К исследованию импульсного нагрева металла

Поиск скрытых резервов энергосбережения и их использование – мощный фактор повышения конкурентоспособности продукции. Прокатное производство по затратам энергии на получение готовой продукции занимает второе место (после доменного производства). При этом 95 % затрат приходится на долю газа и электроэнергии, из них 60 % – на нагрев заготовок под прокатку в печах [1].

Расчет энергетических затрат в технологическом процессе нагрева металла показывает, что существует несколько подходов к решению проблемы энергосбережения:

– строительство печей с минимальными потерями теплоты в окружающую среду и воздействием этих потерь на процесс нагрева металла;

– достижение оптимальных температур обработки металла за короткий период времени;

– совершенствование АСУ ТП [2 – 4].

Способ нагрева металлических заготовок, который соответствует указанным требованиям, должен достигать оптимального температурного режима за малое время, иметь локальное действие, но при этом передавать достаточно теплоты для обработки изделий. Технологией такого рода можно считать импульсные режимы нагрева металла.

Основной класс горелочных устройств, применяемых в системах импульсного отопления – это скоростные струйные горелки, работающие на природном газе [5]. Импульсный нагрев основывается либо на системе позиционного автоматического прерывания, либо на перестраиваемой по частоте и скважности пульсаций системе прерывания при продолжительности периода «включено – выключено» 0,5 – 2,5 мин. Коэффициенты теплоотдачи конвекцией a_конв могут достигать 300 Вт/(м²·К) и более [6].

Режим работы горелок подбирается экспериментально при наладке тепловых агрегатов, однако из-за высокой тепловой инерционности печей это требует много времени. Поэтому целесообразно предварительные значения режимных параметров импульсного нагрева определять на математической модели.

Разработана программа, моделирующая результаты следующего процесса. Заготовка в форме пластины или цилиндра, имеющая однородное температурное поле, помещается внутрь проходной нагревательной печи, в зонах которой задаются температура среды и a_конв, соответствующие включенным и выключенным горелкам. Переключение «включено – выключено» происходит при достижении заданной продолжительности нагрева t либо заданного перепада температур по толщине заготовок ∆T.

На рисунке показаны температурные режимы печи и интервал нагрева металла со следующими параметрами:

– температура в методической зоне, где нет горелок – 800 °C, a_конв – 100 Вт/(м²·К);

– температура и a_конв в сварочной зоне для случаев «включено» и «выключено»: 1700 °C и 300 Вт/(м²·К), 1100 °C и 100 Вт/(м²·К) соответственно;

– температура и a_конв в томильной зоне для случаев «включено» и «выключено»: 1300 °C и 200 Вт/(м²·К), 1100 °C и 100 Вт/(м²·К) соответственно;

– время работы и отключения горелок – 1 мин.

Выводы

Разработан программный продукт для оптимизации режимных параметров импульсного нагрева металла в проходных нагревательных печах.

Успешная реализация программы исследований позволит выработать рекомендации по увеличению производительности печей и улучшению энергоэффективности процесса нагрева заготовок.