Технические науки – энергетика

Иванов В.И., Кузьменко А.А., Матказина Р.Р., Мосейко Ю.В.

Запорожская государственная инженерная академия

К ОХЛАЖДЕНИЮ МАССИВНЫХ СЛИТКОВ

В АГРЕГАТАХ РАДИАЦИОННОГО НАГРЕВА

(сообщение 2)

При разработке математической модели процесса охлаждения массивных слитков в АРН принимали допущения о равномерности распределения температуры охлаждающего воздуха в рабочем объеме данного агрегата, которая является функцией времени; незначительном теплообмене излучением, отсутствии потерь теплоты через массивный сплошной под АРН, а также о зависимости теплофизических свойств металла от температуры.

Рассматривали осесимметричную двухмерную тепловую задачу для слитков прямоугольной и цилиндровой формы. Решение задачи осуществляли численно с использованием неявной абсолютно устойчивой разностной схемы. Искомые сеточные функции вычисляли методом продольной и поперечной прогонки в итерационном цикле с использованием алгоритма, описанного в работе [1].

При проведении расчетов значения параметров изменяли в соответствии с режимами охлаждения, которые задаются технологией термической обработки слитков в АРН. Изменение интенсивности отвода теплоты на поверхности слитков, которое наблюдали на разных этапах их принудительного охлаждения, учитывали путем варьирования значений коэффициентов теплоотдачи, величину которого в интервале исследуемых температур рассчитывали, используя известные эмпирические зависимости [2].

Адаптацию разработанной математической модели к реальным условиям принудительного охлаждения слитков в АРН осуществляли путем сопоставления расчетных данных по температуре металла с результатами ее экспериментального определения на разных этапах данного процесса. Установлено качественное согласование результатов расчетного исследования распределения температуры в металле с данными ее физического измерения для слитков, располагаемых в разных зонах рабочего объема АРН. Также подтверждено количественное соответствие температуры на разных стадиях охлаждения металла, что свидетельствует о достаточной корректности разработанной модели. Результаты дальнейшего расчетного анализа распределения температуры в слитках прямоугольной и цилиндровой формы, размещаемых на разных участках пода АРН, позволили выявить идентичные условия их охлаждения.

В дальнейшем, путем варьирования значений коэффициентов теплоотдачи с использованием ПЕОМ установлено, что заданная интенсивность понижения температуры поверхности нижней части слитков на заключительном этапе охлаждения имеет место при величине указанного коэффициента не менее 90…100 Вт/(м²×К).

Дальнейшими экспериментами на холодной аэродинамической модели АРН, выполненной с соблюдением геометрического и кинематического подобия [3], изучали пути практического достижения заданной интенсивности отвода теплоты от боковой поверхности слитков потоками воздуха, циркулируемого в его рабочем объеме с использованием более мощных циркуляционных вентиляторов с радиальным (существующим) и тангенциальным (предложенным) подводом воздуха.

В случае радиального подвода воздуха в АРН зафиксировали неоднородный характер течения потоков воздуха, причем в нижней части рабочего объема агрегата количества воздуха было явно недостаточно. При дальнейшем увеличении мощности циркуляционного вентилятора возрастает интенсивность течения потоков воздуха в рабочем объеме агрегата, однако не удается достигнуть достаточного уровня равномерности обтекания ими боковой поверхности охлаждаемых слитков.

При наличии тангенциального подвода воздуха на входе в рабочий объем АРН создается вихреобразное движение его потоков, которое приобретает вращательно-поступательный характер и заполняет весь рабочий объем данного агрегата, благодаря чему теплоотдача в его нижней части существенно возрастает. Как следствие, средняя скорость течения потоков воздуха приближается до уровня, который обеспечивает охлаждение слитков с заданной скоростью.

Результаты испытаний в производственных условиях свидетельствуют о максимальном приближении средней скорости течения потоков воздуха в рабочем объеме АРН до уровня, обеспечивающего понижение температуры слитков с заданной скоростью на протяжении всего периода охлаждения.

Сопоставление качественных показателей термической обработки слитков одного и того же металла до и после реализации тангенциального подвода воздуха в рабочий объем АРН свидетельствует о повышении дисперсности микроструктуры и комплекса механических свойств металла.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Экспериментально-расчетное исследование теплового состояния слитков при охлаждении в термостатах / Ю. И. Усенко, В. И. Иванов, Н. В. Коваль и др. // Научные труды Донецкого национального технического университета. – Донецк : ДонНТУ, 2005. – Вып. 102. – С. 63-70.

2. Пуговкин, А. У. Рециркуляционные пламенные пеки. Расчет и конструирование / А. У. Пуговкин. – 2-ое изд. – Л. : Машиностроение, 1975. – 200 с.

3. Михеев, М. А. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михеева. – 2-ое изд. – М. : Энергия, 1977. – 343 с.