Развитие методики расчета параметров устройств для охлаждения проката сплошным потоком воды

И.А. Гунькин

Рис. 3. Приведенный коэффициент температуропроводности при различных температурах конца ускоренного охлаждения (а) и при различном конечном теплосодержании стали (б).

Тонкой линией показано охлаждение с температуры 700 єC, толстой _ с 900 єC [8].

Величину A(i) назвали интегральной величиной коэффициента температуропроводности стали. Значения этой величины для исследуемой марки стали показаны на рис. 4. Следует отметить, что A(i) не зависит от температуры начала и конца ускоренного охлаждения стали, а также от температуры поверхности. Можно высказать предположение, что интегральная величина коэффициента температуропроводности не зависит и от условий охлаждения.

Полученные результаты позволили дополнить существующую методику расчета параметров ускоренного охлаждения проката сплошным потоком воды. С использованием этой методики произведен расчет охлаждения пластины толщиной 15 мм (одностороннее охлаждение) с температур 700 и 900 єC. Результаты расчета показаны на рис. 2.

Для проверки влияния масштабного фактора произведены эксперименты по охлаждению образцов толщиной 5 и 10 мм с температуры 800 єC в течении 1 и 2 с соответственно. Кроме этого, произведены эксперименты по охлаждению образцов толщиной 15 мм с 950 и 1000 єC в течении 5 с. Результаты экспериментов не противоречили данным, полученным расчетным путем. Таким образом, масштабный фактор не оказал влияния на величину приведенного коэффициента температуропроводности, а использование понятия интегральной величины коэффициента температуропроводности позволило произвести расчеты при разных значениях начальных температур.

Изложим полученную методику подробнее. Для этого рассмотрим две задачи: определение дины линии ускоренного охлаждения для получения необходимой температуры самоотпуска и определение температуры самоотпуска по заданной длине линии ускоренного охлаждения.

Рис. 4. Интегральная величина коэффициента температуропроводности A(i) для стали марки Ст5пс.

Рис. 5. Охлаждение движущегося проката в устройстве проводкового типа. 1_ охлаждаемый раскат, 2_ нагнетающая форсунка, 3_ камера охлаждения, 4_ узел сброса отработанной воды.

Постановка задачи 1: Прокат диаметром 2R, движущийся со скоростью vпр, охлаждается интенсивным потоком воды в устройстве проводкового типа (рис. 5) с температуры конца прокатки t0 до температуры конца ускоренного охлаждения tуо. Температура охлаждающей воды равна tп, максимально допустимый разогрев охлаждающей воды принимается равным Дtв. Необходимо определить длину зоны активного охлаждения LЗАО и минимальный расход охлаждающей воды Qmin.

По таблице 1а определяем объемное (верхняя строка) теплосодержание стали в конце прокатки i0 = f(t0), в конце ускоренного охлаждения iуо = f(tуо) и на поверхности раската iп = f(tп).

Определяем относительное теплосодержание конца ускоренного охлаждения: термокинетический охлаждение прокат пластина

.

Таблица 1а Теплосодержание (объемное и массовое) стали марки Ст5пс при различных температурах [9]

Таблица 1б Зависимость температуры стали марки Ст5пс (єC) от объемного теплосодержания (Дж/мм3)

Определяем приведенный коэффициент температуропроводности в интервале теплосодержания iуо ч i0. Для этого по таблице 2 определяем интегральные величины коэффициента температуропроводности в начале A(i0) и в конце A(iуо) охлаждения. Приведенный коэффициент температуропроводности равен

.

По таблице 3б определяем число Фурье, обеспечивающее получение заданного относительного теплосодержания:

В таблице 4б приведена аналогичная зависимость для неограниченной пластины.

Определяем время охлаждения:

.

В случае одностороннего охлаждения пластины вместо R необходимо использовать толщину S. В случае двухстороннего симметричного охлаждения пластины _ половину толщины.

Длина зоны активного охлаждения должна составить

.

Таблица 2 Интегральная величина коэффициента температуропроводности A [Дж/мм•с] при различном объемном теплосодержании i [Дж/мм3] стали марки Ст5пс

Количество металла, охлаждаемого в единицу времени равно

,

где m _ масса погонного метра профиля.

По таблице 1а определяем массовое (нижняя строка) теплосодержание стали в начале im0 и в конце imуо ускоренного охлаждения. Количество тепла, отдаваемое прокатом в единицу времени равно

.

Минимальный расход охлаждающей воды составит

,

где c = 4.19 кДж/кг•єC _ теплоемкость воды.

Пример расчета

Арматурный прокат диаметром 2R = 14 мм, имеющий температуру t0 = 1050 єC и движущийся со скоростью vпр = 16.5 м/с необходимо охладить до температуры tуо = 600 єC. Температуру охлаждающей воды принять равной tп = 35 єC, максимально допустимую температуру разогрева воды _ Дtв = 50 єC. Найти длину зоны активного охлаждения LЗАО и минимальный расход охлаждающей воды Qmin.

Объемное теплосодержание стали в конце прокатки составит:

Таблица 3а Зависимость относительного теплосодержания неограниченного цилиндра от числа Фурье

Таблица 3б Число Фурье, соответствующее заданному относительному теплосодержанию неограниченного цилиндра

Таблица 4а Зависимость относительного теплосодержания неограниченной пластины от числа Фурье

Таблица 4б Число Фурье, соответствующее заданному относительному теплосодержанию неограниченной пластины

в конце ускоренного охлаждения _

и на поверхности раската _

Относительное теплосодержание в конце ускоренного охлаждения:

.

Интегральная величина коэффициента температуропроводности в начале ускоренного охлаждения составит

а в конце ускоренного охлаждения -

Приведенный коэффициент температуропроводности в интервале теплосодержания 2.68 ч 5.77 Дж/мм3 равен

Число Фурье, обеспечивающее получение заданного относительного теплосодержания:

Время охлаждения раската до заданной температуры составит

Длина зоны активного охлаждения должна составить

Масса погонного метра арматурного проката диаметром 14 мм (ДСТУ 3760_98) равна m=1.21 кг/м, количество металла охлаждаемого в единицу времени:

Массовое теплосодержание стали в конце прокатки составит

в конце ускоренного охлаждения:

количество тепла, отдаваемое прокатом в единицу времени равно

Минимальный расход охлаждающей воды составит

.

Постановка задачи 2: Прокат диаметром 2R, движущийся со скоростью vпр, охлаждается интенсивным потоком воды в устройстве проводкового типа длиной LЗАО (рис. 5). Температура конца прокатки равна t0, температура охлаждающей воды _ tп. Определить температуру конца ускоренного охлаждения tуо.

Обратная задача решается методом последовательной итерации. Сначала зададимся некоторой температурой конца ускоренного охлаждения tзад. Исходя из этой температуры определяем приведенный коэффициент температуропроводности:

Определяем число Фурье Fo, соответствующее заданному времени охлаждения ф:

По таблице 3а определяем относительное теплосодержание проката при найденном числе Фурье . По таблице 1а определяем объемное (верхняя строка) теплосодержание стали в конце прокатки i0 = f(t0) и на поверхности проката iп = f(tп), затем рассчитываем теплосодержание в конце ускоренного охлаждения:

Если iуо не соответствует iзад, корректируем величину iзад и повторяем расчеты до тех пор, пока не получим iуо ? iзад.

После получения удовлетворительной сходимости для iуо, по таблице 1б определяем температуру конца ускоренного охлаждения: tуо = f-1(iуо).

В предыдущем примере нами рассчитана длина линии ускоренного охлаждения LЗАО = 7.9 м, обеспечивающая охлаждение проката до 600 єC. Определим насколько изменится температура конца ускоренного охлаждения при уменьшении длины линии на 1 м (LЗАО = 6.9 м).

Из предыдущего решения имеем t0 = 1050 єC, i0 = 5.77 Дж/мм3, A(i0) = 54.0 Дж/мм•с, tп = 35 єC, i0 = 0.129 Дж/мм3.

Из условия настоящей задачи:

Зададимся начальной расчетной температурой tзад равной 650 єC. Последовательность итераций приведена в таблице:

Окончательно получаем iуо = 2.78 Дж/мм3. По таблице 1б определяем tуо = f-1(iуо = 2.78 Дж/мм3) = 617 єC. Таким образом, уменьшение длины зоны активного охлаждения на 1 м (на 12.7 %) приведет к увеличению температуры конца ускоренного охлаждения на 17 єC (снижение степени охлаждения на 3.8 %).

Предлагаемая методика легко алгоритмизируется с использованием относительно простых вычислительных систем. Как показано в работе, применима и при “ручном” расчете. Область применения методики _ охлаждение проката (круглого, арматурной стали, полосы, уголка) сплошным потоком воды при давлениях в камере охлаждения не ниже 15 кгс/см2.

Перечень ссылок

1. Расчет длины устройств для охлаждения проката сплошным потоком воды. Худик В.Т., Черненко В.Т., Сиухин А.Ф., Литовченко Ю.К. _ Металлургия и коксохимия, вып. 36. Киев: Технiка, 1973, с. 68_72.

2. Высокопрочная арматурная сталь. Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В. и др. _ М.: Металлургия, 1986, 272 с.

3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М., Высшая школа, 1967. 600 с.

4. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М., Металлургиздат, 1962. 568 с.

5. Расчет температурного поля при охлаждении толстых листов. Орлов Э.А., Спиваков В.И., Новиков А.М., Васильева И.Е. в сб. “Термическая обработка металлов”, № 4. М., Металлургия, 1975 (МЧМ СССР), с. 27_30.

6. Приведенный коэффициент температуропроводности при прерванном охлаждении / В.Т.Худик, И.А.Гунькин, И.И.Журавлев, Е.В.Приходько // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 12. _ Днепропетровск: ПГСиА, 2001. _ с. 92-93.

7. Приведенный коэффициент температуропроводности при прерванном охлаждении / В.А.Шеремет, И.А.Гунькин, И.И.Журавлев // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 15, Часть I. _ Днепропетровск: ПГСиА, 2002. _ с. 86-88.

8. Приведенный коэффициент температуропроводности при прерванном охлаждении / А.В.Кекух, И.А.Гунькин, Н.П.Жильцов // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. Вып. 22, Часть II. _ Днепропетровск: ПГСиА, 2003. _ с. 114-117.

9. Теплофизические свойства веществ. Справочник. Под ред. Варгафтика Н.Б., Г.Э.И., 1956. 320 с.

Размещено на Allbest.ru