Содержание к диссертации
Введение 4
Современное состояние моделирования теплообмена
цилиндрических элементов металлургического оборудования
с учетом температурных напряжений 7
Условия работы роликов МНЛЗ 7
Моделирование температурных полей в роликах металлургических машин 11
Моделирование термонапряженного состояния вращающихся цилиндрических элементов металлургических машин 23
Инженерные методы расчета термонапряженного состояния вращающихся роликов 30
1.5. Постановка задач исследований 34
Моделирование динамики теплового состояния вращающихся
роликов МНЛЗ 36
Математическая модель теплового состояния роликов 36
Динамика осесимметричной составляющей температурного поля 37
Осесимметричная составляющая нестационарного температурного поля сплошного ролика 37
Осесимметричная составляющая нестационарного температурного поля полого ролика 43
2.3. Неосесимметричное квазистационарное температурное поле 50
Температурное поле сплошного ролика 50
Температурное поле полого ролика 71
2.4. Выводы по главе 91
Исследование термонапряженного состояния вращающихся роликов
Термонапряженное состояние сплошного ролика 93
Термонапряженное состояние полого ролика 109
Выводы по главе 136
4. Инженерная методика расчета теплообмена и термонапряженного
состояния полого ролика МНЛЗ 138
4.1. Алгоритм расчета теплообмена и термонапряженного состояния 140
Вычисление коэффициентов теплообмена 140
Тепловое состояние ролика 144
Термонапряженное состояние ролика 147
Алгоритм расчета эквивалентных напряжений 150
Пример инженерного расчета теплообмена и термонапряженного состояния полого вращающегося ролика МНЛЗ 159
4.4. Выводы по главе 162
Заключение 163
Список литературы 165
Введение к работе
Цилиндрические детали относятся к числу наиболее распространенных и ответственных конструктивных элементов современных металлургических машин. Такими элементами являются, например, ролики машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и рабочие валки прокатных станов. Производительность процесса непрерывной разливки и качество заготовок в значительной мере определяются тепловыми процессами, протекающими в роликах. Ролики МНЛЗ находятся во взаимодействии со средами, имеющими разную температуру, физические свойства и площадь взаимодействия (металл, охлаждающая жидкость, окружающий воздух и т.д.). Тяжелые температурные условия работы приводят к сокращению срока службы роликов. Многократно повторяющиеся циклы интенсивного нагрева и охлаждения поверхностных слоев являются причиной образования сетки трещин разгара. Высокие температуры в зоне контакта ролика с металлом, давление металла на ролик способствуют износу поверхностного слоя. Неравномерное распределение температур в теле ролика формирует его тепловой профиль.
Экспериментальные исследования тепловых процессов, протекающих в роликах МНЛЗ, связаны с трудностями и не могут полностью заменить аналитические методы. Методики расчета теплового состояния роликов не учитывают зависимость их теплофизических свойств от температуры. Поэтому актуально исследование и расчет температурных полей и термонапряженного состояния роликов при различных режимах их работы с учетом зависимости свойств материала от температуры.
Цель работы: Исследование температурных условий службы роликов МНЛЗ, разработка инженерной методики расчета термонапряженного состояния роликов МНЛЗ для увеличения срока их службы.
Методы исследований.
В работе применялись методы математического моделирования процессов теплообмена и термонапряженного состояния роликов МНЛЗ. Научная новизна работы.
Разработаны математические модели квазистационарного температурного поля сплошного и полого вращающихся роликов МНЛЗ, учитывающие зависимость теплофизических свойств материала роликов от температуры и нелинейные граничные условия третьего рода. Получены аналитические выражения для определения температурных полей роликов. Исследовано влияние скорости разливки и угла контакта роликов МНЛЗ со слитком на их тепловое состояние.
На основе полученных температурных полей найдены аналитические выражения для определения термонапряжений в сплошном и полом роликах. Исследовано влияние скорости разливки и угла контакта со слитком на термонапряженное состояние и тепловые прогибы роликов МНЛЗ. Разработанные математические модели позволяют подобрать марочный состав стали для роликов с целью увеличения срока их службы.
Разработана методика расчета теплообмена и термонапряженного состояния полых роликов МНЛЗ с внутренним охлаждением. Проведен анализ прочности полых роликов по эквивалентным напряжениям с учетом температурных и механических напряжений.
Практическая ценность.
Разработана инженерная методика расчета теплообмена и термонапряженного состояния полого ролика МНЛЗ с температурным полем, несимметричным относительно оси. С целью снижения эквивалентных напряжений и уменьшения тепловых прогибов для изготовления полых роликов с внутренним охлаждением рекомендована сталь 30X13, для изготовления сплошных роликов с наружным охлаждением - сталь 15ХМ.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием метода математического моделирования и проверкой моделей на
адекватность путем сравнения результатов расчетов с опубликованными экспериментальными данными других авторов.
Апробация работы и публикации.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1-й международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 1998 г.); 2-й международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2000 г.), Всероссийской научной конференции «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2005 г.); XV Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2005 г.); VI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Москва, 2005 г.)
По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 177 страниц, 56 рисунков, 5 таблиц, список литературы (120 наименований).
