы сверху, сифон;
ная и непрерывная разливка на МНЛЗ) с учетом
всех, описанных выше, наработок.
При постановке задачи сделаны следующие
допущения.
Процесс разливки условно разделен на два перио;
да: собственно разливка и закрытое состояние затво;
ра. Продолжительность каждого из указанных пери;
одов, а также количество этих циклов определяется
способом разливки и технологической инструкцией.
Принято, что металлический гарнисаж на по;
верхности стакана;коллектора отсутствует, экра;
нирование а также принудительное охлаждение
конструкции не используется, и на протяжении
всего процесса разливки на наружной поверхности
устройства имеет место сложный радиационно;
конвективный теплообмен. На поверхности стака;
на;коллектора, соприкасающейся с огнеупорной
плитой затвора, принимается равенство теплового
потока нулю [2, 3]. В сталеразливочном канале при
открытом затворе учитывается теплоотдача при
турбулентном течении металла, при закрытом за;
творе канал считается теплоизолированным.
Стакан;коллектор имеет осесимметричную
конфигурацию и рассматривается как полый
двухслойный (огнеупорный стакан в стальной
обойме коллектородержателя) цилиндр. Следо;
вательно, задача решается в цилиндрической си;
стеме координат (см. рис.1).
Уравнение теплопроводности
, (1)
32 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис.1. Схема бесстопорной разливки стали и
принятая в расчете система координат:
1 – сталеразливочный ковш; 2 – стакан%
коллектор шиберного затвора;
3 – металлоприемник.
описывающее нестационарное температурное
поле конструкции, дополнено следующими гра;
ничными условиями:
, (2)
, (3)
, (4)
. (5)
В системе уравнений (2)–(5) присутствует ло;
гический коэффициент ζ, принимающий значе;
ния 1 (собственно разливка стали) или 0 (закры;
тое состояние затвора). Тем самым моделируется
текущий период операции, в том числе и переезд
сталеразливочного ковша между изложницами
(при верхней разливке) или поддонами (при раз;
ливке стали сифоном), когда граничные условия
теплообмена III рода в сталеразливочном канале
устройства переходят в граничные условия II ро;
да (теплоизоляция) (см. уравнение (4) при значе;
нии ζ = 0). При непрерывной разливке металла
ζ = 1 на протяжении всего процесса перелива ме;
талла из сталь;ковша в промежуточный ковш. В
периоды оборота ковша и выпуска металла из
сталеплавильного агрегата коэффициент ζ равен
нулю.
При закрытом затворе расчет лучистого тепло;
обмена редуцируется в классическую задачу теп;
лообмена излучением между невогнутой серой
поверхностью стакана;коллектора и облегающей
ее серой поверхностью окружающих конструк;
ций, которые вместе образуют замкнутую систе;
му (см. уравнения (3) и (5) при значении ζ = 0).
Методика расчета средних по поверхности ко;
эффициентов конвективного – и радиацион;
ного теплообмена – , а также средней теплоот;
дачи ( ) при турбулентном течении металла в
разливочном канале устройства подробно рас;
смотрена в работе [2]. Здесь же собраны все необ;
ходимые для расчета физические свойства тепло;
носителей и материалов устройства.
При открытом затворе задача исследования
лучистого теплообмена в сложной системе серых
излучающих поверхностей: стакан;коллек;
тор–струя–зеркало металла значительно услож;
няется.
Для расчета среднезональной плотности пото;
ка результирующего излучения в диатермичной
среде для исследуемых излучающих диффузно;
серых поверхностей стакана;коллектора приме;
нен резольвентно;зональный метод [6]. Так на;
зываемые зональные методы основываются на
замене непрерывного распределения температу;
ры и радиационных свойств излучающей систе;
мы дискретным. При этом поле указанных ха;
рактеристик считается состоящим из конечного
числа термически и оптически однородных уча;
стков (тел, зон, элементов). Это весьма удобно
при сеточном решении уравнения Фурье (1).
В работе [5] показано, что среднезональная
плотность потока результирующего излучения
для кольцевого элемента на торцовой поверхнос;
ти стакана;коллектора может быть определена по
формуле:
, (6)
а для кольцевого элемента на боковой поверхно;
сти стакана;коллектора – по формуле
. (7)
При этом [5], вычисление разрешающих угло;
вых коэффициентов в системе поверхностей ста;
кан;коллектор–струя–зеркало металла сводится
к нахождению угловых коэффициентов – геоме;
трических инвариантов излучения – и ведется по
методике [6, 7].
Аддитивная неявная разностная схема получе;
на интегро;интерполяционным методом с реали;
зацией на ПЭВМ методом прогонки [8] приме;
нительно к условиям разливки стали из
250;тонных ковшей в конвертерном цехе Дне;
провского металлургического комбината.
Так, приведенный диаметр нижней поверхно;
сти ковшового затвора (490х240 мм) составляет
( )4 4
0ext ext Me ext з Me extr
q a a T T→= σ Φ −
( )( )4 4
0bot bot Me bot c bot з Me botr
q a a T T→ →= σ Φ + Φ −
Meα
rα
kα
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 33
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
здесь величину 0,366 м. Высота стакана;коллек;
тора равна 0,24, а наружный диаметр коллекто;
родержателя – 0,2 м. Диаметр струи принимается
одинаковым по всей длине и равным диаметру
сталеразливочного отверстия в стакане;коллек;
торе – 0,06 м.
Остальные исходные данные определяются
способом разливки стали (приняты в соответст;
вии с технологической инструкцией и практикой
разливки стали в конвертерном цехе).
Разливка в изложницы сверху: разливается 32
слитка; время наполнения тела слитка – 1,5 мин;
время переезда ковша – 10 с; расстояние между
срезом стакана;коллектора и поверхностью ме;
талла в изложнице изменяется в диапазоне
0,2…2,5 м (верхний предел соответствует началь;
ному, а нижний – конечному этапу наполнения
изложницы); средний приведенный диаметр зер;
кала металла равен 0,7 м.
Разливка в изложницы сифоном: сталь разлива;
ется в слитки на 6 поддонах; время наполнения
тела слитка – 8 мин; время переезда ковша – 30
с; расстояние между срезом стакана;коллектора
и огнеупорной воронкой в центровой составляет
примерно 0,2 м.
Поверхность зеркала металла под ковшом отсут;
ствует и уравнение (6) для торцовой поверхности
стакана;коллектора преобразовываются к виду [6]:
.
Для боковой поверхности при этом = 0.
Непрерывная разливка: время перелива ме;
талла из сталеразливочного ковша в промковш
составляет 70 мин; расстояние между срезом ста;
кана;коллектора и поверхностью металла в
промковше составляет в среднем 0,7 м; диаметр
бесшлаковой зоны вокруг струи в промежуточ;
ном ковше принимается в среднем 0,4 м.
В настоящей работе исследован температурный
режим периклазо;графитового стакана;коллекто;
ра при различных способах разливки стали марки
45тр, для которой температура металла в сталь;
ковше перед разливкой составляет 1540 (верхняя)
и 1550 оС (сифонная и непрерывная разливка).
Как показали предварительные расчеты [5],
максимально подвержена воздействию теплово;
го излучения торцовая часть стакана;коллектора.
Наибольшие значения интенсивности радиаци;
онного теплообмена для этой поверхности име;
ют место при разливке стали сверху и, главным
образом, на завершающей стадии наполнения
изложницы, когда расстояние между ковшом и
зеркалом металла в изложнице минимально.
Плотность потока результирующего излучения
может составлять в этот период величину
40…80 кВт/м2 в зависимости от температуры теп;
лопоглощающей поверхности и радиального рас;
стояния от сталевыпускного отверстия стакана;
коллектора. При непрерывной разливке для
рассматриваемой поверхности принимает значе;
ния соответственно 10…30, а при сифонной раз;
ливке – 5…25 кВт/м2.
Немаловажным фактором, обусловливающим
нагрев стакана;коллектора при разливке стали,
является открытая поверхность струи и, особенно,
при разливке сифоном, когда интенсивность по;
тока результирующего излучения для торцовой
поверхности определяется в целом радиационным
теплообменом с открытой поверхностью струи.
Радиационный теплообмен наружной поверх;
ности стакана;коллектора оказывает определен;
ное влияние на нагрев устройства лишь при раз;
ливке стали сверху и только на завершающей
стадии наполнения изложницы, когда при;
нимает значения 5...20 Вт/м2 в зависимости от ме;
сторасположения расчетного кольцевого элемента.
В то же время значения плотности потока результи;
рующего излучения при разливке на МНЛЗ имеют
величину порядка 1102…2102, а на начальной стадии
разливки сверху – 1101…1102 Вт/м2, т.е. весьма ма;
лы и могут при моделировании не учитываться.
В любом случае, даже в условиях циклическо;
го перекрытия канала и дросселирования струи,
основной вклад в нагрев устройства во время раз;
ливки вносит вынужденная конвекция жидкого
металла при турбулентном течении в сталеразли;
вочном канале стакана;коллектора.
Полученные результаты расчетов (рис. 2), как
и прогнозировалось, свидетельствуют о том, что
стакан;коллектор шиберного затвора наиболее
подвержен высокотемпературному эксплуатаци;
онному воздействию при непрерывной разливке
и менее всего – при разливке стали сифоном. Это
связано как с различной продолжительностью
extr
q
botr
q
extr
q
( )4 4
0bot bot Me bot c Me botr
q a a T T→= σ Φ −
34 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
самого процесса, так и, как указывалось выше, с
особенностями теплообмена устройства при рас;
сматриваемых способах разливки металла.
Столь высокие температуры нагрева устройст;
ва требуют принятия мер по его теплоизоляции и
(или) вынужденному охлаждению с целью эко;
номии дорогостоящих огнеупоров и возможнос;
ти их многократного использования.
Предложенная математическая модель как раз
и предоставляет возможность разработки и чис;
ленного исследования подобных мероприятий,
что станет предметом дальнейших научных изы;
сканий настоящего авторского коллектива.
Выводы
1. Усовершенствована тепловая математиче;
ская модель ковшового шиберного затвора путем
разработки математической модели температур;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 35
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Рис. 2. Температурное поле ( оС )стакана%
коллектора шиберного затвора к моменту
завершения операции верхней (а), сифонной (б) и
непрерывной (в) разливки стали.
а б
в
ного режима стакана;коллектора; в итоге удалось
обеспечить более приемлемую адекватность ре;
зультатов моделирования.
2. Проведен численный эксперимент и крат;
кий сравнительный анализ результатов модели;
рования для конкретных производственных ус;
ловий разливки стали.
3. Полученные результаты использованы
при расчете и разработке новой конструкции
шиберного затвора с малогабаритными огне;
упорными плитами для конвертерного цеха Дне;
провского металлургического комбината.
ЛИТЕРАТУРА
1. Еронько С.П., Быковских С.В. Разливка ста;
ли: Технология. Оборудование.– К.: Техника,
2003.– 216с.
2. Кулик А.Д., Огурцов А.П., Жульковский О.А.
Математическая модель температурного состоя;
ния шиберного затвора// Изв. вузов. Черная ме;
таллургия.– 1999. – №4.– С.12;15.
3. Огурцов А.П., Жульковская И.И., Кулик А.Д.
Расчет температурного состояния ковшового
шиберного затвора при различных способах раз;
ливки стали// Изв. вузов. Черная металлургия.–
2001. – №4.– С.11;15.
4. Огурцов А.П., Жульковская И.И., Ку@
лик А.Д. Расчет радиационного теплообме;
на поверхности ковшового затвора//
Пром. теплотехника.– 2000.– Т.22, №3.–
С.5;8.
5. Огурцов А.П., Жульковская И.И. К расче;
ту радиационного теплообмена поверхности
ковшового затвора (стакана;коллектора)//
Математичне моделювання.– 2000.– №2.–
С.72;75.
6. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н.
Теплообмен излучением: Справочник.– М.:
Энергоатомиздат, 1991.– 432с.
7. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излуче;
нием/ Пер. с англ. под ред. Б.А.Хрусталева.– М.:
Мир, 1975.– 934с.
8. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В.
Применение ЭВМ для решения задач теплообме;
на.– М.: Высш. шк., 1990.– 207с.
Получено 23.05.2006 г.
36 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61455 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:20:37Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Жульковская, И.И. Огурцов, А.П. Жульковский, О.А. 2014-05-05T18:53:21Z 2014-05-05T18:53:21Z 2006 Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали / И.И. Жульковская, А.П. Огурцов, О.А. Жульковский // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 6. — С. 31-36. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61455 621.746.328:536.12.001.57 Разработана математическая модель температурного режима стакана-коллектора ковшового шиберного затвора при различных способах разливки стали. Температурное поле конструкции описывается нелинейным дифференциальным уравнением теплопроводности, дополненным необходимыми краевыми условиями. Для расчета радиационного теплообмена применен резольвентно-зональный метод. Розроблено математичну модель температурного режиму стакана-колектора ковшового шиберного затвору при різних способах розливу сталі. Температурне поле конструкції описується нелінійним диференційним рівнянням теплопровідності, що доповнено необхідними крайовими умовами. Для розрахунку радіаційного теплообміну застосовано резольвентно-зональний метод. There was designed the mathematical model of temperature rate of glass-collector of the gate surface under different ways of steel casting. The temperature field of gate was described by non-linear differential equation of heat conduction, supplemented with necessary boundary conditions. The calculation of radiation heat exchange was made in the base of resolvent-zone method. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные процессы Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали Numerical modeling of temperature rate of the glass-collector under non-stopper casting steel Article published earlier |
| spellingShingle | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали Жульковская, И.И. Огурцов, А.П. Жульковский, О.А. Тепло- и массообменные процессы |
| title | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали |
| title_alt | Numerical modeling of temperature rate of the glass-collector under non-stopper casting steel |
| title_full | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали |
| title_fullStr | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали |
| title_full_unstemmed | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали |
| title_short | Численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали |
| title_sort | численное моделирование температурного режима стакана-коллектора при бесстопорной разливке стали |
| topic | Тепло- и массообменные процессы |
| topic_facet | Тепло- и массообменные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61455 |
| work_keys_str_mv | AT žulʹkovskaâii čislennoemodelirovanietemperaturnogorežimastakanakollektorapribesstopornoirazlivkestali AT ogurcovap čislennoemodelirovanietemperaturnogorežimastakanakollektorapribesstopornoirazlivkestali AT žulʹkovskiioa čislennoemodelirovanietemperaturnogorežimastakanakollektorapribesstopornoirazlivkestali AT žulʹkovskaâii numericalmodelingoftemperaturerateoftheglasscollectorundernonstoppercastingsteel AT ogurcovap numericalmodelingoftemperaturerateoftheglasscollectorundernonstoppercastingsteel AT žulʹkovskiioa numericalmodelingoftemperaturerateoftheglasscollectorundernonstoppercastingsteel |