Исследование и разработка индукционных нагревателей плоских тел перед прокаткой

Структурные изменения в металлургической промышленности индустриально развитых стран в последней трети XX века привели к широкому внедрению индукционного нагрева в металлургии. Плавка металлов в индукционных тигельных и канальных печах занимала и ранее относительно большое место в металлургической промышленности. Однако внедрение технологических процессов непрерывной разливки с последующей прокаткой, непрерывной термообработки и покрытия ленты защитными материалами, термообработки труб, штамповки сплавов в твердожидком состоянии методом тиксоформовки привели к острой потребности в высокоэффективных индукционных установках с контролируемым прецизионным нагревом металла. Компактные, практически без тепловой инерции и всегда готовые к работе индукционные нагреватели идеально вписываются в непрерывные автоматизированные линии.

В настоящее время области потенциального использования индукционного нагрева в металлургической промышленности чрезвычайно велики. Нагрев толстых слябов перед прокаткой может осуществляться от температуры окружающей среды до температуры прокатки. Наиболее экономически выгодный подход, снижающий стоимость нагрева тонны металла при существенном уменьшении окалинообразования и обезуглероживания, заключается в нагреве металла после выхода из газовой печи (900−1150°С) до температуры прокатки (1150−1250 °С).

Развитие технологии непрерывной разливки — непрерывной прокатки позволяет исключить зону хранения слябов и повторного их нагрева, что делает эту технологию энергосберегающей и существенно снижающей материальные затраты на производство тонны проката. Возможным согласующим звеном между установкой непрерывной разливки и прокатным станом может быть индукционный нагреватель, который позволяет гибко и оперативно корректировать и формировать температурное поле сляба, обеспечивая максимальную производительность стана и, главное, высокое качество прокатки. Роль индукционного нагрева возрастает при использовании его в современных новейших линиях разливки тонких слябов с толщиной 20−50 мм. Чрезвычайно эффективно применение индукционного нагрева для подогрева кромок тонких слябов или полосы подката на промежуточных рольгангах между черновыми и чистовыми клетями прокатного стана.

Производство листового проката с покрытием повышенной стойкости против коррозии, улучшенными свойствами свариваемости, окрашиваемости, пылезащищенности значительно возросло во всем мире, что объясняется постоянным увеличением спроса автомобильной промышленности в данной продукции. Индукционный способ нагрева тонколистовых ферромагнитных материалов является одним из самых перспективных для применения в линиях непрерывного отжига, горячего цинкования и др.

В целом структура использования индукционного нагрева в металлургии отображена на рис. 1.1. Обобщенно можно выделить две главные группы индукционных нагревателей, которые используются в металлургической промышленности: индукционные нагреватели блюмсов, слябов и полос индукционные нагреватели лент. получение слябов.

Рис. 1.1. Использование индукционного нагрева в металлургии.

Установки индукционного нагрева в металлургической промышленности имеют уровень мощности, доходящий до нескольких десятков и даже сотен мегаватт. Ошибки в проектировании этих установок приводят к чрезвычайно неприятным и дорогостоящим последствиям. Поэтому возникает необходимость достаточно точного расчета электромагнитных и температурных полей в системе, учет при моделировании других агрегатов в линии.

Доведение температурного поля сляба до необходимых кондиций непосредственно перед прокаткой наиболее перспективно осуществлять в индукционных нагревательных установках (ИНУ) благодаря ряду общеизвестных преимуществ, таких как: хорошие энергетические показатели, высокая скорость нагрева, более экономичное использование деформирующего оборудования, небольшие габариты установок, легкость механизации и обслуживания, в том числе при пуске, остановке, смене номенклатуры изделий, и быстрой окупаемости. Кроме того, это связано с растущей долей электроэнергии среди всех видов энергии, а тем самым повышением роли электротермии в стратегии энергетического выбора.

Индукционный нагрев (ИН) является одним из наиболее сложных электротермических процессов. Основную роль играют электромагнитные и тепловые процессы. В результате нагрева и структурных превращений также возникают внутренние термические и структурные напряжения. Отсюда следует — проектирование высокопроизводительных установок нагрева тел прямоугольного сечения, особенно ферромагнитных, а также определение оптимальных режимов нагрева, являются очень сложными задачами (в основном из-за высоких требований по качеству и экономичности нагрева). Проведение натурных экспериментов с целью получения информации, облегчающей проектирование и управление, затруднительно и экономически невыгодно. В этих условиях качественное проектирование ИНУ тел прямоугольного сечения наиболее эффективно при использовании математических моделей процессов нагрева.

Это предопределило задачи и структуру диссертационной работы.

Цель работы. Исследование и разработка ИНУ для нагрева стальных слябов в линии НРНП. Создание проблемно-ориентированной трехмерной электротепловой модели процесса НРНП тел прямоугольного и со скругленными углами сечения, ориентированной на исследование и проектирование полностью всей линии непрерывной разливки — прокатки, включая зоны охлаждения сляба при выходе из кристаллизатора, пребывания заготовки в зонах теплового отстоя или газовых печах и конечный подогрев в ИНУ.

Исследование ИНУ для подогрева кромок тонких слябов и полосы подката. Создание двухмерных электромагнитных моделей индукционных нагревателей кромок тонких слябов и полосы подката.

В первом разделе рассмотрены проблемы индукционного нагрева плоских тел в металлургическом производстве, вызванные внедрением в конце XX века в производство линий НРНП. В связи с этим, рассмотрены основные области использования нагрева тел плоской формы такие, как нагрев крупногабаритных слябов и нагрев тонких слябов. Проведен анализ особенностей моделирования нагрева плоских тел. Рассмотрены энергетические и экологические аспекты нагрева слябов.

Второй раздел посвящен разработке квазитрехмерной модели комплексов НРНП. Описана разработанная квазитрехмерная модель и программа расчета электромагнитного и теплового полей для тел с прямоугольной и со скругленными углами формой поперечного сечения.

В третьем разделе исследуются овальные индукционные нагреватели слябов для подъема общего уровня температуры.

В четвертом разделе исследуются индукционные нагреватели кромок слябов. Рассмотрены два основных типа ИНУ для подогрева кромок: щелевой индуктор и с-образный индуктор. На основании полученных результатов предложена новая конструкция ИНУ: щелевой индуктор с параллельным подключением витков.

Методы исследования. Исследования электромагнитных, тепловых полей и интегральных параметров индукционных систем проводились методами математической физики и вычислительной математики. Разработанная математическая модель базировалась на комбинации метода интегральных уравнений, метода конечных элементов и метода конечных разностей.

Достоверность полученных результатов определялась путем параллельных расчетов различными методами, сравнением расчетных результатов с экспериментальными и опубликованными в других работах и с тестовыми расчетами с использованием сертифицированных коммерческих пакетов Ansys, Maxwell 2D, Flux 2D.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Выявлены технологические особенности индукционного подогрева плоских тел перед прокаткой и проведена классификация индукторов по технологическому назначению.

2. Двухмерная электротепловая модель индукционного нагрева плоских тел с прямоугольным поперечным сечением и со скругленными углами.

3. Квазитрехмерная электротепловая проблемно-ориентированная модель процесса нагрева тел с прямоугольной и со скругленными углами формой поперечного сечения перед прокаткой.

4. Сравнительный анализ электромагнитных и температурных полей плоских тел при использовании известных типов индукторов и новая конструкция индуктора для подогрева кромок полосы подката и тонких слябов.

4.9. Выводы по главе.

1. Для подогрева кромок тонких слябов традиционно используются щелевой индуктор с продольным магнитным полем и с-образный индуктор. Основной недостаток с-образного индуктора — обязательное использование магнитопровода, основное достоинство — возможность согласования установки с источником питания путем выбора оптимального количества витков. Зона подогрева в щелевом индукторе определяется шириной индуктора над кромкой. Главным преимуществом является относительная простота конструкции.

2. В работе предложен щелевой индуктор с параллельным подключением витков. Он представляет собой вариант индуктора, когда верхний и нижний витки соединены параллельно. Данный тип индуктора позволяет, в отличие от всех предыдущих конструкций, компенсировать неравномерность температурного поля по толщине сляба, вызванную тепловыми потерями в рольганг. Кроме того, предложенный вариант индуктора объединяет в себе достоинства щелевого (зона подогрева определяется шириной индуктора над кромкой) и с-образного индукторов (выделение мощности непосредственно на кромке).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе получены следующие основные результаты.

1. Сформулированы основные задачи индукционного подогрева плоских тел перед прокаткой.

2. Разработана двухмерная электротепловая модель индукционного нагрева тел с прямоугольной и со скругленными углами формой поперечного сечения.

3. Разработана квазитрехмерная электротепловая модель процесса нагрева тел с прямоугольной и со скругленными углами формой поперечного сечения перед прокаткой.

4. Исследованы электромагнитные и температурные поля при индукционном подогреве слябов в овальных индукторах.

5. Исследованы электромагнитные и температурные поля при индукционном подогреве кромок полосы подката.

6. Произведен сравнительный анализ двух типов индукционных нагревателей кромок полосы: С-образного индуктора и щелевого индуктора.

7. Предложена новая конструкция индукционного нагревателя кромок полосы: щелевой индуктор с параллельными витками.

8. Результаты диссертационной работы использованы при разработке индукционных нагревателей полосы подката для Новолипецкого металлургического комбината и стальной полосы перед покраской на ОАО «Окская судоверфь» (г. Навашино).