МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРЕВА ОКИСЛЯЮЩЕГОСЯ МЕТАЛЛА В ПРОГРАММНЫХ ПАКЕТАХ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

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.

1. Birks N., Jackson W. A quantitative treatment of simultaneous scaling and decarburization of steels // Journal of the Iron and Steel Institute. 1970. No. 1. P. 81 – 85.

2. Темлянцев М.В., Михайленко Ю.Е. Окисление и обезуглероживание стали в процессах нагрева под обработку давлением. – М.: Теплотехник, 2006. – 200 с.

3. Окисление и обезуглероживание стали / А.И.Ващенко, А.Г. Зеньковский, А.Е. Лифшиц и др. – М.: Металлургия, 1972. – 336 с.

4. Самойлович Ю.А. Определение перепада температур в слое окалины, растущем на поверхности нагреваемой стальной заготовки // Нагрев и охлаждение стали, теплотехника слоевых процессов: Сб. науч. тр. – М.: Металлургия, 1970. № 23. С. 71 – 81.

5. Шкляр Ф.Р., Ждановская И.В., Малкин В.М. Влияние окалинообразования на нагрев металла // Изв. вуз. Черная металлургия. 1988. № 8. С. 154 – 155.

6. Энергосберегающая технология нагрева слитков / Е.И. Казанцев, Е.М. Котляревский, А.В. Баженов, И.С. Заварова. – М.: Металлургия, 1992. – 176 с.

7. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревом металла.– М.: Металлургия, 1981. – 272 с.

8. Панферов В.И., Парсункин Б.Н. Моделирование нагрева окисляющихся массивных тел методом сетов с «подвижными узлами» металла // Изв. вуз. Черная металлургия. 1982. № 4. С. 105 – 109.

9. Соловьев А.Е., Ященко Н.М. Решение задачи о движении границы раздела двух сред // Инженерно-физический журнал. 1981. Т. XL. № 2. С. 370 – 371.

10. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н. Математическое моделирование теплопереноса при окалинообразовании // Инженерно-физический журнал. 1986. Т. 53. № 1. С. 141 – 148.

11. Панферов В.И. Моделирование нагрева окисляющихся слябов // Изв. вуз. Черная металлургия. 1994. № 10. С. 52 – 55.

12. Birks N. Mechanism of decarburization // Decarburization: the Proc. of the One-day Conference on Decarburization Organized Jointly by the Heat Treatment Joint Committee of the Iron and Steel Institute, the Institute of Metals, and the Sheffield Metallurgical and Engineering Association, and Held at the Inter-Group Laboratories of the BSC (BISRA), Sheffield, on October 28th, 1969. The Iron and Steel Institute, London, 1970. Р. 1 – 12.

13. BakkerA. Расчетмногофазных потоков вANSYSCFD//ANSYSA dvantage. Русская редакция. № 11. С. 38 – 40. [Электронный ресурс]. http://ansysadvantage.ru ANSYS-ADVANTAGE-Rus-11-09. pdf (дата обращения 25.10.2017).

14. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С.. ANSYS в руках инженера: Механика разрушения – М.: ЛЕНАНД, 2010. – 456 с.

15. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. – М.: Компьютер Пресс, 2002. – 224 с.

16. Денисов М.А., Михалев Г.А., Шкляр Ф.Р., Кузовников А.А. Математическая модель расчета нагрева металла в печах с шагающим подом. Сообщение 2 // Изв. вуз. Черная металлургия. 1980. № 12. С. 97 – 101.

17. Денисов М.А., Булатов А.Т., Михалев Г.А., Бондаренко В.И. Совершенствование тепловой работы и конструкций металлургических агрегатов // Тематич. отраслевой сб. (МЧМ СССР). – М.: Металлургия, 1982. С. 51 – 53.

18. Денисов М.А., Соловьев К.Г. Расчетно-экспериментальный метод исследования нагрева металла и выбора режимов // Сталь. 2010. № 2. С. 90 – 95.

19. Михайленко Ю.Е., Буинцев И.Н., Мосейкина З.Н. Математическое моделирование процесса обезуглероживания стали при нагреве // Изв. вуз. Черная металлургия. 1979. № 10. С. 97 – 99.

20. Денисов М.А. Математическое моделирование теплофизических процессов. ANSYS и САЕ–проектирование: Учеб. пособие. – Екатеринбург: УрФУ, 2011. – 149 с.