Введение к работе
Актуальность работы. Металлургия России обладает мощным производственным потенциалом, хотя очень часто не раскрытым в полной мере. На многих предприятиях металлургической отрасли действуют современные высокопроизводительные агрегаты, выпускающие продукцию, отвечающую требованиям мировых стандартов. В то же время, еще очень часто продолжают эксплуатироваться агрегаты 50-60-х гг., устаревшие как морально, так и физически, применяются технологии, не обеспечивающие должного качества продукции, что приводит к низкой рентабельности экспорта. Повышение требований к качеству металла, экологии производства, ужесточение экономических показателей диктуют необходимость совершенствования технологий и оборудования.
Характерным примером реализации современных технологий является камерная термическая печь с импульсной системой отопления. Применение принципа импульсной подачи теплоносителя, использование малоинерционной футеровки и современных средств автоматизированного управления позволяет добиваться значительной экономии топлива и реализовывать режимы термической обработки ранее не доступные для печей такого типа.
В настоящее время предъявляются жесткие требования к качеству термообработанного металла: металл после отжига должен иметь одинаковую структуру и свойства, а это обуславливает требование к максимально возможной равномерности его нагрева 'по всем измерениям. В садочных печах, где изделия расположены в несколько рядов, добиться равномерности достаточно сложно даже при условии современной конструкции печи. Массивные многослойные загрузки металла приводят к значительной неоднородности структуры после термообработки в связи с тепловой инерционностью садки. С другой стороны, уменьшение массы термообрабатываемого металла приводит к недопустимому снижению производительности печи. В связи с этим актуальным становится выявление формы и размеров садки, обеспечивающих оптимальную производительность термической печи с сохранением требуемого качества термообработки, а так же оптимизация режимов термообработки для условий массивных садок.
Получение решения этой задачи чисто эмпирическими методами нецелесообразно в связи с большим объемом исследований и, как следствие, значительными затратами на проведение натурных экспериментов. Поэтому важнейшим инструментом анализа тепловой работы энерготехнологических агрегатов становится математическое моделирование, особенно в настоящее время, когда широкое распространение получила вычислительная техника.
При выявлении формы и размеров садки, обеспечивающих оптимальную производительность термической печи с сохранением требуемого качества термообработки, а так же оптимизации режимов термообработки для условий массивной садки требуется значительный объем вычислительных экспериментов, связанных с перебором рациональных вариантов. В этом случае необходимо, чтобы математическая модель, используемая при исследовании, реализовывала небольшое число входных параметров, но, тем не менее, позволяла получить качественно-правильное описание процесса.
Целью работы является построение динамической математической модели процессов теплообмена для условий термической обработки массивной многорядной садки в печи с импульсной системой отопления, использование модели для выявления рациональной укладки садки, оптимальной по критериям производительности и качества термообработки, а также выработка на основе модели рекомендаций по совершенствованию температурно-теплового режима печи.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработана модель процесса теплопередачи в садке труб, которая базируется на модели эффективной теплопроводности, ранее использовавшейся только для условий волокнистого материала.
-
Исследована тепловая инерционность пакета труб в случае мгновенного изменения температуры печного пространства, в явном виде получено соотношение, связывающее тепловую инерционность пакета и количество рядов.
-
Разработан алгоритм выявления рациональной укладки, базирующийся на решении задачи нелинейной целочисленной оптимизации и позволяющий допроектно выявлять форму и состав трубного пакета по критериям производительности и качества термообработки.
-
Разработана модель процесса теплообмена в печи с импульсной подачей теплоносителя на основе решения сопряженной задачи внутреннего и внешнего теплообмена с учетом всех тел, участвующих в теплообмене и описанием процесса теплопередачи в садке с помощью модели эффективной теплопроводности в двумерной постановке.
Практическая значимость работы. Разработанная математическая модель тепловых процессов была использована при создании печи №14 цеха №5 Первоуральском новотрубного завода. Выявленная с помощью модели рациональная укладка трубного пакета, а также полученный график термообработки используются и в настоящее время.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
-
математическая модель процессов сложного теплообмена для условий термообработки в печи с импульсной системой отопления, включающая в себя модель эффективной теплопроводности трубной садки;
-
методика выявления рациональной укладки садки труб в печи с импульсной системой отопления для условий двухступенчатого режима термообработки;
-
результаты исследований тепловой инерционности пакета труб из стали ШХ15 при двухступенчатом графике термообработки, а также апробированные с помощью модели рекомендации по совершенствованию температурно-теплового режима печи.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на конференции «Кузнецы Урала 2005» (2005 г), на III международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история, современное состояние и будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова» (2006 г.), на II международном конгрессе «Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология» (2006 г.), на международной научно-практической
конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» в рамках III Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2006» (2006 г.), а так же на международной научной конференции «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании» (2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них одна работа в рецензированных изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка используемой литературы. Работа выполнена на 189 страницах, в том числе содержащих 46 иллюстраций, 3 таблицы, библиографический список на 147 наименований работ.
