Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Промышленная теплоэнергетика

Диссертационная работа:

Антонов Валерий Иванович. Совершенствование технологии и организации нагрева слитков и поковок как способ экономии энергетических ресурсов : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.14.04 : Санкт-Петербург, 2002 189 c. РГБ ОД, 71:04-5/603

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 2

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛООБМЕНА В

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ 8

1.1. Вариационный метод 10

1.2. Интегральный метод 11

1.3. Операционные методы 12

1.4. Основные уравнения модели турбулентности для двумерных течений 13

1.5. Мет сеток решения задач тепломассопереноса 15

1.6. Моделирование лучистого теплообмена 18

2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ СЛИТКОВ И ПОКОВОК

2.1. Тепловые процессы производства поковок 25

2.1.1. Кристаллизация с последующим охлаждением 27

2.1.2. Горячая консервация в печах - накопителях 28

2.1.3. Нагрев слитков в пламенных камерных печах 28

2.1.5. Режим предварительной термической обработки 29

2.2. Методы исследования теплообмена при нагреве изделий 30

2.2.1. Экспериментальные исследования 30

2.2.2. Физическое моделирование 31

2.2.3. Математическое моделирование 33

2.3. Теплотехнические особенности процесса нагрева слитков в камерных печах 38

2.3.1. Общая характеристика процесса нагрева 38

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА СЛИТКОВ И ПОКОВОК б КАМЕРНЫХ ПЕЧАХ 42

3.1. Нагрев под ковку в пламенных печах 4

" 3.)2. Нагрев изделий в электрических печах 51

3.3. Моделирование процесса охлаждения 53

3.4. Численный метод тепловых балансов решения задач теплопроводности для областей сложной формы 54

і 3.4.1. Аппроксимация граничных условий 58

3.4.2. Погрешность аппроксимации метода 60

3.4.3. Сходимость метода 62

3. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ РАСЧЕТОВ 64

" 4.1. Сравнение расчетных и экспериментальных данных 64

4.2. Влияние неравномерности теплового потока на время прогрева слитка 72

4.3. Влияние ошибок в задании теплофизических свойств на определение времени прогрева слитка 77

4.4. Обоснование модельных предположений и выбора численного метода 81

4.5. Выбор количества изотермических зон 86

4.6. Влияние окалинообразования на процессы нагрева 89

5. РАЗ$ИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧТА ТЕПЛООБМЕНА ИЗЛУЧЕНИЕМ В КАМЕРНЫХ ПЕЧАХ , 92

5.1. Определение обобщенных угловых коэффициентов для цилиндрических поверхностей 92

5і2. Определение угловых коэффициентов с учетом селективности поглощения среды 10*4

5.3. Анализ точности решения задач лучистого теплообмена в системах с селективно излучающей средой ПО

6. РАСЧЕТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА И ОЮіАЖДЕНЙЯ 115

6Л. Нагрев слитков перед ковкой .115

6.2. Охлаждение садок на выдвинутой подине при , термической обработке 128

6.2.1. Охлаждение садок из цилиндрических поковок 130

6.2.2. Охлаждение садок из поковок типа плит 134

6.3. Нагрей цилиндрического зеркала в электрической печи 136

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА ' НАГРЕВА СЛИТКОВ И ПОКОВОК- • 139

7.1.Расчет поглощения тепловой энергии кладкой печи 139

7.2. Анализ расхода топлива при горячей консервации слитков в камерных печах кузнечно - прессовых цехов 144

7.3. Анализ затрат топлива при нагреве слитков под ковку 148

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 159

ПРИЛОЖЕНИЕ . '

1. Расчетные кривые нагрева различных садок в камерных печа^

  1. Изотермы в, слитках в различные моменты времени

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ  

Введение к работе:

Актуальность работы. Современные экономические условия диктуют новые требования к организации производственных процессов. Создание конкурентно способной продукции может быть осуществлено при выполнении двух важнейших условий. Качество предлагаемой продукции должно удовлетворять общепринятым нормам и быть, как минимум, не ниже среднего. Не менее важной чертой выпускаемых изделий является их себестоимость, которая в большой степени определяется производственными затратами [132].

Требования повышения качества и снижения себестоимости товара в большинстве случаев являются взаимно противоречивыми. Причем это относится как к серийному производству, так и к созданию новой наукоемкой продукции. Однако, не решив указанную проблему, трудно рассчитывать на благосклонность потребителя выпускаемых изделий.

Как известно, в себестоимость продукции включаются постоянные и переменные затраты. Одной из важнейших составляющих переменных затрат является энергоемкость производственного процесса. Учет реальных затрат энергоресурсов в процессе производства - это важный шаг к снижению себестоимости выпускаемых изделий.

Наиболее разумным подходом к оценке качества и себестоимости товара является проведение научного анализа производственных процессов. В большинстве случаев затраты на проведение исследований окупаются тем, что решения, принимаемые на основе такого анализа, позволяют снизить риски в оценке реальной ситуации.

Настоящая работа посвящена анализу энергетических процессов при нагреве изделий в камерных печах кузнечно - прессовых цехов заводов тяжелого машиностроения и родственных им предприятиях. При анализе тепловых процессов основной упор сделан на определение полей температуры в нагреваемых изделиях. Это связано с тем, что именно распределение температуры определяет характер напряжений и деформаций и условия формирования структуры по сечению обрабатываемых заготовок [1-3, 122,130], что, в вою очередь, существенным образом влияет на качество поковок. Не менее важно иметь характеристику температурного поля в изделиях при их термической обработке.

Создание необходимого распределения температуры в слитках и поковках требует затрат тепловой энергии, которая выделяется в рабочем пространстве печи. Затраты энергии зависят от того, насколько близко к оптимальному процессу организован нагрев металла. Важной характеристикой этого процесса является время, затраченное на его проведение. Высокая точность в определении длительности нагрева позволяет рационально использовать печные агрегаты и, следовательно, сокращать энергоемкость производства.

Подробное изучение процессов нагрева имеет большое значение при конструировании новых печных агрегатов и создании новых технологий процессов горячей обработки металлов давлением.

Усложнение формы слитков и поковок вызывает необходимость решать задачи нагрева и охлаждения для тел различной геометрической формы.

Решение задачи оптимального функционирования группы печей, обеспечивающих бесперебойную работу кузнечного пресса, требует детального изучения проходящих в них энергетических процессов [4,66,171,133].

Нагрев и охлаждение изделий в печах - это сложные нестационарные физические процессы, при изучении которых необходимо учитывать особенности конструкции нагревательных устройств, различие в теплофизических свойствах материалов, а также технологических процессов, для осуществления которых необходим нагрев.

Детальное изучение энергетических процессов в нагревательных печах может быть выполнено в результате комплексного подхода к проблеме, что включает в себя натурные эксперименты, а также физическое и математическое моделирование.

В связи с большими материальными затратами количество опытов в промышленных условиях невелико. Перечень этих исследований приведен в книге Г.Г. Немзера [84]. Трудности в применении методов физического моделирования состоят в том, что необходимо определять температурные поля не только в твердых, но и в газообразных телах при высоких температурах и взаимодействии излучения и конвекции. Поэтому большинство физических моделей рассматривает поля температуры в нагреваемых изделиях, полагая тепловые потоки на поверхность известными величинами [79].

Наиболее распространенным методом исследования высокотемпературного нагрева является математическое моделирование. При построении математических моделей разделяют решение внутренней задачи теплопроводности в нагреваемом материале и ограждающих поверхностях, и задачи внешнего теплообмена, связанной с движением греющих газов и теплообмена излучением между нагреваемыми поверхностями.

Задачи тепломассопереноса решают методом сеток, конечных или граничных элементов. Большой вклад в развитие численных методов решения этих задач внесли отечественные исследователи школы А.А. Самарского [58; 107; 166], а также западные ученые, во главе с Д. Б. Сполдингом, С. Патанкаром, О. Зенкевичем и К. Бреббия [136,177,178, 189, 190].

Важным этапом в развитии методов расчета лучистого теплообмена стало появление зональных методов, которые позволяют свести решение интегро-дифференциальных к системе алгебраических уравнений. Ю.А. Суринов, А.С. Невский, А.Г. Блох, М.Н. Оцисик и ряд других исследователей внесли существенный вклад в становление методов расчета лучистого теплообмена в теплообменных аппаратах [60-64,139,179]. Несмотря на обилие исследований, тема не является исчерпанной, особенно при расчетах конкретных аппаратов.

Большой вклад в создание методов анализа работы металлургических печей внесли работы М. А. Глинкова и его многочисленных учеников и

последователей, в результате которых сформировалась отрасль теплофизики, обычно именуемая печной теплотехникой [114] .

В последнее время на рынке прикладных программ появились крупные пакеты, позволяющие производить расчеты тепломассопереноса с учетом многих теплофизических особенностей. Однако это не снизило интереса к развитию методов расчетов теплообменных аппаратов, в том числе и металлургических печей. Особенный интерес представляют не столько сами методы, сколько полученные с их помощью результаты, позволяющие сделать шаг в направлении создания оптимальных производственных циклов.

Целью диссертации является разработка новых методов расчета энергетических процессов в системе камерная печь - нагреваемые изделия, анлиз тепловых полей в слитках и поковках, определение энергозатрат, необходимых для создания требуемых тепловых состояний в металле и создание технологических рекомендаций по нагреву и охлаждению для снижения расхода энергетических ресурсов и получения необходимого качества изделий при бесперебойной работе системы пресс - печи. Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Разработан новый метод расчетов нагрева изделий в камерных печах. Математическая модель позволяет определять влияние на формирование температурного поля в нагреваемых изделиях реального распределения тепловых потоков в системе печь - садка, получаемого в результате расчетов и зависящего от геометрии садки и печи и температуры нагрева. При решении задачи внутреннего теплообмена в изделиях учтены зависимость теплофизических свойств материалов от температуры, процесс окалинообразования на поверхности и наличие скрытой теплоты фазовых переходов. Для определения энергоемкости процесса на каждом шаге по времени решается уравнение теплового баланса печи. В качестве исходных данных используются самые общие характеристики процесса: расход топлива и его теплотворная способность, температура воздуха из рекуператора, геометрические характеристики садки и печи, данные о теплофизических свойствах материалов. Модель позволяет рассматривать садки из слитков различной формы и размеров, динамические процессы переформирования садок, конструктивные особенности печей.

2. Для расчета теплообмена излучением в рабочем пространстве печи разработан метод селективных угловых коэффициентов, который дает возможность учесть селективность излучения газов при нахождении коэффициентов матрицы системы зональных уравнений. Определено влияние параметров газовой среды на величину угловых коэффициентов, проведен сравнительный анализ точности определения лучистых тепловых потоков по различным моделям. Метод позволил существенным образом сократить объем вычислительной работы. Для решения уравнения теплопроводности в областях сложной формы предложен метод построения дискретного аналога на треугольных сетках. Определена зависимость распределения температуры по сечению слитков и поковок от их геометрической формы.

3. Проведено исследование влияния неравномерности теплового потока по поверхности нагреваемых изделий на длительность прогрева. Дана оценка погрешности проводимых вычислений в зависимости от точности определения теплофизических параметров веществ.

3. С помощью разработанной математической модели проведено детальное исследование нагрева садок различного типа в камерной печи и охлаждения их на воздухе. Результаты расчетов длительности процессов представлены в виде номограмм в обобщенных координатах. Определено влияние на качество нагрева геометрии печи и садки и скорости подъема температуры печи, зависящей от тепловой мощности.

4. Определены затраты тепловой энергии в различных режимах работы печей. Дан сравнительный анализ энергоемкости процесса нагрева при различных способах его проведения. Проведен анализ затрат энергии на аккумуляцию и потери тепла в различных режимах работы кладки печи.

5. Разработаны новые алгоритмы и программы для ЭВМ, которые позволили существенно снизить трудоемкость проведения вычислений.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты проведенных исследований использованы на ряде заводов тяжелого машиностроения в качестве технических рекомендаций для проведения процессов нагрева и охлаждения металла, которые позволяют снизить энргоемкость производства без снижения качества продукции. Полученные результаты могут быть применены для решения задач оптимизации нагрева и создания систем автоматического управления производством. Программы для ЭВМ использованы в ВНИПИ «Теплопрект» для проведения исследования работы печей и в СПбГТУ для занятий со студентами.

На защиту выносятся:

- методика определения времени нагрева сложных садок из крупных слитков;

- методика определения полей температуры в изделиях различной формы;

- методика определения аккумуляции тепла кладкой печи;

- методика определения затрат энергии, необходимой для проведения нагрева;

- методика расчета лучистого теплообмена в рабочем пространстве нагревательной печи с учетом селективности излучения и поглощения греющих газов с помощью селективных обобщенных угловых коэффициентов;

- исследование влияния неравномерности теплового потока на время прогрева цилиндрических заготовок;

- исследование полей температуры в нагреваемых изделиях и кладке печи;

- результаты расчетов общей длительностей нагрева и выдержки при постоянной температуре печи садок из одного двух, трех и пяти слитков;

- результаты расчетов полей температуры и времени охлаждения на выдвинутой подине сложных садок из плит и цилиндров; полей температуры в зеркале, нагреваемом в электрической печи;

- - результаты расчетов и сравнительный анализ затрат энергии, необходимой для проведения процесса нагрева.

Подобные работы
Кабаков Павел Зотеевич
Исследование тепломассообменных процессов и совершенствование технологии вакуумирования стали в ковше
Баранова Марина Петровна
Совершенствование технологии получения водоугольных суспензий
Сенчурова Юлия Анатольевна
Совершенствование технологии сжигания водоугольного топлива в вихревых топках
Мухамадеев Эдуард Захитович
Расширение сырьевых ресурсов и совершенствование технологии производства малоактивного технического углерода
Юдин Виктор Михайлович
Повышение ресурса отремонтированных автотракторных двигателей совершенствованием технологии восстановления шатуна
Садовой Владимир Всеволодович
Разработка научных принципов проектирования состава и совершенствования технологии многокомпонентных мясных изделий с использованием вторичных ресурсов пищевой промышленности
Воронин Павел Владимирович
Совершенствование управления ресурсами лесопользования на основе ГИС-технологий : На примере предприятий лесного хозяйства Воронежской области
Султанова Екатерина Александровна
Совершенствование технологии и организации строительства зданий с наружными многослойными теплоэффективными стенами
Слонич Елена Михайловна
Совершенствование организации и технологии локомотиво-ремонтного производства железной дороги : На примере Забайкальской железной дороги
Кулишова Любовь Анатольевна
Совершенствование технологии морской перевозки и организации грузового сюрвея при мультимодальной транспортировке "губчатого железа"

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net