/

220

1 (54), 2 (55), 2010

It is shown that at carrying out of multivariant

calculations the possibility to achieve uniformity of con-

vection heating by means of variation of constructive

parameters of working furnace chamber including burn-

ers location, and in such a way to intensify the heating of

metal.

и. А. ТрусовА, П. Э. рАТНиков, д. в. МЕНдЕлЕв, с. в. корНЕЕв, БНТу

УДК 669.04

выБор оптИмальных конструктИвных

И технологИческИх параметров пламенных печей

камерного тИпа с высокоскоростнымИ горелкамИ

с Целью оБеспеченИя равномерностИ нагрева

В настоящее время снижение себестоимости ставляющая теплоотдачи резко возрастает и со-

нагрева металла в печах прокатного, кузнечного ставляет не менее 50% от суммарного теплового

и штамповочного производств достигается как за потока [2]. Такая интенсификация теплообмена су-

счет реконструктивных мероприятий (внедрение щественно ускоряет процесс нагрева при одновре-

новых горелочных устройств, установка эффек- менном улучшении качества нагрева за счет

тивного теплоутилизационного оборудования, за- уменьшения окалинообразования и обезуглерожи-

мена футеровки и т. д.), так и за счет интенсифика- вания поверхности по сравнению с традиционным

ции теплообменных процессов в рабочем про- нагревом.

странстве.

В данной статье рассмотрены вопросы обеспе-

Возможности дальнейшей интенсификации чения равномерности конвективного теплообмена

процессов нагрева металла за счет увеличения в рабочем пространстве камерных печей путем

доли радиационной составляющей теплообмена подбора оптимальных конструктивных параме-

практически исчерпаны, поскольку температура тров печи.

греющей среды лимитируется огнеупорностью ис-

В работе [3] сделан однозначный вывод о пре-

пользуемых в печестроении материалов, степень имуществе конструкции рабочего пространства

черноты поверхностей теплообмена близка к еди- печей с удалением дымовых газов через щелевую

нице, a степень черноты продуктов сгорания то- конструкцию пода по сравнению со схемой удале-

плива в существующих конструкциях относитель- ния дымовых газов через свод, поэтому рассмо-

но низкая. Поэтому в настоящее время изучаются трим именно такую конструкцию печи (конструк-

и реализуются различные способы интенсифика- тивные размеры рабочей камеры печи аналогичны

ции тепловой работы печей путем повышения кон- полупромышленному стенду для нагрева загото-

вективной составляющей теплообмена (например, вок в ГНУ ИТМО НАН Беларуси – печь ПВП-1).

за счет организации струйного конвективного те- При выбранном способе удаления дымовых газов

плообмена) [1].

необходимо подобрать такие конструктивные па-

Интенсификация конвективного теплообмена раметры печи (высота установления боковых горе-

требует создания высоких скоростей газообразно- лок, расстояние между заготовками и характерный

го теплоносителя при его канальном движении размер щели подины), при которых наблюдается

или организации его рециркуляции в рабочем про- равномерность обтекания заготовки по ее поверх-

странстве печи. Такой вид нагрева основан на при- ности дымовыми газами.

менении специальных газогорелочных устройств

С учетом того, что печь выходит на рабочий

или так называемых скоростных горелок, обеспе- режим в течение 6–9 мин, то основное время на-

чивающих высокую скорость продуктов сгорания грева газодинамические процессы происходят в ква-

(100 м/с и более). При этом из-за высокой скоро- зистационарном режиме. Математическая модель

сти потока продуктов сгорания и разрушения по- нагрева цилиндрических заготовок в камерной

граничного слоя ударной струей конвективная со- печи в двухмерной постановке с учетом представ-

/

221

1 (54), 2 (55), 2010

ления выражений, констант и переменных для рас- печи. Полученное поле скоростей учитывается

четного программного пакета FemLab Comsol при расчете конвективной составляющей теплово-

Multiphysics имеет следующий вид [4]:

го потока, передаваемого заготовкам. Таким обра-

зом, можно оценить вклад конвективной составля-

ющей при различных конструктивных и техниче-

ских параметрах проходной печи и, тем самым,

рассчитать оптимальные параметры технологии

нагрева, что особенно важно при определении

мест расположения горелочных устройств.

С учетом ряда уже определенных конструктив-

ных и технологических параметров, обозначенных

при постановке задачи математического модели-

рования, выполнена ее численная реализация на

примере высокотемпературной установки (высота –

700 мм, ширина – 900 мм) для нагрева цилиндри-

ческих заготовок диаметром 150 мм. В качестве

горелочных устройств приняты скоростные горел-

ки Kromschroder BIC 140 (скорость истечения –

100 м/с, диаметр сопла – 142 мм) (рис. 1).

(1)

Поставленная задача решалась в двухмерном

пространстве в сечении, проходящем через про-

дольные оси установленных горелок (рис. 2). Чис-

ленное решение реализовано с помощью метода

конечных элементов. В качестве конечного эле-

мента выбран треугольник. На рис. 3 показана схе-

ма разбиения рабочего пространства камеры на

конечные элементы. В ходе многовариантных рас-

четов варьировались конструктивные параметры

исполнения рабочего пространства печи (высота

установления горелок hв, расстояние между осями

заготовок xв, размеры щелей в поду xs и диаметр

сопла горелки).

где t – независимая переменная (время); u, v – ком-

поненты вектора скорости дымовых газов (опреде-

ляются через мощность P горелок); r2, Cр2, k2 – со-

ответственно плотность, теплоемкость и теплопро-

водность заготовок; η1 = 0,272T10,7265⋅10−6 Пуаз,

r1 = 439,98

кг/м3, k1 = 0,126 Вт/(мꢀ⋅ꢀК),

ср1 = 1544 Дж/(кгꢀ⋅ꢀК) – соответственно динамиче-

ская вязкость, плотность, теплопроводность, те-

плоемкость дымовых газов; h j – коэффициент

конвективной теплоотдачи от дымовых газов к j-й

заготовке; T1 – температура дымовых газов; T2 j

–

Анализ результатов численного моделирования

(см. таблицу) позволил определить такие конст-

руктивные и технологические параметры пламен-

ной камерной печи, которые позволяют добиться

наибольшей равномерности обогрева стальных за-

готовок, тем самым, способствуя улучшению каче-

ства нагрева, и снижения удельного топливопотре-

бления. Критерием равномерности нагрева служило

равенство скоростей продуктов сгорания, а, следо-

вательно, и равенство коэффициентов конвектив-

ной теплоотдачи в контрольных точках заготовок.

На рис. 4 показано расположение контрольных то-

температура j-й заготовки; l+2e s T 4 −T 4

–

∑

i

(

)

2

j

i=3

сумма падающих потоков излучения на j-ю заго-

товку от всех объектов в количестве l, участвую-

щих в теплообмене, с учетом переизлучения j-й

заготовки.

При решении уравнений Навье–Стокса, входя-

щих в систему (1), можно получить распределение

чисел Рейнольдса и поля скоростей дымовых га-

зов при заданном рабочем температурном режиме

Рис. 1. Короткофакельная скоростная горелка Kromschroder

BIC 140

Рис. 2. Расположение нагреваемых заготовок в печи

/

222

1 (54), 2 (55), 2010

Рис. 3. Схема разбиения рабочего пространства камеры на конечные элементы

Рис. 4. Расчетная схема и контрольные точки

Значения скоростей продуктов сгорания и чисел Рейнольдса в контрольных точках на поверхности заготовок

в зависимости от конструктивных параметров печи при скорости продуктов сгорания 100 м/с

Номер

параметра

Dв

u

xв

xs

hв

U1

U2

U3

U4

U5

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

0,05

0,05

100

0,225

0,25

0,05

0,1

0,15

0,05

0,1

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

32,35

25,8

36,7

15,77

12,41

20,6

17,64

40,45

16,5

11,77

17,63

17,18

43,58

19,8

10,4

16,3

16,74

37,85

9,64

19,55

24,53

22,74

43,44

14,37

14,35

20,63

18,2

21,6

23,27

22,87

22,8

22,24

25,45

30,45

28,6

26,65

24,9

32,2

36,75

33,35

29,9

26,58

12,74

14,12

12,61

11,66

11,27

21,05

25,75

22,73

20,23

18,25

27,45

27

4,73

1,75

0,21

2,365

0,201

1,3

27,05

25,65

25,15

24,25

30,6

34,48

30,65

28,3

18,45

14,65

13,84

31,68

21,53

15,34

12,73

12,85

31,5

18,64

11,57

10,72

11,73

37,6

0,79

2,85

0,688

0,08

3,19

2,485

2,68

2,49

1,22

1,96

1,81

1,33

0,08

0,89

0,94

2,7

26,53

37,1

39,95

34,48

30,55

26,85

15,33

14,55

13,75

13,17

12,59

25,52

27,9

25,2

19,47

17,75

17,57

32,22

15,95

12,6

12,17

13,28

30,6

0,1

24,32

21,74

19,65

32,79

3,04

0,19

0,95

0,09

0,25

0,15

48,53

/

223

1 (54), 2 (55), 2010

Продолжение таблицы

Номер

параметра

Dв

u

xв

xs

hв

U1

U2

U3

U4

U5

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

0,05

0,05

0,1

100

0,25

0,15

0,05

0,1

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

0,175

0,275

0,375

0,475

0,575

12

6,22

6,94

10,21

12,59

17,59

16,32

59,2

25,9

15,6

27,73

27,28

59,7

27,8

31,15

26,35

24

28,64

33,54

28,09

24,61

51,9

52,4

50,1

48,55

49,05

54,75

60,15

56,85

53,15

51,1

66,1

67

61,1

54,4

49,9

35,4

34,8

34,33

34,5

34

42,75

46,5

43,5

40,45

38,5

58,2

61,9

54,3

48,65

44,5

1,81

1,3

0,52

1,7

0,25

10,28

49,85

47,3

35,58

29,95

28,75

49,8

40,95

32,15

28,35

27,85

52,9

0,225

0,25

42,5

45,2

44,73

44,5

44,8

46,45

53,8

52,2

50,35

48,4

58,2

62,1

59,3

53,55

49,8

32,4

34,2

33,9

33,5

33,15

39,7

44,7

42,5

39,8

37,7

49,85

56,5

51,8

47,4

43,83

5,45

2,92

0,944

0,543

0,116

3,45

3,13

2,725

1,29

2,04

6,93

2

1,24

2,09

0,39

2,03

6,65

0,67

2,39

1,03

5,67

4,11

0,32

3,4

0,1

28

12,38

25,93

26,47

64,8

30,9

11,9

24,24

25,85

59,22

20,84

23,22

33,4

31,9

62,5

25,1

19,74

31,1

29,3

72,2

31,4

14,6

0,15

0,05

0,1

0,15

39,2

27,58

26,43

25,37

58,4

44,15

34,4

31,6

31,4

54,2

36,95

29

26,45

27,9

49,7

23,4

16,2

0,25

0,17

2,36

3,04

0,16

3,29

2,09

18,55

21,33

26,7

26,8

чек при нагреве цилиндрических заготовок в пла-

менной печи, работающей по камерному режиму.

Таким образом, при проведении многовариант-

ных расчетов появляется возможность путем ва-

Как видно из таблицы, наибольшей равномер- рьирования конструктивных параметров рабочей

ности нагрева заготовок (при скорости истечения камеры печи, включая месторасположение горе-

продуктов сгорания из горелок со скоростью 100 м/с) лок, добиться равномерности конвективного обо-

удается добиться при конструктивных параметрах грева и, тем самым, интенсифицировать нагрев

№ 49 и 50.

металла.

Литература

1. Т и м о ш п о л ь с к и й В. И., Т р у с о в а И. А., Р а т н и к о в П. Э. Возможности применения струйного нагрева

металла перед прокаткой // Литье и металлургия. 2007. № 2. С. 63–66.

1. К р а с н о к у т с к и й П. Г. Исследование и разработка печей скоростного струйного нагрева заготовок на сплошном

керамическом поду: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. М.: МИСиС, 1980.

2. Подбор конструктивных и технических параметров проходной нагревательной печи для нагрева заготовок под штампов-

ку с целью создания энергосберегающих технологий / И. А. Трусова, Д. В. Менделев, П. Э. Ратников, С. В. Корнеев // Республ.

межвед. сб. науч. тр. «Металлургия». Вып. 32. Мн.: Выш. шк., 2009. С. 30–40.

3. Математическое моделирование процесса теплообмена в камерной нагревательной печи / В. И. Тимошпольский,

И. А. Трусова, Д. В. Менделев, П. Э. Ратников // Литье и металлургия. 2009.№ 3. С. 317–321.