Математическая модель нагрева полосы листового металла атакующими струями

Исследована интенсивность нагрева движущейся полосы термически тонкого металла на участке конечной протяженности системой атакующих струй нейтрального газа. Работа посвящена решению проблемы создания системы нагрева полосы движущегося металла атакующими струями нейтрального газа путем оценки интенсивности нагрева полосы металла при помощи методов математического моделирования. Дано описание дифференциальной задачи теплопроводности и ее последующее упрощение с учетом сделанных допущений для получения эффективного расчетного алгоритма. Приведены эмпирические соотношения, выбранные для расчета локальных и средних значений коэффициентов теплоотдачи, а также базовые параметры для вариантных расчетов. Для сравнительного моделирования рассматривался участок длиной 20 м, на котором происходит нагрев полосы, входящей с температурой 500 °С, нейтральным газом с температурой 800 °С. Представлены результаты расчета зависимости средней по сечению температуры полосы от скорости ее движения (в диапазоне от 0,1 до 2 м/с) при двух значениях скорости истечения газа (20 и 40 м/с). На их основании авторы делают выводы о том, что только при малых скоростях движения полосы достигается приемлемая интенсивность нагрева, а также что скорость истечения газа (в рассмотренном диапазоне) не является резервом для существенного увеличения этой интенсивности.

1. Асцатуров В.Н., Краснокутский П.Г., Берковская П.С. Скоростной струйный нагрев металла. Киев: Технiка, 1984. 121 с.

2. Исатаев С.И., Жанабаев З.Ж. Теплоотдача тел при струйном обтекании. Киев: Технiка, 1989. 304 с.

3. Тимошпольский B.И., Трусова И.A., Ратников П.Э. Возможности применения струйного нагрева металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2 (42). С. 63–66.

4. Беленький A.M., Богатова М.Ж., Чибизова С.И. Статистическое моделирование температурных режимов работы нагревательных печей с шагающими балками // Черные Металлы. 2021. № 8. С. 32–37. http://doi.org/10.17580/chm.2021.08.06

5. Богатова М.Ж., Чибизова С.И. Статистическое моделирование температурных режимов работы нагревательных печей листовых станов горячей прокатки // Известия вузов. Черная металлургия. 2021 Т. 64. № 5. С. 374–381. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-5-374-381

6. Левицкий И.А. Линейная задача теплопроводности для тел правильной формы при граничных условиях третьего рода // Черные металлы. 2019. № 10. С. 67–72.

7. Mathews J.H. Computer derivations of numerical differentiation formulae // International Journal of Mathematics Education in Science and Technology. 2003. Vol. 34. No. 2. P. 280–287. https://doi.org/10.1080/0020739031000158317

8. Singh V.K., Talukdar P. Comparisons of different heat transfer models of a walking beam type reheat furnace // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 47. P. 20–26. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2013.06.004

9. Tang G., Wu B., Bai D., Wang Y., Bodnar R., Zhou C.Q. Modeling of the slab heating process in a walking beam reheating furnace for process optimization // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 113. P. 1142–1151. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.026

10. Han S.H., Chang D., Kim C.Y. A numerical analysis of slab heating characteristics in a walking beam type reheating furnace // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. Vol. 53. No. 19–20. P. 3855–3861. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2010.05.002

11. Курносов В.В., Левицкий И.А., Прибытков И.А. Исследование нагрева массивных заготовок с различными скоростями в печах периодического действия // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. Т. 55. № 9. С. 27–31. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2012-9-27-31

12. Mayr B., Prieler R., Demuth M., Moderer L., Hochenauer C. CFD analysis of a pusher type reheating furnace and the billet heating characteristic // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 115. No. 25. P. 986–994. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.01.028

13. Jang J.-Y., Huang J.-B. Optimization of a slab heating pattern for minimum energy consumption in a walking-beam type reheating furnace // Applied Thermal Engineering. 2015. Vol. 85. P. 313–321. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.04.029

14. Tang L., Liu J., Rong A., Yang Z. An effective heuristic algorithm to minimise stack shuffles in selecting steel slabs from the slab yard for heating and rolling // Journal of the Operational Research Society. 2001. Vol. 52. No. 10. P. 1091–1097. https://doi.org/10.1057/palgrave.jors.2601143

15. Курносов В.В., Левицкий И.А. Математическое моделирование нагрева заготовок с переменными теплофизическими характеристиками и теплового режима, соответствующего заданному графику нагрева // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. Т. 55. № 7. С. 19–22. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2012-7-19-22

16. Арутюнов В.А, Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. Москва: Металлургия, 1990. 239 с.

17. Бялобжеский Н.C. Разработка математической модели и исследование струйного нагрева полосы металла: ВКР магистр металлургии. Москва, 2020. 73 с.

18. Ноткин В.Л. Глубокое охлаждение конструкций летательных аппаратов при теплопрочностных испытаниях. Москва: Спутник+, 2012. 142 с.

19. Мастрюков Б.С. Теория конструкции и расчеты металлургических печей. Москва: Металлургия, 1986. 376 с.

20. Расчет нагревательных и термических печей. Справочник / Под ред. В.М. Тымчака, В.Л. Гусовского. Москва: Металлургия, 1983. 480 с.