Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Золотухин Н.М. Нагрев и охлаждение металла

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

8.26 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 / 2017 18 19 20 > Следующая >>>

	Критерий	яг используем для дальнейшего анализа . Крите
рий яз является			критерием гомохронности
				—	з— { .
	Критерий	Я4	может быть		преобразован в известный крите
рий	Фруда,	а яз —• в критерий			Эйлера . Используем эти критерии
д л я	последующего анализа			без изменения.
	Критерий	Яб при замене		динамической вязкости на кинема

тическую преобразуется в критерий Р е й н о л ь д с а ^ е = Яб = — ^ . Критерий т является критерием Фурье для печных газов:

г _

/- '

Критерий Яз может быть математически получен из крите риев лі и яг, т. е. является не самостоятельным критерием и поэтому исключается из анализа . Критерий яэ является крите рием Фурье д л я нагреваемого металла

Д л я	последующего		анализа			используем			критерии Яю—ян-
Итак,	в системе	остаются			следующие			критерии подобия:
	яі	—,		я 2 =		КU	я 3 =	Но =	;
		v2rcr							1
	я 4 = - Ш -	І	л5	=		,	не = Re = — ;
	w				pwl				V
	я 7 = For			=	, я 9		= Fo M =		;
				gRptr			і
				р			і

л 1 3 = ап, я 1 3 = — - — , пц —

29. КРИТЕРИИ П Р И Б Л И Ж Е Н Н О Г О МОДЕЛИРОВАНИЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

Выполнение при моделировании требований всех выведенных критериев подобия не представляется возможным . Поэтому уп ростим задачу, сведя число критериев к минимуму', т . е . прибег нем к приближенному моделированию, широко применяемому в н а у к е и технике.

Так ка к любые комбинации из							критериев		подобия	т а к ж е
являются критериями			подобия,			то	путем	составления		комбина
ции сократим их число.
Проведем следующие преобразования.
Из критерия	я ' =		Re =			= —— = idem			вытекает	условие
					V		V '
					/	V
			W	=		.	W.
					V		v
С учетом критерия			л и ,	получим
				w'	=	nw—	.			(156)
И з критерия	л 3	=	Но =		•—- =		— idem		имеем
				,		1	w
				т	= — т		.
						п	w'
Подставив в это		в ы р а ж е н и е				уравнение		(156), получим

И з	критерия л ' = F o r =	=	— — =	idem получим
	т	' = т J L .		(158)
		п"-	" а'г
Из	уравнений (157) и	(158)	видно,	что д л я подобия термо

динамики газов и теплового подобия потоков в эксперименте необходимо соблюдать условие

			4 =		—		.		(159)
			v			К
И з	критерия	я 9 = F o M =			=			= i d e m определяем
		T ' =	T _ L . ^ L						(160)
И з	сравнения	уравнений		"2		и	а'	(160)	вытекает, что
И з	сравнения	уравнений		(157)		и		(160)	вытекает, что
			V	=	_Ом_				(161)
			v'		а	'м	•		(161)
			v'		а	'м	•
Сопоставляя		в ы р а ж е н и я	(159)			и	(161),		їюлучим
		v		ar			ам		(162)
									(162)

6 Н. М. Золотухин

j g l

Критерий rcg = Fo M	преобразуем		в	выражение
		f!iL = / i a — .			(163)
		а.'.	х
Из условий (162) и	(163)
v '	а!	а'		т	(164)
v '	а!	а'		т	А х

Мы получили критерий, связывающий теплофизические ха рактеристики печных газов и нагреваемого материала со вре

менем

моделирования

и геометрическим

масштабом

системы.

Это и есть критерий гомохронности

процесса

моделирования

нагрева

заготовок в пламенных печах.

Критерий в в ы р а ж е н и и

(164)

можно разбить

на

два само

стоятельных

критерия

аг

т'

(165)

п 2

- ^ - ;

-2*-= п2—

(166)

Критерий

в выражении

(165)

является

критерием

подобия

внешнего теплообмена, а критерий

в выражении

( 1 6 6 ) — п о д о

бия

внутреннего теплообмена.

П р о д о л ж и м преобразование

критериев.

Если критерий яю

умножить на Я5 и разделить на щ,

то получим после сокраще

ния

на

газовую постоянную

новый

критерий

щ ^ _ =

и _ =

( 1 6 7 )

Д л я

натуры и модели

критерий п\ъ

записываем в

виде

А -

I I . =

idem.

Отсюда

„.

(168)

Симплекс (168) является масштабом температур: при выпол нении всех требований подобия процесса нагрева металла в печи температурные' поля в натуре и модели будут подобны с

масштабом подобия kt— — = п. Таким образом, в нашем слу чае масштаб температур совпал с геометрическим масштабом

моделирования.

Определим масштаб расхода дымовых газов в печи и модели

kv = -~- ) . Согласно критерию яі д л я натуры и модели имеем

( О 2

Отсюда
			' г п \	т г )	V/	— .	(169)
Уравнение	(169)	перепишем в виде
где			y; =	u r —я	k3,		(170)
где		4	W		i		(171>
		4	W		i		(171>
М а с ш т а б о м	расхода		дымовых		газов	является	в ы р а ж е н и е
М а с ш т а б расхода дымовых				газов можно т а к ж е			определить
исходя из критерия		Re
		т-і	wl		w'V
	я 6	= Re =		=	=	idem ;
			v		v'
			w	n	V

Расход дымовых газов равен произведению их скорости те чения на площадь поперечного сечения рабочей камеры печи, т. е.

у г	wF	^2 w
v'	w'F'	ш'

откуда
J ?L = _ L . i ! r _ _					(174)
			Г
П р и р а в н и в а я выражения	(173)	и	(174),	получим
К =	^ =	п	^ .		(175)
И з сравнения выражений	(175)	и	(172)	видно, что k3	v'
И з сравнения выражений	(175)	и	(172)	видно, что k3	= —-,
					V

т. е.

6 *

1 6 3

Критерий, описанный выражением (176), является дополни тельным к критерию, описанному выражением (164), условием выбора газовой среды для моделей печи.

При выборе газовой среды д л я модели печи необходимо вы полнять условие критерия Я2 = К/= - г\'/' = іс1ет, согласно которо му масштаб коэффициентов поглощения дымовых газов и газа

модели печи должен удовлетворять условию
		*.г = - £ • =		— •		(177)
			k	п
Газовая	среда	модели	д о л ж н а	т а к ж е	удовлетворять крите
риям ліз Ц л и , т . е . эксперимент должен удовлетворять						условиям
		—	= - ^ 7 — >			(178)
			= / г 2	— .		(179)
			Еп	Е'п
Свойства поверхностей моделей слитков должны						отвечать
требованиям	критерия лі2 — аа=а„			= i d e m ,	т . е . поглощательная
способность	поверхности		слитков	модели	и натуры	должны
быть одинаковой.
Следовательно,		можно	сделать	вывод о	следующей	последо

вательности приближенного моделирования нагрева слитков в


пламенных			печах.
	1.	Определение			геометрического		масштаба	моделирования
л и	исходя		из	технических		соображений и требовании			крите
рия	(164).
	2.	Выбор рабочей среды				(газа,	жидкости)	модели	печи н
материала			моделей		слитков	в соответствии с критерием (164).
3. Проектирование и изготовление установки								для моделиро
вания		нагрева		слитков, состоящей			из модели	печи,	моделей

слитков, нагревателя рабочей среды модели и контрольно-изме рительной аппаратуры .

4. Выполнение внутренних контуров модели печи, а т а к ж е модели нагреваемых слитков и заготовок геометрически подоб


ными	натуре с масштабом геометрического подобия п=					.
5.	Определение		температуры рабочей		среды модели по
симплексу		(168).
6. Расчет коэффициента гомохронности времени нагрева на
туры	и модели, исходя из критерия			(164). Поскольку		теплофи-
зические коэффициенты изменяются				с	температурой,	следует
ожидать, что коэффициент гомохронности за период						нагрева
будет	изменяться.
7. Расчет расхода газа для модели печи в соответствии с
критериями		(170) и	(175).

8. Проведение предварительных экспериментов для выпол


нения требований		критериев (177)—(179) и		яп.
9. Проведение		экспериментов по моделированию температур
ных полей слитков и заготовок.
10. Пересчет	экспериментальных		данных	по моделированию
на температуру	металла и время		нагрева	заготовок в натуре.

ГЛАВА IX

ЭК С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н АЯ УСТАНОВКА

ДЛ Я П Р И Б Л И Ж Е Н Н О Г О М О Д Е Л И Р О В А Н И Я НАГРЕВА

КУЗНЕЧНЫХ ЗАГОТОВОК

30. ОБЪЕКТ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Моделирование нагрева одиночных (один слиток на подине)

кузнечных слитков проводилось в печи № 21 Н К М З								им. В . И . Л е
нина. Эта печь является					кузнечной	регенеративной			нагрева
тельной лечыо с двухсторонним обогревом и выдвижной										поди
ной.	Она	предназначается			д л я нагрева		крупных	слитков			под
ковку	на	гидравлическом			ковочном	прессе усилием			10 000		тс.
Во время проведения экспериментов печь отапливалась										камен
ноугольным генераторным					газом .
			Характеристика печи J6 21
Длина		подины, мм			•			•	10160
Ширина подины,			мм						3950
Высота		рабочего	пространства, мм						4000
Расход генераторного газа, м3 /ч								.	4500
Удельное количество				продуктов горения		и у ,	м3 /м3		2,1
Количество продуктов				горения vr, м3 /ч				пе-	9450
Температура продуктов горения в рабочем пространстве									^ ^
Число дымоотводяших				каналов, шт.					16
Сечение одного канала, мм:
	высота								500
	ширина								600

В качестве контрольного опыта дл я отработки необходимых для подобия условий моделирования нагрева и о х л а ж д е н и я оди ночных кузнечных слитков использован опыт по ускоренному нагреву холодного кузнечного слитка стали 90ХФ массой 88 т диаметром верхней части 1735 и нижней 1660 мм, длиной тела 3600 и общей длиной 5090 мм ([17], см. рис. 21).

Укладка опытного слитка	на	подине печи	показана на
рис. 48. Н а рис. 49 показано	размещение горячих спаев платина -
платинородиевых ( П П ) термопар		в теле опытного	слитка.

Повышение температуры печи и слитка в процессе экспери ментального нагрева показано на рис. 50.

Рис. 48. Размещение слитка стали 90ХФ массой 88 т в печи:

I — печь; 2 — слиток 90ХФ; 3 — сводовая термопара ПП; 4 — выход термопар ПП; 5 — проложка

				• j
			-5	{*_.	г
Рис.	49.	Размещение термопар	в			©
Рис.	49.	Размещение термопар		1
/—3	в	слитке массой 88 т	1050	1
			1050	3600	т

О 200 W BOD 800 WOO /200 МО /В00 WOO, Т.мин

Рис. 50. Повышение температуры печи и слитка при ускоренном нагреве холодного слитка стали 90ХФ массой 88 т

Р а с х од генераторного газа		vq, М3 /Ч	В разные	периоды нагре
ва составлял:
в начальный период нагрева 900;
в конце первого периода нагрева			(перед	выдержкой при
900° С)	3800;
во время в ы д е р ж к и при 900° С — 3000;
при	повышении температуры после		в ы д е р ж к и при 900° С —
4500;
при	высокотемпературной	выдержке — 3100.
	31. ВЫБОР РАБОЧЕЙ	СРЕДЫ	МОДЕЛИ	ПЕЧИ
	И МАТЕРИАЛА МОДЕЛЕЙ		СЛИТКОВ

Состав рабочей среды модели печи, моделирующей печные газы печи-натуры выбирали по критерию подобия внешнего теплообмена [выражение (165)].

• а'/Ог

100

200

300

t00

500

BOO

700

800

300

1000

1WO

fZOO

t°C

О'

го

100

110'

1Z0

t°c

Рис.

51.

Зависимость кинематической

вязкости

температуропроводности

печных газов

(сплошные

линии)

и воздуха

(штриховые

линии)

от

темпе

ратуры

Исходя

из технических соображений и требований

критерия

(164),

назначен

геометрический

масштаб

моделирования

п,

равный

10.

Согласно

критерию

(168)

масштаб

температур

так

ж е

равен 10.

При

повышении температуры

дымовых

газов в печи-натуре

до

1300° С

изменение

их

кинематической

вязкости

коэффи

циента

температуропроводности

показано

сплошными

линиями

на рис. 51.

Д а н н ы е

д л я

графика,

показанного

на рис. 51, взяты

из

ра

бот Е. И. Казанцева

[40] и В . А. Кривандина,

Б . Л .

М а р к и н а

(«Металлургические печи». М.,

«Металлургия»,

1967).

В качестве

газовой

среды

печи-модели

выбран

воздух, так

к а к при его нагревании до

130° С

кинематическая

вязкость и

коэффициент

температуропроводности

изменяется

приближенно

подобно

(пропорционально)

таким

ж е

величинам

д л я

печных

газов (рис. 51). Поэтому отношения — и

д л

пропорцно-

нальных

температур

приближенно

равны,

что и требуется

д л я

удовлетворения

критерия

(165). Т а к ж е

удовлетворительно

вы

полняются д л я

воздуха

печных

газов

требования

второго

критерия

дл я выбора

газовой

среды

модели печи [см. выраже

ние (176)].

Критерий

(177)—(179)

д л я

печных

газов

воздуха

выра

ж а ю т противоречивые

требования . По' критерию

(177) коэффи

циент поглощения

воздуха

д о л ж е н

быть

10 ра з больше

этого

ж е коэффициента

д л я печных

газов. Однако в

действительности

воздух во много ра з более «прозрачен»

дл я

тепловых

лучей,

чем печные^ газы. Поэтому выполнение

в экспериментах

по мо

делированию

нагрева

металла требований

критерия (177)

при

ведет к повышенной температуре

моделей слитков

по сравнению

с температурой

натуры. Однако

использование

критериев

(178)

и(179) приводит к противоположным результатам: в модели

печи действительные интенсивности и теплове потоки умень шают температуру модели слитка.

Компенсировать противоречивые требования этих критериев можно с помощью специально поставленных предварительных экспериментов, о которых будет сказано ниже.

М а т е р и а л модели слитка выбирают исходя из требований критерия подобия внутреннего теплообмена [см. выражение (166)].

В качестве материала д л я изготовления моделей слитка ис пользовали бетон с каменным щебнем, температуропроводность которого [40]

а'ы = —		= —	—	= 0,00275 м2 /ч.
	су'	0,2-2000
Среднее значение коэффициента				температуропроводнорти д л я
высокоуглеродистой	стали 90ХФ			при	ковочных	температурах
составляет о . м =0,038	м 2 /ч [40].
В соответствии с критерием			(164) отношение			коэффициентов
температуроводности
	а^_=	0,00275 =		Q	^
	аи	0,038

Это примерно тот результат, который необходим дл я моде лирования в конце процесса нагрева (см. табл . 9) .

Д л я

более

точного

подбора

м а т е р и а л а

модели

слитка

необ

ходимо

определить отношение —

при температурах 20—130° С

и 20—1300° С.

Влияние теплоты структурных превращений .

П р и

нагреве

стали в интервале критических

температур

Ас\ и Асг

металлом

поглощается

тепловая

энергия,

идущая

на

перестройку

кри

сталлической

решетки. Поэтому

происходит

некоторое

замедле -

1200

t-печи

1000

О 4.

Д о 'о ч- *

800

t Г t V

+ ' +

^ о

600

Л о

• • | . + +

МО

200

/(7

Рис. 52. Одновременный нагрев образцов 073x12 2 мм

из

стали 45

и 060x10 0

мм из

стали

1Х18Н9Т:

• ,

Д — температура поверхности

образцов;

X ,

О — т е м п е р а т у р а

центра

образцов

ние нагрева

центральных слоев

металла

(рис. 52). П р и

о х л а ж

дении,

наоборот, при

этих

температурах

выделяется

теплота

перестройки кристаллической решетки, вследствие чего скорость

охлаждения	уменьшается .
Влияние	теплоты	структурных превращений	очень з а т р у д
няет моделирование		и расчеты нагрева металла.	Однако здесь

на помощь может придти свойство стабильности теплового по тока.

Согласно исследованиям А. И . Вейника тепловой поток в твердых телах имеет свойство стабильности: изотермы в неко тором отдалении от источника теплоты стремятся расположиться нормально к направлению распространения теплоты [53]. По -

видимому, таким	ж е свойством	обладает температурное		поле
.по отношению к временным местным тепловым			возмущениям:
если в теле в процессе нагрева или охлаждения			произошло	вре
менное нарушение	общего темпа	теплопередачи,	то через	неко

торое время после прекращения теплового возмущения в теле достигается та ж е температура, которая была бы без теплового

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1617 / 2017 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ