ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

РЕДЬКО Галина Олександрівна

УДК 536.421.1

ГІДРОДИНАМІЧНІ І ТЕПЛОФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ ПІД ЧАС ФОРМУВАННЯ ЗЛИВКІВ В УМОВАХ ПУЛЬСАЦІЙНОГО ВПЛИВУ

05.14.06 – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник

БІЛОУСОВ В'ячеслав Володимирович

Донецький національний університет,

професор кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології та екології

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

НІКІТЕНКО Микола Іванович

Інститут технічної теплофізики НАН України,

провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор

САМОХВАЛОВ Сергій Євгенович

Дніпродзержинський державний технічний університет,

завідувач кафедрою прикладної математики

та комп'ютерного моделювання

Провідна установа Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут” (м. Київ)

Захист відбудеться “ 4 ” червня 2002 р. о 1400 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м.Київ-57, вул.Желябова,2а.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м.Київ-57, вул.Желябова,2а.

Автореферат розісланий “ 27 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, чл.-кор. НАНУ Фіалко Н.М.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток машинобудівного і металургійного комплексів України в умовах жорсткої конкурентної боротьби зумовлює значне підвищення вимог до експлуатаційних якостей металопродукції та викликає потребу в зниженні витрат енергетичних і сировинних ресурсів на всіх стадіях виробництва. При застосуванні традиційних технологій виготовлення сталевих зливків шляхом розливки сталі у виливниці неможливо досягти потрібного рівня структурної однорідності металу. Тому сучасна тенденція виробництва зливків визначається переходом до застосування активних зовнішніх впливів в період кристалізації розплаву з метою керування процесом формування литої структури.

Одним з перспективних засобів керування якістю сталевих зливків є перемішування рідкої фази пульсуючим струменем, що утворюється внаслідок періодичної зміни тиску газу у внутрішній порожнині вогнетривної труби, зануреної до прибуткової частини зливка. Одержані багатьма дослідниками практичні результати свідчать, що пульсаційний вплив забезпечує істотне пригнічення дефектів усадкового характеру, сприяє підвищенню фізичної і хімічної однорідності зливків. Водночас, ще й досі недостатньо вивчене питання кількісного взаємозв'язку параметрів пульсаційного впливу та найбільш характерних фізичних ефектів, його супроводжуючих, з якісними показниками литої структури, що не дозволяє визначати оптимальні режими впливу в залежності від конкретних промислових умов. Вирішення зазначеної проблеми дозволить поширити впровадження цієї ефективної технології одержання високоякісного металу і сприятиме підвищенню конкурентоздатності вітчизняних металургійних підприємств.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи одержані при виконанні держбюджетної теми 98-1вв/26 “Оптимізація гідродинамічних та тепломасообмінних процесів під час виготовлення зливків та виливків з урахуванням зовнішніх впливів” (1998-2000 роки, № держреєстрації 0195U020249) у відповідності з напрямком “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” науково-технічною програми “Пріорітетні напрямки розвитку науки і техніки України”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є визначення основних закономірностей гідродинамічних і теплофізичних процесів під час формування зливків в умовах пульсаційного впливу та розробка практичних рекомендацій щодо вибору раціональних режимів пульсаційної обробки з точки зору пригнічення дефектів литої структури.

Для досягнення поставленої мети, були визначені такі головні завдання дослідження:–

розробка математичної моделі і програмного забезпечення для дослідження процесів гідродинаміки, теплообміну та кінетики твердіння розплаву в умовах пульсаційного перемішування;–

розробка математичної моделі для дослідження теплової взаємодії глобулярних кристалів, що ростуть в переохолодженому розплаві, та для оцінки можливості використання цього явища в якості керуючого фактору при пульсаційній обробці;–

визначення за допомогою обчислювальних експериментів та фізичного моделювання головних закономірностей гідродинамічних і теплообмінних процесів, що розвиваються в умовах застосування до твердіючого розплаву пульсаційного перемішування, та дослідження їх впливу на формування структури зливків різного тонажу і конфігурації;–

кількісна оцінка впливу технологічних параметрів пульсаційної обробки (тривалості та частоти) на формування литої структури та одержання критеріальних залежностей для вибору оптимальних режимів обробки в промислових умовах.

Основними методами дослідження є математичне моделювання та обчислювальний експеримент. На етапі визначення завдань чисельних досліджень та для тестування адекватності математичних моделей застосовується фізичне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблена математична модель і програмне забезпечення дозволяють комплексно досліджувати взаємопов'язані процеси гідродинаміки та теплообміну в умовах пульсаційного впливу і прогнозувати механізм формування структури багатотонажних зливків з урахуванням більш широкого спектру фізичних ефектів (турбулентність, вплив нерівноважної двохфазної зони) та технологічних режимів в порівнянні з існуючими розробками.

2. Запропоновано засоби врахування впливу росту глобулярних кристалів на теплообмінні процеси в розплаві при математичному моделюванні твердіння зливків. Показано, що ефект відносного збільшення температури локальних об'ємів рідкої ванни, викликаний виділенням тепла під час росту глобулярних кристалів, може бути використаний як фактор керування теплообмінними процесами під час пульсаційної обробки.

3. В результаті обчислювальних досліджень визначені закономірності впливу пульсаційної обробки на поля швидкості і температури, а також на кінетику твердіння зливків різного тонажу і конфігурації.

4. Одержані універсальні залежності для визначення оптимальної тривалості і частоти обробки, що дозволяють рекомендувати режими обробки для промислових об'єктів (для зливків масою від 1.8 т до 42 т рекомендуєма тривалість обробки складає 0.3 від розрахункового часу кристалізації зливка, а оптимальна частота пульсаційних імпульсів дорівнює 0.5 частоти власних коливань в системі).

Практичне значення одержаних результатів. Використання розробленої методики вибору оптимальних параметрів пульсаційної обробки для зливків різного тонажу та конфігурації в конкретних промислових умовах буде сприяти збільшенню виходу годного, підвищенню конкурентоспроможності металургійної продукції та зниженню енергетичних і сировинних витрат.

Методика розрахунку раціональних режимів пульсаційної обробки використовувалась на заводі “Енергомашспецсталь” (м.Краматорськ). Розроблений програмний комплекс для прогнозування розвитку гідродинамічних і теплофізичних процесів в умовах пульсаційного впливу впроваджений до виробничного циклу підприємства ДП “Завод УБ і ВТ” (м.Суми), річний економічний ефект, досягнутий за рахунок збільшення виходу годного, склав 22.5 тис. грн (в цінах на 2001 р.). Розроблене програмне забезпечення впроваджується до навчального процесу Донецького національного університету і Донецького національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Розробка математичної моделі твердіння розплаву в умовах вимушеної конвекції, зумовленої пульсуючим зануреним струменем (на базі моделі твердіння розплаву в умовах природної конвекції), розробка математичної моделі для дослідження теплової взаємодії ростучих глобулярних кристалів та їх впливу на теплові процеси в рідкій ванні зливка, проведення обчислювальних експериментів та обробка їх результатів, обробка результатів фізичного моделювання, формулювання висновків та рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Головні положення та результати роботи обговорювались на I Міжнародній конференції “Численные методы в гидравлике и гидродинамике” (Донецьк, 1994), VI Міжнародній науково-технічній конференції “Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технологии” (Іжевськ, 1994), 2-х ВУЗівських конференціях професорсько-викладацького складу ДонДУ за підсумками науково-дослідницької і методичної роботи (Донецьк, 1995, 1997), V міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века”(Севастополь, 1998), 3-х Міждержавних науково-методичних конференціях “Комп'ютерне моделювання” (Дніпродзержинськ, 1999, 2000, 2001), на наукових семінарах кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології та екології ДонНУ.

Публікації. Основні положення та результати роботи викладені в 17 публікаціях, серед них 4 статті в наукових журналах і 3 статті в збірниках наукових праць, визнаних ВАК України, 10 докладів і тезисів наукових конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел, одного додатку (на 2 сторінках). Повний обсяг роботи становить 164 сторінки; містить 43 ілюстрації ( 30 на окремих сторінках), 7 таблиць ( 4 на окремих сторінках). Перелік використаних джерел містить 96 бібліографічних найменувань і розміщується на 9 сторінках.

основний зміст роботи

В першому розділі розглядаються технологічні принципи пульсаційної обробки, конструктивне оформлення агрегатів пульсаційного впливу (рис.1), переваги пульсаційного перемішування в порівнянні з іншими засобами, що застосовуються в металургійній промисловості для керування гідродинамічними і теплообмінними процесами в період кристалізації з метою пригнічення лікваційних і усадкових дефектів. На основі аналізу даних промислових досліджень показано, що за сукупністю функціональних і техніко-економічних показників метод пульсаційного перемішування є одним з найперспективніших і може бути обраний в якості базового об'єкту для подальшої розробки науково-обгрунтованих засобів впливу на формування макроструктури литого металу. Водночас зазначено, що досягнення позитивних результатів можливе лише в разі раціонального вибору технологічних режимів обробки, що, в свою чергу, потребує всебічного вивчення механізму взаємозумовлених гідродинамічних і теплофізичних процесів в умовах перемішування розплаву пульсуючим струменем.

Рис. 1. Принципова схема перемішування розплаву пульсуючим зануреним струменем.

Виконано аналітичний огляд існуючих результатів теоретичних та експериментальних досліджень пульсаційного впливу. Зазначено, что завдяки дослідженням В.А.Єфімова, В.Л.Пілюшенка, О.М.Смірнова, А.І.Накорчевського, С.Є.Самохвалова, Ю.І. Шиша, Л.Нєдєльковича (Югославія), К.Такеші (Японія) та інших, виявлені керівні фактори пульсаційної обробки (зміни характеру конвективних течій, активізація процесів об'ємної кристалізації в окремих областях зливка, хвильові явища); розроблені теоретичні схеми і моделі окремих явищ загального процесу. Але важливим завданням є побудова комплексної теоретичної картини пульсаційного перемішування та визначення критеріальних залежностей з метою розробки надійних науково-обгрунтованих практичних рекомендацій.

Другий розділ присвячений опису методики та результатів фізичного моделювання, яке залучалося для побудови загальної теоретичної схеми процесів гідродинаміки та теплопереносу в умовах пульсаційного перемішування, а також для перевірки адекватності розробленого математичного забезпечення. Докладно обговорюється питання вибору системи визначальних критеріїв подібності та робочої речовини фізичних моделей. Показано, що оскільки процес кристалізації в умовах пульсаційного перемішування є фізично складним і залежить від великої кількості змінних параметрів, неможливо забезпечити одночасне виконання умов подібністі для усіх моделюємих явищ. Тому для всебічного дослідження доцільно розподілити фізичне моделювання на окремі етапи, в ході яких можуть бути якісно і кількісно вивчені групи процесів різної фізичної природи. Запропонована схема моделювання складається з наступних етапів:

1) моделювання гідродинамічних процесів природної та вимушеної конвекції, а також струменевих течій в об'ємі рідкої ванни та хвильових явищ на поверхні розплаву;

2) моделювання теплофізичних процесів охолодження рідкої ванни зливка та динаміки руху границі твердої фази;

3) моделювання процесів генерації та росту кристалічних часток в розплаві;

4) моделювання дифузійних, лікваційних та усадкових процесів, що супроводжують процес кристалізації.

На кожному з етапів застосовується відповідний комплекс визначальних критеріїв подібності і робоча речовина. Так, для дослідження гідродинамічних явищ робочою речовиною є вода, а комплекс визначальних критеріїв складають числа Фруда і Строухаля:

, . (1)

Моделювання теплофізичних процесів здійснювалось на розплаві гіпосульфіту, а при розрахунку робочих параметрів моделі забезпечувалися умови подібності для чисел Фурьє, Био та критерію фазового переходу :

, . (2)

Дослідження проводилися для різних режимів обробки, а також для контрольних зливків, що формуються в умовах природної конвекції. В результаті фізичного моделювання вивчені схеми гідродинамічних течій в розплаві, інтенсивності тепловідводу, зміни температури в фіксованих точках розплаву на різних этапах кристалізації, динаміки руху фронту кристалізації в вертикальному і горизонтальному напрямках. Визначено, що для зливків, до яких застосовується пульсаційна обробка, характерні збільшення інтенсивності тепловідводу (на 10-15% для деяких режимів), висока температурна однорідність розплаву в верхній та прибутковій частинах зливка, уповільнення руху горизонтального фронту кристалізації в період активної обробки і прискорення на останніх етапах твердіння, прискорення руху фронту кристалізації в вертикальному напрямку, активізація зародження твердої фази в вигляді глобулярних кристалів.

В третьому розділі сформульована математична модель для дослідження гідродинамічних і теплофізичних процесів в кристалізуючомуся розплаві при застосуванні пульсаційної обробки, розроблена схема її чисельної реалізації і доведена адекватність запропонованого математичного забезпечення.

Задача вирішувалася в двовимірній постановці для розрахункової області, що відповідає половині центрального поздовжнього перетину зливка. Період формування зливка був розділений на декілька етапів: початковий (для якого головним механізмом гідродинамічних процесів є природна конвекція), період активної обробки (інтенсивна вимушена конвекція внаслідок впливу пульсуючого струменю), період після завершення пульсаційної обробки (знову природна конвекція), та завершальний період, коли частка твердої фази в розплаві дуже значна і гідродинамічні процеси можна не враховувати.

До основи моделі покладені рівняння руху нестислої в'язкої рідини в наближенні усереднених вкладених макроконтінуумів, а також рівняння теплопереносу та кінетики кристалізації в наближенні нерівноважної двохфазної зони, згідно методики запропонованої М.І.Нікітенко:

, (3)

, (4)

(5)

, (6)

де – швидкість, t – час, P – тиск, rж – густина рідкої фази, x – частка твердої фази, nэф – ефективний коефіцієнт в'язкості, що визначається з урахуванням вкладу турбулентного руху, bT – тепловий коефіцієнт об'ємного розширення, DT – різниця між локальним значенням температури і температурою солідусу розплаву, – прискорення вільного падіння, сж і ст – теплоємності рідкої та твердої фаз, rт –густина твердої фази, T – температура, lж і lт – коефіцієнти теплопровідності рідкої та твердої фаз, L – питома теплота кристалізації, Tl і Ts – температури ліквідусу та солідусу сталі.

Для врахування турбулентних характеристик розглядаємих процесів переносу імпульсу та тепла обрана однопараметрична прандтлевська модель. При цьому ефективний коефіцієнт в'язкості розглядається як сума молекулярної та турбулентної складових:

, (7)

де турбулентна в'язкість nт розраховується з використанням гіпотези шляху змішування:

. (8)

Система рівнянь замикається крайовими умовами. В початковий момент задаються фіксовані значення температури розплаву і стінок виливниці, значення швидкості і частки твердої фази вважаються нульовими в усіх точках рідкої ванни.

Для швидкості руху розплаву задаються граничні умови непроникнення та прилипання на твердих поверхнях, симетрії – на осі зливка. В вихідному зрізі пульсаційної труби використовувалась емпірична умова періодичної зміни швидкості Vп:

, (9)

де s = 1 + Sтр/Sжв , Sтр і Sжв – площі поверхні металу в трубі та в рідкій ванні зливка, hтр – глибина занурення труби, bд – параметр затухання, p – тиск в порожнині пульсаційної труби, що залежить від частоти надання імпульсів, а також від надлишкового тиску в трубопроводі. Швидкість на вільній поверхні розплаву визначається з умови рівності розходу. При цьому поверхня металу вважається горизонтальною площиною (не враховуються сплески металу у внутрішній порожнині труби і гравітаційні хвилі на дзеркалі металу за межами труби).

Граничні умови для температури відображують відсутність потоку тепла на осі зливка, сполучення на границях розплав-тверда фаза та метал-виливниця (в припущенні ідеального теплового контакту) та зовнішній теплообмін за законом Ньютона-Ріхмана на границях контакту виливниці з довкіллям.

Для чисельного вирішення поставленої задачі застосовано двохпольовий метод. При цьому в математичному формулюванні моделі здійснюється перехід до перемінних вихор (w) та функція току (y). Кінцево-різницева апроксимація рівнянь та граничних умов проведена за допомогою інтегро-інтерполяційної процедури та методу перемінних напрямків. Для апроксимації конвективних членів застосовано метод збуреного оператору з різницями проти потоку. Одержані лінійні рівняння вирішувались методом трьохдіагональної матриці.

Чисельна реалізація моделі здійснена на нерівномірній сітці розміром 33ґ40 зі згущенням вузлів в областях максимальних градієнтів швидкості та температури. Як підтвердили попередні тестові розрахунки, саме така сітка є оптимальним варіантом для розглядаємої системи з точки зору забезпечення збіжності різницевої схеми. Для забезпечення сталості схеми на часовий шаг накладається обмеження, що задається умовою Куранта-Фрідріхса-Леві.

На базі чисельної апроксимації моделі розроблений обчислювальний алгоритм та створене програмне забезпечення для розрахунку полів швидкості, температури, частки твердої фази при формуванні зливків різної конфігурації та хімсоставу в умовах пульсаційного впливу. Програмний комплекс містить модулі для керування розрахунками і графічної інтерпретації одержуваної інформації, може функціонувати на різних типах ЕОМ і економічно використовує комп'ютерні ресурси, що робить його зручним для використання в інженерній практиці.

Для оцінки коректності обраної схеми чисельної реалізації математичної моделі вона була застосована для вирішення деяких відомих класичних задач (теплова гравітаційна конвекція в замкнутій квадратній області, що підігрівається збоку; конвекція в вертикальній області з фіксованим перепадом температур між стінками та теплоізольованими основами). Одержані результати погоджуються з даними експериментальних досліджень інших авторів, що свідчить про прийнятність обраної методики моделювання.

Для перевірки адекватності розробленого математичного забезпечення виконане порівняння результатів чисельних досліджень з даними фізичного моделювання. Показано, що математична модель забезпечує адекватне відтворення більшості спостерігаємих фізичних явищ, а розходження розрахункових і експериментальних даних не перевищує 15-20% як для випадку природної конвекції, так і для умов пульсаційного перемішування (рис.2).

а) б)

Рис.2. Динаміка зміни температури в фіксованій точці (а) і кінетика руху фронту кристалізації (б) в прибутковій частині зливка в умовах природної конвекції ( – експеримент, – розрахункові дані) і пульсаційного перемішування ( – експеримент, – розрахункові дані).

В четвертому розділі розглянуте питання впливу процесів росту глобулярних дендритів на розподіл температур в розплаві, і можливості використання цього явища в якості керівного фактору при застосуванні пульсаційної обробки. Факт різкого збільшення кількості глобулярних кристалів для деяких режимів вимушеного перемішування зафіксований багатьма дослідниками і підтверджується даними, одержаними в результаті фізичного моделювання. Також відомо, що тепло, яке вивільняється під час росту глобулярних дендритів, може істотно змінити температурне поле в розплаві, а отже, і структуру кристалізуючогося металу. В розділі проаналізовані пропонуємі різними авторами моделі та розроблене математичне забезпечення для дослідження динаміки росту кристалів твердої фази в переохолодженому розплаві та порівняльної оцінки зміни температурних полів в зоні рідкої ванни в залежності від кількості та розміру кристалів. Для цього досліджується температурне поле, що створюється під час росту двох глобулярних кристалів однакового розміру (рис.3).

Математична модель включає стаціонарне рівняння теплопровідності в полярних координатах (r,a), в припущенні відсутності конвекції та джерел тепла:

, (10)

а також граничні умови:

T = Tкp для r = Rкр, (11)

T = TҐ для r ® Ґ, (12)

де Tкp і TҐ – температури на поверхнях кристалів та за межами їх теплового пограншару, Rкр – розмір кристалів. Розрахунок Tкp і Rкр здійснюється на підставі аналізу умов теплового та дифузійного балансу на поверхні ростучого дендриту:

, (13)

, (14)

, (15)

де Vкр – швидкість росту, cҐ –концентрація домішок в розплаві, xкр – частка твердої фази, L – питома теплота кристалізації, TL – температура ліквідусу, G – коефіцієнт Гіббса-Томсона, D – коефіцієнт дифузії, m – тангенс кута наклону лінії ліквідусу на діаграмі стану сплаву, k – коефіцієнт розподілу домішок.

Рис. 3. Температурне поле між двома глобулярними дендритами в розплаві.

В результаті чисельних досліджень характеру розподілу температури між ростучими глобулярними дендритами з'ясовано, що ефект підігріву переохолодженого розплаву внаслідок перекриття теплових пограншарів кристалів може спостерігатися при їх розташуванні на відстані 10-20 радіусів один від одного (таблиця 1). Це відповідає концентрації твердої фази в розплаві на рівні 0.1-1%. Оскільки одержана розрахункова концентрація твердої фази в розплаві не може істотно впливати на його головні динамічні характеристики, зокрема в'язкість, ефект відносного підігріву локальних об'ємів рідкої фази може бути використаний в якості керівного фактору для пригнічення дефектів усадкового характеру при пульсаційній обробці. Розглянутий ефект найбільш активно розвивається в разі наявності в розплаві часток малого радіусу (0.1 - 0.3мм), ріст яких відбувається значно швидше при незначній масовій концентрації. Тому при застосуванні пульсаційної обробки доцільно обирати технологічні режими, що забезпечують подрібнення глобулярних кристалів і активізацію виникнення центрів об'ємної кристалізації.

Таблиця 1

Оцінка концентрації твердої фази в розплаві, необхідної для досягнення ефекту локального підігріву переохолодженого розплаву

Радіус криста-лів Rкр, мм Максимальна відстань між кристалами L0, мм Відносна відстань між кристалами, L0/Rкр Кількість кристалів в одиниці об'єму, шт/см3 Концентрація твердої фази в розплаві, %

0.1 2.2 22 216 0.091

0.2 4 20 27 0.091

0.3 5 16.7 27 0.31

0.5 6.2 12 27 1.41

0.8 7.4 9.2 8 1.72

1.0 8 8 8 3.35

Запропоновано методику врахування впливу процесів росту глобулярних кристалів на формування зливка в умовах пульсаційної обробки, що полягає в корегуванні температурного поля в областях, де попередньо передбачається наявність великої кількості глобулярних кристалів (їх концентрація вважається фіксованою). Шляхом порівняння розрахункових даних з результатами експериментальних досліджень на фізичній моделі показано, що врахування процесів росту глобулярних кристалів сприяє підвищенню точності результатів математичного моделювання на 8-12% для поля температур та кінетики кристалізації.

В п'ятому розділі проаналізовані результати чисельних досліджень процесу пульсаційної обробки і різних її режимів, і сформульовані рекомендації для практичного використання. В якості об'єктів чисельних досліджень розглядалися зливки масою 1.8 т, 8 т, 11 т, 20 т та 42 т, марки сталі 20ХН. Одержані результати порівнювалися з даними розрахунків для контрольних зливків з ідентичними геометричними і теплофізичними параметрами, що формуються в умовах природної конвекції.

Визначено, що внаслідок застосування пульсаційного впливу відбувається кардинальна зміна характеру гідродинамічних процесів в рідкій ванні в порівнянні з випадком природної конвекції: в області проникнення пульсуючого струменю формується зона вихоревих течій, а на періферії рідкої ванни розвиваються спрямовані догори конвективні течії (рис.4,а). Швидкості розплаву в центральній області змінюються від 1-1.2 м/с на виході з пульсаційної труби до 0.3-0.5 м/с в нижній частині рідкої ванни, що засвідчує про наявність інтенсивного перемішування в цій області. Швидкості спрямованих догори течій в періферійній області досягають 0.2-0.3 м/с, що майже вдвічі перевищує швидкість спрямованих вниз течій під час формування зливків тієї ж конфігурації в умовах природної конвекції. Такий характер руху створює більш рівномірний розподіл температури і концентрації в середніх горизонтах зливка та забезпечує винесення шкідливих домішок до прибуткової частини. Таким чином, створюються умови формування більш однорідної структури металу.

а) б) в)

Рис. 4. Поля функції току (а), температури (б) і кінетика кристалізації (в) для 11-тонного зливка в умовах природної конвекції (ліворуч) та пульсаційного впливу (праворуч).

Внаслідок зміни гідродинамічного становища в рідкій ванні буде спостерігатися переміщення теплового ядра в прибутковій частині зливка до більш високих горизонтів, до області нижнього зрізу пульсаційної труби (рис.4,б). При цьому розрахункова температура в зоні теплового ядра для випадку пульсаційної обробки майже на 10-300С вище, ніж в звичайних умовах. Абсолютне значення цієї різниці температур істотно залежить від температури розливки металу до форми.

Розглянутий ефект призводить до суттєвого уповільнення руху фронту кристалізації в прибутковій частині. Згідно з даними обчислювального експерименту, на кінцевому етапі кристалізації (Fo>0.75Foзатв) різниця швидкостей руху міжфазової границі у контрольному зливку і зливку з пульсаційною обробкою складає близько 50%. В разі застосування пульсаційного впливу рідка ванна буде мати чашовидну форму, а на заключних етапах формування зливка її нижня границя переміщується до верхньої частини прибутку, на відміну від випадку природної конвекції, коли ділянка рідкого розплаву локалізується на нижчих горизонтах прибуткової частини (рис.4, в). Внаслідок цього зменшується глибина усадкової раковини. Наприклад, для 11-тонного зливка розрахункова глибина усадкової раковини при відсутності обробки становить 0.55 м (більше 75% висоти прибуткової частини), а в разі застосування пульсаційного впливу дорівнює 0.4 м, тобто зменшується приблизно на 27%. Для інших зливків зменшення глибини усадкової раковини внаслідок пульсаційного перемішування складає від 25% до 30%.

а)

б)

Рис. 5. Показники якості литої структури в залежності від тривалості (а) і частоти (б) пульсаційного впливу: – глибина усадкової раковини, – критерій пористості J1, – критерій ліквації J2.

Одержані розрахункові результати досить добре погоджуються з даними промислових експериментів, виконаних іншими авторами для багатотонажних блюмових зливків.

За допомогою розробленого програмного забезпечення також були виконані чисельні дослідження процесу формування зливків для різних режимів пульсаційного впливу. При цьому змінювались значення тривалості обробки та частоти надання імпульсів тиску, а для оцінки якості литої структури використовувались глибина усадкової раковини, критерії пористості та ліквації. Результати обчислювальних досліджень наведені на рис. 5, де використані відносні значення технологічних параметрів: тривалість обробки віднесена до розрахункового часу кристалізації зливка, а частота подання пульсаційних імпульсів – до частоти власних коливань в системі труба - рідка ванна зливка. Як видно з наведених даних, збільшення тривалості обробки до досягнення фіксованого значення Foобр”0.3Foзатв супроводжується покращенням показників якості литої структури, а в разі перевищення цього значення починається зниження якості (рис.5,а). Це явище, імовірно, може бути пояснено тим, що зі зменшенням об'єму рідкої ванни та збільшенням в'язкості розплаву область проникнення пульсуючого струменю локалізується в районі нижнього зрізу пульсаційної труби, в той час як в періферійній частині розплаву розвиваються течії природної конвекції і пов'язані з ними негативні лікваційні явища.

Також показано, що з підвищенням частоти подання пульсаційних імпульсів спостерігається покращення якісних показників литої структури, зумовлене інтенсифікацією вимушеної конвекції розплаву та пов'язаних з нею теплофізичних процесів (рис.5,б). При цьому для практичного використання найсприятливішим є режим з напіврезонансною частотою Woбр.опт=0.5W0, тому що витрати енергії на подання імпульсів в цьому випадку менші, а однорідність структури не набагато нижче ніж при застосуванні більш високочастотної обробки.

Одержані рекомендації і розроблене математичне забезпечення можуть бути запропоновані для прогнозування раціональних режимів пульсаційного впливу. При цьому повинні враховуватися конкретні умови виробництва і вимоги до виготовляємої металопродукції.

висновки

1. Сформульована математична модель і на базі її кінцево-різницевої апроксимації розроблені обчислювальний алгоритм та програмне забезпечення для чисельних досліджень полів швидкості, температури і кінетики кристалізації розплаву при різних режимах пульсаційного впливу. Шляхом порівняння результатів математичного моделювання з даними експериментальних досліджень на фізичних моделях доведено, що розроблене математичне забезпечення адекватно відтворює процеси гідродинаміки, теплопереносу і кристалізації як в умовах природної конвекції, так і в разі вимушеної конвекції, зумовленої пульсуючим зануреним струменем (розходження розрахункових і експериментальних значень не перевищує 20%).

2. В результаті чисельного моделювання визначено, що ефект підігріву переохоложденого розплаву внаслідок перекриття теплових пограншарів кристалів може спостерігатися, коли частка твердої фази в розплаві досягає рівня 0.1-1 %, і найбільш інтенсивно розвивається для кристалів малого розміру (0.1-0.3 мм). Показано, що це явище може бути використане в якості керівного фактору для пригнічення усадкових дефектів і запропоновано методику його урахування при математичному моделюванні кристалізації в умовах пульсаційної обробки.

3. В результаті обчислювальних експериментів визначено, що внаслідок застосування пульсаційного впливу відбувається кардинальна зміна характеру гідродинамічних процесів в рідкій ванні, яка полягає в формуванні зони інтенсивних вихоревих течій в центральній частині зливка (де максимальні швидкості досягають 0.5-1.2 м/с), та розвиткові спрямованих догори конвективних течій на періферії рідкої ванни (швидкість яких складає близько 0.2-0.3 м/с і майже вдвічі перевищує швидкість спрямованих вниз течій, зумовлених природною конвекцією). Такий характер руху перешкоджає розвиткові течій природної конвекції, пригнічує пов'язані з нею негативні лікваційні процеси, і забезпечує формування більш однорідної литої структури.

4. Показано, що в умовах пульсаційного перемішування спостерігаєтья підвищення температури в зоні теплового ядра в порівнянні з випадком природної конвекції, яке досягає 20-30°C на пізніх етапах кристалізації (Fo=0.5Foзатв і вище), а саме теплове ядро перміщується до більш високих горизонтів. Внаслідок цього, на заключних етапах формування зливка рух фронту кристалізації в прибутковій частині істотно уповільнюється (приблизно на 50% ), рідка ванна буде мати чашовидну форму, а її нижня границя переміщується до верхньої частини прибутку (тоді як в контрольному зливку ділянка рідкого розплаву локалізується на нижчих горизонтах прибуткової частини). Зазначені явища призводять до зменшення розрахункової глибини усадкової раковини на 25-30% в порівнянні з випадком формування зливка в умовах природної конвекції.

5. В результаті багатоваріантних чисельних досліджень визначено, що оптимальне значення тривалості обробки складає 0.3 від розрахункового часу кристалізації зливка (Fooбр.опт=0.3Foзатв), а оптимальна частота пульсаційних імпульсів дорівнює половині частоти власних коливань в системі (Woбр.опт=0.5W0). Підтверждено, що наведені залежності діють для зливків тонажу від 1.8 т до 42 т.

6. Розроблене математичне забезпечення використовувалось для розрахунку оптимальних технологічних режимів пульсаційної обробки на заводі “Енергомашспецсталь”(м.Краматорськ); впроваджено до виробничного циклу підприємства ДП “Завод УБ і ВТ” (м.Суми), що дозволило досягти збільшення виходу годного і одержати річний економічний ефект 22.5 тис. грн. Розроблені рекомендації і програмні засоби можуть також бути запропоновані для використання на інших підприємствах металургійної і машинобудівної галузей.

список публікацій за темою дисертації

1. Смирнов А.Н., Редько Г.А. Механизм подавления усадочных дефектов при формировании слитков в условиях пульсационного воздействия// Наукові праці ДонДТУ. Металургія. – Донецьк: ДонДТУ. – 2001. – Вип. 31. – С.146-150.

2. Смирнов А.Н., Редько Г.А., Орлов И.А. Особенности применения физического моделирования при исследовании процессов затвердевания слитков и отливок при их виброимпульсной обработке// Процессы литья. – 1999. – № 3. – С. 35-45.

3. Смирнов А.Н., Пилюшенко В.Л., Редько Г.А. Оценка эффекта роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве на процессы формирования слитков// Процессы литья. – 1999. – №2. – С. 14-20.

4. Смирнов А.Н., Редько Г.А. Особенности тепло- и массообмена при виброимпульсном воздействии на затвердевающие слитки и отливки// Металлургия. Сборник научных трудов ДонГТУ. – Донецк: ДонГТУ. – 1999. – Вып. 8. – С.100-106.

5. Влияние роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве на процессы формирования слитков и отливок / А.Н.Смирнов, Г.А.Редько, Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов // Изв.ВУЗов. Черная металлургия. – 1999. – № 8. – С. 50-53.

6. Редько Г.О. Дослідження процесів гідродинаміки та тепломасопереносу у зливку в умовах пульсаційного впливу//Вісник аспірантів і студентів Донецького університету. Серія А.Природничі науки. – 1998. – № 1. – С.75-82.

7. Редько Г.А., Болденкова Е.В., Недопекин Ф.В., Колесник В.И. Моделирование роста равноосных дендритов в переохлажденном бинарном расплаве//Міждержавна наук.-методич. конф. “Комп'ютерне моделювання”. – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2001. – С. 133-136.

8. Недопекин Ф.В., Смирнов А.Н., Белоусов В.В., Редько Г.А. Численный анализ влияния технологических режимов пульсационного воздействия на качество литой структуры/ Ф.В.Недопекин, А.Н.Смирнов, В.В.Белоусов, Г.А.Редько // Всеукраїнська конференція пам'яті В.Явойського. – Київ. – 2000. – С.313-317.

9. Редько Г.А. Численные исследования влияния режимов пульсационного воздействия на качество литой структуры// Труди міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2000. – С.250-251.

10. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Белоусов В.В. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплопереноса при пульсационной обработке жидкой фазы слитков// Труди міждержавної науково-методичної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: ДДТУ. – 1999. – С. 78-79.

11. Редько Г.А., Смирнов А.Н. Математическая модель формирования слитков и отливок при наложении управляющего перемешивания жидкой ванны// Труды V международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века". – Том 3. – Донецк: ДонГТУ. – 1998. – С. 96-100.

12. Численные исследования кристаллизации слитка в условиях пульсационного воздействия/ Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов Г.А.Редько, А.Н.Смирнов// Труди міжнародної конференції "Комп'ютерне моделювання". – Дніпродзержинськ: ДГТУ. – 1997. – С.39.

13. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Петренко С.Н. Исследование теплового взаимодействия равноосных кристаллов в переохлажденном расплаве// Труди вузiвскої конференцiї професорсько-викладацького складу за пiдсумками НДР: математика, фiзика, екологiя. – Донецьк: ДонДУ. – 1997. – С. 130-132.

14. Численное моделирование процессов гидродинамики и теплопереноса при пульсационной обработке жидкой фазы слитков/ Ф.В.Недопекин, В.В.Белоусов Г.А.Редько, А.Н.Смирнов // Тезисы докладов ВУЗовской конференции проф.-препод. состава по итогам науч.-исслед. и методической работы: физика, математика. – Донецк: ДонГУ. – 1995. – С.32-33.

15. Недопекин Ф.В., Белоусов В.В., Редько Г.А. Сравнение методов расщепления по физическим переменным и двухполевого для моделирования гидродинамики разливки// Теорет. и прикл. механика. Сб. научных трудов. – Харьков. – 1995. – Вып.25. – С.130-132.

16. Компьютерная модель пульсационной обработки слитков /Ф.В.Недопекин, Г.А.Редько, А.Н.Смирнов, В.В.Белоусов // Труды VI Международной науч.-техн. конференции "Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технологии". – Ижевск: УдГУ. – 1994. – С.74-76.

17. Недопекин Ф.В., Редько Г.А., Белоусов В.В. Компьютерное моделирование пульсационной обработки слитков// Труды I Международной конференции "Численные методы в гидравлике и гидродинамике". – 1994. –Донецк: ДонГУ. – С.71.

анотація

Редько Г.О. "Гідродинамічні і теплофізичні процеси під час формування зливків в умовах пульсаційного впливу". – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2002.

В роботі вирішується актуальна проблема побудови узагальненої схеми розвитку взаємозумовлених гідродинамічних і теплофізичних процесів під час формування сталевих зливків в умовах пульсаційного впливу і розробки теоретичних положень та рекомендацій щодо вибору раціональних режимів пульсаційної обробки з метою пригнічення лікваційних та усадкових дефектів литої структури і підвищення виходу годного.

В результаті математичного моделювання та обчислювальних експериментів визначені характерні зміни структури гідродинамічних течій, температурних полів та кінетики кристалізації, що зумовлюються пульсаційним впливом і призводять до пригнічення лікваційних дефектів та зменшення глибини усадкової раковини: формування зони інтенсивних вихоревих течій в центральній частині зливка та зони спрямованих догори конвективних течій в періферійній частині рідкої ванни, зміщення теплового центру до більш високих горизонтів, зміна поля температур в прибутковій частині внаслідок локальної активізації процесів росту глобулярних кристалів, уповільнення руху фронту кристалізації в прибутковій частині зливка. Шляхом порівняння з даними фізичного моделювання підтверджена адекватність розробленого математичного забезпечення. Одержані універсальні залежності для визначення оптимальної тривалості і частоти пульсаційної обробки багатотонажних зливків.

Впровадження розроблених рекомендацій до промислових умов сприятиме перетворенню пульсаційної обробки в конкурентоздатну технологію високого рівня.

Ключові слова: пульсаційне перемішування, гідродинаміка, теплоперенос, кристалізація, глобулярні дендрити, чисельне моделювання.

Аннотация

Редько Г.А. "Гидродинамические и теплофизические процессы при формировании слитков в условиях пульсационного воздействия". – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 2002.

В работе решается актуальная проблема построения обобщенной картины взаимообусловленных процессов гидродинамики, теплопереноса и затвердевания при формировании слитков в условиях пульсационного воздействия и разработки теоретических положений и рекомендаций по выбору рациональных режимов воздействия с целью подавления ликвационных и усадочных дефектов литой структуры и повышения выхода годного.

В качестве основного метода исследований выбрано математическое моделирование, которое, несмотря на используемые допущения, является достаточно эффективным методом изучения сложных физических процессов. Сформулирована математическая модель, описывающая гидродинамические и теплофизические процессы при затвердевании стального слитка в условиях пульсационного воздействия, и на базе ее конечно-разностной аппроксимации разработано программное обеспечение, позволяющее производить численные исследования полей скорости, температуры и кинетики затвердевания расплава при разных режимах пульсационного воздействия. Путем сравнения с данными физического моделирования подтверждена адекватность разработанного математического обеспечения.

В результате численных исследований установлено, что при наложении пульсационного воздействия происходят кардинальные изменения структуры конвективных потоков расплава в жидкой ванне, к числу которых следует отнести формирование зоны интенсивных вихревых течений в области прямого распространения пульсирующей струи и формирование направленных потоков, восходящих вдоль фронта затвердевания по периферии жидкой ванны. Такой характер движения обеспечивает подавление потоков естественной конвекции и связанных с ней негативных ликвационных процессов.

В условиях пульсационного воздействия отмечено значительное повышение температуры в зоне теплового ядра (порядка 20-30 0С), что в совокупности с его смещением в более высокие горизонты (к нижнему краю погружаемой трубы), приводит к существенному замедлению продвижения фронта затвердевания в прибыльной части слитка. Указанные явления приводят к уменьшению расчетной глубины усадочной раковины на 25-30% по сравнению со случаем формирования слитка в условиях естественной конвекции.

Показано, что эффект относительного подогрева локальных объемов жидкой фазы за счет роста большого количества свободных кристаллов может быть использован в качестве управляющего фактора при пульсационной обработке, и предложена методика учета тепловых процессов, обусловленных ростом глобулярных дендритов в переохлажденном расплаве.

Сравнение результатов численных исследований для разных режимов обработки показало, что существуют оптимальные пределы изменения технологических параметров, при нарушении которых обработка становится неэффективной. Для рассмотренных вариантов оптимальное значение длительности обработки составляет 0.3 от расчетного времени кристаллизации слитка (Fooбр.опт=0.3Foзатв), а оптимальная частота подачи пульсационных импульсов равна половине частоты собственных колебаний в системе (Woбр.опт=0.5W0).

Использование разработанных рекомендаций в промышленных условиях открывает широкие возможности для превращения пульсационной обработки в конкурентоспособную технологию высокого уровня.

Ключевые слова: пульсационное перемешивание, гидродинамика, теплоперенос, кристаллизация, глобулярные дендриты, численное моделирование.

summary

Redko G.A. "Hydrodynamical and thermophysical processes during ingots formation under pulsation mixing conditions ". – The manuscript.

Thesis on competion of a scientific degree of the candidate of techinical science by speciality 05.14.06 – engineering thermal physics and industrial heat-and-power engineering. – The Institute of Engineering Thermal Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

In thesis the topical problem of generalized scheme design for correlated hydrodynamical and thermophysical processes development during steel ingots formation under pulsation mixing conditions is solved