Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия:

О. Б. Крючков, заместитель декана факультета технологии конструкционных материалов, доцент кафедры технологии материалов, канд. техн. наук, эл. почта: bardb@mail.ru

Тульский государственный университет, Тула, Россия:
П. И. Маленко, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, канд. техн. наук, эл. почта: malenko@tsu.tula.ru
Л. Г. Саранин, аспирант
А. Е. Болдырев, студент-магистр

Выбор рациональных температурных режимов нагрева холодных слитков под ковку и прокатку способствует получению качественных заготовок. Начальная температура печи, при которой происходит загрузка холодного слитка, оказывает решающее воздействие на возникновение температурных напряжений в нагреваемой заготовке в упругой области. Превышение этих напряжений над допустимыми может приводить к образованию трещин. Нагрев слитка после его перехода из упругой области в пластичное состояние необходимо проводить при максимальной мощности печи до конечной температуры поверхности, так как при этих условиях опасность возникновения трещин устраняется. Оптимизация начальной температуры, при которой холодный слиток загружается в нагревательную печь, позволяет устранить возникновение недопустимо больших температурных напряжений в нагреваемой заготовке в упругой области, что предотвратит возникновение трещин. Нагрев слитка на следующем этапе до конечной температуры поверхности необходимо проводить при максимальной мощности печи, так как при этих условиях пластичность металла возрастает и опасность возникновения трещин устраняется. Контроль за температурным полем в заготовке после томления металла перед пластической деформацией, а именно за перепадом температуры между поверхностью и центром слитка, который должен составлять не более 50 °C, способствует устранению полосчатости структуры в деформированном металле, снижению вероятности искажений формы заготовки, а также снижению неоднородности ее механических свойств. Одновременно использование рационального температурного режима нагрева заготовок приводит к повышению производительности печи, снижению расхода топлива и толщины обезуглероженного слоя металла (суммарного и под слоем окалины). Рациональный режим нагрева холодного слитка массой 10 т из стали 35 в камерной топливной печи разрабатывали с применением математического пакета MathConnex (часть МаthСаd Pro) с инструментом Excel для решения дифференциального уравнения теплопроводности в частных производных методом конечных разностей с использованием неявной разностной схемы, на основе которого была создана блок-схема для расчета. Варьируя температурой печи и длительностью нагрева слитка на различных этапах нагрева (начальном, в середине нагрева и выдержке металла), выбран рациональный режим нагрева, включающий посадку слитка в печь при температуре 880 °C, нагрев при средних температурах печи: 1090, 1350, 1425 и 1450 °C и выдержку металла для выравнивания температуры по сечению до 50 °C при температуре 1330 °C в течение 1,86; 0,83; 0,54; 0,43; 0,004 и 4,82 ч соответственно. Использование предложенного режима нагрева способствует получению максимальной производительности печи и минимальных продолжительности времени нагрева, расхода топлива и толщины обезуглероженного слоя металла, что подтверждает обобщенная функция желательности, равная 0,676.

1. Панферов В. И. Об экономичном управлении нагревом металла в промышленных печах // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2018. Т. 18. № 2. С. 71–80.
2. Пapcyнкин Б. H., Aндpeeв C. M., Жaдинcкий Д. Ю., Axмeтoвa A. У. Оптимальные топливосберегающие режимы нагрева нeпpepывнoлитыx заготовок в методических печах // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2015. № 3. C. 89–96.
3. Панферов В. И., Панферов С. В. К решению задачи об управляемости нагрева металла в промышленных печах // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2019. Т. 19. № 2. С. 79–85.
4. Андреев С. М. Прогнозирование времени нагрева заготовок в условиях нестационарного режима работы методических печей // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 3 (36). С. 35–40.
5. Смирнова Д. А., Обушенко С. В. Режимы охлаждения, термостатирования нагрева слябов на линии «машина непрерывного литья заготовок–термостат–нагревательная печь» // Вестник науки и образования. 2019. № 3–1 (57). С. 15–18.
6. Lee D. E., Kim M. Y. Optimum residence time for steel productivily and energy saving in a hot rolled reheating furnace // Journal of Mechanical Science and Technology. 2013. Vol. 27. № 9. P. 2869–2877.
7. Панферов В. И., Тренин Н. А., Панферов С. В. Оценка температуры массивного тела по измеряемым величинам процесса теплообмена // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление,
радиоэлектроника». 2018. Т. 18. № 1. С. 133–139.
8. Лукин С. В., Левашев К. Ю., Збродов А. А. Математическое моделирование теплового состояния заготовки квадратного сечения в сортовой МНЛЗ и в термосе // Вестник Череповецкого государственного университета. 2018. № 3 (84). С. 37–45.
9. Yang Z., Luo X. Optimal set values of zone modeling in the simulation of a walking beam type reheating furnace on the steady-state operating regime // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 101. P. 191–201.
10. Steinboeck A., Wild D., Kugi A. Nonlinear model predictive control of a continuous slab reheating furnace // Control Engineering Practice. 2013. Vol. 21. №. 4. P. 495–508.
11. Steinboeck A., Graichen K., Wild D., Kiefer T., Kugi A. Model-based trajectory planning, optimization, and openloop control of a continuous slab reheating furnace // Journal of Process Control. 2011. Vol. 21. №. 2.
P. 279–292.
12. Xu J. Y., Bu J. R. Research of furnace temperature optimization control method in hot rolling process // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 230-232. P. 7–11.
13. Lian P., Junjie S. The research of fuzzy nerve network control system on steel rolling heating furnace, implementation of steel rolling heating furnace adopting fuzzy nerve network control system // International
Conference on Electrical and Control Engineering. 2010. P. 2407–2410.
14. Герман М. Л., Корнеев С. Л., Файн И. В. Определение температурных напряжений при нагреве стальных заготовок с использованием метода конечных элементов // Металлургия: республиканский межведомственный сборник научных трудов. — Минск : Вышэйшая школа, 2005. Вып. 29. С. 59–67.
15. Miranda S., Ubertini F. On the consistency of finite element // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2001. Vol. 190. № 18-19. P. 2411–2427.
16. Cannarozzi А., Ubertini F. A mixed variational method for linear coupled thermoelastic analysis // International Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38. № 4. P. 717–739.
17. Bathe K.-J. The inf-sup condition and its evaluation for mixed finite element methods // Computers & Structures. 2001. Vol. 79. № 2. P. 243–252.
18. Arnold D. N. Mixed finite element methods for elliptic problems // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1990. Vol. 82. № 1-3. P. 281–300.
19. Крючков О. Б., Габельченко Н. И., Маленко П. И., Саранин Л. Г. Использование математического пакета MathConnex для теплотехнического расчета нагревательных печей // Черные металлы. 2019. № 12. С. 52–60.
20. Крючков О. Б., Волчков В. М., Крохалев А. В. Моделирование и теплотехнические расчеты процессов в нагревательных и термических печах : учебное пособие. Ч. 2 : Использование вычислительной техники для расчета времени нагрева металлических изделий. — Волгоград : ВолгГТУ, 2017. — 184 c.
21. Крючков О. Б., Крохалев А. В., Белов А. А., Маленко П. И. Влияние расположения заготовок в камерных печах на время их нагрева и перепад температуры по сечению при холодном и горячем посаде // Черные металлы. 2021. № 6. С. 20–26.
22. Спивак Э. И. Методы ускоренных расчетов нагревательных печей. — М. : Металлургия, 1988. — 141 с.
23. Губинский В. И., Минаев А. Н., Гончаров Ю. В. Уменьшение окалинообразования при производстве проката. — Киев : Техника, 1981. — 135 с.
24. Спивак Э. И. Прогноз угара и обезуглероживания при нагреве перед прокаткой // Металлург. 1984. № 2. С. 28, 29.
25. Окисление и обезуглероживание стали / под науч. ред. А. И. Ващенко. — М. : Металлургия, 1972. — 336 с.
26. Кривандин В. А., Марков Б. Л. Металлургические печи. — М. : Металлургия, 1977. — 464 с.
27. Мастрюков Б. С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. В 2-х т. Т. 2. Расчеты металлургических печей. — М. : Металлургия, 1986. — 376 с.
28. Металлургическая теплотехника : учеб. для студ. металлург. спец. вузов. Т. 1 : Теоретические основы / под ред. В. А. Кривандина. — М. : Металлургия, 1986. — 422 с.
29. Металлургическая теплотехника : учеб. для студ. металлург. спец. вузов. Т. 2 : Конструкция и работа печей / под ред. В. А. Кривандина. — М. : Металлургия, 1986. — 590 с.
30. Крючков О. Б., Пегишева С. А. Моделирование и теплотехнические расчеты процессов в нагревательных и термических печах : учеб. пособие. Ч. 1 : Расчет времени нагрева металлических изделий и внутренних размеров печи. — Волгоград : ВолгГТУ, 2017. — 240 c.
31. Крохалев А. В., Косова Е. А. Статистические методы и организация эксперимента в металлургии : учеб. пособие. — Волгоград : ВолгГТУ, 2019. — 80 с.