Файл: Шичков А.Н. Температурный режим листопрокатных валков.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.07.2024
Просмотров: 93
Скачиваний: 0
ходимо учитывать эту зависимость. Существующие численные ме тоды с помощью ЭВМ и методы электротепловой аналогии (ЭТА) [33] позволяют решать частные конкретные задачи. При необходи мости такая задача может быть решена и для валка.
Исследования температурного поля поверхностной зоны вра щающегося рабочего валка (приведенные в § 4) показали, что об ласть температурного поля, в которой значения температур превы шают 200—250° С, т. е. область, где необходимо учитывать влияние температуры на теплофизические свойства (поверхность контакта валка и прокатываемого металла и близлежащая зона вглубь по радиусу), чрезвычайно мала по сравнению со всем рассматривае мым температурным полем. Учитывая этот факт, будем находить аналитическое решение нашей задачи при условии, что коэффициент температуропроводности материала валка не зависит от темпера туры.
Перейдем к заданию граничных и начальных условий, имея в виду,что решено рассматривать раздельно радиальное и осевое температурные поля валка.
Г р а н и ч н ы е у с л о в и я в р а д и а л ь н о м с е ч е н и и р а б о ч е г о - в а л к а . В процессе прокатки рабочие и опорные вращающиеся валки листопрокатных станов и роликов УНРС имеют смешанные граничные условия, зависящие от угла <р. В качестве иллюстрации на рис. 2, а представлена схема распреде ления граничных условий рабочего валка листопрокатного стана.
В зоне фі верхний и нижний рабочие валки соприкасаются с про катываемым металлом, имеющим температуру tn. В зоне ф3 на по верхность валка подается из брызгальных коллекторов 5 и 7 охлаж дающая жидкость (вода или эмульсия), имеющая температуру /)К. Для предотвращения попадания охлаждающей воды на прокаты ваемый металл установлены съемники воды (проводки) 3 и 8. В зо нах ф2 и ф4 валок воспринимает тепловой поток путем лучистого теплообмена с прокатываемым металлом, и часть тепла отдается конвекцией окружающему воздуху. В зоне фа рабочий валок клети типа «кварто» соприкасается с опорным валком.
Рассмотрим каждую зону раздельно. В зоне ф3, как уже отме чалось, валок охлаждается жидкостью (водой или эмульсией). Согласно исследованиям конвективного теплообмена, при струй ном охлаждении вращающихся валков, приведенных в главе III, численное значение коэффициента теплоотдачи а, отнесенного к полной поверхности валка при подаче воды с одного коллектора, равно приблизительно 103 Вт/(м2-К). При-этом, естественно, сред ний коэффициент теплоотдачи, отнесенный к поверхности, непосред ственно охлаждаемой струями tpg, будет как минимум на порядок
выше, ибо фз = 30н-40°. При такой величине местного а число Ві в зоне Фз будет иметь значение
Bi = a D J l = ІО4 • 0.6/50 äs 100.
10
Рис. 2. Распределение граничных условий на поверхности верхнего рабочего валка листопрокатного стана
Пояснения в тексте
и
Согласно [43] при таком значении Ві в зоне ф" температура по
верхности валка практически равна температуре охлаждающей жидкости /ж.
Так как на выходе из зон фх и ср2 температура поверхности валка высокая, то в зоне фд имеет место кипение. Поток охлаждающей
воды, стекающей по нагретой поверхности вращающегося навстречу валка, создает благоприятные условия для интенсивного теплооб мена. Из-за того, что теплообмен происходит при атмосферном-дав лении и относительная скорость движения жидкости и нагретой поверхности превышает 5 м/с, коэффициент теплоотдачи достигает максимального значения 25 -ІО3 Вт/(м2-К), которому соответствует интенсивность пузырькового кипения при атмосферном давлении [25, 41, 49]. Интенсивный теплообмен в зоне фд приводит к резкому
понижению температуры поверхности валка до значений ниже 100° С. Значительный объем проточной воды, постоянно находя щейся между проводкой и валком, поглощает паровые пузыри. Видимо, поэтому при прокатке не наблюдается явно выраженного кипения на поверхности валка.
Величина угла фд не превышает 4-н6°; в связи с этим на значи
тельно преобладающей поверхности валка имеет место конвектив ный теплообмен без кипения. Поэтому в дальнейшем мы будем ис следовать конвективный теплообмен при струйном охлаждении
валка при отсутствии кипения на поверхности. |
|
В зонах фз и ф4 валок воспринимает тепловой поток |
путем |
лучистого теплообмена с прокатываемым металлом и отдает часть
тепла QK конвекцией окружающему воздуху. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
Оценим величины Qn h Q k . Согласно уравнению Стефана— |
Больц |
||||||||||
мана |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<2л = епрС0 [(Гл/100)4- ( 7 у і 0 0 ) 4] Ялв, |
|
|
|
||||||
где епр — приведенная |
степень |
черноты |
валка |
и |
прокатываемого |
|||||||
металла; |
С0 — лучеиспускательная |
способность |
абсолютно |
чер |
||||||||
ного тела (5,8 Вт/(м2-К); Тл, |
Тв — термодинамические темпера |
|||||||||||
туры листа и валка соответственно; Ялв — взаимная |
поверхность |
|||||||||||
облучения (может быть определена методом Поляка [25]). |
|
|
||||||||||
|
В соответствии с обозначениями, |
принятыми на рис. 2, а, |
Ялво = |
|||||||||
- |
0,5 (F2 + |
Fa - Fо); |
Ялв4 = |
0,5 |
(Fi + |
Fn - |
F0). |
|
|
|
||
|
Примем епр = 0,9. Так как (Гл/100)4> |
(Тв/100)4, то (Гв/100)4 = |
||||||||||
— |
0. При ф2 = 60° £>в = 0,6, расстоянии между клетями 1 = |
3 м, |
||||||||||
ширине |
прокатываемого |
металла Ь — 1 |
м и Тл = 1100 |
273 = |
||||||||
= |
1373 |
К, |
Ялво = 0,5 |
(0,5-0,б + |
3-1 — 2,6) = |
0,35 |
м2. |
|
Тогда |
|||
Q„ = 0,9-5,8 |
[(1373/100)4] 0,35 ж 66000 |
Вт. |
|
|
|
|
|
|||||
|
Согласно расчетам, приведенным в § 9 данной главы (табл. 2), |
тепловой поток, воспринимаемый валком от прокатываемого ме талла, без учета лучистого теплообмена в зависимости от клети из меняется от 3700ІО3 до 7800ІО3 Вт. Сравнивая эти цифры с вели чиной <2Л, становится очевидным, что учитывать лучистый тепло
12
обмен совершенно нецелесообразно. Что касается конвективного теплообмена, то здесь также QKбудет значительно меньше далее фл, ибо коэффициент теплоотдачи конвекцией от вращающегося валка а не превышает 20 Вт/(м2-К) [78]. Расчеты и рассуждения, приве денные выше, дают основание принять поверхности в зонах ср2 и ф4 практически изолированными, т. е. (ö0/3p)p=1 = 0 при ср2 и ср4.
В зоне срх контакта валка и прокатываемого металла имеет место комплекс сложных явлений: пластическая деформация металла, упругая деформация валка, проскальзывание, трение, термиче ское сопротивление окалины, эффект вращения и др. Представляет определенные трудности оценить каждое из этих явлений с точки зрения теплового эффекта. Можно предсказать только, что темпе ратура на поверхности валка увеличивается от точки 1 до точки 2 (см. рис. 2, а), причем в точке 2 /2 = ^max-sC
В зоне контакта опорного и рабочего валков ср5 температура на поверхности равна ton, причем /тах ^оп> іж- Нюке, когда при решении данной задачи будут введены новые понятия, мы уточним значения температур в зонах фх и ср5.
Таким образом, рассмотрев все зоны поверхности валка, примем, что нам известно распределение температур на поверхности Ѳ (ср), т. е. заданы граничные условия 1-го рода. На рис. 2, б представлен график этой функции, где по оси абсцисс отложен угол <р, т. ,е. дана
развертка круга. Нулевая точка соответствует точке 1 рис. |
2, |
а. |
|
По оси ординат отложена безразмерная температура от 0 до 1. |
Наи |
||
высшая точка соответствует Ѳтах = |
1, а нулевая точка Ѳж = |
0. |
|
На квазистационарном режиме |
функция Ѳ(ср) не меняется, |
а |
следовательно, имеется какая-то средняя температура Ѳ, которая определяет среднеобъемную температуру валка.
Исходя из требований технологии и конструктивных особенно стей, а именно: места размещения брызгальных коллекторов 5 и 7 (см. рис. 2, а), уровня установки проводок и др., комбинации гра ничных условий на внешней поверхности валка 0 (ср), а следова
тельно, и 0 могут быть различны. Температурный режим валка за висит от этих условий, и в процессе эксплуатации стана необхо димо уметь находить оптимальный вариант распределения гранич ных условий. Решение этого вопроса является одной из задач дан ной работы.
Прежде чем записать окончательное выражение для граничного условия на внешней поверхности валка, сделаем еще одно замеча ние. В процессе прокатки валок вращается с угловой скоростью со0, и решать уравнение (1.1) следует для вращающейся системы. Более удобно, если условие вращения заложить в граничное ус ловие.
В общем случае условие вращения может быть задано следую щим образом:
Ѳр=і = 0 (ф) [А cos (со0т) -j-ß sin (со0т)].
13
В зависимости от начальной фазы ср0, где tg ф0 = ВІА, может быть либо А — 0, либо В = 0, либо А Ф 0 я В Ф 0. С тем, чтобы решить общую задачу для любых ф0, положим А = 1, а ß = і (мни мая единица); тогда граничные условия примут вид
Ѳр=1 = Ѳ(ф) [cos (со0т) + i sin (со0т)] = Ѳ(ф) еш°х = 0 (ф) é PdFo,
где Рс? = щНІІа — критерий Предводителева.
Такое представление граничных условий в комплексной форме широко используется при решении различных краевых задач ма тематической физики [1, 4, 18].
При наличии внутреннего охлаждения теплообмен при р = рх может быть задан граничным условием 3-го рода. Однако учитывая," что при организации внутреннего охлаждения мы будем стремиться к максимальной интенсивности, при решении уравнения (1.1) при мем, что на внутренней поверхности заданы граничные условия
1-го рода, т. е. Ѳр=р = Ѳ, = const.
В том случае, когда имеется осевое отверстие, а вынужденного внутреннего охлаждения нет, то учитывая, что интенсивность имею щейся там свободной конвекции весьма мала, можно считать поверх ность рх теплоизолированной, а именно дѲ/öp = 0 при р = рх. Если при этом рх<[0,2 -г- 0,3, то решение уравнения (1.1) соответст вует решению для сплошного цилиндра.
Н а ч а л ь н ы е у с л о в и я . В общем случае следует считать при решении уравнения (1.1) для радиального сечения, что нам заданы начальные условия в виде функции распределения по р и ф:
Ѳ(р, ф, 0) = Ѳ„(р, ф).
Перед завалкой в клеть валки листопрокатных станов разогре вают в индукционных установках до температуры 70—80° С, а затем выдерживают определенный период для выравнивания тем пературного поля. В связи с этим практически следует считать, что температурное поле валка перед прокаткой первого рулона (рас ката) равномерно и равно t0, т. е. Ѳ = Ѳ0 = const при %= 0.
Мы описали граничные и начальные условия для радиального сечения валка. Что касается осевого сечения, то этому вопросу по священ § 6 данной главы. Уравнение (1.1), начальные и граничные условия, описывающие нестационарное радиальное температурное поле валка при условии, что теплофизические свойства материала не зависят от .температуры, имеют вид
д2Ѳ 1 |
дѲ |
. 1 |
д2Ѳ dQ |
(1.2) |
|||
dp2 |
P |
3() |
p3 |
dtp2 |
öFo |
||
|
|||||||
Ѳ= |
Ѳ0 |
при Fo = 0; |
|
(1.3) |
|||
0 = |
0 (ф) è |
PdFo |
при p = |
1, |
(1.4) |
14