Инженерная методика определения температурного состояния металла при его нагреве
А.Б. Бирюков, Ю.О. Турулина
Вестник ИГЭУ, 2024 г. выпуск 2, сс. 24—31
Скачать PDF
Состояние вопроса. В настоящее время определение температурного профиля печи, требуемого для обеспечения заданных параметров нагрева металла, производится с использованием метода термометрирования или математических моделей, как правило базирующихся на решении дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности. Ранее широко использовался метод тепловой диаграммы И.Д. Семикина, позволяющий при заданных условиях нагрева определить его продолжительность. На практике востребованной является разработка простого инженерного метода, который позволял бы с достаточной точностью определять температурное поле металла для заданных условий нагрева.
Материалы и методы. В основе разработки лежит метод тепловой диаграммы И.Д. Семикина. Но при этом итоговое уравнение, описывающее тепловой баланс металла в пределах зоны печи, решается относительно энтальпии металла на выходе из зоны, а заданные условия нагрева (производительность, температура зоны) используются для определения величин, входящих в правую часть уравнения (время нагрева, средняя плотность теплового потока).
Результаты. Предложена методика, которая для проходных печей различного типа (толкательных и с механизированным подом) позволяет для заданных производительности и температурного профиля печи рассчитать изменение температурного состояния металла для всех зон нагрева, начиная от момента загрузки до выдачи металла. Адекватность предложенной методики проверена для двух типов печей. Для методических толкательных печей полученные результаты сопоставлены с результатами моделирования температурного состояния металла при помощи численного метода. Установлено, что расхождение результатов после прохождения инерционного периода нагрева не превышает 1 %. Для печи с шагающими балками сопоставлено расчетное значение температуры поверхности металла после печи с результатами оперативных измерений. Установлено расхождение менее 2 %.
Выводы. Совокупность полученных результатов обеспечивает достижение цели исследования. Предложенный метод, основанный на уравнении теплового баланса, позволяет считать его абсолютно корректным, является инженерным и достаточно простым в реализации. Метод рекомендуется использовать при проектировании печей и для расчетной корректировки температурного профиля печи силами технических отделов металлургических предприятий.
1. Основные методы оптимизации режимов нагрева металла / С.М. Козлов, В.И. Тимошпольский, В.Б. Ковалевский и др. // Литье и металлургия. – 2000. – № 3. – С. 68–71.
2. Парсункин Б.Н., Бушманова М.В., Андреев С.М. Энергосберегающий режим нагрева металла в нагревательных печах // Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий XXI века: материалы Междунар. науч.-практ. конф. – М.: МИСиС, 2000. – С. 243–244.
3. Панферов В.И. Об экономичном управлении нагревом металла в промышленных печах // Вестник ЮУрГУ. Сер. Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2018. – Т. 18, № 2. – С. 71–80.
4. Панферов В.И. О расчетно-инструментальном контроле качества нагрева и термообработки металла в печах // Вестник ЮУрГУ. Сер. Металлургия. – 2020. – Т. 20, № 4. – С. 56–66.
5. Вырк А.Х. Управление нагревом заготовок в методической печи // Бюлл. ЦНИИЧМ. – 1970. – № 24. – С. 3–9.
6. Ткаченко В.Н. Математическое моделирование, идентификация и управление технологическими процессами тепловой обработки материалов. Т. 13. – Киев: Наукова думка, 2008. – 244 с.
7. Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. Методики расчета нагревательных и термических печей: учебно-справочное издание. – М.: Теплотехник, 2004. – 400 с.
8. Андреев С.М., Парсункин Б.Н. Экспериментальное исследование эффективности энергосберегающих оптимальных режимов нагрева металла // Автоматизированные технологии и производства. – 2014. – № 6. – С. 134–143.
9. Курносов В.В., Левицкий И.А. Математическое моделирование нагрева заготовок с переменными теплофизическими характеристиками и теплового режима, соответствующего заданному графику нагрева // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2015. – Т. 55, № 7. – С. 19–22.
10. Казанцев Е.И. Промышленные печи. – М.: Металлургия, 1975. – 368 с.
11. Бирюков А.Б., Турулина Ю.О. Совершенствование расчетного метода определения рациональных режимных параметров проходной печи с механизированным подом, работающей в условиях переменной производительности // Вестник Донецкого национального университета. Сер. Г: Технические науки. – 2022. – № 3. – С. 52–56.
12. Теплотехнические расчеты металлургических печей / Б.Ф. Зобнин, М.Д. Казяев, Б.И. Китаев и др. – М.: Металлургия, 1982. – 358 с.