автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и разработка печей струйного типа для низкотемпературного нагрева металла

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

РГВ од

На правах рукописи

Шперный Александр Васильевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЕЧЕЙ СТРУЙНОГО ТИПА ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛА

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск 1994

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре "Теплотехника и гидравлика" Запорожского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор П. Г. КРАСНОКУТСКИЙ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.И. ГУБИНСКИЙ кандидат технических наук, доцент B.C. БАЗДЫРЕВ

Ведущее предприятие: Электрометаллургический завод "Днепроспецсталь" им. А.Н. Кузьмина, г. Запорожье

Защита, состоится «(

1994 года в

часов

на заседании специализированного Некого совета К 068.02.01 при Государственной металлургической академии Украины по адресу: 320635, г.Днепропетровск, проспект Гагарина, дом 4

С диссертацией: можно ознакомиться в библиотеке Государственной металлургической академии Украины.

Реферат разослан « 94 года.

Ученый секретарь специализированного ученого совета кандидат технических наук,

доцент А /Г Ю.С. ПАНИОГОВ

/Щ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Задачи увеличения производительности нагреватель-ых печей, уменьшения их размеров и материалоемкости, повышения эконо-ичности и экологической чистоты, уровня механизации и автоматизации, также качества готовой металлопродукции относятся к числу важнейших современной металлургической и машиностроительной теплотехнике.

Особенно остры обозначенные проблемы в применении к нагреватель-ым устройствам кузнечно-штамповочного производства, и в первую оче-едь - к печам для низкотемпературного нагрева длинномерных штанг пе-ед резкой на мерные заготовки. Такие печи, в которых осуществляется агрев стальных штанг диаметром более (0,04-0,05)м во избежание обра-ования при резке торцевых трещин на заготовках, повышения надежности ресс-ножниц и долговечности режущего инструмента, чрезвычайно широко аспространены в промышленности, но в настоящее время крайне несовер-енны. Ввиду того, что низкотемпературному нагреву подвергается бо'ль-ая часть используемых в машиностроении заготовок, существенно повы-ить технико-экономические показатели работы оборудования в кузнечном еределе без радикального совершенствования печей для нагрева штанг од резку практически невозможно.

Одним из наиболее перспективных методов решения перечисленных вые задач является струйный нагрев, позволяющий при оптимальных услови-х в 3-5 раз повысить интенсивность теплоотдачи к заготовкам в срав-ении с продольным обтеканием их поверхностей. Высокая интенсивность еплообмена, простота и гибкость управления этим процессом, возмож-ость интенсифицировать теплоотдачу только на отдельных участках за-отовки или только в течении заданных промежутков времени - все это беспечивает преимущества указанного метода перед другими способами нтенсификации нагрева металла в печах машиностроительной и металлур-ической промышленности. Рассматриваемый метод успешно апробирован в асокотемпературных нагревательных устройствах кузнечного и прокатно-о производства, но для эффективного использования его в печах низко-емпературного нагрева заготовок необходимо продолжить и расширить ис-педования закономерностей конвективной теплоотдачи системы струй к илиндрической поверхности в стесненном пространстве, обобщение полу-внных результатов в виде инженерных методик определения оптимальных энструктивных параметров системы "сопло-заготовка-камера"! и расчета знвективного теплообмена в печи, а также разработку конструкций пе-эй и рациональных режимов низкотемпературного нагрева заготовок раз-

личных диаметров и марок сталей с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения металла на участке печь - пресс-ножницы.

Решению указанных вопросов и посвящена данная диссертационная рг бота, которую, в связи с вышеизложенным, следует считать актуальной представляющей определенный научный и практический интерес.

Цель работы. Исследование и разработка печей струйного типа дл? низкотемпературного нагрева длинномерных заготовок под резку на базе изучения закономерностей конвективного теплообмена системы осесиммет ричных струй с цилиндрической поверхностью в ограниченном пространст ве и расчетов рациональных режимов нагрева металла с допустимой инте сивностью и с учетом его охлаждения на участке печь - пресс-ножницы.

Научная новизна и основные положения, вынесенные на защиту. Изучены закономерности конвективного теплообмена в камере печи с бою вым отоплением при набегании системы скоростных осесимметричных стру; на цилиндрическую поверхность. Установлены оптимальные геометрически! параметры камеры и струйной системы, при которых обеспечиваются мака мальные интенсивность, равномерность и эффективность теплоотдачи к н< греваемой заготовке и к кладке печи. Полученные результаты обобщены критериальными зависимостями для расчета конвективного теплообмена в камере при разработке нагревательных устройств струйного типа.

На основании решения сопряженной задачи внутреннего теплообмена задачей термоупругости по методу, разработанному П.Г.Краснокутским и В.А.Кривандиным, определена допустимая интенсивность нагрева длинномерных цилиндрических заготовок различных диаметров и марок сталей (сплавов) под резку.

Предложены и рассчитаны режимы низкотемпературного нагрева заготовок с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения металла на участке печь - пресс-ножницы. ,

Разработана конструкция проходной печи струйного типа для низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок различных диаметров перед резкой на пресс-ножницах.

Практическая значимость. Использование результатов, полученных в данной работе, позволяет:

- значительно увеличить производительность и КПД печей для низкотемпературного нагрева вследствии повышения интенсивности теплоотдачи к поверхности-заготовок;

- сократить потери металла с окалиной и браком;

- улучшить качество готовой металлопродукции за счет увеличения

равномерности нагрева заготовок, сохранения мелкозернистой структуры стали в результате интенсификации нагрева, за счет повышения пластичности металла и сокращения количества окалины на его поверхности:

- заметно снизить удельные расходы топлива;

- увеличить надежность и долговечность режущего инструмента и оборудования за счет равномерного, стабильного нагрева металла до оптимальных температур резки;

- высвободить значительные производственные площади;

- повысить уровень механизации и автоматизации процессов нагрева и резки заготовок.

Реализация результатов работы. На основании результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований предложены технические решения, которые реализованы в конструкции проходной печи струйного типа для низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок, новизна которой защищена авторским свидетельством на изобретение, и в режимах нагрева металла в ней с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения заготовок на участке пэчь - пресс-ножницы.

Разработанная конструкция печи и режимы нагрева металла внедрены в кузнечном цехе ЗПО "Моторостроитель". Годовой экономический эффект от внедрения составил 79,4 тыс.руб.в ценах 1989 года.

Достоверность результатов. Все основные научные выводы и рекомендации достаточно убедительно обоснованы и подтверждены экспериментальными данными, полученными в лабораторных и промышленных исследованиях. а также результатами расчетов, выполненных на ЭВМ.

Апробация работы .Основные результаты научных исследований и разработок доложены и обсуждены на Всесоюзных и Республиканских научно-, технических конференциях: "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии" (Днепропетровск, 1989), "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (Свердловск, 1990), "Проблемы энергосбережения" (Киев, 1991), "Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения" (Санкт-Петербург, 1992).

Публикашш. По материалам диссертации опубликованы 12 научных работ, в том числе 1 авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация общим обьемом в 231 страницу состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 256 наименований, 2 приложений на 7 страницах и содержит 172 машинописных страницы основного текста, 49 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности данной диссертации, формулировке рассматриваемой проблемы, определению способа ее решени и направлений выполненных исследований и разработок, а также изложению основных научных положений, и итогов их практического применения, вынесенных на защиту.

Состояние вопроса. Цель и залами исследований. В первой главе выполнен анализ современного состояния поставленной проблемы в ее на более важных аспектах: исследование конвективной теплоотдачи струй к цилиндрическим и плоским поверхностям, конструкции печей и режимы ни: котемпературного нагрева металла.

Изучение закономерностей конвективного теплообмена при набегании струй на поверхность различных преград было предметом чрезвычайно мн< гочисленных работ, выполненных отечественными и зарубежными исследов; телями. Наиболее заметный вклад в эту область знаний внесен В.Н.Тимофеевым, Б.Н.Юдаевым и В.К.Савиным, В.И.Миткалинным, В.П.Дыбаном и А.И.Маэуром, К.Перри, Р.Гардоном и Дж.Акфиратом, а также их ученикам! и последователями.

Ввиду того, что конвективный теплообмен струи с преградой протекает в сложнейшей гидродинамической обстановке, произвести даже полуэмпирическое описание этого процесса удается только для элементарных случаев, да и то лишь со значительными упрощениями, которые заметно снижают достоверность получаемых результатов и делают их малопригоднь ми для практических расчетов. Поэтому наиболее точные количественные характеристики конвективной теплоотдачи струй на сегодняшний день могут быть получены только экспериментальными методами, в в преобладающем большинстве публикаций представлены результаты именно таких иссле дований.

Ознакомление с обширным экспериментальным материалам, дает основание для утверждений о том, что в настоящее время детально изучено влияние практически всех мыслимых геометрических и режимных параметров струйных систем в различных диапазонах на интенсивность, равномер ность и эффективность конвективной теплоотдачи к поверхности преграды При этом, однако, было установлено, что параметры струйных систем ока зывают существенное взаимное влияние друг на друга. В связи с этим разработка нагревательных устройств струйного типа и расчеты теплообмена- в их камере должны опираться на достоверные экспериментальные данные, отражающие в заданном диапазоне влияние всей Совокупности па-

метров, определяющих характеристики конвективной теплоотдачи в пе-[. Известная научно-техническая литература до выполнения настоящей [ссертационной работы таких экспериментальных данных для решения подавленной проблемы не содержала. Наиболее близки к ним были резуль-1ты исследований, проведенных в Запорожском машиностроительном инс-!туте, но они были получены не для систем, а для одиночных струй и, к )му же, только в условиях печей со сводовым расположением горелок. )этому для разработки печей низкотемпературного нагрева металла по->ебовалось выполнить исследования конвективного теплообмена системы асимметричных струй с цилиндрической поверхностью.и кладкой в каме-зх нагревательных устройств с боковым отоплением, которые предоставит более широкие возможности по управлению нагревом металла.

Обзор крайне незначительного числа литературных источников, в ко-эрых рассмотрены конструкции печей для низкотемпературного нагрева зготовок под резку и их технические характеристики, свидетельствует о ом, что печи данного технологического назначения с преобладающим адиационным теплообменом в камере не удовлетворяют современным тре-ованиям по интенсивности, равномерности нагрева и отличаются чрез-ычайно высокой тепловой инерционностью, затрудняющей управление этим роцессом. Ряд циклонно-вихревых печей, разработанных фирмой "Бритиш эз" и ВНИИПромгаэом, а также опытно-промышленный образец нагреватель-ого устройства струйного типа, созданный во ВНИГОТеплопроекте, более роизводительны, менее инерционны, но работают они в камерном режиме и следствие этого не обеспечивают стабильности температур металла в юмент резки, что приводит в перегрузкам и преждевременному износу ре-:ущего оборудования и инструмента. Проходная печь струйного типа для [агрева полосы под резку, которую разработали совместно ВНИИПромгаз и )ГК ГАЗ, наиболее полно удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым : таким нагревательным устройствам, но ее существенным недостатком яв-гяется размещение горелок в своде, - а это заметно увеличивает длину гечи и ограничивает ее возможности по управлению нагревом металла в :равнении с нагревательными устройствами с боковым отоплением. Учиты-}ая вышеизложенное, были поставлены задачи по разработке конструкции троходной печи струйного типа с боковым расположением горелок для низ-ютемпературного нагрева цилиндрических заготовок различного диаметра н промышленным испытаниям ее тепловой работы.

В известной научно-технической литературе какие-либо материалы о режимах низкотемпературного нагрева заготовок до последнего времени

отсуствовали. Вместе с тем бесспорным было то, что такие режимы для всемерного повышения производительности рассматриваемых печей должны разрабатываться, исходя из предельно допустимой интенсивности нагрев; металла. Наиболее точно и эффективно указанная задача может быть решена с использованием расчегно-теоретического метода, предложенного 1 развитого П.Г.Краснокутским и В.А.Кривандиным. Поэтому в данной диссертации, поставлена цель на основании именно этого метода разработан и реализовать алгоритм определения допустимой интенсивности низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок, а затем, опираясь на полученные результаты, сформулировать идеи по совершенствованию рассматриваемого процесса и выполнить расчеты рациональных ре жимов нагрева с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения заготовок на участке печь - пресс-ножницы.

Исслелование конвективного теплообмена в стесненном пространстве при набегании системы осесимметричных струй йа цилиндрическую поверхность выполнены с помощью метода злектрокалориметрии на экспериментальной установке, включающей камеру, систему воздухоснаб-жения, контрольно-измерительную и регулирующую аппаратуру. Основной частью установки являлись специально разработанные электрокалориметры для определения коэффициентов конвективной теплоотдачи к цилиндрической заготовке и к кладке. Суммарная предельно допускаемая погрешность эксперимента не превышала +5,83%.

При проведении исследований геометрические параметры камеры варьировали в следующих пределах: диаметр заготовки сМ0=2-5 (где - начальный диаметр струи, м); шаг между осями рядом расположенных струй 3/(10=4-12; расстояние от среза сопла до заготовки х/(^=2,33-7,60 и от заготовки до пода Ь/^О-З.ЗЗЗ. Начальная скорость воздушных струй составляла *во = ( 1,17-9,41)1^0 (Ее=4,41'103-В,82-104), что соответствует скорости истечения продуктов сгорания из сопл скоростных газогорелоч-ных устройств в диапазоне их устойчивой работы уг0 = ( 25-200 )м*с.

Полученные экпериментапьные данные обработаны, представлены и проанализированы в виде распределений локальной теплоотдачи по поверхности цилиндрической заготовки и кладки, а также графиков, илюстрируюцих влияние скорости струй и перечисленных выше геометрических параметров на интенсивность теплообмена в критической точке заготовки, среднюю теплоотдачу к ней и к кладке, а также на равномерность теплоотдачи к цилиндру и на эффективность конвективной теплоотдачи системы струй к указанным поверхностям. Среднюю теплоотдачу при этом рассчитывали как

среднеинтегральную в пределах шага между осями рядом расположенных струи, равномерность теплоотдачи к заготовке определяли отношением ее средней теплоотдачи к интенсивности теплообмена в критической точке, а эффективность теплоотдачи струй при варьировании геометрических параметров оценивали величинами тепловосприятия рассматриваемых поверхностей - относительными количествами воспринимаемого ими тепла.

На основании анализа экспериментальных данных установлены оптимальные значения геометрических параметров системы "сопло-заготовка-камера", которые обеспечивают условия для достижения высокой интенсивности и равномерности теплоотдачи струй не только к поверхности заготовки, но и к кладке печи при наибольшей эффективности теплооотдачи в ее камере. Высокие показатели конвективной теплоотдачи к кладке способствуют повышению ев температуры, интенсифицируют радиационный теплообмен в печи и, как следствие, увеличивают скорость нагрева металла. Повышение эффективности конвективной теплоотдачи (тепловосприятия заготовки и кладки) приводит к возрастанию эффективности использования тепла в камере и равнозначно повышению экономичности печи. Рекомендованные оптимальные геометрические параметры составляют: с1/с1ао1П.=2,5--3.5; з/(1оопт=б-10; х/с!аип.=4-б и Мао1ГГ=0-1.

Результаты исследований обобщены в диапазоне Ее=4,41-103-8,82-10^ сЗ/с10=2—5, 8/(1,5=6-12, х/с10=4-7 и ЬМо=0-2 критериальными выражениями:

- для определения относительного расстояния х/с!0, которому соответствует максимальная интенсивность теплоотдачи к заготовке

(х/с!0)тах = [6-0.454(«Мо-3.333)2].[(<1/^)/3.333]й451; (1)

- для расчета теплоотдачи в лобовой критической точке заготовки

№1т = 1,227-НеО-612.рг<,0.25. {РГ(/РГП)°-25• • -ех-, (2)

где: еА= 18,478-Ее-0-5б1.(14,375-Ке0.612_^о)2+1,171-Ее-М19 (3)

с3= [(в/с10)/8]Ч + к2. (4)

=-[1,224+0,743(с1'с10-3,333)2].Ре"0-253. (5)

Ч = [1, 593+2,457-10"3-((1/^-3,ЗЗЗ)16]-Ее"^. (-6)

е*= {1-Ч'[(^0-^«вах)2-(1/ф]та-5)2]}х[(Х/(10)/5]*4. (7)

КЗ = 0, 463- ((!/<!(,)2Л34.ке-0.460 (8) М =-{121,81+7,356[(сМ0 )/3,333]Э.512х

х((1/с1о-3,333)^}.Ке-0.635, (9)

еЬ= 1+0,(Ь/<10-1)2. [ (3-Ь/<10)/2]к6, . (10)

ч = [1-(с1Л1о-3,333)2]. «Юо)МИ (11)

ц = 0,158-(с!/^ . ке0.269; (12)

- для расчета средней теплоотдачи к поверхности заготовки N11 ^ 8,643-10-2-Не0.818-Рго0.25.(РГ(/РГп)0.25.^.^.?х.4Ь. (13)

где: 1-1,887(^0-3,333)2-Ие-Щ (14)

= [(в/<10)/8] 11 + Ь. (15)

11 =-[159,3+6,311 (^-3,333)8] -Б!е-0.562 (1б)

12 = [119,1+6,559(^(10-3,333)«] -Ее-И.б50 (17) 5х = {1-1з-[(^о-Х/(1отах)2-(х/(1оВМ-5)2]}х[(х/(1о)/5]к (18)

13 = {18, 091+4, 804 [((Мо)/3.333 ]*ШХ

х((1/(1о-3,333)2}Ее-0.454, (19) М =-{19,979-8,352[((1/с1о)/3.333]-0.'«7х

х((1/(1о-3, 333)2}103.Ее15. (20)

15 =-{0,888-0,204[(<1Л1о)/3,333]1.5б2К

х((1/с10-3, 333)2), (21)

1+3,954^6-0.519.16. (Ь/(10-1)2.[(3-Ь/(10)/2]17. (22)

16 = [1-((1/(1о-2)2].((1/<1о)-0-772 (23) 17= {6,507-4,482[((1'(1о)/3,333]-0-7'1бх

х((1/(1о-3,333)2}Ке-0.135 (24)

- для расчета средней теплоотдачи к поверхности кладки N1^ = 4,384-10-2.ReO.813.рГ(>0.25. (РГ(/РГп) <125. ^. ^ ■ ^ - (25)

где: = 1-0,182(£1'<10-Э,333)2.Ее-й129 (26)

[(^4о)Я]»1. (27)

В1 = -41,946 -ЕетЫ!', (28)

[(х/£5о)/5]пг (29)

щ = -7.149(<1/<10 >0.843 .рв-а369 (30)

= (Ь/(10+1)ЮЗ. (31)

щ = -гг.збз-не-о.^. (32)

Поправочные функции г,, и ^ в выражениях (2),(13) и (25) пред-

ставляют собой отношения текущих значений в указанных диапазонах

эометрических параметров системы к соответствующим значениям Ыи} при У0=3,333, аМ0=8, х/(10=5 и Ш0=1. для которых справедливо ги функции позволяют в расчетах конвективного теплообмена в печи оце-ить изменение теплоотдачи к заготовке и к кладке, обусловленное от-понением конструктивных параметров от оптимальных значений.

Среднеквадратичное относительное отклонение при аппроксимации экс-ериментальных данных приведенными выражениями составило ±3,0%, а об-ая погрешность в исследованиях с учетом ошибок эксперимента ±6,53%.

Разработка эффективных режимов низкотемпературного нагрева :еталла. При создании технологии и конструкций печей струйного типа еобходимо, с одной стороны, использовать все имеющиеся резервы по корости нагрева для увеличения производительности, повышения эконо-ичности нагревательных устройств и качества металла, а с другой - не ревысить допустимую интенсивность нагрева, за пределами которой воз-икает опасность разрушения металла от термических напряжений'. Поэто-у проблема определения допустимой интенсивности нагрева заготовок, и оответственно - допустимой плотности теплового потока к ним представ-яет значительный практический интерес.

В данной работе эти величины найдены из решения задачи оптималь-ого управления процессом, направленной на определение управляющего оздействия - суммарного коэффициента теплоотдачи как функции времени а£)(х), обеспечивающего минимальную длительность нагрева заготовки шп при следующих условиях:

1. В допластическом состоянии, при котором минимальная температу-а в сечении заготовки ниже 450-600)°С - в зависимости от марки тали (сплава),- температурные напряжения сгт+ не превышают допустимой ¡еличины (0.8-0,9)сгв.. где ств - временное сопротивление металла разрыву

стт+(х) < (0,8-0,9)ств, 0<х<хт1п; (33)

2. Температура поверхности заготовки в процессе нагрева не пре-1Ьппает температуры начала резки ^=(500-800)00 - в зависимости от гарки стали (сплава)

Таи, 0 < х < Хщщ; (34)

3. По окончании нагрева температура поверхности заготовки ^ (авна температуре а максимальная разность температур в по-шречном сечении не превышает заданного значения д1мд=(20-30)°С

^ А^; (36)

4. Значение суммарного коэффициента теплоотдачи выбирается, иск дя из результатов исследований конвективного теплообмена в камере с учетом радиационной составляющей в печах струйного типа

аи(х) £ 1500 Вт/(м2.К), Осгстщп. (37)

Температурные напряжения, возникающие в заготовке при ее нагреве, рассчитывали согласно выражения:

ст= р-Е-(t - t)/(l - %)■ (38)

в котором коэффициент Пуассона для стали был принят равным х=0>3-

Динамику и распределение температуры в сечении заготовки определ ли решением двухмерного дифференциального уравнения теплопроводности полярной системе координат

8t 1 д dt 1 д dt

— -----(г-а--) +----(а--)

дх г дг дт г2 ее 8Q

при начальных условиях

t(r,e,x) = t(r,e.o) = t0(r,9) и граничных условиях третьего рода

dt

-*.•(—= СЩ (tr-ttf). (41)

дг

Суммарный коэффициент теплоотдачи к заготовке определен как - <4 + (42)

где коэффициент теплоотдачи излучением газ-кладка-металл равен

[(Tr)<- (Ttti)4]

«rbHroii = От™"-• (43)

(tr. - ttti)-108

значение приведенного коэффициента излучения C¡,pr-bM- найдено по общеизвестной методике, а температура газа принята равной tr=1400°C.

Допустимую плотность теплового потока к поверхности заготовки рассчитывали по выражению

Чч!*011 = aw(tr.-tii). (44)

Поставленная задача решена численным методом расщепления согласно алгоритму, реализованному в ФОРТРАН-программе ЕС ЭВМ. При этом на каждом интервале времени дт определяли максимальное значение суммарного

(39)

(40)

коэффициента теплоотдачи а^, с учетом ограничения 4. и соответственно - плотность теплового потока к заготовке Чп.1Д01. которые обеспечивают выполнение условий 1 и 2. Окончание процесса нагрева определяли по выполнению условия 3 - соотношений (35) и (36).

Величиной а£| при вычислениях варьировали за счет изменения значений коэффициентов конвективной теплоотдачи сц. Изменение же последних 1ри струйном нагреве цилиндрических поверхностей, как было показано во зторой главе данной работы, может осуществляться в чрезвычайно широких 1ределах, что позволяет гибко и эффективно управлять внешним теплооб-«еном в печи, и таким образом - скоростью нагрева металла.

Расчеты выполнены для заготовок различных диаметров и марок статей (сплавов). Анализ полученных при этом данных свидетельствует о гом, что для преобладающей части марок сталей и сплавов термические шпряжения ограничивают скорость нагрева'только в начальной стадии, и ; тому же, очень кратковременно. В дальнейшем единственным фактором, шмитирующим интенсивность рассматриваемого процесса, является только температура поверхности заготовки. В такие промежутки времени, которые ¡оставляют более половины всего периода нагрева металла, происходит (ыравнивание температурного поля по сечению заготовки при чрезвычайно 1изких значениях теплового потока к нагреваемой поверхности. Основное [остоинство струйного нагрева - высокая плотность теплового потока к ¡аготовке - в этих случаях не реализуется, что приводит к снижению [роизводительности печи, увеличению ее длины, тепловых потерь через ладку и, как следствие,- к неоправданным перерасходам топлива.

Для устранения указанных недостатков предложены технические реше-ия по совершенствованию режимов низкотемпературного нагрева металла в ечи с допустимой интенсивностью, учитывающие охлаждение заготовки на частке печь - пресс-ножницы. С этой целью были откорректированы .и до-олнены следующие условия, определяющие алгоритм расчетов (здесь сох-анена принятая выше нумерация, но с добавлением индексов):

2а.Температура поверхности заготовки в процессе нагрева в печи не ревышает максимальной температуры нагрева под резку - (750—1050)°С в ависимостиот марки стали (сплава).

За.На выходе из печи температура поверхности заготовки и перепад емператур по ее сечению равны максимальным значениям, при которых в омент резки (по истечении установленного времени охлаждения) обеспе-иваются оптимальные температуры резки 1зад и лt5aд,•

4а.Значение суммарного коэффициента теплоотдачи при нагреве в пе-

чи, как и ранее, не превышает сщИЦ=1500 Вт/(м2-К), а при охлаждении а^0*1 определяется условиями теплообмена с окружающей средой.

Введено также дополнительное условие:

5. Длительность охлаждения заготовки на участке печь-пресс-ножниць принята равной х®*=(0,5-2)мин, как наиболее вероятная в производстве.

Расчеты нагрева в данном случае осуществляли согласно выражений (38)-(44), а для вычислений температур металла при его охлаждении применяли те же уравнения, в которых вместо температуры газов 1г фигурировала температура окружающего воздуха, принятая равной 1В=20°С. Теплоотдачу излучением и свободной конвекцией при охлаждении рассчитывал» по известным методикам, для чего в качестве начальных условий использовали распределение температур в сечении заготовки на выходе из печи.

Эта задача также решена численным методом расщепления с использованием ФОРТРАН-программы на ЕС ЭВМ. При расчетах нагрева на каждом интервале времени определяли максимальное значение коэффициента теплоотдачи ай831"?, с учетом ограничения 4а, и плотность теплового потока к поверхности заготовки, при которых соблюдаются условия 1 и 2а. Окончание процесса определяли по выполнению условий 2а и За. В расчетах охлаждения металла на каждом интервале времени определяли суммарный коэффициент теплоотдачи плотность теплового потока к поверхности заготовки и распределение температур в ее сечении. Процесс завершали по истечении времени, заданного условием 5.

В соответствии с разработанным алгоритмом произведены расчеты нагрева заготовок разнообразных диаметров и марок сталей при различной длительности охлаждения металла между печью и пресс-ножницами. Полученные результаты показали, что использование предложенных режимов позволяет повысить интенсивность нагрева заготовок различных диаметров > марок сталей в 1,1-1,9 раз в сравнении с режимами, разработанными без учета охлаждения заготовок на участке печь-пресс-ножницы. А это, как известно, равнозначно увеличению производительности печи либо сокращению ее длины в указанное число раз, и приводит к снижению расходов топлива. Кроме того, разработанные режимы обеспечивают оптимальную температуру резки стабильно, независимо от времени пребывания заготовок на участке печь - пресс-ножницы, что способствует заметному повышению надежности и долговечности режущего инструмента и оборудования.

Иг.сгтрлгпияштв режимов низкотемпературного нагрева металла в опытно-промышленной печи. На основании выводов, сделанных из анализа существующих конструкций нагревательных устройств, рекомендаций.

сформулированных, исходя из экспериментальных данных по конвективной теплоотдаче системы струй к поверхности цилиндра в стесненном пространстве, а также результатов расчетов нагрева заготовок с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения металла на участке печь - пресс-ножницы разработана конструкция проходной печи струйного типа, с боковым отоплением для низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических штанг различного диаметра, новизна и целесообразность практического применения которой защищены авторским свидетельством на изобретение. Опытно-промышленный образец этой печи внедрен в кузнечном цехе ЗПО "Моторостроитель".

Данная печь предназначена для нагрева заготовок (штанг) диаметром (О,030-0.150)м и длиной (0,8-б,0)м из конструкционных, легированных и жаропрочных сталей (сплавов). Производительность печи равна ЗбООкг/ч. В качестве топлива используется природный газ с теплотой сгорания 34,0 МДж/м3, номинальный расход которого составляет Уг=120м3/ч. В боковых стенах печи установлены 12 скоростных горелок СВА (по шесть штук с каждой стороны) в шахматном порядке под углом 20° к горизонту. Расстояние между осями рядом расположенных горелок составляет 0,265м, а противоположных - 0,133м. Камера печи в поперечном сечении представляет собой равнобокую трапецию с верхним основанием 0,33м. нижним -0,46м, и углом у нижнего основания - 70°. При увеличении (уменьшении) диаметра заготовки верхнюю часть камеры с помощью специального механизма перемещают вверх (вниз) до уровня, при котором оси струй пересекаются с продольной осью заготовки. Этим обеспечиваются условия для наиболее интенсивного и равномерного нагрева заготовок различного диаметра в процессе конвективного теплообмена со струями продуктов сгорания. Заготовки проталкиваются вдоль печи по неохлаждаемым роликам из-сплава ХН77ТЮР, которые установлены с шагом 0,345м по длине камеры и согласованы по уровню с приводными роликами цехового рольганга. Размеры печи в плане - (2,345х1,080)м, а высота - 1,570м. Печь оснащена необходимыми средствами для измерения расходов газа и воздуха, а также температур печи и поверхности металла на выходе из нее. Предусмотрена и автоматика для аварийного отключения подачи газа на печь при внезапном снижении давления в системах ее газо- и воздухоснабжения. Управление нагревом металла осуществляется автоматически по его конечной температуре путем изменения тепловой мощности печи и темпа проталкивания заготовок.

Для оценки эффективности тепловой работы рассматриваемой печи был

проведен нагрев заготовки диаметром 0,090м из сплава ХН38ВТ(ЭИ703), этой целью в центре контрольной заготовки, а также на ее поверхности диаметрально противоположных точках: верхней и нижней,- были эачека-нены хромель-ашомелевые термопары. Такие же термопары были установле ны на своде и боковой стенке камеры для измерения температуры кладки При проведении контрольного нагрева расходы газа и воздуха, а также температуру печи регистрировали по щитовым приборам КСД-3 и КСП-3-11 Запись показаний термопар, установленных в заготовке и кладке, осуще ствляли шеститочечным потенциометром КСП-4, а температуру продуктов сгорания в камере и на срезе сопл горелок измеряли термопарой торможения в комплекте с переносным потенциометром ПП-63. Одновременно с этим был сделан отбор проб продуктов сгорания для определения их химического состава. Длительность нагрева составила 5,5мин. По завершении эксперимента печь была отключена для оценки ее тепловой инерци онности.

Полученные экспериментальные данные сопоставлены с результатами специально выполненного расчета нагрева заготовки указанного диаметр и марки сплава, согласно алгоритму, рассмотренному в предыдущей главе, с учетом охлаждения металла между печью и пресс-ножницами в тече нии 2 минут. Практически совпавшие результаты расчета и эксперимента подтвердили высокую достоверность разработанной математической модел и точность метода расчета режимов нагрева. Незначительные отклонения экспериментальных данных от расчетных кривых обусловлено распространением тепла вдоль оси заготовки, чего не отражает используемое двух мерное уравнение теплопроводности (39). В результате этого и общая длительность нагрева, полученная расчетом, оказалась на 0,5мин. мень ше реального времени, зафиксированного в эксперименте.

Температура кладки при проведении контрольного нагрева не превышала 1080°С, что способствует увеличению срока службы огнеупорных материалов, повышает надежность и долговечность печи, а также.снижает ( тепловые потери. После отключения горелок температура кладки стремительно снижается, что служит доказательством низкой инерционности печи, обеспечивающей широкие возможности по управлению нагревом металл;

Заметных изменений в структуре сплава и нарушений сплошности заг< товки после контрольного нагрева обнаружено не было. Химический сост; газов в камере соответствовал полному сгоранию топлива с коэффициент« расхода воздуха равным 1,05. Удельный расход тепла на нагрев металла при проведении эксперимента составил 2,076 МДж/кг, расход условного т

шива 70,781 кг/т, а КПД печи даже без использования рекуператора ра-зен был 28,45%, что соответствует современному уровню развития печной: теплотехники.

Заключение. Основные итоги выполненных исследований и разработок юстоят в следующем:

1. Изучены закономерности конвективного теплообмена системы ско- ■ юстных осесимметричных струй с цилиндрической поверхностью в стеснен-гам пространстве - камере печи с боковым отоплением. Исследовано влия-1ие начальной скорости струй, диаметра нагреваемой заготовки, и расстояний между осями рядом расположенных струй (шага между горелками), 1Т среза сопл до поверхности заготовки, и от заготовки до пода камеры [а локальную и среднюю теплоотдачу к заготовке и к кладке, на равно-юрность теплообмена струй с нагреваемой поверхностно, а также на- эффективность использования тепла в камере печи.

• Определены оптимальные конструктивные параметры системы "сопло-аготовка-камера", которые при высокой интенсивности и равномерности еплоотдачи струй к поверхности заготовки и к кладке обеспечивают вы-окую эффективность использования тепла в камере печи.

3. Полученные экспериментальные данные и результаты их анализа об-бщены критериальными выражениями для расчета конвективного теплооб-ена при разработке нагревательных устройств и режимЬв струйного на-рева цилиндрических заготовок.

4. С использованием общих подходов и методов расчетно-теоретичес-эго анализа допустимой интенсивности скоростного струйного нагрева эталла, разработанных П.Г.Краснокутским и В.А.Кривандиным, произве-эно математическое описание задачи, составлен алгоритм и выполнены зсчеты допустимой интенсивности низкотемпературного нагрева длинно-зрных цилиндрических заготовок различных диаметров и марок сталей :плавов).

5« Исходя из анализа результатов выполненных расчетов допустимой пенсивности нагрева металла,- предложен способ совершенствования ре-шов низкотемпературного нагрева заготовок с учетом их охлаждения на тетке печь - пресс-ножницы.

6. Разработан алгоритм и рассчитаны рациональные режимы низкотем-»ратурного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок различных гаметров и марок сталей (сплавов) с допустимой интенсивностью и с 1етом охлаждения металла в течении различного времени пребывания на [астке между печью и пресс-ножницами. Показана высокая эффективность

и значительные перспективы применения предложенных режимов низкотемпературного нагрева длинномерных штанг перед резкой на мерные заготов ки, обеспечивающих существенное увеличение производительности печи, уменьшение ее размеров и материалоемкости, повышение надежности и дол говечности оборудования, а также качества готовой продукции.

7. На основании результатов выполненных экспериментальных и рас-четно-теоретических исследований, а также выводов, сделанных из их анализа и обобщения, разработана конструкция и изготовлена опытно-промышленная проходная печь струйного типа с боковым расположением скоростных газогорелочных устройств и подвижной камерой для низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок различных диаметров перед резкой на пресс-ножницах, новизна и целесообразность практического применения которой защищены авторским свидетельством на изобретение.

8. Исследованы тепловая работа созданной печи и режимы нагрева ме талла в ней, в результате чего доказана высокая достоверность разрабо танной математической модели низкотемпературного нагрева заготовок с допустимой интенсивностью и с учетом их охлаждения на участке печь-пресс-ножницы, получено экспериментальное подтверждение высокой производительности, надежности и экономичности печи, ее низкой тепловой инерционности и возможности гибкого управления теплообменом в рабочем пространстве.

Разработанная конструкция печи внедрена на Запорожском производственном обьединении "Моторостроитель". Годовой экономический эффект от внедрения в ценах 1989 года составил 78,4 тысяч рублей.

Материалы лиссертатши опубликованы в следующих работах:

1. А.С.1225862 СССР, МКИ С 21 D 1/52. Способ скоростного струйного нагрева цилиндрических заготовок различных диаметров в проходных печах/П.Г.Краснокутский,В.А.Кривандин,А.В.Шперный и др.(СССР).-N 3812178/22-02; Заявлено 20.09.84; Опубл.23.04.86, Вол. N 15// Открытия, изобретения.- 1986.- N 15.- С.74.

2. Определение допустимой интенсивности низкотемпературного скоростного струйного нагрева металла/ П.Г.Краснокутский.В.А.Кри-вандин.В.Н.ТТрикашная и А.В.Шперный // Известия вузов.Черная металлургия,- 1988.- N 11.- С. 128-131.

4. Краснокутский П.Г..Шперный A.B..Трикашная В.Н. К вопросу об оптимальных режимах низкотемпературного струйного нагрева металла. - УкрНИИНТИ, 1988.- Деп. N 1676-Ук88.- 25 е., ил.

5. Расчеты допустимой интенсивности струйного нагрева заготовок перед разрезкой с учетом их охлаждения на участке печь - пресс-ножницы/ П.Г.Краснокутский,В.А.Кривандин,Е,Н.Трикашная,А.В,Шпер-ный// Кузнечно-штамповочное производство.- 1989,- N 1.- С.29-31.

5. Краснокутский П.Г.,Шперный A.B.,Трикашная E.H. Эффективные технологии низкотемпературного струйного нагрева металла// Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии: Тез.докл. Республиканской научно-тезничес-'кой конференции - Днепропетровск, 1989,- С.48.

7. Перспективы применения печей струйного типа для низкотемпературного нагрева металла/ Краснокутский П.Г..Шперный A.B.,Толмачев В.И.и Трикашная E.H.// Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии: Тез.докл. Всесоюзной научно-технической конференции - Свердловск, 1990.- С.79-80.

3. Шперный A.B..Краснокутский П.Г..Трикашная E.H. Исследование конвективного теплообмена в камере печи при набегании системы осесимметричных струй на цилиндрическую поверхность// Известия вузов.Черная металлургия,- 1992,- N 3.- С,61-65.

Э. Шперный А,В..Краснокутский П.Г..Трикашная E.H. Определение конструктивных параметров печи при нагреве цилиндрической заготовки системой струй//Известия вузов.Черная металлургия,- 1992,- N 1,-С.108-111.

Э. Краснокутский П.Г.,Шперный A.B. Расчет конвективного теплообмена при набегании системы осесимметричных струй на цилиндрическую поверхность//Известия вузов.Черная металлургия,- 1992,-N 5,- С.В1-83.

L. Краснокутский П.Г,,Шперный А,В, Печь струйного типа для нагрева длинномерных изделий под разрезку на пресс-ножницах// Кузнечно-штамповочное производство,- 1992.- N 3,- С.34-36.

I, Краснокутский П.Г.,Шперный A.B..Трикашная В.Н. Перспективные методы нагрева металла в печах машиностроения// Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения: Тез. докл.Республиканской научно-технической конференции - Санкт -Петербург.- 1992,- С.57.