ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ
МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ 6
1.1 Описание конструкции методической печи для нагрева трубной
заготовки 6
1.2 Постановка цели и задач магистерской диссертации 10
2ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 12
2.1 Тепловой баланс методической нагревательной печи 12
2.2 Конструктивные предложения по техническому перевооружению
методической печи 20
2.3 Расчет статей теплового баланса проходной печи 23
3 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА И
ГАЗОДИНАМИКИ В ПАКЕТЕ ANSYS 34
3.1 Создание расчетной модели нагревательной печи 35
3.2 Настройка решателя и проведение расчетов 47
3.3 Визуализация и анализ полученных результатов 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 60
Экономическое развитие страны во многом зависит от уровня промышленности, который определяется наличием в каждой отрасли современного оборудования и технологий. Одним из важнейших показателей совершенства той или иной металлургической технологии обработки металлопродукции являются энергетические затраты на единицу выпускаемой продукции [1-14].
На производство и дальнейшую обработку металла затрачивается большое количество топливно-энергетических ресурсов, для уменьшения которых необходимо совершенствовать технологические режимы получения и обработки металла. В свою очередь совершенствование технологии тепловой обработки металла невозможно без улучшения конструкции печи.
В металлургических печах процессы тепловыделения, движения печной среды и теплообмена происходят в тесной взаимосвязи. Назначение печи состоит в передаче тепла технологическим материалам, но при этом неизбежно воспринимают тепло и печные стенки, а также другие побочные теплоприем- ники. Формирование тепловых и газодинамических течений путем проведения экспериментальных исследований требует больших временных и материальных затрат. В отличие от эксперимента, численный подход дает возможность варьировать ряд важных параметров задачи, влияющих на формирование и поведение данных течений, с помощью компьютерного моделирования возможно не только наблюдать, но и предсказывать результаты экспериментов, находить оптимальную форму и конструкцию, не создавая пробных деталей, а также существует возможность обзора объекта со всех сторон [15-22].
При проектировании тепловых устройств необходим инженерный анализ гидрогазодинамических процессов и тепломассопереноса. Для этих целей в России и за рубежом часто применяют коммерческие пакеты компьютерного анализа и моделирования, в частности ANSYS Multiphysics, ANSYS CFX, ANSYS Fluent, STAR-CD/STAR-CCM+, FlowVision и Gas Dynamics Tool [1726]. В этой связи подготовка профессионального исследователя и инженера невозможна без обучения современным системам автоматического проектирования (CAD, Computer Aided Design) и автоматического инженерного анализа (CAE, Computer Aided Engineering). Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться выпускникам вузов в научно-исследовательской и производственной сферах, не поддаются аналитическому решению либо требуют больших финансовых и временных затрат на экспериментальную реализацию по схеме «проектирование - изготовление - испытания». В то же время, прогресс в разработке численных методов и компьютерного моделирования позволил существенно расширить круг задач, доступных расчетному анализу. Полученные на основе методов CAE результаты используются практически во всех областях науки и техники [17-26].
Объектом исследования является методическая нагревательная печь трубопрокатного цеха №1 ПАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ). ЧТПЗ - промышленная группа металлургического комплекса России, является одной из крупнейших отечественных компаний-производителей трубной продукции с общей долей рынка около 17 %. В рамках стратегии непрерывного совершенствования Группа ЧТПЗ продолжает укреплять лидирующие позиции на российском трубном рынке и стремится стать ключевым поставщиком комплексных решений для добычи и транспортировки нефти и газа. Для достижения этих целей компании ЧТПЗ необходимо произвести модернизацию и реконструкцию существующих мощностей по производству стальных труб.
В работе произведен анализ работы нагревательной кольцевой печи ТПЦ №1 ПАО «ЧТПЗ». На основе полученных балансовых испытаний ОАО «Уралэнергочермет» можно сказать о недостаточно эффективной работе агрегата. В целях улучшения качества и экономичности нагрева было предложено установить на месте существующей методической печи проходную печь, отапливаемую с помощью регенеративных горелок.
Для оценки результатов составлен тепловой баланс печи после модернизации. По полученным данным можно сделать следующие выводы:
1. КПД печи увеличился на 18,1 %. В действующем режиме -
П=25,54 %, а после проведения реконструкции - п = 43,6 %.
2. Применение регенеративных горелочных устройств приведет к существенному уменьшению расхода воздуха, а также к более равномерному и качественному нагреву металла.
3. При замене кирпичной футеровки на волокнистую, потери теплопроводностью через футеровку значительно снизятся.
4. При использовании не водоохлаждаемых перегородок полностью исключаются затраты воды на их охлаждение.
Таким образом, осуществить предложенную реконструкцию печи целесообразно, так как при одинаковой производительности агрегата ожидается существенный экономический эффект: сокращение расхода топлива и увеличение КПД нагревательной печи.
Дополнительно выполнен инженерный анализ (CAE, Computer Aided Engineering) теплового и газодинамического режима внутри рабочего пространства обновленной конструкции нагревательной печи. В частности, в пакете ANSYS Fluent методом компьютерного моделирования были рассчитаны температурные поля газообразных продуктов горения в объеме рабочего пространства и внутри заготовок, а также распределение скоростей газообразных потоков в рабочем пространстве На основе результатов компьютерного моделирования можно сделать вывод о том, что распределение температурных и скоростных полей внутри рабочего пространства печи носит равномерный характер и обеспечивает заданный тепловой и газодинамический режимы работы печи. Кроме того, в результате компьютерного моделирования было установлено, что трубная заготовка за время нахождения ее в печи нагревается до заданной температуры.
Результаты работы доложены и обсуждены на нескольких научно-практических конференциях и представлены в открытой печати [32-35].
