автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и разработка установок индукционного подогрева стальных слябов после непрерывной разливки

На правах рукописи

Чмиленко Федор Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО ПОДОГРЕВА СТАЛЬНЫХ СЛЯБОВ ПОСЛЕ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ

Специальность: 05.09.10 - электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Демидович В. Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Смирнов В. В.

кандидат технических наук Червинский В. И.

Ведущее предприятие - АО «ВНИТИ»

Защита диссертации состоится » ](л| 1998 г. В час. на

заседании диссертационного совета К ОбЗ.'Зб.Ов. Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан » 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дзлиев С. В.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В конце XX века в индустриально развитых странах, создаются металлургические комплексы, которые совмещают непрерывную разливку стали с ее прокаткой, минуя зоны долговременного хранения и повторного нагрева слябов перед прокаткой. Реализация технологической линии «непрерывная разливка - непрерывная прокатка» (НРНП) позволяет существенно снизить энергозатраты на производство горячекатаных листов, ленты и т.д. при снижении стоимости готовой продукции. Необходимым элементом линии являются нагреватели, которые согласовывают возможную неритмичную работу литейной машины с прокатным станом.

Доведение температурного поля сляба до необходимых кондиций непосредственно перед прокаткой наиболее перспективно осуществлять в индукционных нагревательных установках (ИНУ) из-за ряда общеизвестных преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, более экономичное использование деформирующего оборудования, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания, в том числе, при пуске, остановке, смене номенклатуры изделий и быстрая окупаемость. Кроме того, это связано с растущей долей электроэнергии среди всех видов энергии, а тем самым, повышением роли электротермии в стратегии энергетического выбора.

Так как мощности подогревательных установок составляют десятки мегаватт, важное значение приобретает поиск энергетически эффективных режимов и конструкций ИНУ.

Индукционный нагрев (ИН) является одним из наиболее сложных электротермических процессов. Основную роль играют электромагнитные и тепловые процессы. В результате нагрева и структурных превращений также возникают внутренние термические и структурные напряжения. Отсюда следует - проектирование высокопроизводительных установок нагрева тел прямоугольного сечения, особенно ферромагнитных, а также определение оптимальных режимов нагрева, являются очень сложными задачами (в основном из-за высоких требований по качеству и экономичности нагрева). Проведение натурных экспериментов с целью получения информации, облегчающей проектирование и управление, затруднительно и экономически невыгодно. В этих условиях качественное проектирование ИНУ тел прямоугольного сечения наиболее эффективно при использовании математических моделей процессов нагрева. Но, до настоящего времени отсутствовали эффективные модели, позволяющие моделировать температурные поля стального сляба не только при нагреве в индукторе, но во всем цикле его жизнедеятельности, начиная от кристаллизатора, газовой печи, индукционного на-

гревателя и заканчивая его входом в прокатный стан. В связи с этим поставлены следующие задачи.

Цель работы. Исследование и разработка ИНУ для нагрева стальных слябов в линии НРНП. Создание комплекса проблемно-ориентированных моделей процесса НРНП тел прямоугольного сечения, ориентированного на исследование и проектирование полностью всей линии непрерывной разливки - прокатки, включая зоны охлаждения сляба при выходе из кристаллизатора, пребывания заготовки в зонах теплового отстоя или газовых печах и конечный подогрев в ИНУ.

Методы исследования. Разработка проблемно-ориентированных моделей ИНУ и исследование электромагнитных, тепловых полей и параметров -этих устройств проводились методами математической физики, вычислительной математики и методами теорий индукционного нагрева и системного программирования.

Для решения внутренней электротепловой задачи использован метод конечных разностей (МКР). Внешняя электромагнитная задача решалась приближенным методом магнитных схем замещения.

Достоверность полученных результатов определялась путем параллельных расчетов различными методами и сравнением расчетных результатов с экспериментальными и опубликованными в других работах.

Научная новизна. Разработан комплекс проблемно-ориентированных моделей процесса НРНП тел прямоугольного сечения, который включает в себя разливку слябов, газовый и индукционный нагрев, основанный на решении внутренней электротепловой задачи МКР и внешней электромагнитной задачи, методом магнитных схем замещения.

Разработана методика моделирования комплекса НРНП стали.

Практическая ценность. Разработан комплекс из 7 программ общим объемом около 100 тысяч строк операторов языка С++, позволяющий моделировать динамику кристаллизации и нагрева тел прямоугольного сечения как в ИНУ, так и в газовых печах, а также рассчитывать и проектировать секционированные индукционные нагреватели.

Получены рекомендации по проектированию всего комплекса и ИНУ в частности.

Созданы две базы данных для свойств материалов. В первой собраны свойства материалов, используемых в качестве загрузки. Во второй собраны свойства материалов футеровки.

Внедрение результатов работы. Разработанные программы и полученные результаты по исследованию динамики индукционного нагрева тел прямоугольного сечения используются в Санкт-Пербургском государственном электротехническом университете при проведении научно-исследовательских работ, дипломного проектирования, обучающего процес-

са по курсам «Проектирование ЭТУ», «Моделирование систем высокочастотного нагрева».

Часть разработанных программ внедрена в учебный процесс в Новосибирском государственном техническом университете.

С использованием разработанных программ корпорация Inductotherm, New Jersey, США разработала и создала в 1995г. индукционный нагреватель для самой крупной установки непрерывной разливки стали корпорации Geneva Steel, Utah, США.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международном семинаре по индукционному нагреву - IHS-98 (Padua, 1998),- на- Всероссийской конференции - Надежность механических систем (Самара, 1995), на 50 и 51 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы в соавторстве, из них три статьи и тезисы к докладу на конференции.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 71 наименование. Основная часть работы изложена на 97 страницах машинописного текста. Работа содержит 58 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулирует цель исследований, отмечает научную новизну и практическую значимость работы. Здесь же приведены основные положения вынесенные на защиту.

В первом разделе проанализированы структурные изменения в металлургической промышленности, вызванные внедрением в конце XX века в производство линий HPHII. В связи с этим, рассмотрены основные области использования нагрева тел плоской формы такие, как нагрев крупногабаритных слябов, нагрев тонких слябов и нагрев ленты, также рассмотрены существующие конструкции индукционных нагревателей для подогрева кромок стальных слябов или ленты. Проведен анализ особенностей моделирования нагрева плоских тел.

Вплоть до конца XX века большая часть стали производилась на крупных заводах, где в основном расплавленная сталь отливалась в слитки. Затем, эти слитки подогревались от температуры окружающей среды до температуры прокатки и поступали на прокатный стан. Развитие непрерывной разливки коренным образом изменило этот подход. Теперь сляб после выхода из кристаллизатора, не допуская его полного остывания, направляют к прокатному стану. Перемены, связанные с этим можно назвать революцией в сталелитейной промышленности, т.к. кроме понижения затрат энергии и по-

нижения материальных затрат, связанных с обработкой и хранением слитков, они изменили структуру металлургической промышленности. Появилась возможность конкурировать на рынке маленьким заводам, переплавляющим металл в электрических печах.

Современный способ для производства слябов, блюмов и ленты интегрирует три стадии производства - отливка слябов, подогрев и прокатка - в непрерывной линии. Цель подогрева заключается в том, чтобы подготовить сляб к стадии прокатки с требуемым температурным полем поперек его ширины и вдоль его длины, вытекающим из технологии прокатки.

Необходимость в подогреве возникает из-за того, что температура в различных областях сляба меняется по разному. Так, кромки сляба остывают быстрее, чем центральные области. Этот эффект может быть причиной механических и металлургических проблем во время прокатки слябов и ленты, таких как увеличение износа стана и возможность обламывания краев ленты. Для некоторых сортов стали возникает нежелательное изменение в структуре металла, что в свою очередь отражается на конечной продукции. На неравномерное распределение температуры также оказывают влияние толщина, ширина и тип металла. Отсюда вытекают проблемы при создании подогревающих установок в линии НРНП со сменной номенклатурой изделий (различная толщина, ширина или тип металла загрузки).

Только комплексное моделирование с помощью ЭВМ позволяет всесторонне исследовать весь процесс, оценить влияние различных факторов на температурное поле в загрузке, провести оптимизацию конструкции и режимов работы всей линии.

Программа, реализующая на ЭВМ решение существенных для данного ИНУ уравнений, представляет собой его цифровую модель - современную форму математической модели. Следует отметить, что первые электротепловые модели индукционных нагревателей, основанные на численном решении двухмерных уравнений электромагнитного поля, были разработаны в 70 годы.

При создании математических моделей в расчет принимались результаты и модели полученные в СПбГЭТУ (ЛЭТИ) на кафедре ЭТПТ в течении последних 20 лет: двухмерная электротепловая модель для слитков из алюминиевых сплавов, созданная Демидовичем В.Б.; двухмерная электротепловая модель для ферромагнитных заготовок прямоугольной формы, приведенная в диссертации Стохниола А.; классификация ИНУ, анализ краевых эффектов, электротепловые модели в диссертации Руднева В.И.; одномерная электротепловая модель во временной области, описанная в диссертации Харфуш А.

Для получения оптимальных параметров системы подогрева, таких как конструкция ИНУ и выбор частоты, проектировщик должен быть способен

предсказать температурное распределение после непрерывной разливки перед входом заготовки в индуктор. Отсюда вытекает требование к модели, чтобы она охватывала весь процесс жизни заготовки, который можно разбить на этапы: расплавленная сталь, кристаллизатор, вторичное охлаждение, резка, газовая печь, индукционный нагреватель и транспортировка к прокатному стану. До настоящего времени программы, реализующие такую модель, отсутствуют. Поэтому, в данной работе основное внимание уделено проблеме адекватного и эффективного моделирования динамики всего процесса НРНП.

В данном случае задача оптимального проектирования и оптимального управления трехмерным температурным -полем сводится к решению трех связанных задач.

1. Задача быстродействия.

2. Задача обеспечения необходимого температурного поля в поперечном сечении.

3. Задача обеспечения необходимого температурного поля по длине сляба. Необходимость в решении этой проблемы возникает при использование ИНУ с осциляторным (возвратно-поступательным) движением сляба.

Второй раздел посвящен разработке одномерных моделей комплексов НРНП. Приведено обоснование выбора одномерной модели и область ее применения. Описаны две разработанные одномерные модели и программа расчета электромагнитного и теплового полей в телах цилиндрической и плоской формы. Проведено сравнение погрешности представления синусоидальности магнитного поля в загрузке. Рассмотрено применение одномерных моделей для моделирования всего комплекса, включая кристаллизатор, газовую печь и индукционную подогревающую установку. Приведен расчет температурных полей сляба в процессе его перемещения по линии от кристаллизатора до прокатного стана с анализом полученных результатов.

Процесс нагрева заготовок в ИНУ в линии НРНП представляет самую сложную часть общей модели. Это обусловлено тем, что в отличие от этапов разливки, транспортировки и газового подогрева приходится решать внутреннюю и внешнюю электрические и внутреннюю тепловую задачи. В связи с этим, по степени важности, сложности и предъявляемым проблемам, моделирование нагрева тел в ИНУ занимает главное место во всем комплексе и ее создание является первоочередным.

Процесс моделирования ИНУ стальных слябов целесообразно начинать с решения задачи быстродействия. Требуется найти управление Uopt(t), обеспечивающее нагрев сляба до заданной конечной температуры Тк с заданной абсолютной погрешностью s по всему его объему в минимальное возможное время r = /min при ограничениях на управляющее воздействие 0< U(t) <£/max и ira максимальную температуру в объеме заготовки

Ттах(х,0 < Тогр, I е[О,/0]. Для решения этой задачи целесообразно использовать одномерную модель, так как она позволяет в полном объеме и быстро решить поставленную задачу. Использование двухмерной модели на этом этапе не дает преимуществ, но требует больших затрат компьютерного времени, а следовательно, и времени разработчика. При этом надо учесть, что развитие вычислительной техники позволяет с использованием одномерной модели проводить расчеты заготовок в масштабе реального времени в полном объеме даже для ферромагнитных заготовок, что особенно важно для систем автоматизированного управления.

Процесс индукционного нагрева длинного цилиндра или бесконечно широкой пластины в продольном магнитном поле описывается системой одномерных нелинейных дифференциальных уравнений электромагнитного поля и теплопроводности в одномерной постановке

тИ^'^Ь ]с°т'Н модель 1 (1)

1 д( 2,Ш\ ЗН

модель2 ®

^ 31 1 д(, г,дГ\

при соответствующих начальных и граничных условиях.

Удельная объемная мощность внутрешшх источников теплоты для мо-

ш1

, а для модели 2 источники теплоты определяются по рас-

дели 1 и- „

дх

ЗН Зх

л /г;

пределеншо установившихся значений поля на периоде Т и' = р\~

0 '

показатель геометрии системы, ( = 0 • плоская, £ = 0,5 - цилиндрическая; х-пространственная координата, х е[х,,х4]. Остальные обозначения общепринятые.

Первая модель использует представление о синусоидальности магнитного поля и производит расчет внутренних источников теплоты по первой гармонике, вторая модель разработана с учетом не синусоидальности электромагнитного поля для расчета индукционного нагрева материалов с сильно нелинейными свойствами.

Проверка правильности расчетов электромагнитного поля осуществлялась сравнением с аналитическим решением для цилиндра с постоянной магнитной проницаемостью и удельным сопротивлением.

Выполнен сравнительный анализ обеих моделей. При расчете нагрева ферромагнитной стали погрешность в определении температуры в начале при допущение синусоидальности электромагнитного поля достигает 15-

25%. Однако, погрешность определения конечного температурного поля не превышает 3%. Объясняется это тем, что большая часть времени нагрева приходится на «горячий» режим, когда сталь потеряла магнитные свойства и допущение синусоидальности электромагнитного поля в загрузке является вполне корректным.

Для моделирования первой стадии процесса кристаллизации (первичное охлаждение), в уравнении (3) внутренние источники теплоты принимаются равными нулю, а процесс охлаждения задается условиями теплообмена на поверхности через температуру окружающей среды и коэффициентом теплообмена. Одна из основных задач проектировщика на этом этапе - это способность оценить толщину, образовавшейся твердой оболочки слитка.

Моделирование охлаждения водой (зона вторичного охлаждения) происходит точно также, только с той разницей, что задаются соответствующие коэффициенты теплообмена и другая температура окружающей среды, которые зависят от количества используемой воды, температуры поверхности и углов направления форсунок. На этом этапе должно произойти полное затвердевание стали по сечению, чтобы была возможность приступить к его резке на слябы определенной длины. Но, при этом надо контролировать скорость охлаждения, чтобы вследствие термических напряжений не возникали внутренние трещины.

Охлаждение на воздухе описывается формулами свободного теплообмена. Его длительность определяется продолжительностью операции резки и временем доставки сляба к газовой печи (тепловой яме) или к ИНУ.

Для расчета теплообмена в газовой печи можно использовать формулу, учитывая температуру футеровки Тф и температуру газовой среды Тс

где с„р - коэффициент, учитывающий взаимное облучение для плоских поверхностей; с, =5,7'Ю-8Вт 1{мг -КА) - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; ек и е2 - коэффициенты черноты тел.

Завершающим звеном комплекса является индукционная печь. Наиболее сложным для расчетов и наиболее эффективным в этих условиях является нагреватель, который состоит из ряда автономно запитываемых индукторов, а помещенный внутрь нагревателя сляб совершает возвратно-поступательные движения по роликам, находящимся между секциями индукторов. Длина одного прохода сляба при нормальных условиях равна расстоянию между роликами.

(4)

В реферируемой работе приведен полный расчет на одномерной модели температурных полей стального сляба (200x1500мм) в течении его перемещения по линии НРНП от кристаллизатора до прокатного стана с анализом полученных результатов. Частота ИНУ 110 Гц.

Третий раздел посвящен разработке двухмерных моделей комплексов НРНП. Разработаны две двухмерные модели (с учетом несинусоидальности распределения электромагнитного поля внутри загрузки и по первой гармонике) и программа расчета электромагнитного и теплового полей в теле прямоугольного сечения. Рассмотрено применение двухмерных моделей для моделирования комплекса НРНП, включая кристаллизатор, газовую печь и индукционную подогревающую установку.

Процесс ИН проводящих тел прямоугольного сечения в двухмерной постановке сводится к решению квазистационарного нелинейного дифференциального уравнения в частных производных относительно напряженности магнитного поля и нестационарного уравнения теплопроводности

д_

ас

сН) д { Ж

дс) ду

+Х Р= ]°>№н

Ж

=т

д_( Ш) д_

а\р а*Гд?\Г %

й & ск) + ск ду,

дН

а

(модель 1) (модель 2)

ду \ ду)

при соответствующих начальных и граничных условиях.

Источники теплоты для модели 1 равны м>=р

дН

ск

Ж

(5)

(6) (7)

а для моде-

ли 2 источники теплоты определяются по распределению установившихся

значений поля на периоде Т = р |

дН 2 дН 2\

& +

У

Л Т.

При предположении синусоидальности магнитного поля внутри загрузки можно решать его по первой гармонике (модель 1), но при сильных нелинейностях, возникающих при нагреве стали до точки Кюри, предпочтительнее использовать решение во временной области (модель 2).

. Предполагая симметрию распределения электромагнитного и температурного полей по прямоугольному сечению, целесообразно рассматривать четвертую часть тела для того, чтобы уменьшить объем вычислительных операций и требования к ресурсам ЭВМ. Основными точками контроля температуры в слябе являются: центр сляба, центр узкой стороны сляба, угол поперечного сечения сляба и центр широкой стороны сляба. МКР представляется наиболее эффективным методом для вычисления температурных полей в этом случае.

+

Для решения уравнения (5) введем подстановку H=U + jV и воспользуемся итерационной схемой переменных направлений. Для уравнения (6) и для уравнения (7) эффективно применить либо схему Писмена-Рэкфорда (продольно-поперечная), либо локально одномерную схему (JI.O.C.).

Потребность в использовании двухмерных моделей в процессе моделирования комплекса НРНП вытекает из необходимости решения задачи обеспечения приемлемого температурного поля в поперечном сечении. При использовании одномерных моделей, мы получаем качественные результаты, но не можем судить о температурном распределении в угловых зонах заготовки наиболее подверженных охлаждению, которое зависит от таких параметров, как толщина, ширина, условий теплообмена и физических свойств металла. Надо достаточно хорошо знать степень их охлаждения, так как их подогрев является основной задачей ИНУ, стоящей непосредственно перед прокатным станом. Именно степень охлаждения угловых зон оказывает важную роль на выбор типа ИНУ и на ее рабочий режим.

В реферируемой работе приведен полный расчет на двухмерной модели температурных полей стального сляба (200x1500мм) в процессе его перемещения по линии НРНП от кристаллизатора до прокатного стана с анализом полученных результатов. Частота ИНУ 110 Гц. На рис. 1 показано распределение температуры в поперечном сечение сляба непосредственно перед входом в прокатный стан.

В четвертой разделе исследуются индукционные нагреватели крупногабаритных слябов. Приведены критерии оценки нагрева стальных заготовок в различных типах индукционных нагревателей. Рассматривается страйпинг эффект, проявляющийся при нагреве слябов в индукционных печах с возвратно-поступательным движением загрузки: Анализируется использование комбинации индукционного нагревателя и газовой печи.

Проведено сравнение трех типов индукционных установок для нагрева слябов.

1. Установка, состоящая то шеста линий по три индуктора Росса, периодического действия в McLouth Steel в г. Трентоне (США).

2. Установка непрерывного действия, состоящая из 7 индукторов в Лу-лэо (Швеция).

3. Установка непрерывного действия с возвратно-поступательным движение сляба, состоящая из 7 индукторов Geneva Steel corp., Utah, США.

В реферируемой работе проводится сравнение этих трех типов ИНУ по шести критериям для подогрева и нагрева слябов постоянной и переменной длины.

1. КПД системы. При нагреве слябов одинаковой длины, КПД для этих 3 типов нагревателей будет примерно одинаков. Изменение длины нагреваемых слябов будет сказываться только на периодических индукторах Росса.

10 80

Рис. 1. Температура в поперечном сечение сляба непосредственно перед входом в прокатный стан (Частота ИНУ 110 Гц)

ю во

Рис. 2. Температура в поперечном сечение сляба непосредственно перед входом в прокатный стан (Частота ИНУ 110 Гц; газовая печь не применялась)

При нагреве более коротких слябов, поскольку индукторы рассчитаны на максимальную длину, вследствие большого воздушного зазора в них будет снижаться КПД и коэффициент мощности. При изменение ширины нагреваемых слябов в индукторах Росса могут возникнуть проблемы с равномерностью температурного поля по причине продольного краевого эффекта. Для непрерывной или осциляторной ИНУ, использование слябов с шириной меньше максимальной, ведет к снижению КПД и коэффициента мощности. Поэтому, в ИНУ с осциляторным движением при уменьшение ширины более чем в два раза от максимальной, целесообразно нагревать сразу несколько слябов. Например, для поддержания высокого КПД и производительности при нагреве, слябов различной длины и ширины в ИНУ установленной в Geneva Steel имеется возможность нагревать либо 2 длинных сляба, расположенных рядом друг с другом, либо 4 коротких и узких слябов, расположенных двумя парами, либо 1 большой сляб.

2. Удобство транспортировки. Очевидно, что осцилирующий и непрерывный нагреватели не имеют значительных проблем с транспортировкой. Напротив, при использовании индукторов Росса транспортировка представляет ряд трудностей, связанных с вертикальным расположением слябов и его устойчивостью на узкой грани.

3. Удаление окалины. Окалина, попадающая на элементы конструкции индуктора является одной из причин выхода ИНУ го строя. Наиболее приспособлены к удалению окалины индуктора Росса. Их конструкция обеспечивает минимальный контакт окалины с элементами индукторов.

4. Потребность в буферной зоне. ИНУ на основе периодических индукторов Росса и ИНУ с осцилирующим движением сляба не нуждаются в специальных буферных зонах. И как их преимущество можно отметить, что в случае кратковременной остановки прокатного оборудования они могут использоваться в режиме термостатирвания. Однако, для ИНУ непрерывного действия возникают проблемы неравномерного распределения температуры в продольном сечении при нагреве длинных слябов. Начало сляба, покинув последний индуктор, подвергается остыванию в то самое время, как конец сляба все еще остается в ИНУ и продолжает нагреваться. Равномерность температурного поля по длине сляба можно обеспечить, используя термоста-тирующую буферную зону. В качестве буферной зоны можно применять газовую печь, работающую в режиме компенсации тепловых потерь с поверхности загрузки или же в самом простом случае использовать для буферной зоны только футеровку.

5. Конечное температурное поле по поперечному сечению сляба. При нагреве стальных слябов одинаковой толщины и ширины достаточная равномерность конечного температурного поля будет приблизительно одинаковой и обеспечивается правильным выбором частоты и режимом нагрева.

6. Занимаемая площадь. Одно из преимуществ ИНУ в сравнении с газовыми печами - небольшая рабочая площадь. При сравнении различных типов ИНУ самые лучшие показатели у установки с возвратно-поступательным движением. Ее длина определяется максимальной длиной нагреваемых слябов. ИНУ, использующие периодические индукторы Росса, также занимают небольшую площадь (слябы размещаются вертикально), но для обеспечения необходимой производительности приходится использовать параллельно несколько линий. Наихудшие показатели у непрерывного индуктора, его длина определяется из условия достижения нужного температурного поля при заданной производительности и, как правило, намного больше чем у ИНУ с осциляторным движением загрузки. Исходя из этого, можно сделать вывод, что он менее всего подходит для нагрева стальных слябов от температуры окружающей среды.

Результаты сравнения показывают, что для подогрева слябов лучше использовать нагреватель непрерывного действия или нагреватель с осциляторным движением загрузки, но при большой длине слябов у непрерывного нагревателя возникают проблемы с температурным распределением в продольном сечении. При нагреве слябов от температуры окружающей среды лучше использовать либо ИНУ с периодическими индукторами Росса, либо ИНУ с возвратно-поступательным движением. При нагреве слябов различной длины и толщины предпочтительнее применять ИНУ с возвратно-поступательным движением.

В линии НРНП могут произойти сбои, связанные с остановкой либо прокатного оборудования, либо ИНУ. Возможны ситуации, когда сляб остынет до температуры окружающей среды. В реферируемой работе приведен расчет нагрева стального сляба (200x1500мм) из холодного состояния в ИНУ с возвратно-поступательным движением заготовки на частоте 85 Гц.

В этом разделе исследуется также так называемый страйпинг эффект -эффект неравномерного распределения температурного поля по длине, который образуется при использование ИНУ с осциляторным (возвратно-поступательным) движение загрузки. В данном случае на температурное поле по длине слитка наиболее сильное влияние оказывает, как число проходов, так и точность выдержки величины прохода.

Для того, чтобы сляб был нагрет равномерно по длине необходимо, чтобы каждое сечение вдоль длины сляба получило равное количество энергии в течении каждого осциляционного цикла. Если величина проходов точно совпадает с расстоянием между роликами при одинаковой мощности индукторов, а число проходов неограниченно растет, то температурное поле сляба стремится к равномерному.

Произведенные расчеты для сляба размерами 200x1500x10000мм показали, что достаточно двух возвратно-поступательных проходов для того,

чтобы достичь приемлемой равномерности температурного поля. Но надо стремиться, чтобы величина прохода не отличалась более чем на 20-30 мм от расстояния между центрами индукторов. При отклонение на 50 мм величины прохода температурный перепад увеличивается вдвое.

На практике большие перспективы имеют гибридные нагревательные системы, которые использовали бы газовую печь для основного нагрева и применяли бы индукционную технику для окончательного формирования температурного поля только перед самой прокаткой. Они требует меньше места, чем только топливная система, и обладают большей гибкостью. Удобно использовать газовую печь и как буфер слябов в случае кратковременной поломки-прокатного оборудования, а применение ИНУ дает возможность понизить температуру газовой печи, тем самым будет снижено количество образующийся окалины и снижены энергозатраты.

Все же доведение температурного поля сляба до необходимых кондиций непосредственно перед прокаткой хотелось бы осуществлять только в ИНУ из-за ряда общеизвестных преимуществ. Поэтому, в этом разделе произведен расчет температурных полей в слябе для моделируемой линии НРНП, но без применения газовой печи. Использование частоты ИНУ 110 Гц привело к значительному переохлаждению кромок сляба (рис 2.). Так как повышение частоты приводит к перегреву кромок, для решения проблемы переохлаждения было проведено моделирование с частотой ИНУ 300 Гц. В этом случае удается компенсировать недогрев поверхностных зон, но большая область внутри, отстоящая на 10 см от края, остается переохлажденной. При транспортировке к прокатному стану этот эффект частично сглаживается, но области, размещенные на глубине 5-35 см вглубь от кромок, остаются недогретыми.

Проведенные расчеты показывают, что невозможно использовать только индукционную печь для выравнивания температурных полей в линии НРНП без потери производительности. Отсюда следует, что для подогрева тонких слябов, где процесс охлаждения кромок более выражен, присутствие газовой печи необходимо.

В пятом разделе проводится анализ существующего программного обеспечения для задач индукционного нагрева. Рассмотрены новые средства разработки программного обеспечения и современный подход к созданию расчетных программ. Приведено краткое описание программного комплекса ШТ.

Рынок программного обеспечения для задач индукционного нагрева интенсивно развивается. Это вызвано рядом факторов, таких как развитие теории индукционного нагрева, развитие численных методов, рост вычислительной производительности компьютеров, развитие средств разработки программного обеспечения. Все они открывают большие возможности для

быстрого внедрения научных разработок в практику использования их широким кругом пользователей.

В настоящее время, перед пользователем стоит проблема выбора типа программ для решения задач индукционного нагрева.

1. Мощные вычислительные пакеты, создаваемые крупными фирмами, позволяющие моделировать различные физические процессы в двухмерном и трехмерном пространстве, в том числе и индукционный нагрев. Преимуществами таких пакетов является широкий спектр решаемых ими задач. К недостаткам относится излишняя универсальность, т.е. неприспособленость к конкретным задачам (отсутствие совместного решения электротепловой задачи), большие требования к ресурсам компьютера, относительно большое время расчета, продолжительное время освоения такого пакета, высокая цена.

2. Небольшие программы, направленные на решение конкретных задач. Такие программы создаются университетами и небольшими фирмами. Методы решения могут быть различны или несколько методов могут быть объединены в одной программе. Преимуществом таких программ является приспособленность к решению определенной проблемы, возможность гибкого сотрудничества разработчика и пользователя. Недостатком является ее узкая специализация.

Обзор последних международных конференций по индукционному нагреву показывает, что за последние три года значительно увеличилось количество и качество конкурентно-способных программ для решения задач ИН, предлагаемых различными университетами и фирмами. Для того, чтобы удержать лидерство в этой области, помимо разработки и совершенствования моделей и алгоритмов, производится анализ последних достижений в области развития языков программирования и средств разработки программного обеспечения. Поэтому, для реализации моделей, описанных в реферируемой работе, обосновывается выбор объектно-ориентированного языка - С-н- и применение среды визуальной разработки Cbuilder, фирмы Borland Cor., что позволило значительно сократить время создания пакета программ.

В приложения вынесена методика учета тепловых потерь с поверхности загрузки для разработанных моделей, методика выбора параметров для расчетов во временной области для различных режимов индукционного нагрева, таблицы сравнения экономическо-эксплуатационных характеристик газовых и индукционных печей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты.

1. Проведен анализ технико-экономических показателей существующих типов индукционных установок для нагрева тел прямоугольной формы.

2. Проведен анализ состояния проблемы математического моделирования индукционных систем для нагрева стальных тел и, в частности, систем подогрева для линии НРНП.

3. Разработан комплекс проблемно-ориентированных моделей процесса НРНП, в который входят:

- одномерные модели и программа совместного расчета электромагнитного и температурного полей для нагрева пластин и цилиндров с учетом несинусоидального распределения поля в загрузке и по первой гармонике;

- двухмерные модели и программа численного расчета электромагнитного и температурного полей для внутренней задачи индукционного нагрева тел прямоугольной формы, с учетом несинусоидального распределения поля в загрузке и по первой гармонике;

- одномерные и двухмерные модели и программы с уточненным расчетом температурного поля в газовой печи;

- двухмерная модель и программа для расчета тепловых полей в продольном сечение сляба для установки с осциляторным (возвратно-поступательным) движением сляба;

- универсальные базы данных для свойств материалов заготовки и футеровки.

4. Разработана методика моделирования комплекса НРНП. Показана перспектива моделирования всего технологического комплекса, включая ИНУ. Приведены примеры расчета температурных полей сляба на одномерной и двухмерной модели, начиная от выхода из кристаллизатора и непосредственно до прокатного стана.

5. Произведена сравнительная оценка трех типов ИНУ: а) ИНУ на основе индукторов периодического действия Росса; б) ИНУ непрерывного действия; с) ИНУ с возвратно-поступательным движением загрузки.

6. Исследован страйпинг эффект в установках с осциляторным движением загрузки. Показано влияние этого эффекта на неравномерность температурного поля в продольном сечение сляба.

7. Проведен анализ использования только индукционного подогрева слябов в линии НРНП и гибридной системы, использующей газовую печь для основного нагрева, а индукционную - для окончательного формирования температурного поля сляба.

8. Проведен анализ развития программного обеспечения для задач индукционного нагрева и анализ возможностей современного программирования для создания вычислительных программ.

9. Разработанные программы и результаты работы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета и Новосибирского государственного технического университета и используются студентами специальностей 18.05 в курсовом и дипломном проектировании.

10. Разработанная методика моделирования комплекса непрерывной разливки - непрерывной прокатки и созданные программы использовались корпорацией Inductotherm, New Jersey, США для разработки индукционного нагревателя для самой крупной в мире установки непрерывной разливки стали корпорации Geneva Steel, Utah, США.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Оптимизация режимов индукционного нагрева слябов в линии непрерывная разливка - прокатка / Демидович В.Б., Чмиленко Ф.В. - В кн.: Надежность механических систем (тезисы докладов Всероссийской конференции), Самара, 1995, с.65

2. Демидович В.Б., Чмиленко Ф.В. Программный комплекс моделирования индукционного нагрева слябов // Известия ТЭТУ выпуск 497, Санкт-Петербург, 1996, стр. 93-97.

3. Demidovitch V., Tchmilenko F., Nelson J., Debski P., Simulation of continuous thermal processing of slabs // IHS-98, Padua, Italy, May 1998, pp. 79-96.

4. Demidovitch V., Skvortsov V., Komrakova G., Tchmilenko F., Nikano-rov A., Rastvorova I., Zlobina M., Optimization of induction heating devices: experience of the last 20 years // IHS-98, Padua, Italy, May 1998, pp. 403-405.

Лицензия ЛР № 020617 от 24.06.98

Подписано в печать 9.09.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 143.

Издательско-полиграфический центр ГЭТУ 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5