НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Дубина Олег Вікторович

УДК 669.18-412:658.567.1(043)

На правах рукопису

РОЗРОБКА ресурсозберігаючих РЕЖИМІВ

ПРИ ТВЕРдНенНІ та НАГРІВІ

СТАЛЕВИХ ЗЛИТКІВ та ЗАГОТовок

05.14.06 - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ТимошпольсЬкий ВОЛОДИМИР Ісаакович,

Білоруська державна політехнічна академія,

завідувач кафедри "Металургійні технології",

м. Мінськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

ГубинсЬкий МИХАЙЛО ВОЛОДИМИРОВИЧ,

Національна металургійна академія України,

завідувач кафедри "Промислова теплоенергетика",

м. Дніпропетровськ;

кандидат технічних наук, доцент

Кошельник ВАДИМ Михайлович,

Національний технічний університет ("ХПІ"),

доцент кафедри "Теплотехніка",

м. Харків.

Провідна установа: Інститут газу Національної академії наук України,

м. Київ

Захист дисертації відбудеться 05.06.2001 р. у 12-30 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4, НМетАУ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

Автореферат розісланий 25.04.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Цапко В.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У металургійному комплексі України частка неперервного розливання сталі складає приблизно 30%, а біля 70% сталі розливається традиційним способом, у виливницю з метою підготовки зливка до нагрівання у нагрівальних колодязях блюмінгів і слябінгів для подальшої прокатки на середньосортні заготовки, які далі нагрівають в методичних печах штовхального типу. На долю прокатного переділу припадає сьогодні приблизно 15-20% усього палива, що витрачається в чорній металургії, а в собівартості готового прокату фінансові витрати на нагрівання металу складають біля 30-40% загальних витрат. У деяких випадках ці цифри можуть виявитися ще вище, якщо врахувати, що, наприклад, у полуменових методичних штовхальних печах величина питомої витрати умовного палива знаходиться на рівні 100-120 кг у.п/т, а рекордні показники даних нагрівальних пристроїв складають порядку 80 кг у.п/т, що в 1,5-2 рази вище у порівнянні, наприклад, з печами з крокуючими балками. Винятково важливою та актуальною є задача ефективної організації режимів гарячого посаду зливка у нагрівальну камеру колодязя з метою підвищення його тепловмісту, а також досягнення необхідної рівномірності прогріву циліндричних заготовок і зливків у кільцевих печах.

Таким чином, тема дисертаційної роботи і задачі, що розв'язуються в ній, є актуальними, тому що спрямовані на вирішення насущних проблем сучасного металургійного виробництва - енерго- і ресурсозбереження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання, що розглядаються в дисертаційній роботі, відповідають Державній Програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. (КДНЗ-88-2-94) і знаходяться в руслі комплексної Державної Програми енергозбереження. Виконання дисертації тісно пов'язано з планами науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України і Комітету промислової політики. Дисертація виконана у відповідності з планами науково-дослідних робіт металургійних комбінатів: Дніпровського ім. Дзержинського, Алчевського і "Криворіжсталь", де дисертант брав участь як керівник робіт.

Мета роботи. Розробка і впровадження енерго- і ресурсозберігаючих режимів роботи нагрівальних колодязів, кільцевих і методичних печей при нагріванні зливків і заготовок, а також під час підготовки зливків для нагрівання у процесі їх формування у виливниці.

Задача досліджень:

- проведення аналізу сучасних експериментальних і теоретичних методів дослідження режимів затвердіння і охолодження великорозмірних зливків у виливниці і на повітрі, а також режимів нагрівання заготовок у полуменевих печах;

- розробка математичного розв'язання задачі твердіння зливків у виливниці та порівняння результатів розрахунків з результатами наближених аналітичних і числових розв'язків інших дослідників і результатами промислового експерименту;

- розробка і впровадження режимів охолодження зливків, що забезпечують підвищення температури гарячого посаду їх у нагрівальні колодязі;

- визначення, за допомогою числового розв'язку задачі теплопровідності, впливу подини кільцевої печі на формування температурного поля циліндричної заготовки, що нагрівається;

- розробка і впровадження технології рівномірного нагрівання осьових заготовок у кільцевих печах осьопрокатного виробництва;

- розробка придатної для інженерних розрахунків наближеної методики для аналізу температурного стану блюмів у процесі несиметричного радіаційно-конвективного нагрівання металу у методичній печі штовхального типу;

- на основі теоретичних і експериментальних досліджень розробити і впровадити енерго- і ресурсозберігаючі режими нагрівання заготовок у методичних печах, що передбачають зниження температури металу в момент видачі з печі, без погіршення якості прокатної продукції.

Методи досліджень. При експериментальному дослідженні процесів тверднення масивного блюмінгового зливка та нагрівання блюмів і циліндричних заготовок використані сучасні методи вимірювання температур на основі застосування вольфрам-ренієвих і хромель-алюмелевих термопар. Теоретичні дослідження теплового стану зливка і нагрівання блюмів базувалися на використанні математичного апарата методу еквівалентних джерел ("МЕД"). При дослідженні процесів нагрівання циліндричних заготовок у кільцевих печах застосовано числовий метод.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На основі теоретичного розв'язку задачі охолодження зливка у виливниці розроблено графо-аналітичний метод розрахунку кінетики твердіння зливків з точністю, достатньою для розробки промислової технології, що забезпечує організацію посаду у камеру нагрівального колодязя зливків з підвищеним тепловмістом, у тому числі неповністю затверділих зливків.

2. Розроблено і випробувано у промислових умовах спосіб вимірювання температур рідкої сталі, що грунтується на застосуванні малоінерційних термодатчиків і реалізований для визначення динаміки температур при формуванні зливків у виливниці.

3. Розроблено математичну модель і алгоритм числової реалізації несиметричного по периметру радіаційно-конвективного нагрівання нескінченного циліндра з метою відпрацювання технології нагрівання шляхом теоретичного і механічного кантування при досягненні необхідної по технологічних умовах симетрії нагрівання.

4. На основі теоретичного розв'язку задач несиметричного радіаційно-конвективного нагрівання термомасивної пластини розроблено методику розрахунку нагрівання сталевого блюма в печах штовхального типу, яка застосована для теплотехнічних розрахунків полуменевих методичних печей.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблені і впроваджені режими охолодження зливків, що забезпечують підвищення температури гарячого посаду їх у нагрівальні колодязі, скорочення тривалості нагрівання, підвищення якості і зниження питомої витрати умовного палива;

- розроблені та адаптовані методики вимірювання температур у сталевому зливку, що твердіє, і при нагріванні сталевих заготовок у полуменевих печах різноманітних конструкцій, які поєднують простоту виконання самих досліджень з достовірністю отриманих результатів у виробничих умовах;

- розроблено і впроваджено технологію нагрівання осьових заготовок у кільцевій печі осьопрокатного виробництва, що забезпечує необхідну рівномірність прогріву металу, зменшення окалиноутворення і зниження питомої витрати умовного палива;

- на основі наукових і експериментальних досліджень розроблені і впроваджені температурно-теплові режими у полуменевих багатозоних методичних печах, які передбачають зниження температури нагрівання металу в момент видачі, без погіршення якості прокатної продукції, і забезпечують зниження питомої витрати умовного палива.

Реалізація результатів роботи. Впроваджено такі результати досліджень:

- температурно-теплові режими нагрівання зливків з підвищеним тепловмістом, у тому числі неповністю затверділих зливків, у нагрівальних колодязях блюминга-2 КДГМК "Криворіжсталь";

- режими нагрівання циліндричних заготовок з метою досягнення симетрії нагрівання в кільцевих печах осьопрокатного стану 250 Дніпровського металургій-ного комбінату;

- режими нагрівання металу в методичних печах стану 900/750 Дніпровського металургійного комбінату і стану 600 Алчевського металургійного комбінату.

Частка автора у фактично досягнутому економічному ефекті від впровадження наукових розробок складає 578351,23 грн/рік.

Особистий внесок дисертанта. У дисертаційній роботі узагальнені результати науково-дослідних робіт, виконаних під керівництвом автора за період 1997-2000 р. на металургійних комбінатах: Дніпровському, Алчевському і "Криворіжсталь". Основні ідеї і положення розроблені дисертантом особисто під керівництвом наукового керівника. Проведення промислових експериментів і впровадження результатів розробок здійснювалося при сприянні спеціалістів вищевказаних підприємств. Опрацювання даних, отриманих у ході досліджень, а також узагальнення результатів зроблені автором самостійно.

Автор виражає щиру вдячність колегам і співробітникам, які допомогали при проведенні ряду досліджень: д.т.н., проф. Ю.С.Постольнику, к.т.н. В.В.Несвету, к.т.н. Н.М.Омесю, Е.О.Цкитішвілі, П.Я.Лактіонову.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних науково-технічних конференціях "Ливарне виробництво і металургія. Нові технології і матеріали", Мінськ, 1999 р.; "Литво 2000. Бєларусь", Мінськ, 2000 р.; на міжнародній конференції "Проблеми пічної теплотехніки", Державна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 1999 р.; на науково-технічному семінарі кафедри "Металургійні технології" Білоруської державної політехнічної академії, Мінськ, 2000 р.; на міському науково-технічному семінарі "Проблеми технічної теплофізики і промислової теплоенергетики" Національної металургійної академії України, Дніпропетровськ, 2000 р.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 авторських робіт, у т.ч. 1 монографія і 4 статті у виданнях, що входять у відповідний перелік ВАК.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку літературних джерел, викладена на 182 сторінках, включає 15 таблиць, 40 рисунків, 4 додатки. Бібліографія містить 132 найменування.

Роботу виконано на кафедрі ТЕМП НМетАУ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень.

У першому розділі дисертаційної роботи автором приведено огляд літературних джерел, у яких, на його думку, приділено достатньо уваги методам теоретичних та експериментальних досліджень процесів твердіння, охолодження і нагрівання сталевих зливків і заготовок. На основі аналізу цих методів показані прийоми розробки енерго- і ресурсозберігаючих теплотехнологійних процесів у металургійному виробництві. Особливу увагу приділено методам розрахункового аналізу режимів твердіння та охолодження великих блюмінгових зливків. Розглянуто класичні фундаментальні роботи (Лейбензон Л.С., Гіршович Н.Г., Нехендзі Ю.А., Вейник А.І., Гольдфарб Е.М., Любов Б.Я., Самойлович Ю.А.), показані достоїнства та виявлені недоліки описаних способів розрахунку процесів твердіння та охолодження. Незважаючи на значну різноманітність методів розрахункового аналізу у даній галузі металургійної теплофізики, експеримен-тальним дослідженням у конкретному випадку присвячено нечислену кількість публікацій. Тут варто виділити публікації Гуляєва Б.Б., Тагеєва В.М., Жегалова А.К., Граната І.Я., Самойловича Ю.А., Скобло С.Я., Казачкова Е.А., Макурова С.Л., Тимошпольського В.І. та ін.

Далі, за аналогією з попереднім, виконано аналіз літературних джерел стосовно до теплової роботи полуменевих прохідних печей. Особливу увагу тут приділено методам математичного моделювання і теплотехнічних розрахунків, а також експериментальним дослідженням, спрямованим на удосконалення температурно-теплових режимів. У даній галузі автор акцентував увагу на дослідженнях Тайца Н.Ю., Семикіна Й.Д., Розенгарта Ю.І., Гольдфарба Е.М., Шкляра Ф.Р., Губинського В.Й., Пекарського М.Я., Постольника Ю.С., Клейнера М.К., Ольшанського В.М., Тимошпольського В.І. і ін. Узагальнюючи дані аналітичного огляду, автор показав, що достатньо ефективними при розв'язанні ряду задач металургійної теплофізики є апробовані числові, числово-аналітичні та аналітичні методи. Показано, що застосований у роботі метод еквівалентних джерел ("МЕД") достатньо ефективний, і в зв'язку з цим прийнятий на озброєння дисертантом при розв'язанні задач твердіння, охолодження і нагрівання зливків і заготовок у металургійних теплотехнологіях.

Відповідно до аналітичного огляду сформульовані цілі і задачі дисертаційної роботи, обгрунтовані методи, що застосовані дисертантом при виконанні досліджень.

У другому розділі викладені результати розробки ресурсозберігаючих техно-логій твердіння, охолодження і нагрівання великих блюмінгових зливків.

На основі літературного огляду встановлено, що в даний час серед широкого спектра нелінійних задач визначення температурного поля багатофазної системи при наявності рухомих меж поділу фаз, де відбувається виділення (поглинання) теплоти, слід визначити два правомірних математичних формулювання задач: постановку Стефана і задачу теплопровідності з фазовими перетвореннями. Відзначені у главі 1 методи відрізняються один від одного ступенем складності і точністю результатів. У дисертаційній роботі пропонується спрощена інженерна методика розрахунку основних параметрів теплових процесів твердіння масивного зливка. Аналітична частина методики базувалася на використанні методу еквівалентних джерел ("МЕД"), який добре зарекомендував себе при розв'язанні широкого класу нелінійних крайових задач теорії теплообміну.

Розроблена автором методика розв'язання задачі твердіння металу розглядає зливки базових геометричних форм: пластину, циліндр, кулю. Проте подібний підхід легко узагальнюється для будь-яких масивних тіл довільної конфігурації шляхом заміни досліджуваного зливка циліндром з еквівалентним радіу-сом , де F - середня площа поперечного перетину тіла.

Розв'язання задачі Стефана з використанням "МЕД" має вигляд:

- тривалість повного твердіння зливка

, (1)

- розподіл температурного поля в застиглому прошарку зливка або на поверхні

, (2)

, (3)

- положення фронту кристалізації l(Fo) у момент часу Fo

, (4)

- тривалість охолодження перегрітого розплаву до моменту початку твердіння

, (5)

де Fo - критерій Фур'є; q1 - безрозмірна температура затверділого прошарку; x, l - безрозмірна координата, що відраховується від зовнішньої поверхні, і товщина затверділого прошарку, відповідно; Ко - критерій Косовича; Kа = а2/а1; а1, а2 - температуропровідність твердої і рідкої фаз, відповідно; m - коефіцієнт форми тіла (для пластини m = 0, для циліндра m = 1, для протоки m = 2); Bi2 - критерій Біо для рідкої фази; KТ = (Т0 - Тлик)/(Тсол - Тс); Т0 - температура заливання розплаву; Тлик - температура ліквідуса; Тсол - температура солідуса; Тс - температура навколишнього повітря.

Запропонований розв'язок враховує фізичне тепло, що втрачається твердою фазою в процесі власного охолодження, а також тепловміст рідкої фази (перегріву). Формула (1) показує, що наявність подібних чинників може істотно уповільнювати процес кристалізації.

Обчислити складові для (1)-(4) можна на основі числових формул. Проте рекомендується можливим подати компоненти (1)-(4) у графічному вигляді (рис.1, 2, 3) для зручності практичного використання, що значно спрощує методику розрахунків. Такий підхід дозволяє проводити обчислення при будь-яких параметрах Ко і По (По - критерій Постольника), виконуючи інтерполяцію тільки за критерієм Bi1 (Bi1 - критерій Біо для твердої фази). Для визначення тривалості повної кристалізації зливка відпадає необхідність і в подібній інтерполяції. Графіки на рис. 1 необхідні для розрахунку часу повного твердіння, на рис. 2 - температури поверхні зливка, на рис. 3 - утворення затверділого прошарку заданої товщини.

Досвід практичної роботи показує, що для масивних сталевих зливків, що охолоджуються у виливниці і на повітрі, критерій Bi1 не перевищує одиниці. Тому на рисунках побудовано графіки для чотирьох значень Bi1: 0,25; 0,5; 0,75; 1,0. Проміжні значення легко одержати, використовуючи найпростішу лінійну інтерполяцію.

Тестові розрахунки показали гарну точність обчислень. Так, тривалість повного твердіння блюмінгового зливка масою 8 т по графо-аналітичному методу складає 2,74 ч, по методу Лейбензона - 2,67 ч, за даними експериментальних вимірів - 2,75 ч.

Отримані автором результати аналітичного розв'язку та експериментальних досліджень, із застосуванням малоінерційних термодатчиків процесу твердіння і охолодження зливків, використані при виконанні теплотехнічних розрахунків процесів охолодження великих блюмінгових зливків в умовах діючого виробництва. У табл.1, як приклад, наведено розрахункові дані часу твердіння блюмінгових зливків виробництва Дніпровського металургійного комбінату і КДГМК "Криворіжсталь". Відповідно до даних таблиці розроблено технологію подачі зливка у камеру нагрівального колодязя блюминга-2 і наступного нагрівання зливків з рідкою серцевиною, що є дуже важливою і актуальною задачею для металургійного комплексу в цілому. На рис. 4 показані виробничі дані транспортування і наступного нагрівання зливків гарячого посаду масою 12,5 т у камері рекуперативного нагрівального колодязя блюминга-2 КДГМК "Криворіжсталь". З графіків випливає, що тривалість нагрівання по розробленій технології скоротилася на 1,27 г. При цьому питома витрата умовного палива знизилася на 1,4 кг у.п/т прокату, поліпшилася макроструктура прокатаних зливків.

Рис. 1. Графіки зміни Fo*/Ко,

КоЧ , ПоЧ у залежності від

величини критерія Bi1

Рис. 2. Графіки зміни Fп, ПоЧw2, Рис. 3. Зміна Н*/Ко, КоЧb1, ПоЧb2,

КоЧw1, КоЧyп у залежності від товщи- 1/(КоЧW*) у залежності від товщини

ни l(Fo) затверділого прошарку зливка l(Fo) затверділого прошарку зливка

Таблиця 1.

Результати розрахунку тривалості твердіння

Марка сталі Час повного твердіння t, ч Час транспортування до відділення нагревальних колодязів при посаді з об'ємом рідкої серцевини j, %

2,5 6,5 12,5 21 34 40

Криворізький державний гірничо-металургійний комбінат "Криворіжсталь". Зливки масою 12,5 т; розмір поперечного перетину 0,938ґ0,808м; Rэ = 0,491м

3пс 3,995 3,295 2,87 2,342 1,848 1,21 1,02

35ГС 3,995 3,293 2,867 2,34 1,83 1,327 1,121

30Х 4,064 3,186 2,755 2,27 1,817 1,22 1,016

Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського. Злитки масою 8 т; розмір поперечного перетину 0,734ґ0,655м; Rэ = 0,391м.

3пс 2,475 1,994 1,664 1,403 1,112 0,802 0,634

35 2,402 1,997 1,672 1,414 1,124 0,819 0,624

35ГС 2,570 2,103 1,754 1,496 1,184 0,857 0,679

Рис. 4. Динаміка температури поверхні зливків масою 12,5 т (КДГМК "Криворіжсталь") від розливання до видачі з нагрівальної камери: 1 - кінець розливання; 2 - роздягання злитка; 3 - посад у нагрівальний колодязь; 4 - подача палива; 5 - видача у прокат;

(- - -) - діючі режими охолодження і нагрівання; (---) - змінені режими

Розроблену автором енерго- і ресурсозберігаючу технологію охолодження і нагрівання впроваджено у потоці промислового виробництва великих зливків в умовах блюминга-2 КДГМК "Криворіжсталь".

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено дослідженню закономірностей несиметричного нагрівання осьових циліндричних заготовок у кільцевих печах осьопрокатного виробництва Дніпровського металургійного комбінату з метою досягнення рівномірності прогріву. Сформульовано математичну задачу несиметричного по периметру радіаційно-конвективного нагрівання необмеженого циліндра у полуменевій кільцевій печі:

(6)

(7)

(8)

Величина коефіцієнта випромінювання змінювалася по периметру перетину заготовки з урахуванням впливу взаємного розташування заготовок S/D по емпіричній формулі

. (9)

З метою урахування впливу деформованої подини на розподіл температурного поля по перетину циліндра математична модель (6)-(9) доповнюється граничними умовами IV роду для нижньої поверхні циліндра:

, (10)

де Тпод - температура пода; l1, l2 - теплопровідність циліндра і пода, відповідно.

Як метод реалізації математичної моделі (6)-(10) використано абсолютно стійку числову схему Дюфора-Франкела, яка достатньо добре зарекомендувала себе при розв'язанні задач металургійної теплофізики.

Надалі з урахуванням загальноприйнятих рекомендацій, що стосуються теплової роботи кільцевих печей, проведено промислові експерименти і наступна параметрична ідентифікація, що дозволило уточнити параметри зовнішнього теплообміну для вихідної системи рівнянь (6)-(10). На рис. 5, для прикладу, наведено результати порівняння розрахункових і експериментальних даних при нагріванні осьового циліндра 0,23 м у кільцевій печі стану 250 Дніпровського металургійного комбінату. З рисунку випливає задовільний збіг розрахункових і експериментальних значень температур у процесі нагрівання, а також доведено, що циліндр у конкретних умовах прогрівається несиметрично щодо поду печі. Досягти симетрії у процесі нагрівання можна двома прийомами: збільшенням періоду витримки металу, що, у свою чергу, призводить до перегріву, підвищеному окалиноутворенню і збільшенню витрати палива, або використанню операції механічного кантування (перевороту) заготовок. Автором виконано серії числових експериментів з метою виявлення умов вирівнювання температур по перетину заготовки за допомогою операції теоретичного кантування на 90° і 180°. Результати числових експериментів показують, що з використанням операції кантування істотно підвищується рівномірність прогріву, що, у свою чергу, дозволяє скоротити час перебування заготовок у технологічних зонах кільцевої печі. Розроблені автором режими нагрівання осьових заготовок для різноманітних умов теплової роботи кільцевої печі стану 250 пройшли дослідно-промислове випробування і впроваджені у виробництво.

Четвертий розділ присвячений одному з найбільш важливих питань у сучасних металургійних теплотехнологіях - удосконаленню теплової роботи багатозоних полуменевих методичних печей. Відповідно до методології дисертації виконано розрахунково-експериментальні дослідження режимів нагрівання блюмових заготовок у печах стану 900/750 Дніпровського металургійного комбінату і стану 600 Алчевського металургійного комбінату. В основу математичної моделі з метою розробки методики розрахунків полуменевих печей штовхального типу покладено

Рис. 5. Динаміка температур по перетину заготовок Ж 0,23 м:–

o—o– – експеримент; – – – – розрахунок

традиційне рівняння нестаціонарної теплопровідності із змінними теплофізичними характеристиками з урахуванням закономірностей несиметричного нагрівання спільно випромінюванням і конвекцією. Як математичний методу розв'язання поставленої задачі використано ідею "МЕД", коли у вихідне рівняння теплопереносу вводиться коригувальна функція, що подає собою осреднене значення різниці швидкостей зміни температур сусідніх наближень.

Таким чином, для визначення (п+1)-ої ітерації qп+1(x; Fo) необхідно розв'язати рівняння:

. (11)

В подальшому беремо рівняння

, (12)

де "еквівалентне джерело" fn+1(Fo) визначається умовою

Розв'язок виконано послідовно для інерційного і регулярного етапів відповідно до схеми термічного прошарку по Й.Д. Семикіну.

Після відповідних математичних перетворень загальний розв'язок задачі зведено до трансцендентного рівняння

. (14)

Тут введені такі позначення функцій:

при відповідному значенні температури центру пластини:

(17)

Функції (15), які входять в трансцендентне рівняння (14) припускають графічне подання або табулювання, що значно спрощує проведення розрахунків.

Узагальнення розв'язку двічі нелінійної задачі нестаціонарної теплопровідності для несиметричного нагрівання пластини одночасно випромінюванням і конвекцією здійснювалося методом суперпозиції.

Для оцінки точності та області застосування розв'язок описаної задачі зведено до окремого випадку нагрівання термомасивної пластини випромінюванням (опорна задача). У табл. 2 наведено результати тестування опорної задачі за даними числового розв'язку, отриманого Кавадеровим А.В. і Самойловичем Ю.А. Надалі виконано тестування розв'язку вихідної задачі за результатами числового розв'язку (рис. 6). З наведеного рисунка видно задовільний збіг розрахункових значень температур, отриманих з використанням "МЕД", і числового інтегрування по неявній схемі.

З метою коригування параметрів зовнішнього теплообміну, що входять у граничні умови вихідної задачі, здійснено параметричну ідентифікацію за даними проведених промислових експериментів. Аналіз результатів показав, що розбіжність розрахункових і експериментальних даних у високотемпературних зонах печі складає не більш 3-4%. Надалі збіг результатів поліпшується.

Таблиця 2.

Порівняння розрахункових і числових значень qп і qц для пластини

Fo qп d, % qц d, %

чисельне рішення розрахунок чисельне рішення розрахунок

0,2 0,3984 0,4086 2,52 0,1804 0,1782 1,05

0,4 0,5008 0,5124 2,27 0,2665 0,2611 2,03

0,6 0,5855 0,5978 2,06 0,3597 0,3519 2,17

0,8 0,6595 0,6722 1,9 0,4494 0,4390 2,31

1,0 0,7131 0,728 2,04 0,5327 0,5203 2,32

1,2 0,7766 0,7909 1,81 0,6082 0,5930 2,50

1,4 0,8207 0,8350 1,71 0,6748 0,6581 2,47

1,6 0,8566 0,8703 1,57 0,7324 0,7150 2,37

1,8 0,8857 0,8974 1,30 0,7815 0,7658 2,01

2,0 0,909 0,920 1,21 0,8226 0,8050 2,14

Рис. 6. Зміна температу-

ри верхньої (1), нижньої (2)

поверхонь і центру (3):

-o-o- - розрахунок за методикою МЕД;

-·- -·- числовий розрахунок

Все вищесказане показало надійність розробленої автором методики для удосконалення температурно-теплових режимів полуменевих багатозоних методичних печей. На цьому етапі виконано різноманітні розрахунки режимів нагрівання термомасивної пластини, метою яких було зниження температури в перших по ходу руху металу зонах полуменевих печей, що дозволяє, як правило, домогтися зниження питомої витрати палива. У табл. 3 і 4 наведено температурно-теплові режими і основні теплотехнічні показники прохідних методичних печей, що функціонують в умовах Дніпровського металургійного комбінату, з яких видно поліпшення основних показників теплової роботи.

Таблиця 3.

Температурно-теплові режими методичних печей стану 900/750

(існуючий режим/запропонований режим)

Температура, °С Р, т/г

Верхня сварочна зона Нижня сварочна зона Томильна зона

40

50

55

60

Таблиця 4.

Теплотехнічні показники роботи методичної печі ТЗС ДМК

Показник Існуючий режим Запропонований режим

Питома витрата умовного палива, кг у.п/т Коефіцієнт корисної дії печі, % Коефіцієнт використання палива, % 123 23,3 43,6 116 24,14 46,5

За аналогією з вищевикладеним розроблено температурно-теплові режими нагрівання для різноманітних груп марок сталей методичних печей стану 600 Алчевського металургійного комбінату. Порівняльні режими наведено в табл. 5, основні теплотехнічні показники роботи печей - у табл. 6.

Подані в табл. 3, 5 температурно-теплові режими багатозоних методичних печей впроваджені в умовах чинних виробництв.

Таблиця 5.

Температурно-теплові режими методичних печей стану 600 (існуючий

режим/запропонований режим) при продуктивності Р = 100-120 т/г

Група сталі Температура, °С

Томільна зона I верхня сварочна зона I нижня сварочна зона II верхня сварочна зона II нижня сварочна зона

I 1270 – 1310 1360 – 1380 1300 – 1320 1270 – 1320 1240 – 1280

1280 – 1310 1360 – 1380 1300 – 1320 1240 – 1300 1220 – 1260

II 1260 – 1300 1340 – 1360 1300 – 1320 1260 – 1280 1230 – 1250

1270 – 1300 1340 – 1360 1300 – 1320 1240 – 1270 1220 – 1240

III 1260 – 1280 1320 – 1340 1290 – 1300 1250 – 1270 1220 – 1240

1260 – 1280 1320 – 1340 1290 – 1300 1240 – 1250 1210 – 1220

Таблиця 6.

Теплотехнічні показники теплової роботи методичних печей

Показник Існуючий режим Пропонований режим

Питома витрата умовного палива, кг у.п/т Коефіцієнт корисної дії печі, % Коефіцієнт використання палива, % 101,6 24,38 67,9 97,1 25,41 67,95

ВИСНОВКИ

1. Розроблено графо-аналітичний метод розрахунку твердіння і охолодження блюмінгового зливка, що базується на використанні "МЕД", який має високий ступінь точності і використано для удосконалення технології охолодження зливків перед посадом у нагрівальну камеру колодязя.

2. Зіставлення графо-аналітичного методу з іншими теоретичними методами, наприклад, методом Лейбензона, з числовим інтегруванням вихідної задачі, а також з даними промислового експерименту, довело його ефективність для використання в прикладних задачах металургійної теплофізики з нелінійністю III роду.

3. Виконано експериментальні і теоретичні дослідження режимів нагрівання циліндричних заготовок і зливків у полуменевих кільцевих печах з механізованим обертовим подом. На підставі даних комплексних досліджень сформульована математична модель несиметричного по периметру нагрівання необмежених циліндрів. Розв'язок сформульованої задачі виконано числовим методом при використанні абсолютно стійкої явної схеми Дюфора-Франкела. Проведено серії теплотехнічних розрахунків циліндричних осьових заготовок з урахуванням теоретичного кантування на 90° і 180°. Відповідно до результатів числових розрахунків розроблено температурно-тепловий режим нагрівання осьових заготовок, що передбачає забезпечення симетричності нагрівання за рахунок операції механічного кантування при скороченні загального часу нагрівання.

4. Удосконалено температурно-теплові режими полуменевих методичних печей різноманітного конструктивного оформлення і з різноманітними схемами опалення. При удосконаленні режимів автором розроблено метод розрахунку нагрівання термомасивної пластини для інерційного і регулярного етапів, з використанням математичного апарата "МЕД". У процесі тестування отриманого розв'язку за даними промислових експериментів і результатами числового розв'язку вихідної задачі досягнуто задовільний збіг, що підтвердило доцільність застосування отриманого автором розв'язку у теплотехнічних розрахунках полуменевих методичних печей різноманітних конструкцій.

5. При використанні результатів математичного моделювання, розроблених методик розрахунків і експериментальних досліджень автором удосконалені температурно-теплові режими нагрівальних колодязів при нагріванні в них зливків з підвищеним тепловмістом, полуменевих кільцевих і методичних печей, що в результаті дозволило:

в умовах КДГМК "Криворіжсталь" для нагрівальних колодязів скоротити час нагрівання на 1,27 г, знизити питому витрату умовного палива на 1,4 кг у.п./т, підвищити якість готової металопродукції;

в умовах Дніпровського металургійного комбінату

- для кільцевих печей стану 250 знизити питому витрату умовного палива на 0,5 кг у.п/т і окалиноутворення на 0,3 кг/т;

- для печей № 1 - 3 ТЗС збільшити коефіцієнт корисної дії на 2,7%, питому витрату умовного палива знизити на 7 кг у.п./т;

в умовах Алчевського металургійного комбінату для печей стану 600 знизити питому витрату умовного палива на 4,5-2 кг у.п./т (у залежності від продуктивності печі) і окалиноутворення, відповідно, на 0,2-0,1 кг/т.

Фактичний (частковий) економічний ефект за рахунок впровадження ресурсо- і енергозберігаючих режимів твердіння, охолодження і нагрівання склав 578351,23 грн/рік.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Промышленные теплотехнологии. Моделирование нелинейных процессов. Учеб. Ч.5. / В.И. Тимошпольский, И.А. Трусова, А.П. Несенчук, С.С. Бродский, О.В. Дубина, И.А. Павлюченков. – Мн.: Выш. школа, 2000. – 319 с.

2. Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Бродский С.С., Дубина О.В. Аналитические способы расчетов процесса затвердевания слитков и заготовок // Литье и металлургия. Официальный журнал Белорусского объединения литейщиков и металлургов. – 1999. – № 4. – С.32–34.

3. Постольник Ю.С., Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Дубина О.В. Тепловые процессы при затвердевании крупных стальных слитков // Литье и металлургия. Официальный журнал Белорусского объединения литейщиков и металлургов. – 2000. – № 1. – С.53–55.

4. Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Козлов С.М., Дубина О.В. Обеспечение равномерности прогрева цилиндрических слитков посредством кантования при нагреве металла в кольцевых печах // Металлургическая теплотехника: Сборник науч-

ных трудов НМетАУ. Т. 3. – Днепропетровск: НМетАУ, 2000. – С. 183–188.

5. Дубина О.В., Тимошпольский В.И. Расчетный анализ режимов затвердевания крупных блюминговых слитков // Теория и практика металлургии. – 2000. – № 6 (20). – С. 3-4.

6. Тимошпольский В.И., Дубина О.В., Цкитишвили Э.О., Кияшко Н.А. Усовершенствование тепловой работы методических печей для нагрева блюмовых заготовок // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. – № 1. – С. 104–108.

7. Дубина О.В., Тимошпольский В.И., Козлов С.М. Теплотехнический анализ несимметричного нагрева и кантования цилиндрических заготовок в пламенных кольцевых печах // Металлургическая теплотехника: Сборник научных трудов НМетАУ. Т. 4. – Днепропетровск: НМетАУ, 2001. – С. 162-167.

АНОТАЦІЇ

Дубина О.В. Разработка ресурсосберегающих режимов при затвердевании и нагреве стальных слитков и заготовок. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. – Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика.– Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена разработке ресурсосберегающих режимов при затвердевании, охлаждении и нагреве стальных слитков и заготовок. Целью работы является разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих режимов тепловой работы нагревательных колодцев, пламенных кольцевых и методических печей при нагреве в них слитков и заготовок. Объектами исследований являются блюминговый слиток при его затвердевании и последующем нагреве, цилиндрические осевые и блюмовые призматические заготовки при их нагреве в пламенных кольцевых и методических печах, температурно-тепловые режимы нагревательных колодцев и пламенных печей различной конструкции. Предмет исследований – изучение закономерностей теплофизических процессов при затвердевании, охлаждении и нагреве слитков и заготовок с учетом теплотехнологических особенностей изучаемых объектов.

Разработан графо-аналитический метод расчета режима затвердевания блюмингового слитка в изложнице и метод экспериментального исследования затвердевающего слитка с помощью малоинерционных термодатчиков.

Сформулирована и реализована численным методом Дюфора-Франкела математическая модель несимметричного по периметру нагрева осевых цилиндрических заготовок в пламенной печи. Разработана методика расчета температурно-тепловых режимов пламенных многозонных методических печей толкательного типа, при этом решение исходной дважды нелинейной задачи осуществлено методом эквивалентных источников ("МЭИ") в рамках классической схемы термического слоя, предложенной Семикиным И.Д.

Адекватность математических моделей и методик расчета подтверждается результатами сравнения с другими классическими методами теплофизики и теплоэнергетики, в частности, с методом Лейбензона, с численным решением исходных задач и результатами экспериментов, полученных автором непосредственно в про-

изводственных условиях.

Разработаны и подтверждены экспериментально температурно-тепловые режимы кольцевых печей с механизированным подом, работающих в условиях механического кантования, с целью достижения равномерности нагрева и температурно-тепловые режимы методических печей различного конструктивного оформления.

В результате комплексного решения сформулированных задач металлургической теплофизики разработаны температурно-тепловые режимы нагревательных устройств, которые внедрены в условиях металлургических комбинатов "Криворожсталь", Днепровского и Алчевского, позволяющие снизить удельный расход условного топлива, уменьшить окалинообразование, увеличить производительность нагревательных устройств и повысить качество готовой металлопродукции. Фактический (долевой) экономический эффект составляет 578351,23 грн/год.

Ключевые слова: энерго- и ресурсосберегающие режимы, металлургическая теплофизика, пламенная печь, нагревательный колодец, затвердевание, нагрев, метод эквивалентных источников ("МЭИ"), численный метод, термодатчик.

Дубина О.В. Розробка ресурсозберігаючих режимів при твердненні та нагріві сталевих злитків та заготовок. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика.- Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

З урахуванням аналізу літературних джерел і використання результатів теоретичних і експериментальних досліджень режимів твердіння, охолодження і нагрівання зливків і заготовок розроблені і удосконалені температурно-теплові режими полуменевих печей металургійного виробництва різноманітного конструктивного оформлення: рекуперативних нагрівальних колодязів, кільцевих і методичних печей. У ході досліджень у рамках цілей і задач дисертаційної роботи сформульовані і розв'язані нелінійні задачі теплофізики і теплоенергетики металургійного виробництва: твердіння і охолодження блюмінгового зливка, нагрівання циліндричних і призматичних заготовок у полуменевих печах різноманітних конструкцій. Як методи математичної реалізації задач використано метод еквівалентних джерел і метод комп'ютерного моделювання на основі абсолютно стійкої явної кінцево-різницевої схеми Дюфора-Франкела. Всі теоретичні розробки адаптовані до реальних теплотехнологічних умов і агрегатів, що підтверджує їхню надійність і доцільність для практичного застосування. Результати роботи у вигляді удосконалених температурно-теплових режимів агрегатів металургійного виробництва впроваджені на ряді найбільших металургійних комбінатів України: "Криворіжсталь", Дніпровському і Алчевському. У результаті впровадження розробок отримано значне зниження питомої витрати умовного палива, зменшення окалиноутворення, збільшення продуктивності теплотехноло-гічних агрегатів.

Ключові слова: енерго- і ресурсозберігаючі режими, металургійна теплофізика, полуменева піч, нагрівальний колодязь, твердіння, нагрівання, метод еквівалентних джерел ("МЕД"), числовий метод, термодатчик.

Dubina O.V. Development of Resource-Saving Regimes for Steel Ingots and Billets Solidification and Heating. Manuscript.

Dissertation is submitted to obtain Candidate of Science degree in specialty 05.14.06. – Technical Thermal Physics and Industrial Heat Engineering.- National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk 2001.

Departing from the literature analysis and the theoretical and experimental research into solidification, cooling and heating of the ingots and billets, temperature and heat regimes for flame furnaces have been developed and improved. The furnaces are utilized in metallurgical production and are presented in different designs: recuperative heating wells, circular and continuous furnaces. For the purpose of reaching the aims of the dissertation the non-linear equations of thermal physics and heat engineering for metallurgical production have been formulated and solved. The above mentioned equations are developed for the processes of solidification and cooling the blooming ingot, of heating cylindrical and prismatic billets in flame furnaces of different designs.

The method of equivalent sources and computer modeling on the basis of absolutely stable obvious terminal-randomized scheme of Dufor-Frankle was used for mathematical realization of the equations.

All the theoretical developments are adapted to the currently operating heat technological units and facilities, which proves their reliability and practical value. The main results of

the research are manifested in the improved temperature and heat regimes of metallurgical production that have been implemented at a number of the greatest metallurgical complexes of Ukraine: Krivorozstal, Dneprovsky and Alchevsky Works.

Implementation of the research developments resulted in the reduction of the specific loss of conventional fuel, lower level of drossing and higher productivity of heat engineering facilities.

Keywords: Energy and resource-saving regimes, metallurgical thermal physics, flame furnace, heating well, solidification, heating, method of equivalent sources (MES), numerical method, thermal indicator.