ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»:
О. Б. Крючков, канд. техн. наук, зам. декана, эл. почта: bardb@mail.ru
Н. И. Габельченко, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: natalya-ig@rambler.ru

ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»:
П. И. Маленко, канд. техн. наук, доцент, эл. почта: malenko@tsu.tula.ru
Л. Г. Саранин, магистрант, эл. почта: saranin53@mail.ru

Для теплотехнического расчета проходных и камерных нагревательных печей, предназначенных для нагрева заготовок под обработку металла давлением и термическую обработку, с использованием математического пакета MathConnex (часть МаthСаd Pro) представлены блок-схемы секционной печи и печи с выкатным подом, которые содержат блоки с исходными и выходными данными, а также расчетные блоки: «Топливо», «Время нагрева», «Тепловой баланс», «Горелка, форсунка», «Рекуператор» и «Дымовая труба». Блок-схемы «собираются» на экране монитора с помощью заранее разработанных указанных блоков интерактивными средствами с использованием соответствующей «палитры» и соединяются стрелками-связями, показывающими пути передачи исходных и расчетных данных. Блоки с исходными данными и выходными параметрами для удобства чтения оформляют в виде таблиц в Microsoft Excelе, а расчетные блоки составляют на базе МаthCad Рrо, насыщают необходимыми программами, «кодируют» данные, переданные из других блоков, которые прописывают в виде формул и рассчитывают. Предложенная схема теплотехнического расчета позволяет автоматизировать следующие расчеты: состав печной атмосферы, калориметрическая и действительная температура продуктов горения, теплофизические параметры металла, кладка, критерий Фурье, температурные критерии поверхности и центра металла; позволяет решать различные уравнения, в том числе систему уравнений для определения температуры между слоями в многослойной кладке, расчета времени нагрева заготовок и др. Разработанные блок-схемы с целью оптимизации технологического процесса можно использовать многократно для различных исходных данных: составов топлива, типов горелок, форсунок и рекуператоров, схем укладки заготовок на поде печи, толщин и материалов кладки печей и др. Кроме того, математический пакет MathConnex (часть МаthСаd Pro) позволяет детально проанализировать, в том числе с помощью построения графиков, интересующие параметры благодаря следующим дополнительным инструментам Ramp, Conditional и Stop or Pause: выбор температуры печи в начале нагрева с целью устранения возникновения опасных температурных напряжений в нагреваемом металле; пути снижения потерь тепла с уходящими из печи продуктами сгорания; сравнить влияние на приведенный коэффициент излучения степени черноты металла, продуктов сгорания и степени развития кладки; проанализировать влияние способа укладки заготовок в печи на время и равномерность их нагрева; влияние коэффициента избытка воздуха и соотношения азота к кислороду в воздухе на объем продуктов сгорания и др.

1. Ланге Э. Технологическое лидерство благодаря инновационной технологии термической обработки // Черные металлы. 2016. № 10. С. 69–75.
2. Денкер Й., Цандер Д., Гетше М. Концепция управления ходом печи 4.0 — гибкая система управления действующими печными агрегатами // Черные металлы. 2018. № 6. С. 42–45.
3. El Fakir O., Wang L., Balint D. et al. 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.
4. Su B., Han Z., Zhao Y. et al. Numerical simulation of microstructure evolution of heavy steel casting in casting and heat treatment processes // ISIJ International. 2014. Vol. 54(2). P. 408–414.
5. Zhou S., Song B., Xue P. et al. Numerical simulation and experimental investigation on densifi cation, shape deformation, and stress distribution of Ti6Al4V compacts during hot isostatic pressing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 88, Iss. 1-4. P. 19–31.
6. Guo Z., Zhou J., Zhang D. Numerical simulation of the through process of aerospace titanium alloy casting filling, solidification, and hot isostatic pressing // 8th International Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing (ICPNS) (14–17 October) Seattle, Washington. 2016.
7. Wang H., Li G., Lei Y. Mathematical heat transfer model research for the improvement of continuous casting slab temperature // ISIJ International. 2005. Vol. 45, Iss. 9. P. 1291–1296.
8. Jang, J. H., Lee D. E., Kim M. Y., Kim H. G. Investigation of the slab heating characteristics in a reheating furnace with the formation and growth of scale on the slab surface // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. Vol. 53. No. 19-20. P. 4326–4332.
9. Stephen P. T. Mathcad for Electrical Engineers and Technologists. — M. : Publisher: Stephen Philip Tubbs; Kniga po Trebovaniyu, 2009. — 108 p.
10. Meriam J. L., Kraige L. G. Solving Statics Problems with MathCAD. — M. : Publisher: John Wiley and Sons, 2001. — 128 p.
11. Крючков О. Б. Использование физического моделирования для определения температурного поля в заготовке // Известия вузов. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 1. С. 12–20.
12. Крючков О. Б., Маленко П. И., Коновалов С. С., Костыгова О. В. Исследование влияния начальной температуры печи на перепад температуры по сечению заготовки с использованием физического моделирования // Черные металлы. 2018. № 12. С. 34–40.
13. Редина Т. В. Исследование построения и настройки имитационных моделей в интеграторе MATHCONNEX системы MATHCAD // Информационные технологии в образовании : мат-лы Всерос. науч.-практ. интернет-конф. (25 октября – 10 ноября 2010 г.) — Саранск, 2010. С. 80–82.
14. Хомченков П. Ю., Питолин В. М. Разработка модели радиолинии связи с повторным использованием частоты на базе программной системы MathConnex // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий : мат-лы междунар. конф. и росс. науч. школы. — Москва–Воронеж–Сочи, 2001. С. 110–115.
15. Ochkov V., Orlov K., Voloshchuk V. Thermal Engineering Studies with Excel, Mathcad and Internet. — Springer International Publishing Switzerland, 2016. — 307 p.
16. Zongyu L., Barr P. V., Brimacombe J. K. Computer simulation of the slab reheating furnace // Canadian Metallurgical Quarterly. 1988. Vol. 27. No. 3. P. 187–196.
17. Горожанкин С. А., Шитов А. А., Савенков Н. В. Методики для аппроксимации зависимостей нескольких переменных в программной среде MS Excel и MathCad // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2016. Вып. 3 (247). С. 35–47.
18. Капов С. Н., Орлянский А. В., Кожухов А. А. и др. Особенности обработки статистической информации в MS EXCEL // Научно-методические аспекты повышения качества образования : сб. тр. по мат-лам науч.-метод. конф. — Ставрополь : Адрус, 2017. — С. 106–113.
19. Капов С. Н., Орлянский А. В., Бобрышов А. В. Построение гистограммы распределения случайных чисел в системе MATHCAD // Научно-методические аспекты повышения качества образования : сб. тр. по мат-лам науч.-метод. конф. — Ставрополь, Адрус, 2017. — С. 113–122.
20. Черняк А. А., Кутерева А. А., Горбач О. Н. Симбиоз MathCad и Excel — эффективное средство для решения математических и прикладных задач // Информатизация образования. 2006. № 4. С. 50–60.
21. Макарычева А. И. Обработка хроматографических данных с использованием ППП MathCad и электронных таблиц MS Excel // Молодежь и современные информационные технологии : сб. тр. XIII Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 2 т. — Томск, 2016. — С. 278–279.
22. Слиденко А. М., Шишкина Л. А., Непышневский А. В., Агапова Е. А. Оптимальные решения с примерами в MS EXCEL и MATHCAD : учеб.-мет. пособие. — Воронеж : Воронежский гос. аграр. ун-т им. Императора Петра I, 2013. — 86 с.
23. Иоффе Л. А., Голдобина Т. А. Применение MathCad и Excel в инженерных задачах : учеб.-метод. пособие. — Гомель : БелГУТ, 2015. — 36 с.
24. Мастрюков Б. С. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. В 2 т. Т. 2. Расчеты металлургических печей. — М. : Металлургия, 1986. — 376 с.
25. Казанцев Е. И. Промышленные печи. — М. : Металлургия, 1975. — 368 с.
26. Кривандин В. А., Арутюнов В. А., Белоусов В. В. Теплотехника металлургического производства. Т. 1. Теоретические основы : учеб. пособие для вузов. — М. : МИСИС, 2002. — 608 с.