Актуальность темы. Огромные объемы металлического листа в прокатном производстве выпускаются с обязательной термической обработкой струями жидкости. Термообработка металла существенно влияет на характеристики изделия. Анализ существующих технологий и научных сведений указывает на отсутствие достаточно надежных физико-математических моделей теплообмена при струйном охлаждении движущегося металлического листа, что на практике приводит к снижению темпов производства и качества выпускаемой продукции. Отсутствие надежных моделей и методик расчета обусловлено сложностью аналитического и экспериментального решения задачи теплообмена, наличием нескольких зон теплообмена с резко различающимися тепловыми потоками. Для совершенствования технологии термообработки возникает необходимость в разработке модели теплообмена при охлаждении металлического листа струями жидкости.
Цель работы. Численное исследование теплообмена в подвижном металлическом листе, охлаждаемого системой струй плоского и круглого сечений с учетом нескольких основных зон теплообмена.
Задачи исследования:
1. Определить границы зон теплообмена при струйном охлаждении горячей поверхности, а также выявить наиболее значимые зависимости для расчета теплообмена в этих зонах.
2. Сформировать физико-математическую модель струйного охлаждения движущегося металлического листа с учетом основных зон теплообмена.
3. Разработать на основе модели теплообмена программу численного расчета температурного поля в движущемся листе при ее охлаждении произвольным числом струй плоского или круглого сечений.
4. Исследовать процесс охлаждения движущегося металлического листа одиночной плоской струей, а также системой плоских струй;
5. Исследовать поле температуры при охлаждении листа системой струй круглого сечения при различных сочетаниях взаимного расположения верхних и нижних струй.
6. Определить влияние геометрических и гидродинамических параметров систем струйного охлаждения на распределение температуры в листе в процессе охлаждения.
7. Проверить адекватность физико-математической модели на действующей линии ускоренного охлаждения движущегося металлического листа.
8. Выработать рекомендации по совершенствованию процесса ускоренного охлаждения в прокатном производстве.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием физико-математических моделей, основанных на общих закономерностях, не противоречащих классическим законам физики, современных признанных методов численного расчета. Корректность расчета была проверена на классических задачах теплообмена. Данные расчетов по предложенной модели согласуются с данными охлаждения горячекатаного листа стана 2000 ОАО «ММК».
Научная новизна:
1. Сформирована физико-математическая модель теплообмена при охлаждении движущегося металлического листа системой плоских струй с учетом всех основных зон теплообмена на ее поверхностях.
2. Сформирована физико-математическая модель теплообмена при охлаждении движущегося листа системой струй круглого сечения.
3. Получены новые данные о влиянии гидродинамических и геометрических параметров системы плоских и круглых струй на распределение температуры в подвижном металлическом листе.
4. Впервые исследовано влияние взаимного расположения верхних и нижних струй круглого сечения на характер температурного поля в движущемся листе.
Практическая значимость:
1. Данные о распределении температуры в движущемся листе и скорости отвода теплоты, основанные на предложенной модели теплообмена, позволяют выбрать необходимую систему струйного охлаждения, обеспечивающую наилучшее сочетание качества, экономичности и темпов производства выпускаемой продукции.
2. Выбор параметров струйной системы на основе результатов расчета по предлагаемой модели позволит избежать существенных отклонений от необходимого режима термообработки, приводящих к снижению качества изделия.
3. Результаты исследования использованы при проектировании реконструкции системы охлаждения стана 2000 горячей прокатки. Получен акт внедрения результатов работы на ОАО «ММК».
Автор защищает:
1. Физико-математическую модель охлаждения движущегося металлического листа струями жидкости с учетом зон переходного кипения, пленочного кипения и воздушного охлаждения.
2. Результаты численного исследования теплообмена при охлаждении движущегося металлического листа одиночной плоской струей.
3. Результаты численного исследования теплообмена при охлаждении движущегося металлического листа системой плоских струй.
4. Результаты численного исследования теплообмена при охлаждении движущегося металлического листа системой струй круглого сечения.
5. Результаты исследования влияния геометрических параметров струйной системы и параметров листа на теплообмен.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «80 лет Уральской теплоэнергетике. Образование. Наука» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2003); ХЕШ внутривузовской научной конференции преподавателей МаГУ «Современные проблемы науки и образования» (Магнитогорск, 2005); ХХХХ зональной конференции преподавателей физики, методики преподавания физики, астрономии, общетехнических дисциплин (Орск: ОГТИ, 2007); Всероссийской школе- конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых «Фундаментальная математика и ее приложения в естествознании» (Уфа: БашГУ, 2007), 1У-ой Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань: КГЭУ, 2009), конкурсе программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК») (Челябинск: ЮУрГУ, 2009), !У-ом Международном промышленном форуме (Челябинск: Всемирный торговый центр, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, из них 4 относятся к изданиям, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатской диссертации.
Личный вклад автора заключается в самостоятельном анализе литературных данных, составлении физико-математической модели теплообмена, разработке программы численного исследования процесса теплообмена, обработке и обобщении результатов исследования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 81 наименований, и приложений; содержит 129 страниц, 53 рисунка и 3 таблиц по тексту, а также 6 страниц приложений.
1. Определены зоны теплообмена при струйном охлаждении металлического листа, их границы, механизмы теплопередачи в этих зонах. В частности принято, что теплообмен в зоне столкновения при условиях, характерных для процесса ускоренного охлаждения металлического листа происходит в режиме переходного кипения жидкости.
2. Получено соотношение для локальной плотности теплового потока в зоне столкновения, учитывающее влияние скорости натекания струи, диаметра струи, недогрева жидкости, температурного напора поверхности. Сформирована физико-математическая модель процесса струйного охлаждения с учетом всех зон теплообмена, позволяющая рассчитать температурное поле в движущемся листе.
3. Разработана программа численного решения модели теплообмена при охлаждении движущейся полосы системой плоских струй. На основе полученных данных проведен анализ влияния условий натекания струи на распределение температуры при охлаждении движущейся полосы одиночной плоской струей, а также влияние расстояния между струями, скорости движения и толщины полосы при ее охлаждении системой плоских струй.
4. Разработана программа численного решения многомерного уравнения теплопроводности для расчета теплообмена при охлаждении подвижного листа системой круглых струй. Произведен расчет температурного поля при различных сочетаниях расстояний между струями системы охлаждения и толщины листа. Показано влияние этих параметров на локальную и среднюю температуру листа.
5. Выделены и численно исследованы две принципиальные схемы взаимного расположения верхних и нижних струй круглого сечения. Исследования показали, что при одинаковых режимах охлаждения схема расположения круглых струй существенно влияет на локальную температуру в листе, но при этом средняя по сечению температура практически не изменяется. Более равномерное распределение температуры по толщине листа наблюдается в схеме линейного расположения струй, а по ширине листа - в схеме шахматного расположения струй.
6. Результаты исследования реализованы при выполнении научно-исследовательской работы в связи с реконструкцией системы охлаждения стана 2000 ОАО «ММК». Получен акт внедрения.
7. Выработаны рекомендации по совершенствованию процесса ускоренного охлаждения полосы в прокатном производстве.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
