Введение к работе
Актуальность работы. В конце XX века в индустриально развитых странах создаются металлургические комплексы, которые совмещают непрерывную разливку стали с ее прокаткой, минуя зоны долговременного хранения и повторного нагрева слябов перед прокаткой. Реализация технологической линии «непрерывная разливка - непрерывная прокатка» (НРНП) позволяет существенно снизить энергозатраты на производство горячекатаных листов, ленты и т.д. при снижении стоимости готовой продукции. Необходимым элементом линии являются нагреватели, которые согласовывают возможную неритмичную работу литейной машины с прокатным станом.
Доведение температурного поля сляба до необходимых кондиций непосредственно перед прокаткой наиболее перспективно осуществлять в индукционных нагревательных установках (ПНУ) из-за ряда общеизвестных преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, более экономичное использование деформирующего оборудования, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания, в том числе, при пуске, остановке, смене номенклатуры изделий и быстрая окупаемость. Кроме того, это связано с растущей долей электроэнергии среди всех видов энергии, а тем самым, повышением роли электротермии в стратегии энергетического выбора.
Так как мощности подогревательных установок составляют десятки мегаватт, важное значение приобретает поиск энергетически эффективных режимов и конструкций ИНУ.
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. Но, до настоящего времени отсутствовали эффективные модели, позволяющие моделировать температурные поля стального сляба не только при нагреве в индукторе, но во всем цикле его жизнедеятельности, начиная от кристаллизатора, газовой печи, индукционного на-
гревателя и заканчивая его входом в прокатный стан. В связи с этим поставлены следующие задачи.
Цель работы. Исследование и разработка ИНУ для нагрева стальных слябов в линии НРНП. Создание комплекса проблемно-ориентированных моделей процесса НРНП тел прямоугольного сечения, ориентированного 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.
Методы исследования. Разработка проблемно-ориентированных моделей ИНУ и исследование электромагнитных, тепловых полей и параметров -этих устройств проводились методами математической физики, вычислительной математики и методами теорий индукционного нагрева и системного программирования.
Для решения внутренней электротепловой задачи использован метод конечных разностей (МКР). Внешняя электромагнитная задача решалась приближенным методом магнитных схем замещения.
Достоверность полученных результатов определялась путем параллельных расчетов различными методами и сравнением расчетных результатов с экспериментальными и опубликованными в других работах.
Научная новизна. Разработан комплекс проблемно-ориентированных моделей процесса НРНП тел прямоугольного сечения, который включает в себя разливку слябов, газовый и индукционный нагрев, основанный на решении внутренней электротепловой задачи МКР и внешней электромагнитной задачи, методом магнитных схем замещения.
Разработана методика моделирования комплекса НРНП стали.
Практическая ценность. Разработан комплекс из 7 программ общим объемом около 100 тысяч строк операторов языка C++, позволяющий моделировать динамику кристаллизации и нагрева тел прямоугольного сечения как в ИНУ, так и в газовых печах, а также рассчитывать и проектировать секционированные индукционные нагреватели.
Получены рекомендации по проектированию всего комплекса и ИНУ в частности.
Созданы две базы данных для свойств материалов. В первой собраны свойства материалов, используемых в качестве загрузки. Во второй собраны свойства материалов футеровки.
Внедрение результатов работы. Разработанные программы и полученные результаты по исследованию динамики индукционного нагрева тел прямоугольного сечения используются в Санкт-Пербургском государственном электротехническом университете при проведении научно-исследовательских работ, дипломного проектирования, обучающего процес-
са по курсам «Проектирование ЭТУ», «Моделирование систем высокочастотного нагрева».
Часть разработанных программ внедрена в учебный процесс в Новосибирском государственном техническом университете.
С использованием разработашплх программ корпорация Inductotherm, New Jersey, США разработала и создала в 1995г. индукционный нагреватель для самой крупной установки непрерывной разливки стали корпорации Geneva Steel, Utah, США.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на международном семинаре по индукционному нагреву - IHS-98 (Padua, 1998),-на-Всероссийской конференции -Надежность механических систем (Самара, 1995), на 50 и 51 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы в соавторстве, из них три статьи и тезисы к докладу на конференции.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 71 наименование. Основная часть работы изложена на 97 страницах машинописного текста. Работа содержит 58 рисунков и 3 таблицы.