автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование режимов массивных заготовок в металлургических печах на основе разработки метода коррекции тепловой структуры объекта

На правах рукописи

ГОРБУНОВ СтеНан Валерьевич

ы

С0ВЕР1ЕНСТВ0ВЙНИЕ РЕ1И10В НАГРЕВА МАСШННХ ЗАГОТОВОК В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧАХ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТКИ МЕТОДА! КОРРЕКЦИИ ТЕПЛОВОЙ СТРНКТ9РН ОБЪЕКТА КОНТРО/Й

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА , 1995 г.

Работа выполнена нц кафедре "Теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства" Московского Государственного института стали и сплавов.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Беленький A.M. доктор технических наук, профессор Блинов 0,11.

Официальные оппоненты:

доктор технических наух, профессор Климовицкий М.Д. кандидат технических наук Плужников А.И.

Ведущее предприятие: АО "Сталыфоект", г.Москва

Защита состоится "_" ___ 199 г. на заседании

диссертационного совета К.053.06.01 при Московской Государственной институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4. . ,

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке института.

Автореферат разослан "_" ____________ 199 г.

Справки о по телефону: 237-84-45

Ученый секретарь диссертационного совета

Курунов И.Ф.

.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ •

Актуальность работы. Основными потребителями энергии на металлургических и машиностроительных предприятиях являются печи. При горячей прокатке около двух третей подводимой энергии затрачивается на нагрев метаЛла. В маииностроении на печи приходится не менее ?5И всего расходуемого топлива. Значительную долю обрабатываемого в печах металла составляют термически массивные тела, нагрев которых отличается длительностью и, как следствие, болыим расходом тепла. Экономия.энергии при нагреве массивных тел Имеет особое значение.

Вавнеймим резервом энергосбережения является интенсификация нагрева. Кроме экономии топлива, она позволяет повысить'производительность агрегатов и в ряде случаев снизить вредное воздействие производства на окрумюиую среду.

Наряду с экономией энергоресурсов и интенсификацией, вамней-йей задачей при нагреве металла является обеспечение высокого, качества продукции, которое в конечном счете и определяет конкурентоспособность тдвара на рынке и. как следствие, экономическое благополучие предприятия-производителя.

Основные проблемы нагрева металла, названные выше,могут быть успеино рененн только при обеспечении точного контроля параметров обрабатываемого в печах металла . Вамнеймим из таких параметров является температура.

Наиболе? сложной научной и технической задачей является температурный контроль термически массивных изделий, когда необходимо измерять температуру не. только на поверхности, но и в центре тела. Разработанные до настояцего времени методы ее ремения базируются на прямом разруиаюием контроле с вводом датчиков температуры в объем изделия, на математическом и физическом' моделировании, на измерений, физических параметров металла . зависявих от

температуры и на измерении температуры поверхности с последующей обработкой полученных данных.

Раэрушавщий контроль наиболее точен, однано его применение делает невозмощным дальнейшее технологическое использование тер-мометрируемого изделия из-за нарушения его целостности и приводит к перерасходу энергии вследствии нагрева баластнаго-металла.

Тепловой'контроль путем измерения зависящих от температуры параметров не нашел широкого применения из-за необходимости использования дорогостоящего оборудования и воэмояности изменять только среднемассовув температуру металла.

Наиболее перспективным является контроль теплового состояния металла по температуре его поверхности, наиболее доступного источника информации о температурном поле в его объеме. Измеряя температуру поверхности и, соответствующим образом обрабатывая эти данные, мояно реконструировать температурное поле всего изделия. Существующие методы такого контроля,являющиеся частными случаями ■математического моделирования.не могут быть реализованы без оснащения печей дорогостоящей вычислительной техникой и обеспечения •измерения значительного количества параметров работы печи в процессе нагрева, тек как без их учета математическая модель не обес-г печивает необходимой точности определения искомой температуры в

N

условиях действующего агрегата.

Сказанное выше определяет актуальность разработки технически реализуемого в условиях производства метода контроля температуры . в .центре термически массивного изделия ло температуре его поверхности.

Целью работы является;

' 1. Создание метода коррекции тепловой структуры объекта контроля для измерения температуры в Центре термически массивных изделий без нарушения их целостности.

<?. Разработка математической модели для в-ычислигельных иссле-

дований температурных полей в объеме металла и определения оптимальных размеров средств коррекции тепловой структуры - тепловых корректирующих элементов.(ТКЭЬ ' ' ,

3. Разработка методики экспериментального изучения процесса измерения теплового состояния термически массивных изделий при их нагреве с ■ использованием метода коррекции тепловой структуры. • . .

4. Совершенствование режимов нагрева массивных заготовок в промыиленных*печах на основе разработанного метода коррекции тепловой структуры объекта контроля. " • , '

Методы проведения работы. Основой для разработки методик ма-' тематического моделирования, лабораторных и промышленных экспериментов послужили современные научные достижения в области теплообмена, численного моделирования, измерения температуры металли- . ческих издёлий в процессе их нагрева. Данные, полученные в ходе ' вычиелительных экспериментов, использовались при проведении лабораторных и производственных опытов. В целях адекватной оценки точностных характеристик метода коррекции тепловйй структуры объекта контроля была проведена метрологическая обработка результатов промыяленннх экспериментов.

Научная новизна выполненной диссертационной работы состоит в следующем:

1. Предложен и разработан метод коррекции тепловой структуры объекта контроля, позволяющий путем термометрирования закрытого тепловым корректирующим элементом участка поверхности изделия иг-, мерять температуру его центра в процессе нагрева.

2. Создана математическая модель нагрева металла в камерной печи, используемая для определения оптимальных размеров телловыУ корректирующих элементов.

3. Разработана и апробирована методика изучения теплового, состояния термически массивного изделия с измененной тепловой

структурой при нагреве в- лабораторной электропечи и в промышленной газовой печи с выкатным подом.

4. Выполнено исследование точностных характеристик предложенного метода контроля температуры в объеме изделия.

5. Получены новые данные о процессе нагрева массивных изделий в камерных печах в зависимости от размеров заготовок, их количества и расположения в рабочем пространстве.

Достоверность полученных результатов базируется на значительно* объеме экспериментов,, как лабораторных, так и выполненных на промышленной печи, высоком уровне адекватности разработанной математической модели, адаптированной к условиям нагрева в промышленной печи, метрологической обработке полученных экспериментальных данных с использованием необходимых статистических оценок и процедур.

Практическая значимость работы состоит в следуицем: -

1. Получены зависимости, связывание размеры тепловых коррек-тирувщих элементов с размерами контролируемых деталей цилиндрической формы, что позволяет выбирать средства, коррекции тепловой структуры для измерения температуры в центре объекта контроля.

2. Реализован усовершенствованный режим высокотемпературного отпуска поковок из стали 12Х1МФ, обеспечивавций снижение расхода природного газа на.12%.и уменьшение длительности термообработки . трубной заготовки на 332.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах и заседаниях кафедры теплофи- ■ зики и теплоэнергетики металлургического производства МГИСиС, технических совецаниях АО "Электростальс^ий завод тяжелого машиностроения" (АО' ЭЗТМ). . • -

Публикации. По теме диссертации опубликована одна печатная работа и подана заявка на изобретение,

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из

введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (.149 наименований) и приломений.

Объем диссертации составляет 121 страницу машинописного текста, 42 рисунка, 13 таблиц и 3 приложений.

- СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОРРЕКЦИИ ТЕПЛОВОЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ Основу разрабатываемого метода контроля температуры .в центре термически массивного металлического тела составляет коррекция -тепловой структуры термометрируемого тела путем теплоизоляции •участка его поверхности (Способ измерения температуры крупных из-' делий. Заявка К94005034 от 10.02.94 г.)

По определении структура - это совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе. Тепловую структуру 'можно представить, как определяемую условиями теплообмена и геометрией взаимосвязь отдельных элементов объекта, характеризуювихся набором конкретных теплофизических параметров. Тепловая взаимосвязь осуществляется посредством тепловых потоков. Таким образом, тепловая структура представляет собой поле тепловых потоков объекта.Коррекция структуры - это перераспределение тепловых потоков. Распределение Тепла в объеме тела определяет его температурное поле, поэтому путем коррекции тепловой структуры можно целенаправлено формировать поле температур. .

Коррекция тепловой структуры осуществляется следующим образом. .Часть поверхности изделия изолируется от теплового воздейст-. вия печной среды блоком теплоизоляции - тепловым корректирующим элементом. Это приводит к-уменьшению притока тепла в точку контроля температуры на поверхности изделия под ТКЗ, и следовательно, к снижению температуры в этой точке. Подобрав материал и размеры ТКЗ соответствующим образом момно создать на изолированном участке поверхности тепловые условия, близкие к условиям в центре тела.

и добиться равенства температур в центре тела и в точке контроля

под тнэ; .

Важнейшим условием обеспечения равенства температур в центре И точке контроля является определение оптимальных размеров ТНЭ. ' Данная задача решалась с помощью математического моделирования. .Для каядоГо размера контролируемого массивного изделия проводилась ' серия расчетов на ЭВМ температурного поля изделия с ТКЭ, размеры которого варьировались от расчета к расчету. Вычисления проводились в соответствии с шаговым принципом до тех пор, пока не определялся оптимальный размер ТНЗ. В качестве параметра оптимизации использовалось минимальное значение среднего квадратического от- ' клонения

... "1=4

где ГС - число измерений (шагов расчета);

температуры, соответственно, в центре изделия и в «

точке контроля, С. Метод коррекции тепловой структуры разрабатывался применительно к условиям АО ЗЗТМ. Основную массу сортамента термически ■ массивных изделий, обрабатываемых в цехах завода .составляют круглые ролики и валки прокатных станов. В связи с этим математическое моделирование, лабораторные и промышленные эксперименты производились с использованием цилиндрических изделий в качестве объекта контроля. '

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ • ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКИ МЯССИВННХ ИЗДЕЛИИ Математическая модель разрабатывалась применительно' к нагреву цилиндрических деталей в камерной печи. Сформулирована и. решалась задача определения рациональных размеров "ТКЭ для массивного

изделия на основа расчетов трехмерного температурного поля.

Распределение температур в объеме твердого тела описывается' уравнение» теплйпроводности . ■

с<? * «Жу (Л <рю1 ,

(2)

где С^Л - соответственно, теплоемкость, плотность и теплопроводность материала тела, Д«/(кг<К), кг/м3, Вт/См-К): -'температура. С; 7 - время, с. *

Формула (2) не мовет быть непосредственно использована при численном решении. Для ее преобразования применен метод элементарных балансов, основанный на,составлении уравнения теплового баланса кав-дого элемента, на которые условно разбивается тело.

Итоговое уравнение для вычисления температуры в любой точке ' тела'по известному поли температур.в предыдущий момент времени вы-

глядиг следующим образом:

. + + + ■ ■

с(Ур(-0йУ •(5>

где - температуры в точке в рассчитываемый и предыдущий мо-

менты времени. С: АО( - составляющие общего количества тепла, вошедшего за время А"7 в> расчетный элемент. Дж: ССО^б)- соответственно, теплоемкость и плотность материала • тела. Дм/(кг-К). кг/м3;

¿V

- объем расчетйого элемента, м . Краевые условия при решении уравнения (2) в цилиндрической

системе координат вклвчали начальные условия

Л * г'

О) « 10 . . (4) •

и граничные условия третьего рода

где , . Ч-г - температура печных газов,°С;

- плотность суммарного результирующего теплового

г

потока на боковой поверхности цилиндра. Вт/м.

Л*-)

31(4,^4,-3-)

-эг

г.О

г-е

= 0

. (7)

г=о г-е

где Я - плотность суммарного результирующего теплового

. г

потока на торцевых поверхностях цилиндра, Вт/м . Длй описания процесса теплообмена в системе "газ-кладка-металл" использовался резольвентный зональный метод. При прямой постановке задачи все поверхностные зоны являются зонами 1 рода.

Плотность результирующего потока излучения для 1-ой зоны и

. . ЧЬА^Л "Л;

где А£ - поглодательная способность 1-ой зоны;

Як'^к " плотности собственного потока, излучения, соответственно, 1-ой и к-ой зоны. Вт/м; - разрелащий обобщенный угловой коэффициент излучения. Разрешавшие обобценные угловые коэффициенты находились реяением

совокупности систем линейных уравнений • и .

где ~ символ Кронекера; ■ 4 ' ■

- обобшенный угловой коэффициент излучения: ^ - отранательная способность. При каждом фиксированном К выражение'(9) представляет собой систему линейных уравнений.

Плотность .суммарного теплового потока 1-ой зоны определялась

с учетом конвективной составляющей ;

£ р

%т Тч +с*к С^г . (10) . ; •

■где СХК - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/См'К): ■ температура 1-ой зоны, С. Программа вычислений написана на алгоритмическом языке ФОРТРАНА. В ее структуру введены подпрограммы вычисления угловых коэффициентов излучения и температурных функций теплопроводности материалов. Расчет температурного поля на ЭВМ сравнивался с аналитическим решениями, максимальная относительная погрешность составила 0,43%. Программа адаптирована «реальным условиям нагрева в камерных.печак. Сравнение с проведенными промышленными экспериментами показало, что отклонения при расчетном определении температур поверхности и центра не превышают 92.

Определение размеров.ТКЗ проводилось применительно к технологии термообработки трубной заготовки из стали 12Х1ИФ. заключающейся в отпуске при температуре 650*4.- Было принято, что материалом ТКЗ является муллитокремнеземистая вата с объемной плотностью-300 кг/м3. В качестве материала контролируемого изделия рассматривались стали 08 . 12X1МФ , 1Х14Н14В2 . Тепловой корректирующий элемент может быть установлен, как на торцевой, так и на бокойой поверхности цилиндрического изделия. Вычисления проводились для обоих типов ТКЗ. . '■

При определении размеров торцевых ТКЭ было обнаружено, что •

оптимальные корректирующие элементы для геометрически подобных стальных цилиндров также являются геометрически подобными телами. Это обеспечйло возможность получения зависимостей размера ТКЭ от размеров контролируемого изделия в безразмерных координатах. На ' рис. 1а представлены, графики зависимостей величины отношения оптимальной" толщины торцевого ТКЭ к диаметру цйлиндра' Б от безразмерной длины цилиндра Ь/О. где Ь - длина цилиндра.

В условиях действующего промышленного печного агрегата к ТКЭ предъявляются дополнительные требования, заключающиеся в простоте изготовления и монтажа, компактности и прочности. Исходя из этого было принято рещение использовать боковые ТКЭ небольших размеров. Рассматривались два значения угла контакта ТКЭ с поверхностью ци-

0 о

линдра: 67,5 и 112,5 . Вазовой деталью при исследовании метода принята трубная заготовка диаметром 600 мм, поэтому боковые ТКЭ рассчитывались, исходя из примыкания к изделию данного диаметра. Вирина ТКЭ составляла во всех-случаях 500 мм. На рис. 1 изображены зависимости толщины ТКЭ от длины цилиндра для угла контакта .67,5° (б) и 112,5° (в). '

Теллоизоляция участка поверхности замедляет нагрев изделия в целом. Вычислительные эксперименты по моделированию процесса тер--мообработки трубной заготовки показали, что при изоляции одного . из торцов цилиндра, нагрев замедляется тем существеннее, чем короче цилиндр и чем выше "температура, до ко.торой он нагревается. Применение торцевых ТКЭ для деталей типа трубной заготдвки, прокатных валков и т.д. , длина которых существенно превосходит диа-• метр, влечет за собой лишь незначительное увеличение времени нагрева. Так оптимальный для заготовки диаметром 600 и.длиной 1670 мм ТКЭ замедляет нагрев до 500°С на 622 с (0.17 ч),а до 600°С на 1200 с (0,33 ч).

В случае, равномерного по поверхности нагрева цилиндрической детали, отстающей точкой является середина продольной оси цилинд-

Зависимости размеров торцевых (а) и. боковых (6:^=67,5°) (в:^ =112,5°) ТКЭ от размеров контролируемых изделий

В/О

0,25

0,2

0,15 0,1

0,05 О

В , ми

50 40

30 20 10

£ , ш

30

20 10

а

I..

/

-У

3

1/Ъ

5 Ь , м

в

_ ■ - ' 2

3

.1 2 3 4. 5 Ь, м

1 - для изделий из отали 1Х14Н14В2М ;

2 - для изделий из отали 12ХШ6 ;

3 - для изделий иэ отали 08 .

Рис. I

ра.Установка на поверхности изделия теплоизоляции приводит к смещению отстающей точки.' Математическое моделирование позволило определить, что в случае изоляции торца цилиндра ТКЭ , отстающая точка смещается вдоль отрезка, соединяющего центр цилиндра и точку контроля на торце. При использовании бокового ТКЭ, отстающая точка такие смещается по отрезку , соединяющему центр с точкой контроля. В табл. -1 даны значения температур по этим отрезкам , соответствующие нагреву базовой детали.Максимальная разность тем-

'о '

ператур в центре и отстающей точке составила 4.66 С в случае при-

0

менения торцевого и 11.32 С -бокового ТКЗ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКИ МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИИ С ПОМОЩЬЮ КОРРЕКЦИИ ИХ . ' ТЕПЛОВОЙ СТРИКТУРЫ

Цель лабораторных й промышленных экспериментов заключалась в установлении возможности контроля температуры центра термически массивного изделия методом коррекции тепловой структуры в условиях печного агрегата, а также в получении точностных характеристик •контроля температуры этим методом.

Лабораторные эксперименты проводились в электропечи МП-29М с-использованием в качестве контролируемого тела шамотного цилиндра диаметром 60 и длиной ПО мм.Торцевой и боковой ТКЭ были изготовлены из шамотноволокнистой плиты ВВП-350. Для'контроля температур применены термопары ТХА в комплекте с автоматическим потенциометром эпп-оэмз.

В ходе лабораторных экспериментов была рассмотрена возмож- ■ ность предварительного определения размеров ТКЭ путем математического моделирования. Установлено,что теплоизоляция с рассчитанными размерами обеспечивает минимальное значение среднего квадра-тического отклонения между температурами в центре лабораторного образца и в точке контроля на его поверхности под теплоизоляцией.

Таблица I

Результата расчетов распределения температур в цилиндр» из сталж 1221Ш» в ходе кагрева в режим» отпуска трубной заготовки

Торцевой ТКЭ Боковой ТКЭ

ш Ъ

• X// 1 ^ 3

у / > * /ч х \

и А А "¿И ^Li ~Ь2 **

Время, Температура, °с Температура, °С

ч и' ±1 А £ 3 ь* и

I 36,18 36,18 36,18 36, 19 36,22 36,38 35,82 36.00 36,35 37,04 37,05

2 62,79 62,77 62,79 62.87 63,15 63,49 66,83 68,61 69,6 71.4 71,43

3 105,2 105,06 105,12 105, 41 106,14 106,85 101.55 103,64 105,09 107,82 107,86

4 176,85 176,32 176,38 176,94 178,22 179,29 174,57 179,01 180,37 183,44 183,49

5 304,21 302,81 302,72 303,5 305,31 306,72 309,56 308,62 309,2 312,07 312,14

6 449,93 447,4 446,89 447,45 448,58 449,12 447,23 446,53 446,3 446,36 446,4

7 531,32 528,2 527. ,18 527 .26 527,88 528,26 526,95 522,71 516,78 515,67 518,71

8 580,73 577,73 576,64 576,41 576,72 576,99 570.46 566,8 563,46 562,44 '563,97

9 601,06 597,75 596,65 596,31 596,43 596,6 593,3 591,62 590,69 589,69 590,71

—10 612,23 610,55 609,67 609,34 609,36 609,47 601,31 599,84 597,91 597,21 597,23

Лабораторные опыты показали, что разность температур в центре шамотного цилиндра и в точке контроля.характеризующая точность измерения температурного поля лабораторного образца методом кор-

о

рекции его тепловой структуры, не превышала ВС.

Промниленный нагрев контролируемого изделия с установленными на его поверхности датчиком температуры и ТКЭ выполнялся в печи с выкатиым подом цеха МСЦ-2 АО "ЭЗТМ". Печь с размерами пода 3 на 2.3 метра предназначена для термообработки прокатных валков и отапливается природным газом низкого давления.Максимальный расход газа на печь 180 м3/ч. В качестве контролируемого изделия использовалась трубная заготовка из стали 12Х1МФ. диаметром 600 и длиной 1670 мм. По ее оси, до середины, было высверлено отверстие в котором помещалась термопара ТХА, контролирующая температуру

. ф

центра. Две другие термопары измеряли температуры на открытой по-, верхности детали и в' точке контроля под ТКЗ. Термопары соединялись проводами ПТВ-2»2.5ХЙ с трехточечным потенциометром КСП-4. Предельная погрешность измерительного кмплекта составила +9°С. Схема промышленной экспериментальной установки показана на рис. 2.

Для коррекции тепловой структуры трубной заготовки использовались ТКЭ, размеры которых были определены на стадии математического моделирования. Торцевой ТКЭ имел вид диска диаметром 600 и толщиной 77 мм, боковой - сектора кольца с углом контакта 67.5° и толщиной 33 мм. Конструктивно ТКЭ представлял собой обечайку из стального листа, заполненную муллитокремнеземистой ватой.

Опыты показали, что более удобным и универсальным является торцевой ТКЗ. Монтаж боковой изоляции в условиях сформированной , садки затруднен, а крепление ТКЗ к изделию перед его- погрузкой на под печи приводит к деформации ТКЗ или даже его срыву в процессе формирования садки. "

На первой стадии исследований производились нагревы одиноч-

Схема промышленной экспериментальной установки

7 13 2

I - термическая печь; г - контролируемое изделие, 3 - ТКЭ, 4 _ датчик температуры в контролируемой точке; 5 - датчик температуры поверхности; 6 - датчик температуры центра; 7 - датчик температуры печи", И1П,- ИП2 - . автоматические потенциометры

Рис.,2

- 18 - ■

ного изделия с торцевым ТКЗ в соответствии с режимами отжига и нормализации, а также с разными скоростями подъема температуры. На рис. 3 приведены графики изменения температур печи, поверхности и центра изделия, а также в контролируемой точке под ТКЗ. в ходе нагрева под нормализации с последующим охлаждением в печи. Кривые температур в центре и в точке контроля под ТКЗ практически

о

совпадают,, максимальная разность этих температур составила 23 С. Аналогичные результаты были получены во всех экспериментах, что подтверждает пригодность метода коррекции тепловой структуры к измерению температуры центра массивных изделий.

Положительные результаты, достигнутые на первой стадии, позволили перейти к более конкретным испытаниям метода. Второй этап промышленных исследований состоял из опытов по нагреву одиночной заготовки и сложной садки в соответствии с производственной технологией термообработки трубной заготовки из стали 12Х1МФЧ На рис. 4, в качестве примера, приведены кривые изменения температур в ходе нагрева садки из 5 изделий, в которой термометрируемая деталь занимала место в середине нижнего ряда. Температура в точке контроля отличается от температуры центра незначительно, максимум их разности составил 16°С. Сопоставление результатов показало,что точность контроля температуры центра термопарой под ТКЗ, при одинаковом для всех опытов температурном режиме, зависит от сво'йств садки, определяющих интенсивность нагрева объекта контроля. В уже упомянутом случае центрального положения изделия, когда интенсивность его нагрева была минимальной, разность температур в центре и в точке контроля была наименьшей, а при нагреве одиночной заготовки, отличающемся .относительно большей интенсивностью, предел .. разности температур возрос до 22.5°С.

Полученные в ходе промышленных испытаний данные были подвергнуты метрологической обработке. ¡Остановлено, что с доверительной вероятностью 0,95 (952) модуль разности температур в центре

800

600

400

¿00

Нагрев одиночной заготовки с торцевым 1КЭ до темпесатуры нормализации.

I. л

>2 л/

< / / / /

/ //

/

Г<Гз •

9 «Г,ч

I - температура печи; 2 - темпеоатура поверхности заготовки; 3 - температура центра; 4 - температура в контролируемой точке

I

Ь-1

со

Рис. 3

I - температура печи; 2 - температура поверхности заготонки; 3 - температура центра заготовки; 4 - температура в контролируемой точке

Рис. 4

тела и в точке каонтроля под ТКЗ находится в пределах доверительных интервалов: от 1,3 до 20"с для стадии нагрева,от 2,4 до В,0°С

о

для периода выдержки, от 4,6 до 12,6 С для периода охлаждения

О

садки в печи и от 2,1 до 20,6 С для периода охлаждения садки на воздухе.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕ1ИМА ТЕРМООБРАБОТКИ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДА КОРРЕКЦИИ ТЕПЛОВОЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ • Сталь 12X1ИФ обладает хороиими механическими характеристиками при высоких температурах, что обуславливает ее применение для труб паровых котлов, паропроводов и коллекторов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара'. Трубные заготовки из этой марки стали изготавливаются в кузнечно-прессовом цехе АО "ЗЗТМ" из слитком путем прессования. Металл'готовых поковок имеет твердость 250-270 единиц НВ , что значительно затрудняет дальнейшую механическую обработку: обдирку и сверление осевого канала. Для снижения твердости до 190-207 НВ заготовки подвергаются высокотемпературному отпуску, который состоит из периода нагрева с максимальной скоростью, выдержки при 650°С в течение 5 ч на каждые 100 мм сечения детали и охлаждения на воздухе.

Опыты по контролю теплового состояния нагреваемых заготовок методом коррекции тепловой структуры показали, что наличие информации о температуре;в центре заготовки дает возможность снизить энергозатраты на термическую обработку. Экономия достигается за счет сокращения периода выдержки. Его длительность регламентируется прогревом до выравнивания температуры по сечению и выдержкой в этом состоянии в течение 3 часов. Результаты экспериментов по • т'ермометрированив заготовок в процессе нагрева свидетельствую; о том, что в случае, когда контролируемое изделие является отстающим по температуре (см. рис. 4). период выравнивания температур-

- 22 - '

ного поля.длится 15.В ч, с учетом 3 ч технологического регламента общее /время выдержки составит 18,8 ч.Согласно принятому для трубной заготовки температурному решиму , при термообработке деталей диаметром 600 мм'(деталь такого размера использовалась в экспериментах в качестве объекта контроля), длительность периода выдержки составляет 30 ч. Таким образом, контроль температуры в центре • тела с помощью метода коррекции тепловой структуры дает возможность сократить длительность выдержки на 11,2 ч, что позволяет снизить расход природного газа на 12 X и увеличить производительность печи ориентировочно на 23 Z.

После испытаний метода коррекции тепловой структуры была проведена контрольная термообработка трубных заготовок, одна из которых была снабжена торцевым ТКЭ и термопарой, измеряющей температуру изолированного торца. Совместно с заготовками в печь был загружен "свидетель". Термообработка по показаниям термопары под ТКЗ, завершилась через 26 часов (включая 5 ч нагрева до температуры печи 650*С). Когда садка охладилась,из "свидетеля" был изготовлен темплет, представляющий срез поперечного сечения трубной заготовки. Испытания материала на твердость дали значения 204 НВ в центре заготовки и 200 НВ на поверхности , что соответствует требованиям, предъявляемым при обработке резанием.

• ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ методов и средств контроля температурных полей в объеме массивного металла в промышленных печных агрегатах. Показано, что существующие .способы измерения температуры в центре термически массивного металла имеют ограниченное применение в

., промышленности. Определена цел'ь работы, заключающаяся в развитии методик и средств неразрушающего контроля температуры в центре массивного металлического изделия.

2. Предложен метод коррекции тепловой структуры объекта

контроля, заклинавшийся в измерении температуры центра нагреваемого изделия пцтем'термометрирования участка его поверхности, закрытого тепловым корректирующим элементом (ТКЭ), ограничивают приток тепла к точке контроля.

3. Разработана математическая модель расчета температурных полей деталей, нагреваемых в камерной печи периодического действия. Осуществлен расчет оптимальных размеров ТКЭ, предназначенных для коррекции тепловой структуры цилиндрических изделий из сталей

08, 12Х1МФ, 1X14НМВ2М. Произведен анализ влияния теплоизоляции поверхности изделия ТКЭ на температурное поле детали и на время ее нагрева до нужной температуры. .

4. Проведены лабораторные исследования предложенного метода. Подтверждена возможность предварительного 'расчетного определения размеров ТКЗ. Погреиность измерения температуры центра лабораторного образца методом коррекции тепловой структуры не превывала

о

В С. .

5. Разработана методика опытно-промыиленных испытаний метода коррекции тепловой структуры. В термической печи с выкатным подом проведены эксперименты по измерению температуры в центре массивного изделия, тепловая структура которого корректировалась ТКЭ. Размеры ТКЭ были определены на основе математического моделирования.

6. Полученные в ходе промышленных экспериментов результаты подтвердили работоспособность предложенного метода контроля'тем-пературы в центре массивного изделия, нагреваемого в печи. Максимальная разность показаний термопар, установленных в центре тела

о

и в контрольной точке под ТКЭ, составила 23 С.

7. Проведена метрологическая обработка экспериментальных данных. Установлено, что с доверительной вероятностью 0,Э5|(Э5Х) модуль разности температур в центре тела и в точке контроля на-

О О '

ходится в пределах доверительных интервалов: [1,3 С; 20 С] для .

периодов нагрева: [2.4вС: 8.6°С] для периодов вмдерши: [4,В°С: для периодов регулируемого охлатения в печи: 12,1°С: 20,Б°С 1 для периодов охламдения на воздухе.

в. На основании проведенных исследований предлояен и апробирован усовершенствованный решим отпуска поковок из стали 12Х1МФ, позволявший снизить расход природного газа на 12'/. и увеличить производительность печй ориентировочно на 23*. Контрольная термообработка трубной заготовки с использованием метода коррекции тепловой структуры, для определения окончания периода выдержи показала. что металл, прошедший сокращенную термообработку, имеет

механические свойства, соответствущие требованиям технологии. «

Основные результаты экспериментальных исследований по теме диссертации опубликованы в работе : ,

Горбунов C.B.', Блинов О.М., Беленький A.M. Экспериментальное исследование контроля температуры центра нагреваемых массивных изделий с целевым изменением их тепловой структуры. // Известия вузов. Черная металлургия: 1994: N7. -С.58-61.

/

Объем 1 дел. печ. л. Тирам 100 экз. Заказ Типография МГИСиС СТУ). ул. Ордяоникидзе. 8/9