книги / Теплофизика в металлургии

ности слитка, но и увеличением теплоотдачи на фронте кристаллиза­ ции от жидкого ядра. На рис. 1.4 показана схема перемешивания жид­ кого ядра слитка в кристаллизаторе специальным рабочим телом - вращающимся активатором, вводимым в расплав. Охлаждение погру­ женного в расплав активатора приводит к образованию на его поверх­ ности гарнисажа - тонкой корки затвердевшего металла. Тепловая эрозия гарнисажа струей подаваемого расплава приводит к уменьше­ нию перегрева последнего и образованию из обломков дендритов но­ вых центров кристаллизации неориентированно растущих кристал­ лов. Циркуляция расплава в жидком ядре в виде торообразных вихрей (вихри Тейлора) приводит к снижению температурных градиентов.

Потоки расплава в жидком ядре приводят не только к уменьше­ нию температурных градиентов, но и к переносу легирующих компо­ нентов примесей по всему объему слитка. Явление неоднородного распределения примесей в объеме слитка называется сегрегацией при­ меси. На рис. 1.5 показан пример неоднородного распределения при­ меси в жидком ядре непрерывного горизонтального слитка. Полый слиток вытягивается из неподвижного кристаллизатора длиной Ь2 и дорна длиной L\ с постоянной скоростью W. Течение в жидком ядре слитка симметрично относительно вертикального диаметра. Частицы расплава, охлаждаясь у границ затвердевания, опускаются в нижнюю часть слитка, образуя зоны нисходящих потоков. Восходящие потоки имеют место в центральной части жидкой фазы. Свободная конвекция приводит к искривлению изотерм: более теплые слои расплава скап­ ливаются в верхней части слитка, а холодные - в нижней с образова­ нием здесь застойной зоны.

Потоки расплава вызывают и неосесимметричное распределение примеси: обогащенные примесью слои расплава опускаются в ниж­ нюю часть жидкого ядра. Нерастворимая в твердой фазе примесь (в данном случае углерода) вытесняется в расплав, что приводит к воз­ никновению у границ затвердевания диффузионных погранслоев, обогащенных примесью. Вращение слитка в процессе его вытягива­ ния позволяет достичь положительных металлургических эффектов.

Дальнейший прогресс в производстве качественной металлопро­ дукции связан с разработкой агрегатов, в которых совмещены МНЛЗ и устройства дальнейшего передела слитка - прокатные станы. Такие совмещенные агрегаты позволяют значительно экономить тепловую

и

Рис. 1.5. Схема получения горизонтального слитка (слева), поля функции тока и окружной скорости (в центре), концентрации примеси и температуры

энергию за счет сокращения промежуточных подогревов слитка

впрокатных станах.

Всовременных технологических процессах бесслитковой прокатки

корочки металла намораживают из расплава непосредственно на вал­ ках-кристаллизаторах и обрабатывают давлением. Этим достигается дальнейшая минимизация тепловых потерь и энергоресурсов.

Для активного воздействия на процесс кристаллизации слитка при­ меняют электромагнитное перемешивание его жидкого ядра. Вводимая извне энергия электромагнитного поля расходуется на измельчение пер­ вичного литого зерна, повышение степени физической и химической не­ однородности слитков, улучшение их поверхности. Устройства электро­ магнитного перемешивания разнообразны как по виду применяемых электромагнитных полей (бегущих, вращающихся, пульсирующих), так и по способу конкретной технической реализации. Перспективными с точки зрения экономии вводимой в тело слитка энергии следует при­ знать резонансные режимы перемешивания, при которых частота элек­ тромагнитного поля совпадает с частотой собственных колебаний жид­ кого ядра слитка.

Масштабы и характер металлургических процессов производства слитков неразрывно связаны с необходимостью постоянного совершен­ ствования конструкций металлургических агрегатов, режимов их рабо­ ты, повышения качества продукции и снижения расхода подводимой энергии.

Врешении этих задач особая роль принадлежит теплофизике - нау­ ке о переносе тепловой энергии и массы вещества, позволяющей проник­ нуть в сущность физических явлений тепло- и массопереноса.

Впредлагаемом курсе лекций изложены основы теплофизики. Свое­ образие предлагаемого материала определяется образовательным стан­ дартом подготовки бакалавров по направлению «Металлургия». Данный курс является разделом общей физики и читается в вузе на втором году обучения. Поэтому лекции включают только фундаментальные, осново­ полагающие положения теплофизики, конкретизация и углубленное изучение предполагаются в специальных дисциплинах.

Вотличие от курсов лекций подобного типа в данном пособии дос­ таточно подробно описаны математические формулировки задач тепло-

имассообмена, а также методы вычислительного эксперимента на ком­ пьютерах и анализ спектра возникающих ошибок.

Курс лекций предназначен для студентов младших курсов, изучаю­ щих параллельно разделы общей физики, высшей математики, информа­ тики, однако приводимые здесь сведения могут оказаться полезными и для студентов старших курсов, аспирантов в их самостоятельной науч­ ной работе.

1.2. Фазовые и структурные переходы в металлах

Формирующийся металлический слиток является термодинамиче­ ской системой, которая может взаимодействовать с окружающей средой. Это взаимодействие проявляется в виде обмена массой и энергией. Систе­ ма называется открытой или закрытой в зависимости от того, обменива­ ется она с окружающей средой массой или не обменивается. Таким образом, непрерывный слиток, вытягиваемый из кристаллизатора, являет­ ся примером открытой системы, а слиток, затвердеваемый в изложнице, заполненной расплавом, - пример закрытой системы. Система, обмени­ вающаяся с окружающей средой тепловой энергией, называется нетепло­ изолированной. На части границы системы с окружающей средой тепло­ обмен может отсутствовать (например, на плоскости симметрии). Такая граница называется теплоизолированной или адиабатной.

Процессы, происходящие в термодинамической системе, называются неравновесными, если в результате протекания этих процессов система не находится в состоянии равновесия. Это состояние не может быть описано одним значением параметра состояния (температуры, концентрации при­ меси, давления). Здесь следует определять поля значений этих параметров в пределах системы. Процесс перехода термодинамической системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия - временем релаксации.

Термодинамическая система может быть гомогенной (однородной), обладающей одними и теми же свойствами, либо гетерогенной, состоя­ щей из нескольких разнородных частей в различных агрегатных или структурных состояниях. Гомогенные части гетерогенной системы, разде­ ленные видимыми границами, называются фазами. Переход вещества из одной фазы в другую (фазовый переход) связан с качественным изменени­ ем свойств вещества, его агрегатного состояния и сопровождается поэто­ му выделением или поглощением скрытой энергии фазового перехода. Терминология фазовых переходов представлена на рис. 1.6.

На рис. 1.7 показана фазовая диа­

PNRPU

грамма в координатах давление-темпе­ ратура. В интервале давлений и темпе­ ратур от тройной точки А , в которой все три фазы существуют одновременно, до критической точки К , выше которой су­ ществует только газовая фаза, сущест­ вование конкретной фазы зависит от па­ раметров состояния. Так, при изобар­ ном нагреве при давлении р х любое вещество переходит из твердой фазы в жидкую при температуре плавления /пл,

азатем из жидкой фазы в газовую при температуре испарения *11СП.

Втабл. 1.2 представлены удельные теплоты фазовых переходов при плавлении-затвердевании и конденсации-испарении для некоторых ма­ териалов при нормальных условиях.

1.3. Виды теплообмена

Теплообменом или теплопередачей называют учение о самопро­ извольных необратимых процессах распространения теплоты в про­ странстве.

Различают три способа (механизма) распространения теплоты в про­ странстве:

•теплопроводность (кондукция, диффузия);

•конвекция;

•тепловое излучение (радиация).

Явление теплопроводности состоит в переносе теплоты микроскопи­ ческими структурными частицами вещества (молекулами, атомами, элек­ тронами) в процессе их теплового движения в телах с неоднородным рас­ пределением температуры.

Механизмы теплопроводности:

•в газах - вследствие обмена энергией при упругом соударении молекул, имеющих различную скорость теплового движения;

•в жидкостях и твердых диэлектриках - путем непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним части­ цам вещества, передачей упругих волн колебаний кристалличе­ ской решетки;

•в металлах - главным образом движением свободных электро­ нов, а также передачей колебаний кристаллической решетки.

Таким образом, в основе теплопроводности лежит молекулярный (кондукционный, диффузионный) механизм переноса тепла.

Явление конвекции наблюдается в текучих теплоносителях (жидко­ стях, газах) и состоит в переносе теплоты крупными (макроскопически­ ми) частицами вещества (молями). Конвекция сопровождается тепло­ проводностью.

Виды конвекции:

•свободная - в неоднородном поле массовых или поверхностных сил, например, тепловая, термокапиллярная конвекция;

•вынужденная - под действием внешних вынуждающих сил (пере­ пада давлений, электромагнитных сил, вибраций и пр.).

Теплообмен излучением (радиация) представляет перенос теплоты посредством электромагнитного поля. При этом происходит двойное превращение энергии: внутренняя энергия излучающего тела переходит в энергию электромагнитного поля, которая вновь переходит во внут­ реннюю энергию поглощающего тела. Особенность теплообмена излу­ чением: теплом могут обмениваться тела, разделенные вакуумом.

В природе все три вида переноса теплоты осуществляются одно­ временно. Их совокупность называют сложным теплообменом.

Виды сложного теплообмена:

•радиационно-кондуктивный теплообмен представляет совокуп­ ность теплообмена излучением и теплопроводностью;

•радиационно-конвективный теплообмен включает все три спосо­ ба переноса теплоты;

•теплоотдача - это теплообмен между текучей средой и твердой поверхностью тела;

•теплопередача - это теплообмен между двумя жидкими или газо­ образными средами, разделенными твердой стенкой.

Процесс переноса тепла в сложном теплообмене всегда сопровожда­ ется переносом массы, поэтому говорят о явлениях тепломассообмена.

1.4. Основные понятия и определения

Для теплообмена необходима разность температур в различных точ­ ках тела.

Температурным полем называют совокупность мгновенных значе­ ний температуры / во всех точках изучаемого пространства. В общем случае

Температурное поле (1.1), изменяющееся во времени, называется

нестационарным или неустановившимся. Если температура не изме­ няется со временем, / = t(x, у, z), оно называется стационарным

или установившимся. В зависимо­ сти от числа используемых коор­ динат различают трехмерные t = /( JC, у, Z ), двумерные / = /(* , у)

и одномерные t = /( JC) температур­ ные поля.

Температурное поле можно представить совокупностью изотер­ мических поверхностей - геометри­ ческим местом точек с одинаковой температурой (рис. 1.8). След изотер­