Wpływ sposobu ułożenia wsadu na czas wyrównywania temperatury

WPŁYW SPOSOBU UŁOŻENIA WSADU NA CZAS WYRÓWNYWANIA
TEMPERATURY
THE EFFECT OF THE MODE OF CHARGE ARRANGEMENT ON THE
TEMPERATURE EQUALIZATION TIME
Kamila Hałaczkiewicz, Edyta Warwas
Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki
Stosowanej, Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska
W pracy, na podstawie zależności analitycznych, opracowano programy komputerowe umożliwiające
określenie wpływu ułożenia wsadu na czas wyrównywania temperatury w jego przekroju.
Abstract
On the basis of analytical relationships, computer programs have been developed in this work,
which enable the determination of the effect of the mode of charge arrangement on the time of
temperature equalization in the charge cross-section.
Wstęp
W procesach nagrzewania wsadu stalowego przed przeróbką plastyczną i
obróbką cieplną, parametrem decydującym o wynikach pracy pieca jest technologia.
Pod pojęciem tym rozumiemy zmianę temperatury powierzchni nagrzewanego
wsadu w czasie. Najprostsza technologia nagrzewania wsadu składa się z dwóch
etapów: podgrzewania (stosowanego w celu uzyskania założonej temperatury na
powierzchni) i wygrzewania (odpowiedzialnego za uzyskanie założonej różnicy
temperatury w przekroju wsadu) [1,2].
Dla każdej szybkości podgrzewania, grubość wsadu wywiera decydujący
wpływ na wartość czasu wygrzewania. Dla wsadu grubego stosowanie dużych
szybkości podgrzewania zmniejsza czas tego okresu, powodując równocześnie
zwiększenie różnicy temperatury w przekroju wsadu oraz czasu jego wygrzewania
[3].
Określenie różnic temperatury jest jednym z trudniejszych problemów
eksploatacyjnych przy nagrzewaniu wsadu przed przeróbką plastyczną, a przede
wszystkim w czasie obróbek cieplnych. Obliczenia te są bardzo skomplikowane i
dlatego różnice temperatury przeważnie określa się szacunkowo [4,5].
Program obliczeniowy
W celu opracowania obliczeniowego programu komputerowego wykorzystano
zależności teoretyczne dotyczące nagrzewania wsadu. Przeprowadzenie obliczeń
nagrzewania wymagało opracowania funkcji matematycznych opisujących
zmienność własności cieplno-fizycznych ze średnią temperaturą wsadu. Do
własności tych zaliczyć należy: współczynnik przewodzenia ciepła λ, oraz
współczynnik wyrównywania temperatury a.
Współczynnik przewodzenia ciepła można, dla okresu wygrzewania, opisać
zależnościami:
2
- dla 900°C≤tśr<1200°C →   34,465  0,02505  t śr  0,0000175  t śr
,
- dla tśr≥1200°C →   29,6 .
Współczynnik wyrównywania temperatury:
- dla 800°C≤tśr<900°C → a  0,018  0,00002  t śr  800  ,
- dla tśr≥900°C → a  0,02 .
W celu wyznaczenia czasu wygrzewania, dla wsadu płaskiego o wymiarach
a=0,4 m, b =0,6 m, l=1 m, przekształcono zależność:
t p  t oś"

 a  a  a 
 2,05  exp  2,47   2  2  2
t p  t'
B
L
 S

 ,


do postaci:
  
ln 

 2 ,05 
 

 a
a
a
  2 , 47   2  2  2
B
L
S

. (2)



 
Poszczególne warianty dotyczą sposobu ułożenia wsadu, i tak:
b
l
, L ,
2
2
a
l
- dla wariantu II: S = b, B  , L  ,
2
2
- dla wariantu I: S = a, B 
(1)
- dla wariantu III: S = l, B 
b
a
, L .
2
2
W celu wyznaczenia czasu wygrzewania, dla wsadu o przekroju okrągłym i o
wymiarach d=0,55 m, l=1 m, przekształcono zależność:

t p  t oś"
tp  t
'
oś

a 
a 
t "

 1,14  exp  2,47  2  5,76  2
t '
L
R

,


(3)
do postaci podobnej do (2) i powstałej z przekształcenia równania (3).
Wyniki obliczeń
Dla poszczególnych wariantów obliczeń wyniki temperatury osi
zamieszczono w tabeli 1.
Tabela 1. Wartości temperatur osi wsadu w czasie wygrzewania.
Wariant I
τi, h
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
ti oś, ºC
776,796
861,733
931,425
988,608
1035,530
1074,020
1105,610
1131,530
1152,790
1170,240
Wariant II
τi, h
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
ti oś, ºC
776,796
897,441
987,327
1054,3
1104,19
1141,37
1169,06
1189,7
1205,07
Wariant III
τi, h
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
ti oś, ºC
776,796
914,432
1012,04
1081,25
1130,33
1165,14
1189,82
1207,33
Wariant IV
τi, h
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,48
1,50
ti oś, ºC
773,838
897,454
988,978
1056,74
1106,91
1144,06
1171,56
1191,93
1198,50
1200,03
Na rysunku 1 widoczne jest, że czas wygrzewania wsadu zależy od jego sposobu
ułożenia.
1250
1200
1150
Temperatura, oC
1100
1050
1000
950
900
850
800
750
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
2,6
2,76
Czas, h
Wariant I
Wariant II
Wariant III
Wariant IV
Rys.1 Rozkład temperatur w czasie wygrzewania.
Wnioski
Na podstawie wyników obliczeń można sprecyzować następujące
wnioski:
1. Dla wszystkich grubości wsadu wartość czasu wyrównywania temperatury maleje
wraz z obniżeniem końcowej temperatury osi wsadu.
2. Dla tego samego czasu wygrzewania największe wartości temperatury w osi
nagrzewanego wsadu uzyskano dla wariantu III, natomiast najniższe-dla I.
3. Najmniejszy czas wyrównywania temperatury uzyskujemy dla wsadu o
najmniejszej wysokości.
Literatura
1. Kieloch M., Wyczółkowski S.: Modelowanie numeryczne pola temperatury w piecu przelotowym z
uwzględnieniem założonej technologii nagrzewania, W.: Mat. VII Ogólnopolskiej Konf. n.t.
Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemysłowych, Poraj k. Częstochowy 1999, s.125-140.
2. Kieloch M., Kamiński P., Stępiński R.: Energooszczędne i małozgorzelinowe technologie
nagrzewania, W.: Mat. V Ogólnopolskiej Konf. Nauk.-Techn.: Gospodarka cieplna i eksploatacja
pieców przemysłowych. Poraj k. Częstochowy 1997, s. 83-96.
3. Kieloch M.: Optymalizacja szybkości nagrzewania wsadu płaskiego, W.: Mat. II Ogólnopolskiej
Konf. n.t. Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemysłowych, Częstochowa-Poraj 1994, s.163176.
4. Kieloch M.: Identyfikacja różnic temperatur we wsadzie płaskim do walcowania i obróbki cieplnej
po liniowym podgrzewaniu, Hutnik 1995, nr 5, str. 282-286
5. Senkara T.: Obliczenia cieplne pieców grzewczych w hutnictwie, Wydawnictwo „Śląsk”1984