Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів
Physical modeling has been used to study the processes of heat exchange between the melt and the roll crystallizer with roll casting-rolling of metals. Based on the theoretical analysis of heat exchange processes between the bandage of the roll crystallizer and the cooling water, the possible levers...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/16 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Metal and Casting of Ukraine |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465387194843136 |
|---|---|
| author | Нурадінов, Абді Ноговіцин, Олексій Нурадінов, Ібрагім Баранов, Іван Сіренко, Катерина |
| author_facet | Нурадінов, Абді Ноговіцин, Олексій Нурадінов, Ібрагім Баранов, Іван Сіренко, Катерина |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": " Абді Нурадінов",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "Олексій Ноговіцин",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "Ібрагім Нурадінов",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "Іван Баранов",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
},
{
"author": "Катерина Сіренко",
"institution": "Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України"
}
] |
| author_sort | Нурадінов, Абді |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T12:09:42Z |
| description | Physical modeling has been used to study the processes of heat exchange between the melt and the roll crystallizer with roll casting-rolling of metals. Based on the theoretical analysis of heat exchange processes between the bandage of the roll crystallizer and the cooling water, the possible levers of their intensification are determined: the speed of the coolant, the area and relief of the heat sink surface. Regularities of change of parameters of heat exchange between the hardening metal and the water cooling the crystallizer, depending on ways of influence on it are established. It is shown that a significant increase in the rate of heat dissipation is observed in the case of increasing the speed of water movement to a certain level (up to 2.5 m/s). And with increasing the area of heat dissipation, the degree of intensification of heat transfer processes in the mold does not depend on the speed of water movement. Increasing the intensity of heat transfer processes in the mold at the artificial roughness of the heat transfer surface is that when the flow of liquid on the ledge behind it a vortex is formed, which destroys the structure of the viscous sublayer, turbulizing it. As a result, at a constant velocity of the fluid, the viscous laminar sublayer is completely destroyed or decreases in thickness, which increases the heat transfer coefficient without increasing hydraulic losses. Therefore, it is established that the most optimal of the considered tool options in terms of accelerating heat transfer processes is the method of inducing artificial roughness on the bandages of the rolls. It is shown that along with the intensification of heat dissipation, this method, due to the turbulence of the viscous laminar sublayer of water, significantly reduces the formation of scale on the heat exchange surface. And this, in turn, increases the periods of preventive maintenance of the molds. Based on the obtained results, practical recommendations for improving the efficiency of thermal work of the roll crystallizer in roll casting-rolling of metals are proposed. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
47ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ву розливку металів, то головним лімітуючим етапом
процесу теплообміну є передача тепла від бандажів
валкових кристалізаторів до охолоджувальної води.
Тому в даних дослідженнях саме для цього етапу за
допомогою різних інструментів впливали на тепловід-
дачу від валків-кристалізаторів до охолоджувальної
води [10–14], а саме: регульована швидкість руху во-
ди вздовж поверхні бандажу валка; збільшення площі
поверхні теплообміну на 50 % шляхом наведення на
ній поздовжніх ребер; наведення штучної шорсткості
на поверхні теплообміну.
Результати досліджень. Для полегшення інтер-
претації результатів досліджень проведемо теоретич-
ний аналіз теплового балансу валкового кристаліза-
тора. Тепловий баланс валкового кристалізатора як
теплообмінного апарату можна представити так [5]:
Qпоч = Qв + Q1 + Q2 + Qух, (1)
В
ступ. У формуванні структури та властивостей
литих металургійних заготовок особливу роль
відіграє інтенсивність тепловідведення від них.
Відомо, що властивості литого металу можуть іс-
тотно змінюватися залежно від характеристик криста-
лічних структур, які визначаються швидкістю криста-
лізації [1–4]. А при валковій розливці-прокатці металів
від швидкості кристалізації залежить і продуктивність
процесу загалом. У цій роботі вивчено особливості те-
плообмінних процесів при валковій розливці металів,
а також розглянуто можливі важелі керування ними.
Методика досліджень. Дослідження проведено
за розробленою методикою фізичного моделювання
на експериментальній установці, що представлена
на рис. 1.
Характер теплообмінних процесів між розплавом
металу, що твердіє, та кристалізатором визначається
геометричними, фізичними та гідродинамічними умо-
вами їх протікання [5–9]. Якщо говорити про валко-
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022, № 2 (329), 47-53
https://doi.org/10.15407/scin15.04.005
УДК 669.1:669.2:536.248.2
А.С. Нурадінов, д-р техн. наук, ст. наук. співр., пров. наук. співр., e-mail: nla_73@ukr.net,
https://orcid.org/0000-0002-7286-8648
О.В. Ноговіцин, д-р техн. наук, ст. наук. співр., зав. відділу, e-mail: alexey.nogovitsyn@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-2929-5300
І.А. Нурадінов, аспірант, e-mail: inuradinov@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-8916-5247
І.Р. Баранов, канд. техн. наук, наук. співр., e-mail: ivanbir@ukr.net, https://orcid.org/0000-0001-5692-5297
К.А. Сіренко, мол. наук. співр., e-mail: thermoexp.metal@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-2613-8094
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)
Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів
Фізичним моделюванням вивчені процеси теплообміну між розплавом і валковим кристалізатором при валко-
вій розливці-прокатці металів. На основі теоретичного аналізу теплообмінних процесів між бандажем валкового
кристалізатора та охолоджувальною водою визначено можливі важелі їх інтенсифікації: швидкість руху теплоно-
сія, площу та рельєф поверхні тепловідведення. Встановлено закономірності зміни параметрів теплообміну між
металом, що твердіє, і водою, що охолоджує кристалізатор, залежно від способів впливу на нього. Показано, що
помітне підвищення темпу тепловідведення спостерігається у разі зростання швидкості руху води до певного
рівня (до 2,5 м/с). А при збільшенні площі тепловідведення ступінь інтенсифікації теплообмінних процесів в крис-
талізаторі не залежить від швидкості руху води. Підвищення інтенсивності теплообмінних процесів у кристаліза-
торі при штучній шорсткості поверхні теплообміну полягає в тому, що при набіганні потоку рідини на виступ за
ним утворюється вихор, що руйнує структуру в'язкого підшару, турбулізуючи його. Внаслідок цього при незмінній
швидкості руху рідини в'язкий ламінарний підшар повністю руйнується або зменшується за товщиною, що сприяє
підвищенню коефіцієнта тепловіддачі без збільшення гідравлічних втрат. Таким чином, встановлено, що з роз-
глянутих варіантів інструментарію найоптимальнішим з погляду прискорення теплообмінних процесів є метод
наведення штучної шорсткості на бандажах валків. Показано, що поряд з інтенсифікацією тепловідведення цей
спосіб, за рахунок турбулізації в'язкого ламінарного підшару води, істотно знижує утворення накипу на теплооб-
мінній поверхні. І це, своєю чергою, збільшує періоди профілактичного обслуговування кристалізаторів. На осно-
ві отриманих результатів запропоновано практичні рекомендації щодо підвищення ефективності теплової роботи
валкового кристалізатора при валковій розливці-прокатці металів.
Ключові слова: валковий кристалізатор, теплообмін, швидкість теплоносія, площа тепловідведення, шор-
сткість, коефіцієнт тепловіддачі, кількість тепла.
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
48 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
плаву між валками [16, 17]. Відповідно, за відомими
параметрами розплаву металу між валками можна
визначити мінімальну кількість тепла (Qmin), яку необ-
хідно відвести за один оборот валків:
Qmin = Qпер + Qкр, (6)
де Qпер – тепло перегріву розплаву металу; Qкр – те-
плота кристалізації металу.
З проведеного аналізу теплового балансу валко-
вого кристалізатора слідує, що для забезпечення ста-
більності процесу беззлиткової прокатки металів має
дотримуватися умова Qв > Qmin.
Встановлення закономірностей теплообміну між
рідким металом та валковим кристалізатором є дуже
важливим завданням з погляду управління процесом
беззлиткової прокатки металів. В якості вихідних да-
них для початку були визначені параметри теплооб-
міну між валком-кристалізатором і охолоджувальною
водою при різних швидкостях витягування заготовок
(рис. 2). Видно, що інтенсивність теплообміну між
кристалізатором і охолоджувальною водою істотно
знижується при підвищенні лінійної швидкості роз-
ливки. Головний висновок цього рисунка полягає в
тому, що швидкість валкової розливки для алюміні-
євих сплавів, близьких до чистого алюмінію, повинна
відповідати умові Wр ≤ 0,75 м/с. Це пов'язано з тим,
що при підвищенні швидкості розливки знижується
тривалість контактного теплообміну між металом, що
розливається, і кристалізатором, отже, зменшується
кількість відведеного охолоджувальною водою тепла.
Наприклад, при лінійній швидкості розливки розплаву
Wр = 0,05 м/с тривалість теплообміну між кристаліза-
тором та металом становить ≈ 6 с, а при Wр = 0,5 м/с –
≈ 0,6 с, тобто у 10 разів менше. А із залежності (4)
слідує, що кількість тепла, що відводиться охолоджу-
вальною водою, прямо пропорційно тривалості про-
цесу теплообміну в кристалізаторі.
Виходячи з того, що лінійна швидкість валкової
розливки металів залежить від теплообмінних проце-
сів у кристалізаторі, в роботі апробовані різні інстру-
де Qпоч – тепло, що вноситься рідким металом в крис-
талізатор; Qв – тепло, що відводиться охолоджуючим
кристалізатором теплоносієм; Q1 – втрати тепла на
випромінювання через відкриту поверхню металу;
Q2 – втрати тепла на початковий прогрів кристалізато-
ра; Qух – тепло, що йде з кристалізатора із заготівкою.
Якщо у виразі (1) значення Q1 та Q2 через їх не-
значність виключити, то тепловий баланс валкового
кристалізатора матиме вигляд:
Qпоч = Qв + Qух. (2)
У виразі (2) нас цікавить кількість тепла Qв, що від-
водиться охолоджувальною водою [5]:
Q = Qв = Gв·(t2в – t1в) = m·C· (t2в – t1в), (3)
де Gв – витрати води на кристалізатор; t1в та t2в – тем-
пература води на вході та виході з кристалізатора;
m – маса води у каналах валка; C – питома теплоєм-
ність води.
Більш точно кількість тепла (Qв), що відводиться з по-
верхні валка за один цикл проходження охолоджуваль-
ної води, можна визначити за такою формулою [15]:
Qв ≈ a·F·Dt·t, (4)
де a – коефіцієнт тепловіддачі до охолоджувальної
води; F – площа поверхні теплообміну валка; ∆t – пе-
репад температури між поверхнею валка та охоло-
джувальною водою; t – тривалість теплообміну між
однією порцією води, що охолоджує, і валком.
Спільним рішенням рівнянь (3) та (4) можна ви-
значити коефіцієнт тепловіддачі до охолоджувальної
води:
(5)
Стійкість процесу беззлиткової прокатки метале-
вих сплавів забезпечується при затвердінні на по-
верхнях валків-кристалізаторів 10–15 % обсягу роз-
Схема експериментальної установки вивчення те-
плообмінних процесів у валковому кристалізаторі: 1 – бак із
водою; 2 – насос; 3 – витратомір; 4 – модель валка-криста-
лізатора; 5 – електричний ТЕН; 6 – канали руху води; 7 та
8 – термопари
Рис. 1.
Залежність кількості тепла, що відводиться охо-
лоджувальною водою, від швидкості розливки: 1 – при
перегріві розплаву металу ∆tпер = 40 °С; 2 – ∆tпер = 20 °С;
3 – ∆tпер = 10 °С
Рис. 2.
49ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
ментарії для підвищення інтенсивності цих процесів
(регульована швидкість руху охолоджувальної води,
збільшення площі поверхонь теплообміну бандажів
валків, наведення штучної шорсткості на поверхнях
теплообміну).
Результати, отримані в ході досліджень, показу-
ють, що змінюючи швидкість руху охолоджувальної
води в каналах валків-кристалізаторів, можна керу-
вати інтенсивністю теплообмінних процесів у них
(таблиця). У цій таблиці наведено параметри тепло-
обміну між охолоджувальною водою та кристаліза-
тором залежно від швидкості її руху вздовж поверхні
теплообміну при лінійній швидкості обертання валка,
що дорівнює 0,3 м/с. Видно, що до рівня зростання
значень швидкостей руху води (до 2,5 м/с) спостері-
гається помітне збільшення темпу тепловідведення,
а при подальшому збільшенні швидкості руху води
цього не відбувається. Зазначимо, що при зростанні
у п'ятдесят разів швидкості руху води кількість тепла,
що відводиться, збільшується всього лише на 61 %.
Отримані для валкового кристалізатора результа-
ти добре корелюють з відомими в області атомної
та теплової енергетики дослідженнями, в яких вста-
новлено, що оптимальна швидкість руху теплоносія
для різних конструкцій теплообмінників знаходиться
в межах від 1,5 до 2,5 м/с [18, 19]. При використанні
цього прийому управління теплообмінними процеса-
ми в кристалізаторах будь-якого типу необхідно вра-
ховувати, що підвищення швидкості руху для будь-
яких краплинних рідин призводить до значних втрат
гідравлічного напору на подолання сил тертя. Для
таких рідин втрати гідравлічного напору (∆Р) на подо-
лання сил тертя можна визначити за формулою [20]:
(7)
де ξт – коефіцієнт гідравлічного тертя; r – щільність
теплоносія; W – швидкість руху теплоносія.
Розрахунки показали, що при 50-кратному збіль-
шенні швидкості руху води втрати гідравлічного на-
пору підвищуються на три порядки (таблиця). З чого
випливає, що з використанням цього прийому управ-
ління теплообмінними процесами у валковому криста-
лізаторі кратно підвищуються енергетичні витрати на
його реалізацію. В результаті різкого збільшення тиску
води у всій системі охолодження кристалізатора при
цьому суттєво підвищуються вимоги до механічних
характеристик всіх деталей конструкції. І це зумовлює
додаткові технічні складності за практичної реалізації
цього та відносно низьку економічну ефективність.
Відносно більш висока ефективність теплової
роботи кристалізатора виходить при двох інших ви-
користаних прийомах інтенсифікації теплообмінних
процесів в ньому (рис. 3). З даного рисунка привертає
увагу той факт, що для ребристих поверхонь (тобто
при збільшенні площі тепловідведення) ступінь інтен-
сифікації теплообмінних процесів в кристалізаторі не
залежить від швидкості руху води (рис. 3, криві 1 і 2).
50 % збільшення площі поверхні теплообміну банда-
жів валків підвищує кількість тепла, що відводиться
водою, лише на 6 ÷ 16 % залежно від швидкості її
руху, тобто кількість тепла, що відводиться водою,
підвищується не так само, як і збільшення площі по-
верхні теплообміну. Ймовірно, це пов'язано з тим, що
згідно з формулою (5) збільшення площі поверхні те-
плообміну знижує значення коефіцієнта тепловіддачі
від бандажів валків до охолоджуючої води.
Зовсім інший характер теплообмінних проце-
сів у кристалізаторі ми спостерігаємо при штучній
шорсткості на поверхні тепловідведення (рис. 3,
криві 1 та 3). Видно, що поперечні виступи істотно під-
вищують кількість тепла, що відводиться охолоджу-
вальною водою. Наприклад, при постійній невеликій
Параметри теплообміну у валковому кристалізаторі
№№ п/п
Параметр теплообміну
Wв, м/с t,с aв, × 103
Вт/м2∙ºС
Qв, × 103
Вт/м2∙ºС DР, × 106 Па tт, ºС t1в, ºС
1. 0,2 1,0 15,9 515 0,158
700 ± 5 15 ± 2
2. 0,5 0,4 42,4 546 0,987
3. 1,0 0,2 90,7 584 3,95
4. 1,5 0,13 147,5 618 8,89
5. 2,0 0,1 202,5 652 15,8
6. 2,5 0,08 260,8 673 24,7
7. 3,0 0,067 318,6 685 35,6
8. 4,0 0,05 432,3 696 63,2
9. 6,0 0,033 667,9 708 142,2
10. 8,0 0,025 887,6 719 252,8
11. 10,0 0,02 1137,5 728 395,0
50 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
то можна зробити висновок, що у в'язкому ламінар-
ному підшарі тепло передається теплопровідністю,
а в турбулентному ядрі – конвекцією (рис. 4). Отже,
у загальному перенесенні тепла лімітуючою стадією
є теплопередача теплопровідністю у в'язкому ламі-
нарному підшарі. Тоді коефіцієнт тепловіддачі (a) від
поверхні теплообміну до потоку рідини можна визна-
чити з наступного виразу [21]:
(10)
де λ – теплопровідність рідини (теплоносія); dв.п. – тов-
щина в'язкого ламінарного підшару.
Отже, можна припустити, що посилення відве-
дення тепла від поверхні теплообміну зі штучною
шорсткістю до охолоджувальної води пов'язане з
руйнуванням в'язкого ламінарного підшару в прикор-
донному гідродинамічному шарі або зменшенні його
товщини. На наш погляд, механізм підвищення інтен-
сивності теплообмінних процесів у кристалізаторі при
штучній шорсткості поверхні теплообміну полягає в
тому, що при набіганні потоку рідини на виступ за ним
утворюється вихор, що руйнує структуру в'язкого під-
шару, турбулізуючи його (рис. 5). Внаслідок цього при
незмінній швидкості руху рідини в'язкий ламінарний
підшар повністю руйнується або зменшується за тов-
щиною, що сприяє підвищенню коефіцієнта тепловід-
дачі без збільшення гідравлічних втрат.
швидкості руху води вздовж поверхні теплообміну
(0,2 м/с) кількість тепла, що нею відводиться, збіль-
шується на 45 %. Ймовірно, це пов'язано зі структу-
рою гідродинамічного прикордонного шару потоку
води на поверхні теплообміну. З теорії прикордонно-
го шару відомо, що при русі потоку рідини (або газу)
вздовж гладкої поверхні на ній формується прикор-
донний гідродинамічний шар з різною структурою за
напрямком перебігу та перерізу (рис. 4) [21].
При малих значеннях чисел Рейнольдса (Re <
< 2…5∙105) режим руху рідини по всьому перерізу
потоку в циркуляційному каналі кристалізатора має
ламінарний характер. Але в металургійній практи-
ці у будь-яких типах кристалізаторів значення чисел
Рейнольдса завжди відповідають умові Re ≥ 2…5∙105,
тобто по всьому перетині потоку маємо турбулентний
характер руху рідини. Але навіть і при турбулентному
характері руху рідини в потоці завжди є гідродинаміч-
ний прикордонний шар, структура якого складаєть-
ся з перехідної зони і в'язкого ламінарного підшару
(рис. 4). Саме в'язкий ламінарний підшар істотно лі-
мітує теплопередачу між обтічною поверхнею і ріди-
ною. Товщина цього в'язкого підшару (dв.п.) залежить
від розміру турбулентного ядра потоку (dт) і визнача-
ється із співвідношень [21]:
dв.п. = 0,01· dт. (8)
Товщину турбулентного ядра в потоці рідини мож-
на визначити з наступної залежності [21]:
(9)
де Х – відстань від кромки обтікаємої поверхні до роз-
глянутої точки.
Якщо виходити з того, що товщина в'язкого підша-
ру становить близько 0,01 частини загальної товщини
турбулентного ядра (8), то з формули (9) слідує, що з
віддаленням від кромки кристалізатора товщина цьо-
го підшару буде збільшуватися.
Якщо структуру потоку в цілому розглядати з пози-
ції теплообміну між поверхнею і рідиною, що набігає,
Залежність тепла, що відводиться у валковому
кристалізаторі, від швидкості руху охолоджуючої води:
1 – при гладкому рельєфі поверхні теплообміну бандажа
валка; 2 – для бандажа з поздовжніми ребрами; 3 – для
бандажа з поперечною шорсткістю
Рис. 3.
Структура потоку рідини під час його руху вздовж
гладкої поверхні
Рис. 4.
Схема руйнування в'язкого ламінарного підшару в
потоці рідини за наявності на поверхні контакту шорсткості
у вигляді виступів
Рис. 5.
51ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
При такому рельєфі поверхні теплообміну для
оптимальної теплової роботи кристалізатора необ-
хідно забезпечити такі умови: висота виступів не по-
винна перевищувати товщину в'язкого ламінарного
підшару у гідродинамічному прикордонному шарі,
щоб не збільшувалися втрати гідравлічного напору;
вихор, що виникає за виступом, повинен припини-
ти своє існування до зустрічі з наступним виступом
(рис. 5), інакше він переходитиме в ядро потоку і ство-
рюватиме додатковий гідравлічний опір; оптимальне
співвідношення відстані між виступами до їх висоти,
за якого досягається максимальна тепловіддача, має
відповідати умові s/h ≈ 13 [13].
Висновки
Отримані результати показують, що, використову-
ючи різні прийоми, можна управляти теплообмінни-
ми процесами в кристалізаторах при валковій роз-
ливці металів. З прикладної точки зору з розглянутих
варіантів прийомів найбільш оптимальним є метод
наведення шорсткості на бандажах валків, тому що
інтенсифікація теплообмінних процесів в кристаліза-
торі відбувається без збільшення втрат гідравлічного
напору. Крім цього, турбулізація в'язкого ламінарного
підшару води істотно знижує утворення накипу на по-
верхнях тепловідвідних бандажів валків. Накип, що
утворюється на поверхнях бандажів валків-кристалі-
заторів, по-перше, є додатковим термічним опором і,
по-друге, зменшує періоди їх профілактичного обслу-
говування.
1. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в стали и сплавах. Москва: Металлургия, 1977. 222 с.
2. Лякишев Н.П. Конструкционные и некоторые функциональные материалы, настоящее и будущее. Современное мате-
риаловедение ХХ столетия. Киев: Наук. думка, 1998. 296 с.
3. Борисов В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка. Москва: Металлургия, 1987. 224 с.
4. Szekely Von J., Themelis N.J. Rate Phenomena in Process Metallurgy. Wiley Interscience, a Division of John Wiley & Sons
Inc., New York-London-Sydney-Toronto, 1971. 754 p.
5. Скворцов А.А., Акименко А.Д., Ульянов В.А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и за-
готовок. Москва: Металлургия, 1991. 216 с.
6. Евтеев Д.П., Колыбалов И.Н. Непрерывное литье стали. Москва: Металлургия, 1984. 198 с.
7. Сладкоштеев В.Т., Потанин Р.В., Суладзе О.Н. и др. Непрерывная разливка стали на радиальных установках. Москва:
Металлургия, 1974. 298 с.
8. Дымнич А.Х., Троянский А.А. Вопросы тепломассообмена в сталеплавильных процессах. Донецк: ДВНЗ «Дон-НТУ»,
2009. 582 с.
9. Боршанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И. Жидкометаллические теплоносители. Москва: Атомиздат, 1976. 146 с.
10. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Дымнич А.Х., Нурадинов И.А. Способ оптимизации тепловой работы кристаллиза-
тора МНЛЗ. Процессы литья. 2016. № 2. С. 42–51.
11. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Ахтаев С.С-С., Уздиева Н.С. Скорость движения теплоносителя в кристаллизато-
ре МНЛЗ как фактор интенсификации теплообменных процессов в нем. Сталь. 2017. № 3. С. 19–21.
12. Нурадинов А.С., Ноговицын А.В., Нурадинов И.А. Методика определения коэффициента теплоотдачи теплоносителя
в кристаллизаторе МНЛЗ. Процессы литья. 2017. № 2. С. 45–52.
13. Нурадинов А.С., Ноговицын А.В., Нурадинов И.А., Баранов И.Р. Влияние формы поверхности теплообмена на эффек-
тивность тепловой работы кристаллизатора МНЛЗ. Процессы литья. 2017. № 3. С. 43–51.
14. Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Уздиева Н.С., Нурадинов И.А. Оптимизация тепловой работы кристаллизатора
МНЛЗ. Металлург. 2019. №1. С. 17–23.
15. Ефимов В.А, Эльдарханов А.С. Технологии современной металлургии. Москва: Новые технологии, 2004. 784 с.
16. Sarioglu K., Thevoz К. Simulation of solidification process used in twin roll casting. Light metals Warrendale Proceedings.
Warrendale: TMS, 2003. P. 747–752.
17. Zeng J., Koitzsch R., Pfeifer H., Friedrich B. Numerical simulation of the twin-roll casting process of magnesium alloy strip.
Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. Р. 2321–2328.
18. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва: Энергия, 1977. 344 с.
19. Кузнецов В.Д. Научные исследования в области ядерной энергетики в технических вузах России. Сб. науч. трудов.
Москва: Издательство МЭИ, 1999. 280 с.
20. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен. Учебник для вузов. Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. 562 с.
21. Лаптев А.Г. Модели пограничного слоя и расчет тепло-массообменных процессов. Казань: Издательство Казанского
университета, 2007. 500 с.
ЛІТЕРАТУРА
Надійшла 11.04.2022
52 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
REFERENCES
1. Golikov, I.N., Maslenkov, S.B. (1977). Dendritic segregation in steel and alloys. Moscow: Metallurgiya, 222 p. [in Russian].
2. Lyakishev, N.P. (1998). Structural and some functional materials, present and future. Modern materials science of the twentieth
century. Кyiv: Nauk. dumka, 296 p. [in Russian].
3. Borisov, V.T. (1987). Theory of a two-phase zone of a metal ingot. Moscow: Metallurgiya, 224 p. [in Russian].
4. Szekely, Von J., Themelis, N.J. (1971). Rate Phenomena in Process Metallurgy. Wiley Interscience, a Division of John Wiley
& Sons Inc., New York-London-Sydney-Toronto, 754 p.
5. Skvortsov, A.A., Akimenko, A.D., Ulyanov, V.A. (1991). Influence of external influences on the process of formation of ingots
and blanks. Moscow: Metallurgiya, 216 p. [in Russian].
6. Evteev, D.P., Kolybalov, I.N. (1984). Continuous casting of steel. Moscow: Metallurgiya, 198 p. [in Russian].
7. Sladkoshteev, V.T., Potanin, R.V., Suladze, O.N. et al. (1974). Continuous casting of steel in radial plants. Moscow: Metallurgiya,
298 p. [in Russian].
8. Dymnich, A.Kh., Troyansky, A.A. (2009). Issues of heat and mass transfer in steelmaking processes. Donetsk: DVNZ
"DonNTU", 582 p. [in Russian].
9. Borshansky, V.M., Kutateladze, S.S., Novikov, I.I. (1976). Liquid metal coolants. Moscow: Atomizdat, 146 p. [in Russian].
10. Nuradinov, A.S., Eldarkhanov, A.S., Dymnich, A.Kh., Nuradinov, I.A. (2016). Method for optimizing the thermal operation of the
CCM mold. Casting processes, no. 2, pp. 42–51 [in Russian].
11. Nuradinov, A.S., Eldarkhanov, A.S., Akhtaev, S.S-S., Uzdieva, N.S. (2017). The speed of movement of the coolant in the mold
CCM as a factor of intensification of heat exchange processes in it. Stal’, no. 3, pp. 19–21 [in Russian].
12. Nuradinov, A.S., Nogovitsyn, A.V., Nuradinov, I.A. (2017). Method for determining the heat transfer coefficient of the coolant in
the CCM mold. Casting processes, no. 2, pp. 45–52 [in Russian].
13. Nuradinov, A.S., Nogovitsyn, A.V., Nuradinov, I.A., Baranov, I.R. (2017). Influence of the shape of the heat exchange surface
on the efficiency of the thermal operation of the CCM mold. Casting processes, no. 3, pp. 43–51 [in Russian].
14. Eldarkhanov, A.S., Nuradinov, A.S., Uzdieva, N.S., Nuradinov, I.A. (2019). Optimization of thermal operation of CCM mold.
Metallurg, no. 1, pp. 17–23 [in Russian].
15. Efimov, V.A., Eldarkhanov, A.S. (2004). Technologies of modern metallurgy. Moscow: Novye tekhnologii, 784 p. [in Russian].
16. Sarioglu, K., Thevoz, К. (2003). Simulation of solidification process used in twin roll casting. Light metals Warrendale
Proceedings. Warrendale: TMS, pp. 747–752.
17. Zeng, J., Koitzsch, R., Pfeifer, H., Friedrich, B. (2009). Numerical simulation of the twin-roll casting process of magnesium
alloy strip. Journal of Materials Processing Technology, vol. 209, pp. 2321–2328.
18. Mikheev, M.A., Mikheeva, I.M. (1977). Fundamentals of heat transfer. Moscow: Energiya, 344 p. [in Russian].
19. Kuznetsov, V.D. (1999). Scientific research in the field of nuclear energy in technical universities in Russia. Moscow: Izdatel'skiy
dom MEI, 280 p. [in Russian].
20. Tsvetkov, F.F., Grigoriev, B.A. (2011). Heat and mass transfer. Moscow: Izdatel'skiy dom MEI, 562 p. [in Russian].
21. Laptev, A.G. (2007). Boundary layer models and calculation of heat and mass transfer processes. Kazan: Kazan University
Press, 500 p. [in Russian].
Received 11.04.2022
53ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 30, 2022. № 2 (329)
ПРОЦЕСИ БЕЗПЕРЕРВНОГО РОЗЛИВАННЯ СТАЛІ
Summary
Physical modeling has been used to study the processes of heat exchange between the melt and the roll crystallizer with
roll casting-rolling of metals. Based on the theoretical analysis of heat exchange processes between the bandage of the roll
crystallizer and the cooling water, the possible levers of their intensification are determined: the speed of the coolant, the area
and relief of the heat sink surface. Regularities of change of parameters of heat exchange between the hardening metal and
the water cooling the crystallizer, depending on ways of influence on it are established. It is shown that a significant increase
in the rate of heat dissipation is observed in the case of increasing the speed of water movement to a certain level (up to
2.5 m/s). And with increasing the area of heat dissipation, the degree of intensification of heat transfer processes in the mold
does not depend on the speed of water movement. Increasing the intensity of heat transfer processes in the mold at the ar-
tificial roughness of the heat transfer surface is that when the flow of liquid on the ledge behind it a vortex is formed, which
destroys the structure of the viscous sublayer, turbulizing it. As a result, at a constant velocity of the fluid, the viscous laminar
sublayer is completely destroyed or decreases in thickness, which increases the heat transfer coefficient without increasing
hydraulic losses. Therefore, it is established that the most optimal of the considered tool options in terms of accelerating heat
transfer processes is the method of inducing artificial roughness on the bandages of the rolls. It is shown that along with the
intensification of heat dissipation, this method, due to the turbulence of the viscous laminar sublayer of water, significantly re-
duces the formation of scale on the heat exchange surface. And this, in turn, increases the periods of preventive maintenance
of the molds. Based on the obtained results, practical recommendations for improving the efficiency of thermal work of the roll
crystallizer in roll casting-rolling of metals are proposed.
Roll crystallizer, heat transfer, coolant velocity, heat dissipation area, roughness, heat transfer
coefficient, heat quantity.Keywords
A.S. Nuradinov, Dr. Sci. (Engin.), Senior Research Scientist, Leading
Researcher, e-mail: nla_73@ukr.net, https://orcid.org/0000-0002-7286-8648
O.V. Nogovitsyn, Dr. Sci. (Engin.), Senior Research Scientist, Head of the
Department, e-mail: alexey.nogovitsyn@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-2929-5300
I.A. Nuradinov, Postgraduate Student, e-mail: inuradinov@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0001-8916-5247
I.R. Baranov, PhD (Engin.), Research Scientist, e-mail: ivanbir@ukr.net,
https://orcid.org/0000-0001-5692-5297
K.A. Sirenko, Junior Researcher, e-mail: thermoexp.metal@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-2613-8094
Physico-technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine
(Kyiv, Ukraine)
Heat exchange processes in roll casting-rolling of metals
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-16 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:13Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/7f/21241482890e7d0501148dac1ea6437f.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-162026-07-22T12:09:42Z Heat exchange processes in roll casting-rolling of metals Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів Нурадінов, Абді Ноговіцин, Олексій Нурадінов, Ібрагім Баранов, Іван Сіренко, Катерина roll crystallizer heat transfer coolant velocity heat dissipation area roughness heat transfer coefficient heat quantity валковий кристалізатор теплообмін швидкість теплоносія площа тепловідведення шорсткість коефіцієнт тепловіддачі кількість тепла Physical modeling has been used to study the processes of heat exchange between the melt and the roll crystallizer with roll casting-rolling of metals. Based on the theoretical analysis of heat exchange processes between the bandage of the roll crystallizer and the cooling water, the possible levers of their intensification are determined: the speed of the coolant, the area and relief of the heat sink surface. Regularities of change of parameters of heat exchange between the hardening metal and the water cooling the crystallizer, depending on ways of influence on it are established. It is shown that a significant increase in the rate of heat dissipation is observed in the case of increasing the speed of water movement to a certain level (up to 2.5 m/s). And with increasing the area of heat dissipation, the degree of intensification of heat transfer processes in the mold does not depend on the speed of water movement. Increasing the intensity of heat transfer processes in the mold at the artificial roughness of the heat transfer surface is that when the flow of liquid on the ledge behind it a vortex is formed, which destroys the structure of the viscous sublayer, turbulizing it. As a result, at a constant velocity of the fluid, the viscous laminar sublayer is completely destroyed or decreases in thickness, which increases the heat transfer coefficient without increasing hydraulic losses. Therefore, it is established that the most optimal of the considered tool options in terms of accelerating heat transfer processes is the method of inducing artificial roughness on the bandages of the rolls. It is shown that along with the intensification of heat dissipation, this method, due to the turbulence of the viscous laminar sublayer of water, significantly reduces the formation of scale on the heat exchange surface. And this, in turn, increases the periods of preventive maintenance of the molds. Based on the obtained results, practical recommendations for improving the efficiency of thermal work of the roll crystallizer in roll casting-rolling of metals are proposed. Фізичним моделюванням вивчені процеси теплообміну між розплавом і валковим кристалізатором при валковій розливці-прокатці металів. На основі теоретичного аналізу теплообмінних процесів між бандажем валкового кристалізатора та охолоджувальною водою визначено можливі важелі їх інтенсифікації: швидкість руху теплоносія, площу та рельєф поверхні тепловідведення. Встановлено закономірності зміни параметрів теплообміну між металом, що твердіє, і водою, що охолоджує кристалізатор, залежно від способів впливу на нього. Показано, що помітне підвищення темпу тепловідведення спостерігається у разі зростання швидкості руху води до певного рівня (до 2,5 м/с). А при збільшенні площі тепловідведення ступінь інтенсифікації теплообмінних процесів в кристалізаторі не залежить від швидкості руху води. Підвищення інтенсивності теплообмінних процесів у кристалізаторі при штучній шорсткості поверхні теплообміну полягає в тому, що при набіганні потоку рідини на виступ за ним утворюється вихор, що руйнує структуру в'язкого підшару, турбулізуючи його. Внаслідок цього при незмінній швидкості руху рідини в'язкий ламінарний підшар повністю руйнується або зменшується за товщиною, що сприяє підвищенню коефіцієнта тепловіддачі без збільшення гідравлічних втрат. Таким чином, встановлено, що з розглянутих варіантів інструментарію найоптимальнішим з погляду прискорення теплообмінних процесів є метод наведення штучної шорсткості на бандажах валків. Показано, що поряд з інтенсифікацією тепловідведення цей спосіб, за рахунок турбулізації в'язкого ламінарного підшару води, істотно знижує утворення накипу на теплообмінній поверхні. І це, своєю чергою, збільшує періоди профілактичного обслуговування кристалізаторів. На основі отриманих результатів запропоновано практичні рекомендації щодо підвищення ефективності теплової роботи валкового кристалізатора при валковій розливці-прокатці металів. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-05-19 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/16 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 30 No. 2 (2022): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 30 № 2 (2022): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/16/16 Авторське право (c) 2023 Абді Нурадінов, Олексій Ноговіцин, Ібрагім Нурадінов, Іван Баранов, Катерина Сіренко https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | валковий кристалізатор теплообмін швидкість теплоносія площа тепловідведення шорсткість коефіцієнт тепловіддачі кількість тепла Нурадінов, Абді Ноговіцин, Олексій Нурадінов, Ібрагім Баранов, Іван Сіренко, Катерина Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| title | Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| title_alt | Heat exchange processes in roll casting-rolling of metals |
| title_full | Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| title_fullStr | Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| title_full_unstemmed | Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| title_short | Теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| title_sort | теплообмінні процеси при валковій розливці-прокатці металів |
| topic | валковий кристалізатор теплообмін швидкість теплоносія площа тепловідведення шорсткість коефіцієнт тепловіддачі кількість тепла |
| topic_facet | roll crystallizer heat transfer coolant velocity heat dissipation area roughness heat transfer coefficient heat quantity валковий кристалізатор теплообмін швидкість теплоносія площа тепловідведення шорсткість коефіцієнт тепловіддачі кількість тепла |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/16 |
| work_keys_str_mv | AT nuradínovabdí heatexchangeprocessesinrollcastingrollingofmetals AT nogovícinoleksíj heatexchangeprocessesinrollcastingrollingofmetals AT nuradínovíbragím heatexchangeprocessesinrollcastingrollingofmetals AT baranovívan heatexchangeprocessesinrollcastingrollingofmetals AT sírenkokaterina heatexchangeprocessesinrollcastingrollingofmetals AT nuradínovabdí teploobmínníprocesiprivalkovíjrozlivcíprokatcímetalív AT nogovícinoleksíj teploobmínníprocesiprivalkovíjrozlivcíprokatcímetalív AT nuradínovíbragím teploobmínníprocesiprivalkovíjrozlivcíprokatcímetalív AT baranovívan teploobmínníprocesiprivalkovíjrozlivcíprokatcímetalív AT sírenkokaterina teploobmínníprocesiprivalkovíjrozlivcíprokatcímetalív |