УДК 669.189 Технические науки/1. Металлургия

Бобылева Н.А., к.т.н. Шипельников А.А.

Липецкий государственный технический университет, Россия

К вопросу о применении САЕ-систем для моделирования процессов в промежуточном ковше слябовой МНЛЗ

Современные САЕ-системы моделирования сегодня активно используются как в производственной практике, так и при изучении различных металлургических процессов, фактически вытесняя методы физического «холодного» моделирования. Общепризнанными лидерами среди подобных систем на сегодняшний день являются «ANSYS» и «ProCast», основанные на методе конечных элементов. Эти мощные программные комплексы обеспечивают комплексное моделирование процесса непрерывного литья, включающее возможность решения гидродинамической и тепловой задачи. Высокая степень сходимости результатов полученных путем численного моделирования c результатами промышленных экспериментов подтверждается многочисленными зарубежными публикациями [1, 2]. Программы позволяют рассчитывать параметры теплового и гидро- газодинамического состояния объектов в стационарном динамическом равновесии с окружающей средой, а также начальную и конечную стадии непрерывной разливки [3, 4, 5].

В раках исследований направленных на совершенствование процесса непрерывной разливки стали проводимых на кафедре металлургических технологий ЛГТУ был выполнен ряд компьютерных экспериментов по моделированию процессов протекающих в промежуточном ковше слябовой МНЛЗ. Работа была направлена на изучение возможности дальнейшего совершенствования конструкции модификаторов потока (перегородки, турбостопы, пороги), а также влияние продувки аргоном на параметры движения потоков расплава в рабочем пространстве 50-тонного промежуточного ковша (промковша) слябовой МНЛЗ. Полностью идентичная реальному промковшу МНЛЗ 3D-модель сборки, построенная в CAD-системе «Компас 3D V14», состояла из футеровки промковша, защитной трубы диаметром 95 мм, перегородок и турбостопов различной конструкции, порогов, и объема расплава. Моделирование проводилось в лицензионных программах «ProCast 2013.5» и «ANSYS» (расчет продувки расплава аргоном). Марка стали AISI1008 была выбрана из базы данных как наиболее подходящая для описания свойств группы низкоуглеродистых конструкционных марок сталей, температура расплава на входе в защитную тубу принималась равной 1550°С, начальная скорость выбиралась из условия обеспечения скорости разливки 1,1 м/мин на двухручьевой МНЛЗ при сечении сляба 1320x250 мм. Теплоизолирующий эффект шлака был учтен путем уменьшения коэффициента теплоотдачи между жидкой сталью и воздухом. Критерием достижения стабильного состояния являлось примерное постоянство температуры и скорости в каждой точке расчетной области. Результатом расчетов явились поля скоростей потоков и температуры расплава по объему промковша, и температурные поля в футеровке ковша (рисунок 1, 2).

Рисунок 1 – Поле скоростей потоков металла в объеме промковша

Рисунок 2 – Температурное поле футеровки промковша

На рисунке 3 представлено векторное поле скоростей потоков расплава при использовании донных продувочных устройств в разливочных камерах для подачи аргона в пузырьковом режиме. В настоящее время предварительно полученные результаты позволяют более адекватно оценить изменения скорости и направления движения потоков расплава, формирования объемов с различной температурой при использовании в рабочем пространстве промковша различных модификаторов потоков, в том числе, при использовании приёма «аргоновой завесы» в разливочной камере.

Рисунок 3 – Скорости потоков в промковше (сечение) при продувке аргоном

Использование САЕ-систем для оптимизации конструкции промежуточного ковша, дает возможность просчитать множество «сценариев», не прибегая к дорогостоящим промышленным экспериментам, для дальнейшего совершенствования конфигурации промковша, с целью создания наиболее рациональной конструкции направленной на повышение качества слябов по дефектам, связанным с наличием неметаллических включений.

Литература:

1. Development of Next-Generation Impact Pads for Producing Ultraclean Steel Using Mathematical Models and Plant Trials /Tathagata Bhattacharya, Andrew J. Brown, Christopher M. Muller и др.// AISTech 2016 Proceedings. – Р. 1547-1572.

2. Modelling of the Steel/Slag Interface in a Continuous Casting Tundish/ Henrik Solhed, Lage Jonsson, Pär Jönsson //Steel research int. 79 (2008) No. 5. – Р.348-357.

3. Исследование и моделирование процесса непрерывной разливки стали с помощью современных CAE-i-CAD-систем / Шипельников А.А., Роготовский А.Н., Бобылева Н.А. и др. // Вестник Липецкого государственного технического университета. – 2016. - №1. – С. 38-45.

4. Моделирование истечения расплава из погружных стаканов с учетом различной конфигурации донной части и вертикального участка машины непрерывного литья заготовок / А.А. Шипельников, А.Н. Роготовский, Н.А. Бобылева, С.В. Скаков // Заготовительные производства в машиностроении. –2016. –№ 7. –С. 3-7.

5. Моделирование влияния конструктивных особенностей стакана промковша на характер заполнения кристаллизатора МНЛЗ/ А.А. Шипельников, А.Н. Роготовский, Н.А. Бобылева и др. // Современная металлургия нового тысячелетия: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. – 8-11 декабря 2015г. – Часть 2. – Липецк: С. 77-88.