2.3. Пример выполнения этапа разработки «От объекта до формулировки задач исследования»

Приведем пример выполнения первого этапа моделирования для проблемной ситуации № 7 п. 2.2:

1. Объект исследования:

Процесс охлаждения сляба в проточной ванне. Известны условия охлаждения поверхности сляба, начальная температура сляба, его размеры, марка стали, конечная температура поверхности.

2. Проблемная ситуация:

Технологам неизвестна продолжительность охлаждения слябов различной толщины до заданной температуры.

3. Цель исследования:

Исследовать процесс охлаждения слябов различной толщины их в проточной ванне до заданной температуры поверхности.

4. Гипотеза:

Продолжительность охлаждения определяется при известном теплообмене на поверхности сляба процессом теплопроводности в слябе и его толщиной.

5. Предмет исследования:

Процесс теплопроводности в слябе.

6. Методика исследования:

Так как математическое описание процесса теплопроводности в стальных заготовках известно, то количество экспериментов по измерению температуры в слябе при охлаждении водой можно существенно сократить, выбирая в качестве метода – метод математического моделирования.

7. Задачи исследования:

   • провести экспериментальное исследование изменения температуры в осевой части и на поверхности сляба,

   • разработать математическую модель тепловых процессов в слябе,

   • провести тестирование численной модели и проверку адекватности, с использованием результатов экспериментов,

   • исследовать влияния толщины слябов продолжительности охлаждения их до заданной температуры поверхности сляба.

3.Физическое описание объекта

1. Источники информации и пример физического описания

Физическое описание включает не только информацию об объекте, его технической характеристике, конструкции, технологии и о физических процессах, происходящих на объекте, но и любую возможную информацию, связанную с этими процессами. Источниками информации являются:

– визуальное знакомство с объектами ;

– информация, полученная в результате опроса обслуживающего персонала,

• поиск в интернете по ключевым словам описанного объекта;

– проектная документация;

– технологическая документация;

– учебники;

– монографии;

– статьи в периодических изданиях, сборниках трудов научно–исследовательских трудов и учебных институтов, конференций, симпозиумов, конгрессов и т.п.;

Приведем пример физического описания процесса обезуглероживания жидкой стали при ковшевом вакуумировании.

Вакуумирование стали в ковше является одним из видов внепечной обработки стали. Вакуумирование производится на установке вакуумирования стали (УВС) с целью дегазации металла и получения низкого содержания углерода (менее 0,005% массовых), и др.

Схема установки представлена на рис.3.1.

О₂, N₂

Рис.3.1. Схема агрегата и физико–химических процессов: 1– камера УВС; 2 – водоохлаждаемая панель, 3 – ковш; 4– шлак; 5– сталь; 6 – контура циркуляции; 7 – пароэжекторный насос; 8 – газоотводящий тракт; ΔV_P – объём воздуха, поступающий через неплотности (подсос); ΔV_Σ – объем газовой смеси, откачиваемой насосом; q_ш, q_с, q_д, q_т – потоки тепла от шлака, стенки и днища ковша, трубы газоотводящего тракта соответственно; СО, СО₂, Н₂, N₂, Ar, O₂ – выделение газов из металла; Аг– подача аргона через донные блоки.

При обработке стали на УВС ковш с металлом устанавливают в камеру и накрывают крышкой. После замера температуры, активности кислорода в металле и получения химического анализа пробы стали производят набор вакуума с помощью пароэжекторного насоса до остаточного давления в камере 65-100 Па за 7–12 мин. Одновременно производят продувку нейтральным газом (наиболее часто применяют аргон) через донные блоки (пористые пробки), расположенные в днище ковша. Вакуумирование производят в течение 15–25 минут при давлении 65–100 Па. Контроль процесса вакуумирования осуществляют визуально (смотровое окно, видеокамера) и по изменению химического состава отходящих газов. Снижение содержания СО в отходящих газах указывает на завершение процесса. Конечное содержание углерода после длительного вакуумирования (20–30 мин при 60–100 Па) может достигать менее 0,002 % (массовых).

Процесс обработки металла на УВС определяется множеством факторов и состоит из отдельных процессов, протекающих одновременно и влияющих друг на друга. При обработке одновременно происходит следующий комплекс процессов: удаление смеси газов из камеры агрегата; тепломассоперенос при свободной конвекции металла в ковше и всплывание пузырьков смеси основных газов Ar, CO, CO₂; химические реакции окисления углерода в металле; теплопередача от металла через футеровку к окружающей среде и от шлака к окружающей среде (рис. 3.1), удаление растворенных в металле водорода и азота и др.

На процесс обезуглероживания основное влияние оказывают исходная активность кислорода, давление в камере агрегата и продолжительность обработки, расход аргона и температура стали.

Во время снижения давления в камере агрегата начинается интенсивное бурление металла за счет выделения продуктов реакций взаимодействия углерода и кислорода, содержащихся в стали, при этом содержание СО в отходящих газах может достигать 50–70 %, содержание водорода 4–8 %. Ковшевой шлак также содержит кислород в виде оксидов железа, который при вакуумировании переходит из шлака в металл [6, 44].

При продувке металл аргоном пузыри аргона всплывают, расширятся и увлекают за собой металл вверх. Циркуляция металла при продувке аргоном происходит следующим образом: металл в районе продувочных пробок поднимается вверх и опускается у стенок ковша. Продувка металла нейтральным газом обеспечивает доставку масс металла из нижних слоев к поверхности металла в ковше, где созданы наиболее благоприятные условия для вакуумирования и взаимодействия углерода и кислорода. Такому движению металла также способствует свободная конвекция, возникающая за счёт перепада температур по радиусу ковша. При свободной конвекции слои металла у стенки ковша охлаждаются и опускаются вниз вдоль стенки, вытесняя более нагретый металл вверх в осевой части ковша.

Перемещение масс металла в ковше вызывает перенос тепла в объеме металла и способствует выравниванию температур по сечению ковша. При этом происходит охлаждение металла через футеровку ковша и шлак. Охлаждение происходит путем теплопроводности через многослойную футеровку ковша, излучением от кожуха ковша и конвекцией воздуха, а также теплопроводностью через шлак, излучением в атмосферу вакуум–камеры и конвекцией.

Конвекция металла приводит также и переносу примесей – конвективному массопереносу в объеме металла.

Удаление воздуха из камеры, выделившихся из стали газов, в т.ч. аргона, происходит в газоотводящий тракт за счет откачивания газовой смеси пароэжекторным насосом. Во время движения газов в камере и газоотводящем тракте происходит их смешение и охлаждение, а также дожигание СО до СО₂ за счет кислорода воздуха камеры.