3D-modeling of thermal work of resistance-heated pot-type furnace

Full Text

В связи с огромным разнообразием видов цветных металлов и процессов их обработки, тепловое оборудование, используемое в цветной металлургии, различается по конструкции, механизмам нагрева и функциональности [1]. При этом остается актуальным вопрос оптимизации конструкции и режимов работы металлургических печей. Совершенствование тепловых устройств и разработка алгоритмов управления могут быть направлены на энергосбережение, удешевление и увеличение их срока службы. Одним из путей решения этой проблемы является моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния работающей или проектируемой печи в среде SolidWorks для выполнения оптимизационных расчетов по заданному технико-экономическому критерию. Программный комплекс SolidWorks предназначен для автоматизации работ на этапах конструкторской и технологической подготовки производства изделий любой степени сложности и назначения [2]. Имеется определенный опыт использования SolidWorks для оптимального проектирования в машиностроении [3; 4], но в металлургии пока этот перспективный подход применяется мало в связи с недостаточным качеством моделей печей. Целью настоящей работы является построение 3D-модели сложносоставного технологического оборудования с высокой степенью детализации. Ограничимся рассмотрением печного оборудования резистивного типа. Эти печи обладают некоторыми общими характеристиками, которые обусловливают их широкое применение в производстве и обработке цветных металлов: - сравнительная простота конструкции; - относительно невысокая стоимость; - возможность применения для обработки широкой номенклатуры цветных металлов; - применение одной и той же печи для различных режимов термообработки, отличающихся уровнем и режимом изменения температуры, продолжительностью процесса; - возможность точного регулирования температурного режима обработки цветных металлов; - возможность контролирования атмосферы в рабочем объёме печи; - высокий коэффициент полезного действия; - возможность улучшения санитарно-гигиенических условий труда в литейных цехах. Одним из наиболее распространённых видов оборудования являются тигельные печи сопротивления на температуры от 600 до 1000 °С с объёмом рабочего пространства от 0,1 до 0,5 м3 (рис. 1). Конструктивно электропечь является шахтной, с тиглем, изготовленным из жаропрочной стали или чугуна. Шахта электропечи представляет собой цилиндрический кожух, футерованный огнеупорными и теплоизоляционными материалами. Контроль теплового режима рабочего пространства электропечи производится автоматически с помощью встроенных в конструкцию печи термодатчиков и регулятора температуры, расположенного в шкафу управления. Рис. 1. Тигельная печь сопротивления: 1 - кожух; 2 - огнеупор; 3 - нагреватели; 4 - тигель; 5 -крышка; 6 - механизм подъема крышки; 7 - отверстие для аварийного слива металла; 8 - теплоизоляция Рис. 2. Трехмерная модель тигельной печи сопротивления 141 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 На рис. 2 представлен разрез трехмерной модели тигельной печи сопротивления, разработанной в программе SolidWorks. Для простоты вычислений данную модель было решено упростить (рис. 3). Были убраны носик для слива металла, выводы от нагревателей, аварийный канал в футеровке. Рис. 3. Упрощенная трехмерная модель тигельной печи сопротивления Материалы, используемые в данной модели, представлены в табл. 1. Таблица 1 Теплофизические свойства материалов Объем заливаемого металла (алюминия) в тигель составляет 0,14 м3, а масса заливаемого металла равняется 376,4 кг. Моделируемая тигельная печь сопротивления имеет 18 нагревателей, расположенных на полочках, изготовленных из многошамотного материала. Нагреватели (рис. 4) изготовлены из нихрома и могут быть представлены в форме спирали (рис. 4, а). Для удобства расчетов нагреватели будут иметь форму замкнутого кольца (рис. 4, б). Расчет тигельной печи сопротивления проводился в программном комплексе SolidWorks в пакете Flow Simulation [5; 6], так как этот пакет позволяет упростить процесс создания расчётной конечно-элементной сетки по сравнению с пакетом Simulation. Также плюсом данного пакета является более простое задание граничных условий, мощности нагревателя и теплоотдачи излучением от поверхностей. В дальнейшем планируется произвести расчет в пакете Simulation, COMSOL Multiphysics, FloTherm XT для верификации результатов и моделей. б Рис. 4. Форма нагревателя: а - спираль; б - кольцо Было проведено несколько расчетов с разными значениями мощности нагревателя, целью которых было нахождение необходимой мощности нагревателей для достижения заданной средней температуры нагрева металла. Во всех расчетах неизменным остается только температура окружающей среды, равная 293 К, и коэффициент внешнего теплообмена, у днища он равен 5 Вт/м2-К, у остальных стенок и крышки -20 Вт/м2-К. Степень черноты поверхности расплава равняется 0,3, других поверхностей - 0,8. Излучение с внешних поверхностей печи в окружающую среду не учитывалось. Мощность нагревателей менялась со 126 до 40 кВт. Было определено стационарное распределение температур в печи при нахождении в тигле расплава алюминия. На рис. 5 представлен результат расчета тепловых полей при мощности нагревателей 40 кВт, где значение температуры можно определить по цветовой температурной шкале. Результаты остальных расчетов сведены в табл. 2, в которой отображены температуры областей печи при различной мощности нагревателей. В табл. 2 представлены расчетные температуры областей и поверхностей, которые достигаются при указанной мощности в условиях длительной работы печи. В производственной практике известные температуры расплава и кожуха меньше, так как в цехе Материал р, кг/м3 ев, Дж/(кг К) X, Вт/(м К) Обычная углеродистая сталь 7800 440 43 Асбестовый картон 1250 835 0,157 Диатомит 444 920 0,163 Шамот 1800 865 0,7 Многошамотные изделия 2300 865 1,04 Нихром 8400 450 23 Алюминий 2688,9 858-1180* 237-225* *В диапазоне температур 300-933,4 К 142 Технологические процессы и материалы работа печи ограничивается временем нагрева металла в тигле до нужной температуры. По результатам, представленным на рис. 5 и в табл. 2, можно судить о качественной адекватности тепловых расчетов как по распределению температур, так и по изменению температур областей при изменении подведенной мощности. Рис. 5. Распределение температуры в тигельной печи сопротивления при мощности нагревателей 40 кВт (на выносках представлены температуры контрольных точек) Рис. 6. Температура в контрольной точке на уровне А Таблица 2 Сравнение тепловых характеристик печи при изменении мощности нагревателей Температура, К Мощность нагревателей 126 кВт 100 кВт 80 кВт 60 кВт 40 кВт Средние температуры: в металле 1680,96 1578,56 1484,18 1417,05 1265,24 нагревателей 1766,64 1658,24 1559,10 1472,26 1315,16 тигля 1588,88 1489,98 1399,39 1366,50 1219,37 крышки 983,16 903,63 830,41 671,98 608,16 кожуха 427,15 427,17 413,82 402,82 382,62 Температуры на уровне А (рис. 6): в контрольной точке 1 1641,09 1545,21 1454,57 1399,36 1251,59 в контрольной точке 2 1650,20 1547,49 1467,33 1387,37 1248,55 в контрольной точке 3 1017,88 930,49 910,80 837,78 749,67 в контрольной точке 4 485,47 458,05 454,02 438,37 430,60 в контрольной точке 5 409,24 400,36 389,28 384,86 369,49 143 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Разработана 3Б-модель тигельной печи сопротивления, выполнены расчеты стационарных тепловых полей при работе печи с различной подведенной мощностью. Качественная адекватность расчетов позволяет использовать инструменты программного пакета SolidWorks для автоматического поиска оптимальных конструктивных и технологических решений.

About the authors

Tatyana Valerievna Piskazhova

Siberian Federal University Institute of Nonferrous Metals and Materials

Email: tpiskagova@sfu-kras.ru
Doctor of engineering sciences, Head of the Department of automation of production processes and heat engineerig in metallurgy industry

Anton Viktorovich Zavizin

Siberian Federal University Institute of Nonferrous Metals and Materials

Email: zavizin.anton@yandex.ru
postgraduate student

Alexey Viktorovich Lineytsev

Siberian Federal University Institute of Nonferrous Metals and Materials

teaching asistant of the Department of automation of production processes and heat engineerig in metallurgy industry

Svetlana Mikhailovna Tinkova

Siberian Federal University Institute of Nonferrous Metals and Materials

Candidate of Engineering sciences, associate professor of the Department of automation of production processes and heat engineering in metallurgy industry

References

Supplementary files