Численный анализ теплового состояния подовых роликов с охлаждаемым валом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Наука и Образование

МГТУ им. Н.Э. Баумана

]Э5М 15Э4-040В

Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 12. С. 18-34.

Б01: 10.7463/1216.0852536

Представлена в редакцию: Исправлена:

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

01.11.2016 14.11.2016

УДК 669:536.24.023:539.381:51-74

Численный анализ теплового состояния

подовых роликов с охлаждаемым валом

1 *

Иванов А. В. '

ау1уапоу19б9@атаЛ.сот

:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В работе приведены результаты численного исследования температурных полей в подовых ро -ликах металлургических нагревательных печей. Моделирование теплообмена между печной атмосферой и поверхностью роликов, а также между охлаждающей водой и валом проводилось методом конечных элементов. Коэффициенты теплоотдачи между охлаждающей водой и ва -лом определялись во время решения путем расчета критерия подобия Нуссельта, учитывающе -го граничные условия и теплофизические параметры охлаждающей воды. Проведен сравнительный анализ температурных режимов работы роликов с охлаждаемым валом различной конструкции.

Ключевые слова: температурное поле, подовый ролик, охлаждаемый вал, метод конечных элементов, коэффициент теплоотдачи, тепловые потери

Введение

Широкое распространение в металлургии получили высокопроизводительные проходные печи с роликовым подом, отличающиеся от других печей высоким уровнем механизации и автоматизации и обеспечивающие высокие скорости нагрева при минимальном угаре металла.

Как правило, роликовые печи применяются для термообработки горячекатаного листа, рельсов, труб и различных заготовок. В связи с тем, что температура рабочего пространства при термообработке не превышает 950°С, роликовые печи, в данном случае, относятся к среднетемпературным термическим печам [1, 2].

Вместе с тем в промышленности эксплуатируется большая группа роликовых печей, у которых температура рабочего пространства 1050.. ,1250°С. Эти печи относятся уже к разряду высокотемпературных нагревательных печей и служат для нагрева заготовок перед прокаткой или термообработкой специальных сталей и сплавов.

Эффективность работы термических и нагревательных роликовых печей существенно зависит от надежности роликового пода (печного рольганга), являющегося основным и наиболее дорогостоящим узлом печи, и состоящего из ряда вращающихся роликов, по которым осуществляется транспортировка металла через печь.

Как правило, в среднетемпературных термических печах используются ролики с во-доохлаждаемыми цапфами. Конечноэлементное моделирование температурных режимов работы и термических напряжений роликов с охлаждаемыми цапфами при условиях нестационарного теплообмена и наличия садки в печи подробно описано в работе [2] и в данной статье рассматриваться не будет.

В высокотемпературных нагревательных печах используют ролики с водоохлаждае-мым валом. На практике применяют ролики с водоохлаждаемым валом трех видов: ролики без теплоизоляции (рис. 1, а), с теплоизоляционными экранами, расположенными между бочкой и валом (рис. 1, б) и с насыпной теплоизоляцией (рис. 1, в) [1].

Рис. 1. Печные ролики без теплоизоляции (а), с экранной (б) и с насыпной теплоизоляцией (в), расположенной между бочкой и охлаждаемым валом

а

б

в

Ролики состоят из бочки 1, опорных втулок 2 и охлаждаемого вала 3 (см. рис. 1). Бочка роликов из жаростойкой стали крепится к опорным втулкам посредством штифтов 4 или сварных швов 5. В свою очередь, опорные втулки закрепляются на охлаждаемом валу. Для компенсации температурных деформаций одна из опорных втулок образует с охлаждаемым валом подвижное соединение, а другая жестко закрепляется на валу. В этом случае в плавающей опоре между втулкой и валом образуется зазор порядка 1.. .2 мм. Охлаждаемый вал представляет собой заглушенную с приводной стороны ролика трубу. С противоположной стороны с помощью подводящей трубы 6, размещенной внутри вала, подается охлаждающая вода. Поступая по трубе, вода переливается в полость кольцевого

зазора, образуемого охлаждаемым валом и трубой, отбирает тепло от охлаждаемого вала и сливается наружу (см. рис. 1).

При отсутствии теплоизоляции между валом и бочкой отвод тепла от нагретой до высокой температуры бочки к охлаждаемому валу осуществляется в основном излучением (см. рис. 1, а). В этом случае удается значительно снизить температуру бочки ролика. Однако из-за большой разницы температур между поверхностью бочки и атмосферой печи (дымовыми газами) существенно увеличиваются тепловые потери.

Для снижения потерь тепла с охлаждающей водой между валом и бочкой ролика размещают теплоизоляцию. Как показывает практика, наиболее стабильными свойствами за весь период работы ролика обладает экранная изоляция 7 (см. рис. 1, б). В связи с тем, что каждый экран уменьшает тепловой поток до двух раз, на практике в роликах устанавливают два или три экрана из корозионностойкой стали, например 10Х18Н9Т. Часто пространство между бочкой ролика и валом заполняют теплоизоляционным материалом 8 (см. рис. 1, в) — вермикулитом, диатомовым или шамотным порошками [1].

Цель работы

Знание условий эксплуатации роликов с охлаждаемым валом значительно облегчает выбор их конструктивных параметров при проектировании. В связи с этим на стадии проектирования печного рольганга важно иметь информацию о распределении температуры в теле роликов при различных условиях работы. На основании того, что натурные испытания роликов, которые проводятся на стендах или в лабораторных условиях дорогостоящи, разработка подходов к расчету температурных полей роликов различного конструктивного исполнения с учетом подачи охлаждающей воды является актуальной задачей.

В данной работе предпринята попытка исследования теплового режима работы роликов с охлаждаемым валом на основе конечно-элементного (КЭ) анализа. В результате моделирования исследованы поля температур и тепловые потери в роликах с водоохлаж-даемым валом без изоляции, с экранной и насыпной теплоизоляцией, размещенной между бочкой и охлаждаемым валом. По результатам расчета установлено, какие ролики работают в более благоприятном тепловом режиме при одинаковых тепловых граничных условиях.

Описание задачи и исходные данные для расчета

Внешний вид исследуемого ролика и его геометрические параметры приведены на рис. 2.

В расчете принималось, что бочка ролика изготовлена из жаропрочной стали Х28Н48В5Л, подводящая труба — из стали 35, а теплоизоляционные экраны — из нержавеющей стали 10Х18Н9Т. При моделировании тепловой работы роликов с насыпной изоляцией учитывалось, что пространство между бочкой ролика и водоохлаждаемым валом заполнено крупнодисперсным вермикулитовым порошком.

Рис. 2. Внешний вид и размеры исследуемого ролика

На рис. 3 представлены расчетные схемы подовых роликов, для которых было выполнено КЭ-моделирование и обозначены поверхности элементов роликов с соответствующими тепловыми граничными условиями.

Рис. 3. Расчетные схемы печных роликов с охлаждаемым валом без изоляции (а), с экранной (б) и насыпной теплоизоляцией между бочкой и валом (в) с соответствующими граничными условиями

а

б

в

К поверхностям, выделенным пунктиром и обозначенным буквами "К" и "Р", были приложены граничные условия третьего рода в виде конвективного и радиационного теплообмена соответственно. На поверхности К1 задавался конвективный теплообмен между бочкой ролика и дымовыми газами с температурой рабочего пространства печи, на поверхностях К2 — теплообмен между цапфами ролика, находящимися за пределами печи и воздухом, на поверхностях КЗ — конвективный теплообмен между стенками подводящей трубы, охлаждаемого вала и охлаждающей водой.

В связи с тем, что в плавающей опоре, образованной опорной втулкой и валом существует зазор, и теплопередача от втулки к валу через поверхности Р1 (см. рис. 3) осуществляется излучением, на поверхностях Р1 задавались граничные условия третьего рода в виде радиационного теплообмена. На поверхностях внутренней полости ролика без теплоизоляции Р2, образованными бочкой, опорными втулками и охлаждаемым валом, и стенками внутренней полости ролика и экранами Р3 также моделировались граничные условия третьего рода в виде радиационного теплообмена.

Очевидно, что при расчетах внешнего теплообмена в высокотемпературных печах необходимо исследовать сложный теплообмен, т.е. необходимо одновременно учитывать влияние конвективного и радиационного теплообмена. В связи с этим, на внешней поверхности бочки роликов К1 (см. рис. 3) были заданы граничные условия III рода в виде конвективного теплообмена, которые описывают сложный теплообмен между нагретыми газами рабочего пространства печи и поверхностью бочки.

При расчете теплопередачи конвекцией, плотность теплового потока через поверхность тела связана с температурой среды по закону Ньютона:

=«к (Тс - Т ) , (1)

где q — плотность теплового потока через поверхность Б, Вт/м ; ак — коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене, Вт/(м °К); Т — температура поверхности, °К; Тс — температура окружающей среды, °К.

В задаче принято, что температура дымовых газов постоянна и равна Тс = 1250°С, а конвективный теплообмен между поверхностью роликов и газовой средой осуществляется за счет вынужденной конвекции. По эмпирическим зависимостям, связывающим критерии подобия процессов конвективного теплообмена твердых тел с однофазной жидкостью, рассчитан коэффициент теплообмена. Определено, что при конвективном теплообмене между поверхностью роликов и дымовыми газами ак = 50 Вт/(м °К) [3].

При расчете теплопередачи излучением плотность теплового потока через поверхность тела связана с температурой среды по закону Стефана-Больцмана:

д[ =га0(Тс4 -Т4), (2)

где q — плотность теплового потока через поверхность Б, Вт/м ; в — степень черноты тела; о0 =

5,67-10 Вт/(м2°К4)

— постоянная Стефана-Больцмана, — температура поверхности, °К; Тс — температура окружающей среды, °К.

Часто для упрощения расчетов сложный теплообмен выражают формулой конвективного теплообмена (1). Тогда уравнение (2) преобразуется к виду:

=а л (Тс - Т,), (3)

2 ^ ^ где ал — коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м °К), который может быть найден

из выражения:

(Т4 - Т4)

а л = £ао Т Т ). (4)

Окончательно формула для определения плотности теплового потока при сложном теплообмене, с учетом (3), запишется в следующем виде:

^ = (ал +ак) • (Тс - Т). (5)

В этом случае, при моделировании сложного теплообмена достаточно задавать граничные условия III рода в виде конвективного теплообмена с обобщенным коэффициентом теплоотдачи а с = а л + а к.

Учитывая, что приведенная степень черноты бочки ролика равна в = 0,75 [1, 3], температура дымовых газов Тс = 1250°С, а температура поверхности ролика при данных условиях будет в пределах Т = 1000...1200°С, по (4) определим коэффициент теплоотдачи излучением ал. Найденные величины ал, соответствующие предельным значениям температур поверхности бочки ролика 1000.. ,1200°С, будут соответственно равны 530.648

Вт/(м °К). Таким образом, на поверхности К1 (см. рис. 3) окончательно принимаем сле-

2 2

дующие значения коэффициентов теплоотдачи: ак =

50 Вт/(м 2°К), ал = 590 Вт/(м 2°К),

ас = 640 Вт/(м2°К).

На поверхностях К2 (см. рис. 3) коэффициент теплоотдачи от воздуха с температурой Тв = 25°С к поверхностям цапф принимался равным ав = 15 Вт/(м °К) [3]. При задании граничных условий на внешних поверхностях участков цапф, размещенных в стенках печи и расположенных между поверхностями К1 и К2 принималось, что температура поверхности равна температуре окружающей среды, т.е. задавались адиабатические условия теплообмена.

При моделировании процессов теплообмена между поверхностями К3 охлаждаемого вала и водой (см. рис. 3) исследовалось течение жидкости по трем каналам: 1) течение воды внутри подводящей трубы; 2) перелив воды из трубы в водоохлаждаемый вал; 3) течение жидкости в кольцевом зазоре между подводящей трубой и охлаждаемым валом. В работе принималось, что температура воды, подаваемая на охлаждение с расходом 0 = 1,97 10-3 м3/с, составляла Т = 25°С [1].

При тепловом анализе ролика без теплоизоляции и ролика с экранной изоляцией, размещенной внутри ролика между охлаждаемым валом и бочкой, учитывались граничные условия третьего рода, заданные в виде радиационного теплообмена между внутренними поверхностями ролика Р2, Р3 (см. рис. 3). Приведенная степень черноты стенок внутренней поверхности бочки ролика, охлаждаемого вала и экранов принималась равной в = 0,72 [3]. Толщина экранов в роликах с экранной изоляцией — 5 мм (см. рис. 3, б).

При тепловом анализе ролика с насыпной теплоизоляцией из вермикулитового порошка радиационный теплообмен между внутренними стенками не учитывался. В этом случае рассматривалась теплопередача от внутренних поверхностей ролика и охлаждаемого вала через вермикулитовый порошок друг к другу за счет теплопроводности.

В связи с тем, что рассматривалась стационарная задача, для ее решения достаточно было определить только коэффициенты теплопроводности материалов А. Зависимость ко-

эффициентов теплопроводности материалов ролика, водоохлаждаемого вала, экранов и вермикулитового порошка от температуры представлена на рис. 4.

03

III 60

5

1 60

■_, С АП

41

^

л ** 30

$

а я 20

1 10

ь

1- о

1

ВЁ!|>МИН улит -

10X1 енэт

Х23Н 43Б5Л

0,25 -

п „I

1 *

0.2 Е 3 |§

Э и

0.13 ^ §

щ ГР

0.1 II

0,05 0

г

3'

200 400 езд ио 1000 1200 мм

Температура. "С

Рис. 4. Зависимость коэффициентов теплопроводности сталей и вермикулита от температуры [4]

Коэффициент теплоотдачи от стенок охлаждаемого вала к охлаждающей жидкости рассчитывался непосредственно во время решения задачи по зависимости, характеризующей интенсивность теплообмена на границе "жидкость-стенка" по критерию Нуссельта — №. При вынужденном турбулентном течении жидкости в прямых круглых трубах в области значений числа Рейнольдса Re = 3 103...2 106 коэффициент теплоотдачи (число Нуссельта) определяют по формуле М.А. Михеева [5]:

Л0'25

. (6)

№ = 0,021Яе0'8 Рг0'43

Рг

Рг , с

Здесь Re — значение числа Рейнольдса; Рг — значение числа Прандтля при текущей температуре жидкости; Ргс — значение числа Прандтля при температуре стенки.

Для оценки величины потерянного напора принималось, что течение жидкости происходит в области гладких труб. В этом случае, коэффициент сопротивления трения у зависит только от числа Рейнольдса ^е). Значение коэффициента сопротивления для каждого элементарного участка трубопровода определялось во время решения задачи по эмпирической зависимости П.К.Конакова [5]:

У = (1,81вр1е-1,5)2 • (7)

Коэффициенты выражений (6, 7), являются реальными константами конечных элементов, с помощью которых моделировалось течение жидкости в каналах с заданным расходом.

При решении задачи также учитывалось, что теплофизические параметры воды зависят от температуры (рис. 5) [4].

Рис. 5. Зависимость теплофизических свойств воды от температуры [4]

а

б

в

г

Конечно-элементная модель

При решении задачи были приняты следующие допущения:

• принято симметричное и постоянное во времени тепловое нагружение ролика, в то время как величина плотности теплового потока меняется от расположения садки в печи, переменного теплового режима печи, наличия соседних роликов и т.п. Это позволило решать задачу в осесимметричной постановке;

• все коэффициенты теплоотдачи определялись по эмпирическим зависимостям, связывающим критерии подобия процессов конвективного теплообмена твердых тел с однофазной жидкостью [3].

Конечно-элементные модели роликов с элементами системы охлаждения и теплоизоляции были построены из 2-мерных 4-узловых твердотельных элементов с тепловыми свойствами. Для моделирования конвективного и радиационного теплообмена на границах раздела сред располагались линейные элементы с тепловыми свойствами. При моделировании теплообмена между роликами и охлаждающей жидкостью использовались специальные конечные элементы со свойствами тепло - и массопереноса.

Анализ полученных результатов

На рис. 6 показаны графики распределения температуры и тепловых потерь на внешней поверхности бочки исследуемых роликов при стационарном тепловом нагруже-нии.

Характер распределения температуры по длине бочки роликов без теплоизоляции отличается от графиков температур, построенных для роликов с экранами и насыпной теплоизоляцией. Однако у всех роликов на краю бочки со стороны опорной втулки, образующей с валом жесткое соединение, температура одинаковая и равна 1175°С.

Как видно из графиков, у всех исследуемых роликов температура на поверхности бочки между опорными втулками на участке 1-2 постоянная (см. рис. 6). При этом у роликов без теплоизоляции на участке 1-2 температура достигает своего глобального минимума 1075°С, а у роликов с насыпной изоляцией — глобального максимума 1240°С. У роликов с экранами и с насыпной изоляцией в месте жесткого соединения опорной втулки с охлаждаемым валом на участке 2-3 наблюдается глобальный минимум температур 1090...1105°С, а на противоположной стороне ролика, где опорная втулка образует с охлаждаемым валом подвижное соединение на участке 0-1 (см. рис. 6), температура достигает локального минимума. При этом у роликов с экранной и насыпной теплоизоляцией температуры соответственно равны 1150°С и 1190°С.

Таким образом температура на поверхности бочки роликов без теплоизоляции и роликов с экранной изоляцией не превышает допустимого значения для стали Х28Н48В5Л 1200°С, а у роликов с насыпной теплоизоляцией температура на поверхности всего на 10°С меньше температуры дымовых газов и составляет 1240°С.

Рис. 6. Распределение температуры и удельных тепловых потерь на внешней поверхности бочки роликов: 1-ролик без теплоизоляции; 2-ролик с экранной изоляцией; 3-ролик с насыпной изоляцией

Анализ тепловых потерь через бочку роликов показывает, что эпюра распределения удельных тепловых потерь по внешней поверхности бочки роликов повторяет графики температур (см. рис. 6). Это объясняется тем, что тепловой поток через поверхность описывается выражением (5), а значит при постоянных коэффициентах (ал +ак) и Тс величина теплового потока будет прямо пропорциональна значению температуры на поверхности Тц. Максимальные значения удельных тепловых потерь наблюдаются у роликов без теплоизоляции и составляют на участке 1-2 (см. рис. 6) 112 кВт/м . На краях бочки ролика, со стороны втулки образующей с валом подвижное соединение, потери минимальные и равны 35 кВт/м2. Как и при распределении температуры, тепловые потери у всех роликов на краю бочки со стороны втулки, образующей неподвижное соединение с валом, одинаковые и составляют 50 кВт/м .

У роликов с экранной теплоизоляцией удельные тепловые потери по длине бочки

2 «-» «-» 2 составляют в среднем 60 кВт/м , а у роликов с насыпной теплоизоляцией —15.20 кВт/м .

Таким образом, анализ распределения температур и удельных тепловых потерь на поверхности бочки ролика показывает, что в наиболее благоприятных условиях работают ролики с экранной изоляцией. Это связано с тем, что у роликов с экранной изоляцией раз-

брос между максимальным и минимальным значением температуры по длине бочки составляет всего 25°С. У роликов без теплоизоляции этот разброс составляет 130°С, у роликов с насыпной изоляцией — 135°С. Можно утверждать, что по сравнению с роликами другого конструктивного исполнения, в бочке ролика с экранной изоляцией будут наблюдаться меньшие градиенты температур и, следовательно, существует меньшая вероятность возникновения термических напряжений, приводящих к появлению термоусталостных трещин.

Наличие между бочкой ролика и валом теплоизоляционного материала в роликах с насыпной изоляцией приводит к невысоким, по сравнению с другими роликами, тепловым потерям, но за счет низкой теплопроводности вермикулита температура на поверхности бочки на участке 1-2 (см. рис. 6) превышает допустимую температуру для стали Х28Н48В5Л и составляет 1240°С. Однако в местах контакта бочки с втулками, за счет большей чем у теплоизоляции теплопроводности, наблюдается рост тепловых потерь и, как следствие, падение температуры бочки ролика.

Таким образом можно сделать вывод, что наиболее предпочтительным является применение в высокотемпературных печах, с температурой рабочего пространства 1200.. ,1250°С, роликов с экранной изоляцией. В этом случае при невысоких тепловых потерях с охлаждающей водой наблюдаются небольшие температурные градиенты по длине бочки.

На рис. 7 приведены графики распределения температуры по внешней поверхности охлаждаемого вала. Из графиков видно, что вода к моменту перелива из подводящей трубы в водоохлаждаемый вал на участке 0-1 (см. рис. 7) не успевает прогреться и ее температура во всех случаях не превышает 26°С (см. рис. 9). С противоположной, неприводной стороны, температура цапфы ролика без термоизоляции на участке 6-7 (рис. 7) достигает 50°С, а в роликах с экранами и насыпной изоляцией 30°С. Это связано с тем, что средняя температура на внешней поверхности охлаждаемого вала в роликах без теплоизоляции выше, чем в роликах с теплоизоляцией и на сливе вода будет иметь более высокую температуру (рис. 9). Другим фактором, влияющим на разницу температур цапф с неприводной и приводной стороны ролика, является наличие с приводной стороны подвижного соединения между опорной втулкой и валом на участке 2-3 (рис. 7). За счет того, что теплообмен в этом случае между валом и втулкой осуществляется в основном излучением, температура на поверхности вала во всех случаях не превышает 500°С. На участке 4-5 (рис. 7) в том месте, где опорная втулка и охлаждаемый вал образуют неподвижное соединение, температура на поверхности вала достигает величины 650.. ,720°С.

В роликах без теплоизоляции на участке 3-4 за счет излучения от нагретых до высокой температуры стенок бочки ролика охлаждаемый вал разогревается до температуры 610°С. При наличии экранов, за счет уменьшения теплового потока, как и ожидалось, температура на поверхности бочки достигает величины 360°С, а при наличии насыпной теплоизоляции — 50°С.

О 12 3 4 5 0 Т

Рис. 7. Распределение температуры по внешней поверхности охлаждаемого вала: 1-ролик без теплоизоляции; 2-ролик с экранной изоляцией; 3-ролик с насыпной изоляцией (участки 0-1 и 6-7 соответствуют поверхностям цапф ролика, находящимся за пределами печи)

Помимо исследования температурных полей и тепловых потерь в роликах, в результате моделирования определено изменение основных теплофизических параметров охлаждающей воды. Как было отмечено ранее, при решении задачи исследовалось течение охлаждающей воды по трем каналам. При этом подача воды в подводящую трубу осуществляется в сечении Т1 (рис. 8). При течении в трубе жидкость пересекает четыре характерных сечения Т2...Т5, образованных пересечением боковых плоскостей опорных втулок с внешней поверхностью охлаждаемого вала. В сечении Т6-В1 жидкость из трубы переливается в охлаждаемый вал. После этого, вода течет в обратном направлении, снова пересекает четыре сечения В2.В5 и в сечении В6 выливается из охлаждаемого вала.

Рис. 8. Траектория течения жидкости в каналах ролика и расположение характерных сечений трубопровода

На графиках рис. 9 показано изменение параметров охлаждающей воды по общей длине трубопровода от сечения Т1 до В6 (см. рис. 8).

При течении в подающей трубе у всех роликов температура воды растет незначительно и к моменту перелива из трубы в кольцевой зазор, образованный трубой и охлаж-

даемым валом, на участке Т6-В1 температура воды в роликах без теплоизоляции достигает величины 26,5°С, а в роликах с теплоизоляцией не превышает 25,5°С (рис. 9, а). Из рис. 9, а видно, что температура охлаждающей жидкости начинает расти сразу после подачи в трубу (сечение Т1) до середины участка Т3-Т4. После этого температура воды не меняется до сечения В2.

У ролика без теплоизоляции на участке В2-В5 происходит интенсивный теплообмен между разогретым до высокой температуры роликом, опорными втулками и охлаждаемым валом, в результате чего наблюдается значительный рост температуры охлаждающей воды, и в сечении В5 температура воды достигает максимума — 57°С. В сечении В6, т.е. на сливе из охлаждаемого вала температура воды падает до 55°С. Таким образом, максимальный рост температуры воды происходит на участке максимального теплового потока (см. рис. 6), а уровень нагрева воды зависит от величины теплового потока.

Анализ графиков рис. 9, а подтвердил это предположение. В роликах с экранной и с насыпной теплоизоляцией существенный рост температуры воды наблюдается на участке максимальных тепловых потерь В4-В5 в местах жесткого соединения опорной втулки с охлаждаемым валом (см. рис. 6). В сечении В5 температура воды у роликов с экранами достигает 38°С, а у роликов с насыпной теплоизоляцией — 28°С. На сливе, в сечении В6, температуры соответственно равны 37°С и 27°С.

б

Рис. 9. Изменение температуры (а) и потерянного напора воды (б) по длине трех участков ролика: 1-ролик без теплоизоляции; 2-ролик с теплоизоляционными экранами; 3-ролик с насыпной изоляцией

а

Результаты исследования температуры охлаждающей воды в роликах трех конструкций подтверждают ранее сделанный вывод, что наибольшие тепловые потери будут в роликах без теплоизоляции, а наименьшие в роликах с экранной изоляцией.

На рис. 9, б показано изменение потерянного напора по длине трех участков течения жидкости в роликах различного конструктивного исполнения. Из графика видно, что при

3 3

подаче охлаждающей воды с расходом Q =1,97 10" м/с величина потерянного напора составляет 1300 Па у роликов без теплоизоляции и 2400.2550 Па у роликов с теплоизоляцией.

На рис. 10, а приведены графики изменения коэффициента теплоотдачи от воды к внутренним, при течении в трубе на участке Т1.Т6, и внешним, при течении в кольцевом зазоре на участке В1...В6 стенкам подающей трубы. На рис. 10, б показаны графики изменения коэффициента теплоотдачи от воды к внутренней поверхности охлаждаемого вала на участке В1.В6 при течении жидкости в кольцевом зазоре.

3000

к 2000 -- -■-^-и- -

Т* 12 ТЗ ТА Т5 Т6Б1 Б2 БЗ Б4 В5 В6

а

* 2000 ----1--и-1—-1-1-

"Л 12 ТЗ ТА Т5 Т6Б1 В2 БЗ Е4 В5 В6

б

Рис. 10. Графики изменения коэффициента теплоотдачи от воды к внутренним и внешним поверхностям подающей трубы (а) и к внутренней поверхности охлаждаемого вала (б)

Сопоставление графиков рис. 10, а и 10, б показывает, что коэффициенты теплоотдачи от жидкости к поверхностям кольцевого зазора практически одинаковы.

Установлено, что у всех роликов при подаче воды в трубу коэффициенты теплоотда-

2 „ чи находятся в пределах 2080.2120 Вт/(м °К). На сливе из вала наибольший коэффици-

2 *-»

ент теплоотдачи будет у роликов без теплоизоляции (2900 Вт/(м °К)), наименьший - у

^ ^ 2 роликов с насыпной изоляцией (2250 Вт/(м °К)).

Заключение и выводы по работе

В результате конечно-элементного моделирования тепловой работы роликов рольганга нагревательных печей получены и исследованы поля температуры в роликах с водо-охлаждаемым валом без теплоизоляции, с экранной и насыпной теплоизоляцией, размещенной между бочкой и охлаждаемым валом. Определено изменение теплофизических параметров охлаждающей жидкости, изменение температуры воды по длине трех участков ролика, а также необходимое давление для подачи воды с заданным расходом.

Установлено, что наибольшие тепловые потери возникают в роликах без теплоизоляции. Размещение между валом и бочкой ролика теплоизоляции (экранов или насыпной изоляции) позволяет снизить потери с охлаждающей водой. На основе сравнительного анализа результатов установлено, что ролики с экранной изоляцией работают в более благоприятных с точки зрения теплового режима и тепловых потерь условиях, по сравнению с роликами без теплоизоляции и с роликами с насыпной теплоизоляцией.

Список литературы

1. Лях А.П. Печные рольганги. Проектирование. Эксплуатация. М.: Металлургия, 1997. 173 с.

2. Восканьянц А.А., Иванов А.В. Анализ термонапряженного состояния подовых роликов нормализационной печи // Производство проката. 2003. № 6. С. 31-36.

3. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд. М.: Высш. шк., 2000. 671 с.

4. Марочник сталей и сплавов / A.C. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др.; Под ред. А.С. Зубченко. 2-е изд. М.: Машиностроение, 2003. 782 с.

5. Гидравлика: учебник для вузов / Кудинов В.А., Карташов Э.М., Коваленко А.Г., Ку-динов И.В.; Под ред. В.А. Кудинова. 4-е изд. М.: Юрайт, 2015. 385 с.

Science ¿Education

of the Bauman MSTU

El

tft

Tronic journa

iSSH 1994-0408

/

Science and Education of the Bauman MSTU, 2016, no. 10, pp. 18-34.

DOI: 10.7463/1216.0852536

Received: 01.11.2016

Revised: 14.11.2016

© Bauman Moscow State Technical Unversity

Numerically Analysed Thermal Condition of Hearth Rollers with the Water-Cooled Shaft

1 *

A.V. Ivanov '

avivanovl 9 69 ig gmail.com bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: temperature field, hearth roller, water-cooled shaft, finite element method (FEM), heat-transfer coefficient, thermal losses

Continuous furnaces with roller hearth have wide application in the steel industry. Typically, furnaces with roller hearth belong to the class of medium-temperature heat treatment furnaces, but can be used to heat the billets for rolling. In this case, the furnaces belong to the class of high temperature heating furnaces, and their efficiency depends significantly on the reliability of the roller hearth furnace. In the high temperature heating furnaces are used three types of water-cooled shaft rollers, namely rollers without insulation, rollers with insulating screens placed between the barrel and the shaft, and rollers with bulk insulation.

The definition of the operating conditions of rollers with water-cooled shaft greatly facilitates the choice of their design parameters when designing. In this regard, at the design stage of the furnace with roller hearth, it is important to have information about the temperature distribution in the body of the rollers at various operating conditions. The article presents the research results of the temperature field of the hearth rollers of metallurgical heating furnaces.

Modeling of stationary heat exchange between the oven atmosphere and a surface of rollers, and between the cooling water and shaft was executed by finite elements method. Temperature fields in the water-cooled shaft rollers of various designs are explored. The water-cooled shaft rollers without isolation, rollers with screen and rollers with bulk insulation, placed between the barrel and the water-cooled shaft were investigated. Determined the change of the thermo-physic parameters of the coolant, the temperature change of water when flowing in a pipe and shaft, as well as the desired pressure to supply water with a specified flow rate. Heat transfer coefficients between the cooling water and the shaft were determined directly during the solution based on the specified boundary conditions. Found that the greatest heat losses occur in the rollers without insulation. Insulation (screens or bulk insulation) between the shaft and the barrel of roller allows reducing the cooling water losses. A comparative analysis of research results allowed us to find that operating conditions of the furnace rolls with screen insulation are more favorable in terms of thermal conditions and losses, than those of rollers without the insulation and rollers with the bulk insulation.

References

1. Liakh A.P. Pechnye rol'gangi. Proektirovanie i raschet [Hearth rollers. Design and operation]. Moscow, Metallurgiia Publ., 1997. 173 p. (in Russ.).

2. Voskan'iants A.A., Ivanov A.V. Analysis of the thermostressed state of hearth rollers of normalizing furnace. Proizvodstvoprokata [Rolling products Manufacturing], 2003, no. 6, pp. 3136. (in Russ.).

3. Teplotekhnika: Uchebnik dlya vuzov [Heat engineering: Textbook for high schools] / V.N. Lukanin, M.G. Shatrov, G.M. Kamfer a.o.; ed. by V.N. Lukanin. 2nd ed. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 2000. 671 p. (in Russ.).

4. Marochnik stalej i splavov [Steel grades] / A.S. Zubchenko, M.M. Koloskov, Yu.V. Kashirskij a.o.; ed. by A.S. Zubchenko. 2nd ed. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003. 784 p. (in Russ.).

5. Gidravlika: Uchebnik dlia vuzov [Fluid mechanics: Textbook for high schools] / V.A. Kudinov, E.M. Kartashov, A.G. Kovalenko, Kudinov I.V.; Ed. by V.A. Kudinov. 4th ed. Moscow: Yurajt Publ., 2015. 385 p. (in Russ.).