Тепловые процессы

Источник: Скворцов А. А. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок [Текст] / А. А. Скворцов. — М.: Металлургиздат., 1991. — 454 с.

Тепловые процессы, протекающие в нагревательных печах, крайне многообразны. Процессы горения, движения газов, теплообмена, протекающие при высоких температурах сложны и неразрывны. Поэтому исследование теплообмена и его математическое описание представляет собой крайне трудную задачу, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение. Для выработки надежного режима работы необходимы многочисленные экспериментальные исследования на действующих печах. Однако экспериментальное изучение теплообмена в высокотемпературных печах весьма затруднено. Такие эксперименты как измерение тепловых потоков в различных точках по длине и ширине печи, температуры факела и кладки, продвижение через печи сляба с размещенными в нем термопарами и ряд других могут выполняться лишь единично из-за сложности их, что не может обеспечить изучения многочисленных вариантов изменения режимных параметров печей. В таких условиях незаменимым становится математическое моделирование, требующее выполнения двух непременных условий: наличия возможности более точной математической модели процесса в обязательной строгой адаптации модели на действующем агрегате. Адаптация математической модели также требует сложных экспериментов на печах, однако, не столь многочисленных, как при эмпирическом исследовании в печах. Строго адаптированная математическая модель позволяет с использованием компьютера проанализировать практически любое число вариантов, чего совершенно невозможно сделать при эмпирическом методе исследования, и выбрать оптимальные условия тепловой работы печей для нагрева того или иного металла. При создании моделей методических печей встречается ряд трудностей, связанных со сложностью протекающих процессов и с недостаточной изученностью многих из них.

Методическая печь состоит из нескольких зон, ни одну из которых нельзя рассматривать автономно. Даже первая по ходу газов — томильная зона находится в состоянии теплообмена с последующей сварочной зоной. Все зоны (кроме томильной) испытывают на себе влияние других зон не только в результате протекания процессов взаимного теплообмена, но и в результате перехода продуктов сгорания из предыдущей зоны в последующую. Недостаточная изученность процессов тепловыделения в пламени и теплоотдачи от пламени, усиленных влиянием приходящих из других зон продуктов сгорания, крайне затрудняет решение вопроса о температуре в каждой зоне, которая может изменяться не только по длине, но по ширине и высоте печи. Все это делает решение по выбору температуры весьма приближенным. Очень часто температуры в томильной и сварочных печах принимаются постоянными.

В методических печах преобладающим (80%) является теплообмен излучением. Подавляющее большинство компонентов теплообмена излучением в рабочем пространстве печей имеет селективные радиационные свойства, которые должны быть учтены при расчете теплообмена, что также создает большие математические трудности.

В процессе нагрева металл подвергается окислению, причем по мере продвижения металла к торцу выдачи толщина слоя окалины увеличивается. Окалина представляет собой прежде всего значительное тепловое сопротивление: установлено, что перепад температуры в слое окалины достигает 100 ⁰С и более. Но этим влияние окалины на процесс нагрева не ограничивается. Окалина имеет отличные от металла радиационные свойства (спектральные степень черноты и поглощательную способность), что также оказывает влияние на теплообмен излучением.

В методических печах предприятий черной металлургии нагреву поддаются более двух с половиной тысяч различных марок сталей, каждая из которых характеризуется своими величинами теплопроводности и теплоемкости, зависящими от температуры крайне усложняет математическую модель, для многочисленных марок сталей зависимости c=f(T) и =f(T) пока просто не установлены. Поэтому очень часто и в расчетах величины с и принимают постоянными, чем вносят в расчет вынужденную неточность.

Математическая модель нагрева металла в методической печи без учета влияния окалины при сером излучении компонентов теплообмена.

Приведем математическое описание процесса нагрева металла в печи без учета тепловыделения при окислении металла при стационарных условиях работы печи. Внутренний теплообмен в нагреваемом металле описывается широко известным уравнением.

Граничные условия при двухстороннем нагреве металла излучением и конвекцией могут быть представлены соответственно для верхней и нижней поверхности:

где — начальное распределение температур; — лучистый поток на металл сверху и снизу; - конвективный поток на металл сверху и снизу; - продолжительность нагрева металла в методической и сварочных зонах (до томильной).

Будриным Д.В. – советским ученым предложены выражения для определения тепловых потоков, входящих в граничные условия:

где Тг^в (Тг^н), Тм^в (Тм^н), Ткл^в (Ткл^н) — температура газа, металла, кладки для верха печи (низа).

Представленная математическая модель позволяет рассчитать нагрев металла при условии, что температура зон изменяется скачкообразно при переходе из одной зоны в другую. При этом конечное распределение температур по сечению заготовки в предыдущей зоне рассматривали как начальное для последующей. Распределение температуры газов в верхних и нижних зонах подбирается последовательно по ходу движения металла таким образом, чтобы воспроизводился требуемый нагрев.