Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров охлаждения металла и поверхности шлака при внепечной обработке стали

Актуальность темы

.

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

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

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

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

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

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические положения металлургической теплотехникиметод математического моделированиячисленные методыразделы теории систем и системного анализаметоды статистической обработки информацииметоды теории построения алгоритмов и программ.

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

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

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

— расчета температуры металла в ковше;

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

— расчета температуры шлака в ковше;

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

— комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше.

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

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

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

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

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

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

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

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

4.5 Выводы по главе.

1. Сформированы функциональные элементы и блоки системы оценки параметров охлаждения металла.

2. Выполнена настройка алгоритма оценки параметров тепловых процессов путем выбора эмпирического коэффициента в формуле (2.17) для расчета свободной конвекции в шлаке для условий одной плавки при транспортировке. Соответствие расчетных и экспериментальных данных получено при значении эмпирического коэффициента в формуле (2.17), равном 0,252, относительная погрешность расчета температуры металла не превысила 0,2% для условий 15 плавок.

3. Окончательная достоверность модели была установлена путем сравнения результатов моделирования с известными из литературы данными по изменению температуры стали и шлака, удельных и общих тепловых потоков от стали при транспортировке наполненного ковша и при продувке стали аргоном, эффективных коэффициентов теплопроводности во времени и др.

4. В результате оценки параметров тепловых процессов в ковше установлено:

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе в рамках решения поставленной научно-технической задачи повышение точности оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше при внепечной обработке стали для снижения энергетических затрат на основе создания метода и алгоритмов обработки информации получены следующие основные результаты:

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

2. Выполнено тестирование разработанной модели, выполнена адаптация модели на основе экспериментальных данных по снижению температуры при транспортировке ковша с металлом и продувке аргоном по коэффициенту, учитывающему свободную конвекцию в ограниченном объеме шлака. Установлено, что погрешность результатов моделирования охлаждения металла не превышает 0,2%.

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

4. Разработана система алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше, включающая следующие алгоритмы:

— оценки температуры металла в сталеразливочном ковше;

— оценки потерь тепла металла через верх ковша в зависимости от его геометрии;

— оценки температуры шлака в сталеразливочном ковше;

— учета затвердевания шлака и гидродинамики в ковше;

— комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше.

5. Сформированы функциональные элементы и блоки системы оценки параметров охлаждения металла.

6. В результате оценки параметров тепловых процессов в ковше установлено:

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

— существенная роль шлака при охлаждении металла в сталеразливочном ковше, потери тепла металлом через шлак составляют 6070%;

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

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

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

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

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

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

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ЧерМК — Череповецкий металлургический комбинат.

УНРС — установка непрерывной разливки стали.

МНЛЗ — машина непрерывного литья заготовки.

УДМ — установка доводки металла.

УВС — установка вакуумирования стали.

УПК — установка печь-ковш.

ТШС — твердая шлаковая смесь.

ГОЕЕО — методология функционального моделирования.

Я — радиус ковша.

Н— высота налива стали.

И — толщина — время.

Ттемпература р — плотность.

X — коэффициент теплопроводности с — удельная массовая теплоемкость у — кинематическая вязкость Ькр — теплота кристаллизации шлака е — степень черноты поверхности Ткр — температура кристаллизации.

Ьст/ - Ьсп, з — толщины 1−3 слоев футеровки стенки ковша.

Кт! — Ктз ~ коэффициенты теплопроводности 1−3 слоев футеровки стенки ковша.

— толщины 1−4 слоев футеровки днища ковша Хд/ - ~ коэффициенты теплопроводности 1−4 слоев футеровки днища ковша е — толщина корки шлака к— коэффициент теплопередачи через составную стенку о о а0= 5,7' 10, Вт/м 'К — коэффициент излучения абсолютно черного тела, а — суммарный коэффициент теплоотдачи излучением и конвекцией ал — коэффициент теплоотдачи излучением от поверхности ак — коэффициент теплоотдачи конвекцией от поверхности гтк — коэффициент свободной конвекции г Аг — коэффициент вынужденной конвекции.

— удельная мощность перемешивания металла при продувке аргоном =8,314, Дж/(К.моль) — газовая постоянная МА=39,921, г/моль — молярная масса аргона РАт =101 325, Па — атмосферное давление g=9,81, м/с — ускорение свободного падения Р — давление вг — критерий Грасгофа Рг — критерий Прандтля Яе — критерий Рейнольдса р2, — средний угловой коэффициент лучистого теплообмена между двумя круглыми параллельными поверхностями с общей центральной нормалью.

N — число внутренних узлов по радиусу ковша.

Мчисло внутренних узлов по высоте стали.

К — число внутренних узлов по толщине шлака ку — коэффициент устойчивости явной схемы конечно-разностной аппроксимации.

5 — площадь.

Ар — шаг вывода данных на экран.