автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающих теплотехнологических процессов при производстве кордовых марок сталей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе поставлены и решены задачи разработки и внедрения ресурсосберегающих теплотехнологических процессов при затвердевании, охлаждении, нагреве и патентировании кордовых марок сталей.

2. Обоснована теоретико-экспериментальная методология проведения целого комплекса исследований в кордовом производстве, основанная на сочетании экспериментальных исследований промышленных теплотехнологий, математическом моделировании режимов затвердевания, охлаждения, нагрева и патентирования кордовых марок сталей, что в итоге отражает системный подход при решении крупной научной и промышленной задачи [6,7].

3. В соответствии с целями и задачами работы проведены серии промышленных экспериментов в условиях БМЗ:

- при затвердевании и охлаждении кордовых марок сталей на сортовой МНЛЗ-З [1-3]. При этом применена новая методика термометрирования затвердевающей стали (см.рис.1.1, 1.2). При производстве кордовых марок сталей с повышенным содержанием углерода данная серия опытов в мировой практике производства металлокорда непосредственно через непрерывную разливку выполнена впервые;

- по измерению температур в блюмовой заготовке кордовых марок сталей (стали 70К; 80К) при нагреве в проходной печи с шагающими балками стана 850 при различных производительностях (рис.2.2) и установлены фактические удельные расходы условного топлива. При этом выявлены закономерности технологии нагрева кордовых марок сталей и обоснованы резервы тепловой работы нагревательных печей [9];

- по установлению динамики нагрева высокоуглеродистой катанки (рис.3.3) с целью обоснования математической модели нагрева кордовой проволоки при патентировании [13].

4. Разработана и реализована на ПЭВМ математическая модель затвердевания и охлаждения непрерывнолитой заготовки [2,4,5], которая позволяет осуществлять расчеты скорости разливки, времени затвердевания в зависимости от расхода воды и температур по сечению заготовки (решение прямой и обратной задачи), а также (что исключительно важно технологически) рассчитывать упруго-пластические напряжения в твердой оболочке с учетом эффекта наращивания корочки (эффект В.А.Пальмова) и времени релаксации термических

Данная (комплексная) методика расчета реализована в условиях Белорусского металлургического завода для отработки рабочих параметров разливки кордовых марок сталей в виде пакета прикладных программ «Непрерывная разливка» и используется для отладки рабочих скоростей разливки.

Установлены и внедрены рабочие режимы разливки кордовых марок сталей 70К; 75К; 80К; 85К; 90К сечением 0,250x0,300 м; 0,300x0,400 м при скоростях литья v = 0,6. .0,8 м/мин.

5. Сформулирована (2.1)-(2.5) и решена задача нагрева непрерывнолитых заготовок в печи с шагающими балками стана 850 БМЗ [9,10]. В основу математической модели положены закономерности внутреннего теплообмена при нагреве двухмерной призмы сечением 0,250x0,300 м; 0,300x0,400 м, полученные в результате промышленных экспериментов (рис.2.2).

Проведена параметрическая идентификация технологии нагрева кордовых марок сталей (стали 70К; 80К) при проведении вычислительных экспериментов.

Экспериментальные и теоретические результаты исследований позволили выявить имеющиеся резервы при нагреве кордовых марок сталей в печи стана 850 БМЗ как с холодного посада (табл.2.3, рис,2.4), так и при организации режимов горячего посада металла (табл.2.4, рис.2.5).

6. При использовании разработанной автором методологии исследований (см.п.2'Заключения) разработан и реализован на ПЭВМ алгоритм оптимального нагрева блюмовой (непрерывнолитой) заготовки по технологическим условиям (см. (2.6)-(2.9), рис.2.3), где в качестве факторов, ограничивающих процесс нагрева, выступают конечный максимально допустимый температурный перепад ЛТтах = Т\-Тб, (рис.2.3) и суммарный расход топлива (природный газ) во всем периоде нагрева [11,12]. В качестве математического аппарата реализации сформулированной задачи применен метод магистральной асимптотической оптимизации.

7. В результате исследования режимов нагрева непрерывнолитых заготовок кордовых марок сталей в печи стана 850 БМЗ на примере нагрева заготовки сечением 0,250x0,300 м, при производительности печи Р = 70 т/ч (холодный посад) и Р = 90 т/ч (горячий посад) достигнуто снижение суммарного расхода на 120 м3/'ч и 105 м3/'ч, удельного расхода условного топлива на 2,8 кг у.т/т и 1,4 кг у.т/т, соответственно.

Режимы нагрева кордовых марок сталей, разработанные в результате комплексного подхода (экспериментальные, теоретические исследования, применение методов теории оптимального управления), внедрены в условиях действующего производства кордовых марок сталей.

8. На основании литературных данных, результатов аналитического обзора различных исследований тепловой работы печей патентирования проволоки и технологии нагрева проволоки автором разработана методика теоретического и экспериментального исследования печей данного класса [13]. В конкретном случае впервые использованы закономерности нагрева кордовой проволоки в печах патентирования совместным действием теплового излучения и конвекции ((3.1)-(3.4), рис.3.2). Показано, что в частных случаях решение исходной задачи приводится к известным (классическим) решениям Г.П.Иванцова (Sk = 0) и Б.С.Старка (Bi = 0).

9. В соответствии с принятой методологией исследований автором проведены сопоставления расчетных и экспериментальных результатов при нагреве проволоки 0 5,5 мм в лабораторной печи камерного типа (рис.3.3) и в дальнейшем - для схемы печи, показанной на рис.3.1. Выполнены расчеты технологии патентирования проволоки 0 3,15; 2,8; 2,4 мм (рис.3.4). На последующем этапе исследования тепловой работы печи патентирования с целью усовершенствования теплотехнических параметров ее работы выполнено научное обоснование теплового баланса, которое б итоге позволило снизить суммарный расход топлива на 3.4 м3/ч и уменьшить удельный расход топлива примерно на 2.3 кг у.т/т проволоки.

10. На последнем этапе исследования закономерностей нагрева кордовой проволоки усовершенствованы теплотехнологические режимы печей патентирования с точки зрения снижения окалинообразования [14]. В соответствии с известным соотношением Ю.В.Эванса (3.5) реализация малоокислителыюй теп-лотехнологии осуществлялась следующим образом: на первой стадии численно решалась система уравнений (3.6)-{3.7), где в качестве функции управления выступает температура среды г*сч, а на втором этапе реализовался предельно возможный вариант снижения соотношения «топливо-воздух» в технологических зонах печи патентирования. Осуществлен выход на следующие параметры: I зона - ав = 1,05-1,15; II зона - ав = 1,0-1,1; III зона - а„ = 1,0-1,1; IV зона - ав = 0,85-1,0. Такие комплексные мероприятия позволили в итоге уменьшить окалинообразование по сравнению с действующей теплотехнологией патентирования на 8. 18% в зависимости от исходного диаметра проволоки (0 2,4; 2,8; 3,15 мм). Намечены дальнейшие перспективы по усовершенствованию окислительных процессов в рабочем пространстве печей патентирования за счет изменения некоторых конструктивных узлов печных установок, что позволит достигнуть величин ав в III и IV технологических зонах порядка 0,7.0,9.

Разработаны и внедрены в условиях СтШД-1 и СтПЦ-2 БМЗ режимы патентирования в зависимости от марочного состава и конструкций металлокорда и бортовой проволоки (ТК 840-МК2-61-95, BTK-MKI-56-95, ВТК 840-МК1-55-96, изменение № 5 к ТИ 840-СП-06-98).

11. Разработка ресурсосберегающих режимов при производстве кордовых марок сталей, реализованная автором диссертационной работы, позволила Белорусскому металлургическому заводу достигнуть таких показателей качества в готовой продукции, что сегодня металлокорду производства БМЗ ни по одному показателю нет равных в странах СНГ. Металлоксрд марки БМЗ конкурентоспособен в дальнем зарубежье, и БМЗ успешно конкурирует с лучшими мировыми производителями аналогичной продукции. Итогом многолетней работы автора в этом направлении явилось присуждение в составе группы сотрудников Республиканского унитарного предприятия «Белорусский металлургический завод» Государственной премии Республики Беларусь в области науки и техники (Указ Президента Республики Беларусь № 625 от 28 декабря 1998 г.).

Долевой экономический эффект от внедрения разработок автора составляет около 8,0 млн. у.е.

4. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Стальной слиток. В 3 т. Т.2. Затвердевание к охлаждение / Ю.А.Самойлович, В.И.Тимошпольский, И.А.Трусова, В.В.Филиппов; Под общ.ред. В.И.Тимошпольского, Ю.А.Самойловича. - Мн.: Белорусская наука, 2000. - 637 с.

2. Освоение ряда марок стали для промышленного комплекса на машинах непрерывного литья заготовок Белорусского металлургического завода / В.В. Филиппов, А.П.Фоменко, В.И.Тимошпольский и др. // Литье и металлургия. -1999. - № 4. - С.28-29.

3. Tyre Cord Production Up to 0.9% Carbon at Byelorussian Steel Works / V.V.Filippov, Y.V.Dzyachenka, V.I.Timoshpolsky e.a.//Proceedings of the 8-th Continuous Casting Conf. Linz, Austria, 2000. - P. 42.1-42.8.

4. Освоение ряда марок сталей на машинах непрерывного литья заготовок Белорусского металлургического завода / В.И.Тимошпольский, Ю.А.Самойлович, В.В.Филиппов и др. // Автоматизированный печной агрегат -основа энергосберегающих технологий XXI века: Материалы междунар. науч.-практ. конф. - Москва, 2000. - С.286.

5. Математическое моделирование и расчеты нелинейных задач высокотемпературных металлургических технологий / В.И. Тимошпольский. Г.А.Анисович, В.В.Филиппов и др. // Вклад вузовской науки в развитие приоритетных направлений производственно-хозяйственной деятельности, разработку экономичных и экологически чистых технологий и прогрессивных методов обучения: Материалы международн. науч.-техн, конф. - Минск, 2000. - С. 131.

6. Тимошпольский В.И., Филиппов В.В., Трусова И.А. Разработки Белорусской государственной политехнической академии для Белорусского металлургического завода и металлургических предприятий стран СНГ // Литье и металлургия. - 2000. - № 3. - С.18-19.

7. Комплексные совместные исследования в области теории и технологии металлургического производства - одно из направлений интеграционных процессов / О.В.Дубина, В.И.Тимошпольский, В.В.Филиппов и др. /У Литье и металлургия. - 2001. - № 1. - С.8-16.

8. Расчеты температурных полей и термических напряжений в растущей корочке при разливке стали на сортовых МНЛЗ // В.М.Ольшанский, В.И.Тимошпольский, В.В.Филиппов и др. // Литье и металлургия. - 2000. - №1. -С.61-63.

9. Усовершенствование технологии нагрева стали на основе математического моделирования / В.И.Тимошпольский, И.А.Трусова, В.В.Филиппов и др. // Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий XXI века: Материалы международн.науч.-практ. конф. - Москва, 2000. - С.289.

10. Тимошпольский В.И., Трусова И.А., Филиппов В.В. Комплексные исследования по энерго- и ресурсосбережению высокотемпературных металлургических технологий //Вклад вузовской науки в развитие приоритетных направлений производственно-хозяйственной деятельности, разработку экономичных и экологически чистых технологий и прогрессивных методов обучения: Материалы международн. науч.-техн. конф,- Минск, 2000. - С. 130.

11. Решение задач управления нагревом металла на основе метода магистральной асимптотической оптимизации // В.И.Тимошпольский, С.М.Козлов, В.В.Филиппов и др. // Литье и металлургия. - 2000. -№ 4. - С. 103-108.

12. Основные методы оптимизации режимов нагрева металла / С.М.Козлов, В.И.Тимошпольский, В.В.Филиппов и др. // Литье и металлургия. - 2000. - № 3. -С.68-73.

13. Расчет процесса нагрева проволоки в печах патентирования / Ю.А.Самойлович, В.И.Тимошпольский, В.В.Филиппов и др. // Литье и металлургия. - 2000. - № 1. - С.51-52.

14. Филиппов В,В. Исследование температурно-тепловых режимов нагрева металла в печах сталепроволочных цехов РУП «БМЗ» // Литье и металлургия.

2001.-№ 1. - С.50-54.

РЕЗЮМЕ

ФИЛИППОВ ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОРДОВЫХ МАРОК СТАЛЕЙ

Ключевые слова: кордовая сталь, металлокорд, машина непрерывного литья заготовок (МЬШЗ), непрерывная разливка, солидус, ликвидус, методическая печь с шагающими балками, нагрев, патентированяс, удельный расход условного топлива, тепловой баланс, горячий посад, термодатчик, температурные напряжения, соотношение «топливо-воздух»

Объектами исследований являются:машина непрерывного литья заготовок, нагревательная проходная печь с шагающими балками, печи патентирования. Цель работы - теоретическое обоснование, разработка и внедрение ресурсосберегающих теплотехнологических процессов затвердевания, охлаждения, нагрева и патентирования при производстве кордовых марок сталей.

На основании экспериментальных и теоретических исследований получены новые решения задач затвердевания сортовых непрерывнолитых заготовок (с учетом эффекта наращивания) и определения температурных напряжений в растущей корочке.

С использованием метода магистральной асимптотической оптимизации разработаны рациональные теплотехнологии при нагреве и патентировании кордовых сталей (блюмовых заготовок и кордовой катанки) в пламенных проходных печах.

Разработаны рациональные режимы затвердевания, охлаждения, нагрева и патентирования кордовых марок сталей, позволяющие повысить производительность теплотехнологических агрегатов, снизить удельный расход условного топлива и окалинообразование, увеличить выход годной металлопродукции.

РЭЗЮМЕ Ф1Л1ПАУ ВАД31М УЛАД31М1РАВ1Ч

РАСПРАЦО^КА РЭСУРСАЗБЕРАГАЛЬНЫХ ЦЕПЛАТЭХНАЛАГ1ЧНЫХ ПРАЦЭСА? ПРЫ ВЫРАБЕ КОРДАВЫХ МАРАК СТАЛЕЙ

Ключавыя словы: кордавая сталь, металакорд, машына бесперапыннага лщця загатовак (МБЛЗ), бесперапынная разлука, солщус, лжвщус, метадычная печ з шагаючы.\п бэлькам1, нагрэу, патэнщраванне, удзельны расход умоунага пал1ва, цеплавы баланс, гарачы пасад, тзрмадатчык, тэмпературнае напружанне, суадносшы «пал1ва-паветра».

Аб'екта\п даследаванняу з'яуляюцца машыны бесперапыннага лщця загатовак, награвальная праходная печ з шагаючылп бэлькам1, печы патэнщравання. Мэта работы - тэарэтычнае абгрунтаванне, распрацоука i укараненне рэсурсазберагальных цеплатэхналапчных працэсау зацвердзявання, ахалоджвапня, нагрэву i патэнтавання пры вырабе кордавых марак сталей.

На падставе эксперыментальных i тэарэтычных даследаванняу атрыманы новыя рашэнш задач зацвердзявання сартавых бесперапынналпых загатовак (з улпсам зфекту нарашчэння) i вызначэнш тэмпературных напружанняу у корцы, якая павял1чваецца.

3 выкарыстаннем метаду мапстральнай аптым1зацьн распрацаваны рацыянальныя цеплатэхналогн пры нагрэве i патэнцыяванш кордавых сталей (блюмавых загатовак i кордавай катани) у полымных праходных печах.

Распрацаваны рацыянальныя рэжымы зацвердзявання, ахалоджвання, нагрэву i патэнщравання кордавых марак сталей, ямя дазваляюць павял1чыць прадукцыйнасць цеплатэхналапчных агрэгатау, зшзщь удзельны расход умоунага пал1ва i акалшаутварэнне, павял!чыць выхад прыдатнай металапрадукцьн.

SUMMARY

FILIPPOV VADIM VLADIMIROVICH

DEVELOPMENT OF ALTERNATIVE TECHNOLOGICAL PROCESSES IN CORD STEEL PRODUCTION

Key words: cord steel, steel cord, continuous casting machine (CCM), continuous casting, solidus, liquidus, walking-beam continuous furnace, heating, patenting, specific consumption of standard coal, heal balance, hot charging, heat-sensing device, temperature stresses, "fuel-air" ratio.

Objects of investigation are continuous casting machine, pusher-type walking-beam reheating furnace, patenting furnaces. Aim of the paper: theoretical substantiation, development and implementation of alternative technological processes of solidification, heating and patenting in cord steel production.

On the basis of experimental and theoretical investigation new solutions of the problem of solidification of concast section billets (with consideration of buildup effect) and determination of temperature stresses in a growing crust were obtained.

Using the method of magistral asymptotic optimization harmonious technologies in heating and patenting of cord steels (blooms and cord wire rod) in an open-flame pusher-type furnace were developed.

Rational modes of solidification, cooling, heating and patenting of cord steels allowing to increase the productivity of technological units, to decrease specific consumption of standard coal and scale formation, to increase the production yield were developed.

ФИЛИППОВ Вадим Владимирович

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОРДОВЫХ МАРОК СТАЛЕЙ

05,16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Т.Н.Микулик

Подписано в печать 20.04.2001. Формат 60x84 1/16. Бумага типографская №2. Печать офсетная. Гарнитура книжно-журнальная.

Усл. печ. л. 2,8. Уч.-изд. л. 2,2. Тираж 100. Заказ 176.

Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская государственная политехническая академия. Лицензия J1В №155 от 30.01.98.220027, Минск, проспект Ф.Скорины, 65.