close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Численное моделирование температурных полей в элементах промежуточного ковша..pdf

код для вставкиСкачать
120
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
древесины, что в свою очередь позволит сократить затраты энергии и уменьшить технологический брак.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чернышев, А. Н. Сравнительный анализ техникоэкономических характеристик различных технологий
сушки древесины / А. Н. Чернышев // Деревообрабатывающая промышленность. – 2008.– № 2. – С. 14–16.
2. Афанасьев, А. М. Переходные явления тепло- и
массопереноса при конвективной сушке капиллярнопористых материалов / А. М. Афанасьев, И. А. Конягин,
Б. Н. Сипливый // Математическое моделирование. – Волгоград, 2004. – Т. 16. – № 5. – С. 117–127.
3. Лыков, А. В. Теория сушки / А. В. Лыков. – М. :
Энергия, 1968.
4. Гороховский, А. Г. Технология сушки пиломатериалов на основе моделирования и оптимизации процессов
тепломассопереноса в древесине: автореф. дис. ... д-ра
техн. наук /А. Г. Гороховский. – Санкт-Петербург, 2008.
5. Федяев, А. А. Математическое моделирование динамики процессов тепловлажностной обработки капиллярно-пористых коллоидных дискретных материалов /
А. А. Федяев, В. Н. Федяева, Ю. В. Видин // Журнал Сибирского Федерального университета. Энергетика и технологии. – 2008. – № 1. – С. 68–75.
УДК [536.2+535.5]:518.12
И. Л. Васильева, А. А. Реснянская
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ
В ЭЛЕМЕНТАХ ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОВША
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: eltech@vstu.ru)
Московский энергетический институт (ТУ) филиал в г. Волжском
В работе проведено численное моделирование температурных полей промежуточного ковша при непрерывной разливке стали в производстве труб. Приведена разработанная математическая модель расчета, которая позволяет определить температуру внутренней поверхности ковша по температуре наружной в рабочем состоянии. Результаты работы могут быть использованы при проектировании системы контроля температурного поля внутри ковша.
Ключевые слова: численное моделирование, промежуточный сталеразливочный ковш, разогрев футеровки.
In work numerical modeling of temperature fields of an intermediate ladle spent at continuous pouring out steels
in manufacture of pipes. The developed mathematical model of calculation which allows defining temperature of an
internal surface of a ladle on temperature external in working order is resulted. Results of work can be used at designing of the monitoring system of a temperature field in a ladle.
Keywords: numerical modeling, ladle for steel pouring, warming up of a working surface.
Разливка металла – процесс наполнения
жидким металлом форм, в которых металл кристаллизуется, образуя слитки. Это важный этап
технологического цикла производства металла,
так как в ходе разливки и кристаллизации слитка формируются многие физико-механические
свойства металла; от технологии разливки зависит качество слитка. Из плавильного агрегата
жидкий металл разливают сначала в промежуточный ковш (рис. 1), а затем в изложницы или
в систему непрерывной разливки стали.
Эффективность использования энергоресурсов является одним из важнейших показателей эффективности металлургического предприятия, с характерной для них большой энергоемкостью. К наиболее важным направлениям
энергосберегающей деятельности относятся
выбор тарифов и поставщиков энергоресурсов,
использование собственных вторичных энергоресурсов, применение более современных (менее энергоемких) технологий и оборудования,
совершенствование существующих технологи-
ческих процессов и режимов работы оборудования, оптимизация энергобаланса предприятия, снижение потребления энергоресурсов
подразделениями предприятия за счет повышения эффективности использования энергоносителей. Очевидно, что вопросы энергосбережения могут быть грамотно решены при наличии
математической модели технологического процесса. Эта модель позволяет проводить нормирование, анализ эффективности использования
и прогнозирование объемов потребления энергии. Одним из важнейших назначений математической модели энергопотребления предприятия является предоставление возможности
сравнения и анализа результатов энергосберегающих мероприятий.
Для повышения энергоэффективности процесса разливки стали необходимо осуществлять
контроль технологического процесса. Основной технологической операцией сталеплавильного производства является разливка стали на
машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
121
Рис. 1. Промежуточный ковш:
1 – труба защиты струи металла; 2 – крышка; 3 – стопор-моноблок; 4 – стены и дно ковша; 5 – перегородки, пороги; 6 – бойная плита; 7 – стакан дозатор для разливки одной струей; 8 – стакан дозатор; 9 – промежуточный стакан; 10 – арматурный слой; 11 – теплозащитный слой; 12 – гнездовой блок; 13 – заглушка
Любые простои оборудования и дополнительная
выдержка металла в ковше, недостаточный разогрев футеровки ковша сопровождаются потерей
энергии и снижением качества продукции.
Для контроля режимов технологического
процесса необходима система контроля температуры в элементах промежуточного ковша.
В качестве объекта численного моделирования
был использован технологический процесс
ЭСПЦ ОАО «Волжский Трубный Завод». В связи с постоянной модернизацией на данном
предприятии на установке непрерывной разливки стали была утеряна первоначальная система контроля температуры футеровки промежуточного ковша при его разогреве. В настоящее время отсутствует целостная система непрерывного контроля, и определение уровня
прогрева стенок и днища ковша осуществляется на основе только опыта обслуживающего
персонала. Информацию о разогреве стали
можно получить, если внедрить измерительную
систему, основанную на обработке и анализе
сигналов с термопар, предварительно установленных в элементах ковша.
Из-за невозможности контроля температуры непосредственно с рабочей поверхности
ковша прибегаем к способу нахождения температуры через многослойную стенку. Измеряя
температурные поля ковша, можно контролировать процесс разливки стали, а также прогнозировать степень изношенности внутренней
поверхности.
В качестве метода дискретизации использовался метод контрольного объема. Интегрирование по времени производилось по неявной
схеме. Дискретный аналог решался с использованием алгоритма прогонки.
Исходное уравнение – уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат:
∂t
1 ∂
∂
ρc p
=−
(1)
( qr ⋅ r ) − ( qz ) + q v ,
r ∂r
∂τ
∂z
где ρ – плотность материала, кг/м3; сp – теплоемкость материала, Дж/(кг·°С); t – температура,°С; τ – время,°С; r – радиальная координата, м;
qr – радиальная плотность теплового потока, Вт/м3;
z – осевая координата, м; qz – осевая плотность
теплового потока, Вт/м3; qv – плотность теплового потока внутренних источников тепла, Вт/м3.
Граничные условия:
∂t
z = 0 : λ = −α1 ( t ( r ,0 ) − t0 ) ;
(2)
∂z
∂t
z = z0 : λ = −α 2 ( t ( r ,z 0 ) − t f ) ;
(3)
∂z
∂t
r=0:
=0;
(4)
∂r
∂t
r=∞:
=0;
(5)
∂r
где λ – теплопроводность материала, Вт/(м2·°С);
α1 – коэффициент теплоотдачи (КТО) от нагретого теплоносителя к тепловоспринимающей
поверхности, Вт/(м3·°С); α2 – КТО от поверхности в окружающую среду, Вт/(м23°С); t0 – начальная температура, °С; tf – температура окружающей среды, °С.
Начальные условия τ = 0: t(r,z) = const. (6)
Геометрия расчетной орбласти в цилиндрической системе координат представлениа на
рис. 2.
122
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
z
2
8
8
3
2
1
4
r
7
6
5
Рис. 2. Геометрия расчетной области:
8
1 – теплоизоляционный слой; 2 – арматурный слой; 3 – рабочий слой; 4 – днище; 5 – гнездовой блок;
6 – стакан-дозатор; 7 – стекловолокно; 8 – контрольные точки
Для верификации математической модели
был проведен эксперимент по разогреву ковша
со ступенчато изменяющейся плотностью теплового потока на тепловоспринимающей поверхности ковша (таблица).
Время от начала
разогрева, ч
Плотность теплового потока
в долях от максимальной
2,6
q =0,77 qs
5,4
q = qs
7,8
q=0
9,8
q = qs
1,5
q=0
τ, ч
На рис. 3 представлены температуры тепловоспринимающей поверхности по данным численного моделирования и экспериментальным
исследованиям.
Результаты численного моделирования позволяют сформулировать необходимые технологические требования для разогрева внутренt, °C
τ, ч
Рис. 3. Температуры тепловоспринимающей поверхности:
− – расчет по математической модели;
• – экспериментальные данные
t, °C
Рис. 4. Температурная зависимость для разных времен прогрева внутренней поверхности промежуточного ковша:
─ – по технологическому регламенту; ▬ – расчетная зависимость
ней поверхности ковша: на первом участке 0,77
от qs, втором – тепловой поток равен qs, третьем –
0,617 qs, четвертом – 0,78 qs, пятом – 0,53 qs.
Результаты численного решения практически совпадают с экспериментальными данными, что показывает их достоверность и возможность дальнейшего использования для решения большого круга задач.
В процессе численных экспериментов удалось уточнить параметры модели (зависимость
плотности теплового потока от времени, коэффициент теплоотдачи) и тем самым предложить
режимы работы горелок. Температурные зависимости в процессе разогрева показывают невозможность контроля режима разогрева в реальном масштабе времени по температуре брони
из-за длительности прогрева днища ковша, однако позволяют судить о «качестве» прогрева.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков // Издательство «Высшая школа». – М.: Высшая школа, 1967. – 600 с.
2. Патанкар, С. Численные методы решения задач
теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар. – М.:
Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
359 Кб
Теги
ковше, поле, моделирование, pdf, элементами, температурных, промежуточной, численного
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа