blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-10-803-809blackmet-1738Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSКОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КАМЕРНОЙ ПЕЧИ ДЛЯ НАГРЕВА ПОД ЗАКАЛКУ ТОНКОГО СТАЛЬНОГО ЛИСТАTHERMAL WORK OF CHAMBER FURNACE FOR HEATING FOR HARDENING OF THIN STEEL SHEETКазяевМ. Д.KazyaevM. D.

к.т.н., профессор кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» 

620002,  Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

m.d.kaziaev@urfu.ruКазяевД. М.KazyaevD. M.

директор

620026, Екатеринбург, ул. Народной воли, 65

Director

termokomplex@r66.ruКиселевЕ. В.KiselevE. V.

к.т.н., доцент кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002,  Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

ev.kiselev@urfu.ruВохмяковА. М.VokhmyakovA. M.

к.т.н., начальник производственно-технического отдела

620026, Екатеринбург, ул. Народной воли, 65

Cand. Sci. (Eng.), Head of Industrial Engineering Department

vam@termokomplex.ruСпитченкоД. И.SpitchenkoD. I.

к.т.н., ассистент кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии», начальник проектного отдела 

620002,  Екатеринбург, ул. Мира, 28; 620026, Екатеринбург, ул. Народной воли, 65

Cand. Sci. (Eng.), Assistant of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”, Head of Design Department

d.i.spitchenko@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationООО «НПК «УралТермоКомплекс»РоссияSPC “UralTermoKompleks” Ltd.Russian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; ООО «НПК «УралТермоКомплекс»РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; SPC “UralTermoKompleks” Ltd.Russian Federation2019031120196210803809Copyright © Казяев М.Д., Казяев Д.М., Киселев Е.В., Вохмяков А.М., Спитченко Д.И., 20192019Казяев М.Д., Казяев Д.М., Киселев Е.В., Вохмяков А.М., Спитченко Д.И.Kazyaev M.D., Kazyaev D.M., Kiselev E.V., Vokhmyakov A.M., Spitchenko D.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1738

Повышение производительности сталеплавильных агрегатов возможно при изменении способов производства стали. Такие изменения влекут за собой и серьезные изменения в последующих переделах: в обработке металлов давлением, в термической обработке  готовой металлической продукции. Известно, что именно эти два металлургических передела насыщены большим количеством нагревательных и термических печей, тепловая работа которых не всегда соответствует повышенным требованиям к качеству выпускаемой  продукции. Вопросы улучшения тепловой работы печей также актуальны и в машиностроении. К повышенным требованиям технологического характера добавляются очень жесткие требования по улучшению экологической обстановки. Следовательно, требуется новая концепция проектирования и строительства современных производительных и высокоавтоматизированных промышленных нагревательных и  термических печей. С целью совершенствования конструкции и улучшения технико-экономических показателей проводится техническое  перевооружение устаревших и строительство новых промышленных печей. При проектировании и строительстве печей применяются топливосжигающие устройства новых конструкций и современные материалы. В свою очередь, это вызывает необходимость использования  новых подходов к формированию рабочего пространства и системы отопления печи с учетом компоновки садки нагреваемых изделий.  Такие мероприятия проводятся, как правило, в действующих цехах, что вызывает определенные трудности в связи с ограниченностью  предоставляемых площадей для размещения новых печей и оборудования для работы и обслуживания. Рассмотрено комплексное исследование конструкции и тепловой работы блока из трех камерных термических печей со специфической загрузкой и выдачей нагреваемого  тонкого листа, построенных в ограниченном пространстве цеха.

Increasing performance of steelmaking units is possible with  changing methods of steel production. Such variances entail serio us  changes in the subsequent redistributions: in metals processing by  pressure and in thermal treatment of finished metal products. It is  known that these two metallurgical processes are equipped with a  large number of heating and thermal furnaces, and their thermal work  does not always meet increased requirements for products quali ty.  Issues of improving thermal performance of furnaces are also relevant in mechanical engineering. High technological requirements  are associa ted with very strict environmental ones. Therefore, a new  concept is needed for the design and construction of modern highly  automated industrial heating furnaces. In order to improve the design  and technical and economic indicators, technical obsolescence and  the construction of new industrial furnaces are carried out. In design  and construction of furnaces, fuel-burning devices of new designs  and modern materials are used. In turn, this necessitates the use of  new approaches to working space and heating system design of the  furnace, taking into account arrangement of heated products charge.  Such events are carried out, as a rule, in operating workshops, that  causes certain difficulties due to limited space provided for placement of new furnaces and equipment for their operation and maintenance. A complex study was made of the design and thermal performance of a block of three chamber thermal furnaces. They were built  in a limited space of the workshop with specific loading and delivery  of heated thin sheet.

 нагрев под закалку камерная печь стационарный под особенность загрузки и выдачи система отопления рекуперативные  горелки теплотехническое исследование газодинамический режим моделированиеthin steel sheet heating for hardening chamber furnace stationary hearth loading and delivery heating system recuperative  burners heat engineering research gas dynamic mode simulationReferencesЗобнин Б.Ф. Нагревательные печи. Теория и расчет. – М.: Машиностроение, 1964. – 311 с.Zobnin  B.F.  Nagrevatel’nye pechi. Teoriya i raschet [Heating  furnaces. Theory and design]. Moscow: Mashinostroenie, 1964,  311  p.  (In Russ.).Кривандин В.А., Егоров А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. – М.: Металлургия, 1989. – 462 с.Krivandin V.A., Egorov A.V. Teplovaya rabota i konstruktsii pechei chernoi metallurgii [Thermal work and design of iron and steel furnaces]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 462 p.  (In Russ.).Казяев М.Д., Вохмяков А.М., Киселев Е.В., Спитченко Д.И., Казяев Д.М. Влияние конструкции футеровки и типа топливосжигающих устройств на тепловую работу камерных вертикальных печей. – В кн.: Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции, посвященной 150-летию великого русского металлурга В.Е. Грум-Гржимайло. 15-17 октября 2014 г. – М.: Изд. дом МИСиС, 2014. С. 224 – 235.Kazyaev M.D., Vokhmyakov A.M., Kiselev E.V., Spitchenko D.I.,  Kazyaev D.M. Influence of lining design and type of fuel burning devices on thermal performance of vertical chamber furnaces.  In: Energosberegayushchie tekhnologii v promyshlennosti. Pechnye agregaty. Ekologiya. Sbornik materialov VII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, posvyashchennoi 150-letiyu velikogo russkogo metallurga V.E. Grum-Grzhimailo. 15-17 oktyabrya 2014 g. [Energy-saving technologies in industry. Furnace units.  Ecology. Coll. of materials of the VII Int. Sci. and Pract. Conf. dedicated to the 150th Anniversary of V.E. Grum-Grzhimailo, the Great  Russian Metallurgist. October 15-17, 2014]. Moscow: ID MISiS,  2014, pp. 224–235.  (In Russ.).Вохмяков А.М., Казяев М.Д., Казяев Д.М. Автоматизация системы управления тепловым режимом камерной термической печи с выдвижным подом. – В кн.: Труды VIII Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве. – Новокузнецк, СибГИУ, 2013. С. 201 – 206.Vokhmyakov A.M., Kazyaev M.D., Kazyaev D.M. Automation of  thermal control system of carhearth thermal furnace. In: Trudy VIII Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii “Sistemy avtomatizatsii v obrazovanii, nauke i proizvodstve” [Procs. of the VIII  All-Russian Sci. and Pract. Conf. “Automation Systems in Education, Science and Production”]. Novokuznetsk, SibGIU, 2013,    pp.  201–206.  (In Russ.).Filipponi M., Rossi F., Presciutti A., De Ciantis S., Castellani B., Carpinelli A. Thermal analysis of an industrial furnace // Energies. 2016. Vol. 9. No. 10. Article number 833.Filipponi M., Rossi F., Presciutti A., De Ciantis S., Castellani B.,  Carpinelli A. Thermal analysis of an industrial furnace. Energies.  2016, vol. 9, no. 10, article no. 833.Зобнин Б.Ф., Казяев М.Д., Китаев Б.И. Теплотехнические расчеты металлургических печей: учебное пособие для студентов вузов. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.Zobnin B.F., Kazyaev M.D., Kitaev B.I. Teplotekhnicheskie raschety metallurgicheskikh pechei: uchebnoe posobie dlya studentov vuzov [Thermotechnical calculations of metallurgical furnaces:  University manual]. Moscow: Metallurgiya, 1982, 360 p.  (In Russ.).Гусовский В.Л., Ладыгичев М.Г., Усачев А.Б. Современные нагревательные и термические печи (конструкции и технические характеристики). Справочник. – М.: Машиностроение, 2001. – 656 с.Gusovskii  V.L.,  Ladygichev  M.G.,  Usachev A.B.  Sovremennye nagrevatel’nye i termicheskie pechi (konstruktsii i tekhnicheskie kharakteristiki). Spravochnik [Modern heating and thermal furnaces  (designs and specifications). Reference book]. Moscow: Mashinostroenie, 2001, 656 p.  (In Russ.).Martín E., Meis M., Mourenza C., etс. Fast solution of direct and inverse design problems concerning furnace operation conditions in steel industry // Applied Thermal Engineering. 2012. Vol. 47. P. 41 – 53.Martín E., Meis M., Mourenza C. etc. Fast solution of direct and  inverse design problems concerning furnace operation conditions  in  steel  industry.  Applied Thermal Engineering.  2012,  vol.  47,    pp.  41–53.Смольков А.Н., Wohlschlaeger G. Системы прямого и косвенного отопления печей с применением рекуперативных горелок типа BICR. – В кн.: Труды международного конгресса. Печетрубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология. – М.: Теплотехник, 2004. С. 118 – 125.Smol’kov  A.N.,  Wohlschlaeger  G.  Direct  and  indirect  heating  systems for furnaces with recuperative burners of BICR type]. In:  Trudy mezhdunarodnogo kongressa. Peche-trubostroenie: teplovye rezhimy, konstruktsii, avtomatizatsiya i ekologiya [Procs. of the Int.  Congress. Furnace and Pipe Construction Industry: Thermal Conditions, Designs, Automation and Ecology]. Moscow: Teplotekhnik,  2004, pp. 118–125.  (In Russ.).Kurek H., Wagner J., Chudnovsky Ya., etс. Direct flame impingement for the efficient and rapid рeating of metal shapes. – International Gas Research Conference. – Vancouver, B.C., Canada, 2004. P. 10.Kurek H., Wagner J., Chudnovsky Ya. etc. Direct flame impingement for the efficient and rapid heating of metal shapes. International Gas Research Conference. Vancouver, B.C., Canada, 2004,  p.  10.Wagner J., Kurek H., Chudnovsky Ya., etс. Direct flame impingement for the efficient and rapid heating of ferrous and non ferrous shapes. – Reheating Symposium at the Materials Science and Technology. – Pittsburg, Pennsylvania, U.S.A., 2005. P. 23 – 33.Wagner J., Kurek H., Chudnovsky Ya. etc. Direct flame impingement for the efficient and rapid heating of ferrous and nonferrous  shapes. Reheating Symposium at the Materials Science and Technology. Pittsburg, Pennsylvania, U.S.A., 2005, pp. 23–33.Холлуорт Б.Р., Берри Р.Д. Теплообмен при натекании на поверхность системы струй с большим шагом отверстий // Теплопередача. 1978. № 2. С. 203 – 210.Kholluort B.R., Berri R.D. Heat transfer at leaking of jets with large  spread of holes onto the system surface. Teploperedacha. 1978,  no.  2, pp. 203–210.  (In Russ.).Khalil E.E. Mathematical modeling of radiative heat transfer in axisymmetric furnaces // AIAA Paper. 1979. No. 99. P. 9.Khalil E.E. Mathematical modeling of radiative heat transfer in axisymmetric furnaces. AIAA Paper. 1979, no. 99, pp. 9.Johnson T.R., Lowes T.M., Becr J.M. Comparison of calculated temperatures and heat flux with measurements in furnace // Journal of the Institute on Fuel. 1974. Vol. 47. No. 3. P. 39 – 51.Johnson T.R., Lowes T.M., Becr J.M. Comparison of calculated  temperatures and heat flux with measurements in furnace. Journal of the Institute on Fuel. 1974, vol. 47, no. 3, pp. 39–51.Pollhammer W., Spijker C., Six J., Zoglauer D., Raupenstrauch H. Modeling of a walking beam furnace using CFD-methods // Energy Procedia. 2017. Vol. 120. P. 477 – 483.Pollhammer W., Spijker C., Six J., Zoglauer D., Raupenstrauch H.  Modeling of a walking beam furnace using CFD-methods. Energy Procedia. 2017, vol. 120, pp. 477–483.Yang Y., Zhou B., Post J.R., etc. Computational fluid dynamics simulation of high temperature metallurgical processes. – TMS Fall Extraction and Processing Division: Sohn International Symposium, San Diego, CA, United States, 2006. Vol. 7. P. 417 – 433.Yang Y., Zhou B., Post J.R., etc. Computational fluid dynamics  simulation of high temperature metallurgical processes. TMS Fall Extraction and Processing Division: Sohn Int. Symposium, San Diego, CA, United States, 2006, vol. 7, pp. 417–433.Gosman A.D., Lockwood F.C. Incorporation of flux model of radiation into a finite difference procedure for furnace calculations. – Proceedings of the 14th. International Symposium of Combustion, USA, 1972. P 661 – 671.Gosman A.D., Lockwood F.C. Incorporation of flux model of radiation into a finite difference procedure for furnace calculations.  Procs. of the 14th Int. Symposium of Combustion, USA, 1972,  pp.  661–671.Михеев М.А. Основы теплопередачи. – М.: Госэнергоиздат, 1956. – 392 с.Mikheev M.A. Osnovy teploperedachi [Basics of heat transfer].  Moscow: Gosenergoizdat, 1956, 392 p.  (In Russ.).Samantaray S., Mahapatra S.K., Jena S.K., Sarkar A. Transient mixed convection coupled with surface radiation inside a square ca vity with different configurations-A critical study // International Journal of Fluid Mechanics Research. 2013. Vol. 40. No. 6. P. 545 – 563.Samantaray S., Mahapatra S.K., Jena S.K., Sarkar A. Transient  mixed convection coupled with surface radiation inside a square  cavity  with  different  configurations-A  critical  study.  International Journal of Fluid Mechanics Research. 2013, vol. 40, no. 6,    pp.  545–563.Тимофеев В.Н., Февралева И.А. Исследование конвективного теплообмена применительно к нагревательным печам // Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургической теплотехники (ВНИИМТ). Бюллетень научно-технической информации. – Свердловск: Металлургиздат, 1958. С.34 – 45.Timofeev V.N., Fevraleva I.A. Convective heat transfer in heating  furnaces.  In:  Vsesoyuznyi nauchno-issledovatel’skii institut metallurgicheskoi teplotekhniki (VNIIMT). Byulleten’ nauchno-tekhnicheskoi informatsii [All-Union Research Institute of Metallurgical  Heat Engineering (VNIIMT). Bulletin of sci. and tech. information].  Sverdlovsk: Metallurgizdat, 1958, pp. 34–45.  (In Russ.).Гусовский В.Л., Лифшиц А.Е. Методики расчета нагревательных и термических печей. – М.: Теплотехник, 2004. – 400 с.Gusovskii V.L., Lifshits A.E. Metodiki rascheta nagrevatel’nykh i termicheskikh pechei [Methods of design of heating and thermal furnaces]. Moscow: Teplotekhnik, 2004, 400 p.  (In Russ.).Campos I.B., Aguirrezabala N.N.,Valdes L.D., Ezenarro B.E., Arant zamendi H.G. Energy efficiency and line productivity improvements for a continuous heat treatment process. – Industrial Sum mer Study on Industrial Efficiency: Leading the Low-Carbon Transition, Kalkscheune, Berlin, Germany, 2018. P. 431 – 441.Campos  I.B.,  Aguirrezabala  N.N.,Valdes  L.D.,  Ezenarro  B.E.,  Arantzamendi H.G. Energy efficiency and line productivity improvements for a continuous heat treatment process. Industrial Summer Study on Industrial Efficiency: Leading the Low-Carbon Transition, Kalkscheune, Berlin, Germany, 2018, pp. 431–441.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.