Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии «МНЛЗ-холодный склад»

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 ресурсои 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 теплотехникиметоды математического и компьютерного моделированиятеория планирования экспериментаосновы 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 МНЛЗалгоритм расчета начального распределения температуры в штабелеалгоритм определения теплового состояния штабеляалгоритм восстановления параметров теплообменаалгоритм определения продолжительности охлаждения штабелей слябов на холодном складеобобщенный 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 информациип.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.

Выводы.

1. Сформированы функциональные элементы и блоки системы параметров теплового состояния слябов.

2. Проведена настройка предложенного алгоритмического обеспечения. В ходе проведения настройки алгоритма построения начального распределения температуры в штабеле. Достигнуто, что данный алгоритм позволяет определять температурное поле с погрешностью, не превышающей 2%.

3. Проведена экспериментальная настройка алгоритма определения продолжительности охлаждения штабеля. Средняя относительная погрешность оценки продолжительности охлаждения составляет менее 2,5%.

4. Проведена экспериментальная настройка алгоритма восстановления параметров теплообмена. Предложенный алгоритм можно использовать для одновременной оценки параметров лучистого и конвективного теплообмена при охлаждении и нагреве заготовок из других металлов.

5. Экспериментальная настройка алгоритма расчета эффективной теплоемкости показала, что применение классической зависимости описания теплопередачи в ограниченном пространстве правомочно при математическом моделировании теплопереноса в жидкой части слитков при свободной конвекции жидкого металла.

6. Предложен способ утилизации теплоты от штабелей на холодном складе. Разработана конструкция утилизирующего экрана. Ожидаемая утилизация теплоты при внедрении предложенного способа составит 5−103 ГДж в год.

7. Применение теплоутилизирующих экранов на холодном складе позволит сократить продолжительность обработки слябов на складе на 18% и увеличить пропускную способность склада.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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 позволяет в отличие от известных моделей учитывать трёхмерность процесса охлаждения штабелей слитков, их взаимовлияния и наличие окалины на поверхности слябов.

2. Выполнено тестирование разработанной модели. Установлено, что достаточно выбрать количество узлов по ширине не менее 14, по длине не менее 19 и по высоте не менее 17, тогда общая погрешность результатов моделирования не превысит 1%.

3. 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 превышает 1% .

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

6. Разработаны методы расчета баланса теплоты при затвердевании и охлаждении слитков на MHJI3 с использованием математической модели и с использованием приближенного решения задачи затвердевания (инженерная методика). Методы позволяют 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 составляет в среднем 3%.

7. Разработано алгоритмическое обеспечение для оценки параметров охлаждения штабелей слябов, включающее следующие алгоритмы: алгоритм построения конечного температурного поля в слябе после MHJI3- алгоритм построения начального распределения температуры в штабелеалгоритм определения теплового состояния штабеляалгоритм восстановления параметров теплообменаалгоритм определения продолжительности охлаждения штабелей слябовобобщенный алгоритм оценки параметров теплового состояния штабелей.

Данные алгоритмы реализованы программно (Приложения А, В) и позволяют определять основные параметры охлаждения штабелей слябов, в частности, строить температурное поле штабеля в зависимости от конечного температурного поля в слябе, вычислять доли теплоты в слябе в разных зонах MHJI3, определять момент начала обработки слябов.

8. 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.

9. Применение теплоутилизирующих экранов позволит повысить эффективность работы холодного склада. Ожидаемая утилизация теплоты при внедрении предложенного способа составит 5−105 ГДж в год. Результаты исследований переданы на ЧерМК «ОАО Северсталь».