Исследование и разработка энергосберегающих технологий индукционного нагрева для метизной промышленности

Актуальность темы

В (современных условиях задачами отечественной экономики^ являются внедрение: инновационных, технологий, использование, которых приводит к повышению качества готовой продукции, снижения энергоемкостиметаллоемкости, повышении производительности' трудауменьшению отрицательного влияния производства на окружающую среду.

Метизное производство является, в основном, завершающим переделом черной? и цветной металлургииОтставание от передовых технологий не даст возможности производителям переходить на современные виды, крепежаи будет способствовать увеличению импорта не только высокотехнологичных крепежных изделий, но и высококачественного, крепежа традиционного ассортимента. Результат — невысокая финансовая эффективность инвестиций. в данный сектор производства, высокая вероятность товарной интервенции.

Применение индукционного способа нагрева для термообработки продукции метизной отрасли позволит повысить качество получаемой-продукции, сформировать требуемую структуру металла при. одновременном сокращении расхода электроэнергии.

Постоянно расширяющееся многообразие технологий, в которых применяется индукционный нагрев, определяет многообразие форм и видов, индукторов, функциональный, мощпостной и частотный диапазон индукционного оборудования.

В связи с большим разнообразием продукции в метизном производстве: в технологических цепочках существуют различные схемы термообработки, поэтому номенклатура используемого нагревательного оборудования достаточно обширна.

Средствами нагрева и охлаждения, как в нагревательных, так и в термических печах могут быть продукты сгорания, радиационные трубы, электронагреватели, индукционные нагреватели.

В черной: и цветной металлургии есть области, где индукционный нагрев не нашел широкого применения. Это термообработка стальной проволоки и калиброванной стали, нагрев рулонов ленты. Существующее современное электротермическое оборудование, применяемое под термообработку листового проката и калиброванной стали в бунтах, — это, в основном, колпаковые электропечи сопротивления косвенного действия. Они позволяют обеспечить требуемое качество металла при широком варьировании типоразмеров загрузки, температур и назначений термообработки. Однако они имеют низкую производительность и ограниченныерезервы в сокращении длительности нагрева за счет интенсификации внешнего теплообмена (до 10−15%).

В работе рассматриваются перспективы применения индукционного способа нагрева в метизной промышленности для ранее не используемого класса объектов, таких как мотки проволоки и бунты калиброванной стали, рулоны металлической ленты.

Для формирования определенной структуры металла часто необходимо сочетание скоростного индукционного нагрева с возможностью реализации технологической выдержки. Поэтому кардинальное решение задачи следует искать в сохранении достоинств термообработки в колпаковых печах, но с теплогенерацией внутри нагреваемой загрузки. В этом случае необходимо применение индукционных установок периодического действия.

Многие высоколегированные стали, поставляемые для: дальнейшей переработки и потребления в виде проволоки и прутков при холодной деформации значительно упрочняются и после одной протяжки с обжатием 20 — 30% теряют вязкость и приобретают склонность к поверхностному трещинообразованию. Для того чтобы осуществить дальнейшее волочение такой проволоки необходимо ее отжигать после каждой холодной протяжки.

Эффективным средством снижения количества промежуточных отжигов является подогрев проволоки до определенных температур перед ее волочением (до 300 — 450 °С), т. е. применение теплого волочения, в результате которого наклеп проволоки значительно уменьшается или даже полностью отсутствует.

Проволочные станы часто состоят из реверсивной черновой клети и непрерывной группы. Заготовка входит в непрерывную группу с очень низкой скоростью — 0,5 — 1 м/с. В результате конец заготовки остывает настолько, что условия прокатки его значительно отличается от головной части. Перепад температур между головным и хвостовым участками может достигать 300 °C. Снижение температуры металла в процессе прокатки создает определенные проблемы.

Непрерывный промежуточный индукционный нагрев поддерживает температуру заготовки постоянной на входе в чистовую группу стана. Промежуточный индукционный нагрев увеличивает массу бунта, производительность, снижает износ калибров валков, позволяет снизить температуру печи и окисление границ зерен металла, достичь более жестких допусков по сечению металла.

Цель работы. Расширение области применения индукционного нагрева для термообработки продукции метизной отрасли. Исследование влияния индукционного способа нагрева на скорость, качество нагрева стальной проволоки в бунтах и удельные энергозатраты. Изучение процессов, происходящих при индукционном нагреве стальной проволоки в бунтах, рулонов ленты — тел обладающих физически неоднородной структурой.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Определение области эффективного применения энергосберегающих технологий индукционного нагрева1 в метизной промышленности.

2. Исследование влияния индукционного способа нагрева на температурно-временные факторы при формировании структуры, на повышение равномерности нагрева и качество термообработки проволоки, калиброванной стали в бунтах с учетом поставленной технологической задачи.

3. Составление обобщенных и проблемно-ориентированных моделей, учитывающие все основные закономерности, присущие индукционному нагреву бунтов калиброванной стали.

4. Разработка энергоэффективных технологических режимов термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали с применением индукционного способа нагрева. Проведение анализа энергетического эффекта, получаемого от совершенствования конструкции индукционных нагревателей для термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали и режимов их работы.

5. Оценка эффективности применения средне и высокочастотного индукционного нагрева как одной нити, так и пучка из нескольких нитей стальной проволоки.

Методы исследования. Исследования электромагнитных и тепловых процессов систем индукционного нагрева проводились с помощью компьютерного моделирования методами математической физики и вычислительной математики. Разработанные математические модели базируются на методах: теории вероятностей и математической статистики, использовании методов теории гидродинамики, методов решения интегральных уравнений, методов конечных разностей и их комбинациях. Экспериментальные исследования проводились в промышленных условиях с использованием разработанных методик.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе научных результатов, выводов и рекомендаций обеспечивается корректным использованием апробированных математических и численных методов, также экспериментальным подтверждением основных теоретических выводов.

Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей, достоверности, работоспособности и эффективности предложенных режимов и конструкций подтверждена результатами математического моделирования и промышленными экспериментами.

Научная новизна работы определяется тем, что она расширяет и углубляет теоретические представления об общих закономерностях протекания физических процессов при индукционном нагреве для ранее не используемого класса объектов. В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Исследовано применение индукционного нагрева в метизной промышленности для ранее не используемого класса объектов, таких как бунты калиброванной стали и рулоны металлической ленты. Исследовано влияние способа нагрева на продолжительность термообработки указанных объектов, энергозатраты, на получение требуемой структуры металла.

2. Выявлены качественные и количественные закономерности процессов внутреннего теплопереноса с относительным движением сред. Оценено влияние на ускорение и равномерность нагрева вынужденной конвекции, возникающей при вибрации витков проволоки в электромагнитном поле.

3. Описана комплексная математическая модель для расчета распределения электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве системы тел, обладающих неоднородностью электрои теплофизических свойств по сечению и объему.

4. Разработана имитационная модель для определения электрои теплофизических характеристик объектов нагрева, являющихся случайными величинами с нормальным распределением.

5. Исследована эффективность применения индукционного нагрева проволоки, нити которой объединены в пучок. Определена эффективная частота тока при индукционном нагреве пучка проволоки в зависимости от количества нитей и диаметра проволоки.

Практическая ценность работы. Обоснованы теоретически и проверены экспериментально в промышленных условиях преимущества применения индукционного способа нагрева в тех областях металлургической промышленности, где он не нашел широкого применения: отжиг стальной проволоки в мотках, нагрев рулонов ленты. Применение индукционного способа нагрева позволяет сократить расход электроэнергии и повысить качество обработки металла. Разработанные математические модели позволяют решать комплексные задачи исследования электротепловых, термогидродинамических процессов для разработки конструкций и режимов работы индукционных установок. Результаты исследования применены для разработки технологических режимов индукционной термообработки калиброванной стали в бунтах и совершенствования конструкции индукционных нагревателей для термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали и режимов их работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование эффективности применения индукционного нагрева в метизной промышленности для ранее не используемого класса объектов.

2. Комплексная математическая модель для расчета распределения электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве тел, обладающих неоднородностью электрои теплофизических свойств по сечению и объему, учитывающая взаимное влияние различных процессов.

3. Технологические режимы термообработки калиброванной стали в бунтах и конструкции индукционных нагревателей для термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали, режимов их работы.

4. Обоснование эффективности нагрева проволоки, нити которой объединены в пучке, определение минимальной частоты, при которой нагрев становится эффективным в зависимости от количества нитей и диаметра проволоки. '.

Реализация результатов работы.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы:

• при выполнении фундаментальных НИР в рамках гранта ФЦП № НК-66П Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии»;

• в проектно-конструкторских организациях и промышленных предприятиях:

• вариант конструктивного исполнения индукционной печи для термообработки бунтов калиброванной стали и усовершенствованные режимы отжига бунтов калиброванной стали внедрены на Магнитогорском метизно-калибровочном заводе. Экономия на себестоимости составляет 67%.

Теоретические результаты вошли в учебные материалы Всероссийской научной школы для молодежи «Высокоэнергетические методы обработки материалов», проводимой в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 200 910.

2013 годы в ГОУ ВПО. Санкт-Петербургский государственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова: (Ленина)". Результатьь диссертационной работы нашли применение в учебном процессе ' ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический? университет» при чтении лекций, в курсовом и дипломном проектировании,, а также в магистерском курсе «Численные методы в теории электромагнитной' обработки материалов» в СПбГЭТУ (ЛЭТИ).

Апробация работы. Основные научные положения й результаты диссертационнойработы докладывались и обсуждались на следующих: конференциях:

Всесоюзной? научно-техническойконференции «Энергосберегающие технологии и теплоэнергетические ' проблемы оптимизации! печного хозяйства, металлургических предприятий» (Миасс, 1987) — 11 Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых «Проблемы теплотехники металлургических процессов и агрегатов» (Свердловск, 1988) — Всероссийской! научно-технической конференций- «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» • (Магнитогорск 1998) — Международной научно-технической конференции «Экологические проблемы промышленных зон Урала» (Магнитогорск- 1998) — Региональной научно-технической конференции «Новые программные средства для1 предприятий Урала» (Магнитогорск 2003 г, 2004 г.) — III Межвузовской, конференции по научному программному обеспечению «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях». (Санкт-Петербург, 2005 г.) — Всероссийской научно-технической конференции «Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской федерации» (Магнитогорск, 2005 г.) — 6-ой Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург, 2005 г.): Второй Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006.) — -7-ой Международной научно-технической конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов в машиностроении» (Харьков, Украина, 2006.) — Международной научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства. (Череповец, 2006) — Международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий — прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2007 г.) — Пятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (СанктПетербург, 2008) — IV международной научно-практической конференции «Печные агрегаты» (Москва, 2008 г.) — 2-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» С-Петербург, 20−22 мая 2009 гТретьей Международной металлургической конференции «МЕТАЛЛУРГИЯ-ИНТЕХЭКО-2010» (Москва, 2010).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 252 страницы, в том числе 55 рисунков и 6 таблиц, список литературы из 191 наименования.

7.4 Основные результаты.

1. Нагрев одной нити тонкой проволоки диаметром 1−3 мм при частоте тока до 100 кГц неэффективен. Начиная с толщины проволоки 4 мм и более эффективным становится нагрев даже одной нити проволоки. КПД индукционной установки составляет от 0,7 до 0,9.

2. Объединение проволоки в пучок по несколько нитей позволяет повысить значение кпд. Количество проволок в пучке влияет на КПД особенно при изменении количества от 2 до 4−5 проволок. Дальнейшее увеличение количества проволок не приводит к значительному увеличению КПД.

3. Для каждого диаметра проволоки, нити которой объединены в пучке, определена минимальная частота, при которой нагрев становится эффективным, дальнейшее увеличение частоты не дает принципиальных приростов КПД.

4. Допустимо размер индуктора выбирать не под конкретное количество проволок, а допускающее некоторое уменьшение, но не более, чем в два раза.

Заключение

.

Основные итоги проведенного комплексного исследования эффективности применения энергосберегающих технологий индукционного нагрева для метизной промышленности заключаются в следующем.

1. Проведенные комплексные экспериментальные исследования подтверждают, что применение энергосберегающей технологии индукционного нагрева значительно увеличивает, скорость нагрева при термообработке крупногабаритных бунтов проволоки, сокращает продолжительность термообработки бунтов проволоки и калиброванной стали и повышает производительность работы термических отделений.

2. Проведенные комплексные экспериментальные исследования подтверждают, что термическая обработка с применением индукционных нагревательных установок позволяет влиять на конечную структуру и свойства проволоки. На формирование структуры проволоки при термообработке оказывает влияние способ и скорость нагрева до температуры начала аустенитного превращения. Значительное сокращение продолжительности термообработки бунтов проволоки и рулонов металлической ленты возможно за счет увеличения скорости нагрева до температуры Aci.

3. На основе теоретического и экспериментального исследования установлены факторы, влияющие на повышение эффективности применения индукционного способа нагрева для мотков проволоки и бунтов калиброванной стали. Этими факторами является появление колеблющихся потоков воздуха, возникновение вынужденной конвекции при вибрации витков проволоки под воздействием электродинамических усилий. Разработана методика расчета коэффициента теплоотдачи при вибрации витков проволоки при индукционном нагреве. Подтверждено, что перенос теплоты вглубь бунта интенсифицируется за счет теплообмена в колеблющемся потоке воздуха.

4. Для комплексного анализа факторов эффективности применения энергосберегающей? технологии индукционного нагрева для термообработки изделий метизной отрасли разработана обобщенная математическая модель индукционного нагрева тел, обладающих неравномерностью свойств по объему. Для этого в работе исследованы основные особенности и сформулированы требования к набору моделей, описывающих процесс индукционной термической обработки рулонов металлической ленты и бунтов проволоки и калиброванной стали. К таким требованиям относятся необходимость учета эффектов, обусловленные структурой объектов, а именно снижение электрофизических и теплофизических свойств объектов нагреваизменение геометрических размеров и плотности объектов нагрева. Также необходимо учитывать появление дополнительных эффектов, а именно появление вынужденной конвекции, возникающей при вибрации витков проволоки.

5. Дано теоретическое обоснование влияния размеров бунтов проволоки на методику аналитического расчета электромагнитных полей в системах индукционного1 нагрева, базирующегося на общих принципах расчета электромагнитных полей в устройствах индукционного нагрева.

6. Разработана имитационная модель для определения эффективного электрического сопротивления бунтов проволоки. В имитационной модели с помощью датчика псевдослучайных чисел, получают структуру бунта проволоки, имитирующую количество слоев с последовательно соединёнными сопротивлениями в каждом слое, и число контактных сопротивлений между соседними слоями. Получены зависимости для определения величины контактного нажатия. Разработанная методика определения эффективного электрического! сопротивления бунтов проволоки позволяет учитывать физические свойства металла, из которого изготовлена^ проволока, условия намотки бунтов, влияние контактов между витками. Проведено определение эффективных значений теплофизических характеристик на основе решения обратной задачи теплопроводности.

7. Проведено численное моделирование процесса индукционного нагрева бунтов калиброванной стали в установке* периодического действия с учетом особенностей нагрева бунтов проволоки, таких как изменение высоты и плотности стопы бунтов проволоки, интенсификация теплообмена при вибрации витков проволоки. Определены тепловые поля стопы бунтов проволоки при термообработке в индукционных установках периодического действия. Для подтверждения корректности разработанных моделей произведена идентификация математической модели по результатам промышленных экспериментов. Ошибка при определении температурных полей не превышает 5%.

8. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований разработан и проверен в промышленных условиях энергоэффективный режим термообработки проволоки в бунтах в индукционных установках периодического действия. Повышение скорости нагрева калиброванного металла в бунтах легированных марок сталей до 200 С°/ч -250 С°/ч в сочетании с изотермическими выдержками при температурах выше и ниже Ас1 улучшает качество термической обработки на зернистый перлит. Выход годного составляет 100%. Рассмотрены вопросы реализации закона управления индукционным нагревателем в периоде стабилизации среднемассовой температура обеспечивающего минимальный расход электроэнергии.

9. Промышленной эксплуатацией индукционной нагревательной печи периодического действия подтверждено, что* применение энергосберегающей технологии индукционного нагрева для термообработки проволоки в бунтах позволяет снижать удельный расход электроэнергии на обработку до 50% по сравнению с-термообработкой в колпаковых электропечах СКБ-6001.

10.Для периодических индукционных установок для термообработки стопы бунтов-проволоки промышленных типоразмеров допустимо <�¦ считать, что отсутствует краевой эффект индуктора. Распределение электромагнитного поля определяется краевым эффектом стопы бунтов проволоки. Повышение равномерности нагрева может быть достигнуто заглублением стопы бунтов на 10% относительно края индуктора. Учитывая уменьшение высоты стопы в первый период нагрева на 20% край стопы можно устанавливать на одном* уровне с краем индуктора или даже выше него на 5−10%. При оседании стопы в первый период нагрева? она займет нужное положение, обеспечивающее равномерный нагрев по высоте. Увеличение производительности печи составит при этом 20%.

11 .Проведено' исследование электромагнитных процессов в непрерывной системе индуктор — пучок проволоки с целью повышения энергетических показателей индукционных установок для термообработки проволоки. Установлено, что нагрев одной нити тонкой проволоки диаметром 1−3 мм при частоте тока до 100 кГц неэффективен. Эффективность индукционного нагрева проволоки повышается, начиная с толщины проволоки 4 мм и более даже одной нити проволоки. КПД индукционной установки составляет от 0,7 до 0,9.

12.Объединение проволоки в пучок по несколько нитей позволяет повысить энергетические показатели индукционных установок. Количество проволок в пучке влияет на значение коэффициента полезного действия, особенно при изменении количества от 2 до 4−5 нитей проволоки. Дальнейшее увеличение количества нитей проволоки не приводит к значительному увеличению КПД. Для каждого диаметра проволоки, нити которой объединены в пучке, определена минимальная частота, при которой нагрев становится эффективным, дальнейшее увеличение частоты не дает принципиальных приростов КПД.