страница - 0
О реализации оптимальных режимов термической обработки в камерных печах современной конструкции при условии массивности садки
Лисиенко В.Г., Сурганов К.А. fkirill@acmep.ustu.ru)
ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»
В настоящее время одной из основных проблем, стоящих перед металлургической отраслью является общая изношенность фондов. Еще очень часто продолжают эксплуатироваться агрегаты 50-60-х гг., устаревшие как морально, так и физически. Это обуславливает применение технологий, не обеспечивающих должного качества продукции, что в конечном итоге приводит к ее низкой рентабельности. Повышение требований к качеству металла, экологии производства, ужесточение экономических показателей диктуют необходимость совершенствования технологий и оборудования.
Примером внедрения современных технологий является камерная термическая печь с импульсной системой отопления, разработанная НИИ проблем энергосбережения и автоматизации при УГТУ-УПИ и внедренная на одном из уральских заводов [1]. 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.
Модернизированная печь предназначена для термообработки труб из стали ШХ15. Термообработка (отжиг) проводится для снижения твердости стали до значений, обеспечивающих успешную обработку резанием, снятия внутренних напряжений и подготовки структуры к последующей закалке. А так как структура стали после отжига оказывает большое влияние на выбор режимов при закалке, то разница в структуре между отожженными трубами садки должна быть незначительной и удовлетворять требованиям ГОСТ. Однородность же структуры достигается принятым режимом термообработки и точностью отработки этого режима.
На практике для отжига стали ШХ15 применяют печи садочного типа и разного рода проходные печи [2, 3]. В проходных термических печах, в которых металл нагревается поштучно или в один слой, соблюсти требования режима термообработки достаточно легко. В садочных печах, где металл прогревается садками, т.е. в несколько слоев, добиться соответствия требованиям режима отжига гораздо сложнее. Вместе с тем, достоинства садочных печей заключаются в простоте их конструкции и универсальности. Они незаменимы, когда необходимо осуществлять длительные технологические выдержки металла, обусловленные требованиями режима отжига.
Для стали ШХ15 существует несколько различных режимов термообработки [4], из которых на практике для садочных печей применяется только два: одно- и двухступенчатый отжиг. При проведении любого режима термообработки стремятся получить структуру равномерного зернистого перлита, которая является наиболее благоприятной как с точки зрения обрабатываемости, так и для качественного проведения закалки.
В соответствии с механизмом образования структуры зернистого перлита, одноступенчатый отжиг включает в себя стадии нагрева до заданной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения с определенной скоростью. Данный тип
отжига является наиболее просто реализуемым и повсеместно используется в камерных печах.
Одноступенчатый отжиг дает хорошее качество при термообработке нормальных заготовок с исходной структурой пластинчатого перлита, однако в практике производства структура стали перед отжигом, как правило, неоднородна, - имеет место крупнопластинчатый перлит, зачастую с остатками карбидной сетки. В этом случае хорошие результаты [2] дает применение двухступенчатого режима отжига, который отличается несколько более высокой температурой нагрева первой ступени, быстрым охлаждением, при котором происходит образование новых центров кристаллизации, и низкой температурой нагрева второй ступени.
До недавнего времени особенности данного режима термообработки позволяли реализовывать его только для проходных печей. Вместе с тем, необходимость осуществления технологических выдержек, а также длительное медленное охлаждение на последнем этапе существенно усложняли конструкцию проходных печей и практически сводили на нет все преимущества данного типа отжига. Появление камерных термических печей современной конструкции позволяет в настоящее время использовать двухступенчатый отжиг для термической обработки труб из стали ШХ15, а значит, обеспечивать их высокое качество. Однако при этом возникает необходимость адаптации данного режима термообработки для условия массивных садок в случае отжига в камерных печах. Решать данную задачу чисто эмпирическими методами совершенно нецелесообразно в связи с дороговизной натурных экспериментов, поэтому важнейшим инструментом анализа становится математическое моделирование.
Таким образом, возникает задача построения математической модели камерной термической печи периодического действия и выбора с помощью построенной модели рационального графика термообработки реализующего двухступенчатый режим отжига с учетом массивности садки и особенностей печи.
Рис.1. Общий вид печи: 1 - центральный шкаф управления, 2 - газовый коллектор, 3 - воздушный коллектор, 4 - газовая горелка, 5 - термопара, 6 - дымоход, 7 - шкаф управления горелкой, 8 - футеровка печи, 9 - садка, 10 - водохлаждаемые трубы.
Кратко остановимся на основных, существенных деталях проекта печи (Достаточно подробное описание можно найти в [1, 5, 6]). Проектное задание включало создание термической печи, имеющей следующие характеристики (рис. 1): длина - 9690 мм, ширина - 2840 мм, высота - 1750 мм, площадь пода печи - 27,55 м , масса садки - 6.. .15 т, вид топлива - природный газ, температура нагрева металла - до 900°С. Теплоограждение стенок и свода выполнено из керамоволокнистых теплоизоляционных материалов с малой инерционностью, под выложен шамотным кирпичем.
Для реализации автоматизированного управления печь условно поделена на 3 зоны, температура в каждой зоне поддерживается локальным ПИД-регулятором. Для управления температурным режимом в каждой зоне используется по одной управляющей сводовой термопаре, дополнительный контроль реализуется с помощью четырех термопар, так же рассредоточенных по своду печи.
В печи предусматривается установка высокоскоростных горелок, способных работать в импульсном режиме. Работа горелок каждой зоны управления возможна в одном из трех независимых режимов, каждый из которых оптимизирован под свою конкретную задачу - быстрый нагрев, медленный нагрев или выдержка, охлаждение. Режимы работы по существу отличаются друг от друга коэффициентом избытка воздуха.
Разработка математической модели камерной печи с импульсной системой отопления проводилась в развитие сопряженной задачи теплообмена в зональной постановке. Учитывая принятые конструкторские решения, и, принимая, что в камерной термической печи при условии импульсного отопления реализуется равномерно-распределенный режим внешнего теплообмена, разработана методика моделирования сопряженной задачи теплообмена с использованием трех зон: «газ-кладка-металл». Оправданность данного подхода для печей с импульсной подачей теплоносителя доказана многочисленными опытными данными и данными расчетов [7-9]. Уравнения, определяющие теплообмен в системе: серый газ-кладка-поверхность металла записаны следующим образом:
т4-(1 - Bsy: - bst;+сЯ1=0,(1)
T4 - т; - АЕВл1 - A£qpf = 0,(2)
где Тк, T - температуры соответственно кладки и газа, Tf -температура
поверхности эквивалентного тела, заменяющего садку и набор бугелей (см. далее), As,
ВЕ, се - оптико-геометрические коэффициенты:
А=-,(3)
ВЕ=[( - f(4)
- + (1 -e)f\-0,(5)
Sf
Здесь sK, sr, Sf - степени черноты соответственно кладки, газа и труб в садке; qf
и qf - плотности потоков результирующего излучения на поверхности эквивалентного тела и кладки, которые определяют количество тепла, отводящееся от поверхности за счет излучения и теплопроводности. При этом справедливы следующие уравнения:
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]