Теплообмен при охлаждении поковок в термосе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 669.14: 621.78: 621.036.2 Шабуров АД., Мирзаев Д.А, Смолко В.А.

ТЕПЛООБМЕН ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ПОКОВОК В ТЕРМОСЕ

Введение

Как известно [1], поковки, производимые на металлургических предприятиях, непосредственно после окончания ковки подвергаются противофлокенной термообработке, причем самой длительной операцией является отжиг при температуре Лс1 -(20...40)оС. Он необходим для диффузионного выделения водорода, а длительность его зависит от диаметра поковок и может составлять более 100 ч. В силу нехватки нагревательных печей для многих предприятий именно необходимость проведения отжига является узким местом производства и существенно тормозит производительность кузнечно-прессовых цехов. Возникла ясная необходимость сокращения длительности печного нагрева, которую можно решать несколькими путями. Один из них -уменьшение концентрации водорода в ходе выплавки, например с применением вакуумирования, но в этом случае далеко не всегда удается получить безопасную концентрацию водорода, поэтому отжиг во многих случаях все-таки приходится проводить.

Другой способ, который начинает использоваться в ОАО «Уральская кузница», заключается в уменьшении длительности изотермическойвыдержкив печи за счет последующего замедленного охлаждения в термосах, или колпаках. В этом случае значительная часть водорода выделяется из поковок в процессе замедленного охлаждения в термосе после отжига. По существу, этот вариант в значительной мере повторяет существовав -ший до 1950-х годов метод замедленного охлаждения поковок в колодцах под слоем песка, гравия, шлаковаты и т.д. без использования изотермических выдержек. Позднее от этого метода отказались, но не в силу его малой эффективности, а потому, что он приводил к транспортным и экологическим проблемам в цехах.

В настоящее время используют не колодцы или ямы, а теплоизолированные колпаки, которые просто надевают на принесенные из печи и уложенные в бугеля заготовки. Здесь для количественной оценки степени сокращения изотермической выдержки при использовании термоса необходимо рассмотреть теплотехническую проблему охлаждения поковок в термосе, чему и посвящена данная работа.

Расчетная часть

Будем считать, что поковки перенесены из печи на площадку с теплоизолированным полом, уложены в бугеля и закрываются крышкой. Начинается теплообмен (рис. 1). В силу малой скорости охлаждения вскоре в термосе устанавливается стационарный режим теплообмена [2], при котором потоки тепла от нагретого металла через различные среды равны между собой:

6 - Ql - 62 _ Qз ~ 64

(1)

Здесь 01 - количество теплоты, переходящее в единицу времени от поковок к воздуху внутри термоса; 02 - количество теплоты, передающееся от воздуха к внутренней поверхности крышки; 0з реализуется в форме теплопроводности через крышку термоса ТОЛЩИНОЙ И И, наконец, ПОТОК 04 отводит тепло от внешней крышки термоса в окружающую атмосферу. Запишем выражения для тепловых потоков:

01 =«А Т - Т); а =«2 ? (Т - ТиД);

0 (Т _Т 2); (2)

^3 1 7 V «,1 п,2^’

И

04 =«3-?, (Тя,2 - Та),

где «1, а2 и аз - коэффициенты теплоотдачи на границах металл-воздух, воздух-внутренняя поверхность крышки термоса и наружная крышка-атмосфера цеха соответственно; - коэффициент

теплопроводности теплоизолирующего материала крышки; 8т и ^ - площади поверхности раздела металл - воздух и внешней поверхности термоса. Обозначения температур в выражении (2) имеют следующий смысл: Тт - зависящая от времени температура поверхности металла, Тв - температура воздуха внутри термоса, Ти,1 и Тп,2 - температуры внутренней и наружной поверхностей теплоизолирующей крышки а, Та - температура воздуха в цехе.

Поочередно приравнивая потоки, можно последовательно выражать одну температуру через другую. Например, приравняем поток теплоты от поверхности термоса в атмосферу к потоку, переносимому за счет теплопроводности через стенку термоса:

п 2

к

= «зБ (Тп2 - Та),

откуда следует связь Т„л с Т„2 и Та:

Т = Т

п ,1 п ,2

^ а3к ^ 1 + —2-

«з к т

(3)

(4)

Рис. 1. Схемаэкспериментальноготермоса

Продолжая эту цепочку рассуждений, удается вы-

ЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

разить Тп,2 через температуру поверхности поковок и записать выражение для теплового потока от металла к атмосфере в форме

6 =аэффБ<Т -Та),

(5)

1

а

ЭФФ Б 1

1 1

(6)

Бм «1 «2

а3

А

[2-4]:

а, = 28 Вт/м К,

а, = 23 Вт/м2К,

а3 = 14 Вт/м К. Площади внешних поверхностей термоса и металла Б, = 93,05 м2, Бт = 38 м2. Найдем:

1

а,, =

93,05 1

1 1 0,212

■ = 0,619

Вт

2-й. .

м К

38 28 23 14 0,15

К

«Э фф (Тт-Та) Б^т = -СМТт

(Т - Т ).

V т а '

(7)

Его решение имеет вид, типичный для регулярного режима охлаждения:

Тт = Та + (Т - Та )Є

- Р,

(8)

где Р =■

СрМ

Тн - начальная температура металла,

очень напоминающей закон охлаждения поковок на воздухе [2, 3], но вместо соответствующего коэффициента теплообмена в нашей формуле стоит эффективный коэффициент теплообмена:

Как и следовало ожидать, эффективный коэффициент теплообмена зависит от всех теплофизических параметров сред и уменьшается с ростом толщины стенки термоса. Чтобы оценить аэфф, примем, что теплоизолирующая стенка изготовлена из муллитокремнеземистого войлока МКРВ-200, для которого Х= 0,15 Вт/м-К и к = 0,212 м. Остальные теплофизические характеристики взяты по литературным данным

выгруженного из печи, перед его помещением в термос, а Та - температура атмосферы цеха.

М. А. Михеев отметил, что в выражении для р следует добавить множитель ^, представляющий отношение средней температуры поверхности поковок к средней температуре по объему поковок. Величина ^ является функцией от критерия Био [2, с. 161]. При использовании метода расчета нагрева и охлаждения неоднородных, пористых тел Г.П. Иванцова необходимо ввести эквивалентный коэффициент теплопроводности Яэ, вычисляемых по формуле (Х11-3) работы [2], в которую входят толщины и коэффициенты теплопроводности твердофазных слоев, а также толщина, коэффициент теплопроводности воздушного промежутка между металлом и крышкой термоса и коэффициента теплообмена а1. Расчет усложняется тем, что даже при плотнейшей укладке поковок между ними сохраняются воздушные промежутки, так что коэффициент теплопроводности металла следует рассчитывать по теории Г.П. Иванцова. Не останавляваясь на деталях расчета, отметим, что окончательная величина критерия Ы = I I • Н , где Н - полувысота

Сравнивая величины — и —, можно прийти к

4

выводу, что на величину аэфф основное влияние оказывают теплопроводность через стенку термоса и в гораздо меньшей степени конвективный теплообмен внутри термоса, а также теплообмен внешней поверхности термоса с атмосферой.

Далее рассмотрим закон охлаждения поковок. За время охлаждения Сг поковка отдает количество теплоты = аэфф Б( (Тт - Та )Сг , и при этом внутренняя энергия поковок понижается на величину С рМёТт, равную количеству отданного поковками

тепла, где Ср - теплоемкость единицы массы, М — общая масса поковок. Приравняв эти выражения:

получим дифференциальное уравнение охлаждения всей массы поковок:

термоса (Н = 1,17 м), оказалось равной

(1,86/14,3)-1,17 = 0,152м, откуда на основании графика рис. 77 [2] значение цг принято равным 0,94. Экспериментальная часть

Для проверки правильности полученного решения в условиях цеха КПЦ были проведены эксперименты по охлаждению поковок . Для проведения эксперимента был подготовлен опытный термос-накопитель. В качестве первичных измерительных датчиков при определении температур применялись четыре хро-мель-алюмелевые термопары с диаметром электродов 3,2 мм, из которых одна фиксировала интересующую нас температуру металла. Исследование было выполнено методом непрерывного термометрирования поверхностной температуры поковок. Чтобы сравнить экспериментальные результаты с полученным уравнением, кривые охлаждения были представлены в Т - Т

координатах - 1п-т-а - время (г). Преобразуя урав-

Тн Та

Т - Т

нение (7), найдем: р, = -1п-т------ . В случае пра-

Тн Та

вильности экспериментальные точки должны укладываться на прямую за исключением начального периода, когда регулярный режим охлаждения ещё не установился (рис. 2).

Как видно из рис. 2, линейная зависимость дейст-

Исследования были проведены под руководством А.В. Верещагина.

1 1

h

-. (96)

a3 Af +^df2

93,05 1 1 1

38 28 23 14

0,14

0,15-0,989 + 44 • 0,011

= 1,860

Вт м2 С

Время, ч Рис. 2. Кривая охлаждения поковок

втельно проявляется, что свидетельствует о справедливости формул (7) и (8), определяющих дифференциальный и интегральный закон охлаждения поковок. При этом для первого эксперимента р1 = 0,035278, а для второго р2 = 0,034529 1/ч. Значения р позволяют на основе выражения (8) найти экспериментальную величину эффективного коэффициента теплообмена:

а.

p • CpM.

W st ’

0,0349 • 600 • 26-103 0,94 • 93,05 • 3600

(9a)

= 1,806

Вт

м 2K.

Оно приблизительно в три раза выше, чем расчетное значение. Безусловно, часть тепла теряется при переносе поковок из печи в термос. Но, в действительности, в использованной конструкции стенки термоса, между которыми заложен тепло изолятор, укреплены стальными поперечниками из двутавров, через которые также переносится тепло, что не было учтено в расчете.

Как известно [3], термическая проводимость стальной стенки равна сумме проводимостей слоев.

Поэтому в формуле (2) нужно

заменить на

Хг X,

— / л----/2, где Хй - коэффициент теплопроводности

к к

металла;/1 - доля общей поверхности термоса, занятая теплоизолятором, а/2 - металлическими двутаврами.

В использованной для опытов конструкции / = 0,989, /2 = 0,011. Приняв для ХЛ значение

44 Вт/м К, получим:

В этом случае согласие между теоретическим и экспериментальным коэффициентами теплообмена наиболее полное. Наибольшие потери тепла происходят из-за теплопроводности вдоль металлического короба у стенок термоса, который удерживает тепло изо ляционный войлок. Вероятно, можно изменить конструкцию термоса так, чтобы уменьшить и эти потери тепла.

Выводы

Получены выражение для эффективного коэффициента теплообмена при охлаждении поковок в термосе и закон охлаждения поковок, который, во-первых, хорошо согласуется с экспериментальным, а во-вторых, позволяет рассчитывать реальную скорость охлаждения поковок различной массы. Результаты исследования можно использовать при разработке новых конструкций термоса. Работа выполнена в рамках ФЦЦ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и АВЦП «Развитие научного потенциала выс-шей школы»

Список литературы

1. ДубовойВЯ. Флокеныветапи. М.: Метаплурмздаг, 195Q. 332 с.

2. Тайц Н.Ю. Технология нагрева стали. М.: Металлургиздат, 1962. 567 с.

3. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1949. 395 с.

4. Чиркин B.C. Теплофизические свойстваматериалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1968. 484 с.

Bibliography

1. Dubovoi V.Ya. Flakes in steels. М.: Metallurgizdat, 195Q. 332 p.

2. Taits N.Yu. Technology of steel reheating. М.: Metallurgizdat, 1962. 567 p.

3. Miheev M.A.Fundamentals ofheattransfer. М.; L.: Gosenergoizdat 1949. 395 p.

4. Chirkin V.S. Чиркин B.C. Thermophysical properties of nuclear engineering materials. М.: Atomizdat, 1968. 484 p.

1