Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №22

Математическое моделирование температурного режима нагревательных печей прокатных станов при одновременном нагреве металла различного сортамента

С.И. ГИНКУЛ(канд.техн.наук, проф.), А.И. ТУЯХОВ(канд.техн.наук, проф.), Ю.С. СИБИРЦЕВА
Донецкий национальный технический университет, Донецк

УДК 621.78.013

Предложена математическая модель нагрева заготовок квадратного или прямоугольного сечения в методической нагревательной печи в переходном режиме, когда в печи одновременно нагреваются две партии заготовок различного поперечного сечения движущихся одна за другой. Математическое моделирование даёт возможность определить температурный режим по длине печи, обеспечивающий получение значений параметров, отвечающих принятой технологии нагрева для двух партий заготовок, различающихся как по поперечному сечению, так и по составу.

Ключевые слова: методическая печь, заготовка, температура, моделирование, прогонка, дифференциальное уравнение, теплопроводность.

Постановка задачи

Методические печи толкательного типа работают непрерывно только при полном заполнении рабочего пространства нагревательными заготовками. На некоторых заводах при выполнении заказа на небольшие партии мелкосортной прокатной продукции возникает необходимость нагревать металл различного сортамента без остановки печи. Для таких условий работы печи трудно определить на практике переходной режим, т.е. частоту проталкивания заготовок, температуру в каждой зоне рабочего пространства, расход газа и другие параметры. В связи с этим возникает задача – разработать математическую модель переходного режима нагрева, который обеспечивал бы нагрев заготовок до заданного качества.

Анализ публикаций по теме исследований

Методические печи являются высокопроизводительными, непрерывно действующими агрегатами обеспечивающими нагрев стальных заготовок квадратного, прямоугольного или круглого сечения различных марок сталей до заданной температуры под прокатку. Тепловой работе методических нагревательных печей и расчётов нагрева металла посвящён ряд исследований [1,2,3].

В большинстве публикаций приводятся теоретические и экспериментальные исследования процесса нагрева металла [3,4] с целью определения оптимальных тепловых режимов, способствующих повышению качества нагрева. При этом, широко используются методы математического моделирования внешнего и внутреннего теплообмена в процессе нагрева металла, требующих знания теплофизических характеристик, как газовой среды, так и нагреваемых стальных заготовок различного химического состава [5]. В других публикациях рассматривается проблема окисления стальных заготовок и влияние физико-химических процессов в процессе нагрева на потери металла с окалиной [6,7].

Формулировка целей статьи

В методических нагревательных печах начальная скорость нагрева металла лимитируется величиной термических напряжений, которая определяется как составом стали, так и толщиной нагреваемого слоя заготовки.В конце нагрева температура поверхности и перепад температуры по сечению заготовки должны соответствовать требованиям технологии для данной марки стали.

Нагрев большой партии заготовок одинакового типоразмера и одной марки стали не вызывает затруднений при следовании заданной технологии. Однако, нахождение в рабочем пространстве заготовок различной толщины и химического состава, требует разработки такого переходного режима нагрева, который обеспечивал бы качество нагрева двух различных партий заготовок, близкое к технологическим требованиям для этих партий.

Цель работы: разработать математическую модель переходного режима нагрева для действующей трёхзонной методической печи мелкосортного прокатного цеха при одновременном нахождении в печи заготовок разного сорта.

Основная часть

В методической печи заготовки в методической и сварочной зонах лежат на глиссажных трубах. Нагрев заготовок производится с двух сторон при их непрерывном расположении в печи. Для расчёта температурного поля по толщине заготовки во времени можно воспользоваться дифференциальным уравнением теплопроводности для одномерного температурного поля:

при постоянной температуре по длине печи(сварочная зона) по формуле:

Дифференциальное уравнение (1) с начальными (2) и граничными (3) условиями решалось конечно – разностным методом с использованием метода прогонки.

На основе разработанной программы были произведены расчеты нагрева стальных заготовок различной толщины применительно к трёхзонной методической печи прокатного цеха ОАО «Донецксталь-МЗ» для случая одновременного нахождения в рабочем пространстве заготовок различного поперечного сечения. Предположим, что в печи нагревается заготовка толщиной S1, а через какое - то время в печь подаются заготовки меньшей толщины S2. Если нагрев осуществлять по режиму заготовки S1, то заготовки толщиной S2 будут перегреваться, а при использовании режима заготовки S2, то заготовки толщиной S1, будут недогреваться. Результаты моделирования нагрева заготовок толщиной 0,15; 0,18; 0,24 м при использовании для них режима нагрева исходной заготовки толщиной 0,21 м приведён на рисунке 1.

Как видно из графиков нагрева каждой заготовки, получены следующе результаты: заготовки толщиной 0,18 и 0,15м нагрелись в методической зоне до температур 589oC и 643oC соответственно, что значительно превышает температуру пластичности для данной марки стали (tпл=550oC), а заготовка толщиной 0,24 м нагрелась до температуры 520oC, что ниже tпл. Аналогичны по характеру результаты расчёта конечной температуры нагрева по разработанной модели для исследуемых заготовок (таблица 1) показывают, что заготовки меньшего сечения нагреваются на 14-26 градусов, а температура заготовки большего сечения не достигает заданного по технологии значения.

Изменение температуры поверхности заготовки в процессе нагрева

Рисунок 1 – Изменение температуры поверхности заготовки в процессе нагрева.

Таблица1 – Изменение температуры поверхности металла при постоянном температурном режиме по длине печи и различной толщине заготовок.

Изменение температуры поверхности металла при постоянном температурном режиме по длине печи и различной толщине заготовок

Как видно из приведённого выше анализа нагрева заготовок различного поперечного сечения, заготовки меньшего сечения по сравнению с исходными будут перегреваться, а большего сечения – недогреваться при условий их совместного (т.е. заготовки меньшего сечения и исходные или большего сечения и исходные) нахождения в печи и при тепловом режиме нагрева исходной заготовки.

Для таких случаев, когда на глиссажных трубах находятся заготовки двух различных сечений, были рассчитаны тепловые режимы и определены температуры в сварочной зоне, в которой как показывает программа, надо изменять температуру этой зоны по ходу движения заготовок другого сечения. На рисунке 2 а, б, в показаны три позиции расположения заготовок толщиной 0,24 м и 0,21 м в разные моменты времени в сварочной зоне.

Изменениетемпературы печи по длинесварочной зоны для заготовоктолщиной 0,24 м и 0,21 м

Рисунок 2 – Изменениетемпературы печи по длинесварочной зоны для заготовоктолщиной 0,24 м и 0,21 м (слева)

Рисунок 3 – Изменение температуры печи по длине сварочной зоны для заготовок толщиной 0,15 м и 0,21 м (справа)

На рисунке 2 «а» показан вход заготовки большего сечения (0,24м)в сварочную зону, при этом температура печи в начале зоны должна составлять 1310oC. По мере продвижения этой заготовки температура, равная 1310oC, должна «следовать» за заготовкой и на выходе её установится постоянной по всей длине сварочной зоны. Такой режим, как показывает расчёт по программе, обеспечит конечную температуру нагрева заготовки толщиной 0,24 м до температуры близкой к заданной по технологии для этой марки стали.

Аналогичные расчёты были произведены для случая, когда в печи необходимо нагреть другую партию заготовок с меньшим поперечным 0,15м сечением, чем исходные, без остановки печи, где уже находятся заготовки предыдущей партии. Результаты расчёта представлены на рисунке 3 а, б, в, где показано изменение температуры по длине сварочной зоны по мере продвижения заготовок меньшего поперечного сечения из другой партии металла. После полного заполнения сварочной зоны этими заготовками и переход их в томильную зону, промежуточный режим заменяется на рабочий режим согласно заводской технологии для данного размера заготовки и соответствующей марки стали.

Разработанная программа нагрева стальных заготовок может быть использована для расчёта переходного режима при нагреве заготовок одинакового размера, но разных марок стали, существенно различающихся по теплофизическим характеристикам, без остановки печи.

Выводы

Выполнено математическое моделирование режимов нагрева стальных заготовок в многозонных печах для условий изменяющейся во времени и по длине температуры в сварочной зоне печи. При таком режиме работы печи одновременно нагреваются заготовки различного сортамента и с различными теплофизическими свойствами. Разработанные на основе математического моделирования алгоритмы позволяют легче осуществить переход с одного режима нагрева на другой, что позволяет получить заданное качество нагрева и тем самым уменьшить неблагоприятное влияние на нагрев особенностей переходного режима.

Эффективность практического применения переходных тепловых режимов может быть повышена при установке на печи (полностью или частично) плоско-пламенных горелок, а математическая модель будет составной частью АСУ методической печи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • 1. Ткаченко В.Н. Математическое моделирование, идентификация и управление технологическими процессами тепловой обработки материалов/ В.Н. Ткаченко. – К.: Наукова думка, 2008. – 243с.
  • 2. Применение ЭВМ для расчета нагрева металла в методической печи/ Е.И. Казанцев, С.И. Гинкул, В.В. Антонов, Н.В. Гончаров// Сталь. – 1973. – №1. – С.77-79.
  • 3. Исследование температурного режима нагревательных печей прокатных станов при изменении сортамента нагреваемого металла/ С.И. Гинкул, А.Н. Лебедев, Ю.В. Подобед, Ю.М. Сапронова// Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия «Металлургия». – 2010. – Вып. 12(177). – С.201 – 206.
  • 4. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей/ Б.С. Мастрюков. – М.: Металлургия, 1986.–Т.2. – 376с. 5. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах/ Ю.И. Розенгард, Б.Б. Потапов, В.М. Ольшанский, А.В. Бородулин. – К.-Донецк: Вища школа, 1986. – 296с.
  • 6. Казанцев Е.И. Промышленные печи/ Е.И. Казанцев. – М.: Металлургия, 1975. – 368 с.
  • 7. Казанцев Е.И. Выбор оптимального температурного режима по минимуму окалинообразования/ Е.И. Казанцев, Г.П. Вынов, С.И. Гинкул// Изв. вузов Черная металлургия. – 1977. – №9. – С.165-168.
  Публикация №22
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ