Гинкул С.И., Лебедев А.Н., Кудинова В.А., Подобед Ю.В.

ДонНТУ

Моделирование нагрева металла в методической печи

при переменной производительности.

Методические печи, применяемые для нагрева заготовок перед сорто- и листопрокатными станами, наиболее распространены в металлургическом производстве.

Методические печи - непрерывные, у которых при неизменном характере нагреваемых заготовок и темпе работы тепловой и температурный режимы являются переменными по длине печи и постоянными во времени.

В настоящее время финансового кризиса металлургическим заводам приходиться снижать объем работы, что приводит к снижению производительности стана.

Нагревательные печи проектировались, как правило, на максимальную производительность. В те времена требовалось получение максимально возможное количество металла. Производительность печи может меняться в широких пределах и в этом случае необходимо обеспечить требуемый режим нагрева в зависимости от заданной производительности. Поскольку длина печи и длины зон не меняются, то варьируя температурой газов в печи, необходимо добиться такого распределения температуры газов по зонам печи, чтобы получить качественный нагрев металла при заданной производительности. Кроме того в каждом отдельном случае определить тепловые потери и рассчитать расход топлива. Для того, чтобы в реальных условиях оперативно влиять на создавшуюся ситуацию, необходимо выполнить моделирование расчета горения топлива, внешнего теплообмена, нагрева металла, тепловых потерь.

В представленных материалах приводятся результаты моделирования теплового режима печи для получения заданного качества нагрева металла при известной производительности.

Для определения коэффициентов теплоотдачи излучением рассчитываются приведенная излучательность (степень черноты) газов по зонам [1].

,

где ω – степень развития кладки; и - излучательность метала и газа.

Степень развития кладки находится по формуле:

где h- висота соответствующей зоны, м; В- ширина печи, м; l- длина заготовки, м; z- число рядов заготовок в печи.

Коэффициент теплоотдачи излучения при меняющейся температуре газов по длине печи вычисляем по формуле [1].

, (1)

при постоянной температуре по длине печи:

, (2)

где С- коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(мК);

Т,Т- температура газа в начале и конце методической зоны, К; Т- температура газа по длине сварочной зоны, К; Т,Т- температура металла в начале и конце зоны, К.

Температурное поле определяем решая дифференциальное уравнение теплопроводности:

, (3)

где,,- коэффициент теплопроводности металла, Вт/(мК), теплоемкость, Дж/(кгК), плотность, кг/мі.

Граничные условия в методической и сварочных зонах определялись по температуре газов и коэффициентах теплоотдачи излучением в верхних и нижних зонах, которые вычислялись по формулам (1) и (2). В томильной зоне нагрев металла сверху осуществляется при постоянной температуре поверхности, а снизу на монолитном поду. Решение дифференциального уравнения (3) выполнилось конечно разносным методом с использованием прогонки [2],[3].

По известной температуре газов по длине печи и известным коэффициентам теплоотдачи излучением на каждом временном шаге методом прогонки рассчитывается температура по сечению заготовки [2], [3].

Основным назначением методической зоны является постепенный нагрев металла до температуры пластичности и при переходе из методической в сварочную зону температура по толщине заготовки должно быть не менее температуры пластичности tpl. При переходе из сварочной зоны в томильную температура поверхности металла должна быть равной температуре поверхности металла tpk в конце нагрева.

Рассматриваемая методическая печь состоит из методической, двух сварочных и томильной зон. Общая длина печи L=30,4м. Печь спроектирована на нагрев заготовок при производительности P=260т/ч. Суммарное время нагрева заготовок τ =7986с, емкость печи составляет G = кг.

Время нагрева заготовок в печи определяется:

τ = G/P.

Уменьшение производительности печи приводит к увеличению времени нагрева, т.е. к уменьшению скорости продвижения заготовок. В связи с этим увеличивается пребывание заготовок в каждой зоне. Время нагрева заготовок в каждой зоне в зависимости от производительности печи приведено в таблице1.

Таблица 1. – Время нагрева металла по зонам в зависимости от производительности

Произ-водите льность P,т/ч	Время, с
	Методи-ческая зона	1я-сва рочная зона	2я-сва рочная зона	Томи- льная зона	Суммарное
260	1625	2613	2225	1523	7986
240	1760	2832	2409	1650	8651
220	1920	3082	2629	1800	9438
200	2112	3398	2891	1979	10380

В результате этого нагрев металла можно осуществить при меньшей температуре газов по зонам печи. В таблице 2 приведено изменение температуры газов по зонам печи в зависимости от производительности.

Таблица 2- Температура газов по зонам печи

Произ- водитель-ность P, т/ч	Температура, ˚C
	Методическая зона		1я-сварочная зона		2я-сварочная зона		томильная зона
	начало	конец	начало	конец	начало	конец	начало	конец
260	1065	1315	1315	1315	1365	1365	1257	1252
240	920	1300	1300	1300	1350	1350	1256	1252
220	865	1295	1295	1295	1345	1345	1254	1251
200	815	1280	1280	1280	1330	1330	1252	1251

Как видно из таблицы 2 температура уходящих газов и температура газа по зонам с уменьшением производительности уменьшается.

В таблице 3 приводится изменение температуры поверхности металла по длине печи. По разработанной математической модели было выполнено моделирование нагрева металла таким образом, чтобы в конце методической зоны температура поверхности не отличалось от температуры пластичности tpl=500˚C на величину заданной погрешности.

Таблица 3 – Температура поверхности металла по зонам

Произ- водите-льность P, т/ч	Температура, ˚C
	Методическая зона		1я-сварочная зона		2я-сварочная зона		томильная зона
	начало	конец	начало	конец	начало	конец	начало	конец
260	0	504	504	1042	1042	1239	1239	1249
240	0	504	504	1052	1052	1242	1242	1249
220	0	502	502	1070	1070	1253	1253	1250
200	0	504	504	1080	1080	1256	1256	1250

Температура поверхности металла в конце методической зоны колеблется в пределе 502…504˚C, а в конце сварочной зоны температура поверхности выдерживается 1239… 1256˚C.

Таким образом моделирование нагрева металла в методической печи при уменьшении производительности печи позволяет греть металл при более низкой температуре газов по зонам печи по сравнению с номинальной производительностью. Это в свою очередь приведет к снижению тепловых потерь в печи и уменьшению расхода топлива.

Литература

1. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей т.2.: М.: Металлургия, 1986.-376с.

2. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем.- М.: Наука 1971.-539с.

3. Гинкул С.И., Шелудченко В.И., Кравцов В.В., Палкина С.В. Тепломас- сообмен.- Донецк: Норд-Пресс, 2006.-298с.

Сведения об авторах

№	Фами-лия, имя, отчест-во	Место работы	Науч-ная сте-пень	Долж- ность	Контак-тный телефон	Почтовый адресс
1	Гинкул Станис- лав Ивано- вич	Донец- кий на- циональ- ный тех- Универ- ситет (ДонНТУ)	доцент	Профес- сор кафед- ры «Техни-ческая тепло- физика»	258-52-05	83004, г.Донецк ул.Универ ситетская 105,кв.41
2	Лебедев Алек- сандр Никола- вич	ДонНТУ	доцент	зам. де- кана физико- метал- лурги- ческого факуль- тета	335-14-74	83000 г.Донецк пр.Дзер- жинского 2а,кв5
3	Кудино- ва Валерия Алек- санд- ровна	ДонНТУ		студент ка	(066)953-11-93	83050 г.Донецк пр.Вату- тина, 36,кв542
4	Подобед Юлия Вячес- лавовна	ДонНТУ		студент ка	(095)876- 72-26	83025 г.Донецк ул.Черно- вицкая д.25