Математическое моделирование на ЭВМ теплоэнергетических процессов при переделе слитков в металлургическом производстве

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г. Вып №9

УДК 621.311

Бахтин А.А.1, Видикер В.Г.2

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПЕРЕДЕЛЕ СЛИТКОВ В МЕТАЛЛУГИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Рассматриваются особенности математического моделирования на компьютере процессов металлургического производства на участке технологического передела от разливки металла в изложницы, до подготовки готового слитка к прокату. Отражена специфика каждого этапа подготовки слитков и изменение их теплоэнергетических параметров при процессе выемки из изложницы, транспортировании и нагреве в ячейках нагревательного колодца. На основании опытных исследований технологии термостатирования слитков с уменьшенным расходом тепла на их подогрев, проведено математическое моделирование, подтверждающее эффективность такой технологии.

Существенной особенностью работы металлургических предприятий Украины в настоящее время является совершенствование основных технологических процессов по пути уменьшения затрат энергоресурсов при всех переделах металлургической продукции. При этом снижение расходных коэффициентов энергетических и материальных потоков при производстве продукции, непосредственно отражающихся в ее себестоимости, является одной из главных технико-экономических задач, решаемых специалистами в процессе совершенствования технологических процессов.

Так при подготовке стальных слитков для дальнейшего передела - в прокатном стане реализуется установленный набор технологических операций, начиная от разливки металла в изложницы и формирования в них слитков, выемки слитков из изложниц, транспортирования, посада их в ячейки нагревательных колодцев и выемки их после выдержки из ячеек и, кончая отправкой их в обжимную клеть слябинга (рис. 1).

Ячейка нагревательного

колодца4^ - ~ -

Горелка

Продукты Прокат сгорания

1-период

2- период

3-период

4-период

5 -период

Рис. 1 - Последовательность технологических процессов формирования и подготовки слитка.

Стрелки на рис 1 условно отображают направления теплообмена слитков с окружающей средой, а технологические операции названы периодами с соответствующим технологической последовательности номером.

1 ПГТУ, инженер.

ПГТУ, канд. техн. наук, доц.

Различие в изменении во времени теплоэнергетических параметров слитка в каждой такой операции в силу различных начальных условий и других технологических причин, значительно влияет на конечный результат - качество и количество выходной продукции передела

Время выполнения большинства из этих операций в значительной мере зависит от физико-химических процессов при формировании слитков и процессов теплообмена их с окружающей средой, контролировать которые прямыми измерениями весьма сложно. Например, кристаллизация металла в изложницах происходит неравномерно как по объёму слитка и так во времени: происходит охлаждение прилегающих к поверхности изложницы слоев при сохранении в течение длительного времени относительно высокой температуры в центре слитка 11, 2]. Поэтому время формирования слитка и выемки его из изложницы определяется экспериментально, основываясь на оценках измерений температур на поверхности слитка, при которых происходит затвердение слитка После выемки слитков из изложниц и транспортирование его в ячейки нагревательного колодца и далее - на слябинг для дальнейшего передела, происходит дальнейшее неравномерное снижение температуры слитка, причем при достаточно длительном нахождении слитка вне изложницы температура его поверхности может быть ниже величины, предусмотренной технологией проката: при нарушении её увеличиваются нагрузки на клеть, нарушение предписанного режима деформации и т.д. В этом случае слитки подогревают до достижения требуемой для дальнейшей обработки температуры, делают это в ячейках нагревательных колодцев, расходуя при этом значительное количество энергоресурсов в виде природного газа.

С целью экономии энергоресурсов на меткомбинате им. Ильича, г.Мариуполь, предложено использовать аккумулированное внутри слитка тепло для достижения требуемой технологией проката температуры его поверхности, если термостатировать ещё не сформировавшиеся слитки (кристаллизация ядра слитка еще не закончилась, имеется небольшой процент жидкой фазы и двухфазного состояния металла, в центре -высокая относительно поверхности температура). В этом случае происходит выравнивание температурных полей между центром слитка и его поверхностью, за счет перераспределения тепловых потоков как внутри слитка, так и за счет теплообмена с оболочкой термостата.

Новая технология предусматривает использовать в качестве термостата ячейки нагревательных колодцев, разогретых до определенной температуры, а интервалы времени от выемки из изложницы и нахождения слитка на воздухе в «раздетом» состоянии, до момента дальнейшего рередела сократить до минимума (2-период, рис.1). Однако создание новой технологии является

Рис.2 - Изменение интегральных параметров Рис.3 - Изменение температур в точках слитка

и Ч.

слитка во времени.

1-энтальпия

2- среднемассовая температура

3- температура поверхности

4- процент жидкой фазы

5- процент двухфазной составляющей

во времени. }- температура центра слитка

2- температура середины боковой грани

3- температура середины верхней грани

4- температура середины нижней грани

5- температура нижнего угла слитка

сложной и трудоёмкой задачей, а методы отработки новой технологии на действующем производстве требуют длительных по времени дорогостоящих экспериментов, сопровождающихся возможным выходом брака, усложнением работы слябинга.

Для ускорения отработки новой технологии авторами были созданы компьютерные математические модели, имитирующие на основе решений уравнений теплообмена в неограниченном пространстве теплоэнергетические параметры слитка в каждый период (рис.1) технологических операций [3]. Эти компьютерные модели могут также имитировать одновременно процессы формирования нескольких слитков в различных изложницах с заданными исходными данными и заранее просчитывать достижение необходимых параметров в реальном масштабе времени. Одновременно определяются: время выемки слитка из изложницы, время термостатирования слитка (3-период, рис. 1), время их нагрева до требуемой температуры в ячейках нагревательного колодца (4-период, рис. 1) и многие другие параметры.

В качестве входных данных в модели, имитирующей процессы в 1-м периоде, вводятся: температура жидкого металла в ковше, начальная температура изложницы, размеры слитка и изложницы, марка стали, шаг интегрирования, время налива изложницы. В качестве выходных данных для этой модели являются: распределение температур в различных точках слитка (рис.3) по времени от начала разливки металла. На их основе делается оценка времени формирования слитка в изложнице, а также изменение по времени интегральных характеристик слитка (рис.2).

Входными данными моделей, имитирующих процессы последующих периодов (рис.1) являются температурное поле, интегральные характеристики и фазовое состояние слитка в конце предыдущего периода.

Интерфейс моделирующих программ организован так, что изменение во времени температурных полей слитка по его выбранным для просмотра сечениям можно наблюдать в виде цветового отображения на экране монитора «разрезов» слитка, тут же строятся графики и таблицы температур, энтальпии и фазовых состояний слитка в текущий момент времени. В процессе моделирования можно выбрать любые интересующие пользователя сечения слитка.

В процессе отладки программы моделировалось формирование большого количества различных слитков, экспериментальные данные для которых, приведены в [1] и [2]. Рассчитанные на модели и экспериментально полученные температурные поля в слитках и изложницах не отличаются более чем на 5 %. Эти результаты подтверждают точность и универсальность модели, её адекватность реальным процессам.

Созданные модели отличаются не только повышенной точностью и универсальностью по сравнению с известными [1], [2]. Так при моделировании теплообмена в системе слиток - нагревательная ячейка - окружающая среда, а также в системе слиток - факел газовой горелки - нагревательная ячейка - окружающая среда, коэффициенты лучеиспускания определяются путем численного интегрирования по поверхности ячейки и слитков с учетом их реального расположения, размеров и формы В процессе моделирования определяется температурное поле кладки каждой ячейки нагревательного колодца, а также степень черноты газовой среды с учетом газового состава. Тем самым определяется фактический расход природного и доменного газа на дополнительный нагрев слитков при новой и прежней технологиях и соответствующий экономический эффект.

Выводы

С помощью математического моделирования были проведены эксперименты, позволившие:

• показать адекватность разработанных моделей реальным процессам;

• имитировать последовательности технологических операций по переделу слитков и выби-

рать оптимальные параметры слитков в каждой из операций.

Перечень ссылок

1. Казанцев Е.И., Царицын Е.А. Волюмотермограммы затвердевающего стального слитка. //Вестник

Приазов. гос.техн унив-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 1999. - Вып.7-А, С. 17-20

2.Горбунов А.Д., Миленький И.А., Вершинин И.Ю. Разработка математической модели теплового состояния слитков в процессе охлаждения, затвердевания и нагрева. //Металлург. Теплотехника: Сб. науч.тр. Гос. металлургической академии Украины.-Т.2.-Днепропетровск, 1999,- С.35-37

3. Бахтин A.A., Видикер В.Г. и др. Метод расчета процессов теплообмена в неограниченном про-

странстве. //Придшровський науковий вюник: Науковий журнал: -№ 95(162).- 1998,- С. 12-15

Видикер Валерий Генрихович. Канд. техн. наук, доцент кафедры автоматизации энергетических систем и электропривода, окончил Ленинградский политехнический институт в 1965 году. Основные направления научных исследований - компьютерное моделирование и оптимизация параметров технологических процессов, автоматизированные микропроцессорные системы. Бахтин Александр Алексеевич. Инженер кафедры автоматизации энергетических систем и электропривода, окончил Приазовский государственный технический университет в 1980 году. Основные направления научных исследований - определение и оптимизация параметров автоматических устройств управления, компьютерное и математическое моделирование.