Введение к работе
Актуальность. Задачи увеличения производительности нагреватель-ых печей, уменьшения их размеров и материалоемкости, повышения эконо-ичности и экологической чистоты, уровня механизации и автоматизации, также качества готовой металлопродукции относятся к числу важнейших современной металлургической и машиностроительной теплотехнике. Особенно остры обозначенные проблемы в применении к нагреватель-ым устройствам кузнечно-штамповочного производства, и в первую оче-едь - к печам для низкотемпературного нагрева длинномерных штанг пе-ед резкой на мерные заготовки. Такие печи, в которых осуществляется агрев стальных штанг диаметром более (0,04-о,05)м во избежание обра-ования при резке торцевых трещин на заготовках, повышения надежности ресс-ножниц и долговечности режущего инструмента, чрезвычайно широко аспространены в промышленности, но в настоящее время крайне несовер-енны. Ввиду того, что низкотемпературному нагреву подвергается бо'ль-ая часть используемых в машиностроении заготовок, существенно повнить технико-экономические показатели работы оборудования в кузнечном еределе без радикального совершенствования печей для нагрева штанг од резку практически невозможно.
Одним из наиболее перспективных методов решения перечисленных вы-е задач является струйный нагрев, позволяющий при оптимальных услови-х в 3-5 раз повысить интенсивность теплоотдачи к заготовкам в срав-ении с продольным обтеканием их поверхностей. Высокая интенсивность еплообмена, простота и гибкость управления этим процессом, возмож-ость интенсифицировать теплоотдачу только на отдельных участках за-отовки или только в течении заданных промежутков времени - все это беспечивает преимущества указанного метода перед другими способами нтенсификации нагрева металла в печах машиностроительной и металлур-ической промышленности. Рассматриваемый метод успешно апробирован в ысокотемпературных нагревательных устройствах кузнечного и прокатно-о производства, но для эффективного использования его в печах низко-эмпературного нагрева заготовок необходимо продолжить и расширить ис-педования закономерностей конвективной теплоотдачи системы струй к илиндрической поверхности в стесненном пространстве, обобщение полу-энных результатов в виде инженерных методик определения оптимальных энструктивных параметров системы "сопло-заготовка-камера"! и расчета знвективного теплообмена в печи, а также разработку конструкций пе-эй и рациональных режимов низкотемпературного нагрева заготовок раз-
личных диаметров и марок сталей с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения металла на участке печь - пресс-ножницы.
Решению указанных вопросов и посвящена данная диссертационная рг бота, которую, в связи с вышеизложенным, следует считать актуальной представляющей определенный научный и практический интерес.
Цель работы. Исследование и разработка лечей струйного типа дл? низкотемпературного нагрева длинномерных заготовок под резку на базе изучения закономерностей конвективного теплообмена системы осесиммет ричных струй с цилиндрической поверхностью в ограниченном пространст ве и расчетов рациональных режимов нагрева металла с допустимой инте с явностью и с учетом его охлаждения на участке печь - пресс-ножницы. Научная новизна и основные положения, вынесенные на зашиту. Изучены закономерности конвективного теплообмена в камере печи с бою вым отоплением при набегании системы скоростных осесимметричных стру; на цилиндрическую поверхность. Установлены оптимальные геометрическиї параметры камеры и струйной системы, при которых обеспечиваются максі мальные интенсивность, равномерность и эффективность теплоотдачи к н< греваемой заготовке и к кладке печи. Полученные результаты обобщены критериальными зависимостями для расчета конвективного теплообмена в камере при разработке нагревательных устройств струйного типа.
На основании решения сопряженной задачи внутреннего теплообмена задачей термоупругости по методу, разработанному П.Г.Краснокутским и В.А.Кривандиным, определена допустимая интенсивность нагрева длинномерных цилиндрических заготовок различных диаметров и марок сталей (сплавов) под резку.
Предложены и рассчитаны режимы низкотемпературного нагрева заготовок с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения металла на участке печь - пресс-ножницы. ,
Разработана конструкция проходной печи струйного типа для низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок различных диаметров перед резкой на пресс-ножницах.
Практическая значимость. Использование результатов, полученных в данной работе, позволяет:
значительно увеличить производительность и КПД печей для низкотемпературного нагрева вследствии повышения интенсивности теплоотдачи к поверхности-заготовок;
сократить потери металла с окалиной и браком;
улучшить качество готовой металлопродукции за счет увеличения
равномерности нагрева заготовок, сохранения мелкозернистой структуры стали в результате интенсификации нагрева, за счет повышения пластичности металла и сокращения количества окалины на его поверхности:
заметно снизить удельные расходы топлива;
увеличить надежность и долговечность режущего инструмента и оборудования за счет равномерного, стабильного нагрева металла до оптимальных температур резки;
высвободить значительные производственные площади;
повысить уровень механизации и автоматизации процессов нагрева и резки заготовок.
Реализация результатов работы. На основании результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований предложены технические решения, которые реализованы в конструкции проходной печи струйного типа для низкотемпературного нагрева длинномерных цилиндрических заготовок, новизна которой защищена авторским свидетельством на изобретение, и в режимах нагрева металла в ней с допустимой интенсивностью и с учетом охлаждения заготовок на участке печь - пресс-ножницы.
Разработанная конструкция печи и режимы нагрева металла внедрены в кузнечном цехе ЗПО "Моторостроитель". Годовой экономический эффект от внедрения составил 78,4 тыс.руб.в ценах 1989 года.
Достоверность результатов. Все основные научные выводы и рекомендации достаточно убедительно обоснованы и подтверждены экспериментальными данными, полученными в лабораторных и промышленных исследованиях, а также результатами расчетов, выполненных на ЭВМ.
Апробация работы .Основные результаты научных исследований и разработок доложены и обсуждены на Всесоюзных и Республиканских научно-, технических конференциях: "Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии" (Днепропетровск, 1989), "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (Свердловск, 1990), "Проблемы энергосбережения" (Киев, 1991), "Научно-технические проблемы энергомашиностроения и пути их решения" (Санкт-Петербург, 1992).
Публпкатш По материалам диссертации опубликованы 12 научных работ, в том числе 1 авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом в 231 страницу состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 256 наименований, 2 приложений на 7 страницах и содержит 172 машинописных страницы основного текста, 49 рисунков и 3 таблицы.