Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема индукционного нагрева плоских тел в металлургическом производстве 11
1.1. Типы установок и основные проблемы нагрева крупногабаритных слябов 14
1.2. Индукционные установки для нагрева полосы проката и тонких слябов 19
1.3. Особенности моделирования нагрева плоских тел 24
1.4. Энергетические и экологические аспекты нагрева слябов 27
1.5. Выводы 29
2. Моделирование нагрева плоских тел в металлургическом производстве 30
2.1.Области эффективного использования одномерных моделей 30
2.2. Двухмерные электротепловые модели 33
2.2.1. Метод решения внешней электрической задачи 34
2.2.2. Метод решения внутренней электротепловой задачи в поперечном сечении 42
2.3. Эффективный метод решения трехмерной электромагнитной задачи 50
2.3.1. Структура и возможности программы 52
2.3.2. Сравнение с экспериментальными данными 55
2.4. Выводы по главе 56
3. Моделирование электромагнитных и температурных полей при индукционном нагреве слябов 57
3.1. Сравнение различных типов индукционных нагревателей толстых слябов 57
3.2. Моделирование комплекса непрерывная разливка - непрерывная прокатка 61
3.3. Результаты моделирования температурных полей в полосе подката 73
3.4. Индукционный нагреватель полосы перед покраской 81
3.5. Выводы по главе 83
4. Исследование индукторов для подогрева кромок полосы подката 85
4.1. Математическая модель 86
4.2. Постановка задачи 88
4.3. С-образный индуктор для подогрева кромок сляба 90
4.4. Щелевой индуктор 94
4.5. Щелевой индуктор с поперечным магнитным полем 99
4.6. Щелевой индуктор с параллельным подключением витков 103
4.7. Тепловые расчеты 106
4.8. Щелевой индуктор со смешанным полем 112
4.9. Выводы по главе 115
Заключение 116
Библиографический список использованной литературы 117
- Индукционные установки для нагрева полосы проката и тонких слябов
- Метод решения внутренней электротепловой задачи в поперечном сечении
- Моделирование комплекса непрерывная разливка - непрерывная прокатка
- Щелевой индуктор с параллельным подключением витков
Введение к работе
Структурные изменения в металлургической промышленности индустриально развитых стран в последней трети XX века привели к широкому внедрению индукционного нагрева в металлургии. Плавка металлов в индукционных тигельных и канальных печах занимала и ранее относительно большое место в металлургической промышленности. Однако внедрение технологических процессов непрерывной разливки с последующей прокаткой, непрерывной термообработки и покрытия ленты защитными материалами, термообработки труб, штамповки сплавов в тверд ожид ком состоянии методом тнксоформовки привели к острой потребности в высокоэффективных индукционных установках с контролируемым прецизионным нагревом металла. Компактные, практически без тепловой инерции и всегда готовые к работе индукционные нагреватели идеально вписываются в непрерывные автоматизированные линии.
В настоящее время области потенциального использования индукционного нагрева в металлургической промышленности чрезвычайно велики. Нагрев толстых слябов перед прокаткой может осуществляться от температуры окружающей среды до температуры прокатки. Наиболее экономически выгодный подход, снижающий стоимость нагрева тонны металла при существенном уменьшении окалинообразования и обезуглероживания, заключается в нагреве металла после выхода из газовой печи (900-1150С) до температуры прокатки (1150-1250 С).
Развитие технологии непрерывной разливки - непрерывной прокатки позволяет исключить зону хранения слябов и повторного их нагрева, что делает эту технологию энергосберегающей и существенно снижающей материальные затраты на производство тонны проката. Возможным согласующим звеном между установкой непрерывной разливки и прокатным станом может быть индукционный нагреватель, который позволяет гибко и оперативно корректировать и формировать температурное поле сляба, обеспечивая максимальную производительность стана и, главное, высокое качество прокатки. Роль индукционного нагрева возрастает при использовании его в современных новейших линиях разливки тонких слябов с толщиной 20-50 мм. Чрезвычайно эффективно применение индукционного нагрева для подогрева кромок тонких слябов или полосы подката на промежуточных рольгангах между черновыми и чистовыми клетями прокатного стана.
Производство листового проката с покрытием повышенной стойкости против коррозии, улучшенными свойствами свариваемости, окрашиваемое, пылезащищенности значительно возросло во всем мире, что объясняется постоянным увеличением спроса автомобильной промышленности в данной продукции. Индукционный способ нагрева тонколистовых ферромагнитных материалов является одним из самых перспективных для применения в линиях непрерывного отжига, горячего цинкования и др.
В целом структура использования индукционного нагрева в металлургии отображена на рис. 1.1. Обобщенно можно выделить две главные группы индукционных нагревателей, которые используются в металлургической промышленности: индукционные нагреватели блюмсов, слябов и полос индукционные нагреватели лент.
Установка непрерывной разливки
Жилки! металл
Толстые слябы
Газовый нагреватель
Тонкие слябы
Индукционный нагреватель
Туннельная печь -МММ- предварительной прокатки
Индукционный нагреютель
Индукционный нагреватель
Прокатный стаи
Стан чистовой прокатки
Ста в і холодной прокатки
Индукционный нагреватель
Горячекатаїшьш _jf Холоднокатаними ^ лист
Термообработанный
Газовый н\илн индукционный* нагреватель
Оцинкованный лист
Отливка и получение слябов
Склад холодных толстых слябов
Вапна расплава
Агрегат ropjracro цинкования
Индукционный иаі-рсватель
Оцинкованный лист со специальными с во Пет вам и і
Рис. 1.1. Использование индукционного нагрева в металлургии
Установки индукционного нагрева в металлургической промышленности имеют уровень мощности, доходящий до нескольких десятков и даже сотен мегаватт. Ошибки в проектировании этих установок приводят к чрезвычайно неприятным и дорогостоящим последствиям. Поэтому возникает необходимость достаточно точного расчета электромагнитных и температурных полей в системе, учет при моделировании других агрегатов в линии.
Доведение температурного поля сляба до необходимых кондиций непосредственно перед прокаткой наиболее перспективно осуществлять в индукционных нагревательных установках (ИНУ) благодаря ряду общеизвестных преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, более экономичное использование деформирующего оборудоваЕіия, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания, в том числе при пуске, остановке, смене номенклатуры изделий, и быстрой окупаемости. Кроме того, это связано с растущей долей электроэнергии среди всех видов энергии, а тем самым повышением роли электротермии в стратегии энергетического выбора.
Индукционный нагрев (ИН) является одним из наиболее сложных электротермических процессов. Основную роль играют электромагнитные и тепловые процессы. В результате нагрева и структурных превращений также возникают внутренние термические и структурные напряжения. Отсюда следует - проектирование высокопроизводительных установок нагрева тел прямоугольного сечения, особенно ферромагнитных, а также определение оптимальных режимов нагрева, являются очень сложными задачами (в основном из-за высоких требований по качеству и экономичности нагрева). Проведение натурных экспериментов с целью получения информации, облегчающей проектирование и управление, затруднительно и экономически невыгодно. В этих условиях качественное проектирование ИНУ тел прямоугольного сечения наиболее эффективно при использовании математических моделей процессов нагрева.
Это предопределило задачи и структуру диссертационной работы.
Цель работы. Исследование и разработка ИНУ для нагрева стальных слябов в линии НРНП. Создание проблемно-ориентированной трехмерной электротепловой модели процесса НРНП тел прямоугольного и со скругленными углами сечения, ориентированной на исследование и проектирование полностью всей линии непрерывной разливки - прокатки, включая зоны охлаждения сляба при выходе из кристаллизатора, пребывания заготовки в зонах теплового отстоя или газовых печах и конечный подогрев в ИНУ.
Исследование ИНУ для подогрева кромок тонких слябов и полосы подката. Создание двухмерных электромагнитных моделей индукционных нагревателей кромок тонких слябов и полосы подката.
В первом разделе рассмотрены проблемы индукционного нагрева плоских тел в металлургическом производстве, вызванные внедрением в конце XX века в производство линий НРНП. В связи с этим, рассмотрены основные области использования нагрева тел плоской формы такие, как нагрев крупногабаритных слябов и нагрев тонких слябов. Проведен анализ особенностей моделирования нагрева плоских тел. Рассмотрены энергетические и экологические аспекты нагрева слябов.
Второй раздел посвящен разработке квазитрехмерной модели комплексов НРНП. Описана разработанная квазитрехмерная модель и программа расчета электромагнитного и теплового полей для тел с прямоугольной и со скругленными углами формой поперечного сечения.
В третьем разделе исследуются овальные индукционные нагреватели слябов для подъема общего уровня температуры.
В четвертом разделе исследуются индукционные нагреватели кромок слябов. Рассмотрены два основных типа ИНУ для подогрева кромок: щелевой индуктор и с-образный индуктор. На основании полученных результатов предложена новая конструкция ИНУ: щелевой индуктор с параллельным подключением витков.
Методы исследования. Исследования электромагнитных, тепловых полей и интегральных параметров индукционных систем проводились методами математической физики и вычислительной математики. Разработанная математическая модель базировалась на комбинации метода интегральных уравнений, метода конечных элементов и метода конечных разностей.
Достоверность полученных результатов определялась путем параллельных расчетов различными методами, сравнением расчетных результатов с экспериментальными и опубликованными в других работах и с тестовыми расчетами с использованием сертифицированных коммерческих пакетов Ansys, Maxwell 2D, Flux 2D.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Выявлены технологические особенности индукционного подогрева плоских тел перед прокаткой и проведена классификация индукторов по технологическому назначению.
Двухмерная электротепловая модель индукционного нагрева плоских тел с прямоугольным поперечным сечением и со скругленными углами.
Квазитрехмерная электротепловая проблемно-ориентированная модель процесса нагрева тел с прямоугольной и со скругленными углами формой поперечного сечения перед прокаткой.
Сравнительный анализ электромагнитных и температурных полей плоских тел при использовании известных типов индукторов и новая конструкция индуктора для подогрева кромок полосы подката и тонких слябов.
Индукционные установки для нагрева полосы проката и тонких слябов
Одной из крупнейших в мире ИНУ для нагрева прямоугольных слябов является установка непрерывного действия, построенная фирмой ASEA в Лулэо (Швеция) в 1984г [10]. Она позволяет нагревать 88 т стальных слябов в час. Толщина нагреваемых слябов 176-225 мм, ширина- от 240 до 1050 мм, длина - от 3 до 10 м, максимальная масса 15 т, конечная температура 1250С. Индукционный нагреватель состоит из ряда водоохлаждаемых секций, через которые по рольгангу непрерывно перемещаются слябы. Индукционный нагреватель состоит из 7 индукторов, каждый из которых питается через свой регулируемый трансформатор. Время нагрева сляба толщиной 220 мм составляет 30 мин. Общая мощность установки составляет 35 МВт. Аналогичная установка имеется в Японии на Nippon Steel - Yawata Works [11].
Современная крупная ИНУ для самой большой линии непрерывной разливки стали, была разработана Inductotherm Corp., Rancocas, New Jersey, США для Geneva Steel Corp., Utah, США, в 1995г. (рис. 1.3-1.4) [12]. В разработке и пуске в 1995 году этой установки принимали участие сотрудники ВНИИТВЧ и СПбГЭТУ. Мощность установки составляет 42 МВт при производительности 500 т/час. Подогрев слябов производится от температуры 1090С до 1260С на выходе. Нагреватель состоит из 7 индукторов, расположенных в линию на расстояние 171 см между их центрами. Мощность каждого индуктора достигает 6 МВт при частоте тока 110 Гц, Полная длина печи 14 м при ширине 4 м. Толщина нагреваемых слябов 22 см. Ширина слябов от 107 см до 160 см при двух отливаемых одновременно слябах или от 180 см до 320 см для одиночно отливаемого сляба. Индукционная печь может нагревать либо 2 сляба, расположенных рядом друг с другом, либо 4 сляба, расположенных двумя парами, либо 2 или 3 сляба, следующие друг за другом, либо 1 большой сляб. Слябы совершают осциляторное (возвратно-поступательное) движение, с амплитудой 171 см. Осциляторное движение сляба дает возможность минимизировать общую длину печи и реализовать, кроме нагревательного, также и режим термостатирования.
Дополнительно можно упомянуть разработку Ajaxocco для Washington Steel мощностью 19,8 МВт для нагрева слябов из нержавеющей стали из холодного состояния до температуры 1260 С.
Процесс ИН ферромагнитного сляба или блюма от температуры ниже точки Кюри имеет свои особенности, которые влияют на конструкцию ИНУ.
На первой стадии нагрева загрузка является полностью магнитной, и краевые зоны нагреваются значительно быстрее, чем центральная. На этой стадии кромки загрузки имеют наибольшую температуру. После того, как сляб или блюм нагреваются выше точки Кюри и теряют свои магнитные свойства, тепловыделение не только значительно снижается, но и перераспределяется вдоль поверхности загрузки вследствие электромагнитного краевого эффекта. Это является причиной нежелательной неравномерности температурного поля. Для предотвращения этого, можно использование нагреватели с двойной частотой тока. Эта концепция требует использования низкой частоты, когда большая часть загрузки остается магнитной. На второй стадии, когда сляб или блюм становятся немагнитными, эффективно использовать более высокую частоту. Примером успешного использования двухчастотного индукционного нагрева блюмов является ИНУ, разработанная в 1991 г.
Radyne Corp. для Kanthal Corp. в Швеции [13]. Индукционная печь состоит из 9 установленных в линию индукторов и двух источников питания 600кВт/500Гц и 300 кВт/ЮООГц. Полная длина нагревателя 914 см. Нагреваемый блюм 10x10 см длиной 305 см нагревается, от температуры окружающей среды до 65 0С на частоте 500 Гц, после чего догревается до температуры 1120С на частоте 1000 Гц. Производительность установки составляет один блюм каждые три минуты.
Тонким слябом принято считать сляб толщиной менее 50 мм. Большинство современных разливочных технологий развивается в направление разливки тонких слябов с последующей непрерывной прокаткой [1]. Длина тонких слябов может достигать 90 метров.
Проблема подогрева тонких слябов возникает или на промежуточном этапе прокатки стали между черновыми и чистовыми клетями прокатного стана, или после разливки сразу тонких слябов. Подогрев тонких слябов имеет существенные особенности, по сравнению с нагревом толстых слябов. Главной задачей подогрева тонких слябов является компенсация температуры в зоне кромок, что вызвано значительным остыванием кромок из-за небольшой толщины сляба. Кроме того, из-за большой длины тонкого сляба при транспортировке образуется температурный перепад по длине.
Нагрев в овальных неразъемных индукторах с продольным магнитным полем, являющийся основным для толстых слябов, осуществляется при нагреве тонких слябов на более высоких частотах и применяется для подъема общего уровня температуры полосы дТ. Этот способ позволяет достичь хорошего температурного распределения в слябе с приемлемым КПД (около 75%).
Метод решения внутренней электротепловой задачи в поперечном сечении
Использую описанные выше модели, на языке программирования C++ [43, 44] была разработана программа UniversaBD для работы в среде Microsoft Windows 9x/NT/2K/XP [45, 46]. С помощью данной программы пользователь без больших временных затрат и с достаточной расчетной точностью может получить все требуемые параметры индукционной системы. Расчет может производиться при любой степени выраженности поверхностного эффекта, встречающегося в практике сквозного индукционного нагрева заготовок из меди, алюминия, титана, их сплавов, магнитной и не магнитной стали и т.д. Предусматривается расчет нагревателей с многослойными, секционированными многофазными индукторами, с обычным и автотрансформаторным включением обмоток. Программа включают в себя решение внешней электрической и внутренней электротепловой задачи. В результате внешнего электрического расчета при заданном напряжении питания, либо токе или мощности цепи определяются полная активная мощность, полная реактивная мощность, активная мощность, выделяющаяся в загрузке, мощность потерь в индукторах, токи в индукторах, электрический КПД нагревателя, распределение напряженности магнитного поля на поверхности загрузки. Внутренний электротепловой расчет заключается в определении распределения температуры по длине загрузки и в поперечном сечении выходной заготовки при определенных граничных условиях на поверхности загрузки, которые задаются или из условия свободного теплообмена с окружающей средой, или с учетом футеровки. Одновременно рассчитываются общие тепловые потери и распределение температуры внутренней поверхности футеровки по длине нагревателя.
В программе предусмотрено моделирование нескольких типов индукционных нагревателей: периодического действия, методического действия с дискретным переталкиванием заготовок, непрерывного действия с движением загрузки с определенной линейной скоростью. Одним из важных достоинств является возможность моделирования так называемых нестационарных режимов: пуска и разгрузки нагревателей, термостатирования заготовок и т.д.
Развитие непрерывных технологий накладывает определенные сложности на процесс проектирования, так как рассмотрение индукционной печи отдельно от технологической линии может привести к ошибкам либо при выборе конструкции индуктора, либо при выборе режимов работы [47]. С помощью программы UniversaBD пользователь может моделировать всю технологическую линию термообработки металлов с использованием индукционных нагревателей, газовых печей и зон транспортировки.
В программе имеются следующие ограничения. Не предусмотрен расчет нагревателя с загрузкой разного размера. Загрузка должна быть не очень короткой и составлять по длине больше двух ее диаметров. Не допускается расчет систем с последовательно-параллельным включением обмоток индукторов и при питании от источников с различной частотой тока.
Алгоритм работы программы Universal3D представлен на рис. 2.11: 1. С учетом введенных данных происходит инициализация переменных: расчет элементов индукторов, расчет элементов загрузки, расчет элементов футеровки. Так как на этом этапе не хватает информации, то значения Z, Н, ц берутся приближенно; 2. Решается внешняя задача (МИУ); 3. Полученное значение Н на поверхности сравнивается с предыдущим; если разница между значениями удовлетворяет заданной точности, то происходит переход на пункт 9; 4. Решается внутренняя электрическая задача (МКЭ) для текущего слоя; 5. Перерасчет ц(Н). Для решения нелинейной задачи используется метод простой итерации (МПИ); 6. Проверка точности расчета текущего слоя. Если не достигнута заданная точность, то переход к п. 4; 11. Проверка точности расчета текущего слоя. Если не достигнута заданная точность, то переход к п. 9; 12. Расчет импеданса (Z) текущего слоя; 13. Если не рассчитаны все слои, то выбирается следующий слой и происходит переход к п. 9, в противном случае - переход к п. 2; 14. Внутренняя продольная тепловая задачи (МКР); 15. Если не достигнуто заданное время, то происходит переход к пункту 2 для расчета всей системы на новом временном шаге, иначе расчет заканчивается. Несмотря на сложный алгоритм и многочисленные итерации, программа затрачивает на расчет в несколько раз меньше времени, чем коммерческие пакеты, вследствие чего применяемый алгоритм можно назвать экономичным. Следует отметить, что ни в одном коммерческом пакете нет возможности трехмерного расчета индукционного нагрева ферромагнитной загрузки. Верификация модели проводилась путем сравнения расчетов электромагнитных и температурных полей в стальной пластине с экспериментальными данными (рис. 2.12), описанными в [48]. Нагревалась стальная полоса (сталь 45) с поперечным сечением 22x62 мм на частоте 2500 Гц в индукторе длиной 170 мм, шириной 103 мм, высотой окна 39 мм (внутренние размеры по меди индуктора). Индуктор имеет 13 витков и изготовлен из трубки 10x10 мм. Лучшее совпадение результатов расчета с экспериментом для трехмерной модели, чем для двухмерной, объясняется учетом теплоперепада и неоднородности свойств материала по длине заготовки.
Моделирование комплекса непрерывная разливка - непрерывная прокатка
Нижние ролики не имеют боковых ограничительных реборд, а верхние ролики отсутствуют, поэтому подкат во время движения не имеет жесткой фиксации в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Это приводит к тому, что подкат (особенно конец и начало) может отклоняться в вертикальной плоскости: (вверх - 250мм; вниз - 150мм; в горизонтальной плоскости ±250мм). Под рольгангом находятся каналы для сбора и выноса окалины; над рольгангом размещены теплоизолирующие экраны, позволяющие уменьшить остывание подката в период его транспортировки. Экраны размещены на металлических конструкциях, снабженных гидроприводом, что позволяет опускать их и поднимать. Общая длина экранов составляет около 75 м; летучих ножниц, с помощью которых обрезается передний загнутый и неровный конец. При приближении к летучим ножницам (примерно за 15 м) скорость движения подката резко снижается, а в момент реза подкат останавливают. после резки ровный торец подката поступает в клеть окалиноломателя, находящуюся на расстоянии 5 м от ножниц. 6 чистовых клетей, осуществляющих прокатку подката до заданного размера. Подкат попадает в первую клеть чистовой прокатки, пройдя 4 м после окалиноломателя. С этого момента скорость движения подката становится постоянной и не превышает 1 м/сек. В чистовые клети поступает подкат следующих типоразмеров: ширина полосы подката, мм 920 - 1850; толщина полосы подката, мм 30-50; масса полосы подката, т до 36 В процессе транспортировки от газовой печи до первой чистовой клети прокатного стана подкат остывает, что вызывает снижение качества конечного продукта и преждевременный износ валков прокатного стана. Предполагается, что встраивание в эту линию установки промежуточного подогрева подката позволит снизить эти нежелательные явления.
Полоса подката, поступающая в первую чистовую клеть стана, имеет неоднородную температуру. Из-за одностороннего подстывания полосы в газовой печи правая сторона подката холоднее, чем левая. Также очевидно, что при начале прокатки в чистовых клетях с входной скоростью, не превышающей 1 м/сек, падение температуры по длине подката будет происходить неравномерно. Это приводит к появлению так называемого "продольного температурного клина". Кроме того, торцы подката остывают значительно интенсивнее, чем его средняя часть. Анализ температурного поля полосы подката проводился на базе разработанной 3-хмерной электротепловой модели Universal3D [53]. Моделировалось температурное поле полосы подката при прохождении ее от выхода из последней клети черновой прокатки до входа в первую клеть чистовой прокатки. Начальная температура полосы принималась равномерной, хотя возможно задание неравномерной начальной температуры. Учитывалось наличие или отсутствие теплоизоляционных экранов, переменная скорость транспортировки вплоть до полной остановки, подогрев полосы в овальных индукторах с продольным магнитным полем при различных расположениях индукторов в зоне между черновыми и чистовыми клетями. Весь процесс транспортировки полосы разбивался на несколько этапов. На каждом этапе возможны различные варианты расчета или задания тепловых потерь. Учитывались тепловые потери на излучение в зонах, свободных от теплоизоляционных экранов или футеровок, а при наличии последних тепловые потери рассчитывались с учетом характеристик футеровочных материалов. Для удобства представления результатов 3-х мерное температурное поле полосы подката интегрировалось по толщине для получения распределения средней температуры по длине и ширине полосы.
Из общих соображений ясно, что наиболее эффективно располагать индукционные нагреватели непосредственно перед чистовыми клетями прокатного стана. Однако, поскольку это связано со значительными перестройками в линии промежуточного рольганга, были рассмотрены варианты расположения индукторов перед летучими ножницами после. В первом случае расстояние от последней выходной секции нагревателя до чистовых клетей составило 20 метров, во втором - 4 метра.
Сравнение проводилось по увеличению средней температуры полосы на входе в чистовые клети при одинаковых условиях прохождения полосы от клетей черновой прокатки до клетей чистовой прокатки при использовании индукционного подогрева с максимальной мощностью 16 МВт и без использования индукционного нагрева. Расчеты проводились для трех типоразмеров полосы: 30x920x60000 мм (минимальный размер) 34x1500x60000 мм (базовый размер) 50x1850x60000 мм (максимальный размер) Начальная температура полосы на выходе из черновых клетей прокатного стана- 1000 С. Рассматривалось 6 вариантов прохождения полосы: 1. Полоса движется со скоростью 3 м/сек, за 20 метров до первой чистовой клети тормозится и далее движется со скоростью 0.7 м/сек. Тепловые экраны отсутствуют. 2. То же самое, что в п.1, но тепловые экраны опущены. 3. Полоса тормозится при входе в индукционный нагреватель, состоящий из четырех модулей общей мощностью 16 МВт. Расстояние от выходной секции индукционного нагревателя до чистовых клетей - 20 метров. Тепловые экраны отсутствуют. 5. Рис. 3.24а,б отражают окна расчетной модели при расположении индукционных нагревателей на расстоянии 20 метров от чистовых клетей в разные моменты прохождения полосой подката участка от черновых до чистовых клетей прокатного стана. На них показаны температуры в характерных точках по сечению полосы подката: в угловой точке, в центре, в середине широкой и узкой грани, а также средняя температура по сечению.
В таблице 3.2 сведены результаты расчетов увеличения средней температуры полосы подката на входе в первую чистовую клеть по сравнению с температурой полосы, также перемещавшейся от черновых клетей до чистовых, но без индукционного подогрева. При расположении индукционных нагревателей за 4 метра до чистовых клетей средняя температура полосы увеличивается на величину от 10% до 22% по сравнению со случаем расположения последней секции индукционного нагревателя за 20 метров до чистовых клетей при той же мощности установки.
Щелевой индуктор с параллельным подключением витков
В работе для исследования используются данные с Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) для Стана-2000. С учетом ограничения электрической мощности, выделяемой НЛМК на решение проблемы остывания сляба в процессе транспортировки, главной задачей было выравнивание температурного поля по ширине сляба. В работе [60] показано, что ориентировочно индукционный нагреватель кромки мощностью 2 МВт позволит поднять среднюю температуру зоны кромки 200 мм полосы толщиной 34 мм на 36 С при скорости полосы 0.7 м/сек. Учитывая, что мощность в зоне 200 мм может быть распределена неравномерно и наибольший подъем температуры необходим непосредственно на самой кромке, температура на кромке может быть поднята на 70-80 С. Большое влияние на температурное поле непосредственно перед чистовыми клетями оказывает расстояние от индуктора до первой клети. Для компенсации тепловых потерь во время транспортировки целесообразно на выходе из индуктора иметь небольшой перегрев кромки полосы [61]. С учетом реального расположения устройств в линии стана, было рассмотрено два варианта размещения индукторов: за 4 метра и за 20 метров от первой клети прокатного стана.
На рис. 4.1 показано, как изменяется усредненная по толщине полосы температура в зоне кромки через 4 метра и 20 метров после выхода из индуктора при перегреве кромки на 25 С. Скорость движения полосы -0.7 метров в секунду. Большое расстояние до первой чистовой клети приводит к сильному падению температуры в угловой зоне на самой кромке. Эта тонкая полоска с низкой температурой обычно хорошо наблюдается визуально и она вносит решающий вклад в преждевременный износ роликов прокатных станов. Для того, чтобы температура в угловой точки кромки не была ниже средней температуры в регулярной зоне по ширине при входе в чистовую клеть, необходимо кромку перегреть на 70 С (рис 4.2), если расстояние от индуктора до первой чистовой клети составляет 20 метров.
С-образный индуктор (рис. 1.5) представляет собой установку с поперечным магнитным полем. Обычно индукторы, создающие поперечное поле, позволяют сосредоточить нагрев в области кромок, поэтому они используются именно для подогрева кромок, хотя, производимое им распределение температуры поперек сляба недостаточно равномерное. Основной недостаток индукторов поперечного поля обусловлен плохой электромагнитной связью между индуктором и металлом полосы, поэтому с целью повышения их эффективности применяются магнитопроводы. Для эффективного нагрева кромок необходимо строгое позиционирование индукционного модуля относительно кромок и достаточно небольшой зазор между полосой и торцами магнито про водов. Одно из главных достоинств - возможность согласования установки с источником питания путем выбора оптимального количества витков и отказом от дополнительного трансформатора.
Ниже приводятся результаты исследования подогрева кромок сляба на различных частотах, при различных зазорах и сдвигах. Во всех исследованиях мощность индуктора бралась 2 МВт. Потери в токоподводах от источника питания к индуктору не учитывались.
На рис. 4.4 представлена зависимость распределения удельной мощности по ширине полосы от частоты тока. При увеличении частоты тока происходит перераспределение источников теплоты и повышается нагрев кромок. Также падает КПД индуктора и уменьшается коэффициент мощности (таблица 4.1), что соответствует теории индукционного нагрева в поперечном магнитном поле. На рис. 4.5 представлено распределение электромагнитного поля для различных частот тока.
