автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок

Сафонов Дмитрий Сергеевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ СЕКЦИЙ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЙ 2015

Оренбург-2015

005568398

005568398

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (г. Магнитогорск).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Логунова Оксана Сергеевна,

заведующий кафедрой вычислительной техники и программирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Гущин Вячеслав Николаевич,

профессор кафедры металлургических технологий и оборудования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

кандидат технических наук, доцент Сергеев Александр Иванович,

доцент кафедры систем автоматизации производства федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Ведущее предприятие: Федеральное государственное автономное образова-

тельное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится 20 июня 2015 г, в 10:00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.181.06, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 170208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» (ОГУ)

http://osu.ru/doc/3616/asp/63.

Автореферат диссертации размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ОГУ http://osu.ru/doc/3616/asp/63.

Автореферат разослан «21» апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

■¿¿¿¿p/s-

В.Н. Шерстобитова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современное промышленное производство использует технологические агрегаты, которые в своем составе имеют сложноструктурированные технологические узлы. Каждый из узлов вносит вклад в формирование качества производимой продукции или полуфабриката. Машина непрерывного литья заготовок (MHJI3) является одним из агрегатов, используемых в металлургическом производстве, и на этапе непрерывной разливки закладываются предпосылки качества стального листа, балок и т.п., передающихся впоследствии в различные отрасли народного хозяйства.

Конструкция MHJI3 предполагает наличие основных технологических узлов, среди которых важную роль играют секции зоны вторичного охлаждения (ЗВО). Обоснованность выбора проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях ЗВО является одним из условий обеспечения качества продукции и полуфабриката в соответствии с требованиями потребителя. Современное развитие аппарата математического моделирования теплового состояния заготовки позволяет выполнить разработку специализированных средств для интерактивного синтеза и последующего анализа проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ.

В области теории и практики проектирования и эксплуатации МНЛЗ накоплен значительный положительный опыт. Вопросы проектирования МНЛЗ и исследования температурных полей непрерывнолитых заготовок отражены в трудах зарубежных и российских исследователей. Труды В.Т. Борисова, Ю.А. Самойловича, B.Thomas определили развитие математической теории в области исследования теплового состояния заготовки. В области прогностического моделирования развития внутренних и поверхностных дефектов непрерывнолитой заготовки можно отметить труды J. Brimacombe, Р. Du, J. Lee, J. Risso, F. Pascon, В. Thomas и др. В области практического применения и развития технологии непрерывной разливки следует выделить труды Л.В. Буланова, Д.П. Евтеева, В.А. Емельянова, A.B. Куклева, В.Г. Лисиенко, В.М. Паршина и др.

Однако, несмотря на проведенные исследования и значительное число публикаций в области проектирования МНЛЗ и исследования работы ЗВО, остаются актуальными следующие проблемы:

— отсутствие комплексных методик синтеза и анализа проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ на основе моделирования теплового состояния заготовки при заданной схеме расположения форсунок;

— отсутствие критерия для оптимизации поперечного температурного профиля на поверхности заготовки, учитывающего условия симметричности и равномерности поля температур;

— отсутствие автоматизированных систем для интерактивного проектирования схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ и анализа теплового состояния заготовки в условиях новых схем расположения форсунок.

Целью работы является совершенствование процесса проектирования конструкции секций вторичного охлаждения МНЛЗ на основе интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок.

Для достижения цели решены задачи:

— проведение теоретико-информационного анализа конструкции ЗВО МНЛЗ, направленного на выявление недостатков схемы расположения форсунок при получе-

нии непрерывнолитых заготовок пониженного качества и определение требований к схеме расположения форсунок;

— построение математической модели теплового состояния непрерывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ, учитывающей влияние схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ на тепловое состояние заготовки, для интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок;

— проектирование и разработка интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ;

— проведение вычислительного эксперимента на основе интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ для построения библиотеки оптимальных проектных решений.

Объект исследования - конструкция секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок.

Предмет исследования — формализация процедур проектирования схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок.

Методы исследований. В диссертационной работе проведены исследования с использованием методов:

— теории вероятностей и математической статистики при обработке данных, полученных в ходе пилотажного и специализированного экспериментов;

— математического моделирования при идентификации теплового поля непрерывнолитой заготовки в процессе ее затвердевания в ЗВО МНЛЗ в зависимости от схемы расположения форсунок и роликов в секциях вторичного охлаждения;

— численного решения уравнения тепловодности с граничными условиями третьего рода при наличии эмпирических зависимостей для физико-химических характеристик и зонально-секционном построении машин непрерывного литья заготовок;

— объектно-ориентированного программирования, компьютерной графики при разработке программного продукта для прогностического моделирования теплового состояния непрерывнолитой заготовки в условиях заданной конструкции секций вторичного охлаждения и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ.

Научную новизну составляют:

— математическая модель для описания теплового состояния непрерывнолитой заготовки, отличающаяся наличием динамической системы граничных условий с модифицированными зависимостями для идентификации коэффициента теплоотдачи с поверхности заготовки и включающая формализованное описание требований к поперечному тепловому профилю на поверхности заготовки;

— методика поиска оптимальной схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, отличающаяся наличием комплексного критерия, объединяющего условия симметричности и равномерности поперечного теплового профиля на поверхности заготовки;

— структура интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, включающая программные модули прогностического моделирования теплового состояния заготовки, оптимизации температурного профиля на поверхности заготовки, ви-

зуализации результатов расчетов, интерактивного взаимодействия проектировщик-система.

Практическая значимость работы заключается в разработке алгоритмов и программных модулей для интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ. Интерактивная система анализа и синтеза проектных решений опробована в ООО «Исследовательско-технологический центр Аусферр», ЗАО «Проектно-конструкторский институт информационных технологий», а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Новизна и значимость разработанных технических решений подтверждена свидетельством о регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся:

1) математическая модель теплового состояния непрерывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ, включающая модифицированные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи на участках поверхности заготовки с различным видом охлаждения и формализованное описание требований к поперечному тепловому профилю на поверхности заготовки;

2) методика оптимизации схемы расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ на основе комплексного критерия поперечного теплового профиля поверхности заготовки, характеризующего степень соответствия профиля технологическим требованиям получения заготовки обычного качества;

3) структура интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, построенная на основе алгоритма оптимизации с комплексным критерием и позволяющая выполнять прогностическое моделирование теплового состояния заготовки в условиях новых конструкций секций вторичного охлаждения МНЛЗ и оптимизацию схемы расположения форсунок.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на 69, 70 и 71 научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (Магнитогорск, 2011, 2012, 2013 гг.), на XIII международной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2013 г), на Школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2014 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 7 публикациях, в том числе в 4 публикациях в рецензируемых научных изданиях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка используемых источников и приложений, изложена на 166 страницах, в том числе 135 страниц основного текста, 9 таблиц, 77 рисунков, список использованных источников из 103 наименований и приложения на 31 листе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность решаемой научной задачи, формулируются цель и задачи исследования, перечисляются методы исследований, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы, приводятся результаты, выносимые на защиту.

В разделе «Теоретико-информационный анализ конструкции и способов проектирования секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок» выполнен теоретико-информационный анализ конструкции ЗВО MHJI3, направленный на выявление недостатков схемы расположения форсунок при получении непрерыв-нолитых заготовок пониженного качества, и определены требования к схеме расположения форсунок.

Результаты теоретико-информационного анализа показали, что наибольшее распространение получили криволинейные слябовые MHJI3, установленные на крупных металлургических предприятиях, таких как ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», Череповецкий металлургический комбинат (группа «Северсталь), Новолипецкий металлургический комбинат (группа «HJIMK»). Принципиальная схема криволинейной слябовой MHJI3 приведена на рисунке 1. Анализ конструкции MHJI3 и подходов к исследованию технологических процессов проводился на основе экспериментальных наблюдений, изучения и анализа технологических инструкций, стандартов и метрологического обеспечения.

Результаты исследования принципиального узла MHJI3 — ЗВО показали, что при помощи системы форсунок, подающих охладитель, от заготовки отводится от 70 до 80 % тепла, чем достигается полное затвердевание заготовки. Профиль охлаждения заготовки в ЗВО зависит от расположения форсунок по ширине и длине заготовки, типов форсунок и расходов охладителя, при этом к профилю охлаждения выдвигаются технологические требования: монотонное снижение температуры по поперечному сечению заготовки при ее движении в ЗВО; минимальный перепад температуры на единицу длины в продольном и поперечном направлении по телу заготовки для снижения величины температурных напряжений, способных привести к развитию трещин. Для выполнения второго требования необходимо выбрать схему расположения форсунок, при этом выбор необходимо производить с учетом характера распределения охладителя по пятну орошения форсунок, который специфичен для каждого типа форсунок.

Установлено, что оценка влияния заданной схемы расположения форсунок на тепловой профиль заготовки на этапе проектирования MHJI3 затруднена в силу сложности происходящих тепловых и физико-химических процессов; отсутствуют методики выбора схемы расположения форсунок в ЗВО MHJI3; отсутствуют интерактивные средства, позволяющие сократить сроки решения задачи выбора оптимальной схемы расположения форсунок.

Изучение существующих CAE-систем (ANSYS, NX CAE, ADAMS, SIMULIA) показало, что их адаптация к решению задачи выбора схемы расположения форсунок влечет за собой трудозатраты, вероятно превышающие разработку специализированной системы, требует дорогостоящего обучения специалистов, а также наличия высокомощного и дорогостоящего аппаратного комплекса для эффективного проведения расчетов в масштабах MHJI3, что делает их возможное применение неэффективным.

Анализ результатов существующих научных исследований показал, что современный аппарат математического моделирования теплового состояния непрерывноли-той заготовки позволяет построить комплексную методику для решения задач проек-

Рисунок 1 — Принципиальная схема криволинейной МНЛЗ

тирования конструкции ЗВО по данным прогностического моделирования теплового состояния заготовки.

На основании проведенного анализа проблемы сформулирована цель и задачи работы.

В разделе «Математическая модель теплового состояния непрерывнолитой заготовки для интерактивной системы выбора оптимальной схемы расположения форсунок в зоне вторичного охлаждения» выполнено построение математической модели теплового состояния непрерывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ, учитывающей конструкционные особенности секций вторичного охлаждения МНЛЗ, и постановка задачи оптимизации схемы расположения форсунок для интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ.

Для моделирования теплового состояния заготовки введены допущения, не изменяющие физико-технологической сущности задачи, основными из которых являются: тепловое поле всей заготовки определяется на основе моделирования состояния поперечного двумерного сечения, движущегося по длине ЗВО со скоростью вытягивания заготовки; система координат для моделирования введена согласно схеме, представленной на рисунке 2, и температурное поле заготовки описывается уравнением теплопроводности

Рисунок 2 - Схема расположения системы координат для моделирования теплового состояния заготовки

(1)

где / - температура, °С; р — плотность стали, кг/м3; Сэ(/) - эффективная теплоемкость стали, Дж/(кг-град); Аэ(/) - эффективный коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м-град).

Эффективные величины определяются на основании квазиравновесной модели двухфазной зоны согласно теории В.Т. Борисова. Уравнение теплопроводности дополнено динамически изменяющимися граничными условиями: дЬ at

у=о = «(*- 0,т)(Сп(х,0,т) - Сс); А — | х=0 = а(0,у,т)(£п(0,У,т) - Сс);

дх' дt

-Л— | у=л = а(0,Л,т)СепС0,/г,т)

дх

ас

■ ¿с); = а(у,у,т)(Гп(IV,у,т) - сс),

(2)

где м>, Ь - ширина и толщина заготовки, м; /п - температура поверхности заготовки, 2 3 1 °С; и — температура среды, °С; а{х, у, т) —

коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • град).

Наличие изменяющихся граничных условий третьего рода обусловлено движением сечения заготовки по ЗВО, в процессе чего поверхность сечения переходит между областями с различным видом охлаждения: орошаемыми охладителем, контакта с роликами и воздушного охлаждения (рисунок 3).

Рисунок 3 - Области с различным видом охлаждения поверхности заготовки: 1 — орошаемые области; 2 - области контакта с роликами; 3 - области контакта с воздухом

Интенсивность охлаждения заготовки различна между областями и является неоднородной в рамках выбранной области. В орошаемых областях охладитель, поступающий из форсунок, распределяется по поверхности заготовки неравномерно (рисунок 4). Это обусловлено особенностями конструкции форсунок и приводит к различиям в плотности орошения отдельных участков поверхности.

Участки, находящиеся непосредственно под соплами, охлаждаются интенсивнее. В областях контакта с роликами середина поверхности заготовки под действием фер-ростатического давления жидкой лунки прижимается к поверхности ролика сильнее, что приводит к более интенсивному теплообмену между поверхностью заготовки и роликом в области их контакта. Временной шаг однозначно определяет позицию расчетного сечения по длине ЗВО, что позволяет определить тип области, в которой находится заданный участок поверхности расчетного сечения на заданном шаге. Отдельные участки поверхности расчетного сечения в выбранный момент времени могут находится в областях различных типов.

II

5'8

г\

Координата по ширине

Координата по ширине

Рисунок 4 - Различия в интенсивности теплообмена на поверхности заготовки

Коэффициент теплоотдачи определяется модифицированными эмпирическими зависимостями T. Nozaki, В. Thomas, R. Hardin:

аф(;x,z) = к ■ 1570 • ( ^ wxi(x - хд ■ pzi(z - Z;) \i=0

(l- 0.007S(tB));

aJx~)

рмин

(3)

aB(x,z) = P

££To(tn_a6c (X,z)4 — tca6c)

W 4 _ *4

рмакс

+ aK0HB + Q -G{x,z),

абс

где аф(х, г), аР(х, z), ав(х, z) — коэффициенты теплоотдачи в орошаемых областях, контакта с роликами и контакта с воздухом, Вт/(м2 -град); wx^x1) - одномерная локальная плотность орошения форсунки i на удалении х' от сопла форсунки по оси х, л/(м-с); pzi(z') - относительная плотность орошения форсунки i на удалении z' от сопла форсунки по оси г, Xj, zi - координаты проекции сопла г'-й форсунки на поверхности заготовки; ; <= (1...и) — индексы форсунок, в область орошения которых попадает точка поверхности с координатами (х, г); и - температура охлаждающей воды, fa_a6c(x, г), /с_абс - абсолютные температуры поверхности и среды, К; е — приведенный коэффициент черноты тела; сг„ — постоянная Стефана-Больцмана; G{x, z) - средний расход охладителя на поверхность заготовки в секции ЗВО, к которой принадлежит точка (х, z), л/(м2 -с); к, «рмакс, армии, «конв, Р, Q- эмпирические константы.

Решение системы уравнений (1)—(2) реализовано методом переменных направлений по схеме Писмена-Рэкфорда.

Для разработки методики оптимизации схемы расстановки форсунок в ЗВО было введено понятие поперечного теплового профиля грани заготовки и комплексный критерий оптимизации. Пусть по поверхности заготовки перпендикулярно направлению ее движения проведена условная линия. Температуру поверхности заготовки вдоль этой линии определим как поперечный тепловой профиль грани. Рассматриваем поперечный тепловой профиль в дискретном виде как набор температур Ь в точках х>, / = 1 ...п, п — количество расчетных точек на линии.

С технологической точки зрения к поперечному тепловому профилю грани выдвигаются следующие требования: минимальное значение величины абсолютных перепадов температуры на единицу длины поверхности заготовки; симметричность теплового профиля относительно середины грани.

Математическая модель дополнена формализованным описанием требований к поперечному тепловому профилю на поверхности заготовки следующего вида:

( тл \2 2 *

\т-1 + 1)

где Аь А2 — весовые коэффициенты, определяемые экспертом. Смысл (4) заключается в линейной комбинации двух компонент, первая из которых оценивает вариацию температур относительного среднего значения в точках профиля (из рассмотрения исключаются точки, прилегающие к углам ближе, чем на 5 %, отсюда индексы I и т) и характеризует равномерность теплового профиля. Графический смысл первой компоненты представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Графический смысл первой компоненты критерия: а - распределение температуры по ширине заготовки при условии неравномерного охлаждения поверхности заготовки по ширине; б -распределение температуры по ширине заготовки при условии приближенно равномерного охлаждения заготовки по ширине

Вторая компонента выражения (4) характеризует симметричность теплового профиля относительно середины грани путем представления температуры в точках как их массы и вычисления смещения центра «тепловой» массы относительно середины грани (рисунок 7).

Рассмотрение (4) в качестве целевой функции позволило выполнить постановку задачи оптимизации для поиска оптимальных позиций форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ.

Пусть все секции вторичного охлаждения содержат К рядов форсунок, в каждом к-м ряду содержится щ форсунок и их положение задано вектором коорди-

нат Хк(хк1,хк2, ■~,Хкпк) Обозначим г* позицию выхода из зоны действия к-то ряда (рисунок 8), Т2к(Ь12к, Ь22к, ••■Дпг2к)- вектор температур точек поперечного теплового профиля в позиции ¿к, т - частота дискретизации по ширине заготовки, м/ - ширина заготовки.

Большее значение компоненты 2 Меньшее значение компоненты 2

Центр "тепловой"массы

Ширина заготовки Ширина заготовки

Рисунок 7 - Графический смысл второй компоненты критерия

Тогда задача оптимизации принимает вид: требуется найти такое множество векторов X={Xi..Xk}, каждый элемент которого представляет собой вектор координат форсунок в одном межроликовом пространстве, координаты форсунок являются аргументами функции температуры заготовки, удовлетворяющей решению задачи (1) - (3) и для которых выполняется комплексный критерий:

J (T2k(Xk)) ^ min.l < к < К при выполнении ограничений

xki-1 < xki < xki+1,2 < i <пк — 1; 0,05w < xki < 0,95w, 1 < i < nk; xki - 0,05p, p e N.

Пусть задана исходная схема расположения форсунок Хо={Хю.Хь} ■ Процедуру

оптимизации выполняем последовательно для каждого ряда. В позиции входа в зону действия очередного ряда (рисунок 8) считаем известным тепловое состояние сечения заготовки по результатам моделирования. Запоминаем состояние моделирования в этой позиции. Продолжаем моделирование теплового состояния сечения до позиции выхода.

Рассчитываем значение критерия ] (TZk(Xk)) на выходе. Данное значение критерия получено при начальных позициях форсунок. Если выполнить откат процесса моделирования до состояния на позиции входа и внести корректировки в позиции форсунок, а затем повторить расчет до позиции выхода, то получим значение критерия

J {TZk(X'k)) при скорректированных позициях форсунок.

Рисунок 8 — Позиции входа и выхода в зону действия ряда форсунок

Таким образом, расчет теплового поля от позиции входа до позиции выхода является процедурой вычисления критерия ] (т2к (Хк)) по произвольным значениям вектора Хк, что позволило воспользоваться методом направленного случайного поиска оптимального значения Хк по алгоритму наилучшей пробы.

Последовательно оптимизируя расположение форсунок в каждом ряду по ходу движения расчетного сечения, получаем оптимальную схему расположения форсунок в ЗВО. Схема алгоритма оптимизации представлена на рисунке 9.

На основе алгоритма выполнено проектирование и разработка интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок.

В разделе «Проектирование и разработка интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ» приведены результаты проектирования и разработки интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений (ИСАСОПР) по схеме расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ. Структура ИСАСОПР приведена на рисунке 10.

ИСАСОПР включает три подсистемы:

- подсистема ведения нормативно-справочной информации, включающая ведение справочника марок сталей с возможностью задания физических свойств и химического состава, ведение справочника исследуемых конструкций ЗВО с возможностью графического просмотра и редактирования параметров конструкции, ведение справочника начальных и калибровочных параметров моделирования;

- подсистема прогностического моделирования и оптимизации, выполняющая поиск оптимальной схемы расположения форсунок для выбранной конструкции ЗВО, формирование запроса на моделирование теплового состояния заготовки, непосредственно прогностическое моделирование теплового состояния заготовки с заданными калибровочными параметрами;

Подсистема ведения Подсистема прогностического Подсистема накопления нормативно-справочной моделирования и и визуализации

Рисунок 10 - Структура интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

- подсистема накопления и визуализации результатов, позволяющая выполнить сохранение сведений о тепловом состоянии заготовки в ЗВО и интенсивности процессов теплообмена на ее поверхности и отобразить двумерные графики температуры поверхности граней заготовки по секциям ЗВО (подмодуль 1), графики поперечного теплового профиля граней заготовки на выходе их секций ЗВО (подмодуль 2), двумерные графики величины коэффициента теплоотдачи на поверхности граней заготовки по секциям ЗВО (подмодуль 3), двумерные графики величины теплового потока на поверхности граней заготовки по секциям ЗВО (подмодуль 4), графики изменения температур отдельных точек расчетного сечения по всей длине ЗВО (подмодуль 5), накопительные графики количества тепла, отводимого охладителем, роликами или излучением и конвекцией (подмодуль 6).

ИСАСОПР подразумевает три основных сценария интерактивного взаимодействия проектировщик-система: заполнение и редактирование справочников конструкций ЗВО, марок сталей, начальных и калибровочных параметров моделирования; запуск процедуры оптимизации схемы расположения форсунок, состоящий из выбора

входных данных из справочников и, при необходимости, их корректирования для данного запуска; анализ графически представленных выходных данных, сформированных по итогам завершенных процедур оптимизации. На рисунке 11 приведены основные интерфейсные формы для организации взаимодействия «проектировщик-система».

При разработке ИСАСОПР была использована объектно-ориентированная методология программирования с применением языка Java и платформы для построения графических приложений Netbeans Platform.

тшяя

г. ЯЯШШ

Рисунок 11 — Экранные формы интерактивной системы синтеза оптимальной схемы расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ: а - форма редактирования физических свойств и химического состава стали; б - форма редактирования и просмотра параметров конструкции ЗВО Разработанная интерактивная система была использована для поиска оптимальной схемы расположения форсунок и исследования тепловой работы МНЛЗ.

В разделе «Результаты экспериментального исследования процесса непрерывной разливки стали на основе интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений» представлены результаты экспериментального исследования на основе интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ, а также оценка экономической эффективности разработки интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ.

В условиях ОАО «Уральская Сталь» для настройки прогностической модели проведены пилотажные и специализированные эксперименты для изучения формы распределения охладителя зонах орошения и температуры поверхности заготовки. Специализированный эксперимент проводился путем установки измерительной планки под действующими форсунками (рисунок 12). В пилотажном эксперименте проведены замеры температуры поверхности заготовки в различных точках по схеме, приведенной на рисунке 13.

Рисунок 12 - Измерительная планка для определения _ , „ „

распределения охладителя в области орошения Рисунок 13 " РезУльта™ измерения

, температуры поверхности заготовки

при помощи пирометра РПг Т640 По результатам исследования предложены зависимости для определения плотности орошения при моделировании теплового состояния заготовки. Результаты моделирования при использовании предложенных зависимостей плотности орошения показали отклонение температур на поверхности заготовки от экспериментальных значе-

ний не более 5 %, что позволило сделать вывод о возможности использования прогностической модели теплового состояния заготовки при построении интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений.

Вычислительный эксперимент по оптимизации схемы расположения форсунок был проведен для условий непрерывной разливки заготовок сечением 1200x270 мм марок сталей, принадлежащих группе К-52, при скорости вытягивания 0,9 м/мин. На рисунке 14 приведены результаты сравнительного анализа теплового поля поверхности заготовки при текущей и оптимальной схемах расположения форсунок, а на рисунке 15 - сравнение текущей и оптимальной схемы расположения форсунок в отдельных секциях. На рисунках 16 и 17 представлены диаграммы изменения критерия оптимизации в зависимости от позиций форсунок в выделенных рядах.

. Ширака звготоехи .

"5"--

© о

о о о о

о о

--о-----

©...............о

о о

а б

Рисунок 15 - Изменения в решении задачи оптимизации: а - начальное приближение; б - решение задачи оптимизации; в - значения коррекции в решении

а б

Рисунок 14 - Распределение температурных полей на поверхности заготовки: а -

в условиях использования начальной схемы; б - в условиях оптимальной схемы расположения форсунок; в - изменение значений температуры при переходе к оптимальной схеме

На основании проведенных вычислительных экспериментов установлено, что изменение марки стали, изменение скорости вытягивания заготовки в рамках технологически допустимых рабочих скоростей для заданного сечения заготовки не ведет к заметному изменению оптимального решения по схеме расположения форсунок. А существенным фактором, оказывающим влияние на оптимальное решение, является ширина заготовки.

зле

а б

Рисунок 16 - Результаты оценки поведения критерия оптимальности при получении оптимальной схемы расположения форсунок (см. рисунок 15) для ряда с двумя форсунками: а - схема расположения форсунок; б - диаграмма изменения критерия в выделенном ряду

-500Л} 0.3Ю 5С0,а

х]

а б

Рисунок 17 - Результаты оценки поведения критерия оптимальности при получении оптимальной схемы расположения форсунок (рисунок 15) для ряда с одной форсункой: а - схема расположения форсунок; б - диаграмма изменения критерия в выделенном ряду

Таким образом, разработанная интерактивная система позволила усовершенствовать процесс проектирования модернизированной конструкции секций вторичного охлаждения путем нахождения оптимальной схемы расположения форсунок средствами вычислительной техники и провести анализ тепловой работы МНЛЗ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен теоретико-информационный анализ влияния конструкционных особенностей секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок, определены технологические требования к профилю охлаждения заготовки. В ходе анализа определено назначение математической модели в проектировании МНЛЗ и перспективы построения интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ.

2. Предложена комплексная математическая модель теплового состояния заготовки и критерий оптимизации схемы расположения форсунок, отличающийся возможностью учета условий симметричности и равномерности поля температур. Предложенная математическая модель и критерий позволили выполнить постановку задачи оптимизации и разработать методику и алгоритм для выбора оптимальной схемы расположения форсунок с целью обеспечения профиля охлаждения заготовки для получения заготовок обычного качества.

3. Разработана структура и выполнена программная реализация интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, позволяющая усовершенствовать процесс проектирования конструкции секций вторичного охлаждения МНЛЗ за счет поиска оптимальной схемы расположения форсунок средствами вычислительной техники.

4. Проведены комплексные экспериментальные исследования, включающие пилотажный эксперимент по изучению температурного поля на поверхности заготовки в промышленных условиях, специализированный эксперимент по изучению распределения плотности орошения на поверхности заготовки в лабораторных условиях, вычислительный эксперимент-преобразование по синтезу проектных решений по схеме расположения форсунок для построения библиотеки и последующего использования в процессе проектирования новых конструкций, модернизации существующих и освоении новых сортаментов продукции.

5. Внедрение разработанных решений позволяет получить предполагаемый экономический эффект за счет эффективного проведения проектировочных работ и эксплуатации МНЛЗ в новых условиях 3,106 млн. руб. в год.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых научных изданиях:

1. Сафонов, Д.С. Моделирование теплового состояния бесконечно протяженного тела с учетом динамически изменяющихся граничных условий третьего рода / О.С. Логунова, И.И. Мацко, Д.С. Сафонов // Вестник ЮУрГУ. Сер. Математическое моделирование и программирование. — 2012. - Вып. 13. - С. 74-85.

2. Сафонов, Д.С. Распределение плотности орошения плоскофакельной форсунки в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ / В.Д. Тутарова, А.Н. Шаповалов, Д.С. Сафонов // Металлург. - 2012. - №. 6. - С. 49-52.

3. Сафонов, Д.С. Автоматизация проектирования конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок / Д.С. Сафонов, О.С. Логунова // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2015. -№ 1. - С. 110-125.

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:

4. Сафонов, Д.С. Моделирование теплового состояния заготовки в МНЛЗ / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613889. / Д.С. Сафонов, В.Д. Тутарова, А.Н. Калитаев // Б ПБТ. - 2013. - № 2. - С. 393.

Публикации в других изданиях:

5. Сафонов, Д.С. Выбор рациональной схемы расстановки форсунок в зоне вторичного охлаждения МНЛЗ / Д.С. Сафонов, В.Д. Тутарова // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. — Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. — № 1. — С. 76—79.

6. Сафонов, Д.С. Структура автоматизированной системы синтеза оптимальной конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок / Д.С. Сафонов, О.С. Логунова // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. —2014. — № 2. — С. 75-81.

Подписано в печать 09.04.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага тип.№ 1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 261.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»