автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров охлаждения металла и поверхности шлака при внепечной обработке стали

О'

на правах рукописи <;«с-

МАЩЕНКО МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА И ПОВЕРХНОСТИ ШЛАКА ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ

специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в металлургии)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец 2013

005531649

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Череповецкий государственный университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кабаков Зотей Константинович

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Ершов Евгений Валентинович

Официальные оппоненты Швецов Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор, декан факультета заочного и дистанционного обучения, профессор кафедры Информационных систем и технологий ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет»

Елисеев Андрей Александрович

кандидат технических наук, специалист по исследованию сырья ЧерМК ОАО «Северсталь»

Ведущая организация Научно-исследовательский институт

металлургической теплотехники ОАО «ВНИИМТ», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится «29» мая 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.02 при ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» по адресу: 162600, г. Череповец Вологодской обл., пр. Луначарского, 5, ауд. 208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет».

Автореферат разослан «24» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Харахнин Константин Аркадьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Металлургическая отрасль России, обладая мощным производственным потенциалом, относится к наиболее энергоемким отраслям промышленности. Непременным условием роста эффективности работы отрасли является снижения энергоемкости металлургических процессов.

Одним из энергоемких производств черной металлургии является конвертерное производство. В современном конвертерном производстве основным способом доведения металла по химическому составу и температуре до заданных значений является внепечная обработка стали. При внепечной обработке стали часть технологических операций ранее проводимых в сталеплавильном агрегате в настоящее время проводятся в сталеразливочных ковшах. С развитием внепечной обработки сталеразливочный ковш (далее ковш) превратился в металлургический агрегат, в котором проводятся продувка инертным газом, обработка порошками, вакуумом и др. Длительность пребывания металла в ковше увеличилась в несколько раз, что привело к возрастанию тепловых потерь от металла, в частности, при продувке металла инертным газом, а также при транспортировке ковша с металлом, при этом температура стали в ковше снижается, поэтому для обеспечения необходимой температуры на следующей технологической операции необходимо подогревать металл, что приводит к увеличению средней продолжительности процесса, а также к возрастанию расхода энергии на производство стали. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов оценки параметров охлаждения металла в ковше.

Благодаря работам большого круга ученых, достигнуты значительные успехи в области исследования и разработки методов оценки параметров тепловых процессов при охлаждении металла во время технологических процессов внепечной обработки стали. Наибольший вклад внесли работы Кудрина В.А., Генкина В.Я., Попандопуло И.К., Лившица Д.А., Бейцуна C.B., Бакакина A.B., Шкляра Ф.Р., Краснянского М.В., Кнюппеля Г., Fuju Т., Lee J.-K., Kohler Е. и др. Разработанные методы позволяют рассчитать снижение температуры металла в ковше и тепловые потоки через футеровку и решить отдельные задачи технологии и выбора футеровки ковша. В этих* методах оценки не 'учитываются: перемешивание металла и шлака при продувке нейтральным газом, теплопередача от шлака к окружающей среде, затвердевание шлака с учетом его толщины; не рассматриваются вопросы энергосбережения.

В связи с этим разработка системы оценки параметров охлаждения металла в ковше при внепечной обработке стали, в том числе разработка метода и алгоритмов обработки информации с целью снижения энергозатрат на производство металла является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы: повышение точности оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше при внепечной обработке стали для снижения энергетических затрат на основе создания метода и алгоритмов обработки информации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ методов, моделей и алгоритмов исследования тепловых процессов при внепечной обработке стали;

2. Разработка математического обеспечения метода оценки снижения температуры металла во время технологических процессов в сталеразливочном ковше;

3. Разработка системы алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше;

4. Экспериментальные исследования работоспособности и эффективности предложенных метода и алгоритмов в системе оценки параметров охлаждения металла.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические положения металлургической теплотехники; метод математического моделирования; численные методы; разделы теории систем и системного анализа; методы статистической обработки информации; методы теории построения алгоритмов и программ.

Объект исследования: системы оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше.

Предмет исследования: математические модели, методы и алгоритмы обработки информации в системе оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель тепловых процессов в сталеразливочном ковше, отличающаяся от известных учетом гидродинамических процессов в шлаке и металле, процесса затвердевания шлака, теплообмена между шлаком и крышкой ковша, размеров ковша.

2. Метод оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали, учитывающий теплопередачу через шлак, перемешивание металла и шлака при продувке нейтральным газом, возможность кристаллизации шлака при его затвердевании, применение крышки для накрывания сталеразливочного ковша и позволяющий повысить точность определения температуры металла.

3. Система алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в ковше, включающая следующие алгоритмы:

- расчета температуры металла в ковше;

оценки потерь тепла металла в зависимости от диаметра верха ковша;

расчета температуры шлака в ковше;

учета затвердевания шлака и гидродинамических процессов при термоконвекции и продувке аргоном металла;

комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель может быть использована для исследования закономерностей тепловых процессов в ковшах; при оптимизации технологических процессов внепечной обработки стали; при совершенствовании конструкции футеровки и ковша с целью сокращения тепловых потерь металлом. Предложена конструкция ковша, позволяющая сократить потери тепла металлом через шлак на 17%. С учетом доли теплоты теряемой через шлак (70%), в общих потерях тепла от металла можно получить сокращение потерь тепла металлом на 12%. Ожидаемое сокращение энергозатрат при применении крышки для накрывания сталеразливочного ковша с металлом во время транспортировки составит 45 ГВт-ч в год

Обоснованность и достоверность основных положений диссертации подтверждена сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в производственных условиях, в том числе, результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» в рамках государственного задания

Министерства образования и науки Российской Федерации в 2012 году («Исследование тепловых процессов при внепечной обработке стали в ковше с целью энергосбережения»), а также при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0075 «Компьютерное моделирование процессов формирования, равновесных свойств и подвижности в частично упорядоченных наноструктурах: слоях и пленочных покрытиях».

Результаты работы переданы для использования в ОАО «Северсталь», а также используются в учебном процессе на кафедре Металлургии, машиностроения и технологического оборудования ФГБОУ ВПО ЧГУ по дисциплинам «Внепечная обработка стали», «Моделирование технических объектов».

Соответствие паспорту специальности. Проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует пунктам 4 и 5 паспорта специальности 05.13.01 -Системный анализ, управление и обработка информации (в металлургии) (п.4. Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации; п.5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 4-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах (ИНФОТЕХ-2004)» (Череповец, 2005), на 3-й международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007), на 4-й международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008), на международной научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго- и ресурсосбережения в металлургии» (Екатеринбург, 2010), на 9-ой межвузовской заочной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (Череповец, 2010). Результаты работы обсуждены на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии», прошедший в рамках научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2010» (Череповец, 2010); на международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, приложений. Работа содержит 124 страницы машинописного текста, 95 рисунков, 30 таблиц, список использованной литературы состоит из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены положения, выносимые на защиту, их научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе по данным отечественной и зарубежной литературы приведены результаты анализа методов оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке, который показал, что исследования в данной предметной области являются перспективным научным направлением.

В результате анализа известных литературных источников установлено, что существующие методы основаны на статистических зависимостях, на экспериментальных данных и на математических моделях. Но при этом система оценки параметров охлаждения металла с учетом влияния гидродинамических процессов в шлаке и металле, процесса затвердевания шлака, теплообмена между шлаком и крышкой ковша, размеров ковша не была разработана.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи работы, функциональные требования к математическому обеспечению системы оценки параметров тепловых процессов в ковше.

Обобщенная функциональная схема системы оценки параметров процесса охлаждения в ковше представлена на рисунке 1.

11ринятие решении

и разработка рекомендаций по корректировке процесса

Обработка, анализ и оценка информации

Отображение результатов обработки информации

Рисунок 1 - Обобщенная функциональная схема системы оценки параметров процесса охлаждения металла в сталеразливочном ковше

Система оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали должна обеспечивать: непрерывную оценку тепловых потерь металла через футеровку ковша; оценку динамики затвердевания шлака, скорости охлаждения металла в ковше; обработку и анализ информации о фактической температуре металла в ковше с целью принятия решения.

Во второй главе представлено математическое обеспечение метода оценки параметров охлаждения металла во время технологических процессов при внепечной обработке стали.

Разработана двумерная математическая модель тепловых процессов в сталеразливочном ковше, отличающаяся от известных учетом гидродинамических процессов в шлаке и металле, процесса затвердевания шлака, теплообмена между шлаком и крышкой ковша, конструкции ковша.

При построении модели было принято, что сталеразливочный ковш имеет цилиндрическую форму; металлический кожух является термически тонким телом; охлаждение ковша с металлом происходит в симметричных относительно оси ковша условиях; теплообмен между шлаком и жидким металлом, металлом и футеровкой, слоями футеровки осуществляется через идеальный контакт; теплоотдача от крышки, кожуха происходит излучением и конвекцией; теплообмен между крышкой и шлаком происходит излучением и свободной конвекцией; жидкий металл охлаждается путем теплопередачи через футеровку и шлак к окружающей среде (в случае наличия крышки происходит теплообмен между крышкой и шлаком); шлак может затвердевать в процессе охлаждения; охлаждение шлака происходит путем излучения и свободной конвекции воздуха; теплофизические свойства стали и шлака в изучаемом диапазоне температур не зависят от температуры; в начальный момент времени распределение температуры по объему ковша - равномерное; режим теплопередачи через футеровку -квазистационарный.

На рисунке 2 приведена расчетная схема, представляющая собой половину сечения объема металла вдоль оси ковша.

С учетом принятых допущений математическое описание общего процесса теплопроводности состоит из двух двумерных подмоделей: «Сталь» и «Шлак».

Схемы расчётных областей для подмодели «Сталь» и «Шлак» приведены на рисунке 3.

Рисунок 2 - Расчетное схема ковша: 1 - шлак, 2 - сталь, 3 - футеровка ковша, 4 - кожух ковша, 5 - крышка, 6,7 - гидродинамические процесса в стали и шлаке соответственно

Рисунок 3 - Схемы расчетных областей для подмодели «Сталь» (а) и подмодели «Шлак» (б), Г1-Г8 -границы областей

Математическое описание подмодели «Сталь» включает: уравнение теплопроводности с учетом движения металла при продувке:

8ТС д с р —- = — сУс дг дг.

дг I ^ дг

г

где 0 < / < /к, 0<г<И, 0<гс<Н- область интегрирования уравнения, сс - удельная массовая теплоемкость стали; рс - плотность стали; Х^р - эффективный коэффициент теплопроводности стали; /■„ - конечное время, Л - радиус ковша; Н-высота объема стали.

начальное условие: =Т0с =сотг,

граничные условия:

дТ

Г1: на оси симметрии при 0<2^Н, г= 0: —- = 0;,

дгс

Г2: условие контакта на границе «сталь - шлак» при 0 <г< Я, 2с=Н\

' ат; дт^

Ы эФш

т =т

где кэфш — эффективный коэффициент теплопроводности шлака; Тс— температура стали на границе «сталь - шлак», Тш— температура шлака на границе «сталь -шлак».

ГЗ: теплопередача от стали к окружающей среде через трехслойную футеровку стенки ковша: Хэф= -кст(Тс -Тср),

где кст - коэффициент теплопередачи для трехслойной стенки ковша, Тс-

температура стали на границе ГЗ, Тср - температура окружающей среды.

Г4: теплопередача от стали к окружающей среде через четырехслойную футеровку днища ковша:

Кф-^=кд{тс-тср)-„

где кд - коэффициент теплопередачи для четырехслойного днища ковша, Тс -температура стали на границе Г4.

Механический перенос тепла при продувке аргоном и термоконвекции учитывается с помощью эффективного коэффициента теплопроводности:

Кф=К '(Елг+Етк)<

где еАг - коэффициент, учитывающий вынужденную конвекцию при продувке металла аргоном, етк - коэффициент, учитывающий свободную конвекцию в ограниченном объеме.

Математическое описание подмодель «Шлак» включает: уравнение теплопроводности:

8ТШ_ д

'эфРи

1 87-V У

1 д . дтш

г дг I дг

д!

где 0 £ f й /„ 0 5 г 5 Я, О £ 5 - область интегрирования уравнения, с3ф -эффективная теплоемкость шлака; рш- плотность шлака; Иш - толщина шлака.

начальное условие: граничные условия:

1/=0

: Тп = соп$1,

Г5: граничное условие на оси симметрии, при 0<ги<кш, д^О: Хэфш

дг„.

= 0,

Г6: теплопередача от шлака к окружающей среде (в обычных условиях при

дТ„.

отсутствии крышки):

Л.

'эФш

= -аш{ТПовш-Тср)<Р\, 2>

где Т„овш- температура поверхности шлака; аш- суммарный коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией от поверхности шлака; - средний угловой коэффициент лучистого теплообмена между двумя круглыми параллельными поверхностями с общей центральной нормалью.

Г7: теплопередача от шлака к окружающей среде через трехслойную

„ ОТ

футеровку стенки ковша:

- —

I {тш Тср ^,

эфш~ дг

где кст ш - коэффициент теплопередачи для трехслойной стенки ковша, Тш-температура шлака на границе Г7.

Г8: условие контакта на границе «сталь - шлак» - соответствует граничному условию Г2 для подмодели «Сталь».

При математическом описании выделения теплоты при затвердевании шлака выбрана статическая модель в соответствии с работами Ю.А.Самойловича. Для описания кристаллизации шлака при его затвердевании применена математическая модель роста дендритов в расплаве З.К. Кабакова для случая кристаллизации шлака из отдельных зародышей, возникающих на его поверхности.

Механический перенос тепла в шлаке при продувке аргоном и термоконвекции учитывается с помощью эффективного коэффициента теплопроводности в ограниченном объеме с учетом сокращения толщины жидкого шлака при его затвердевании:

ЛэФш -

: Г <т

' Ш ШК

Лш

1+(<

А г..

ТК,,

Тлик

т <т <т

' лик - —

vp.esАГш~ коэффициент вынужденной конвекции при продувке аргоном, £ткш~ коэффициент свободной конвекции, Тъ Ттк - температура ликвидуса шлака, п -эмпирические постоянные (Т^>Тлик).

Расчет доли лучистого потока тепла от шлака в зависимости от диаметра верхней части ковша представлен следующим образом. Для оценки сокращения доли тепла использовано выражение для среднего углового коэффициента лучистого теплообмена между двумя круглыми параллельными поверхностями с общей центральной нормалью:

<Ри

1 + В2 + С2 - у (1 + в2 + с2 )2 - ав2с2

2С

где С=0/Ис„г„ В=с1/Исв. б> Ьсе.б ~ высота свободного борта ковша.

Относительное изменение доли тепла от шлака при уменьшении диаметра верхней части ковша определяли по формуле:

к =

где е = 2*^вг-<Яг, <2 =2ж¡дшг-с1г, яш=аш(тп0вш~тср) - удельный тепловой

о о

поток от шлака к окружающей среде.

В особых условиях эксплуатации ковша, например при транспортировке ковша, используется крышка. На рисунке 4 приведена схема тепловых потоков для граничного условия при охлаждении шлака через крышку к окружающей среде.

Чкр^ Тп

Рисунок 4 - Схема тепловых потоков: 1 - шлак, 2 - стенка ковша, 3 - крышка

я!!

Граничное условие Г6 для случая применения крышки описывается следующим выражением:

, 5Т„,

эфш

:<Х(Тповш Тер) >

где а - коэффициент теплопередачи от поверхности шлака через крышку к окружающей среде, Тпод^ - температура внешней поверхности крышки, Ткрви-

температура внутренней поверхности крышки, Икр- высота крышки.

Полученная модель позволила разработать метод оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали (рисунок 5).

Для исследования процесса охлаждения металла в сталеразливочном ковше с помощью математической модели необходимо учесть, что внутренняя полость реального ковша имеет форму усеченного конуса. Большая часть этой формы заполнена металлом, масса которого известна.

При упрощении формы ковша до цилиндрической формы необходимо знать высоту наполнения и площадь верхней поверхности металла. С помощью этих параметров рассчитывается высота налива металла в ковше цилиндрической формы. При переходе от конусообразной формы к цилиндрической было выполнено условие сохранения массы металла, а также учтено, что основные потери тепла происходят через шлак.

Во время технологических процессов внепечной обработки стали возможно затвердевание шлака, при этом рост корки на шлаке учитывается при расчете коэффициента вынужденной конвекции во время продувки аргоном и коэффициента учитывающего свободную конвекцию в ограниченном объеме шлака.

Рисунок 5 - Детализированная диаграмма метода оценки параметров охлаждения

металла в ковше

Толщина корки шлака определяется следующим образом:

О Г < т

> кп... ПС

Дг,

К-./ + 0.5 +

к Т >-

"ш' 1 крш

Т -Т

крш ш,.

+ т„,

т <Т <Т

и1<,1 ~ КРш ~ Ш!,!-\

где Т - температура кристаллизации шлак, А- расчетный шаг по

ш ^

толщине шлака, К- число внутренних узлов расчетной сетки по толщине шлака, 7 - координата узла расчетной сетки.

Расчет коэффициента, с помощью которого учитывается выделение теплоты при затвердевании шлака сэф, а также коэффициентов, учитывающих механический перенос тепла при продувке аргоном: эффективного коэффициента теплопроводности стали Хэф, эффективного коэффициента теплопроводности

шлака Я,ф . В случае изучения процесса охлаждения металла и шлака при

транспортировке ковша (без продувки аргоном), коэффициенты вынужденной конвекции, входящие в состав формул определения эффективных коэффициентов теплопроводности, не рассчитываются.

Для определения температур металла и шлака рассчитываются коэффициенты теплопередачи для футеровки ковша кст, кд, кстш, а также суммарный коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией от поверхности шлака о,ш. Следует отметить, что в случае применения крышки взамен определяется коэффициент теплоотдачи от поверхности шлака через крышку к окружающей среде а.

При окончании выпуска стали из конвертера и на всей технологической цепочке эксплуатации сталеразливочного ковша происходят тепловые потери металлом. Для оценки охлаждения металла определяются тепловые потоки через футеровку и верх ковша. Для этого, используя модель, рассчитываются ¿сд-бшо >бу>й;,>бш " начальное теплосодержание стали и шлака, количество

тепла, ушедшее из ковша, и текущее теплосодержание стали и шлака по формулам соответственно:

-Тср)- 2с0='К-112-Н'Рс-Сс-(Т0с-Тср)

I

ву=/(Ост + 0ш + &».«, +&И< .

О

н

()ст= ^2--К-.Я• <7ст• скс- количество тепла, ушедшее через стенку ковша на

о

ки

границе с металлом, йстш — ^количество тепла, ушедшее

о

я

через стенку ковша на границе со шлаком, = количество

о

я

тепла, ушедшее через шлак, ^ = ^2- -к - • <7() (¿)- Л-- количество тепла, ушедшее

о

через днище ковша,

^ К

о о н я

вс,= / ¡^■ггРс-сс-(Тс(1)-Тср)-с1г^2с о о

Для определения сходимости баланса тепла в ковше без крышки рассчитывается относительная погрешность по формуле:

е =

вшо+всо-вс,-вш^Оу

Qш0+Qc0

•100%.

Для случая применения крышки ковша формулы для определения баланса тепла имеют аналогичный вид, только вместо количества тепла, ушедшего через

шлак Qш, учитывается количество тепла, ушедшее через крышку к окружающей среде:

Qкp=ъ■(h2кp + R2)■qкp{t)

Чкр\

Учитывая, что точного решения для задачи теплопереноса в системе «металл-шлак-крышка», рассматриваемой для реальных условий, не существует, окончательный выбор настроечных коэффициентов модели выполнен после изучения их влияния на погрешность расчета баланса тепла в системе «металл-шлак-крышка». Установлено, что для количества узлов: по толщине шлака > 12, по высоте стали > 20, по радиусу ковша >20 погрешность результатов моделирования не превышает 1%.

Таким образом, метод оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше позволяет оценить динамику затвердевания шлака, скорость охлаждения металла и шлака, тепловые потери через футеровку и верх ковша во время технологических процессов внепечной обработки стали.

В третьей главе приведена система алгоритмов для оценки параметров охлаждения жидкого металла в ковше разработанная на основе предложенного метода, включающая алгоритмы расчета изменения температуры металла; определения температуры шлака; учета затвердевания шлака и гидродинамики в ковше; оценки потерь тепла металла через верх ковша в зависимости от его диаметра.

Разработанные алгоритмы позволяют рассчитать температуру металла и шлака при продувке аргоном и транспортировке ковша, тепловых потоков через футеровку и верх ковша, а также оценить влияние геометрических параметров ковша на тепловые потери металла через шлак в окружающую среду, исследовать процесс затвердевание шлака. Алгоритмы представлены в виде блок-схем.

Алгоритм комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше (рисунок 6) сформулирован следующим образом:

1. Начало расчета.

2. Ввод технологических параметров начального состояния системы.

3. Алгоритм учета затвердевания шлака и гидродинамики в ковше. Расчет толщины корки на шлаке е, эффективного коэффициента теплопроводности

^ Начало ^

I

Ввод исходных данных

Расчет е, Я^,

Сэф> ^эф

Расчет Тс. , Т

с1,ы+1' чу+и

При расчете Тщ кл ,

после проверки условия наличия крышки, реализуется алгоритм оценки потерь тепла металлом через верх ковша в

зависимости от его диаметра

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма комплексной оценки параметров тепловых процессов в ковше

стали Хэф, эффективной теплоемкости шлака сЭф, эффективного коэффициента теплопроводности шлака Лэф .

4. Алгоритм оценки изменения температуры металла. Вычисление коэффициентов теплопередачи для футеровки ковша кст, кд. температуры во

внутренних узлах расчетной сетки металла Тс. ., температуры в фиктивных узлах

сетки Т^, Тс.м+1, Тсм+1^, Тс. 0.

5. Алгоритм оценки изменения температуры шлака. Вычисление суммарного коэффициента теплоотдачи излучением и конвекцией от поверхности шлака а.ш, коэффициента теплопередачи для футеровки ковша кстш, температуры во внутренних узлах расчетной сетки шлака Т ., температуры в фиктивных узлах ^¡'^¡{^¿'Тшщ- в зависимости от выполнения условия применения крышки:

расчет суммарного коэффициента теплоотдачи от поверхности шлака через крышку к окружающей среде а, применение алгоритма оценки потерь тепла металла через верх ковша в зависимости от его геометрии и расчет Тш .

6. Расчет средних температур металла и шлака, удельных и полных тепловых потоков от стали и шлака через футеровку и верх ковша.

7. Проверка условия вывода на экран с шагом печати Ар и счетчиков печати р.

8. Сравнения текущего времени расчета ? с конечным заданным временем 1К. При выполнении условия ¿>4 расчет закончен.

9. Вывод необходимых параметров на экран.

10. Конец расчета.

Алгоритм комплексной оценки позволяет установить закономерности влияния массы металла в ковше начальной температуры металла и шлака; расхода аргона на продувку; толщины шлака; степени износа футеровки ковша; применения крышки, а также оценить степень влияния каждого фактора на скорость охлаждения металла с целью разработки рекомендаций по совершенствованию процессов внепечной обработки стали.

В четвертой главе определены основные функциональные элементы и блоки системы оценки тепловых процессов в ковше, приведены результаты экспериментальной проверки разработанного метода.

Функциональная схема системы оценки параметров охлаждения металла в ковше, представленная на рисунке 7, содержит следующие основные блоки: база данных по параметрам ковша и процесса внепечной обработки стали; базы данных теплофизических свойств стали, шлака, аргона, футеровки ковша; блок вычисления высоты налива металла в ковше цилиндрической формы; блок алгоритмических вычислений (определение толщины корки шлака, средней температуры металла и шлака, тепловых потерь металла и шлака через футеровку и верх ковша); блок отображения результатов оператору - технологу внепечного отделения сталеплавильного производства, который в зависимости от поступившей информации принимает решение о корректировке протекания процесса: регулирование расхода аргона, толщины шлака; принятие решения о необходимости охлаждения слябом, металлическим охладителем, химического подогрева металла, применения крышки.

При настройке и экспериментальной проверке системы использовались данные ЧерМК ОАО «Северсталь» по измерению температуры металла в ковше, полученные с помощью термопары.

При обработке экспери-; ментальных данных для настройки алгоритма были выделены основные по длительности технологические процессы внепечной обработки: транспортировка и продувка металла аргоном. В связи с этим сначала выполнена предварительная выборка данных по измерениям температуры в ковше в течение указанных процессов с целью определения общих закономерной охлаждения металла. В результате обработки полученной информации установлено, что, в общем времени нахождения металла в ковше, продувка аргоном и транспортировка занимают 3261% и 31-66% соответственно. Средняя скорость охлаждения при продувке составляет 0,5-0,9°С/мин, при транспортировке-0,4-0,6°С/мин.

Проведена проверка адекватности и настройка алгоритма оценки параметров тепловых процессов в ковше путем сравнения расчетных и экспериментальных данных. Настройка алгоритма проводилась путем выбора эмпирического коэффициента в выражении, описывающем свободную конвекцию в ограниченном объеме шлака. Результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 - Экспериментальные и расчетные данные по изменению температуры _при продувке и транспортировке_

№ п/п № плавки Температура в начале обработки, °С Температура в конце обработки, °С Относительная погрешность, %

Эксперимент, Та Модель, Тм

1. 1707587 1628 1622 1621,5 0,03

2. 2706981 1587 1571 1574,0 0,19

3. 2706981 1649 1645 1644,3 0,04

4. 3707790 1635 1630 1629,3 0,04

5. 1707579 1587 1577 1575,1 0,12

6. 1707309 1586 1571 1569,0 0,13

7. 1708063 1595 1577 1578,1 0,07

8. 1707360 1585 1580 1580,8 0,05

[4 База данных по

параметрам ковша и [ процесса внепечной обработки

3 База данных

теплофизических свойств стали, шлака аргона, футеровки

2 База данных технологических параметров

Блок вычисления высоты налива металла в ковше цилиндрической формы

6 Блок определения толщины корки шлака при его затвердевании

Блок расчета средней температуры металла и шлака при транспортировке ковша либо при продувке аргоном

Блок расчета средней температуры металла и шлака при применении крышки ковша

Блок расчета тепловых потерь металла через футеровку и верх ковша

J

I

Рисунок 7 - Функциональная схема системы оценки параметров охлаждения металла в ковше

Продолжение таблицы 1

9. 1707405 1615 1602 1600,5 0,09

10. 3707592 1571. 1564 1565,1 0,07

11. 3707884 1579 1576 1575,9 0,01

12. 1707889 1593 1576 1575,5 0,03

13. 3708121 1589 1577 1578,9 0,12

Удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных величин температуры получено при значении эмпирического коэффициента в формуле, описывающей свободную конвекцию в ограниченном объеме шлака, равном 0,252. Максимальная относительная погрешность оценки температуры металла в ковше не превышает 0,2% (60% расчетных данных определено с точность 0,7°С, 40% - 2°С).

Таким образом, точность оценки температуры металла с использованием разработанной модели превышает в среднем в 2 раза точность расчета температуры с помощью известных моделей Д.А. Лившица и М.В. Краснянского.

Достоверность модели была подтверждена путем сравнения результатов моделирования по известным из литературы данным об изменении температуры стали и шлака, удельных и общих тепловых потоков от стали при транспортировке наполненного ковша и при продувке стали аргоном, эффективных коэффициентов теплопроводности во времени.

Выполнен анализ и обобщение известных данных по скорости охлаждения металла в зависимости от емкости ковша. Результаты обработки данных представлены на рисунке 8.

Попандопуло И.К. и др (0,04-0,2 мЗ/т) Колпаков С.В.(0,04-0,046 мЗ/т) Якушев АМ.(0,04-0,2 мЗ/т) Кудрин В.А. (0,5-3 мЗ/т) ОАО "НКМК"(без продувки) Каблуковский А.Ф. (0,1-0,3 мЗ/т) модель (без продувки) модель (0,05-0,26 мЗ/т) - результат статистической обработки ■ область расчетных данных

0 100 200 300 400

Масса металла, т

Рисунок 8 - Скорость охлаждения металла в зависимости от массы металла в ковше (в скобках указан расход аргона)

На рисунке 8 видно, что результаты моделирования согласуются с общими закономерностями изменения скорости охлаждения металла в ковшах различной емкости.

С помощью разработанного метода оценки параметров охлаждения металла в ковше исследовано влияние различных факторов на тепловые процессы: массы металла, начальной температуры металла, расхода аргона при продувке металла, толщины шлака, износа футеровки, геометрических размеров ковша с целью определения наиболее важных технологических параметров с точки зрения их влияния на степень снижения температуры металла.

В результате исследования влияния толщины шлака обнаружен эффект системы процессов в виде явления «самозапирания» теплоты металла в ковше.

(N600 ■§540

20 30 40 Время, мин

в)

¡¿420 ¡360 =300 3240 Й180 §120 * 60

На рисунке 9 показаны расчетные данные по изменению толщины корки шлака, температуры поверхности шлака и удельных тепловых потоков через шлак.

Как видно из рисунка 9, явление «самозапирания» теплоты металла в коше связано со снижением температуры поверхности шлака (рисунок 9,а) и образованием корки на шлаке (рисунок 9,6). Теплопроводность твердого шлака на поверхности ниже теплопроводности жидкого, поэтому тепловые потери металлом существенно уменьшаются (рисунок 9,в).

Следует отметить, что погрешность прогноза скорости нарастания твердой шлаковой корки с применением разработанной модели (рисунок 9,6) не превосходит 0,4%. Оценка погрешности выполнена при использовании экспериментальных данных работы Лившица ДА.

Используя созданную систему оценки параметров охлаждения металла в ковше, удалось установить, что самые значительные потери тепла металла происходят через шлак (60-70%) поэтому в первую очередь целесообразно их уменьшить. С этой целью можно применить крышку для накрывания ковша с металлом при его транспортировке, что позволит сократить более чем в 2 раза все тепловые потери металла (рисунок 10), снизить первоначальный перегрев металла в сталеплавильном агрегате, а также избежать дополнительного подогрева стали на агрегатах внепечной обработки.

Ожидаемое сокращение энергозатрат, получаемое при уменьшении нагрева металла в сталеразливочном ковше на 20°С при накрывании ковша крышкой за одну плавку, в год составит 45 ГВт-ч (при 15000 плавок в год).

В случае если нельзя закрыть ковш крышкой, то можно уменьшить площадь верхнего сечения ковша с целью сократить потери тепла металлом через шлак к окружающей среде.

0 10 20 30 40 50 60 Время, мин

Рисунок 9 - Графики изменения температуры поверхности шлака (а), толщины корочки шлака (б), удельных тепловых потоков от шлака к окружающей среде (в) во времени: 1 -толщина шлака 0,2 м, 2 - толщина даа025м.............................................................................

«Г 1500 1

5 юоо

сверху

через стенки

через днищг

сумма всех тепловых потерь

Рисунок 10 - Диаграмма тепловых потерь при охлаждении стали в ковше во время транспортировки: 1 - с крышкой, 2 - без крышки

Предложена конструкция (рисунок 11), позволяющая сократить потери тепла металлом в ковше.

Результаты оценки влияния конструкции верха ковша на тепловые потери представлено на рисунке 12 в виде изменения доли тепла, попадающего от шлака на верхнее сечение ковша в зависимости от диаметра верха ковша.

100 £

к 80

с:

!?о

s

X £60 S

Г)

S50

^ 1

1 I 1

1, у^Г 1 ^ 1 1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 —,—1—I—,— 1 1 1

Рисунок 11 - Конструктивная схема сталеразливочного ковша: а - старая конструкция ковша, б - новая конструкция, 1- поверхность верха ковша, 2 - поверхность шлака, d и D -диаметры поверхностей, hce6 - высота свободного борта ковша

3 „ 3'5 , 4 Диаметр а, м

Рисунок 12 - График зависимостей степени снижения теплового потока от диаметра верха ковша: 1 - при /7^6=0,5 м, 2 - при /7^.6=0,3 м, 0=4,16 м

Из рисунка 12 видно, что уменьшение диаметра верха ковша на 10% (от 4,16 м до 3,7 м) снижает потери тепла металлом через шлак на 17%. С учетом доли теплоты, теряемой через шлак (70%), можно получить сокращение общих потерь тепла жидким металлом на 12%. При этом высота свободного борта ковша в допустимом диапазоне изменения на снижение доли тепла через шлак не оказывает большого влияния.

Заключение содержит перечень основных результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель тепловых процессов в сталеразливочном ковше, отличающаяся от известных учетом гидродинамических процессов в шлаке и металле, процесса затвердевания шлака, теплообмена между шлаком и крышкой ковша, конструкции ковша.

2. Разработаны метод и система алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше, которые позволяют оценить динамику затвердевания шлака, скорость охлаждения металла и шлака, тепловые потери через футеровку и верх ковша во время технологических процессов внепечной обработки стали.

3. Выполнена настройка алгоритма оценки параметров охлаждения металла на основе экспериментальных данных по изменению температуры во время транспортировки ковша с металлом и продувке аргоном по коэффициенту, учитывающему свободную конвекцию в ограниченном объеме шлака. Установлено, что погрешность результатов моделирования охлаждения металла не превышает 0,2%.

4. В результате применения системы оценки параметров тепловых процессов при внепечной обработке стали в ковше установлено:

факторы, влияющие на охлаждения металла, можно расположить по степени влияния в следующем порядке: начальная температура металла, масса металла в ковше, толщина шлака, расход аргона при продувке металла, износ футеровки ковша.

существенная роль шлака при охлаждении металла в сталеразливочном ковше, потери тепла через шлак составляют 60-70%;

явление «самозапирания» теплоты металла в ковше за счет образования корки шлака.

5. Анализ полученных результатов по оценке тепловых потерь металла в ковше позволил выявить пути решения проблемы снижения энергоемкости процессов внепечной обработки стали:

целесообразно поддерживать толщину шлака равной 0,15-0,2 м, так как при уменьшении толщины шлака до 0,05 м потери тепла металлом через шлак увеличиваются на 4,5%;

точность оценки температуры металла с использованием разработанной модели превышает в среднем в 2 раза точность расчетов температуры, полученную другими авторами. Точная оценка изменения температуры металла в ковше от конца выпуска до начала разливки позволяет избежать дополнительных операций по подогреву металла и обработки на установках печь-ковш и вакуумирования стали, что уменьшит длительность пребывания металла в ковше на 30-50%;

предложена конструкция ковша, позволяющая снизить потери тепла металлом через шлак на 17%. С учетом доли теплоты теряемой через шлак (70%), в общих потерях тепла от металла можно получить сокращение общих потерь тепла на 12%.

применение крышки для накрывания сталеразливочного ковша с металлом во время транспортировки позволяет снизить температуру выпуска металла из конвертера, уменьшить длительность нагрева стали на установке печь-ковш. Эти мероприятия, кроме существенного сокращения энергозатрат, величина которого составляет 45 ГВт-ч в год, приведут к снижению растворимости газов в расплаве и дефектов в готовой металлопродукции, а также к существенному повышению стойкости печной и ковшевой футеровки.

Список публикаций по теме диссертации по перечню ВАК:

1. Кабаков, З.К. Математическое моделирование влияния продувки на потери тепла в сталеразливочном ковше / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова*, К.Е. Голубенков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. -№10. - Т.6.-С.191-194.

2. Кабаков, З.К. Одномерная математическая модель охлаждения металла в ковше / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2010. - № 4. - С.74-76.

3. Кабаков, З.К. Теплотехническое обоснование теплоизоляции крышки для сталеразливочного ковша / З.К. Кабаков, Д.И. Бородин, Н.Е. Хисамутдинов, М.А. Пахолкова // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2012. - №

2. -Т.1 - С.5-8.

4. Кабаков, З.К. Сокращение потерь тепла от металла в сталеразливочном ковше/

3.К. Кабаков, М.А. Пахолкова //Металлург. -2012. - №9. - С. 51-52.

" С октября 2012 г. - Мащенко М.А.

в прочих изданиях:

5. Кабаков, З.К. Усовершенствованная методика расчета охлаждения жидкой стали в ковше в процессе разливки / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова // Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах (ИНФОТЕХ-2004). Материалы IV Международной научно-технической конференции. - Череповец: ЧГУ, 2005. - С.24-26.

6. Пахолкова, М.А. Математическая модель плавления алюминиевого прутка при внепечной обработке жидкой стали в ковше / М.А. Пахолкова, З.К. Кабаков, Д.Н. Горюнов // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы третьей международной научно-технической конференции.Т2 -Вологда: ВоГТУ, 2007. - С.28-32.

7. Кабаков, З.К. Исследование влияния шлака на охлаждение металла в сталеразливочном ковше / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы четвертой международной научно-технической конференции. Т. 1. - Вологда: ВоГТУ 2008. -С. 162-164.

8. Кабаков, З.К.Моделирование процесса химического подогрева жидкой стали в ковше / З.К. Кабаков, П.З. Кабаков, М.А. Пахолкова, С.Н. Сумин // Научный журнал Российской Академии Естествознания «Современные наукоемкие технологии». -2009. - № 7. - С.64-69.

9. Кабаков, З.К. Оценка потерь тепла при охлаждении жидкой стали в ковше / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова // Сборник докладов научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энёрго- и ресурсосбережения в металлургии». - Екатеринбург: ОАО «ВНИИМТ», 2010. - С. 314-318.

10. Кабаков, З.К. Двумерная математическая модель охлаждения металла в сталеразливочном ковше / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова П Материалы XI Межвузовской заочной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов. - Череповец: ЧГУ, 2010. -С.104-108.

11. Кабаков, З.К. Энергосбережение при внепечной обработке стали / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова // Череповецкие научные чтения-2010: материалы Всероссийской научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии». - Череповец: ЧГУ, 2010. - С. 17-20.

12. Кабаков, З.К. Закономерности охлаждения металла в ковше в зависимости от различных факторов / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова // Череповецкие научные чтения -2010: материалы Всероссийской научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии». - Череповец: ЧГУ, 2010. - С. 12-17.

13. Кабаков, З.К. Моделирование процесса охлаждения металла в сталеразливочном ковше / З.К. Кабаков, М.А. Пахолкова, Ю.В. Грибкова // Сборник докладов международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии». - Екатеринбург: УрФУ, 2012. - С. 257-261.

Лицензия А № 165724 от 11 апреля 2006 г.

Подписано к печати 23.04.13 г. Тир.100. Усл. печ. л. 1. Формат 60х841/16. Зак.120. ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600 г. Череповец, М. Горького, 14

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201357553 МАЩЕНКО МАРИНА АЛЕКСАНДРОВНА

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА И ПОВЕРХНОСТИ ШЛАКА ПРИ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (в металлургии)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Кабаков Зотей Константинович

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Ершов Евгений Валентинович

Череповец 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 5

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ.............. 10

1.1 Анализ методов и моделей для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше................................................... 10

1.2 Характеристика процесса охлаждения металла в сталеразливочном ковше....................................................................................... 35

1.2.1 Сталеразливочные ковши...................................................... 35

1.2.2 Параметры и характеристики сталеразливочного ковша............... 37

1.2.3 Основные этапы цикла работы ковша...................................... 39

1.3 Определение требований к математическому обеспечению системы оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше......... 44

1.4 Выводы на главе.................................................................... 47

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ........................................................................................ 49

2.1 Математическое описание процесса охлаждения............................. 49

2.1.1 Подмодель «Сталь»............................................................. 52

2.1.2 Подмодель «Шлак».............................................................. 56

2.2 Разработка дискретной модели тепловых процесов в сталеразливочном ковше........................................................................................ 65

2.2.1 Подмодель «Сталь»............................................................ 65

2.2.2 Подмодель «Шлак»............................................................. 68

2.3 Тестирование модели............................................................... 75

2.4 Метод оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали........................................................................... 79

2.5 Выводы по главе..................................................................... 90

3 СИСТЕМА АЛГОРИТМОВ ДЛЯ МЕТОДА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ............... 92

3.1 Алгоритм расчета температуры металла в сталеразливочном ковше.................................................................................................................... 92

3.2 Алгоритм оценки потерь тепла металла через верх ковша в зависимости от его диаметра........................................................... 94

3.3 Алгоритм расчета температуры шлака в сталеразливочном ковше........................................................................................ 96

3.4 Алгоритм учета затвердевания шлака и гидродинамических процессов при термоконвекции и продувке аргоном металла................................ 98

3.5 Алгоритм комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше........................................................................................ 100

3.6 Выводы по главе..................................................................... 101

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И АЛГОРИТМОВ В СИСТЕМЕ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА В КОВШЕ...................................................................... 103

4.1 Основные функциональные элементы и блоки системы оценки параметров охлаждения металла в ковше........................................... 103

4.2 Методика настройки алгоритмического обеспечения........................ 106

4.2.1 Анализ экспериментальных данных и достоверности системы оценки параметров охлаждения металла в ковше.............................. 106

4.2.2 Настройка и проверка адекватности алгоритма системы оценки..... 114

4.3 Результаты экспериментальных исследований................................. 124

4.3.1 План вычислительных экспериментов..................................... 124

4.3.2 Влияние массы металла на процесс охлаждения металла в ковше... 126

4.3.3 Влияние начальной температуры............................................ 129

4.3.4 Влияние расхода аргона при продувке..................................... 131

4.3.5 Влияние толщины шлака и роста корки на шлаке при его затвердевании........................................................................... 137

4.3.6 Влияние износа футеровки на скорость охлаждение металла......... 143

4.3.7 Применение крышки при внепечной обработке стали.................. 148

4.4 Перспективы применения разработанного метода и алгоритмов в

системах оценки снижения температуры металла в ковше............................................155

4.5 Выводы по главе..........................................................................................................................................157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................159

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..........................................162

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты анализа существующих методов и моделей

для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше..............176

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Преобразование конусообразной формы ковша к

цилиндрической............................................................................................................................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Результаты тестирования алгоритма решения..............................180

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Металлургическая отрасль России, обладая мощным производственным потенциалом, относится к наиболее энергоемким отраслям промышленности. Непременным условием роста эффективности работы отрасли является снижения энергоемкости металлургических процессов.

Одним из энергоемких производств черной металлургии является конвертерное производство. В современном конвертерном производстве основным способом доведения металла по химическому составу и температуре до заданных значений является внепечная обработка стали. При внепечной обработке стали часть технологических операций ранее проводимых в сталеплавильном агрегате в настоящее время проводятся в сталеразливочных ковшах. С развитием внепечной обработки сталеразливочный ковш (далее ковш) превратился в металлургический агрегат, в котором проводятся продувка инертным газом, обработка порошками, вакуумом и др. Длительность пребывания металла в ковше увеличилась в несколько раз, что привело к возрастанию тепловых потерь от металла, в частности, при продувке металла инертным газом, а также при транспортировке ковша с металлом, при этом температура стали в ковше снижается, поэтому для обеспечения необходимой температуры на следующей технологической операции необходимо подогревать металл, что приводит к увеличению средней продолжительности процесса, а также к возрастанию расхода энергии на производство стали. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов оценки параметров охлаждения металла в ковше.

Благодаря работам большого круга ученых, достигнуты значительные успехи в области исследования и разработки методов оценки параметров тепловых процессов при охлаждении металла во время технологических процессов внепечной обработки стали. Наибольший вклад внесли работы Кудрина В.А., Генкина В.Я., Попандопуло И.К., Лившица Д.А., Бейцуна C.B., Бакакина

A.B., Шкляра Ф.Р., Краснянского М.В., Кнюппеля Г., Fuju Т., Lee J.-K., Kohler Е. и др. Разработанные методы позволяют рассчитать снижение температуры металла в ковше и тепловые потоки через футеровку и решить отдельные задачи технологии и выбора футеровки ковша. В этих методах оценки не учитываются: перемешивание металла и шлака при продувке нейтральным газом, теплопередача от шлака к окружающей среде, затвердевание шлака с учетом его толщины; не рассматриваются вопросы энергосбережения.

В связи с этим разработка системы оценки параметров охлаждения металла в ковше при внепечной обработке стали, в том числе разработка метода и алгоритмов обработки информации с целью снижения энергозатрат на производство металла является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы: повышение точности оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше при внепечной обработке стали для снижения энергетических затрат на основе создания метода и алгоритмов обработки информации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ методов, моделей и алгоритмов исследования тепловых процессов при внепечной обработке стали;

2. Разработка математического обеспечения метода оценки снижения температуры металла во время технологических процессов в сталеразливочном ковше;

3. Разработка системы алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше;

4. Экспериментальные исследования работоспособности и эффективности предложенных метода и алгоритмов в системе оценки параметров охлаждения металла.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические положения металлургической теплотехники; метод математического моделирования; численные методы; разделы теории систем и

системного анализа; методы статистической обработки информации; методы теории построения алгоритмов и программ.

Объект исследования: система оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше.

Предмет исследования: математические модели, методы и алгоритмы обработки информации в системе оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель тепловых процессов в сталеразливочном ковше, отличающаяся от известных учетом гидродинамических процессов в шлаке и металле, процесса затвердевания шлака, теплообмена между шлаком и крышкой ковша, размеров ковша.

2. Метод оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали, учитывающий теплопередачу через шлак, перемешивание металла и шлака при продувке нейтральным газом, возможность кристаллизации шлака при его затвердевании, применение крышки для накрывания сталеразливочного ковша и позволяющий повысить точность определения температуры металла.

3. Система алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в ковше, включающая следующие алгоритмы:

- расчета температуры металла в ковше;

- оценки потерь тепла металла в зависимости от диаметра верха ковша;

- расчета температуры шлака в ковше;

- учета затвердевания шлака и гидродинамических процессов при термоконвекции и продувке аргоном металла;

- комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель может

быть использована для исследования закономерностей тепловых процессов в ковшах; при оптимизации технологических процессов внепечной обработки стали; при совершенствовании конструкции футеровки и ковша с целью сокращения

тепловых потерь металлом. Предложена конструкция ковша, позволяющая сократить потери тепла металлом через шлак на 17%. С учетом доли теплоты теряемой через шлак (70%), в общих потерях тепла от металла можно получить сокращение потерь тепла металлом на 12%. Ожидаемое сокращение энергозатрат при применении крышки для накрывания сталеразливочного ковша с металлом во время транспортировки составит 45 ГВт-ч в год

Обоснованность и достоверность основных положений диссертации подтверждена сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в производственных условиях, в том числе, результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации в 2012 году («Исследование тепловых процессов при внепечной обработке стали в ковше с целью энергосбережения»), а также при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.В37.21.0075 «Компьютерное моделирование процессов формирования, равновесных свойств и подвижности в частично упорядоченных наноструктурах: слоях и пленочных покрытиях».

Результаты работы переданы для использования в ОАО «Северсталь», а также используются в учебном процессе на кафедре Металлургии, машиностроения и технологического оборудования ФГБОУ ВПО ЧГУ по дисциплинам «Внепечная обработка стали», «Моделирование технических объектов».

Соответствие паспорту специальности. Проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует пунктам 4 и 5 паспорта специальности 05.13.01 -Системный анализ, управление и обработка информации (в металлургии) (п.4. Разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации; п.5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения

систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 4-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах (ИНФОТЕХ-2004)» (Череповец, 2005), на 3-й международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007), на 4-й международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008), на международной научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго- и ресурсосбережения в металлургии» (Екатеринбург, 2010), на 9-ой межвузовской заочной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (Череповец, 2010). Результаты работы обсуждены на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии», прошедший в рамках научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2010» (Череповец, 2010); на международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, приложений. Работа содержит 124 страницы машинописного текста, 95 рисунков, 30 таблиц, список использованной литературы состоит из 102 наименований.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОХЛАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТАЛЕРАЗЛИВОЧНОМ КОВШЕ

1.1 Анализ методов и моделей для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше

При продувке металла нейтральным газом (далее по тексту - аргон) через продувочные блоки снизу, пузыри всплывают, расширяются и увлекают металл вверх. В результате продувки аргоном возникает следующая циркуляция металла: в центральной части ковша металл поднимается вверх и опускается у стенки ковша. Такому движению металла способствует термогравитация, т.е. за счет перепада температур по радиусу ковша, при котором слои металла, охлаждаясь, двигаются у стенки ковша вниз, вытесняя более нагретый металл вверх по оси ковша [1,2].

В работе [3] выполнена оценка гидродинамики металла в ковше при обработке газом с помощью математического и физического моделирования. На рисунке 1.1 приведено поле скоростей полученное на воздушно-водяной модели.

Рисунок 1.1 - Поле скоростей для воздушно-водяной модели: Н - высота металла в ковше; К - средний радиус ковша

^ V. , г ДО? и ^

I \ * ^ J

о Г

я

Результаты физического и математического моделирования выявили закономерности циркуляции при обработке металла газом в ковше.

В работе [4] выполнено исследование тепловых процессов снижения температуры металла при обработке нейтральным газом с учетом неравномерности температуры по сечению ковша. На рисунке 1.2 приведен график снижения температуры при обработке нейтральным газом.

Время обработки, мин

Рисунок 1.2 - График снижения температуры при обработке металла нейтральным газом: 1- у днища ковша, 2- на средней высоте, 3 - у поверхности ковша, 4 - продолжительность продувки

Из рисунка 1.2 следует, что при отсутствии воздействия на металл (продувка аргоном) развивается неоднородность по температуре до 25 °С между поверхностью и нижними слоями металла, причем температура металла у поверхности наиболее низкая. При продувке металла газом температура металла выравнивается. После прекращения вынужденного перемешивания потоки в жидкой стали замедляются за счет турбулентного торможения, что приводит к сниж