Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Рибалов Андрій Олександрович

УДК 621.771.25.-71.004

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КОНВЕКТИВНИЙ ТЕПЛООБМІН І ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ПРИ ОХОЛОДЖЕННІ АРМАТУРНОГО ПРОКАТУ НА ДРІБНОСОРТНИХ СТАНАХ

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор ГУБИНСЬКИЙ Володимир Йосипович, завідувач кафедри теплотехніки та екології металургійних печей, Національна металургійна академія України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор НЕДОПЬОКІН Федір Вікторович,

Професор кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології та екології, Донецький національний університет;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ВЕСЕЛОВСЬКИЙ Володимир Борисович, доцент кафедри прикладної газової динаміки та тепломасообміну, Дніпропетровський національний університет.

Провідна установа: Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.

Захист відбудеться 07.10.2003 р. о 12.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розіслано 05.09.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В даний час металургія України - одна з найбільше, що динамічно розвиваються галузей народного господарства. Збільшення числа споживачів продукції чорної металургії України є закономірним результатом росту конкурентноздатності вітчизняного металу, досягнутого шляхом підвищення його якості, зниження собівартості, освоєння міжнародних стандартів. Високим попитом користується арматурний прокат, зроблений по канадському стандарту CANCSA G.30.18-M2, американському стандарту ASTM A615, британському BS 4449, катанка, що відповідає вимогам американського стандарту ASTM A510M.

Одним зі шляхів зниження собівартості металопродукції є розробка і впровадження енерго- і ресурсозберігаючих технологій. До таких технологій відноситься прискорене охолодження гарячекатаного металопрокату в потоці безупинних дрібносортних і дротових станів з метою термічного зміцнення з прокатного нагріву, яке дозволяє виключити витрату енергоносіїв на спеціальне нагрівання металу в термічних печах, а також знизити втрати металу в окалину, скоротити витрату легуючих елементів.

Прискорене охолодження прокату на сучасних вітчизняних станах з метою термозміцнення ведеться з великим коефіцієнтом запасу по механічним властивостям. Таким чином, потенційним джерелом енерго- і ресурсозбереження є удосконалювання режимів охолодження для одержання комплексу необхідних механічних властивостей і мікроструктури готового металопрокату при найменшій енергоємності процесу. Зменшення енергоємності теплофізичних процесів у металургії представляється безсумнівно актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок дослідження зв'язаний з науково-дослідними роботами "Розробка сучасних методів розрахунку температурних полів прокату з чорних і кольорових металів при прискореному охолодженні з метою поліпшення механічних властивостей продукції" (Тема Г206G10000, номер державної реєстрації 0100U000748), "Совершенствование ускоренного охлаждения арматурной стали" (договір №В 311-01-01), "Разработка и внедрение энергосберегающих режимов охлаждения проката" (договір №748). Ці роботи були базовими для підготовки дисертаційної роботи, у них автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є зниження енергоємності процесу прискореного охолодження гарячекатаного арматурного прокату.

Об'єкт дослідження - установки прискореного водяного охолодження арматурного прокату в потоці безупинних дрібносортних станів.

Предмет дослідження - конвективний теплообмін у процесі прискореного охолодження арматурного прокату водою при їхньому спільному русі в прямоточній охолоджувальній камері.

Задачі дослідження:

- аналіз сучасного стану технології прискореного охолодження прокату в потоці безупинних станів на вітчизняних і закордонних підприємствах;

- аналіз методів розрахунку конвективного теплообміну при прискореному охолодженні прокату круглого поперечного перерізу водою, що подається в камери охолодження під тиском;

- розробка математичної моделі процесу прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату і її адаптація за результатами промислових експериментів;

- експериментальне визначення величини коефіцієнту тепловіддачі від гарячого арматурного прокату до охолоджувальної води;

- розрахунок процесу прискореного охолодження прокату шляхом чисельного рішення диференціальних рівнянь конвективного теплообміну;

- розробка і промислові іспити енергозберігаючих режимів прискореного охолодження арматурного прокату.

Методи дослідження:

- промислові експерименти по вивченню роботи установки прискореного охолодження, що включають виміри тиску, витрати і температури охолоджувальної води, металографічні дослідження і механічні іспити проб охолодженого арматурного прокату;

- математичне моделювання прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату з метою визначення залежності між параметрами процесу (тиск і температура охолоджувальної води, тривалість охолодження, температура кінця прокатки) і його результатами (мікроструктура і механічні властивості металу).

Наукова новизна отриманих результатів.

1.Уперше встановлено, що критериальная залежність Нуссельта - Крауссольда справедлива для розрахунку коефіцієнта конвективної тепловіддачі в процесі прискореного охолодження гарячого арматурного прокату турбулентним потоком води в прямоточних камерах, за умови обліку як абсолютної швидкості руху охолоджувальної води, так і швидкості води щодо поверхні металу, що рухається, у виді сумарного числа Рейнольдса .

2.Вирішено задачу гідродинаміки для турбулентного потоку води в кільцевому каналі з внутрішньою поверхнею кільця, що рухається, стосовно до умов роботи установки охолодження прокату у формі циліндра нескінченної довжини. Новим елементом задачі, на відміну від відомого аналітичного рішення, є визначення профілю швидкості води і величини гідравлічного опору по всій довжині установки охолодження, включаючи ділянку гідродинамічної стабілізації.

3. Уперше, без використання емпіричної залежності , шляхом рішення системи диференціальних рівнянь конвективного теплообміну, визначені температурні поля арматурного прокату й охолоджувальної води при їхньому спільному русі в прямоточній охолоджувальній камері.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена й апробована в промислових умовах методика встановлення достовірної залежності мікроструктури і механічних властивостей зміцненого арматурного прокату від кінетики зміни температурного полю по його поперечному перерізу в процесі прискореного охолодження, що дозволяє обґрунтовано вибирати конструктивні і режимні параметри установки прискореного охолодження, що забезпечують необхідний рівень механічних властивостей продукції при мінімально можливій витраті електроенергії і води.

Розроблено і впроваджено енергозберігаючий режим прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату діаметром 12 мм у потоці дрібносортного стану 250-4 сортопрокатного цеху №2 комбінату "Криворіжсталь".

Розроблено і впроваджено енергозберігаючий режим прискореного охолодження арматурного прокату діаметром 14 мм в умовах дрібносортного стану 250-2 сортопрокатного цеху №1 комбінату "Криворіжсталь". Акт про впровадження розроблених режимів представлений у додатку до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні дослідження, обробка даних, отриманих у ході досліджень, а також узагальнення результатів проведені автором самостійно. Експериментальні дослідження, що ввійшли в дисертаційну роботу, виконані безпосередньо здобувачем за участю працівників лабораторії термообробки прокату, лабораторії металознавства, сортопрокатних цехів №1 і №2 комбінату "Криворіжсталь".

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних наукових конференціях "Актуальные проблемы механики сплошных сред" (м. Донецьк, 2002 рік), "Energy Transformatіons Іn Іndustry" (м. Кошице, Словаччина, 2002 рік), "Теплотехника и энергетика в металлургии" (м. Дніпропетровськ, 2002 рік).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 5 статей у виданнях, що входять у відповідний перелік ВАК.

Структура дисертації. Робота складається з ведення, чотирьох глав, висновку, списку використаних джерел і додатка. Матеріал дисертації викладений на 132 сторінках, включаючи 17 малюнків і 9 таблиць. Бібліографічний список містить 97 найменувань робіт вітчизняних і закордонних авторів.

Робота виконана на кафедрі теплотехніки та екології металургійних печей Національної металургійної академії України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз сучасного стану питання

Розглянуто задачі й область застосування прискореного охолодження гарячекатаного металу. Проведено критичний аналіз сучасних технологій і конструкцій установок охолодження прокату круглого поперечного перерізу в умовах дрібносортних і дротових станів. На основі проведеного аналізу зроблений висновок про те, що, з метою зниження енергоємності процесу прискореного охолодження арматурного прокату, необхідно, насамперед, удосконалювати технологічні режими роботи існуючих установок термозміцнення, які прості у виготовленні і досить ефективні в експлуатації.

Окрема увага приділена розгляду відомих методів розрахунку конвективного теплообміну в процесі прискореного охолодження гарячого прокату. Зроблено висновок про необхідність розробити комплексний підхід до розрахунку пристроїв прискореного охолодження арматурного прокату, що враховує вплив як можна більшого числа технологічних і конструктивних факторів, вірогідно описує конвективний теплообмін і температурне поле по перетину металу, досить надійно прогнозує його механічні властивості.

Математична модель процесу прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату

У другому розділі дисертації розроблено математичну модель процесу прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату. Модель включає визначення гідродинамічних параметрів процесу (швидкість руху і витрата охолоджувальної води), коефіцієнта конвективної тепловіддачі від гарячого металу до турбулентного потоку охолоджувача, кінетику зміни температурного полю охолоджуваного прокату, прогнозування формування мікроструктури і розрахунок механічних властивостей готової продукції.

Розрахунок температурного полю по радіусу прокату заснований на чисельному рішенні диференціального рівняння теплопровідності для циліндра нескінченної довжини, при граничних умовах третього роду, з урахуванням залежності теплофізичних властивостей металу від температури. Вихідними даними для прогнозування формування конкретних структурних фаз є хімічний склад сталі (марка сталі) і розподіл температури по радіусу прокату по закінченні процесу охолодження. Знання температур фазових перетворень для даної марки сталі дозволяє прогнозувати об'ємні частки фаз у кінцевій мікроструктурі зміцненого металу. Розрахунок механічних властивостей (границя текучості і границя міцності) заснований на припущенні про те, що співвідношення між механічними властивостями й об'ємною часткою фаз зводиться до ідеалізованого закону змішання. Механічні властивості сталі розраховували за правилом сумішей:

,(1)

де - границя міцності або границя текучості сталі, МПа; - відповідна механічна характеристика і-ої структурної фази (мартенситу, бейниту, сорбіту, перліту), МПа; - об'ємна частка і-ої фази, %.

Адаптація моделі здійснювалася на основі роботи установки прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату, розташованої за чистовою кліттю дрібносортного стану 250 - 4 комбінату "Криворіжсталь". На стані 250 - 4 виробляється зміцнений арматурний прокат діаметром 12 мм зі сталі марки Ст3пс. Установка прискореного охолодження складається із однієї форсунки та чотирьох послідовно розташованих камер загальною довжиною 9,1 м. В умовах роботи установки були відібрані проби прискорено охолоджених арматурних прутків при різних значеннях тиску і температури охолоджувальної води, швидкості і температури кінця прокатки. Виходячи з результатів металографічних досліджень відібраних проб, було визначено, що мікроструктура охолодженого прокату складається в основному з двох фаз: мартенситу і верхньотемпературного бейниту. У цьому випадку об'ємні частки фаз розраховували в такий спосіб:

, ,

де - глибина поверхневого шару прутка зі структурою мартенситу, м;

- радіус прокату, м.

Розрахункова величина визначається по відомому розподілу температури по радіусу прокату наприкінці процесу охолодження і значенню температури початку мартенситного перетворення для даної марки сталі. Для сталі марки Ст3пс температура початку мартенситного перетворення по довідковим даним приймалася рівної 470⁰С.

Маючи результати досліджень механічних властивостей проб арматурного прокату, були визначені значення механічних властивостей структурних фаз, що утворюються: границя текучості мартенситу - =940 МПа, границя міцності - =1100 МПа, границя текучості бейниту - =354 МПа, границя міцності - =395 МПа.

Відповідальним етапом розрахунку теплообміну при прискореному охолодженні гарячого прокату є одержання достовірних значень коефіцієнта конвективної тепловіддачі.

У ході проведення промислових досліджень на стані 250-4 була обмірювана температура охолоджувальної води на вході і виході з кожної камери охолодження при відомих параметрах процесу: температура кінця прокатки 10800С; швидкість прокатки 13,6 м/с; початкова температура охолоджувальної води 380С; тиск води перед форсункою 2,6 МПа.

Для зазначених умов охолодження були виконані розрахунки температур металу і води при різних значеннях коефіцієнта конвективної тепловіддачі. У результаті були знайдені значення коефіцієнта тепловіддачі, при яких розрахункова температура води на виході з кожної камери охолодження дорівнює температурі, обмірюваної в ході досліджень. Отримано значення коефіцієнта конвективної тепловіддачі в діапазоні 75 000 -95 000 Вт/(м²·К).

З метою узагальнення результатів визначення коефіцієнта тепловіддачі, з ряду відомих виражень Nu=f(Re,Pr) необхідно було підібрати таке, при використанні якого розрахункові значення коефіцієнта тепловіддачі і, як наслідок, механічні властивості зміцненого металу були б найбільш близькі до експериментальних величин. Прийнятна точність розрахунку коефіцієнта конвективної тепловіддачі і, відповідно, механічних властивостей зміцненого металу, була отримана у випадку використання залежності Нуссельта - Крауссольда , за умови обліку як абсолютної швидкості руху охолоджувальної води, так і швидкості води щодо поверхні металу, що рухається, у виді сумарного числа Рейнольдса , при цьому теплофізичні властивості води приймаються на лінії насичення. Жодне з розглянутих нами виражень Nu=f(Re), отриманих раніше іншими дослідниками для цілого ряду охолоджувальних пристроїв на прокатних станах, не дозволило вірогідно розрахувати процес охолодження арматурного прокату в умовах стану 250-4 комбінату "Криворіжсталь".

Для оцінки адекватності математичної моделі, у якості експериментальних даних використовували результати дослідження механічних властивостей проб прискорено охолодженого арматурного прокату класу А500С. Середнє відхилення розрахункового значення границі текучості від експериментального склало 3,3 %, границі міцності - 2,6 %.

Конвективний теплообмін при охолодженні арматурного прокату

У зв'язку з високими значеннями коефіцієнта тепловіддачі при водяному охолодженні прокату, в ряді літературних джерел при розрахунку температурного полю охолоджуваного металу приймають граничні умови першого роду, коли передбачається, що при вході гарячого прокату в камеру охолодження температура його поверхні миттєво знижується до температури охолоджувальної води. Як наслідок, розбіжність по розрахунковій величині границі текучості складає 160 - 170 МПа.

Таким чином, розрахунки підтвердили неприйнятність використання граничних умов першого роду для достовірного визначення температурного полю арматурного прокату в процесі його прискореного охолодження, незважаючи на високу інтенсивність теплообміну.

Одним з можливих методів розрахунку гідродинаміки і конвективного теплообміну при охолодженні виробів є спільне рішення рівняння руху Навье-Стокса, рівняння нерозривності і рівняння енергії Фур'є - Кірхгофа для визначення швидкісних і температурних полів охолоджувальної води і рівняння теплопровідності для визначення температурного полю по перетину охолоджуваного металу.

У двомірній циліндричній системі координат диференціальні рівняння конвективного теплообміну мають вид:

- рівняння Навье-Стокса

,(2)

- рівняння нерозривності

,(3)

- рівняння енергії

.(4)

До системи диференціальних рівнянь (2) - (4) приєднуємо рівняння теплопровідності для опису температурного полю по радіусу металу:

.(5)

У рівняннях (2)-(5) прийняті наступні позначення: - подовжня і поперечна складові вектора швидкості руху води відповідно, м/с; (0?z?Lк), r (R_nр?r?R_к)- поточні координати по довжині і радіусу камери охолодження, м; - кінематична в'язкість води, м²/с; - турбулентна в'язкість, м²/с; - статичний тиск води в камері, Па; - густина води, кг/м³; - температура охолоджувальної води, ⁰С; - молекулярна і турбулентна теплопровідність води відповідно, Вт/(м·К); - температура прокату, ⁰С; - час процесу охолодження, с; - теплопровідність прокату, Вт/(м·К); - питома теплоємність прокату, Дж/(кг·К); - густина сталі, кг/м³; (0??R_пр)- поточна координата по радіусу прокату, м.

Система рівнянь (2)-(5) доповнюється наступними крайовими умовами:

- початкові умови (z=0, ф=0):

, , ,

- граничні умови (поверхня стінки камери):

, , ,

де - температура навколишнього середовища, ⁰С;

- граничні умови (поверхня арматурного прокату):

, , ,

Умову спряження на поверхні зіткнення охолоджувальної води і прокату задаємо у виді рівності густини теплових потоків, описуваних законом Фур'є: конвективний арматурний теплообмін охолодження

.(6)

Для чисельного рішення задачі гідродинаміки і теплообміну диференціальні рівняння (2) - (5) представляються в кінцево-різницевій формі.

Шляхом спільного рішення рівнянь (2) - (5) був проведений розрахунок процесу охолодження арматурного прокату в першій камері установки дрібносортного стану 250-4 комбінату "Криворіжсталь" з визначенням профілю швидкості турбулентного потоку охолоджувальної води, величини гідравлічного опору, температурних полів металу і води. Розрахунок проводився при умовах охолодження. Використання напівемпіричної моделі турбулентності Ван-Дриста не дозволило одержати достовірні значення і, як наслідок, достовірні результати гідродинамічного розрахунку, відповідні експериментальним даним. Було вирішено задатися максимальним значенням турбулентної в'язкості з досвідчених даних Лауфера (=0,6125·10^-3 м²/с) і шляхом проведення тестових розрахунків підібрати такий розподіл по радіусу каналу, при якому величина втрат тиску буде узгоджуватися зі значенням, отриманим в ході промислових досліджень.

Гідродинамічний розрахунок при розподілу турбулентної в'язкості дав наступні результати: середня витратна швидкість - Uср=33,4 м/с (дійсне значення - 33,8 м/с); коефіцієнт гідравлічного опору - тр=0,023 (експериментальне значення - 0,023); втрати тиску - Рпот= 1,31 МПа.

З метою оцінки вірогідності отриманих результатів, процес охолодження був розрахований при цих же параметрах з використанням апробованої раніше математичної моделі і залежності Нуссельта-Крауссольда.

Таблиця 1 Результати розрахунку конвективного теплообміну при охолодженні арматурного прокату

Методика розрахунку	Вт/(м2К)	tmк 0С	Sм мм	МПа	МПа
Нуссельта - Крауссольда	100 000	752	0,72	443	580
Система рівнянь (2)-(5)	70 000 - 150 000	758	0,76	453	587

Як випливає з таблиці 1, отримана задовільна точність розрахунку температурного полю арматурного прокату шляхом рішення системи диференціальних рівнянь конвективного теплообміну (2)-(5). Однак достовірне визначення турбулентної в'язкості є поки більш складною задачею, чим експериментальне визначення коефіцієнта тепловіддачі в залежності від основних технологічних і конструктивних параметрів процесу охолодження.

Енергозберігаючі режими прискореного охолодження арматурного прокату

В четвертому розділі дисертації представлені результати дослідження залежності механічних властивостей зміцненого металу від тиску води перед форсункою шляхом математичного моделювання процесу прискореного охолодження в умовах стану 250-4. Зміна тиску в діапазоні 1,0 - 3,0 МПа істотно не вплинула на величину температури самовідпуску і механічні властивості охолодженого металу. Так, при підвищенні тиску води від 1,0 до 3,0 МПа температура самовідпуску знизилася на 22⁰С, товщина поверхневого шару зі структурою відпущеного мартенситу збільшилася з 1,32 мм до 1,46 мм, що, у свою чергу, привело до підвищення границі текучості з 572 МПа до 600 МПа, границі міцності з 670 МПа до 691 МПа.

На стані 250-4 при виробництві арматурного профілю діаметром 12 мм на рівень класу А500С ( 500 МПа, 600-900 МПа, 14%) тиск води перед форсункою по інструкції складає 3,2 ± 0,3 МПа, тоді як одержання комплексу необхідних механічних властивостей можливо при тиску води 1 МПа.

Однак слід зазначити, що при низьких значеннях тиску охолоджувальної води зростає імовірність появи дефектів по зовнішньому вигляду прокату (неприпустима подовжня кривизна стрижнів), що, очевидно, порозумівається втратою стійкості арматурного прутка в результаті подовжнього стиску його на ділянці від чистової кліті до виходу з останньої камери охолодження. Стиск виникає в результаті гальмування прокату водою, що рухається зі швидкістю, меншої швидкості прокатки (<), у той час як ділянка стрижня, що виходить з чистової кліті зі швидкістю прокатки, створює відповідний підпір. У зв'язку з цим існує обмеження по мінімальному рівню тиску води, а саме, при прямоточному водяному охолодженні, щоб уникнути гальмування прокату, швидкість води у всіх камерах повинна бути не менше швидкості прокатки: ?. Виходячи з вищесказаного, був запропонований новий спосіб прискореного охолодження прокату круглого поперечного перерізу в прямоточних камерах прохідного типу, що відрізняється тим, що мінімальна швидкість охолоджувальної води повинна дорівнювати швидкості прокатки, що запобіжить утворенню неприпустимої подовжній кривизні прутків і підвищить вихід придатного металу. Подано відповідну заявку на патент України № 2003 021 311 від 13.02.2003 р.

З урахуванням обмеження по мінімальній швидкості води запропонований енергозберігаючий режим прискореного охолодження арматурного прокату в умовах стану 250-4, що передбачає зниження тиску води перед форсункою до 1,5 МПа шляхом зменшення кількості ступіней стиску в насосі з 6 до 4-х і скорочення довжини установки з 9,1 м до 6,9 м. Від упровадження запропонованого режиму очікується річна економія електроенергії 4,4·10⁶ кВт·год, що в грошовому еквіваленті складає 620000 грн. У результаті проведення аналогічних досліджень був також розроблений і впроваджений енергозберігаючий режим прискореного охолодження арматурного прокату діаметром 14 мм в умовах дрібносортного стану 250-2 комбінату "Криворіжсталь". Зниження річної витрати електроенергії очікується на рівні 1,4·10⁶ кВт·год, при цьому економія коштів складе 180000 грн. Акт упровадження розроблених енергозберігаючих режимів представлений у додатку до дисертації.

ВИСНОВКИ

На основі результатів теоретичного і промислового дослідження конвективного теплообміну вирішена важлива науково-технічна задача по зниженню енергоємності процесу прискореного охолодження арматурного прокату в умовах безупинних дрібносортних станів.

Основні результати роботи полягають у наступному.

1. Для проведення розрахунково-теоретичних досліджень розроблено математичну модель прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату, що встановлює достовірну залежність обсягу структурних фаз, що утворяться, і механічних властивостей зміцненого металу від основних технологічних параметрів процесу. Математична модель дозволяє розраховувати механічні властивості готової продукції із середньою відносною погрішністю до 3,3% по границі текучості і до 2,6% по границі міцності.

2. У ході адаптації математичної моделі встановлено, що критериальная залежність Нуссельта - Крауссольда справедлива для розрахунку достовірних значень коефіцієнта конвективної тепловіддачі в процесі прискореного охолодження гарячого арматурного прокату водою в прямоточних камерах за умови обліку як абсолютної швидкості руху охолоджувальної води, так і швидкості води щодо поверхні металу, що рухається, у виді сумарного числа Рейнольдса , при цьому теплофізичні властивості охолоджувальної води приймаються на лінії насичення. Критерієм вірогідності розрахункових значень коефіцієнта тепловіддачі є задовільна точність визначення механічних властивостей готової продукції.

3. Розрахунково-теоретичні дослідження, здійснені на основі розробленої математичної моделі, показали неприйнятність прийняття при розрахунку конвективного теплообміну в процесі охолодження гарячого прокату граничних умов першого роду, коли температура поверхні металу приймається рівній температурі охолоджувальної води: погрішність розрахунку температури самовідпуску в порівнянні зі значеннями, одержуваними при граничних умовах третього роду, досягає 150⁰С або 27%.

4. Шляхом чисельного рішення рівняння руху Навье-Стокса і рівняння нерозривності виконаний гідродинамічний розрахунок установки прискореного охолодження, що, на відміну від відомого аналітичного рішення, дозволяє визначити профіль швидкості потоку охолоджувальної води і коефіцієнт гідравлічного опору по всій довжині камери, включаючи ділянку гідродинамічної стабілізації і з огляду на рух арматурного прутка зі швидкістю прокатки.

5. Шляхом чисельного рішення диференціальних рівнянь конвективного теплообміну виконаний розрахунок температурного полю по радіусу арматурного прокату в процесі його прискореного охолодження без використання емпіричної залежності . У результаті проведених тестових розрахунків визначений характер розподілу турбулентної в'язкості по радіусу камери охолодження, що забезпечує розрахунок температур металу з прийнятною точністю.

6. Установлення достовірної залежності механічних властивостей зміцненого металу від тиску охолоджувальної води дозволило розробити і впровадити енергозберігаючі режими прискореного охолодження арматурного прокату діаметром 12 і 14 мм на рівень класу А500С в умовах дрібносортних станів 250-2 і 250-4 комбінату "Криворіжсталь". У цих режимах реалізований новий спосіб прискореного охолодження прокату круглого поперечного перерізу у прямоточних камерах прохідного типу, що відрізняється тим, що мінімальна швидкість охолоджувальної води повинна дорівнювати швидкості прокатки, що запобіжить утворенню неприпустимої подовжньої кривизни прутків.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Губинский В.И., Рыбалов А.А., Шеремет В.А., Гунькин И.А., Коваленко И.М., Омесь Ю.Н. Совершенствование ускоренного охлаждения арматурного проката//Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2002.- №3.- с.104-107.

2. Губинский В.И., Рыбалов А.А. Моделирование ускоренного охлаждения арматурного проката в потоке непрерывных мелкосортных станов//Промышленная теплотехника.- 2002.- №6.- с. 24-28.

3. Рыбалов А.А., Губинский В.И. К расчету коэффициента теплоотдачи в процессе ускоренного охлаждения арматурного проката//Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов Национальной металлургической академии Украины. т.8.- Днепропетровск: НМетАУ, 2002.- с. 178-183.

4. Рыбалов А.А., Губинский В.И. Расчет профиля скорости охлаждающей воды в камере ускоренного охлаждения горячего проката//Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов Национальной металлургической академии Украины. т.5.- Днепропетровск: НМетАУ, 2002.- с. 189-192.

5. Рыбалов А.А., Губинский В.И. Сравнительный анализ методов расчета конвективного теплообмена при охлаждении арматурного проката//Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2003 г.- №1.- с. 117 - 119.

6. Gubinskiy V. I., Rybalov A. A. Thermal processes at the accelerated cooling of reinforcing steel // Proc. International Conf. “Energy transformation in industry”.- Acta Metallurgica Slovaca, 8, 2002.- p. 40-47.

Особистий внесок здобувача в опубліковані праці

У праці [1] автором досліджено вплив тиску охолоджувальної води на інтенсивність теплообміну і механічні властивості арматурного прокату; розроблено енергозберігаючий режим охолодження для умов дрібносортного стану 250-4 комбінату “Криворіжсталь”. У праці [2] приведено опис розробленої автором математичної моделі процесу прискореного охолодження і термічного зміцнення гарячого арматурного прокату. У праці [3] шляхом обробки експериментальних даних автором визначено значення коефіцієнта тепловіддачі від гарячого арматурного прокату до води в прямоточних охолоджувальних камерах. У праці [4] здобувачем виконано гідродинамічний розрахунок камери прискореного охолодження арматурного прокату, визначено значення коефіцієнта гідравлічного опору і профіль швидкості охолоджувальної води. У праці [5] автором проведено порівняння різних методів розрахунку конвективного теплообміну для умов охолодження гарячого арматурного прокату. Шляхом розв'язання диференціальних рівнянь конвективного теплообміну, здобувачем розраховано локальні значення коефіцієнта тепловіддачі, температурні поля металу й охолоджувальної води при їхньому спільному русі в прямоточній камері. У праці [6] здобувачем проведено дослідження впливу точності визначення теплофізичних властивостей теплоносіїв на результат розрахунку конвективного теплообміну при охолодженні гарячого металу.

АНОТАЦІЇ

Рибалов А.О. "Конвективний теплообмін і енергозбереження при охолодженні арматурного прокату на дрібносортних станах".- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.14.06. - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертаційна робота присвячена експериментальному і теоретичному дослідженню конвективного теплообміну в процесі прискореного охолодження арматурного прокату в умовах безупинних дрібносортних станів.

Розроблено математичну модель процесу прискореного охолодження і термічного зміцнення арматурного прокату.

Шляхом обробки експериментальних даних визначені значення коефіцієнта конвективної тепловіддачі, що мають місце при водяному охолодженні гарячого арматурного прокату в прямоточних охолоджувальних камерах.

Виконано гідродинамічний розрахунок установки прискореного охолодження арматурного прокату з метою визначення профілю швидкості потоку охолоджувальної води і величини гідравлічного опору в кільцевому каналі з рухливою внутрішньою поверхнею. На відміну від відомого аналітичного рішення, профіль швидкості визначений по всій довжині установки, включаючи ділянку гідродинамічної стабілізації.

Уперше, шляхом спільного рішення диференціальних рівнянь конвективного теплообміну, без використання емпіричної залежності , розраховані температурні поля арматурного прокату й охолоджувальної води при їхньому спільному русі в прямоточній охолоджувальній камері.

Ключові слова: арматурний прокат, конвективний теплообмін, прискорене охолодження, термічне зміцнення, дрібносортний стан, енергозберігаючий режим.

Рыбалов А.А. “Конвективный теплообмен и энергосбережение при охлаждении арматурного проката на мелкосортных станах”.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2003.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию конвективного теплообмена в процессе ускоренного охлаждения арматурного проката в условиях непрерывных мелкосортных станов.

Разработана математическая модель процесса ускоренного охлаждения и термического упрочнения арматурного проката, основанная на зависимости объема образующихся структурных фаз и механических свойств упрочненного металла от основных технологических и конструктивных параметров процесса охлаждения.

Установлена и экспериментально подтверждена применимость критериальной зависимости Нуссельта - Крауссольда для расчета достоверных значений коэффициента конвективной теплоотдачи при охлаждении арматурного проката турбулентным потоком воды при условии учета как абсолютной скорости движения воды, так и скорости воды относительно поверхности движущегося металла в виде суммарного числа Рейнольдса.

Путем обработки экспериментальных данных определены значения коэффициента конвективной теплоотдачи, которые имеют место при водяном охлаждении горячего арматурного проката в прямоточных охладительных камерах.

Выполнен гидродинамический расчет установки ускоренного охлаждения арматурного проката с целью определения профиля скорости потока охлаждающей воды и величины гидравлического сопротивления в кольцевом канале с подвижной внутренней поверхностью. В отличие от известного аналитического решения, профиль скорости определен на всей длине установки, включая участок гидродинамический стабилизации.

Впервые, путем совместного решения дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, без использования эмпирической зависимости , рассчитаны температурные поля арматурного проката и охлаждающей воды при их совместном движении в прямоточной охладительной камере.

На основе расчетно-теоретических исследований и промышленных экспериментов разработаны и внедрены энергосберегающие режимы ускоренного охлаждения арматурного проката на мелкосортных станах 250-2 и 250-4 комбината “Криворожсталь”.

Ключевые слова: арматурный прокат, конвективный теплообмен, ускоренное охлаждение, термическое упрочнение, мелкосортный стан, энергосберегающий режим.

Rybalov A.A. “Convective heat exchange and energy saving at cooling of reinforcing rolled metal on the rolling mills”. - Manuscript.

Thesis for a candidate of technical science on specialty 05.14.06 - engineering thermal physics and industrial heat power engineering. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2003.

The dissertation is devoted to experimental and theoretical research of convective heat exchange during the fast cooling of reinforcing rolled metal in conditions of rolling mills.

With the purpose of realization of account-theoretical researches, the mathematical model of process of the fast cooling and thermal strengthening of reinforcing rolled metal is developed.

By processing of experimental data the meanings of heat transfer coefficients are determined which take place at water cooling of hot reinforcing rolled metal in cooling chambers.

The hydrodynamical account of installation of the fast cooling of reinforcing rolled metal is executed with the purpose of definition of a structure of speed of a flow of cooling water and value of hydraulic resistance in the ring channel with a mobile internal surface. In result, as against the known analytical decision, the structure of speed is determined on all length of installation, including a site of hydrodynamical stabilization

For the first time, by the joint decision of the differential equations of convention heat exchange, without use of empirical dependence, the temperature fields of reinforcing rolled metal and cooling water are calculated at their joint movement in cooling chamber.

Key words: reinforcing rolled metal, convective heat exchange, fast cooling, thermal strengthening, rolling mill, energy saving regime.

Размещено на Allbest.ru