Дослідження електронагрівача для розігріву металопрокатів перед литтям
Автор: Прінда Андрій Андрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Комп'ютерний інжиніринг в машинобудуванні
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Основна сфера застосування конвекційного нагрівача – кольорова металургія. Найбільш перспективним сегментом є ливарні відділення алюмінієвих виробництв. На виробництвах експлуатують плавильно-ливарні комплекси (ПЛК) для виробництва алюмінієві напівфабрикати. ПЛК мають наступний склад: піч/міксер для переплаву/приготування розплавів, система ливарних жолобів та ливарна машини. Актуальним завданням є попереднє нагрівання системи жолобів перед виливанням розплаву алюмінію з печі/міксера в ливарну машину, для того щоб зменшити втрати розплаву алюмінію на початку лиття та зменшити теплові удари по вогнетривах, а, отже, підвищити термін їх експлуатації. При литті розплавів є проблема теплових втрат розплаву ливарних жолобах на початку лиття, коли холодний вогнетрив відбирає теплову енергію розплаву алюмінію. Найчастіше падіння температури від печі до ливарної машини понад 3°С для жолобів на 1 метр довжини. Тому орієнтовно 3% напівфабрикатів йде в переплав через незадовільну якість. Метою роботи є удосконалення пристрою попереднього нагрівання вогнетривів для транспортування розплаву алюмінію подовжених жолобів складної форми, на підставі використання вимушеної конвекції, дослідження фізичних явищ та процесів теплообміну. Об’єкт дослідження – встановлення попереднього розігріву лотків перед початком лиття та підтриманням температури між операціями за допомогою конвективного нагрівання. Предмет дослідження – процес теплообміну при вимушеній конвекції між потоком гарячого повітря та вогнетривом, з метою зниження теплових втрат під час наступного лиття алюмінієвого розплаву. У першому розділі роботи проведено аналіз установок для попереднього нагрівання вогнетривких жолобів який показав, що примусове конвекційне нагрівання має перевагу у вбудованих нагрівачів у частині співвідношення «ціна-ефективність», у полум’яного нагрівання в частині підвищення ресурсу використання вогнетривів, радіаційного нагрівання в частині простоти та надійності. Проаналізовано фізичні явища у цих технічних системах, методи їх розрахунку, проведено огляд аналітичних методів розрахунку теплових систем. На думку автора магістерської роботи найраціональнішим методом розрахунку примусового конвективного нагрівання є чисельне моделювання у програмі ANSYS. Для реалізації поставленої мети магістерської роботи поставлені задачі. У другому розділі роботи розроблений алгоритм роботи чисельної моделі передбачає вирішення теплової задачі на кожному циклі, для того щоб врахувати зміну теплового поля у каналі. Змодельована система для нагрівання вогнетриву, що дозволяє розраховувати теплове поле та швидкість нагріву вогнетриву до заданої температури. Отримано залежність температурного поля. За залежностями визначено ефективність використаних моделей. В результаті математичного моделювання виявлено те, що для підвищення ефективності нагріву вогнетриву, необхідно виконувати нагрівання з використанням теплоізоляційних покривних матів, для компенсації теплових втрат і розташовувати нагрівальний елемент вертикально. У третьому розділі подані результати експериментальних досліджень та комп’ютерного моделювання електронагрівача для розігріву металопрокатів. Розроблено чисельну модель для аналізу теплових процесів у період нагрівання вогнетриву, що включає теплопередачу вимушеної конвекцією. Вона дозволяє знайти оптимальні параметри нагріву, приймаючи в як вихідні дані параметри матеріалів. Результати дослідження дозволили верифікувати дані математичного моделювання, підтвердити достовірність одержаних результатів математичного моделювання. Розроблено алгоритм параметричної оптимізації конструктивних елементів нагрівача в залежності від габаритів вогнетриву, а також вимог до продуктивності та якості нагрівання основними параметрами є: геометричні розміри вогнетриву. Підтверджено, що встановлена потужність нагрівача становить 17 кВт, що є достатньо для утримання стабільної температури металотракту на рівні 300-380 °С. Таким чином, даної потужності є достатньо лише для компенсації теплових втрат. Для підвищення температури вогнетриву необхідно встановлювати ще один такий самий нагрівач. Його необхідно розміщувати у протилежному кінці металотракту. Він сприяє вирівнюванню температури вогнетриву за довжиною каналу з допомогою інтенсивної циркуляції повітряного потоку. За 60 хв. проведення випробувань температуру найхолоднішої частини металотракту було збільшено на 40-50 °С. Пропозиція використання нагрівального елемента з оптимальною формою ніхромового дроту та навивкою секцій, дозволяє покращити теплознімання та зменшити шкідливий вплив на рівномірність теплового поля вогнетриву та застійних зон повітряного потоку. Ключові слова: металопрокат, теплопередача, температурне поле, нагрівач, жолоб, швидкість нагрівання.