CC BY
35
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2001 р. Вип.№11
УДК 669.1:536
Бахтин А.А.1, Видикер В.Г. 2, Алексеева В.А.3
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ЧУГУНОВОЗНЫХ КОВШЕЙ В ДОМЕННОМ ЦЕХЕ
Рассматриваются вопросы разработки компьютерной системы для определения тепловых потерь на основе математического моделирования тепловых процессов при сливе металла и его транспортировке в чугуновозных ковшах. Приведены особенности предложенного математического моделирования. Проанализированы результаты, полученные в системе определения тепловых потерь, применительно к используемым в производстве чугуновозным ковшам, параметрам чугуна и теплоизолирующих засыпок.
Одной из главных задач металлургического производства является снижение доли затрат на использование энергоресурсов в себестоимости выпускаемой продукции. Уменьшение потерь тепла при транспортировании чугуна в чугуновозных ковшах к месту дальнейшего передела является актуальной задачей, не только экономии затрачиваемых энергоресурсов на производство стали, но и повышения ее качества.
При решении этой задачи на многих металлургических предприятиях широко применяются энерго- и ресурсосберегающие технологии, оценка эффективности которых производится с применением математического моделирования.
Исследования на математических моделях тепловых потерь металла, в противоположность экспериментам на реальных объектах, позволяют, наряду с сокращением дорогостоящих и трудно организуемых промышленных опытов, которые обычно сопровождаются нарушениями технологии и производственными потерями, получить также ряд результатов, не достижимых в промышленных условиях.
Кроме того, математические модели могут быть использованы в качестве основы для создания компьютерной системы, определяющей и прогнозирующей тепловые потери металла при транспортировке чугуновозных и других ковшей в различных временных режимах их оборота, и с использованием различных утеплителей.
Реализованные в виде компьютерных программ, математические модели реальных процессов теплообмена металла с ковшом и окружающей средой позволяют оператору в ускоренном масштабе времени (за 5-7 мин.) после ввода начальных температур расплава и ковша, их параметров, оценить изменение среднемассовой температуры чугуна и температуры его поверхности, а также проанализировать участки наибольших потерь тепла в ковше с целью принятия в дальнейшем необходимых мер по их снижению [1].
Например, для уменьшения потерь тепла через открытую поверхность металла в ковшах, применяют различные теплоизолирующие засыпки, сравнительная оценка эффективности которых в производственных условиях затруднена [2, 3]. Поэтому и здесь необходимо применение математического моделирования с подтверждением его адекватности по результатам реально измеренных параметров и характеристик исследуемого объекта.
Кроме того, в системе осуществляется контроль температуры брони ковша и его футеровки в течение времени оборота ковша. В дальнейшем эти параметры автоматически запоминаются и учитываются в программе, исходя из расчетов времени оборота ковша, при определении потерь тепла в следующем технологическом цикле его использования.
1 ПГТУ, инж.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3 ПГТУ, аспирант
Тепловые процессы при транспортировке чугуновозного ковша, до и после его заполнения, в значительной мере определяются массой и начальной температурой чугуна и ковша, размерами и геометрической формой ковша, толщиной и теплофизическими характеристиками футеровки и стенок ковша, а также, наличием покровного шлака и применяемых на ряде металлургических предприятий теплоизолирующих засыпок.
Для оценки тепловых потерь при транспортировке чугуновозных ковшей разработаны следующие математические модели |1|:
1. Математическая модель «чугуновозный ковш - расплав чугуна - окружающая среда», имитирующая на основе решений уравнений теплообмена вместе с начальными и краевыми условиями температурные поля металла (среднемассовую температуру и температуру поверхности) в каждый период времени, от момента заполнения ковша до момента разливки металла для дальнейшего передела.
2. Математическая модель «поверхность расплава чугуна - шлаковый слой -теплоизолирующая засыпка - окружающая среда», имитирующая потери тепла через поверхность металла, шлаковый и засыпной слои.
Задачами, решаемыми при этом с применением первой математической модели, являются определение тепловых потерь с поверхностей:
- струи расплава металла при заполнении ковша;
- поверхности металла (Цз, рис.1) через покровный шлак (область()з, рис.1) и открытую горловину ковша;
- стенок ковша (81, рис.1) после его наполнения (через футеровку, области ()ь 0»2, рис.1), а также, определение потери тепла через горловину и стенки пустого ковша при его транспортировке после разливки металла.
Задачи, решаемые второй моделью, расширены по сравнению с первой необходимостью оценки влияния различных засыпных материалов (область рис.1) на снижение тепловых потерь при транспортировании металла в чугуновозных ковшах.
В обеих моделях при расчете тепловых потерь были выделены и описаны системами
дифференциальных уравнений в частных производных, с соответствующими граничными и начальными условиями [4], следующие тепловые процессы между объектами в системе: расплав чугуна - ковш -окружающая среда:
- процесс теплообмена между ковшом и жидким чугуном при заполнении ковша;
- процесс теплоотдачи от ковша с чугуном в атмосферу при транспортировке чугуна, с момента заполнения ковша до момента разливки чугуна в миксер сталеплавильного цеха; процесс теплоотдачи от пустого ковша в атмосферу
после разливки чугуна из ковша и при транспортировке его обратно в доменный цех под слив металла.
Отдельную задачу представляет моделирование теплоизолирующей среды на поверхности ковша, состоящей из шлака и засыпных утеплителей различного состава.
Как отмечено выше, для уменьшения потерь тепла через открытую поверхность металла в ковшах, применяют теплоизолирующие засыпки, которые отличаются теплофизическими свойствами, изменяющимися от температуры, от состояния, от массы и т.д. Известны основные требования к материалам, применяемым для теплоизоляции поверхностей металлических расплавов в ковшах [5-7]:
- низкая насыпная плотность (менее 0,07 - 0,15 т/мд);
- низкая теплоемкость и теплопроводность во всем диапазоне применяемых температур;
Рис.1 - Сечение ковша, заполненного чугуном, покрытым шлаком (область СЬ) и теплоизолирующей засыпкой (область Г) |).
- высокая огнеупорность, отсутствие спекаемости всего объема засыпки, при обязательном подплавлении его нижнего слоя (во избежание перемешивания с покровным шлаком);
- химическая инертность к металлу, покровному шлаку, огнеупорной футеровке ковша.
На основании этих требований была разработана математическая модель теплоизолирующей засыпки [1], с помощью которой осуществляется оценка ее влияния на уменьшение тепловых потерь в ковше. Ее особенностью является использование эмпирических зависимостей теплофизических параметров (теплопроводности и теплоемкости) засыпки от температуры, с последующей корректировкой этих зависимостей по результатам промышленных экспериментов.
Описанные с помощью системы дифференциальных уравнений в частных производных перечисленные выше процессы тепломассообмена в чугуновозных ковшах, были представлены в виде разностных краевых задач, позволяющих непосредственное их программирование [1]. Полученные решения поставленных задач неявным методом конечных разностей [4], подтвердили не только сходимость выбранной разностной схемы, ее точность и устойчивость, но и адекватность разработанных моделей реальным процессам.
Разливка металла -1-
чугуновозном ковше без применения теплоизолирующих засыпок. Т: - среднемассовая температура чугуна, Т2 - температура поверхности чугуна в ковше, Т3 - температура поверхности футеровки ковша после разливки чугуна, Т4 - температура поверхности брони ковша; О,. СЬ - суммарные тепловые потери через горловину и стенки заполненного ковша, соответственно, ()•'. () ' - то же после разливки металла.
Результаты, полученные с помощью разработанного пакета программ, который был положен в основу соответствующей автоматизированной компьютерной системы, отображаются на экране монитора в виде схемы сечения чугуновозного ковша (рис.1), строящихся графиков (рис.2, 3) и табличных данных (записываются в файл). Они прогнозируют за время, определяемое скоростью выполнения программ (5-7 мин. на современных компьютерах), изменения, происходящие в ковше в реальном времени (3-5 час.) тепловых процессов при: сливе металла - транспортировке - поставке ковша под очередной слив чугуна. Оператор системы может в любой момент приостановить вычисления, изменить анализируемое сечение ковша и просмотреть значения температурного поля в любой точке объекта.
На рис.2, 3 демонстрируется изменение следующих параметров: Т\ - среднемассовая температура чугуна, Т2 - температура поверхности чугуна в ковше (на рис. 3 - температура поверхности засыпки массой 170 кг, насыпная плотность 0,15 т/мд, теплопроводность 0,2 Вт/мК
при 1000 С |7|). 'Л - температура поверхности футеровки ковша после разливки чугуна, -температура поверхности брони ковша в процессе выполнения полного технологического цикла. Начальные температуры чугуна и чугуновозного ковша при моделировании задавались по паспортным данным и технологическим таблицам: 1400 "С - для чугуна, 380 "С - для футеровки и 150 "С - для брони ковша, геометрические размеры ковша и футеровки - в соответствии с технической документацией.
Кроме того, на рис.2, 3 приведены кривые 0\, 0\ ' и 02. 02' которые показывают результаты моделирования тепловых потерь в МДж через горловину и броню ковша до и после разливки чугуна. Кривая 0\ показывает суммарные потери тепла, определяемые охлаждением расплава металла через горловину, а 02 - через футеровку и броню ковша. Кривая 0\ показывает суммарные потери тепла через горловину из-за теплоизлучения внутренней поверхности (футеровки) ковша, а 02 - через броню ковша после разливки металла.
Разливка металла
тепла в чугуновозном ковше с применением теплоизолирующих засыпок. Обозначения те же, что и на рис. 2.
Анализ изменения параметра Т2 (рис.2, 3) показывает, что наибольшее изменение температуры поверхности чугуна происходит в начальном периоде заполнения и транспортировки ковша, стабилизируемое затем в определенных пределах, из-за образования шлакового слоя. Использование теплоизолирующей засыпки существенно изменяет температуру поверхности Т2 (с 950 "С до 750 ' С), уменьшая тепловые потери 0\ через горловину ковша (рис.2, 3). Увеличение среднемассовой температуры чугуна Ц в результате применения засыпки, как видно на рис.2, 3, не столь значительно, в пределах 30 "С - 50 "С, но такое повышение температуры, и, следовательно, уменьшение тепловых потерь, существенно влияет на качество последующей обработки чугуна в миксерном отделении сталеплавильного цеха.
Анализ приведенных кривых (рис.2, 3) позволяет сделать вывод о существенности тепловых потерь (сотни и тысячи МДж), уменьшение которых возможно путем внедрения соответствующих организационно-технических мероприятий, например, экранированием горловины ковша в процессе его транспортировки, сокращением длительности технологического цикла, уменьшением времени оборота чугуновозных ковшей и т.д.
Из анализа изменения соответствующих кривых рис.2, 3 следует, что наибольшее количество тепла теряется поверхностью чугуна через открытую горловину ковша ((Л). Поэтому эффективность принимаемых на многих металлургических предприятиях мероприятий по снижению этих тепловых потерь за счет выбора и применения специальных теплоизолирующих засыпок, подтверждена предлагаемой компьютерной системой определения тепловых потерь в чугуновозных ковшах.
Выводы
1. Предложенная автоматизированная система позволяет на основе математического моделирования и вводимых исходных данных определять тепловые потери в чугуновозных ковшах.
2. Исследования, проведенные с применением компьютерной системы, позволили уточнить и определить конкретные зависимости величины тепловых потерь от следующих факторов: массы и начальной температуры чугуна, начальной температуры чугуновозного ковша, зависящей от времени оборота ковша в технологическом цикле, а также от применения теплоизолирующих засыпок..
Перечень ссылок
1. Бахтин A.A., Видикер В.Г., Алексеева В.А. Математическое моделирование процессов потери тепла при транспортировке металла в чугуновозных ковшах. // Первая международная научно-практическая конференция: Вычислительная техника в информационных и управляющих системах (30 октября - 3 ноября): Сб. докл. / ПГТУ, Мариуполь. - 2000 . - С. 37-41.
2. Эффективность теплоизоляции поверхности металла в сталеразливочном ковше / Ю.В.Климов, А.А.Ларионов, А.В.Побегайло и др. II Металл и литье Украины. - 1997. - №2-4. -С. 13-14.
3. Совершенствование технологии утепления металла в сталеразливочном ковше / Э.Н.Шебаниц, А.А.Ларионов, А.В.Побегайло и др. II Металл и литьё Украины. - 1998. -№7-8. - С. 9-11.
4. Бахтин A.A., Видикер В.Г. Метод расчета процессов теплообмена в неограниченном пространстве. // Придншровський науковий вюник: Науковий журнал: №95(162). - 1998. -С. 12-15.
5. Прогнозирование температуры металла на пути конвертор - УНРС / И.КПопандопуло, Д.П.Евтеев, О.В.Носоченко, А.В.Шемякин II Изв. вузов. Черн. Металлургия. - 1984. - №9. -С. 32-37.
6. Снижение потерь тепла металлом в сталеразливочном ковше / С.Я.Цыпин, А.Н.Гаоду, П.С.Климашин и др. II Металлург. - 1977. - №5. - С. 22-23.
7. Оснос С.Н. Новое поколение волокнистых теплоизоляционных и огнеупорных материалов. // Международная конференция по металлургической теплотехнике (декабрь): Труды конф. / Москва. - 2000. - С. 235-237.
Бахтин Александр Алексеевич. Инженер кафедры АЭС и ЭП. Окончил Ждановский металлургический институт в 1980 году. Основные направления научных исследований -математическое моделирование и оптимизация технологических процессов в металлургии и энергетике.
Видикер Валерий Генрихович. Канд. техн. наук, доцент кафедры АЭС и ЭП. Окончил Ленинградский политехнический университет в 1965 году. Основные направления научных исследований - оптимизация систем автоматического управления.
Алексеева Виктория Анатольевна. Аспирант кафедры литейного производства. Окончила Приазовский государственный технический университет в 1998 году. Основные направления научных исследований - физическое и математическое моделирование металлургических процессов.
Статья поступила 25.01.2001.
