Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Черная металлургия, занимающая одно из важнейших мест среди всех отраслей хозяйства страны, является в то же время одной из наиболее энерго- и ресурсоемких отраслей промышленности. До настоящего времени более половины стали производится традиционным способом - литьем в металлическую форму, а стальные слитки и заготовки подвергаются нагреву при подготовке к прокатке.
Поэтому и в настоящее время в металлургии существует проблема стойкости изложниц и проблема качественного нагрева заготовок при сбережении топливно-энергетических и металлоресурсов.
Актуальность настоящей работы состоит в реализации ресурсосбере- , тающих и энергосберегающих технологий для двух направлений метал-лурі нческого производства:
-
применения металлических форм при получении отливок и слитков с целью повышения стойкости изложниц;
-
экономичного нагрева перед прокаткой стальных заготовок в металлургических печах с целью улучшения качества стальных заготовок, а также снижения удельного расхода топлива.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в рамках научно-производственной программы 71.02 Р . "Энергосбережение", утвержденной Советом Министров БССР в 1990 г., и в рамках Межвузовской программы фундаментальных исследований "Металлургия", выполняемой в 1995...2000 гг.
Цель и задачи исследования. Целью работы является теоретическое обоснование, разработка и внедрение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологических режимов при тепловом нагружении металлических форм и стальных заготовок, представляющих термомассивные пластины.
В соответствии с этим был выполнен аналитический обзор, обобщение которого позволило сформулировать следующие задачи диссертаци- онной работы:
- провести экспериментальное исследование теплового состояния металлических форм, представляющих термомассивные пластины, и разработать новый теоретический подход для определения температурного поля металлической формы с целью расчета деформаций и напряжений;
- выполнить комплексные исследования, включающие разработку методики расчета температур, напряжений и деформаций при радиационно-конвективном нагреве термомассивной пластины в методической печ;и; проведение экспериментальных исследований на промышленном объекте (методической печи) в производственных условиях с последующей параметрической идентификацией разработанной математической модели ре-
альным условиям нагрева сляба, и в соответствии с этим выполнить серию численных экспериментов для дальнейшего применения результатов в технологии нагрева блюмовых и слябовых заготовок;
выполнить анализ результатов теоретических исследований, полученных автором, с целью установления диапазонов применения этих результатов;
в соответствии с результатами аналитических и экспериментальных исследований с последующей корректировкой на промышленных объектах разработать и внедрить ресурсо- и энергосберегающие процессы при тепловой обработке металла.
Объект и предмет исследовании. Объектом исследования являются стальные и чугунные плоские металлические формы и нагреваемые в многозонных методических печах толкательного типа блюмы и слябы.
Методология н методы проведенного исследования. Методология исследования заключалась во взаимосвязи экспериментального и теоретического анализа задач теплообмена и термодеформационных процессов в формах и заготовках.
Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде при изучении полей температур и деформаций металлических форм и на промышленных методических печах при изучении температурных полей заготовок.
Для термометрических исследований в качестве датчиков использовались ХА-термопары, для исследования деформаций - электромеханические тензометры, в качестве показывающих и записывающих приборов -электронные потенциометрические мосты и индикаторы часового тина.
Теоретические исследования заключались в разработке математических моделей и решении полученных уравнений.
Для решения уравнений использовался метод разложения по собственным функциям, метод интегрального преобразования Лапласа, численные сеточные и итерационные методы решения интегральных уравнений и метод сведения интегрального уравнения Фредгольма к алгебраическому уравнению.
Проверка правильности предложенных методов производилась но данным промышленного и стендового эксперимента.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
1. Предложено аналитическое решение задачи о температурном поле отливки и формы, отличающееся от известных учетом теплообмена между слитком и изложницей. После этапа отвода теплоты перегрева решение лает приближение температурного поля формы сверху.
На основании этого решения предложен приближенный метод расчета термоупругопластического состояния (решение в замкнутом виде) плоской неохлаждаемой формы.
Разработанная одномерная математическая модель позволяет оценить сверху термодеформашюнное состояние формы, устанавливает важность' инерционного этапа прогрева, влияние условий теплообмена между слитком и формой и роль краевых условий.
2. Разработан численно-аналитический метод расчета температур, деформаций и напряжений плоских стальных заготовок при радиационно-конвективном способе нагрева с учетом изменения теплофизических и физико-механических характеристик металла в широком диапазоне температур.
Показана недопустимость линеаризации задачи нагрева за счет усреднения термофнзических характеристик и закономерность образования зон упругих и пластических деформаций и напряжений.
Практическая значимость полученных результатов. Предложен метод расчета термодеформационного состояния плоских металлических форм и заготовок, позволяющий производить выбор рациональных процессов теплонагружения для улучшения работы металлических форм и качества проката, уменьшения ресурсе»-, и энергопотребления агрегатов металлургического производства.
Результаты диссертационной работы применялись при расчете тепловых режимов металлических форм с автоматическим регулированием процесса литья на Тираспольском заводе "Литмаш", были использованы при расчете технологических и конструктивных параметров пресс-форм на предприятиях отрасли М 5804, внедрены на Витебском станкостроительном заводе им. СМ. Кирова.
Внедрение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило увеличить производительность технологического процесса литья, повысить стойкость пресс-форм, кокилей и изложниц (увеличение стойкости для литья чугуна в 1,3 раза, бронзовых сплавов - в 1,5 раза).
Обобщение результатов исследований позволило:
а) разработать новые технологические режимы тепловой обработки
стали 45 на Днепровском металлургическом комбинате им. Дзержинского,
что дало возможность снизить топливопотребление и повысить механиче- -
ские свойства выпускаемой продукции;
б) внедрить рациональные режимы нагрева металла перед прокаткой и
вторичного охлаждения непрерывного слитка на МНЛЗ Белорусского ме
таллургического завода.
В результате брак по готовой продукции снижен на 0,81%, выход годного металла увеличился на 2,87 тыс. тонн в год, удельный расход топлива на тонну проката снижен на 7,9%.
в) снизить удельный расход топлива на 3,2 кг у.т./т и уменьшить брак
(по трещинам и короблению) на 60% в результате разработки и внедрения
рациональных тепловых режимов нагрева металла r металлургических пе-
чах стана 810 Новосибирского металлургического завода перед горячей прокаткой на листовом стане.
Долевой экономический эффект от внедрения результатов исследования составил свыше 350 тыс. руб. (в ценах 1991 г.).
Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика" по курсам "Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах" и "Высокотемпературные теплотехнологические процессы и установки".
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Математическая модель, ее обоснование и новое аналитическое решение задачи о температурном поле плоской металлической формы.
-
Аналитические и инженерные методы расчета термоупругого и термоупругопластического.состояния металлической формы.
-
Численно-аналитический метод расчета температурного поля термомассивной пластины (блюма, сляба) при радиационно-конвектнвном нагреве в металлургических печах.
-
Численно-аналитический метод расчета термодеформациониого состояния плоской стальной заготовки при радиационно-конвектнвном нагреве в металлургических печах.
Личный вклад соискателя. Основные научные и практические результаты диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.
Апробации результатов диссертации. Основные положения доложены и обсуждены:
на Всесоюзной научно-технической конференции "Остаточные напряжения и несущая способность деталей машин", г. Харьков (! 969 г.); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Термическая обработка -резерв повышения качества металлопродукции", г. Новотроицк (1987 г.); на Всесоюзной конференции "Применение ЭВМ в научном исследовании и управлении химико-металлургическими процессами", г. Свердловск (1987 г.);
на IV Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические проблемы прокатного производства", г. Днепропетровск (1988 г.); на X Всесоюзном совещании-семинаре "Теплофизика релаксируюших систем", г. Тамбов (1990 г.).
Опубликовашюсть результатов. По материалам диссертации опубликовано 14 работ в Республиканских межведомственных сборниках (г.Минск и г. Москва), Межведомственном сборнике НИПТАвтопрома (г. Москва), журнале "Известия вузов СССР. Энергетика", тезисах докладов Всесоюзных научно-технических конференций (г.г. Харьков, Свердловск, Днепропетровск, Тамбов), всего 103 с. публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа Состоит из оглавления, перечня условных обозначений, общей характеристики ра-' боты, трех глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложений. Полный объем диссертации - 198 с; объем, занимаемый 52 рисунками - 52 с; объем,, занимаемый 6-ю приложениями - 35 с;. количество использованных источников - 123.