ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет», Волгоград, Россия:
О. Б. Крючков, канд. техн. наук, доцент

ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет», Тула, Россия:
П. И. Маленко, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: malenko@tsu.tula.ru
О. В. Костыгова, магистр

ОАО «Волжский трубный завод», Волжский, Россия:
С. С. Коновалов, инженер ЦЗЛ

Под температурным режимом нагрева заготовок в нагревательных и термических печах понимают характер изменения температуры печи, поверхности и центра заготовки во времени. При нагреве металла под термическую обработку режим нагрева обычно задается из технологических соображений, а при нагреве под обработку металла давлением технологические условия определяют конечные температуры. Процесс нагрева следует осуществлять с максимальной скоростью, так как с уменьшением времени нагрева металлической садки повышается производительность печи, снижаются угар и обезуглероживание металла. Однако скорость нагрева садки приходится ограничивать в связи с опасностью перегрева поверхности заготовки, ее возможного коробления или даже разрушения под действием температурных напряжений. Поэтому получение качественной заготовки может быть связано с контролем температуры на ее поверхности и по сечению. Задача усложняется при нагреве садки металла в камерной печи, где она формируется в несколько слоев по высоте печи. На примере нагрева цилиндрической заготовки диаметром 0,08 м и длиной 0,25 м из стали 45 приведена методика расчета допустимого перепада температуры по ее сечению по сравнению с действительным с целью устранения возникновения недопустимых температурных напряжений. Установлено, что нагрев данной цилиндрической заготовки при загрузке ее в электрическую камерную печь при температурах 640 и 990 °C не приводит к возникновению недопустимых температурных напряжений по ее сечению. Методом физического моделирования проведен расчет перепада температуры по сечению единичного блюма и садки шести блюмов из стали ШХ15, уложенных в печи вплотную друг к другу в два слоя по высоте при различных начальных температурах электрического нагревательного колодца. Установлено, что для устранения возникновения недопустимых температурных напряжений в единичном блюме его загрузку в электрический нагревательный колодец нужно проводить при температуре печи не выше 470 °C, а нагрев садки из шести блюмов необходимо осуществлять при начальной температуре печи ниже 350 °C.

Авторы выражают благодарность К. Дж. Релмасире за помощь в проведении экспериментальных исследований.

Результаты исследования опубликованы при финансовой поддержке ТулГУ в рамках научного проекта 2017-76 ПУБЛ.

1. Кривандин В. А., Арутюнов В. А., Белоусов В. В., Крупенников С. А., Сборщиков Г. С., Кобахидзе В. В., Егоров А. В., Филимонов Ю. П. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. Теоретические основы : учеб. пособие для вузов. — М. : МИСИС, 2002. — 608 с.
2. Кривандин В. А., Белоусов В. В., Сборщиков Г. С., Кружков В. А., Кобахидзе В. В., Прибытков И. А., Егоров А. В., Филимонов Ю. П. Теплотехника металлургического производства. Т. 2. Конструкция и работа печей : учеб. пособие для вузов. — М. : МИСИС, 2002. — 736 с.

3. Кривандин В. А., Марков Б. Л. Металлургические печи. — М. : Металлургия, 1977. — 464 с.
4. Золотухин Н. М. Нагрев и охлаждение металла. — М. : Машиностроение, 1973. — 192 с.
5. Чэнь-ян Сюй. Разработка рациональной теплотехнологии получения непрерывнолитых заготовок: дис … канд. техн. наук. — Днепропетровск : Национальная металлургическая академия Украины, 2000. — 158 с.
6. Некрасова Н. С. Разработка методики расчета индукционных установок периодического действия для градиентного нагрева мерных цилиндрических заготовок : автореф. дис. … канд. техн. наук. — М. : МЭИ, 2013. — 19 с.
7. Дентелла Ф. Улучшенная технология сгорания для нагревательных печей прокатных станов // Черные металлы. 2017. № 6. С. 57–61.
8. Marschall Н. U., Jandl C. Design evaluation of BOF-linings with the aid of thermomechanical simulation // Proceedings of the Iron & Steel Technology Conference: 2–5 May 2011, Indianapolis, Indiana, U.S.A. 2011. Vol. 1. P. 1223–1230.
9. El Fakir O., Wang L., Balint D., Dear J. P., Lin J., Dean T. A. Numerical study of the solution heat treatment, forming, and in-die quenching (HFQ) process on AA5754 // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2014. Vol. 87. P. 39–48.
10. Su B., Han Z., Zhao Y., Shen B., Xu E., Huang S., Liu B. Numerical simulation of microstructure evolution of heavy steel casting in casting and heat treatment processes // ISIJ International. 2014. Vol. 54, No. 2. P. 408–414.
11. Zhou S., Song B., Xue P., Cai C., Liu J., Shi Y. Numerical simulation and experimental investigation on densification, shape deformation, and stress distribution of Ti6Al4V compacts during hot isostatic pressing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 88, No. 1–4. P. 19–31.
12. Shivaram P. K. CFD modeling to simulate gas stirring process using bottom plugs in a steel ladle // AISTech 2015 Proceedings: The Iron and Steel Technology Conference and Exposition, Cleveland, Ohio, 4–7 May, 2015. – Warrendale (Pa). 2015. Vol. 2. P. 2277–2286.
13. Гинкул С. И., Туяхов А. И., Сибирцева Ю. С. Математическое моделирование температурного режима нагревательных печей прокатных станов при одновременном нагреве металла различного сортамента // Сб. науч. тр. ДонНТУ-2012. Серия: Металлургия. 2012. Вып. 1(14)–2(15). С. 178–185.
14. Новосельцев В. Н. Достоинства и недостатки математического моделирования // Фундаментальные исследования. 2004. № 6. С. 121–122.
15. Хакль Г., Келлер С., Фелльнер В., Маршалл У., Пунгерсек Р., Туммер Б. Оптимизация огнеупорных изделий для сталеплавильных печей с помощью физического и численного моделирования // Черные металлы. 2018. № 1. С. 57–62.
16. Мастрюков Б. С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. В 2 т. Т. 2. Расчеты металлургических печей. — М. : Металлургия, 1986. — 376 с.
17. Казанцев Е. И. Промышленные печи. — М. : Металлургия, 1975. — 368 с.
18. Дубяго Д. С., Основин В. Н., Шуляков Л. В. Справочник по строительным материалам и изделиям. — Ростов н/Д : Феникс, 2008 — 443 с.
19. Гришук Т. В. Строительные материалы и изделия. — Минск : Дизайн ПРО, 2004. — 312 с.
20. Домокеев А. Г. Строительные материалы. — М. : Высшая школа, 1989. — 495 с.
21. Фокин В. М., Ковылин В. М., Чернышов В. Н. Энергоэффективные методы определения теплофизических свойств строительных материалов и изделий. — М. : Спектр, 2011. — 155 с.
22. Крючков О. Б., Копасов Е. А., Ковылин А. В. Расчетно-экспериментальное определение параметров при физическом моделировании нагрева металла // Известия ВолгТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». 2012. Вып. 6. № 9(96). C. 175–179.
23. Крючков О. Б., Копасов Е. А., Роненко В. О. Оптимизация нагрева теплотехнически массивных заготовок с использованием физического моделирования // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». 2013. Вып. 7. № 6(109). C. 135–137.
24. Крючков О. Б. Использование физического моделирования для определения температурного поля в заготовке // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 1. С. 12–20.
25. Крючков О. Б., Иванов А. С., Кострюков А. С. Компьютерное моделирование для анализа температурных полей в нагреваемых металлических заготовках // Известия ВолгТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». 2014. Вып. 9. № 9(136). C. 127–129.
26. Крючков О. Б., Волчков В. М., Крохалев А. В. Моделирование и теплотехнические расчеты процессов в нагревательных и термических печах. Ч. 2. Использование вычислительной техники для расчета времени нагрева металлических изделий : учеб. пособие. — Волгоград : ВолгГТУ, 2017. — 184 с.
27. Корнеев С. В., Ратников П. Э., Менделев Д. В. Факторы, влияющие на точность моделирования процессов нагрева металла в печах // Литье и металлургия. 2011. № 1. С. 72–78.
28. Цаплин А. И., Никулин И. Л. Моделирование теплофизических процессов и объектов в металлургии : учеб. пособие. — Пермь : Изд-во Пермского гос. техн. ун-та, 2011. — 299 с.