автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии "МНЛЗ-холодный склад"

На правах рукописи

ГРИБКОВА ЮЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЛЯБОВ НА ЛИНИИ «МНЛЗ-ХОЛОДНЫЙ СКЛАД»

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005531523

Череповец - 2013

005531523

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Череповецкий Государственный Университет».

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор

Кабаков Зотей Константинович

доктор технических наук, профессор

Ершов Евгений Валентинович

Горбунов Вячеслав Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный технический университет», зав. кафедрой информационных систем и технологий

Веселов Юрий Владимирович,

кандидат технических наук,

помощник генерального директора по развитию

бизнеса ООО "Северсталь-инфоком софт"

Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники ОАО «ВНИИМТ»

Защита диссертации состоится 29 мая 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.297.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Череповецкий государственный университет» по адресу: 162602, Вологодская обл., г. Череповец, пр. Луначарского, д. 5, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ЧГУ. Автореферат разослан 24 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Харахнин Константин Аркадьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время металлургическое производство характеризуется повышением требований к качеству продукции, снижению энергозатрат и улучшению экологической обстановки. Черная металлургия относится к одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Доля затрат на топливно-энергетические ресурсы в общих заводских затратах на производство продукции составляет более 30 %. Высокая энергоемкость металлургических производств при постоянном росте цен на топливо ставит на одно из первых мест проблемы энергосбережения.

Конвертерное производство (КП) стали является одним из наиболее перспективных переделов в сталеплавильном производстве. В наше время конвертерным способом производится около 70 % мирового объема стали. Одним из недостатков конвертерного производства является достаточно высокая ресурсо- и энергоемкость процесса. Современная модульная схема построения конвертерных цехов предполагает совмещение процесса дискретной выплавки стали в конвертере с ее квазинепрерывной разливкой в рамках технологической цепочки «конвертер» - агрегаты внепечной обработки - «машина непрерывной разливки стали (МНЛЗ)».

После формирования на МНЛЗ и порезки слябов на мерные длины, они поступают на холодный склад, где складируются в штабеля, как правило, для последующего охлаждения. Начальное тепловое состояние штабеля на холодном складе определяется закономерностями затвердевания и охлаждения сляба на машине непрерывного литья и охлаадением при его транспортировке до холодного склада. В настоящее время в технологических инструкциях используются эмпирические данные по оценке продолжительности охлаждения штабелей до требуемой температуры без учета начального распределения температуры, геометрических размеров штабелей, а также их взаимовлияния, что приводит к увеличению продолжительности нахождения слябов на складе и снижению пропускной способности склада. В то же время охлаждение штабелей на холодном складе сопровождается тепловыми выбросами в атмосферу и тепловым воздействием на обслуживающий персонал.

Исследованиями закономерностей охлаждения слябов на линии «МНЛЗ -холодный склад» занимались отечественные и зарубежные ученые: А.Д. Акименко, A.A. Скворцов, В.Т. Борисов, Ю.А. Самойлович, З.К. Кабаков, В.Т. Сладкоштеев, Н.И. Шестаков, Б.И., Китаев Е.М., В.И. Доздиков, В.Л. Мазур, Zou J., Tseng A.A., Thomas B.G., Brimacombe J. и др. Полученные ими результаты успешно использованы при разработке и совершенствовании методик и алгоритмов расчета параметров затвердевания и охлаждения непрерывно отливаемых слябов. Вопросам оценки конечного теплового состояния слябов на МНЛЗ и штабелей слябов на холодном складе внимания уделено недостаточно. В настоящее время возникают вопросы по увеличению пропускной способности холодного склада и по энергосбережению, а также по улучшению условий труда на складе. Таким образом, назрела необходимость в разработке системы оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад». В связи с этим задача разработки метода и алгоритмов обработки информации по тепловому состоянию сляба на линии «МНЛЗ - холодный склад», является актуальной. Решение поставленной задачи позволит повысить точность результатов расчета теплового состояния сляба, а также совершенствовать технологию процесса охлаждения штабелей слябов и разработать рекомендации по энергосбережению.

Цель работы: повышение эффективности работы холодного склада конвертерного производства за счет увеличения точности оценки теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад».

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ методов, моделей и алгоритмов обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад».

2. Разработка математического обеспечения метода обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов.

3. Разработка алгоритмического обеспечения системы оценки теплового

состояния штабеля на холодном складе. „

4. Экспериментальные исследования эффективности предложенных метода и

алгоритмов^ исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические основы металлургической теплотехники; методы математического и компьютерного моделирования; теория планирования эксперимента; основы теории построения алгоритмов и программ.

Объект исследования: система оценки параметров теплового состояния слябов

на линии «МНЛЗ-холодный склад». ______„отппь, и

Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы обработки информации в системе оценки параметров теплового состояния при охлаждении слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад».

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1 Математическая модель охлаждения штабелей слябов на холодном складе, отличающаяся трехмерным представлением процесса охлаждения штабелей слитков, учетом их взаимного тепловлияния и наличия окалины на поверхности слябов в штабеле.

2 Метод определения начального теплового состояния штабеля на холодном складе учитывающий конечное тепловое состояние сляба после МНЛЗ, длительность транспортировки сляба, геометрические размеры штабеля и тепловое взаимовлияние штабелей, и позволяющий повысить точность оценки теплового состояния на холодном

складе^ Алгоритмическое обеспечение для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад» непосредственно в технологическом потоке, включающее систему алгоритмов:

—алгоритм расчета конечного температурного поля в слябе после мши, —алгоритм расчета начального распределения температуры в штабеле;

_алгоритм определения теплового состояния штабеля;

_алгоритм восстановления параметров теплообмена;

_алгоритм определения продолжительности охлаждения штабелей слябов на холодном

^обобщенный алгоритм обработки информации для оценки параметров теплового

состояния штабелей слябов.

Практическая ценность. Разработано программное обеспечение, реализующее метод и алгоритмы обработки информации для системы оценки параметров охлаждения слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад». Разработана методика наслроики алгоритмического обеспечения метода определения параметров охлаждения штабелей на холодном складе. Разработан метод, позволяющий оценить возможное энергосбережение на холодном складе за счет использования теплоты, уходящей от штабеля из слябов. Предложен способ утилизации теплоты штабелей на холодном складе Разработана конструкция утилизирующих экранов, применение которых на холодном складе позволит сократить продолжительность обработки спябовна складе на 18% и увеличить пропускную способность склада. Ожидаемый годовой эффект от применения предложенной методики утилизации теплоты на холодном складе составит

с. а п5 ГПм/

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждена корректным использованием методологии математического моделирования теплофизических процессов при затвердевании и охлаждении слябов на МНЛЗи охлаждении штабелей на холодном складе, результатами исследования погрешности

моделирования, а также сравнением результатов моделирования с данными экспериментов, полученными в промышленных условиях, и результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» с 2006 г. по 2012 г. Результаты исследования по оценке параметров теплового состояния слябов переданы на Череповецкий металлургический комбинат (ЧерМК) ОАО «Северсталь».

Разработанная имитационная модель учета взаимовлияния штабелей используется в учебном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплинам: «Теория и технология разливки стали» для специальности «Металлургия черных металлов»; «Моделирование процессов и объектов в металлургии», «Компьютерное моделирование» и «Имитационное моделирование» для специальности «Прикладная математика и информатика».

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. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на второй международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2006 г.); международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (Вологда, 2007 г.); четвертой международной научно-технической конференции (Вологда, 2008 г.); научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго - и ресурсосбережения в металлургии» (Екатеринбург, 2010 г.); на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии» (Череповец, 2012 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 99 наименований и приложений. Объем диссертации - 178 страниц, включает в себя 70 рисунков и 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе по данным отечественной и зарубежной литературы проведен анализ систем оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ -холодный склад», который показал, что исследование в данной предметной области является перспективным научным направлением. На основе проведенного анализа дана общая характеристика методов оценки параметров охлаждения слябов, представлен обзор существующих моделей процесса охлаждения слябов и штабелей слябов.

Сформулированы функциональные требования к математическому обеспечению системы оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад». Математическое обеспечение системы оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад» предназначено для реализации алгоритмов обработки информации и формирования рекомендаций по ведению процесса, а также для связи с объектом и обслуживающим персоналом. На рисунке 1 представлена обобщенная функциональная схема системы оценки параметров теплового состояния слябов и штабелей слябов. В состав математического обеспечения должны входить следующие функциональные блоки (рисунок 1):

- сбора первичной информации;

-обработки и анализа (в том числе расчета технико-экономических показателей процесса и ведения справочно-информационного фонда);

-обмена информацией между системой оценки и обслуживающим персоналом, включающий блок отчета оператору холодного склада и блок корректировки полученных данных.

Рисунок 1- Обобщенная функциональная схема системы оценки параметров охлаждения слябов

Во втором разделе представлено математическое обеспечение метода определения параметров теплового состояния штабелей из слябов на холодном складе.

Разработана математическая модель, которая позволяет в отличие от известных моделей учитывать трёхмерность процесса охлаждения штабелей слябов, их взаимовлияния и наличие окалины. Математическое описание тепловых процессов включало трехмерное уравнение теплопроводности в виде:

И 8t вх{ дх) дД ду) Sz\. &J заданное в области: Q<x<A,0<y<l,0<z<H,0<t<k при начальном условии: Г|1-0 = f(x,y,z).

Условия на границах расчетной области (рисунок 2) были приняты следующими: Г1 (2=0,0<д></,0<х<Л): - A^ = aot (r-rJ.

Г2 (z=tf, 0 <у<1, 0£х<Л): -Л^-^a^jT-Tj.

ГЗ (у=/, 0 <z <Н,0 <х <А): =

ду

Г4 (х=А, 0 < z < Н, 0 <у < /): - = а„ • (г - г,)- <т0ео1 \\<Р,п.Рг(уЛт> ~ К)**-

ох Г4

Г5 (у=0, 0<z<H,0<x<A): = (r-rj

Рисунок 2 - Схема выделенной расчетной области из рассматриваемого тела: А, I -половина ширины и длины штабеля, соответственно, м; Н-высота штабеля, м; П -поверхности, ограничивающие расчетную область, i = 1..6

Здесь: А=Я(7) - коэффициент теплопроводности стали; р=р(Т) - плотность стали; с=с(Т) - удельная массовая теплоемкость стали; tK - конечное время процесса; Оо- коэффициент излучения абсолютно черного тела;

aZ{ = + <т0 • £„„ • (гп2 + Г0\,Хг„ + Г0„, \

заз

íok и fc - степени черноты поверхности окалины и слитка, соответственно; ак -коэффициент конвективной теплоотдачи от поверхности; ал - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием от поверхности; /заз, /ок - толщина зазора и окалины; Язаз. Л* -теплопроводность зазора и окалины; Гок1, Г<ж2, - температура внутренней и внешней поверхностей окалины; Т„, Тер - температура поверхности и окружающей среды, соответственно; <PdFi,F2(y,z) - угловой коэффициент переноса энергии эффективного излучения элементарной поверхности dF1 грани первого штабеля на всю поверхность F2 грани соседнего штабеля.

Тестирование модели охлаждения штабеля выполнено путем сравнения результатов моделирования с точным решением задачи теплопроводности. Установлено, что если выбрать количество узлов по ширине не менее 14, по длине не менее 19 и по высоте не менее 17, то общая погрешность результатов моделирования не превысит 1%.

Для проверки адекватности модели использовали экспериментальные данные ВНИИМТ по измерению температуры, полученные при охлаждении штабеля из шести слябов сечением 240*1710 мм из стали 17Г2СФ на рольганге в копильнике слябов. Измерения выполнены в третьем снизу слябе. Сравнение результатов адаптации модели с экспериментальными данными ВНИИМТ приведено на рисунке 3.

Получено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных при эффективной толщине зазора между окалиной и поверхностью сляба 0,8 мм. Отличие данных составило в среднем 1-2% (рисунок 3).

уУ

,аг

Г6(х=0,0<y<l,0<z<H): Я—= 0.

гз

Рисунок 3 - Кривые охлаждения сляба в исследованном сечении штабеля: А - термопара №12,"-термопара №1, • - термопара №3, о - термопара №4; — модель

В разделе 2 приведена функциональная модель обобщенного метода обработки информации, как система вложенных локальных методов для оценки параметров теплового состояния слябов.

Рисунок 4 - Детализированная диаграмма обобщенного метода оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад»

Для исследования и проектирования системы оценки параметров теплового состояния слябов на логическом уровне была построена детализированная диаграмма, изображенная на рисунке 4. Диаграмма включает следующие блоки: восстановление параметров теплообмена (блок 1), вычисление конечного температурного поля в слябе после МНЛЗ (блок 2), вычисление начального температурного поля в штабеле (блок 3), определение теплового состояния сляба (блок 4), определение продолжительности

охлаждения штабеля (блок 5).

Обобщенный метод оценки теплового состояния слябов включает в себя метод расчета конечного распределения температуры в слябе, позволяющий рассчитывать распределение температуры сляба в виде:

r^-r.-fr.-r.^"-^*

/у _ у \ ^ 21

где А и В - половина ширины и толщины сляба, ДТа=а—° с.р.А.в--V " пеРепад

температуры по длине сляба 21, а- средний коэффициент теплоотдачи, v - скорость вытягивания, х,у — текущие координаты по ширине и длине сляба, соответственно; Тп, Т„ -температура поверхности и оси сляба после выхода с МНЛЗ:

Тп =240,867(1+0,534v)(1+7,248B)(1+0,05&4), То =373,720(1 +0,457v)(1 +7,343В)(1 +0,087А). Метод расчета начального распределения температуры в штабеле позволяет обобщать результаты исследования температурного поля в слябе на выходе с МНЛЗ в виде формулы для начального распределения температуры по ширине, длине и высоте штабеля:

где - А < х < А 0 < у < 21, 0 < z й Н; k = - суммарный коэффициент

" ' с-р

теплоотдачи от поверхности сляба; Я- высота штабеля.

Метод определения теплового состояния штабеля позволил произвести оценку теплоты, теряемой штабелем на складе. Для этого необходимо знать, с каким количеством теплоты сляб поступает с МНЛЗ. В данной работе предложены две методики расчета баланса теплоты в слябе на МНЛЗ - на основе модели (З.К. Кабаков, Д.И. Габелая) и инженерная методика расчета.

В отличие от известной приближенной методики составления баланса, основанной на использовании конкретных экспериментальных данных (по толщине корки, температуре поверхности сляба, времени нахождения сляба в пределах ЗВО и др.) и имеющей ограниченное применение, в данной работе для расчета статей баланса использовали математическую модель затвердевания и охлаждения сляба.

Используя модель, определяли QBX0A, Qy. Qcc - количества теплоты, поступившей в сляб, ушедшей с поверхности сляба и оставшейся в слябе, соответственно по формулам:

лв

Qoa = P-v-\\cm(T-Tcp)dxdy, 0у= 0УУ+

00

где Qn ^y'\\q4dxdt - количество теплоты, ушедшей с поверхности узкой грани сляба;

00

In

Я

z

H-z + B) + ~A

(1)

<2чш = V¡¡дшс£сЖ- количество теплоты, ушедшей с поверхности широкой грани сляба.

00

На рисунке 5 представлен пример результатов расчета количества теплоты, оставшейся в слябе, с использованием модели.

/'У

15 20 25

Расстояние от мениска, м

Рисунок 5 - График количества теплоты, оставшейся в слябе бост в зависимости от расстояния от мениска при скорости разливки 0,8 м/мин

Разработана инженерная методика для расчета долей теплоты, уходящей из заготовки в кристаллизаторе, ЗВО и на воздухе, включающая формулы:

ввод - &-&Р _£?ЗВО>

где 20= 2Л-2В■ р-у-[с-(г° - Гср)+ Ц - количество теплоты, поступившей в сляб;

= |гЯ• V• Я • ^^• т^--количество теплоты, уходящей от сляба в районе кристаллизатора; _

2.| уЛ-Л~|-

Я,,

я„

V

1-1*!.

- количество теплоты,

уходящей от сляба в районе ЗВО.

Здесь ¿1 и к2 - коэффициенты затвердевания металла в кристаллизаторе и ЗВО; На -длина активной части кристаллизатора; АТ=Т^-ТП\ П=2(2Л+2В) - периметр сечения

заготовки; Язво - длина ЗВО.

Математическую модель и инженерную методику использовали для определения долей теплоты, выделяемой в разных зонах МНЛЗ в зависимости от скорости разливки. Результаты расчетов статей баланса представлены в таблице 1. Моделирование выполнено для размеров сляба 1,2*0,25 м и при скоростях разливки 0,8 м/мин и 1,2м/мин.

Расчетные данные, полученные с помощью модели и инженерной методики, удовлетворительно согласованы друг с другом. При этом доли теплоты, приходящиеся на кристаллизатор и зону охлаждения на воздухе, уменьшились при увеличении скорости вытягивания. Доля теплоты в ЗВО при увеличении скорости, наоборот, увеличилась. Погрешность прогноза статей баланса по инженерной методике по сравнению с точной методикой составила в среднем 3%.

Таблица 1 - Результаты расчета статей баланса теплоты

Скорость разливки

0.8 м/мин 1,2 м/мин

Расчет по Инженерная Расчет по Инженерная

модели методика модели методика

Тепло Тепло Тепло Тепло

вой Доля, вой Доля, вой Доля, вой Доля,

поток, % поток, % поток, % поток, %

МВт МВт МВт МВт

Кристалли- 2,78 7 2,7 6,67 3,00 5,1 3,3 5,4

затор

ЗВО 11 28 11,7 28,9 20,00 33,9 19,5 31,5

На воздухе 25,99 65 26,1 64,43 36,00 61 39,2 63,1

Итого 100 100 100 100

Проведен сравнительный анализ распределения долей теплоты в кристаллизаторе и ЗВО при различных размерах сечения сляба (1,8x0,25 м; 1,8*0,125 м; 0,25x0,25 м). Установили, что доля теплоты, отдаваемой слябом в кристаллизаторе, значительно зависит от толщины сляба. При уменьшении толщины в 2 раза доля теплоты, отдаваемой в кристаллизаторе, уменьшилась с 13-14% до 7,5%. При этом доля теплоты в ЗВО приняла наибольшее значение (29,15%) при наибольшей ширине сляба.

Метод определения продолжительности охлаждения штабелей позволил определить продолжительность охлаждения штабелей из слябов углеродистых марок сталей до температуры 100°С в зависимости от различных геометрических параметров штабеля. При использовании полного факторного эксперимента, было изучено влияние следующих параметров на процесс охлаждения штабелей: ширины штабеля 2А, длины штабеля 21, высоты штабеля Я и расстояния между штабелями а. В качестве объекта, на котором проводились эксперименты, использовалась математическая модель охлаждения штабеля, разработанная в разделе 2. В принятых обозначениях геометрических параметров формула расчета продолжительности охлаждения штабеля приняла вид:

I = - 3,06 + 81,5-А +1,47 / +15,68-Я - 6,08 а, (2)

где 0,6 м < А < 1,0 м, 2,0 м < / 2 6,0 м, 2,0 м < Я< 4,0 м, 1,0 м 2 а < 2,0 м.

Средняя относительная погрешность прогноза продолжительности охлаждения по формуле (2) составила менее 2,5%.

Полученная функциональная зависимость использовалась для прогнозирования продолжительности охлаждения штабелей из углеродистых сталей с целью совершенствования технологии и уточнения технологических инструкций.

В данном разделе предложен метод восстановления параметров охлаждения слябов на воздухе на основе экспериментальных данных по измерению температуры поверхности плоского тела, охлаждаемого одинаково с обеих сторон. Метод включал следующие этапы:

—измерение температуры поверхности и в плоскости симметрии тела; —численное решение одномерной задачи теплопроводности методом конечных разностей при задании в качестве граничного условия измеренной температуры;

_определение суммарного потока или коэффициента теплоотдачи на поверхности тела

на основе численного решения задачи для заданных моментов времени;

_восстановление параметров теплообмена с использованием метода наименьших

квадратов.

На рисунке 6 показано расчетное сечение тела, выбранное с учетом симметрии охлаждения.

Жх)

Рисунок 6 - Расчетное сечение тела

Модель включала уравнение теплопроводности в виде:

ср

ЭГ =д_(ядТ д1 Эх I Эх

начальное условие: Г(0,х)=7о, граничные условия в плоскости симметрии

л ,8Т прих=0: л—--дх

О

и на поверхности при Т(1£)=ТП(1). Здесь 0<х<Б, 0</<4, /к - продолжительность процесса, Т0 - начальная температура тела, Т„(1) - температура поверхности тела, полученная экспериментальным путем.

Систему уравнений решали с использованием метода конечных разностей и компьютера. Алгоритм решения протестировали для данного вида граничных условий с целью установления наименьшего количества узлов сетки, при котором погрешность решения не превышает погрешности измерения температуры. В результате моделирования определяли удельный тепловой поток, обеспечивающий заданную Тп (*) :

,ЭТ Эх

Т -Г„

и суммарный коэффициент теплоотдачи: а =

Коэффициент теплоотдачи а представили с учетом обозначения а =у в виде:

у = е-х1 +к-х2,

где *,= <т0 • (Г„г + Г4Х7; х2 =

Согласно методу наименьших квадратов составили сумму:

1=1

Значения ей к, при которых функция Б(е, к) принимает минимальное значение:

х„

ХгУХ» ~хп Х1У

где введены обозначения: хгу = У]х2:уп х,у = х„ = 2(х1')2' - Х^г.) > *12 -

¡,1 ¡.1 /-1 '-1 В третьем разделе разработано алгоритмическое обеспечение метода обработки информации для оценки параметров охлаждения слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад». Получены алгоритмы вычисления конечного температурного поля в слябе после МНЛЗ и начального температурного поля в штабеле, позволившие установить распределение температуры в штабеле на основе данных по геометрическим размерам сляба и штабеля, соответственно, и по теплофизическим свойствам стали.

Получен алгоритм определения теплового состояния штабеля, позволяющий произвести оценку статей баланса теплоты в слябе в разных зонах охлаждения. Построен алгоритм восстановления параметров теплообмена, позволяющий определить параметры теплообмена излучением и свободной конвекцией по данным измерения температуры поверхности плоских тел. Алгоритмы представлены в виде блок-схем и реализованы программно. Блок-схема обобщенного алгоритма оценки параметров теплового состояния штабелей слябов представлена на рисунке 7.

Обобщенный алгоритм оценки параметров охлаждения сформулирован следующим образом:

1. Ввод исходных данных. Измерение геометрических размеров сляба; определение скорости вытягивания сляба V, теплоемкости и плотности стали, времени доставки сляба на холодный склад, Тл, Тс, Тср - температуры ликвидуса, солидуса и среды, соответственно (блок 1).

2. Если требуется произвести оценку параметров теплового состояния слябов из малоуглеродистых или среднеуглеродистых сталей, применяется инженерная методика расчета. В противном случае - ведется расчет по модели (блок 2).

3. Алгоритм восстановления параметров теплообмена излучением и конвекцией (блок

3).

4. Алгоритм расчета конечного распределения температуры в слябе после МНЛЗ с помощью математической модели и инженерной методики (блоки 4 и 5, соответственно).

5. Алгоритм расчета начального распределения температуры в штабеле. Расчет начального распределения температурного поля в штабеле Т(х,у,г) с учетом конечного температурного поля в слябе после МНЛЗ и перепада температуры по высоте штабеля (блок 6).

6. Алгоритм определения теплового состояния сляба в разных зонах охлаждения с помощью математической модели и инженерной методики (блоки 7 и 8).

Рисунок 7 - Блок-схема обобщенного алгоритма оценки параметров теплового состояния

штабелей слябов

7. Алгоритм определения продолжительности охлаждения штабелей с помощью математической модели и инженерной методики (блоки 9 и 10).

8. Вывод расчетных данных (блок 11).

Обобщенный алгоритм позволил оценить основные параметры теплового состояния слябов, определить количество теплоты, оставшееся в слябе, восстановить параметры теплообмена по данным измерений температуры поверхности, исследовать температурное поле штабеля на холодном складе в зависимости от взаимного расположения соседних штабелей.

В четвертом разделе приведены основные функциональные элементы и блоки системы обработки информации для оценки параметров охлаждения слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад», приведены результаты экспериментальной проверки разработанного метода и алгоритмов.

Функциональная схема системы оценки параметров теплового состояния слябов и штабелей слябов, представленная на рисунке 8, содержит следующие основные блоки:

_ блок сбора информации о параметрах технологического процесса разливки

(1) представлен базой данных, получаемых с МНЛЗ;

— блок задания параметров процесса (2) представлен нормативной документацией и соответствующими технологическими инструкциями;

Блок вычисления времени доставки

сляба на холодный склад

1 МНЛЗ

Блок задания параметров процесса 2

Блок вычисления

начального температурного состояния штабеля 7

^ База данных теплофизических свойств стали

Рисунок 8 - Функциональная

схема обработки информации в системе оценки

Блок вычисления параметров разливки

Блок определения продолжительности охлаждения штабеля

8

Блок расчета статей баланса теплоты в заготовке

_ блок получения и обработки информации о химическом составе и свойствах

стали (3) и (4), представленный базой данных о химическом составе сталей и теплофизических свойствах стали;

_ блок вычисления времени доставки сляба на холодный склад (5);

— блок вычисления параметров разливки (6) представлен программным обеспечением обработки информации на базе промышленного компьютера;

_ блок вычисления начального температурного состояния штабеля (7);

— блок определения продолжительности охлаждения штабеля (8);

— блок расчета статей баланса теплоты в заготовке (9) (выполняют соответствующие алгоритмы обработки информации для оценки параметров охлаждения слябов, программно реализованы);

— блок отображения результата (10) реализован программно (интерфейсная часть программы).

Для экспериментальной проверки алгоритма построения начального распределения температуры в штабеле были проведены измерения средней температуры поверхности штабеля на холодном складе в ЭСПЦ ОАО «Северсталь» с помощью оптического пирометра Raytek Photo МХ6. Размеры контролируемых слябов 1,58x0,18*8,1 м.

На рисунке 9 приведены данные по распределению температуры по высоте штабеля, полученные путем усреднения измерений температуры поверхности 1-го, 10-го и 20-го слябов в штабеле и результаты расчета по формуле (1).

сляоы

номер сляба |

:о

15

16 14 11 10 S

е;з тоо *;з soo

1Х Рисунок 9 - Распределение температуры по высоте штабеля из слябов: 1 -экспериментальные данные, 2-расчет по формуле (1); д-точки измерения температуры поверхности штабеля

I/ 1

Т777777777777777777Т777Т,

Из рисунка 9 следует, что средняя относительная погрешность прогноза распределения начальной температуры по высоте штабеля составила 1,6 %.

Для проверки алгоритма восстановления параметров теплообмена было проведено сравнение результатов одновременного определения коэффициента теплоотдачи конвекцией и степени черноты поверхности с соответствующими литературными данными. В таблице 2 представлены результаты восстановления параметров теплообмена на основе предложенной методики восстановления и их сравнение с экспериментальными значениями коэффициентов, полученными из литературных источников.

Таблица 2 - Результаты восстановления параметров теплообмена

Источник информации Исходные данные £ к

Эксперимент из статьи автора диссертации [1] сляб 250*1070 мм 0,79 2,04

Данные из литературных источников (Акименко А.Д., Китаев Е.М., Скворцов А.А.) сляб 0,81 2,04

Данные из литературных источников (Немчинский А.Л.) сляб 0,74 2,18

На рисунке 10 представлена зависимость суммарного коэффициента теплоотдачи 01 от температуры охлаждаемой поверхности, построенная на основе алгоритма восстановления параметров сложного теплообмена.

Из рисунка 10 следует, что результаты восстановления удовлетворительно

Тпов, °С

Рисунок 10 - Зависимость аЕ от температуры поверхности:--результаты

восстановления по модели;о - литературные данные (Акименко А.Д.); а-литературные

данные (Немчинский А.Л.) Результаты экспериментального исследования по проверке алгоритма определения продолжительности охлаждения штабеля в виде кривых охлаждения в характерных точках штабеля представлены на рисунке 11._

о ------'

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 _Время, ч _

Рисунок 11 - Кривые охлаждения точек Т1, Т2, ТЗ, Т4 штабеля размерами 1,6*3x8 м

В качестве характерных точек выбраны: центр штабеля (1), середина боковой поверхности штабеля (2), верхней поверхности (3), торцевой поверхности (4) и угла штабеля (5).

Продолжительность охлаждения по формуле (2) определялась на основе анализа температурных кривых, приведенных на рисунке 11 для характерных точек штабеля.

Оценка продолжительности охлаждения была проведена при достижении температуры

оси штабеля 100°С. __,

Результаты расчета продолжительности охлаждения штабеля до температуры 100°С по формуле (2) и результаты моделирования при тех же исходных данных представлены на рисунке 12.

1,4 1.6 1.8

Ширина штабеля, м

6 8 10 Длина штабелем

б)

—

------ а

2,5 3 3,5

Высота штабед* м

1,2 1.4 1.6 1.8 Расстояние меж^г штабелями м

В) Г)

Рисунок 12 - Зависимость времени охлаждения штабеля от различных геометрических параметров охлаждения: а) ширина, б) длина, в) высота штабеля, г) расстояние между штабелями; • - математическая модель, А - инженерная методика

Из рисунка 12 следует, что продолжительность охлаждения штабеля практически линейно зависит от геометрических параметров (ширины, длины, высоты штабеля и от расстояния между штабелями). Для таких факторов, как ширина и высота штабеля, продолжительность охлаждения увеличилась примерно на 34 - 37%. При увеличении длины штабеля время охлаждения увеличилась незначительно - в среднем на 5 ч (4 5%) При увеличении расстояния между штабелями продолжительность охлаждения уменьшилась примерно на 6 ч, что составляет 5,1%. Из всех рассмотренных параметров наибольшее влияние на процесс охлаждения штабеля оказали ширина и высота штабеля. При изменении этих факторов в выбранных диапазонах время охлаждения

увеличилось примерно на 35 ч.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе в рамках решения поставленной научно-технической задачи повышения эффективности работы холодного склада конвертерного производства

за счет увеличения точности оценки теплового состояния слябов после МНЛЗ и на холодном складе получены следующие основные результаты:

1. Впервые построена математическая модель охлаждения штабелей из слябов на холодном складе, которая позволила в отличие от известных моделей учесть трёхмерность процесса охлахедения штабелей слябов, их взаимовлияние и наличие

окалины на поверхности слябов.

2. Проведена проверка адекватности модели путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными по измерению температуры штабеля. Проведена адаптация построенной модели по толщине зазора между поверхностью штабеля и окалиной. Погрешность моделирования после адаптации не превысила 1%.

3. Установлены закономерности охлаждения штабелей на холодном складе из углеродистой стали в зависимости от размеров штабеля и от расстояния между штабелями.

4. Впервые предложен метод одновременного определения коэффициента теплоотдачи конвекцией и степени черноты поверхности по данным измерения температуры поверхности плоского тела, охлаждаемого свободной конвекцией одинаково с обеих сторон. Разработанный метод опробован для восстановления параметров теплообмена с использованием экспериментальных данных по измерению температуры поверхности при охлаждении сляба из углеродистой стали сечением 250*1070 мм на рольганге.

5. Разработаны методы расчета баланса теплоты при затвердевании и охлаждении слябов на МНЛЗ с использованием математической модели и с использованием приближенного решения задачи затвердевания (инженерная методика). Методы позволили определить максимальное количество теплоты, ушедшей на холодный склад, и оценить возможное энергосбережение на холодном складе за счет использования теплоты, уходящей от штабеля из слябов. Погрешность прогноза статей баланса теплоты по инженерной методике по сравнению с точной методикой составила в среднем 3%.

6. Разработано алгоритмическое обеспечение для оценки параметров охлаждения штабелей слябов, которое позволило определить основные параметры охлаждения штабелей слябов, в частности, вычислить температурное поле штабеля в зависимости от конечного температурного поля в слябе после МНЛЗ, определить доли теплоты, ушедшей от сляба в разных зонах МНЛЗ, определить момент начала обработки слябов.

7. Поставленная в работе цель достигнута. В результате построения системы оценки параметров теплового состояния слябов удалось повысить точность оценки температурного поля в штабеле на 20%; статей баланса теплоты в заготовке в различных зонах охлаждения на 11%; сократить продолжительность обработки слябов на складе на 18% и увеличить, тем самым, пропускную способность холодного склада.

8. Применение теплоутилизирующих экранов позволит повысить эффективность работы холодного склада. Ожидаемая утилизация теплоты при внедрении предложенного способа составит 5-Ю5 ГДж в год. Результаты исследований переданы на ЧерМК «ОАО Северсталь».

Список публикаций по теме диссертации по перечню ВАК:

1. Кабаков, З.К. Восстановление параметров сложного теплообмена / З.К. Кабаков, К.Е. Голубёнков, Ю.В. Грибкова Ю.В., С.А. Антонов // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - №11 .-2006.-С.53-55.

2. Кабаков, З.К. Исследование процесса охлаждения штабелей на холодном складе / З.К. Кабаков, Ю.В. Грибкова, Д.И. Габелая //Вестник ЧГУ. - 2011. - №1. - С. 8186.

3 Грибкова, Ю.В. Методика расчета баланса тепла в затвердевающей на машине непрерывного литья заготовке/ Ю.В. Грибкова, З.К. Кабаков. Д.И Габелая // Вестник ЧГУ. -2011.-том I, №3,-С 13-16.

В прочих изданиях:

4 Кабаков З.К. Сложный теплообмен при охлаждении плоских поверхностей I 3 К Кабаков, К.Е. Голубенков, Ю.В. Грибкова. II Материалы второй международной научно-технической конференции. - Вологда: ВГТУ, 2006. -Т1.- С.72-75. RO,.vxe

5 Кабаков, З.К. Математическая модель охлаждения стопы слябов на воздухе II З.К. Кабаков, Ю.В. Грибкова, К.Е. Голубенков, С.А. Антонов II Вестник ЧГУ - 2006. - №2.

С 82 84

V Кабаков З.К. Основные концепции экономии энергии тепла в процессе непрерывной разливки стали / З.К. Кабаков. Ю.В. Грибков^ ДИ^Габелая // Пятая всероссийская научно-техническая конференция. - Вологда: ВГТУ, 2007. - с. м-м.

7 Кабаков З.К. Математическая модель охлаждения штабелей непрерывнолитых слябов на воздухе / З.К. Кабаков, Д.И. Габелая, Ю.В. Грибкова, C.B.

Егоренкова II Вестник ЧГУ - 2007. - №3. - С.83-84. „ПОПИпорЯнии

8 Кабаков ЗК. К учету свободной конвекции при моделировании

затвердевания слитков/ З.К. Кабаков, Ю.В. Грибкова // Четвертая международная научно-

техническая конференция. - Вологда. - 2008. - С. 165-168.

9 Кабаков З.К. Обоснование способа учета свободной конвекции при моделировании затвердевания слитков/ Кабаков З.К.,Самойлович Ю.А., Горяинов В.А., Грибкова Ю.В., Габелая Д.И.// Вестник ЧГУ,- 2009. -№ 1.- С.116-120.

10 Кабаков 3 К. Учет окалины при охлаждении непрерывнолитых слябов на воздухе / З.К. Кабаков, Ю.В. Грибкова, Д.И. Габелая // Сборник докладов научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерг^ и ресурсосбережения в металлургии». - Екатеринбург: ОАО «ВНИИМТ». - 2010. - С. 222 229

11 Кабаков, 3. К. Разработка методики расчета количества теплоты в заготовке при непрерывной разливке стали / З.К. Кабаков, Ю. В. Грибкова, Д.И. Габелая//Сборник статей Всероссийского научного семинара «Научно-техническии прогресс в

металлургии».-Череповец: ЧГУ, 2012.-С.61-65. „

12 Кабаков 3 К. Определение температурного поля в слябе на выходе с МНЛЗ / 3 К. Кабаков', Ю. В. Грибкова, Д. И. Габелая // Сборник статей Всероссийского научного семинара «Научно-технический прогресс в металлургии». - Череповец: ЧГУ, 2012. -С.65-70.

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

ФГБОУ ВПО

Череповецкий государственный университет

На правах рукописи

04201357554

Грибкова Юлия Владимировна

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЛЯБОВ НА ЛИНИИ «МНЛЗ-ХОЛОДНЫЙ СКЛАД»

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 З.К. Научный консультант - доктор технических наук, профессор Ершов Е.В.

Череповец - 2013

Оглавление

Введение...........................................................................................................................4

1 Общая характеристика проблемы оценки параметров теплового состояния слябов................................................................................................................................9

1.1 Анализ методов, моделей и алгоритмов обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад».. 9

1.2 Характеристика процесса затвердевания и охлаждения слябов как объекта для оценки..................................................................................................................40

1.3 Определение требований к математическому обеспечению системы оценки параметров охлаждения штабелей на линии «МНЛЗ - холодный склад»..........49

Выводы.......................................................................................................................52

2 Математическое обеспечение метода определения параметров теплового состояния штабелей из слябов на холодном складе..................................................54

2.1 Математическая модель процесса охлаждения штабеля слябов..................54

2.2 Тестирование модели охлаждения штабеля....................................................69

2.3 Проверка адекватности модели........................................................................77

2.4 Разработка обобщенного метода обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов при охлаждении на линии «МНЛЗ -холодный склад».......................................................................................................82

2.4.1 Метод расчета конечного распределения температуры в слябе.............84

2.4.2 Метод расчета начального распределения температуры в штабеле.......89

2.4.3 Метод определения теплового состояния штабеля..................................96

2.4.4 Метод определения продолжительности охлаждения штабелей..........107

2.4.5 Метод восстановления параметров охлаждения слябов на воздухе .... 111 Выводы.........................................................................................................................115

3 Алгоритмическое обеспечение метода обработки информации для определения параметров охлаждения штабелей на холодном складе.........................................116

3.1 Система входных параметров алгоритмического обеспечения...................116

3.2 Алгоритм расчета конечного распределения температуры в слябе после МНЛЗ........................................................................................................................117

3.3 Алгоритм расчета начального распределения температуры в штабеле 119

3.4 Алгоритм определения теплового состояния штабеля.................................121

3.5 Алгоритм восстановления параметров теплообмена....................................126

3.6 Алгоритм определения продолжительности охлаждения штабелей слябов на холодном складе......................................................................................................128

3.7 Обобщенный алгоритм обработки информации для оценки параметров теплового состояния штабелей слябов.................................................................129

Выводы.....................................................................................................................132

4 Экспериментальные исследования метода и алгоритмов обработки информации в системе оценки параметров охлаждения штабелей слябов.................................133

4.1 Основные функциональные элементы и блоки системы оценки параметров теплового состояния слябов...................................................................................133

4.2 Методика настройки алгоритмического обеспечения..................................136

4.3 Результаты экспериментальных исследований..............................................138

4.4 Перспективы применения разработанного метода и алгоритмов в технологических системах охлаждения слябов на холодном складе...............149

Выводы.........................................................................................................................153

Заключение...................................................................................................................154

Литература...................................................................................................................157

Приложение А Имитационная программная модель..............................................168

Приложение В Интерфейс имитационной программы...........................................176

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время металлургическое производство характеризуется повышением требований к качеству продукции, снижению энергозатрат и улучшению экологической обстановки. Черная металлургия относится к одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Доля затрат на топливно-энергетические ресурсы в общих заводских затратах на производство продукции составляет более 30 %. Высокая энергоемкость металлургических производств при постоянном росте цен на топливо ставит на одно из первых мест проблемы энергосбережения.

Конвертерное производство (КП) стали является одним из наиболее перспективных переделов в сталеплавильном производстве. В наше время конвертерным способом производится около 70 % мирового объема стали. Одним из недостатков конвертерного производства является достаточно высокая ресурсо- и энергоемкость процесса. Современная модульная схема построения конвертерных цехов предполагает совмещение процесса дискретной выплавки стали в конвертере с ее квазинепрерывной разливкой в рамках технологической цепочки «конвертер» - агрегаты внепечной обработки - «машина непрерывной разливки стали (МНЛЗ)».

После формирования на МНЛЗ и порезки слябов на мерные длины, они поступают на холодный склад, где складируются в штабеля, как правило, для последующего охлаждения. Начальное тепловое состояние штабеля на холодном складе определяется закономерностями затвердевания и охлаждения сляба на машине непрерывного литья и охлаждением при его транспортировке до холодного склада. В настоящее время в технологических инструкциях используются эмпирические данные по оценке продолжительности охлаждения штабелей до требуемой температуры без учета начального распределения температуры, геометрических размеров штабелей, а также их взаимовлияния, что приводит к увеличению продолжительности нахождения слябов на складе и снижению пропускной способности склада. В то же время охлаждение штабелей

на холодном складе сопровождается тепловыми выбросами в атмосферу и тепловым воздействием на обслуживающий персонал.

Исследованиями закономерностей охлаждения слябов на линии «MHJI3 -холодный склад» занимались отечественные и зарубежные ученые: А.Д. Акименко, A.A. Скворцов, В.Т. Борисов, Ю.А. Самойлович, З.К. Кабаков, В.Т. Сладкоштеев, Н.И. Шестаков, Б.И., Китаев Е.М., В.И. Дождиков, B.JI. Мазур, Zou J., Tseng A.A., Thomas B.G., Brimacombe J. и др. Полученные ими результаты успешно использованы при разработке и совершенствовании методик и алгоритмов расчета параметров затвердевания и охлаждения непрерывно отливаемых слябов. Вопросам оценки конечного теплового состояния слябов на MHJ13 и штабелей слябов на холодном складе внимания уделено недостаточно. В настоящее время возникают вопросы по увеличению пропускной способности холодного склада и по энергосбережению, а также по улучшению условий труда на складе. Таким образом, назрела необходимость в разработке системы оценки параметров теплового состояния слябов на линии «MHJI3 - холодный склад». В связи с этим задача разработки метода и алгоритмов обработки информации по тепловому состоянию сляба на линии «MHJT3 - холодный склад», является актуальной. Решение поставленной задачи позволит повысить точность результатов расчета теплового состояния сляба, а также совершенствовать технологию процесса охлаждения штабелей слябов и разработать рекомендации по энергосбережению.

Цель работы: повышение эффективности работы холодного склада конвертерного производства за счет увеличения точности оценки теплового состояния слябов на линии «MHJI3 - холодный склад».

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1) Анализ методов, моделей и алгоритмов обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «MHJI3 - холодный склад».

2) Разработка математического обеспечения метода обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов.

3) Разработка алгоритмического обеспечения системы оценки теплового состояния штабеля на холодном складе.

4) Экспериментальные исследования эффективности предложенных метода и алгоритмов.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические основы металлургической теплотехники; методы математического и компьютерного моделирования; теория планирования эксперимента; основы теории построения алгоритмов и программ.

Объект исследования: система оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад».

Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы обработки информации в системе оценки параметров теплового состояния при охлаждении слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад».

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель охлаждения штабелей слябов на холодном складе, отличающаяся трехмерным представлением процесса охлаждения штабелей слитков, учетом их взаимного тепловлияния и наличия окалины на поверхности слябов в штабеле.

2. Метод определения начального теплового состояния штабеля на холодном складе, учитывающий конечное тепловое состояние сляба после МНЛЗ, длительность транспортировки сляба, геометрические размеры штабеля и тепловое взаимовлияние штабелей, и позволяющий повысить точность оценки теплового состояния на холодном складе.

3. Алгоритмическое обеспечение для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад» непосредственно в технологическом потоке, включающее систему алгоритмов:

— алгоритм расчета конечного температурного поля в слябе после МНЛЗ;

— алгоритм расчета начального распределения температуры в штабеле;

— алгоритм определения теплового состояния штабеля;

— алгоритм восстановления параметров теплообмена;

— алгоритм определения продолжительности охлаждения штабелей слябов на холодном складе;

— обобщенный алгоритм обработки информации для оценки параметров теплового состояния штабелей слябов.

Практическая ценность. Разработано программное обеспечение, реализующее метод и алгоритмы обработки информации для системы оценки параметров охлаждения слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад». Разработана методика настройки алгоритмического обеспечения метода определения параметров охлаждения штабелей на холодном складе. Разработан метод, позволяющий оценить возможное энергосбережение на холодном складе за счет использования теплоты, уходящей от штабеля из слябов. Предложен способ утилизации теплоты штабелей на холодном складе. Разработана конструкция утилизирующих экранов, применение которых на холодном складе позволит сократить продолжительность обработки слябов на складе на 18% и увеличить пропускную способность склада. Ожидаемый годовой эффект от применения предложенной методики утилизации теплоты на холодном складе составит 5-105 ГДж.

Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждена корректным использованием методологии математического моделирования теплофизических процессов при затвердевании и охлаждении слябов на МНЛЗ и охлаждении штабелей на холодном складе, результатами исследования погрешности моделирования, а также сравнением результатов моделирования с данными экспериментов, полученными в промышленных условиях, и результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» с 2006 г. по 2012 г. Результаты исследования по оценке параметров теплового состояния слябов переданы на ОАО «Северсталь».

Разработанная имитационная модель учета взаимовлияния штабелей используется в учебном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплинам: «Теория и технология разливки стали» для специальности «Металлургия черных металлов»; «Моделирование процессов и объектов в металлургии», «Компьютерное моделирование» и «Имитационное моделирование» для специальности «Прикладная математика и информатика».

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. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на второй международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2006 г.); международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (Вологда,

2007 г.); четвертой международной научно-технической конференции (Вологда,

2008 г.); научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго - и ресурсосбережения в металлургии» (Екатеринбург, 2010 г.); на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии» (Череповец, 2012 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 99 наименований и приложений. Объем диссертации - 178 страниц, включает в себя 70 рисунков и 32 таблицы.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ

ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СЛЯБОВ

1.1 Анализ методов, моделей и алгоритмов обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ - холодный склад»

Исследованием процесса затвердевания и охлаждения слябов на МНЛЗ занимались многие российские и зарубежные ученые. Установлено, что процесс затвердевания и охлаждения стальных заготовок включает в себя следующие фазы:

- теплопередача при принудительной и свободной конвекции жидкой фазы в незатвердевшей части слитка;

- теплопроводность в твердой фазе;

- выделение теплоты при кристаллизации металла;

- охлаждение поверхности слитка в различных зонах МНЛЗ.

Рассмотрим основные закономерности указанных процессов, которые, как правило, учитываются при моделировании.

Основными параметрами теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ -холодный склад» являются следующие: толщина твердой оболочки слитка, коэффициент теплоотдачи, эффективная удельная теплоемкость сплава, температура поверхности сляба в конце затвердевания, температура окружающей среды, продолжительность охлаждения штабеля на холодном складе, общее количество тепла, отводимое от слитках в различных зонах МНЛЗ и на складе.

Авторами работы [5] было проведено исследование гидродинамических явлений в жидкой фазе непрерывно отливаемой заготовки методом физического моделирования. В качестве моделирующей жидкости использовали горячую воду

и расплавленный парафин. Моделирование проводили при равенстве критериев Рейнольдса, Вебера и Фруда.

Большинство процессов в настоящее время хорошо изучены [3,5,19, 34,63,65,76,77,82]. Наиболее сложным процессом является теплопроводность в жидкой фазе при свободной и вынужденной конвекции. В работе [5] при исследовании конвекции в стальном слитке в качестве моделирующей жидкости применяли подогретую до 60°С воду, которую заливали в модель изложницы. Авторы [5] утверждают, что теплоотдача при свободной конвекции в широком диапазоне чисел Рг аппроксимируется единой формулой:

Ыи = С • Сг" ■ Ргт.

При О > 109 С=0,105 и и=1/3. Для расплавленной стали Рг=0,125. В этом случае

коэффициент т=0,3+0,02/\/Рг =0,34-1/3. При 50°С Рг=3,56, т=0,3+0,02/3л/Рг = =0,31 =1/3.

Таким образом, для расплавленной стали и подогретой воды т= 1/3, а

также

Ии = 0,105 • (рг ■ Рг)1/3. Авторы [5] показали, что при моделировании свободной конвекции на парафине целесообразно применение зависимости

Ми = 0,54 • (Сг • Рг)1/4. В работе [76] отмечено, что конфигурация фронта затвердевания определяет размеры жидкой сердцевины слитка, в которой возникают конвективные потоки, влияющие на формирование структуры слитка и возникновение химической неоднородности (ликвации). В инженерной практике широко используется способ оценки толщины корки и конфигурации жидкой лунки в соответствии с законом квадратного корня:

£ = к ■ л/7.

где е - толщина твердой оболочки слитка. Заключительная стадия формирования слитков характеризуется у�