д.т.н., профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Thermal Power and Heat Engineering”
магистрант кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
MA Student of the Chair “Thermal Power and Heat Engineering”
Исследование посвящено разработке метода моделирования процессов нагрева окисляющихся заготовок металла, у которых меняются во времени размеры и толщина слоя окалины. Использованный подход облегчает применение современных программных пакетов для анализа объектов с меняющейся геометрией и за счет этого может резко снизить трудоемкость разработки математических моделей ряда процессов металлургии. Для моделирования процесса окисления металла в работе применен метод эквивалентной теплопроводности. Выполнена экспериментальная проверка метода и показана возможность его использования для совершенствования способов контроля процессов промышленного нагрева. Данный метод отработан при проведении экспериментов на печи с шагающим подом № 3 стана 150 Нижне-Сергинского метизно-металлургического завода. Проведены расчеты по определению толщины слоя окалины, меняющейся с течением времени, построены соответствующие зависимости. Задача решена в программном пакете ANSYS Multiphysics как задача нестационарной теплопроводности с граничными условиями I рода. При моделировании была построена конечно-элементарная сетка, достаточно подробная для получения достоверных результатов и, в то же время, позволяющая решить задачу на компьютерах малой мощности. В ходе решения был применен ряд упрощений, в частности, упрощение расчетного алгоритма, при котором толщина слоя окалины однозначно определяется температурой поверхности заготовки. Определено распределение температуры по толщине заготовки. Для сравнения значений температур в металле и слое окалины построены графики и изотермы. Также проведено сравнение перепадов температур в слое окалины, определенных расчетным путем для условий опытов на печи и экспериментально. В данном исследовании задача рассмотрена как нестационарная, с изменяющимися границами. Объект исследования – заготовка металла (реальное тело) со слоем окалины, нарастающим со временем. При решении задачи такое реальное тело было заменено условным с постоянными усредненными размерами. По условиям равенства чисел подобия теплофизических процессов были определены свойства условного тела, которые меняются эквивалентно размерам реального тела.
The article is devoted to the development of a method for modeling the heating of oxidized metal billets, in which the dimensions and thickness of the scale layer vary with time. The approach used in this development facilitates the appliance of modern software packages for the analysis of objects with varying geometry; and due to this the complexity of developing mathematical models of several metallurgical processes can be dramatically reduced. To simulate the process of metal oxidation, the method of equivalent thermal conductivity was used. The experimental verification of the method is performed and the possibility of its use for improving the methods of controlling the processes of industrial heating is shown. This method was worked out during experiments on the furnace №3 with walking beam of the mill 150 at Nizhne-Serginsk Hardware and Metallurgical Plant. Calculations were made to determine the thickness of the scale layer, which varies with time; the corresponding dependencies were constructed. The problem was solved by ANSYS Multiphysics software package as a problem of non-stationary heat conduction with boundary conditions of the first kind. During modeling, a finite-element grid was constructed, sufficiently detailed to obtain reliable results and, at the same time, allowing to solve the problem on low-power computers. In the course of solution, a number of simplifications were applied, in particular, simplification of the computational algorithm, in which the thickness of the scale layer is uniquely determined by surface temperature of the billet. Temperature distribution along the billet’s thickness was determined. Graphs and isotherms were constructed to compare values of the temperatures in metal and in scale layer. Also, a comparison of the temperature differences in the scale layer determined by the calculation method was made for the furnace and experimental conditions. In this study, the problem is considered as nonstationary, with varying boundaries. The research object is preparation of the metal (real solid) with scale layer, increasing with time. When solving a problem, this real solid was replaced by a conditional one with constant averaged dimensions. According to the equality of thermophysical processes, properties of the conditional solid were determined, whose change is equivalent to the dimensions of the real solid.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.