Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 3.2

Современные методы физического моделирования процессов движения жидкого расплава в промковше

Поскольку промышленный эксперимент при исследовании металлургических систем и процессов сопряжен с рядом трудностей (большие затраты на испытания, невозможность визуализации характерных стадий процесса, сложность измерения значений физических величин), в настоящее время для экспериментальных исследований сложных, высокоскоростных технологических процессов в многофазных системах, при экстремальных значениях температуры и давления, активно используются методы физического моделирования.

Под физическим моделированием подразумевают такой исследовательский прием, при котором на модели воссоздаются и исследуются процессы, качественно одинаковые с процессами, которые протекают в реальных промышленных аппаратах и объектах. Преимущество физического моделирования перед другими способами исследования заключается в том, что оно позволяет ограничиться незначительными знаниями, например, интуитивным пониманием физической природы явлений [245]. Основной смысл моделирования заключается в том, чтобы по результатам опытов с моделями, которые можно изготовить с меньшими затратами средств и времени, определить наилучшие характеристики натурального изделия (процесса), а иногда просто установить неизвестные ранее закономерности. Физическое моделирование основывается на глубоком проникновении в процесс, в разработку экспериментальных и теоретических методов исследования для получения достоверных результатов и, в итоге, – систематических правил и рекомендаций, необходимых для решения конкретных практических задач.

Такие исследования способствуют лучшему пониманию различных процессов переноса (например, резидентного времени, всплывания включений, переноса тепла и т.д.), проходящих в промковше. Разработанные комплексные и достаточно надежные физические модели позволяют выполнить прогнозы, конструкторские решения и вычислительные операции.

Множество современных усовершенствований, применяемых в промковшах на металлургических предприятиях (перегородки оптимальной конструкции, увеличение скорости разливки и т.д.) явились результатом лабораторных экспериментов на гидравлических моделях[246, 247]. Проведенные опыты на водных моделях тоже послужили толчком к разработке новых технологий в смежных областях.

Точное знание параметров потока жидкой стали (а именно, пространственное распределение компонентов скорости, турбулентная кинетическая энергия и т.д.) в промковше является необходимым условием для анализа или оптимизации эффективности процесса. Поэтому для изучения гидродинамических процессов и связанных с ними процессов переноса внутри промковша сортовой МНЛЗ из светопроницаемого материала (оргстекла) была создана его прозрачная физическая модель, включающая все основные функциональные узлы. Выбранный масштаб модели (1:3) обеспечивает визуальное наблюдение за всеми гидродинамическими процессами, протекающими в промковше, практически в режиме реального времени. Схема модельного стенда, имитирующего промковш шестиручьевой МНЛЗ, приведена на рисунке 3.6.

В качестве рабочей жидкости, моделирующей жидкую сталь, используется вода с температурой 18-25 oС. В таблице 3.1 приведены физические свойства воды при температуре 20 oС и стали при температуре 1600 oС. Из таблицы видно, что вода при 20 oС и жидкая сталь при 1600 oС имеют практически одинаковую кинематическую вязкость, что позволяет на уменьшенных гидравлических моделях изучать различные процессы массопереноса (режим потока, характер перемешивания, движение включений, всплытие пузырьков газа и т.д.) в промковшах.

Схема модельного стенда, для  исследования процессов, происходящих в промковше

Рисунок 3.6 – Схема модельного стенда, для исследования процессов, происходящих в промковше: 1 – емкость, имитирующая сталеразливочный ковш; 2 – промковш; 3 – емкость для сбора воды, вытекающей из промковша с насосом для возвращения ее в сталеразливочный ковш; 4 – цифровая видеокамера

Таблица 3.1 – Физические свойства воды при температуре 20 oС и стали при температуре 1600 oС

Физические свойства воды при температуре

При изучении изотермических устойчивых систем на уменьшенных моделях обязательными для соблюдения являются два подобия между модельной и полномасштабной системой: геометрическое и динамическое. Геометрическое подобие означает фиксированное соотношение каждого размера у модели соответствующему размеру полномасштабной системы. Динамическое подобие связано с различными силами, действующими на струйный элемент, и требует тождественности соответствующих сил в модельной и полномасштабной системе. В гидравлической системе промковша, функционирующей в стабильном и устойчивом режиме с изотермическим течением, равновесие между различными силами, действующими на струйный элемент, можно описать уравнением Навье-Стокса [255].

NEu = f(NRe, NFr) - (3.1)

где NR и NFr – число Рейнольдса и число Фруда, соответственно.

Уравнение 3.1, являющееся основным для динамического подобия между двумя геометрически подобными системами, может точно удовлетворять модельной и полномасштабной системе промковша при условии, что геометрический масштабный коэффициент, (= Lmod/Lf,s) равен единице. Это означает, что размеры модельной и полномасштабной системы должны быть тождественны. При исследованиях на уменьшенных моделях (при < 1,0), например, с использованием воды в качестве модельной жидкости становится невозможным одновременное соблюдение равенства для критериев подобия Рейнольдса и Фруда, поскольку кинематическая вязкость воды и жидкой стали практически одинаковы. Между тем при протекании турбулентных процессов в металле, например, в промковше, перенос импульса посредством сил молекулярного трения считается вторичным по степени важности. Соответственно это означает, что число Фруда является доминирующим для потоков металла в промковшах МНЛЗ, и, следовательно, эти потоки регулируются в основном инерционными и гравитационными силами, действующими на жидкости.

Уравнение для равновесия импульса, тождественное уравнению 3.1, для условий турбулентного потока можно представить следующим образом

NEu = f(NRe,t,NFr) - (3.2)

где NRe,t – число Рейнольдса.

Данное выражение представляет соотношение инерционных и турбулентных сил трения. Экспериментальными исследованиями, выполненными в работе [249], показано, что в условиях турбулентного потока величина числа Рейнольдса NRe,t в различных промковшах вне зависимости от их конфигурации и размеров оказывается практически одинаковой. Следовательно, основные условия динамического подобия между модельным и полномасштабным промковшами, функционирующими в режиме турбулентного потока, можно обеспечить равенством чисел Фруда для этих объектов. При этом для обеспечения условий выполнения критерия Фруда необходимо обеспечивать соответствие притока (расхода) воды в модельной системе к скорости притока жидкого металла в полномасштабном промковше [250, 251].

В проведенных к настоящему времени работах на физических моделях критерий Фруда применялся для установления динамического подобия между двумя геометрически подобными, но разноразмерными (модельной и полномасштабной) системами промковша.

Разработчикам моделей требуется выбирать методологию, по которой можно количественно определять параметры жидкой среды после установления масштаба и достижения требуемых условий состояния, как при устойчивом, так и неустойчивом режимах. Применяемые способы должны обеспечивать не только потребность визуального изучения этих явлений, но также гарантировать количественную оценку результатов для получения информации по всеобъемлющим характеристикам жидкой среды в моделируемой системе.

Все применяемые способы и методики можно разделить на две большие группы.

К первой группе можно отнести способы идентификации ответного сигнала для определения остаточного времени распределения элементов заданного жидкого течения. Этот способ предполагает введение в жидкий поток, поступающий в промковш, веществ–маркеров и подсчет их концентрации или какой-либо другой величины в потоке. Наиболее распространенные приемы, характерные данному методу, следующие [250]:

  • введение раствора (КСl, NаСl) с измерением удельной проводимости;
  • введение кислоты с отслеживанием величины рН;
  • термический метод – основанный на впрыскивании жидкостей с различными температурами;
  • оптический или оптико-электрический метод;
  • радиоизотопный метод;
  • время пребывания жидкости в промковше (RTD), измеряемое впрыскиванием цветного индикатора [256].

Вторая группа включает способы визуализации потока с возможным определением матрицы скоростей. Эти способы предусматривают экспериментальное изучение гидродинамики процессов с обеспечением оптической регистрации характера потока в промковше на видеокамеру. При этом используются следующие наиболее распространенные приемы моделирования: метод ввода цветной жидкости (раствора KMnO4 и т.п.); метод введения волокон; метод всплывших отраженных элементов; метод обесцвечивания и окрашивания. Выбор метода зависит не только от конкретной зоны промковша, которую мы хотим наблюдать, но также и от информации которую мы ожидаем получить.

При проведении исследований при помощи созданной физической модели имитация покровного шлака на поверхности металла в промковше осуществляется с помощью силиконового или трансформаторного масла, которые имеют высокое поверхностное натяжение и существенно изменяют вязкость при изменении температуры. Это позволяет изучать процесс выхода пузырьков вдуваемого газа на поверхность жидкой ванны и оценивать возможность вовлечения покровного шлака в перемешивание.

Измерение времени пребывания жидкости в промковше (резидентного времени) выполняется электрохимическим методом с вводом в перемешиваемую жидкость (воду) небольшого количества концентрированного раствора поваренной соли и измерением электропроводности в нескольких точках объема модели [253].

Обобщая многочисленные исследования в области физического моделирования процессов движения потоков в промковше, можно выделить следующие общие подходы:

  • в качестве основного критерия гидродинамического подобия большинство исследователей использует критерий Фруда;
  • в качестве рабочей жидкости в физической модели используется вода, обеспечивающая визуализацию протекающих процессов;
  • при физическом моделировании предпочтение отдается уменьшенным в несколько раз в сравнении с промышленным объектом моделям, что существенно снижает трудоемкость выполняемых экспериментов;
  • важнейшим элементом, обеспечивающим корректность получаемых в ходе физического моделирования результатов, является соблюдение полного геометрического подобия объектов, в том числе и уровня налива жидкости в промковше;
  • в качестве основного количественного критерия эффективности работы промковша принимается величина так называемого «резидентного времени», то есть, времени пребывания жидкости в промковше, которое определяется с помощью специально вводимых индикаторов.
  Раздел 3.2
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ