CC BY
26
DOI 10.23859/1994-0637-2017-2-77-3 УДК 669.04
© Лукин С.В., Кочкин А.А., Кибардин А.Н., Антонова Ю.В., Мухин В.В., Игонин В.И., 2017
Лукин Сергей Владимирович
Доктор технических наук, профессор, Вологодский государственный университет (Вологда, Россия) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Кочкин Александр Александрович
Доктор технических наук, доцент Вологодский государственный университет (Вологда, Россия) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Игонин Владимир Иванович
Доктор технических наук, профессор, Вологодский государственный университет (Вологда, Россия) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Кибардин Антон Николаевич
Аспирант, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Мухин Владимир Васильевич
Доктор технических наук, профессор, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Антонова Юлия Валерьевна
Кандидат технических наук, Череповецкий государственный университет (Череповец, Россия) E- mail: iulia.antonowa2010@yandex.ru
АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ОХЛАЖДЕНИЯ, ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ И НАГРЕВА СЛЯБОВ НА ЛИНИИ «МНЛЗ - НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ »
Lukin Sergey Vladimirovich
Doctor of Sciences (Technology), professor, Vologda State University (Vologda, Russia) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Kochkin Alexandеr Alexandrovich
Doctor of Sciences (Technology), associate professor. Vologda State University (Vologda, Russia) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Igonin Vladimir Ivanovich
Doctor of Sciences (Technology), professor, Vologda State University (Vologda, Russia) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Kibardin Anton Nikolaevich
Post graduate student, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Muchin Vladimir Vasilievich
Doctor of Sciences (Mathematics), professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E-mail: s.v.luk@yandex.ru
Antonova Yulia Valerievna
PhD (Technology), Associate professor, Cherepovets State University (Cherepovets, Russia) E- mail: iulia.antonowa2010@yandex.ru
ALGORITMS OF OPTIMIZING MODES OF SLABS COOLING, THERMOSTATING AND HEATING ON THE LINE "CCM - HEATING
STOVE"
Аннотация. В статье рассмотрены алгоритмы оптимизации режимов охлаждения и термостатирования стальных слябов в машине непрерывного литья заготовок, и
Abstract. In the article the algorithms of optimizing modes of cooling and thermostat-ing steel slabs in continuous casting machine and modes of heating and blistering slabs in
режимов нагрева и томления слябов в нагревательной методической печи. Данные алгоритмы реализуются на ЭВМ с использованием алгоритмического языка программирования.
Ключевые слова. Машина непрерывного литья заготовок, сляб, термостат, нагревательная печь._
Введение
В настоящее время жидкая сталь разливается главным образом на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). На выходе из МНЛЗ среднемассовая температура слябов превышает 1000 °С, поэтому при использовании физической теплоты слябов в нагревательных печах прокатного производства может быть достигнут значительный энергетический, экономический и экологический эффект. В идеальном случае, когда на выходе из МНЛЗ слябы имеют среднюю температуру, равную или превышающую температуру прокатки металла, нагрев сляба в печах вообще не требуется, необходимо лишь выровнять температуру по сечению сляба в термостате [2]. Когда средняя температура слябов, выходящих из МНЛЗ, недостаточна для прокатки, необходим нагрев слябов в методической печи и их томление с целью выравнивания температуры перед прокаткой [3]. В обоих случаях необходима оптимизация режимов охлаждения, термостатирования и нагрева слябов на линии «МНЛЗ - нагревательная печь».
Основная часть
В работе [1] разработана математическая модель, позволяющая последовательно рассчитывать затвердевание сляба в МНЛЗ, охлаждение на воздухе и в термостате, и нагрев в печи, а также рассмотрены методы оптимизации режимов охлаждения, тер-мостатирования и нагрева слябов на линии «МНЛЗ - прокатный стан».
Для реализации разработанной математической модели затвердевания, охлаждения, термостатирования и нагрева сляба был разработан алгоритм расчета температурного поля сляба и оценки его теплового состояния, блок-схема которого показана на рис. 1. Исходные данные для расчета температурного поля сляба в кристаллизаторе и зоне вторичного охлаждения МНЛЗ, в зоне воздушного охлаждения МНЛЗ, в термостате, в нагревательных и томильной зонах печи включают в себя:
1) геометрические условия (ГУ): толщина 2В и ширина 2А охлажденного сляба; число узлов по полутолщине сляба М, по полутолщине сляба Ы2; рабочие длины кристаллизатора и секций ЗВО МНЛЗ ф длины нагревательных зон печи /н1; ширина Ь и высота зон к, рабочего пространства печи;
2) технологические параметры (ТП): скорость вытягивания сляба в МНЛЗ (скорость разливки) V; расходы охлаждающей воды, подаваемой на кристаллизатор Окр, ролики Орол/, и форсунки ЗВО МНЛЗ Оф
3) временные условия (ВУ): длительность охлаждения сляба в зоне воздушного охлаждения то; длительность нахождения сляба в термостате тт; длительности нагрева сляба в методической и сварочной зонах печи тнЬ тн2; длительность выдержки сляба в томильной зоне печи хтм; расчетный шаг по времени Дт;
methodical heating stove are considered. These algorithms are realized on a computer with the use of an algorithmic program language.
Key words. Continuous casting machine, slab, thermostat, heating stove.
Рис. 1. Алгоритм расчета температурного поля сляба и оценки его теплового состояния
4) температурные условия (ТУ): температура Т0 жидкой стали, поступающей в кристаллизатор МНЛЗ; температура воды, подаваемой из форсунок, Тв; нагрев воды в кристаллизаторе ДТкр и роликах ДТрол/; температура окружающей среды Тос; температуры в рабочем пространстве методической печи Тш;
5) теплофизические параметры (ТФ): теплота затвердевания стали Ь; температуры ликвидус и солидус /л и /с; коэффициент теплопроводности X, плотность р, эффективная теплоемкость Сэф стали в зависимости от температуры;
6) расчетные параметры (РП): коэффициент ст, характеризующий интенсивность охлаждения в кристаллизаторе; коэффициенты характеризующие интенсивность охлаждения в ЗВО; степень черноты поверхности сляба е; приведенная степень черноты в зоне воздушного охлаждения епр; плотность тепловых потерь в термостате дтерм; приведенные коэффициенты излучения в нагревательных зонах печи спр,-.
Расчет температурного поля сляба проводится последовательно для следующих участков: кристаллизатор МНЛЗ, секции зоны вторичного охлаждения, зона
воздушного охлаждения, термостат, нагревательные зоны методической печи, томильная зона печи.
По результатам расчета температурного поля сляба производится оценка его теплового состояния, включающая информацию о средней температуре поверхности широкой грани сляба Тпов(т), температуре на оси сляба Тоси(т), среднемассовой энтальпии кср(т) и температуре металла Тср(т), максимальном градиенте температур по сечению сляба УТтах(т), где т - время, проведенное данным сечением сляба в МНЛЗ, термостате или печи начиная с момента поступления жидкой стали в кристаллизатор.
На основе алгоритма расчета температурного поля сляба и оценки его теплового состояния разработан алгоритм определения оптимальных длительностей охлаждения сляба в зоне воздушного охлаждения МНЛЗ и в термостате, когда не требуется нагрев сляба в печи, и обеспечивается поступление сляба на прокатку с заданной среднемассовой температурой и допустимым градиентом температур по сечению сляба.
Данный алгоритм показан на рис. 2. Исходными для него являются данные по МНЛЗ и термостату: геометрические условия (ГУ), технологические параметры (ТП), температурные условия (ТУ), теплофизические параметры (ТФ), расчетные параметры (РП), временные условия (ВУ). Кроме того, задаются требуемая температура металла перед прокаткой Тм и допустимый градиент температур по сечению сляба перед прокаткой УТм.
Сначала производится расчет температурного поля сляба в кристаллизаторе, в ЗВО, в зоне воздушного охлаждения МНЛЗ, в термостате, в результате чего определяется среднемассовая температура сляба на выходе из термостата Тср. Если данная температура превышает требуемую температуру металла перед прокаткой Тм, то длительность охлаждения сляба в зоне воздушного охлаждения то нужно увеличить, если Тср меньше Тм, то длительность то нужно уменьшить. Если Тср = Тм, то то равняется оптимальной длительности охлаждения в зон воздушного охлаждения то.опт.
Может получиться, что при то = 0 температура Тср меньше Тм. Это значит, что на выходе из зоны вторичного охлаждения сляб имеет среднемассовую температуру ниже требуемой для прокатки. Если имеется возможность, нужно увеличить скорость разливки V либо уменьшить требуемую температуру металла перед прокаткой Тм. Если это невозможно, то в качестве оптимального значения принимается
то.опт = 0. о.опт
Затем производится расчет температурного поля сляба в МНЛЗ и термостате, при условии, что то = то.опт. В результате определяется максимальный градиент температур по сечению сляба на выходе из термостата УТтах. Если данный градиент превышает допустимый градиент температур УТм, то длительность нахождения сляба в термостате тт нужно увеличить, в противном случае величину тт нужно уменьшить. Если выполняется УТтах= УТм, то длительность нахождения сляба в термостате тт равна оптимальному значению ттопт.
В случае, когда при то = 0 выполняется Тср < Тм, требуется дополнительный нагрев сляба в нагревательной печи.
Разработан алгоритм определения оптимальных длительностей нагрева и томления сляба в методической печи при горячем посаде, обеспечивающий поступление сляба на прокатку с заданной среднемассовой температурой и допустимым градиентом температур по сечению сляба. Данный алгоритм показан на рис. 3. Исходными для него являются данные по нагревательной печи: геометрические условия (ГУ), технологические параметры (ТП), температурные условия (ТУ), теплофизические
Начало ^
Ввод: ГУ, ТП, ВУ, ТУ, ТФ, РП, Тм, УТм
Расчет температурного поля сляба в кристаллизаторе, в ЗВО, в зоне воздушного охлаждения МНЛЗ, в термостате
На выходе из термостата определяется среднемассовая температура сляба Тср
V = то +Ат
Расчет температурного поля сляба в кристаллизаторе, в ЗВО, в зоне воздушного охлаждения МНЛЗ, в термостате
На выходе из термостата определяется максимальный градиент температур
УТ
v J max
Рис. 2. Алгоритм определения оптимальных длительностей охлаждения сляба в МНЛЗ и термостате
Начало ^
Ввод: ГУ, ТП, ВУ, ТУ, ТФ, РП, Тш0, Тм, УГМ
Расчет температурного поля сляба в методической и сварочной зонах методической печи
На выходе из сварочной зоны определяется среднемассовая температура
сляба Т„
V = тн +Дт
Расчет температурного поля сляба в томильной зоне методической печи
На выходе из томильной зоны определяется максимальный градиент температур УТтах
Рис. 3. Алгоритм определения оптимальных длительностей нагрева и томления сляба в методической печи
параметры (ТФ), расчетные параметры (РП), временные условия (ВУ). Кроме того, задаются среднемассовая температура сляба при загрузке в печь Тм0, требуемая среднемассовая температура металла перед прокаткой Тм, и допустимый градиент температур по сечению сляба перед прокаткой УТм.
Сначала производится расчет температурного поля сляба методической и сварочной зонах методической печи, в результате чего определяется среднемассовая температура сляба на выходе из сварочной зоны Тср. Если данная температура превышает требуемую температуру металла перед прокаткой Тм, то длительность нагрева слябов в печи тн нужно уменьшить, если Тср меньше Тм, то длительность тн нужно увеличить. Если Тср = Тм, то тн равняется оптимальной длительности нагрева в печи
^н.опт.
Затем производится расчет температурного поля сляба в томильной зоне методической печи, при условии, что тн = хнопт, в результате чего определяется максимальный градиент температур по сечению сляба на выходе из томильной зоны печи УТщ^. Если данный градиент превышает допустимый градиент температур УТм, то длительность томления сляба в хтм нужно увеличить, иначе - величину хтм нужно уменьшить. Если выполняется УТщ^ УТм, то длительность томления сляба хтм равна оптимальному значению хтмопт.
Алгоритмы, показанные на рис. 1-3, реализованы в среде алгоритмического языка программирования Visual Basic.
Выводы
В статье рассмотрены алгоритмы оптимизации режимов охлаждения и термоста-тирования стальных слябов в машине непрерывного литья заготовок, и режимов нагрева и томления слябов в нагревательной методической печи, которые были реализованы на алгоритмическом языке программирования Visual Basic. Оптимизация указанных режимов позволяет значительно сократить удельный расход топлива на нагрев металла в печах (в некоторых случаях, практически до нуля) и повысить их производительность.
Литература
1. Лукин С.В., Игонин В.И., Кочкин А.А., Кибардин А.Н., Мухин В.В., Антонова Ю.В. Оптимальные режимы охлаждения, термостатирования и нагрева слябов на линии «МНЛЗ -прокатный стан» // Вестник Череповецкого государственного университета. 2016. № 6 (75). С. 16-20.
2. Лукин С.В., Кибардин А.Н. Оптимальное использование физической теплоты слябов после МНЛЗ // Металлург. 2016. № 7. С. 38-43.
3. Лукин С.В., Кибардин А.Н., Сидоренкова С.Е., Кочкин А.А. Оптимизация режимов нагрева и термостатирования слябов при горячем посаде в нагревательные печи // Вестник Череповецкого государственного университета. 2016. № 3 (72). С. 7-11.
References
1. Lukin S.V., Igonin V.I., Kochkin A.A., Kibardin A.N., Muchin V.V., Antonova Iu.V. Op-timalnye rezimy ohlazdeniia, termostatirovaniia i nagreva sliabov na linii "MNLZ - prokatnyi stan" [Optimum modes of cooling, thermostaing and heaing of slabs on line "continuous casting machine -rolling mill"]. Vestnik Cherepovetskovo gosudarstvennovo universiteta [Cherepoves state university bulletin], 2016, no. 6, pp. 16-20.
2. Lukin S.V., Kibardin A.N. Optimal'noe ispol'zovanie physicheskoi teploty sliabov posle MNLZ [Optimal use of physical heat in slabs issuing CCM]. Metallurg [Metallurgist], 2016, no. 7, pp. 38-43.
3. Lukin S.V., Kibardin A.N., Sidorenkova S.E., Kochkin A.A. Optimizatsiia rezimov nagreva i termostatirovaniia sliabov pri goriachem posade v nagrevatelnye pechi [Heating and thermostating modes optimization at loading hot slabs in heating stoves]. Vestnik Cherepovetskovo gosudarstven-novo universiteta [Cherepoves state university bulletin], 2016, no. 3 (72), pp. 7-11.
Лукин С.В., Кочкин А.А., Кибардин А.Н., Антонова Ю.В., Мухин В.В., Игонин В.И. Алгоритмы оптимизации режимов охлаждения, термостатирования и нагрева слябов на линии «МНЛЗ - нагревательная печь» // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. №2(77). С. 23-30.
For citation: Lukin S.V., Kochkin A.A., Igonin V.I., Kibardin A.N., Muchin V.V., Antonova Yu.V. Algoritms of optimizing modes of slabs cooling, thermostating and heating on the line "ccm -heating stove". Bulletin of the Cherepovets State University, 2017, no. 2 (77), pp. 23-30.
