автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование тепловой работы электрических одностопных колпаковых печей с целью повышения производительности и снижения энергозатрат

На правах рукописи

КАЛИМУЛИНА СВЕТЛАНА ИГОРЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОДНОСТОПНЫХ КОЛ ПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ

Специальность 05 16 02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008 0 3 ДПР2ССС

003166336

Работа выполнена на кафедре «Теплофизика и экология металлургического производства» ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС)

Научный руководитель. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Беленький Анатолий Матвеевич доктор технических наук, профессор Бухмиров Вячеслав Викторович

Ведущая организация:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лифшиц Адольф Ефимович

ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат»

Защита диссертации состоится "10" апреля 2008 года в 14 часов на заседании Специализированного совета № Д 212 132 02 при ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» по адресу 119049, Москва, Ленинский просп , д 6, ауд А-305

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов»

Автореферат разослан «7» марта 2008 г

Ученый секретарь Специализированного совета доктор технических наук, профессор

АЕ Семин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Металлургический комплекс, являясь базовой отраслью, вносит существенный вклад в экономику России Мировое потребление холоднокатаного листа и леты непрерывно увеличивается Термообработка такого металла производится в протяжных и колпаковых печах. Технико-экономические показатели протяжных печей непрерывного отжига, безусловно, выше, однако с точки зрения капитальных затрат они значительно уступают кол-паковым печам садочного типа Эксплуатация, модернизация и строительство колпаковых печей, в т ч электрических, особенно актуальны для предприятий с небольшими объёмами производства, таких как калибровочные и мини-заводы с цехами холодной прокатки Основными направлениями совершенствования работы электрических колпаковых печей (КП) являются повышение качества отожженного металла, сокращение удельных затрат электроэнергии, повышение производительности

Целью работы является совершенствование тепловой работы и конструктивных элементов электрических колпаковых печей, направленное на повышение производительности и экономичности процесса термообработки рулонов холоднокатаного листа и ленты в действующих и проектируемых одностопных колпаковых печах

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы математического моделирования и промышленного эксперимента на действующих печных агрегатах цехов холодной прокатки

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Впервые в металлургической практике определены условия, при которых достижение технологической задачи отжига рулонов ленты в электрической колпаковой печи возможно без организации принудительной циркуляции защитной атмосферы

2 В условиях отсутствия принудительной циркуляции защитной атмосферы получены экспериментальные данные о температурном поле садки ленты в одностопной электрической КП Показано влияние величины и количества зазоров

3

между рулонами, а также конструкции нагревательного колпака на технико-экономические показатели печи

3 Подтверждена экспериментальным и расчетным методами роль радиационного и конвективного теплообмена в процессе нагрева металла в колпаковой печи

4 Впервые создана и реализована в виде компьютерной программы математическая модель сложного теплообмена в одностопной электрической колпаковой печи, предусматривающая последовательное решение задачи чисто радиационного и радиационно-конвективного теплообменов в системе «муфель-садка плотносмотанных рулонов» Это позволило существенно повысить точность описания процесса в печи Показана применимость метода расщепления для численного решения задачи теплопроводности в стальном рулоне путем оценки погрешности численного решения

Достоверность результатов работы базируется на.

- значительном объеме данных натурного эксперимента,

- использовании современных измерительных средств,

- проверенной и подтвержденной высокой точности расчетных процедур,

- хорошей сходимости результатов расчетов с экспериментальными данными

Практическая значимость.

1 Разработаны рекомендации по совершенствованию тепловой работы и конструкции электрических колпаковых печей для отжига плотносмотанных рулонов, обеспечивающие повышение производительности и снижение энергозатрат агрегатов

2 Созданная математическая модель процесса отжига предназначена, в том числе, и для использования при программировании контроллеров действующих колпаковых печей, что повысит точность управления технологическим процессом и качество металла

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде конкретных рекомендаций переданы ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» («МКЗ») и «Б С ТЕСНИОЗТЕЕЬ ЬВЯ 8 ЛЬ 1А81» («Тес1то81ее1»)

4

Разработанная математическая модель колпаковой печи передана ООО «Ме-таллЭнергоСервис» для использования при проектировании, исследованиях и наладке печных агрегатов указанного типа

Один из блоков математической модели, предназначенный для расчета температурного поля плотносмотанного стального рулона и реализованный в виде самостоятельной программы, используется в учебном процессе ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов» (МИСиС)

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данной работы доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии XII Бе-нардосовские чтения» (Иваново, ИГЭУ, 2005 г ), на технических совещаниях в фирме «Technosteel» в 2005-2006 гг, а также на заседаниях кафедры «Теплофизика и экология металлургического производства» (Москва, МИСиС, 2006-2007 гг )

Публикации. Основное содержание работы отражено в 5 публикациях, в том числе в 4-х статьях и кратких сообщениях

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований Работа изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 22 таблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены общие цели работы, направления и этапы математических и промышленных исследований, перечислены решаемые задачи, отражены научная новизна и практическая значимость диссертации

В главе 1 рассмотрены современные тенденции развития агрегатов для термообработки холоднокатаной полосы Отмечено, что существующие агрегаты и комплексы термической обработки отличаются многосистемной природой функционирования, возможностями гибкой перестройки режимных параметров в свя-

зи с быстро изменяющимися требованиями технологического процесса Выявлены основные достоинства и недостатки одного из видов теплотехнического оборудования для термообработки холоднокатаной полосы - колпаковых печей Рассмотрены область применения, состояние, тенденции и перспективы развития электрических КП

Определены основные направления совершенствования тепловой работы и конструкции КП и рассмотрены современные методы исследований их тепловой работы Отмечен малый объем известных исследовательских данных о реальных температурных режимах и тепловой работе электрических КП отечественного и иностранного производства

Обоснован выбор метода математического моделирования тепловой работы КП Показано, что математическому моделированию и натурному исследованию тепловой работы электрических колпаковых печей уделено недостаточное внимание в опубликованных работах, причем случаи отжига металла в печах без принудительной циркуляции защитной атмосферы практически не рассматривались

Выполнен анализ технологических и теплотехнических особенностей функционирования КП, результатов экспериментальных, аналитических и численных методов исследования тепловой работы данных печных агрегатов, на основе которого сформулированы задачи, цели и методика проведения исследования

В главе 2 изложены и проанализированы экспериментальные результаты опытного отжига плотносмотанных рулонов холоднокатаной стальной ленты в электрической одностопной колпаковой печи без принудительной циркуляции защитной атмосферы в подмуфельном пространстве в ЦЛХП ОАО «МКЗ»

Для проведения многократного оперативного изучения температурного режима термообработки металла в указанной печи разработана методика диагностики на базе измерительно-вьиислительного комплекса автоматической цифровой регистрации и анализа температурных режимов работы печи - Микропроцессорного автоматического регистрирующего комплекса (МАРК) Контроль

температуры металла осуществлялся гибкими термоэлектрическими термометрами (ТТ) типа ТХА в чехле из нержавеющей стали диаметром 3 мм

Выполнен эксперимент на электрической колпаковой печи типа СКБ-6001 с садкой общей массой 21,95 т, сформированной из девяти рулонов стальной ленты марки 08Ю толщиной 0,7 мм, шириной 250 мм, двух поддонов высотой 100 мм и четырех конвекторных прокладок высотой 70 мм Результаты термометрирования нагрева и охлаждения в 11 точках садки приведены на рис 1

Отмечено, что верхний рулон в конце периода выдержки перегревается по отношению к заданному значению 650 °С на 80 °С Верхняя часть садки (5 рулонов) нагревается в среднем быстрее и до более высоких температур по сравнению с нижней частью (4 рулона) В нижней части садки зафиксирован недогрев металла Самая горячая точка в стопе находится, как и предполагалось, в 9 рулоне ТТ11 (установленная за наружным пятым витком рулона) Самая холодная точка располагается во 2-ом рулоне на расстоянии 1/3 радиуса от внутренней поверхности рулона - ТТ4 Максимальный перепад температур по садке составил 474 °С на 4-ый час нагрева Нагревательный колпак имеет недостаточную тепловую изоляцию - температура наружной поверхности кожуха находится в пределах 75-112 °С

Полученные экспериментальные значения в совокупности с данными литературного обзора подтверждают

- неоднородность температурного поля садки металл нагревается неравномерно как по высоте, так и по сечению рулонов, что приводит к разбросу механических свойств и ухудшению качества отдельных рулонов,

- необходимость совершенствования и интенсификации радиационного теплообмена между муфелем и поверхностью рулонов таким образом, чтобы снизить неоднородность температурного поля Это требует реализации комплекса мероприятий, обеспечивающих выполнение указанного условия,

- необходимость совершенствования конструкции нагревательного колпака для снижения затрат электроэнергии на нагрев, что позволит перераспределить

тепловые потоки и интенсифицировать теплообмен в системе «нагревательный колпак—нагреватели—муфель».

Рисунок I. Температурный режим цикла термообработки металла

Глава 3 посвящена созданию полной математической модели радиационного нагрева стопы рулонов ленты в электрической одностопной колпаковой печи. Отмечено отсутствие полных математических моделей тепловой работы электрических колпаковых печей, в том числе математических моделей тепловой работы колпаковых печей без принудительной циркуляции защитной атмосферы (в расчете последнего вида КП при решении задачи теплообмена между муфелем и стопой рулонов можно ограничиться учетом только радиационного теплообмена).

Выделены основные составляющие математической модели процесса нагрева металла:

- блок решения внешней задачи теплообмена, описывающей теплообмен в системе «внутренняя поверхность нагревательного колпака — муфель — нагреватели»;

- блок решения внутренней задачи теплообмена в подмуфельном пространстве, описывающей перенос тепла внутри рулона и теплообмен между поверхностями рулонов и муфеля;

- блок решения сопряженной задача теплообмена, т е совместного решения внешней и внутренней задач

В связи с тем, что максимальный расход электрической энергии в ходе процесса термообработки приходится на периоды нагрева и выдержки (то есть на время работы нагревательного колпака), разработку математической модели производили именно для этих двух этапов процесса отжига металла в КП

Внешняя задача представлена расчетом радиационного теплообмена в системе между муфелем и нагревателем при участии футеровки нагревательного колпака (НК) Сначала выполняется расчет температур нагревателя Т2 и внутренней поверхности футеровки Т3 при заданных значениях температуры муфеля Тг (зона 1-го рода), удельной электрической мощности нагревателя Р (зона 2-го

рода) и параметрах и и V, зависящих от температурного поля футеровки в начале шага по времени (внутренняя поверхность футеровки - зона 3-го рода) Расчет производили резольвентным зональным методом путем решения (методом Ньютона) системы нелинейных зональных уравнений

и2Т* +а22Т24 + Дз 2Г34 +Р = 0, (1)

№э++ ++ у=о где ак1 - коэффициенты радиационного теплообмена

Полученные в результате решения системы уравнений (1) значения температур нагревателя и внутренней поверхности футеровки использовали для определения плотностей потоков эффективного излучения и температуры зонального термоэлектрического термометра

т, = + (2)

где й - доля поверхности футеровки, занятой нагревателями (коэффициент заполнения)

Целью решения внутренней задачи теплообмена является нахождение распределения температуры в стопе рулонов В рамках создания данного блока математической модели разработаны следующие процедуры расчета

9

- температурного поля стального рулона плотносмотанной ленты,

- радиационного теплообмена в пространстве между рулонами,

- температурного поля стопы рулонов с учетом взаимного влияния рулонов друг на друга

Организация процедуры расчета температурного поля стального рулона потребовала проведения подготовительного этапа, в ходе которого были решены модельные задачи теплопроводности, предназначенные для оценки погрешности решения нелинейной задачи теплопроводности в полом анизотропном цилиндре

Математическая формулировка задачи включает в себя

- уравнение теплопроводности

8т)

ср ■

ду

dt дг\ дг J г дг ду

- начальное условие

Т(г,у,0) = Тя,

- граничные условия на поверхностях цилиндра

R,<r<R^, 0<у<Н,

внутренней

-xSL

' дг

О <у<Н,

(3)

(4)

(5)

боковой

я®:

г дг

= <?„, О Zy<H,

(6)

нижнеи

-А,

дТ_

~ду

q0, Я,<г<Я2,

(7)

верхней

- дТ ду

= q„, Rl<r<Ri,

(8)

здесь с - удельная теплоемкость стали, Дж/(кг К), р' =рг) - плотность рулона, кг/м3, р - плотность стали, кг/м3, т] — коэффициент заполнения рулона, Хг и Ху — коэффициенты теплопроводности в радиальном и аксиальном направлениях,

Вт/(м-К), и К2-внутренний и внешний радиусы рулона, м ,Н- высота рулона, м, Тя - начальная температура рулона, К, 5 у пдн~ плотности теплового

потока на внутренней, внешней, нижней и верхней поверхностях рулона, Вт/м2

Оценка погрешности решения нелинейной задачи теплопроводности в полом анизотропном цилиндре получена путем решения следующих модельных задач

- линейной модельной задачи, основанной на допущении о постоянстве всех теплофизических параметров и имеющей по этой причине явное аналитическое решение, такая задача предназначена для проверки применимости того или иного численного метода путем непосредственного определения погрешности расчета, а также метода Рунге для косвенной оценки этой погрешности,

- нелинейной модельной задачи, основанной на упрощении реальных граничных условий при сохранении их нелинейного характера, такая задача предназначена для отработки итерационных процедур, необходимых для учета нелинейных факторов, и оценки погрешности расчета в условиях, максимально приближенных к реальным

Аналитическое решение линейной модельной задачи получено с использованием функций Бесселя первого рода нулевого и первого порядков При этом цилиндр конечной высоты представлен как результат пересечения бесконечного цилиндра конечного диаметра с пластиной бесконечной длины и ширины, но конечной толщины Для решения этой задачи использовались решения для тел бесконечной длины

Для численного решения линейной модельной задачи применен метод расщепления, основанный на использовании чисто неявных разностных схем при учете радиального и аксиального переноса тепла Результаты расчета свидетельствуют о возможности применения метода расщепления для численного решения рассматриваемой задачи и о возможности использования метода Рунге для косвенной оценки погрешности полученного решения

Для решения нелинейной модельной задачи использован метод расщепления, дополненный итерационной процедурой согласования плотностей внешних

тепловых потоков с температурами поверхностей рулона в конце каждого шага

11

по времени Результаты расчета свидетельствуют о возможности применения рассмотренной методики для практических расчетов и могут быть использованы для выбора сетки, обеспечивающей заданную точность численного решения задачи

Особенностью садки колпаковых печей ОАО «МКЗ» является большое (до 10) количество относительно невысоких рулонов ленты В связи с этим основная сложность при математическом моделировании тепловой работы КП рассматри-_ ваемого типа состоит в организации блока расчета стопы рулонов, предусматривающего расчет нагрева отдельных рулонов ленты и учитывающего взаимное влияние их температурных полей При этом следует принять во внимание нелинейный характер задачи теплопроводности в стопе, обусловленный не только зависимостью от температуры аксиального и радиального коэффициентов теплопроводности рулонов, но, главным образом, тем, что тепловые потоки, поступающие на торцевые поверхности каждого рулона, зависят, по существу, от температурного состояния всей стопы По этой причине особое значение приобретает организация итерационных процедур, предназначенных - в рамках принятой чисто неявной разностной схемы - для согласования плотностей тепловых потоков с температурами рулонов в конце шага по времени

Организация данной процедуры расчета потребовала решения модельной задачи для отработки итерационных процедур При численной реализации этой задачи рассчитываются теплофизические параметры рулонов (аксиальные и радиальные коэффициенты теплопроводности) по внутренним определяющим температурам, а внешние тепловые потоки - по внешним определяющим температурам Для боковой поверхности рулона внешней определяющей температурой является температура муфеля, которая в рамках рассматриваемой задачи считается постоянной и заданной Для верхней и нижней поверхностей каждого рулона - это температуры нижней поверхности верхнего соседнего рулона и верхней поверхности нижнего соседнего рулона соответственно

В результате решения модельной задачи определена наиболее эффективная итерационная схема расчета стопы рулонов ленты, предусматривающая одно-

12

временное согласование внутренних и внешних определяющих температур с сеточными значениями температур рулонов в конце шага по времени в рамках единого итерационного цикла.

Для решения сопряженной задачи теплообмена в электрической колпаковой печи используется наиболее часто применяемый итерационный алгоритм. В основных блоках математической модели, приведенных на рисунке 2, на каждом шаге по времени выполняются следующие операции.

Рисунок 2. Структурная схема расчета теплообмена в электрической КП в течение одного шага по времени (пунктирные линии соответствуют итерационным циклам)

1. Начало расчета: задание исходного приближения определяющей температуры муфеля и проведение прямой прогонки в футеровке нагревательного колпака.

2. Решение внешней задачи теплообмена: расчет радиационного теплообмена в пространстве между муфелем и колпаком. Целью расчета в рамках резольвентного зонального метода является нахождение потока результирующего излучения на поверхности муфеля и температуры регулирующего термоэлектрического термометра при заданной (определяющей) температуре муфеля (зона 1 рода), заданном соотношении температуры и плотности потока результирующего излу-

чения на внутренней поверхности футеровки (зона 3 рода) и заданной мощности нагревателя (зона 2 рода)

3 Подбор (методом Ньютона) мощности нагревателей, обеспечивающих заданную температуру регулирующего термоэлектрического термометра

4 Решение внутренней задачи теплообмена при заданной (определяющей) температуре муфеля проводится расчет изменения теплосодержания стопы рулонов в течение шага по времени

5 Уточнение температуры муфеля в конце шага по времени с учетом результатов решения внешней и внутренней задач теплообмена

6 Решение сопряженной задачи теплообмена согласование определяющей температуры муфеля с ее значением в конце шага по времени

7 Окончание расчета проведение обратной прогонки для определения температурного поля в футеровке НК и переход к очередному шагу по времени

Результатом реализации полной математической модели тепловой работы электрической колпаковой печи является получение зависимостей от времени следующих характеристик

- распределения температуры по объему каждого рулона,

- температур муфеля, нагревателя и внутренней поверхности футеровки,

- мощности нагревателей, соответствующей заданному режиму нагрева,

- расхода электроэнергии (общего, на нагрев садки и на аккумуляцию кладкой),

- коэффициента полезного использования тепла

Математическая модель реализована в среде визуального программирования Delphi 7, позволяющей удобно и просто проектировать интерфейсную часть программы и обеспечивающей доступ ко всем ресурсам операционной системы

Адаптация модели выполнена для периодов нагрева и выдержки рулонов стальной ленты в электрической КП без принудительной циркуляции защитного газа в подмуфельном пространстве по результатам эксперимента на ОАО «МКЗ» Результаты адаптации для второго рулона приведен на рисунке 3

Получена хорошая сходимость с экспериментом (таблица 1). По результатам адаптации можно сделать выводы об адекватности модели КП и о том, что она может быть использована для исследования и совершенствования тепловой работы печей без циркуляции защитной атмосферы в подмуфельном пространстве.

время, ч

Рисунок 3. Результаты адаптации математической модели по температурному полю второго рулона (точки - эксперимент, сплошные линии - результаты расчета)

Таблица 1. Погрешность математической модели описания температурного поля отдельных рулонов на определенный период цикла отжига для условий ОАО «МКЗ»

Номер Интервал цикла 6 ч, 12 ч, 18 ч, 24 ч, 29 ч, 5Ср, "С

рулона Точки установки ГТ °С (%) °С (%) "С (%) °С (%) "С (%)

Рулон №1 1/3 толщины рулона 4(3,7) 19(4,5) 10(1,8) 4 (0,6) 11 (1,7) 10

Внешняя поверхность 8(0,8) 39(5,8) 22 (3,2) 3 (0,4) 17(2,5) 19

Рулон№2 1/3 толщины рулона 3(1,7) 15(4,3) 5(1) 1 (0,2) 4 (0,6) 4

1/2 толщины рулона 10(4,8) 4(1) 29(5) 23 (3,6) 10(1,5) 16

РулонЖЗ 1/3 толщины рулона 12(6) 5(1,3) 6(1,1) 2 (0,3) 1 (0,15) 6

Рулон №5 1/3 толщины рулона 37(14,8) 20 (4,5) 5 (0,9) 17(2,7) 3 (0,4) 16

1/2 толщины рулона 39(13,4) 39 (7,6) 12(2) 3 (0,45) 10(1,5) 21

Рулон №7 1/3 толщины рулона 5 (2,6) 28 (7,8) 13(2,5) 1 (0,2) 2 (0,3) 11

1/3 толщины рулона 9(2) 10(1,7) 7(1) 14(2) 5 (0,7) 11

Рулон №9 1/2 толщины рулона 12(2,6) 15(2,4) 7(1) 14(2) 5 (0,7) 11

Внешняя поверхность 10(1,5) 30 (4,2) 19(2,6) 9(1,24) 20 (2,7) 27

В главе 4 представлены и проанализированы результаты экспериментального исследования тепловой работы электрических одностопных колпаковых печей с принудительной циркуляцией защитной атмосферы цехе холодной прокатки завода «в С ТЕСЮГОБТЕЕЬ ЬВЯ Б Я Ь 1А81» (Румыния)

В печи выполнен отжиг 6-ти рулонов стальной ленты марки БС-01 толщиной 2,0 мм Между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым, четвертым и пятым, пятым и шестым рулонами (отсчет рулонов выполняется снизу вверх) устанавливались конвекторные кольца высотой 50 мм Масса садки - 30 т Эксперимент выполнялся по методике, ранее использованной при исследованиях на ОАО «МКЗ» В качестве регистрирующего комплекса применен измерительный комплекс МАРК-Ш, контролирующий показания 14-ти гибких термоэлектрических термометров

Приведенные на рисунке 5 графики наглядно иллюстрируют значительное влияние рециркуляции защитного газа в подмуфельном пространстве на теплообмен в печи Резко возрастает средняя скорость изменения температуры садки Это подчеркивает необходимость последовательного изучения процессов теплообмена в печи вначале только радиационного метода нагрева металла, а затем и совместного радиационно-конвективного

По сравнению с математической моделью, представленной в главе 3, произведен учет конвективного теплообмена в подмуфельном пространстве, обусловленного циркуляцией защитной атмосферы Изменения коснулись также блока решения внешней задачи теплообмена в виду иного расположения нагревателей По результатам промышленного эксперимента выполнена адаптация математической модели для периодов нагрева и выдержки рулонов стальной ленты в электрической КП с принудительной циркуляцией защитного газа в подмуфельном пространстве

В качестве настроечных параметров выбраны коэффициент теплопередачи через конвективное конвекторное кольцо, степень контакта между витками, коэффициент заполнения рулона (плотность смотки) и коэффициент конвективной теплоотдачи Выбор последнего коэффициента в качестве одного из настроечных

16

объясняется отсутствием достоверных данных по конвективному теплообмену в подмуфельном пространстве печи. Произведена оценка точности математической модели в сравнении с экспериментальными данными для всех рулонов садки: точность математической модели колеблется от 0,33 до 6,6%. Результаты адаптации представлены на рисунке 5.

V

\

\ 4

V - ОАО "МКЗ"

4ч

Л

Л

\

V

V

Время, ч

Рисунок 4. Сравнительный график изменения средней скорости нагрева/охлаждения

Приведенные данные хорошего совпадения математической модели и результатов эксперимента для первого и шестого рулонов, находящихся в отличающихся условиях нагрева, подчеркивают достоверность созданной модели и ее высокую значимость для практических целей совершенствования работы КП.

По результатам адаптации можно сделать вывод об адекватности математической модели, среднее значение ошибки по 39 величинам составляет 2,25%. Средняя ошибка расчета для отдельного рулона находится в пределах 6,4-42,3 °С. Данная модель может быть использована для изучения процессов нагрева садки и отдельных рулонов, совершенствования тепловой работы КП данного типа и системы управления режимом термообработки.

Температура регулирующего ТТ

4 ♦ '

I

8ор1=7,9 С 50р2=2,9°С бор3=8,5°С

2 1

5Ср1=12,3"С

5ч,2=7°С

8сРз=8,9°С

2ш 1 • <

Рисунок 5. Результаты адаптации математической модели температурного поля садки (точки - эксперимент, сплошные линии - результаты расчета): а) - нижний рулон садки; б) - верхний рулон садки

Глава 5 посвящена выработке рекомендаций по совершенствованию тепловой работы электрических колпаковых печей без принудительной циркуляции защитной атмосферы и при ее наличии на базе созданной и адаптированной математической модели и выполненных промышленных экспериментов

Совершенствование тепловой работы электрических колпаковых печей заключается в осуществлении мероприятий, обеспечивающих рост производительности, улучшение качества отожженного метала и снижение затрат электроэнергии на технологический процесс термообработки (см таблицы 2 и 3)

Таблица 2 Рекомендации по совершенствованию КП ОАО «МКЗ»

Мероприятие Время, ч Расход электроэнергии, кВтч Количество тепла на нагрев садки, % Экономия электроэнергии по сравнению с базовым вариантом, %

Базовый вариант 28,75 3814 53 -

Установка экрана на 9-ый рулон 28,75 3912 53 -

Керамоволокнистая футеровка НЕС 24 2462 82 36

FKK под 1,4 и 7 рулонами 21 3549 55 7

Водородная технология отжига 18 3426 58 10

РКК между всеми рулонами 15,5 3207 61 16

РКК (8 шт), керамоволокнистая футеровка 15 2212 88 42

НК - нагревательный колпак, РКК - радиационное коввекторное кольцо

Таблица 3 Рекомендации по совершенствованию КП завода «Technosteel»

Мероприятие Время, ч Расход электроэнергии, кВтч Количество тепла на нагрев садки, % Экономия электроэнергии по сравнению с базовым вариантом, %

Базовый вариант 17,5 4518 69 -

Керамоволокнистая футеровка НК 15 2952 92 35

Водородная технология отжига 11 3821 73 15

70 80 90 100

Зазор, мм

Рисунок 6. Зависимость продолжительности нагрева от высоты радиационных конвекторных колец

С использованием математической модели получены данные о влияниях высоты РКК на время нагрева для печей без принудительной циркуляции защитной атмосферы в подмуфельном пространстве (рисунок 6), а также конструкции нагревательного колпака на энергозатраты (см. рисунок 7).

2 3

■ ОАО "МКЗ"

Ц "Technosteel"

Рисунок 7. Зависимость затрат электроэнергии от конструкции футеровки НК ОАО «МКЗ»: 1 - шамот (230 мм), каолин (70 мм); 2 - шамот (230 мм), плита минераловатная (70 мм); 3 - фетр стекловолокнистый (25 мм), шамот (230 мм), плита минераловатная (75 мм); 4 - фетр стекловолокнистый (300 мм); 5 - фетр стекловолокнистый (200 мм); плита минераловатная (100 мм)

Отмечено, что для КП как без принудительной циркуляции защитной атмосферы, так и с её наличием, эффективным средством повышения качества металла, снижения удельных расходов электроэнергии и защитного газа, увеличения выпуска продукции на тех же производственных площадях является перевод агрегатов с азотной технологии на водородную технологию отжига, особенно принимая во внимание, что в последнем варианте обеспечивается высокая чистота поверхности готовой ленты

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе рассмотрения состояния и тенденций развития электрических одностопных КП для отжига рулонов стальной ленты, анализа особенностей и недостатков их тепловой работы, а также изучения результатов исследований теплообмена в данных печах установлены актуальность и перспективность их дальнейшего исследования с целью выявления способов совершенствования, обеспечивающих при минимизации затрат на внедрение повышение качества отжигаемой ленты, производительности и экономичности отжига действующих и вновь проектируемых и устанавливаемых электрических одностопных КП

2 Проведены экспериментальные исследования процесса отжига в электрических одностопных КП ОАО «МКЗ» без принудительной циркуляции защитной атмосферы и завода ТЕСНЫО БТЕЕЬ с принудительной циркуляцией защитной атмосферы, в ходе которых получены новые данные о температурных полях садки в процессе термообработки плотносмотанных рулонов стальной ленты Анализ полученных результатов показал необходимость совершенствования и интенсификации теплообменных процессов в подмуфельном пространстве таким образом, чтобы снизить неравномерность нагрева рулонов, как по сечению, так и по высоте садки

3 Разработана и адаптирована по экспериментальным данным полная математическая модель нагрева рулонов ленты в электрических КП, позволившая

выработать практические рекомендации по совершенствованию тепловой работы и элементов конструкции печей этого класса.

4. Получены следующие результаты по одному из теоретических разделов металлургической теплотехники - совершенствованию алгоритмов расчета тепловой работы металлургических печей

- показана применимость метода расщепления дня численного решения задачи теплопроводности в полом анизотропном цилиндре путём оценки погрешности численного решения,

- построена зависимость погрешности температуры отстающей точки рулона от числа шагов по координатам, на основании которой можно выбрать разностную сетку, обеспечивающую необходимую точность расчета,

- разработан алгоритм, позволивший повысить эффективность расчета нагрева садки, состоящей из большого числа (до 10) рулонов стальной ленты,

- предложена итерационная процедура решения сопряженной задачи теплообмена в колпаковой электрической печи при заданном изменении температуры регулирующего термоэлектрического термометра

5. Разработанная радиационная модель тепловой работы электрической одностопной КП (для условий ОАО «МКЗ») позволила практически с одинаковой точностью описать процессы нагрева рулонов, находящихся на различных уровнях по высоте садки

6 Получены расчетные и экспериментальные данные о влиянии различных параметров садки электрической колпаковой печи (ширина зазора между рулонами, вид защитной атмосферы, характер ее движения, материал футеровки и т п ) на нагрев металла

7 Получены новые данные о влиянии конструкции нагревательного колпака электрической КП на технико-экономические показатели ее работы Показано, что применение футеровки из волокнистых огнеупорных материалов приводит к сокращению длительности отжига и экономии электроэнергии

8 Создан программный продукт, позволяющий в широких пределах варьировать параметры металла, число рулонов и тип разделительных прокладок меж-

22

ду ними, что практически не достигалось в ранее предложенных моделях Данное положение обеспечивает исследователя и инженера-технолога эффективным средством для решения различных научно-практических задач

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Калимулина С.И., Крупенников С.А. Численное решение задачи теплопроводности в полом анизотропном цилиндре применительно к нагреву рулона в колпаковой печи//Известия вузов Черная металлургия -2005.-№12 С 50-52

2. Калимулина С.И., Крупенников С.А. К расчету нагрева стопы рулонов ленты в колпаковой печи//Известия вузов Черная металлургия -2006 -№11 С 65-66

3. Беленький А.М., Бурсин А.Н., Калимулина С.И. Исследование и совершенствование тепловой работы одностопных электрических колпаковых печей // Известия вузов Черная металлургия -2007 -№7 С 67-68

4. Калимулина С.И., Крупенников С.А. Математическая модель тепловой работы электрической колпаковой печи // Известия вузов Черная металлургия -2007 ~№9 С 66-68

Публикации в других изданиях

5. Калимулина С.И., Крупенников С.А. Численное решение двумерной задачи теплопроводности в полом анизотропном цилиндре применительно к нагреву рулонов в колпаковой печи // Состояние и перспективы развития электротехнологии XII Бенардосовские чтения Тез докл международной науч -техн конф -Иваново ИГЭУ, 2005 С 59

Подписано в печать 28 02 2008 г Печать трафаретная

Заказ № 127 Тираж 100 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230. Москва Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56, (499) 788-78-56 www autoreferat ru

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Тенденции развития агрегатов для термообработки холоднокатаной полосы | , ' ■

1.2 Направления совершенствования тепловой работы и теплообмена в колпаковых печах

1.3 Методы исследований тепловой работы колпаковых печей

1.4 Метод математического моделирования тепловой работы колпаковых печей

1.5 Цель исследования и постановка задачи

2. ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ОДНОСТОПНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ МАГНИТОГОРСКОГО КАЛИБРОВОЧНОГО ЗАВОДА

2.1 Техническое обеспечение процесса исследования тепловой работы электрической колпаковой печи

2.2 Методика проведения эксперимента

2.3 Экспериментальное исследование тепловой работы одностопной электрической колпаковой печи «МКЗ»

2.3.1 Характеристика и технологические особенности колпаковых печей «МКЗ»

2.3.2 Результаты эксперимента и их анализ

2.4 Выводы к главе

3. РАЗРАБОТКА ПОЛНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КОЛПАКОВОЙ ПЕЧИ

3.1 Постановка задачи

3.2 Постановка внешней задачи теплообмена

3.3 Постановка внутренней задачи теплообмена 52 3.3.1 Процедура расчета температурного поля стального рулона

3.3.1.1 Решение модельных задач теплопроводности

3.3.1.2 Решение двумерной нелинейной задачи теплопроводности в рулоне методом расщепления

3.3.2 Процедура расчета радиационного теплообмена в пространстве между рулонами

3.3.3 Процедура расчета температурного поля стопы рулонов

3.4 Решение сопряженной задачи теплообмена

3.5 Результаты расчета

3.6 Адаптация модели

3.7 Выводы к главе 3 78 4 ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КОЛПАКОВОЙ ПЕЧИ ЗАВОДА «S.C. TECHNO STEEL LBR S.R.L. IASI»

4.1 Характеристика и технологические особенности колпаковой печи завода «S.C. TECHNOSTEEL LBR S.R.L. IASI»

4.2 Результаты эксперимента и их анализ

4.3 Математическая модель радиационно-конвективного нагрева рулонов в электрической колпаковой печи

4.4 Адаптация модели

4.5 Выводы к главе

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛПАКОВЫХ ПЕЧЕЙ

5.1 Рекомендации для ОАО «Магнитогорский калибровочный завод»

5.2 Рекомендации для завода «S.C. TECHNOSTEEL LBR S.R.L. IASI»

Металлургический комплекс, являясь базовой отраслью, вносит существенный вклад в экономику России. Успехи в развитии комплекса обусловлены, с одной стороны, общей политической стабильностью, проведенными структурными и институциональными реформами, с другой - исключительно благоприятной внешнеэкономической конъюнктурой. Высокие цены на металлопродукцию и возможности наращивания ее экспорта обусловили- в последние годы значительный вклад металлургии в прирост внутреннего валового продукта и других макроэкономических показателей.

На долю черной'металлургии по данным 2002 г. приходилось 6,8% общего объема промышленной продукции, около 7,7% общероссийской! выручки от экспорта и около 3% налоговых поступлений промышленности в бюджетную систему России. В то же время производство черных металлов требует больших затрат - на предприятиях отрасли сконцентрировано около 6% основных производственных фондов и численности рабочих в промышленности /1/.

Качество термической и термохимической обработки металла определяется работой термических печей. Тепловая обработка в термических цехах является системо-составляющим фактором технологии. Технический уровень эффективности данного' процесса при этом определяется принимаемой технологией, теплотехнической оснащенностью агрегатов и использованием современных систем управления. Таким образом, дальнейшее совершенствование печей, улучшение их эксплуатационных показателей является существенным резервом повышения производительности и экономичности всего комплекса металлургического! производства 121.

Эксплуатация печного парка отрасли в настоящее время сталкивается с рядом острых проблем, главными из которых являются: повышенная материально- и энергоемкость производства; значительный износ основных производственных фондов, превышающий в целом по отрасли 48% в 2006 г.; невысокий технический уровень производства и связанные с этим качество и конкурентоспособность продукции /3/. Эффективность использования печей на нынешнем этапе во многом определяется возможностями совершенствования их структурно-функционального назначения в соответствии с быстро изменяющимися требованиями технического прогресса /4,5/.

Задача коренного улучшение качества и увеличения выпуска холоднокатаного листа из углеродистых сталей (конструкционного, автомобильного, жести, ленты) является важнейшей в отечественной черной металлургии, направленной на обеспечение растущей потребности национальной экономики в этих видах тонколистового проката. Практически весь холоднокатаный углеродистый лист в нашей стране производят рулонным способом и на завершающей стадии подвергают светлому (в защитных средах) рекристаллизационному отжигу в непрерывных протяжных или садочных колпаковых печах /6-10/. Оборудование, тепловой и температурный режимы и теплообменные процессы в этих печах решающим образом определяют каче-ствоготового листа, а также производительность,и экономичность отжига.

Непрерывный отжиг в протяжных печах отличается коротким циклом и высокой производительностью, стабильностью и точно контролируемыми тепловым и температурным режимами, однородным качеством продукции, возможностью совмещения в полностью механизированной и автоматизированной линии (агрегате) с другими операциями обработки листа после холодной прокатки и др. Однако1, темпы его внедрения сдерживаются высокой капиталоемкостью и сложностью оборудования, большими затратами на строгую регламентацию химического состава стали и специальную подготовку листа на всех переделах к рекристаллизации в неблагоприятных для этого процесса условиях быстрого нагрева и охлаждения полосы в протяжной печи, а также ограниченной технологической гибкостью, в связи с трудностями перестройки на разные режимы отжига /6,11-14/.

В1 колпаковых печах, в основном, одностопных, холоднокатаный лист, ленту и жесть отжигают в виде стоп-плотносмотанных рулонов /7,11-14/. Как и другим садочным печам, одностопным колпаковым печам присущи большая длительность и периодичность процесса, низкая единичная производительность, невозможность совмещения отжига с другими операциями отделки листа в поточной линии. Основной их недостаток — неравномерное температурное поле в печи и, соответственно, нагрев и охлаждение массивных рулонов садки в цикле отжига, что приводит к неоднородности механических свойств, структуры и качества отожженного листа. В тоже время, как термические агрегаты, колпаковые печи технологически более гибки и универсальны, менее капиталоемки и проще по составу оборудования, отличаются относительно высоким уровнем механизации и автоматизации. Благодаря медленному нагреву и охлаждению в них обеспечиваются наиболее благоприятные условия протекания процессов рекристаллизации малоуглеродистого холоднокатаного листа и не требуется специальной дорогостоящей его подготовки к отжигу. Для каждой садки металла возможен подбор и реализация оптимальных температурно-временных параметров отжига в зависимости от исходных и заданных свойств ленты. Вследствие постоянного совершенствования теплового и температурного режимов, теплообменных процессов и оборудования, а также внедрения управляющих вычислительных комплексов, отделения отжига рулонов с современными колпако-выми печами как в мировой, так и в, отечественной-практике успешно сочетаются, и конкурируют с агрегатами непрерывного отжига, особенно« при'производстве листа высшей категории вытяжки, в частности, автомобильного и конструкционного. Действующий парк одностопных колпаковых печей основных цехов холодной прокатки углеродистой стали в России составляет более 1950 стендов, из них около 16001 печей, реализующих азотную технологию отжига, 450 печей - водородную технологию отжига. На 610 стендах (31,2 %) производится ТО холоднокатаной стальной ленты, причем 550 таких печей (или 90 %) работают с электрическими нагревательными колпаками.

Значительный объем исследований газовых и электрических колпаковых печей для отжига плотносмотанных рулонов выполнен на кафедре «Теплофизика и экология металлургического производства» и в центре «ЭНЕРГОМЕТ». Работы В.Н. Ап-терман, 0:В. Аптерман, A.M. Беленького, В.Ф. Бердышева, Е.В. Гусева, В.Ю. Кага-нова, В.А. Кривандина, В.В. Копцева, И.А. Левицкого, Б:С. Мастрюкова, В.И. Мит-калинного, Н.В. Птах, В.И. Титова и др. позволили существенно развить представления о процессах теплообмена в данном сложном агрегате и разработать и внедрить в промышленную практику ряд оригинальных усовершенствований в конструкцию и в систему управления.

Настоящая работа посвящена совершенствованию тепловой работы электрических колпаковых печей для отжига стальной ленты с использованием метода математического моделирования и натурного промышленного эксперимента.

В главе 1 рассмотрена область применения, состояние, тенденции и перспективы развития печей данного типа. Выполнен анализ технологических и теплотехнических особенностей их работы, результатов экспериментальных, аналитических и численных методов исследования тепловой работы колпаковых печей, на основе которого определены задачи, цели и методика проведения исследования.

В главе 2 изложены и проанализированы экспериментальные результаты опытного отжига плотносмотанных рулонов ленты в электрической одностопной колпако-вой печи без принудительной циркуляции защитной атмосферы в подмуфельном пространстве в цехе ленты холодной прокатки ОАО» «Магнитогорский калибровочный завод». Выявлены причины медленного и неравномерного, как по высоте, так и по сечению, нагрева стопы рулонов ленты по этому способу, подтверждена существенная неравномерность температурного поля в садке. Установлена целесообразность совершенствования и интенсификации радиационного теплообмена между муфелем и поверхностью рулонов таким образом, чтобы снизить неравномерность нагрева рулонов как по сечению, так и по высоте садки. Также подтверждена необходимость совершенствования конструкции нагревательного колпака для снижения затрат электроэнергии на нагрев колпака, что позволит перераспределить тепловые потоки и интенсифицировать теплообмен в системе «нагревательный колпак— нагреватели-муфель».

Глава 3 посвящена разработке полной математической модели радиационного нагрева стопы рулонов ленты в электрической одностопной колпаковой печи. Выделены основные блоки математической модели, а именно внешняя задача теплообмена, описывающая теплообмен в рабочем пространстве печи «внутренняя поверхность нагревательного колпака — муфель - нагреватели»; внутренняя задача теплообмена в подмуфельном пространстве, включающая передачу тепла внутри рулона и теплообмен поверхности рулонов и муфеля; сопряженная задача теплообмена. Модель адаптирована по экспериментальным данным исследования тепловой работы электрической колпаковой печи ОАО «МКЗ».

В главе 4 представлены и проанализированы результаты экспериментального исследования тепловой работы электрических одностопных колпаковых печей с принудительной циркуляцией защитной атмосферы, завода «8.С. ТЕСНЫХ) 8 ТЕЕЬ ЬВЯ 8.11.Ь. 1А81» (Румыния). В математической модели, представленной в главе 3, произведен учет конвективного теплообмена, обусловленного циркуляцией защитной атмосферы. С использованием полученных экспериментальных данных произведена адаптация модели по коэффициенту конвективной теплоотдачи.

Глава 5 посвящена выработке рекомендаций по совершенствованию тепловой работы электрических колпаковых печей без принудительной циркуляцией защитной атмосферы и при ее наличии.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального исследования процесса нагрева плотносмо-танных рулонов стальной ленты в электрических одностопных колпаковых печах при радиационном и смешанном радиационно-конвективном способах нагрева садки.

2. Расчетные и экспериментальные данные о влиянии различных параметров садки и агрегата (ширина зазора между рулонами, вид защитной атмосферы, характер ее движения, материал футеровки и т.п.) на нагрев металла.

3. Впервые сформулированную и доказанную расчетным путем возможность достижения технологической задачи отжига в электрических одностопных колпаковых печах без принудительной циркуляции защитной атмосферы, что позволяет существенно упростить и удешевить технологический процесс.

4. Новые данные по влиянию конструкции нагревательного колпака электрической колпаковой печи на технико-экономические показатели ее работы. Показано, что применение футеровки из волокнистых огнеупорных материалов приводит к сокращению длительности отжига и экономии до 40 % электроэнергии.

5. Новые научные результаты по одному из теоретических разделов металлургической теплотехники - совершенствованию алгоритмов расчета тепловой работы металлургических печей:

- возможность применения метода расщепления для численного решения задачи теплопроводности в стальном рулоне, нагреваемом в колпаковой печи;

- оригинальный алгоритм, позволивший повысить эффективность расчета нагрева садки, состоящей из большого числа (до 10) рулонов стальной ленты;

- итерационную процедуру решения сопряженной задачи теплообмена в колпа-ковой электрической печи при заданном изменении температуры регулирующей термопары.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

ТО - термическая обработка

ХТО - химико-термическая обработка

ТК - технологический комплекс

НК - нагревательный колпак

TT - термоэлектрический термометр

ЗТТ - зональный термоэлектрический термометр

СТТ - стендовый термоэлектрический термометр

КТТ — кабельный термоэлектрический термометр

ММ — математическая модель

КК - конвекторное кольцо

ККК — конвективное конвекторное кольцо

КП - колпаковая печь

РКК — радиационное конвекторное кольцо

ПА — печной агрегат

ПК - персональный компьютер

РТО - радиационный теплообмен

КТО — конвективный теплообмен

РКТО - радиационно-конвективный теплообмен

КУО - колпак ускоренного охлаждения

МКЗ» - ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» (г. Магнитогорск, РФ) TECHNOSTEEL - завод фирмы «S.C. TECHNOSTEEL LBR S.R.L. IASI» (г.Яссы, Румыния)

ЦЛХП - цех ленты холодной прокатки

6 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе рассмотрения состояния и тенденций развития электрических одностопных КП для отжига рулонов стальной ленты, анализа особенностей и недостатков их тепловой работы, а также изучения результатов исследований теплообмена в данных печах установлены актуальность и перспективность их дальнейшего исследованиям целью выявления способов совершенствования, обеспечивающих при минимизации затрат на внедрение повышение качества отжигаемой ленты, производительности и экономичности отжига действующих и вновь проектируемых и устанавливаемых электрических одностопных КП.

2. Проведены экспериментальные исследования процесса отжига в электрических одностопных КП ОАО «МКЗ» без принудительной циркуляции защитной атмосферы и завода ТЕСНГчЮ8ТЕЕЬ с принудительной циркуляцией защитной атмосферы, в ходе которых получены новые данные о температурных полях садки в процессе термообработки плотносмотанных рулонов стальной ленты. Анализ полученных результатов показал необходимость совершенствования и интенсификации теплооб-менных процессов в подмуфельном пространстве таким образом, чтобы снизить неравномерность нагрева рулонов, как по сечению, так и по высоте садки.

3. Разработана и адаптирована по экспериментальным данным полная математическая модель нагрева рулонов ленты в электрических КП, позволившая выработать практические рекомендации по совершенствованию тепловой работы и элементов конструкции печей этого класса.

4. Получены следующие результаты по одному из теоретических разделов металлургической теплотехники - совершенствованию алгоритмов расчета тепловой работы металлургических печей:

- показана применимость метода расщепления для численного решения задачи теплопроводности в полом анизотропном цилиндре путём оценки погрешности численного решения;

- построена зависимость погрешности температуры отстающей точки рулона от числа шагов по координатам, на основании которой можно выбрать разностную сетку, обеспечивающую необходимую точность расчёта;

- разработан алгоритм, позволивший повысить эффективность расчета нагрева садки, состоящей из большого числа (до 10) рулонов стальной ленты;

- предложена итерационная процедура решения сопряженной задачи теплообмена в колпаковой электрической печи при заданном изменении температуры регулирующего термоэлектрического термометра.

5. Разработанная радиационная модель тепловой работы электрической одностопной КП (для условий ОАО «МКЗ») позволила практически с одинаковой точностью описать процессы нагрева рулонов, находящихся на различных уровнях по высоте садки.

6. Получены расчетные и экспериментальные данные о влиянии различных параметров садки электрической колпаковой печи (ширина зазора между рулонами, вид защитной атмосферы, характер ее движения, материал футеровки и т.п.) на нагрев металла.

7. Получены новые данные о влиянии конструкции нагревательного колпака электрической КП на технико-экономические показатели ее работы. Показано, что применение футеровки из волокнистых огнеупорных материалов приводит к сокращению длительности отжига и экономии электроэнергии.

8. Создан программный продукт, позволяющий в широких пределах варьировать параметры металла, число рулонов и тип разделительных прокладок между ними, что практически не достигалось в ранее предложенных моделях. Данное положение обеспечивает исследователя и инженера-технолога эффективным средством для решения различных научно-практических задач.

1. Седых A.M., Юзов О.В., Афонин С.З. Черная металлургия России на фоне мирового рынка. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ЗАО «Издательство «Экономика», 2003.-256 с.

2. Сосковец О.Н. Техническое перевооружение и развитие металлургии России // Сталь-1993- № 6. С. 1-7.

3. Стратегия развития металлургической промышленности Российской федерации на период до 2015 года. Утверждена приказом Минпромэнерго России от 29 мая, 2007 г. -87 с.

4. Хейман С.А. Развитие машиностроения: организационные и структурные факторы / / Экономика и организация промышленного производства 1984 — № 6 - С.73-75.

5. Improved energy efficiency in process heating of metals // Steel Times-1993.- № 10 — C.411.

6. Глинков M.A. Основы общей теории печей—М.:Металлургиздат, 1962.-575 с.

7. Аптерман В.Н., Двейрин Е.Л., Тымчак В.М. Колпаковые печи. М.: Металлургия, 1965.-235 с.

8. Справочник конструктора печей прокатного производства/ под ред. Тымчака В.М. М.: Металлургия, 1970 - 991 с.

9. Расчет нагревательных и термических печей /Справочник/ под ред. Тымчака В.М., Гусовского В.Л. -М.: Металлургия, 1983.-481 с.

10. Теплотехнические расчеты при автоматизированном проектировании нагревательных и термических печей: Справ, изд. Научные труды ОАО «Институт Стальпроект» / В.Л. Гусовский, А.Е. Лифшиц и др.; под ред. А.Б. Усачева. -М.: Черметинформация, 1999 185 с.

11. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. Теоретические основы: Учебное пособие для вузов / В.А. Кривандин, В.А. Арутюнов, В.В. Белоусов и др.- М.: МИСиС, 2001,- 608 с.

12. Теплотехника металлургического» производства. Т. 2. Конструкция и работа печей: Учебное пособие для вузов / В.А. Кривандин, В.В. Белоусов, Г.С. Сборщиков и др.- М.: МИСиС, 2001 736 с.

13. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей М.: Металлургия, 1986 - т.2,- 374 с.

14. Лисиенко В.Г. Развитие общей теории печей интегрированный энергоэкологический анализ - основа эффективности энерготехнологий//

15. Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова: Тр. III Междунар. науч.-практ. конф. (1-3-февраля 2006 г., МИСиС).- М.:МИСиС, 2006. С.407-410.

16. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений.- Л.: Наука 1968 — 96 с.

17. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. -М.: Мир, 1972 384 с.

18. Дыбан Е.П., Мазур А.И. Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел— Киев: Наукова думка, 1983.- 302 с.

19. Лисагор A.A., Миткалинный В.И. Теплофизические свойства, пакета из холоднокатаной стали//Сталь, 1970.-№ 12.-С. 1132-1134.

20. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967 - ???? с.

21. Совершенствование технологии отжига проката в колпаковых печах/ Мишин М.П., Зотова М.Т., Мыльников Б.Д. и др.// Сталь,- 1997-№3. -С. 59-62.

22. Лохнер Г., Брандтштеттер Высокотехнологичные колпаковые печи // Черные металлы,-2000.-№ 1 -С. 15-17.

23. Совершенствование режима отжига плотносмотанных рулонов полосы холоднокатаной стали в колпаковых одностопных печах/ Кусов В.И., Шаповалов

24. А.П., Грузнов A.K. и др.// Бюллетень научно-технической информации. Черная металлургия,- 1983.- выпуск 7 (939).- С. 56-58.

25. Двейрин Е.Г., Исследование нагрева и охлаждения рулонов в колпаковых печах ММК// Сталь,- i960.-№4.- С. 366-370.

26. Горшков Ю.Ф., Усенко Ю.И., Целуйко Н.В. Исследование процессов нагрева и охлаждения садки в колпаковых печах при наличии источников энергии в полости стопы рулонов// Бюл. НТИ ЦНИИ инф. И техн.-экон. исследован, черной металлургии- 1982-№4- С.51-52.

27. Порендер К. Колпаковые печи для отжига плотносмотанных рулонов// Черные металлы.- 1975.-№19- С.18-24.

28. Монид А.Г., Кожевников A.C., Петрик В.В. Совершенствование колпаковых печей для светлого отжига рулона Сталь.-1971.-№2.-С.180-182.

29. Кожевников < A.C. Исследование режимов отжига в, одностопных колпаковых печах с двурядным расположением горелок Сталь.-1971.-№5.-С.471.

30. Ларюшкин В.И: Исследование теплового и температурного режимов работы колпаковых печей с различными системами отопления— Сталь.-№11.-С.336.

31. Рациональное размещение источников тепловой энергии и эффективность тепловой работы колпаковых электропечей/ А.Н. Минаев, Ю.Ф. Горшков, Ю.И. Усенко// Электротермическая промышленность. Электротермия- 1984 №2-С.15-16.

32. Качество нагрева и охлаждения плотносмотанные рулонов в колпаковых электропечах/ Проклов Е.В., Шкляр Ф.Р., Боковикова А.Х. и др.// Сталь 1981-№4- С.91-92.

33. Повышение производительности колпаковых электропечей и качества термообработки стальной полосы в рулонах/ Усенко Ю.И., Минаев А.Н., Горшков Ю.Ф. и др.// Черная металлургия 1987 - №7- С. 61-62.

34. Miyata N., Kojima H., Miki T. Analysis and Application of Heat Treatment in Tight-Coil Annealing Furnace// Nippon Steel Technical Report.- 1978.-№12.- P.108-113.

35. Колпаковые электрические печи для светлого отжига рулонов ленты из трансформаторной стали в атмосфере водородного защитного газа / Артемьев А. В., Воловик И. С., Попутников А. Ф. и др.// Металлургическая теплотехника -2002. 8.-С. 79-82.

36. Особенности конструирования колпаковых муфельных и* безмуфельных печей для светлого отжига стали в контролируемых атмосферах / Артемьев А. В., Воловик И. С., Попутников А. Ф. // Чер. металлургия. 2002. - № 12. - С. 29-31.

37. Оптимизация колпакового отжига. Bath annealing scheduling and optimization / Paulussen Geert (P. O. Box 10 51 64 D-40042 Dusseldorf) // METEC Congress'03: 3 European Rolling Conference, Dusseldorf, 16-20 June, 2003 : Proceedings. -Dusseldorf, 2003.

38. Тр. III Междунар. науч.-практ. конф. (1-3 февраля 2006 г., МИСиС).-М.:МИСиС, 2006. С.344-348.

39. Достижения в применении техники отжига в колпаковых печах/ Вендт П., Беинг Д., Шуерманн В., Виттлер П.//Черная1 металлургия России и стран СНГ в XXI веке: Материалы международной конференции М.:Металлургия.-1994 - С.22-27.

40. G.Gordon. Fast Cooling of Annealed Coils// Iron and Steel Engineer- 1966,- №8-P.123-128.

41. Рябчиков Ф.Д., Кустобаев Г.Г., Соколов B.A. Ускоренное охлаждение листовой стали в колпаковых газовых печах// Сталь,- 1962 №7 - С.748-749.

42. Федяева A.A. Исследование процессов ускоренного охлаждения в газовых колпаковых печах//Изв.вузов. Черная металлургия.- 1982.- №7 С.141-143.

43. Zinn J.C. Das Problem der Abkuhlung in Haubenofen//Bul. inform. Hertey- 1968 — №43 S.29-34.

44. Копцев В.В. Разработка и исследование алгоритма определения рационального режима светлого отжига для рулонов стального листа в колпаковой печи: Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. -М.: МИСиС, 1977. 185 с.

45. Голиков Ю.Г. Совершенствование тепловой работы колпаковых печей.-Дис.канд. техн. наук Свердловск, 1985.- 237 с.

46. Галкин В.Д. Совершенствование режимов нагрева автолиста при светлом рекристаллизационном отжиге в газовых одностопных колпаковых печах — Автореф. дис. канд. техн. наук.- Магнитогорск, 1983 18 с.

47. Сайд Абдель Вахаб Ибрагим. Совершенствование режимов нагрева автолиста при нагреве автолиста при светлом рекристаллизационном отжиге в газовых одностопных колпаковых печах Автореферат дис.канд. техн.наук.- М.-1983 — 20 с.

48. Титов В.И. Исследование тепловой работы колпаковых электропечей с целью совершенствования методов их расчета, проектирования и эксплуатации.-Дис.канд. техн.наук-М.: 1980 176 с.

49. Гусев Е.В. Разработка конструктивных элементов и режимных параметров колпаковых печей для получения жести заданного качества: Дис.канд. техн. наук. М.; 1987.-101 с.

50. Аптерман О.В. Разработка и исследование радиационно-конвективного нагрева рулонов холоднокатаного металла в колпаковых газовых одностопных печах: Дис. канд. техн. наук.-М.; 1987.-121 с.

51. Левицкий И.А. Разработка и исследование методов' интенсификации и контроля отжига холоднокатаного металла в колпаковых газовых печах: Дис. канд. техн. наук. М.; 1989.-111 с.

52. Беленький A.M. Совершенствование тепловой работы протяжных печей непрерывного отжига стальной полосы Дисс. доктора техн. наук.-М.: 1989. 463 с.

53. Металлургическая теплотехника: развитие теоретического раздела/ Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А.//Изв.вызов. Черная металлургия —

54. Демидович Б.П., Марон И1А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа / Под ред. Б.П. Демидовича. М.: Государственное издательство физ.- мат. Литературы - 1963.

55. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. -М.: Металлургия, 1990.

56. Майер У., Велн Г. Математическая модель колпаковой печи для плотносмотанных рулонов// Черные металлы 1974 — №5.- С. 17-20. N

57. Боковикова А.Х., Проколов Е.В., Голиков Ю.Г. и др. Математическая модель тепловой работы высокотемпературной колпаковой электропечи с защитной средой// Металлургическая теплотехника- М.: металлургия, 1976 №5 - С.86-89.

58. Арендарчук A.B., Мичуев В.И., Штипельман Я.И. Методика моделирования электропечей с преимущественно радиационным теплообменом// Металлургия-1989-№10 С.50-57.

59. Мейер У., Велн Г. Математическая модель производительности колпаковой печи для отжига рулонов// Черные металлы 1975.- №24 - С. 14-19.

60. Математическая модель газовой одностопной колпаковой печи для отжига рулонной стали/ Телегин А.С., Швыдкий B.C., Фадеев JI.A. и др.// Бюл. ЦНИИиТЭИ.- 1978-493-С.3-4.

61. Sfikker U.O. Numerical Simulation of the Coil Annealing process: Mathematical model in metallurgical process development London: Iron and Steel Inst. Special Report, 1970.- 104 p.

62. Rao T.R.S., Barth G.J., Miller J.R. Computer model prediction of heating, soaking and cooling time in batch coil annealing// Iron and Steel Engineer — 1983 №9— P. 108113.

63. Лисиенко В.Г., Волков B.B., Гончаров А.Л. Математическое моделирование в печах и агрегатах-Киев: Наукова думка, 1984 — 232 с.

64. G.H.Harwey. Mathematical Simulation of tight Coil annealing// The Journal of the Austral. Jns. of Metals.- 1977.- №1.- P.27-28.

65. Самарский А.А.// Вестник АН СССР. 1979. №5. C.38-49.

66. Самарский А.А.// Вестник АН СССР. 1984. № 3. C.77-88.

67. Самарский А.А.// Вестник АН СССР. 1984. № 11. С. 17-29.

68. Самарский A.A., Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи, методы, примеры М.: Физматлит, 2001 - 320 с.

69. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением М.: мир, 1975 - 934 с.

70. Мастрюков Б.С. Эффективная поглощательная способность несерых поверхностей// Труды МИСиС.- 1975.- №84.- С.13-22.

71. Тимофеев В.Н. Теплообмен излучением между твердыми телами// Известия ВТК- 1947 С.42-48.

72. Радиационные характеристики холоднокатаных сталей / A.M. Птицын, Б.С. Мастрюков, В.А. Кривандин// Теплофизика высоких температур 1980 - Т. 19 — №5 - С.1096-1098.

73. Лучистый теплообмен в электрической колпаковой печи/ A.C. Телегин, В.Б. Кутьин, JI.A. Фадеева//Изв.вузов. Черная металлургия 1977-№10 - С.151-153.

74. Мелентьев В.М., Хрещик Н.Г. Расчет лучистого теплообмена в электропечи сопротивления типа ТК-30(200)/ Труды Краснодарского политехнического института 1970.-24- С. 202-212.

75. Hoffei Н., Sorofim A. Radiative Transfer// New York: Me Graw- Hill Book Company, 1967.-P. 658.

76. Невский A.C. Лучистый теплообмен в печах и топках- М.: металлургия, 1971.— 438 с.

77. Суринов Ю.А. Обобщенный зональный метод исследования и расчета лучистого теплообмена в поглощающей и рассеивающей среде// Известия СО АН ССР. Серия технических наук 1977- №8 — вып.2- С. 13-29.

78. Адрианов В.Н. Основы радиационного и. сложного теплообмена М.: Энергия, 1972.-463 с.

79. Мастрюков Б.С. Исследование радиационного теплообмена в металлургических печах с целью совершенствования их расчета, проектирования и эксплуатации — Автореф. дис. д-ра техн.наук-Москва, 1980.-44 с.

80. Лисиенко В.Г., Фетисов Б.А., Журавлев Ю.А. Сравнительная оценка численных методов определения угловых коэффициентов излучения// Труды Магн. ГМИ.- 1975.-№16.-С.18-27.

81. Дрейзин-Дудченко С.Д., Клекль А.Э. Определение коэффициентов радиационного теплообмена методом статистических испытаний// Труды ВНИИОчистка — 1969.- №11,12;- С.285-293.

82. Фотин В.П., Шкляр Ф.Р. Статистический расчет угловых коэффициентов// ИФЖ.- 1972.-№6.-С. 1078-1083.

83. Суринов А.Ю. Теоретические основы зонального метода расчета лучистого теплообмена в промышленных печах// Изв. вузов.Черная металлургия- 1964-№5- С. 164-169.

84. Крупенниковт С.А. Модификация зонального методы расчета радиационного теплообмена // Изв. вузов. Черная металлургия 1992.-№1.- С.102-103.

85. Крупенников С.А. Применение модифицированного зонального методы для расчета сложного теплообмена // Изв. вузов. Черная металлургия 1995—№5-С.46-49.

86. Теплоизоляционные материалы и конструкции: Учебник для средних профессионально-технических учебных заведений/Б.JI. Бобров, Е.Г. Овчаренко и др.-М.: ИНФРА-М, 2003.- 268 с.

87. Ладыгичев М.Г., Гусовский В.Л., Кащеев И.Д. Огнеупоры для нагревательных и термических печей: Справочное издание. 2-е изд., доп.-М.: Теплотехник, 2004. -256 с.