автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод и алгоритмы оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева в системе оценки теплового состояния стальных слитков

На правах рукописи

АНТОНОВА ЮЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА В СИСТЕМЕ ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец-2014

005558137

005558137

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика и теплотехника» ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» (ЧГУ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Лукин Сергей Владимирович

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ Шестаков Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Цаплин Алексей Иванович

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой общей физики ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Грибкова Юлия Владимировна

к.т.н., преподаватель кафедры Информационной безопасности Череповецкого высшего военного инженерного училища радиоэлектроники

ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники -ВНИИМТ», г. Екатеринбург

Защита состоится «24 » декабря 2014 года в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.297.02 при Череповецком государственном университете по адресу: 162600, г. Череповец, пр. Луначарского, 5, аудитория 208.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкой государственного университета. Автореферат диссертации размещен на сайт ЧГУ www.chsu.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печаты организации, просим присылать по адресу: 162600, г.Череповец пр. Луначарского, 5, диссертационный совет ЧГУ. Тел.: (8202) 55-65-97, факс (8202) 55-70-49. Копии отзывов можно прислать на E-mail: shestakovni@chsu.ru.

Автореферат разослан «21 » октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.297.02

К.А. Харахнин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в металлургическом производстве повышаются требования к качеству продукции, снижению энергозатрат и улучшению экологической обстановки. Черная металлургия относится к одной из наиболее энергоемких отраслей промышленности. Высокая энергоемкость металлургического производства при постоянном росте цен на топливо ставит на одно из первых мест проблемы энергосбережения и повышения качества продукции.

Жидкая сталь, получаемая в конверторах, электропечах и мартеновских печах, разливается на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и в изложницах. В большинстве стран мира доля стали, разливаемой на МНЛЗ, превышает 90+95%. Исключение составляют такие страны как Россия, Украина, Казахстан, Бразилия и некоторые другие, доля непрерывной разливки в которых значительно ниже в силу продолжающейся реконструкции сталеплавильного комплекса.

Стальные слитки и заготовки, выходящие из разливочного агрегата (МНЛЗ, изложница) имеют высокую среднемассовую температуру (порядка 10ОО °С) и содержат значительное количество физической теплоты, которая теряется полностью или частично на складе, при транспортировке и т.д., и в нагревательные печи прокатного производства заготовки часто поступают в холодном состоянии. В печах слитки необходимо нагреть до температуры 1200+1250°С, чтобы обеспечить необходимую пластичность перед прокаткой или обжимом. При использовании физической теплоты слитков, выходящих из разливочного агрегата, в печах, может быть достигнута значительная экономия топлива. В этом случае целесообразно применять термостаты для сохранения физической теплоты слитков.

В научно-технической литературе имеется много работ, посвященных режимам затвердевания и охлаждения заготовок и слитков и оценке теплового состояния слитка в МНЛЗ и изложницах, например, работы А.Д. Акименко, Д.П. Евтеева, Е.М. Китаева, В.А. Емельянова, B.C. Рутеса, Ю.А. Самойловича, А.И. Вейника, В.А. Ефимова, Б.Т. Борисова, В.А. Журавлева, А.И. Цаплина, З.К. Кабакова, Н.И. Шестакова, и др. Также имеется много работ, посвященных режимам нагрева заготовок и слитков и оценке их теплового состояния в нагревательных печах, например, работы М.А. Глинкова, В.А. Кривандина, Б.С. Мастрюкова, Л.А. Бровкина, В.А. Арутюнова, В.В. Бухмирова, В.Л. Гусовского,

A.Н. Лебедева и др. Задачи оптимизации тепловой работы нагревательных печей (по минимизации расхода топлива, угара металла и др.) решалась в работах Бровкина В.А, Е.И. Казанцева, Соколова А.К., Германа М.Л., Прозорова

B.В. и др.

Нужно отметить, что до сих пор разливочные агрегаты и нагревательные печи рассматривались отдельно друг от друга. Так, задачи оценки теплового состояния слитка и оптимизации тепловой работы печей решены достаточно успешно при условии загрузки в печи холодных слитков. Однако, при использовании физической теплоты слитков, выходящих из разливочного агрегата, в нагревательной печи, задачи оценки и оптимизации практически не решались. В частности, в литературе практически отсутствуют работы, где рассматривается охлаждение горячих слитков и заготовок в термостатах, что

объясняется тем, что термостаты лишь недавно нашли применение на некоторых небольших металлургических заводах. Поэтому отсутствуют работы, где рассматривается вся технологическая цепочка: разливочный агрегат -термостат - нагревательная печь.

Разработка методов оценки теплового состояния слитка и оптимизации тепловых режимов на линии «разливочный агрегат - термостат -нагревательная печь» может дать значительные энергетический и экономический эффекты, и обеспечить повышение конкурентоспособности на мировом рынке для предприятий металлургического комплекса. В этой связи, разработка метода и алгоритмов оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева слитков является актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является повышение качества нагрева слитков и увеличение энергоэффективности и производительности нагревательных печей за счет оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева в системе оценки параметров теплового состояния слитков на линии «изложница - термостат -нагревательная печь».

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ методов, моделей и алгоритмов обработки информации в системах оценки параметров теплового состояния слитков на линии «изложница-термостат- нагревательная печь».

2. Разработано математическое обеспечение системы оценки параметров теплового состояния слитков на линии «изложница - термостат -нагревательная печь».

3. Проведено исследование режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков разной массы и различных марок стали.

4. Разработано алгоритмическое обеспечение для оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические основы металлургической теплотехники, методы математического и компьютерного моделирования, основы теории построения алгоритмов и программ, системного анализа, теории оптимального управления.

Объект исследования: система оценки параметров теплового состояния слитка на линии «изложница - термостат - нагревательная печь».

Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы обработки информации в системе оценки параметров теплового состояния слитков на линии «изложница - термостат - нагревательная печь».

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель охлаждения слитка в термостате, отличающаяся тем, что позволяет последовательно рассчитывать температурное поле слитка при затвердевании в изложнице, при охлаждении на воздухе и в термостате и при нагреве в печи.

2. Метод оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков, отличающийся возможностью применения на всех этапах технологической цепочки «изложница - термостат - нагревательная печь» и позволяющий оценивать тепловое состояние слитка и выбирать оптимальные режимы его тепловой обработки, при которых обеспечивается необходимая степень нагрева, наибольшие производительность и энергоэффективность нагревательной печи.

3. Алгоритмическое обеспечение метода оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков в системе оценки параметров теплового состояния стальных слитков, позволяющее определять оптимальные длительности нахождения слитка в изложнице, на воздухе, в термостате и в нагревательной печи, и включающее алгоритмы:

• алгоритм расчета температурного поля слитка;

• алгоритм определения минимально необходимой длительности нахождения слитка в нагревательной печи;

• алгоритм определения оптимальной длительности нахождения слитка в изложнице;

• алгоритм определения оптимальной длительности нахождения слитка в изложнице, на воздухе, в термостате, в печи.

Практическая ценность работы. Разработано программное обеспечение, позволяющее численно рассчитывать температурное поле слитка в изложнице, на воздухе, в термостате, снова на воздухе и в нагревательной печи. Установлены закономерности затвердевания, охлаждения и нагрева слитков разной масс и различных марок стали. Разработаны номограммы, позволяющие оценивать степень нагрева стальных слитков разных типов при известной длительности выдержки слитка в печи и суммарной длительности затвердевания и охлаждения слитка в изложнице, на воздухе и в термостате.

За счет совершенствования режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков на ОАО «Русполимет» значительно повысилось качество нагрева слитков, увеличилась производительность нагревательной печи, уменьшились удельный расход топлива в печи и потери металла от окисления. При оптимальном выборе времени затвердевания слитка в изложнице и времени нагрева в печи ее производительность возрастает в 2+3 раза, удельный расход топлива уменьшается в 3+4 раза. Подтвержденный актом о внедрении результатов диссертационной работы на ОАО «Русполимет» экономический эффект составляет 15 млн. руб. в год.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена корректным использованием методологии математического моделирования теплофизических процессов при затвердевании слитков в изложнице, охлаждении на воздухе и термостате, нагреве в печах, а также сравнением результатов моделирования с данными экспериментов, полученных в промышленных условиях.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» с 2011 по 2014 г. Результаты исследований внедрены на ОАО «Русполимет». Также результаты работы рекомендуются к внедрению на всех металлургических заводах, где применяется разливка стали в изложницы.

Соответствие паспорту специальности. Проблематика, рассмотренная в диссертации, соответствует пункту 4 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).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийских научно-практических конференциях «Череповецкие научные чтения» (Череповец, 2012, 2013), на l-ой Международной научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в черной металлургии» (Череповец, 2013), на VIII и IX-ой Международной научно-технической

конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2013, 2014), на V-ой Международной конференции "Science and Education" (Германия, Мюнхен, 2014).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 11 работах (из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для соискателей степени кандидата технических наук).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 192 страницы текста, 57 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 122 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первом разделе на основе изучения литературных источников проанализирована технология получения стального проката и разработана обобщенная функциональная схема системы оценки параметров теплового состояния слитков на линии «изложница - термостат - нагревательная печь», представленная на рис. 1. Первичная информация включает в себя геометрические размеры и форму разливаемого слитка, марку разливаемой стали, температуру жидкой стали, длительности нахождения слитка в изложнице, на воздухе после изложницы, в термостате, на воздухе после термостата, температуру в рабочем пространстве печи, длительность нахождения в изложнице. В результате обработки и анализа первичной информации определяется тепловое состояние слитка в моменты извлечения его из изложницы, загрузки в термостат, выгрузки из термостата, загрузки и выгрузки из печи.

В диссертации рассмотрены известные математические модели затвердевания слитков в изложницах и нагрева в печах, установлено, что математические модели охлаждения слитков в термостатах отсутствуют.

Рассмотрены методы совершенствования и оптимизации тепловой работы нагревательных печей. Установлено, что в большинстве случаев речь идет о нагреве холодной заготовки. В некоторых случаях рассматривается т. н. «горячий посад», когда слиток, извлеченный из изложницы, сразу помещают в нагревательную печь. Данный вариант возможен, когда разливочный агрегат и нагревательная печь расположены рядом, что редко выполняется на практике.

Управление процессами затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков, получаемых в изложницах, заключается в задании 5-ти значений длительностей нахождения слитка: в изложнице t-i, на воздухе после изложницы Т2, в термостате тз, на воздухе после термостата тл, в нагревательной печи ts, обеспечивающих тепловое состояние слитка на выходе из нагревательной печи, при котором максимальная разница температур на поверхности и оси слитка не превышает заданного значения стали A7"max для данной марки. Это обеспечит необходимую пластичность металла и исключит трещинообразование при обработке слитка на обжимном агрегате.

Длительности ii.....is зависят от следующих технологических параметров:

температуры жидкой стали (То), температуры в рабочем пространстве печи

(ГПвч); геометрии слитка (Г), определяемого геометрией изложницы (И); теплофизических параметров стали (с, р, X, Ц, определяемых маркой стали (М); технологией выфузки, загрузки и транспортировки слитка от изложницы до нагревательной печи. Значения Т1,...д5 должны быть оптимизированы (т1опт,...Д5опт) по таким критериям, как производительность и энергоэффективность печи при заданной степени нагрева слитка.

Геометрия

Марка стали

Длительности охлаждения в изложнице, на воздухе, в термостате и нагрева в печи

Сбор первичной информации

Обработка и Корректировка

анализ «*— данных

первичнои

информации

1 +

Нагревательная Отчет оператору

печь —► нагревательной

печи

Обжимной агрегат

±

Нагревательная печь

3.

Термостат

±

Изложница

Сталеплавильный агрегат

Рис. ^Функциональная схема системы оценки параметров теплового состояния слитков.

Во втором разделе на основе системного анализа разработана системная модель оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков на линии «изложница - термостат - нагревательная печь» (рис. 2).

Системы управления производством

Уровень планового управления

О

Оптимизация управления режимами затвердевания, охлаждения, нагрева

г«*Ст),

г,-

Оценка теплового состояния стальных слитков

ззш

То, Т„с

-bi-.-i.li-

АТГ

»ет. датчик |

ХУ

Жидкая сталь

Изложница

I___;

^2опт

1

:Тз

ш

ермояат

ТЗоетг

и

1 }И£Н>м«Чр

2-й уровень автоматизации

У------

- .У __________

I Слиток 11.4-рся печь ►

1-й уровень автоматизации

Уровень технологи

Рис. 2. Системная модель оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков.

В ходе системного анализа были определены модели и методы, реализация которых необходима для оптимизации технологических режимов получения стального слитка. Была определена необходимость разработки математической модели затвердевания, охлаждения и нагрева слитка в печи, метода оптимизации технологических режимов.

Была построена математическая модель, позволяющая последовательно рассчитывать затвердевание слитка в изложнице, охлаждения на воздухе и в термостате, нагрева в печи, и оценки степени нагрева слитка (ДГтах) для заданных параметров (т-|,...,т5, Го, Гпеч, Г, с, р, X, Ц.

Двухмерное температурное поле цилиндрического слитка в изложнице, на воздухе, в термостате и в печи описывается дифференциальным уравнением теплопроводности в цилиндрических координатах:

где Г-температура, К; г, z— цилиндрические координаты; т-текущее время; р, СЭф, Я. - плотность, эффективная теплоемкость и коэффициент теплопроводности стали в зависимости от ее температуры.

В момент времени т = 0 во всех точках слитка температура принималась равной начальной температуре жидкого металла То.

На оси слитка (г = 0) задается условие тепловой симметрии: дТ/дг = 0; на поверхности слитка (г = D/2) задается граничное условие:

X-8T/dn = qn, (2)

где п - координата нормали к поверхности слитка, направленной внутрь слитка; qn- плотность теплового потока на поверхности слитка.

При затвердевании слитка в изложнице основной теплообмен происходит между боковой поверхностью слитка, стенкой изложницы и атмосферой. Также небольшая часть теплоты переходит от донной поверхности слитка к поддону и далее в атмосферу, а также непосредственно от верхней части слитка (прибыли) в атмосферу через слой теплоизолирующей смеси.

Теплообмен между боковой поверхностью слитка и внутренней поверхностью изложницы определяется выражением:

Чи = (т)-((7;ов/100)4 -(Ги/100)4), (3)

где Тпов, Ги - абсолютные температуры поверхности слитка и внутренней

ПОВерХНОСТИ ИЗЛОЖНИЦЫ^ Сусл

(т) - приведенный коэффициент радиационно-кондуктивного теплообмена между поверхностью стального слитка и внутренней поверхностью чугунной изложницы, ВтДм2-«4). По опытным данным Сусл(т) можно описать выражением: Сусл(т) = 3,5+6,5-ехр(-0,005-т), где х -

время, прошедшее с момента заливки жидкой стали в изложницу, с. Чтобы определить температуру Ти, одновременно с температурным полем слитка рассчитывается нестационарное температурное поле стенки изложницы. Кроме того, учитывается теплообмен донной части слитка с поддоном, а верхней части слитка (прибыли) - с окружающей средой.

При охлаждении слитка на воздухе величина qn описывается выражением:

Чп = ес-5,67-((7;ов/100)4 -(ГВ/100)4) + 2,6.(ГПОВ -Гв)''25, (4)

где Ес - степень черноты поверхности слитка; Тв-температура воздуха, К. В термостате в результате теплообмена поверхности слитка с внутренней поверхностью термостата происходит выравнивание температуры поверхности слитка, а в результате внутреннего теплообмена - выравнивание температуры по сечению слитка. Часть теплоты от слитка расходуется на нагрев стального ложемента, на который укладывается слиток.

Для расчета величины q„ на поверхности слитка в термостате (в термостат помещается один крупный слиток) получено выражение:

=епр-5,67((Гвов/100)4-(Гт/100)4), (5)

где =(l/ec +i^/FT(l/eT -l)) £т, Гт - степень черноты и температура внутренней поверхности термостата; для расчета Гт получено выражение:

Тт =100-^|(rnoB/100)4i/F-ßnOT/(5,67-enp-Fc) . (6)

где Fc, Fr - площади наружной поверхности слитка и внутренней поверхности термостата; <ЭПот - потери теплоты от слитка в термостате, Вт. Для расчета величины Опот в диссертации разработаны численная и инженерная методики.

После термостата слиток опять охлаждается на воздухе, а затем помещается в нагревательную печь камерного типа. Величина q„ на поверхности слитка в печи определяется выражением:

qa =Е_ -5,67((Гпм/100)4 -(Гпеч/100)4), (7)

где 7~Печ - постоянная температура в рабочем пространстве печи, К; ег-к-м -приведенная степень черноты от греющих газов и кладки к нагреваемому металлу, определяемая геометрическими размерами рабочего пространства печи, составом греющих газов, температурой печи Тпвч, и степенью черноты и площадью поверхности слитка.

Степень нагрева слитка для камерных печей можно определить максимальной разностью температуры на поверхности и температуры на оси слитка в конце процесса нагрева ЛТтах-

AT =тах|Г -Т I,

max I пов оси|>

где 7~лов, Госи - температуры на поверхности и на оси слитка. Чем меньше величина ДТтах, тем выше качество нагрева. Величина ДТтах на практике всегда больше нуля, т.к. условие ДТтах = 0 требует бесконечного времени нахождения слитка в печи.

Степень нагрева слитка является функцией длительностей ti,...,t5, геометрических характеристик Г, теплофизических условий ТФП, температурных условий ТУ:

ДГ™ =Л(трТ2,Тз,т4,т5,Г,ТУ,ТФП). (8)

С другой стороны, продолжительность нагрева xs сама может являться функцией требуемой степени нагрева ДТтах, и других факторов:

=/2(АГпих,т1,Т2,Т3,Т4,Г,ТУ,ТФП). (9)

Выражение (9) можно рассматривать в качестве целевой функции, поскольку, чем меньше продолжительность нагрева в печи xs при заданной степени нагрева ДТтахi тем больше производительность нагревательной печи (Р), и меньше ресурсоемкость (R), включающая удельный расход топлива и потери металла от окисления в печи. При минимизации продолжительности нагрева (тэ -> min) производительность печи становиться максимальной (Р max), а ресурсоемкость минимальной (R min).

Это связано с тем, что производительность печи, т/ч, определяется как:

П = ш/т5,

где m — масса слитка (слитков), загружаемого в печь, т; ts -продолжительность нагрева слитка в печи, ч. Масса слитка однозначно определяется геометрическими размерами изложницы и маркой стали (М).

Удельный расход топлива (Р7) приблизительно обратно пропорционален производительности печи, или прямо пропорционален продолжительности нагрева: рт ~ т5 ■ Потери металла от окисления (ПМ) приблизительно

пропорциональны корню квадратному от времени нагрева слитка: ПМ ~ ■

Кроме того, при минимизации длительности нагрева в печи Т5 оперативность (О) всего процесса формирования слитка, обратно пропорциональная продолжительности с момента заливки жидкой стали в изложницу до момента извлечения слитка из нагревательной печи становится максимальной (О -> тах).

На рис. 3 показана схема оптимизации целевой функции.

Рис. 3. Схема оптимизации целевой функции.

Метод оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков заключается в минимизации длительностей охлаждения слитка на воздухе (тг, Т4) и в термостате (тз); в оптимизации длительности выдержки слитка в изложнице (11) и минимизации длительности нагрева слитка в печи (те) при заданных геометрических, теплофизических, температурных условиях и требуемой степени нагрева ДТтах.

В третьем разделе приведена система алгоритмов для метода оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева слитка на линии «изложница - термостат - нагревательная печь»: алгоритм расчета температурного поля слитка в процессе его формирования и оценки степени нагрева слитка А7тах; алгоритм определения минимально необходимой длительности нагрева слитка в печи Т5тт при требуемой степени нагрева ДТтах и заданных п, хг, тз, Т4; алгоритм определения оптимальной длительности нахождения слитка в изложнице Т10Пт при заданных тг, тз, Т4; алгоритм определения оптимальных длительностей т1игг, Тгопт, Тзопт, Т4опт, Т5опт, обеспечивающих максимальную производительность, минимальную ресурсоемкость, наибольшую оперативность при производстве слитков.

На рис. 4 показан алгоритм расчета температурного поля слитка в процессе его формирования, и оценки степени нагрева слитка, являющийся основой для остальных алгоритмов.

В процессе расчета определяется изменение во времени температуры на поверхности слитка Т„ов(т), и температуры на его оси Тоси(т),

среднемассовая температура слитка Тм в момент загрузки его в печь, максимальное отклонение температуры слитка от температуры в рабочем пространстве печи ЛТ^х в конце процесса нагрева.

Рис. 4. Алгоритм расчета температурного поля слитка и оценки степени нагрева

В печи ЛТтах.

Обратной задачей является определение минимально необходимой длительности нагрева 15™ при заданных ДТтах, Т1, тг, тз, и, которая решается применением соответствующего алгоритма.

На рис. 5 показан алгоритм определения оптимальной длительности нахождения слитка в изложнице тОПт при заданных тг, тз, и- В процессе оптимизации варьируемой величиной является время выдержки слитка в изложнице Т1, остальные параметры (Г, ТУ, ТФП) принимаются постоянными. На основе алгоритмов, приведенных на рис. 4 и 5, разработан алгоритм определения оптимальных длительностей т1оПт, т2опТ, тзОПт, т«опт, т50пт, при которых обеспечивается оптимизация режимов затвердевания, охлаждения и нагрева слитка на линии «изложница - термостат - нагревательная печь».

Длительности нахождения слитка на воздухе и в термостате (тг, тз, Т4) в оптимальном варианте принимаются минимально возможными при существующих условиях выгрузки слитка из изложницы, загрузки

I I

Рис. 5. Алгоритм определения оптимальной длительности нахождения слитка в изложнице Т10пт.

слитка в термостат, транспортировки термостата из разливочного цеха в обжимной, выгрузки слитка из термостата и загрузки слитка в печь, т.е.

Т2опт = Т2гтйгъ ТЗопт = ТЗпигь Т4опт = Т4т1п-

Для значений Тгопт, Тзопт, Т40пт по алгоритму на рис. 5 определяется г1опт,

после чего, по заданной степени нагрева АТ^ определяется твопт = т5тт при ИЗВеСТНЫХ ДГтах, Т1опт, Тгопт, Тзопт, Т4опт.

Для реализации разработанных алгоритмов было разработано программное обеспечение. Система дифференциальных уравнений, описывающих температурные поля слитка, стенки изложницы, поддона и стенки термостата, решалась численно методом конечных разностей. В работе проведено тестирование конечно-разностных схем, и установлены величины временного и пространственных шагов, обеспечивающих необходимую точность расчета.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальной проверки разработанной модели затвердевания, охлаждения и нагрева слитков, а также результаты исследований на основе разработанных алгоритмов оптимизации режимов тепловой обработки слитков.

Исходные данные для расчета температурного поля слитка включают:

• геометрические характеристики (Г): эквивалентные внутренний Di и внешний D2 диаметры изложницы, в общем случае переменные по высоте изложницы; высота изложницы Hi\ высота прибыльной части слитка Н?, толщина поддона 5П; ширина a-i, длина аг, высота аз внутреннего пространства термостата; толщина изоляции термостата 8И; толщина кирпичного основания термостата 5К; ширина ¿и, длина Ьг, высота Ьз, рабочего пространства внутренней печи;

• температурные условия (ТУ): начальная температура жидкой стали То; начальные температуры стенки изложницы и поддона Тио и Тпо; температура окружающего воздуха Тв; температура в рабочем пространстве печи Тпвч;

• временные условия (ВУ): продолжительности нахождения слитка в изложнице Ti, на воздухе после изложницы т2, в термостате тз, на воздухе после термостата Т4, в нагревательной печи xs;

• условно постоянные теплофизические параметры (ТФП): степени черноты поверхности слитка вс, наружной поверхности стенки изложницы еи, и внутренней поверхности термостата ет; приведенная степень черноты от греющих газов и кладки к металлу ег.к-м; коэффициенты теплоотдачи от слитка к поддону си, и от поддона к полу помещения цеха а2.

В специальном блоке программы рассчитываются переменные теплофизические параметры (ТФП): коэффициент теплопроводности X, плотность р, эффективная теплоемкость СЭф стали в зависимости от температуры; коэффициенты теплопроводности и температуропроводности ак чугуна (материала изложницы и поддона) в зависимости от температуры; коэффициенты теплопроводности Лиз и Хк, и температуропроводности аиз и ак тепловой изоляции термостата и кирпича (основания термостата) в зависимости от температуры.

Для экспериментальной проверки в качестве объекта выбраны изложница КН5С, разливающая восьмигранные слитки массой 5 т, термостат и нагревательная печь камерного типа с температурой в рабочем пространстве ТПеч = 1200 °С, применяемые на ОАО «Русполимет». С помощью пирометра измерялась температура поверхности слитка, сталь 40Х, в его среднем сечении, в моменты извлечения слитка из изложницы, термостата, и нагревательной печи. Экспериментальные данные по температуре поверхности

Тпов сравнивались с расчетными данными, полученными по модели при Ti = 175 мин; Т2 = 5 мин; тз = 175 мин; и = 5 мин; Т5 = 180 мин. В табл. 1 приведены результаты сравнения. С учетом того, что при извлечении на воздух температура поверхности слитка начинает быстро изменяться (уменьшаться), то измеренная температура получается несколько меньше расчетной. На основе проведенного сравнения можно заключить, что модель расчета затвердевания, охлаждения и нагрева является адекватной.

Таблица 1- Результаты проверки адекватности расчетной модели.

Т, мин Температура поверхности слитка, Тпов, °С Ошибка, %

эксперимент расчет по модели

175 880 920 4,5

180 860 820 4,8

355 770 780 1,2

360 740 720 2,7

540 1190 1199 0,8

На примере цилиндрического слитка Р-4,5 постоянного диаметра 582 мм, длиной 2000 мм (без прибыли), массой 4,5 т, для стали марки 08Х18Н10Т рассмотрим результаты расчета для исходного варианта, соответствующего технологической инструкции, при ti = 180 мин; т2= 5 мин; тз = 30 мин; т4 = 5 мин; т5 = 180 мин.

На рис. 6 показано изменение температуры на поверхности Тпов (кривая 2) и на оси Тоси (кривая 3) слитка Р-4,5 в его среднем сечении от времени т, начиная с момента заливки жидкой стали в изложницу, до момента извлечения из печи, в исходном варианте. Линия 1 - температура в печи (1200 °С).

Как следует из рис. 6, через 120 мин после загрузки слитка в печь максимальная разность температур на оси слитка и в печи составляет ДТтах = 70 °С; через 150 мин -ДТтах = 40 °С; через 180 мин - ДТтах = 25 °С. Нагрев слитка, соответствующий, например, ДТтах = 30 °С, может быть произведен за 175 мин пребывания слитка в печи.

Считая время нахождения слитка в изложнице ti переменным, а все остальные факторы - неизменными, из (9) можно получить зависимость:

^=/з(АГшах,т1). (Ю)

Поскольку для крупных слитков скорость изменения температурного поля определяется в большей степени внутренним теплообменом за счет теплопроводности внутри слитка, и в меньшей степени - внешним

Рис. 6. Изменение температуры слитка в исходном варианте: 1 - температура в печи; 2 - температура поверхности; 3 - температура на оси слитка.

теплообменом на поверхности слитка, то необходимое время нагрева Т5 должно приближенно определяться суммарным временем охлаждения слитка в изложнице, на воздухе и в термостате т0хл:

т,=/<{&Тт,хт), (11)

где Тохл = Т! + т2+ т3 + т4.

На рис. 7 показана номограмма, отражающая зависимость (11), и позволяющая приближенно определять необходимое время нагрева тб от степени нагрева ДТтах, и времени охлаждения т0хл для слитка Р-4,5.

Из номограммы на рис. 7 следует, что чем выше степень нагрева (т.е. меньше ДГтах), и больше суммарное время охлаждения т0хл, тем больше необходимая продолжительность нагрева в печи Т5тт. При уменьшении тохп при заданном Д7тах, длительность нагрева Т5тт значительно уменьшается. Так при Тохл = 240 мин (как в исходном варианте) при ДГтах = 30 °С время нагрева составляет те™ = 175 мин; при т0хп = 120 мин получается Т5тш = 60 мин.

Как показали исследования, геометрические размеры изложницы и слитка сильно влияют на зависимости (10) и (11). В диссертации проведены также расчеты и построены номограммы для слитков МР-2 постоянным диаметром 424 мм, длиной 2000 мм, массой 2 т, и МР-1 постоянным диаметром 284 мм, длиной 2000 мм массой 1 т. Сравнение показало, что чем меньше эквивалентный диаметр слитка, тем суммарное время выдержки в изложнице,

т5, мин

Рис. 7. Номограмма для определения тНаФ для слитка Р-4,5.

на воздухе и термостате должно быть меньше. Соответственно, будет меньше необходимое время нагрева слитка в печи tsmin.

Марка стали, определяющая теплофизические свойства стали, как показали исследования, достаточно слабо влияет на зависимости (10) и (11). Поэтому номограммы, полученные для одной марки стали, можно использовать и для других марок стали, теплофизические свойства которых (в первую очередь теплопроводность) не значительно отличаются.

На рис. 8 для слитка Р-4,5 показано изменение температуры на поверхности и на оси слитка в оптимальном режиме. В данном случае продолжительность нахождения слитка в изложнице составляет попт = 85 мин при Т2 = 5 мин; тз = 30 мин; г» = 5 мин.

На рис. 8 показано изменение температуры на поверхности (кривая 2) и на оси слитка (кривая 3) в его среднем сечении в оптимальном варианте. Как следует из рис. 12, в момент загрузки в печь (т = 125 мин) температура на оси слитка составляет 1310 °С, а температура на поверхности - 920 °С. После этого температура на оси достаточно быстро и монотонно понижается до температуры в печи 1200 °С, а температура на поверхности - быстро возрастает до температуры в печи. Через 60 мин пребывания слитка в печи по всей его длине достигается степень нагрева ДГтах = 30 °С.

Таким образом, при оптимизации за счет сокращения интервала времени с момента разливки до загрузки в печь с 220 мин до 125 мин, время нагрева слитка Р-4,5 в печи, необходимое для степени нагрева ДГтах = 30 °С, сократилось с 175 мин до 60 мин, т.е. почти в три раза. Соответственно, в три раза повышается производительность печи, резко снижается удельный расход топлива, и уменьшаются потери от окисления металла в печи.

1600 -

1400

1200

1000 -

800

600

160

т, мин

Рис. 8. Изменение температуры слитка в оптимальном варианте: 1 -температура в печи; 2 - температура поверхности; 3 - температура на оси.

Результаты оценок достигнутых показателей в приведенном примере приведены на лепестковой диаграмме (рис. 9).

Длительность нагрева слитка в печи (%)

Производительность нагревательной печи (количество раз) 2 ■

Потери металла от окисления в печи

Повышение точности оценки теплового 95 состояния слитка (%)

Удельный расход газа для нагрева слитка (%)

Рис. 9. Результаты оценок достигнутых показателей.

Аналогичные исследования, проведенные для слитков МР-2, МР-1, показали, что за счет оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева могут быть достигнуты похожие показатели.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана математическая модель затвердевания, охлаждения и нагрева стального слитка.

2. Разработан метод оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков.

3. Разработано алгоритмическое обеспечение метода оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков в системе оценки параметров теплового состояния слитков.

4. Разработано программное обеспечение, позволяющее численно реализовывать метод оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков.

5. Установлены закономерности затвердевания, охлаждения и нагрева слитков разной масс и различных марок стали.

6. Разработаны номограммы, позволяющие оценивать тепловое состояние стальных слитков разных типов в конце процесса нагрева при известной длительности выдержки слитка в печи и суммарной длительности затвердевания и охлаждения слитка в изложнице, на воздухе и в термостате.

Основное содержание диссертации отражено в 11 работах, из них (из них 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для соискателей степени кандидата технических наук).

Публикации в рецензируемых научных журналах по перечню ВАК РФ:

1. Лукин, C.B. Совершенствование режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков при использовании моделирования / C.B. Лукин, Н.И. Шестаков, Ю.В. Антонова // Металлург. - 2014. - № 9. - С. 105 - 108.

2. Лукин, C.B. Энергосбережение в нагревательных печах за счет оптимизации режимов разливки, охлаждения и нагрева стальных слитков / C.B. Лукин, Н.И. Шестаков, Ю.В. Антонова II Промышленная энергетика. - 2013. - № 10. - С. 26 -30.

3. Лукин, C.B. Алгоритм оптимизации режимов затвердевания, охлаждения и нагрева стальных слитков / C.B. Лукин, Н.И. Шестаков, Ю.В. Антонова, В.В. Мухин // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2014. - № 3. - С. 13 -17.

4. Лукин, C.B. Математическая модель охлаждения слитка в термостате / C.B. Лукин, В.В. Мухин, Н.И. Шестаков, Ю.В. Антонова, М.С. Митюшова // Вестник Череповецкого государственного университета. - 2013. - № 3. Т. 2. - С. 28 - 30.

5. Лукин, C.B. Инженерная методика расчета потерь теплоты через корпус термостата / C.B. Лукин, Н.И. Шестаков, Ю.А. Антонова, А.Л. Кузьминов II Вестник Череповецкого государственного университета. - 2013. - № 4. Т. 1. - С. 31 - 33.

Публикации в сборниках научно-технических конференций:

6. Антонова, Ю.В. Увеличение производительности нагревательной печи за счет использования физической теплоты стальных слитков / Ю.В. Антонова, C.B. Лукин, Н.И. Шестаков // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производства, технология и

надежность машин, приборов и оборудования: Мат. IX межд. науч.-техн. конф -Вологда: ВГТУ, 2014. - С. 14-17.

7. Лукин, C.B. Расчет температурного поля слитка при его охлаждении в термостате / C.B. Лукин, М.С. Митюшова, Ю.А. Антонова // Череповецкие научные чтения - 2013: Мат. Всеросс. науч.-практ. конф. Ч. 3: - Череповец: ЧГУ 2014 - С 161-164.

8. Лукин, C.B. Совершенствование технологии охлаждения и нагрева стальных слитков / C.B. Лукин, Н.И. Шестаков, Ю.В. Антонова, М.С. Митюшова И Научно-технический прогресс в черной металлургии: Мат. l-ой межд. науч.-техн. конф. -Череповец: ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет», 2013 -С. 211-213.

9. Антонова, Ю.В. Исследование теплообмена в канальном поде нагревательной печи / Ю.В. Антонова, Н.И. Шестаков, C.B. Лукин // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Мат. 8-й межд. науч.-техн. конф. - Вологда: ВГТУ, 2013. - С. 38-42.

10. Лукин, C.B. К вопросу оптимизации процесса затвердевания, охлаждения и нагрева слитков, разливаемых в изложницы / C.B. Лукин, Ю.А. Антонова, Н.И. Шестаков // Череповецкие научные чтения - 2012: Мат. Всеросс. науч.-практ. конф. Ч. 3:- Череповец: ЧГУ, 2013. - С. 152-154.

11. Lukin S.V. Optimization of steel ingot solidification, cooling and heating modes / S.V. Lukin, N.I. Shestakov, U.V. Antonova // Science and Education: materials of the V international research and practice conference, Vol. II, Munich, February 27th - 28th, 2014 / publishing office Vela Verlag Watdkraiburg - Munich - Germany 2014 - P 334-337

АНТОНОВА Юлия Валерьевна

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ, ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА В СИСТЕМЕ ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ СЛИТКОВ АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 15.10.2014 Формат 60*841/1б. Печать плоская. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 746

ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» 162600, г. Череповец, пр. Луначарского, 5.

Отпечатано в издательстве ЧГУ