Введение к работе
Актуальность работы. Нагрев стали под обработку давлением оказывает существенное влияние на формирование качественных характеристик конечной металлопродукции и экономических показателей работы металлургического предприятия.
В процессе нагрева, помимо повышения пластичности и понижения сопротивления деформации металла при прокатке, достигается улучшение исходной структуры металла, формируется сложное температурное поле в нагреваемом слябе, оказывающее непосредственное влияние на механические свойства и геометрические параметры горячекатаного металла.
Существенным фактором, влияющим на ресурсоёмкость и себестоимость металлопродукции, являются потери металла вследствие высокотемпературного окисления (угара). В зависимости от применяемой технологии и оборудования угар может достигать 1-2%, что приводит к значительным потерям металла, сопоставимым в условиях страны с годовым объёмом производства комбината средней мощности. Окалинообразование может приводить к снижению качества поверхности металлопроката, ухудшению технико-экономических показателей работы печей.
Энергоёмкость процесса нагрева стали перед прокаткой, оцениваемая на уровне 60-70 кг у.т./т, составляет величину порядка 12-15% всей энергоёмкости производства металлопродукции на металлургическом предприятии полного цикла.
Существенное влияние на качественные, энергетические и экономические показатели горячекатаного проката оказывает режим нагрева стали в печах. Режим нагрева перед прокаткой должен удовлетворять многочисленным требованиям, предъявляемым к этому технологическому процессу в отношении производительности методических печей, надёжности оборудования, качественных характеристик обрабатываемых заготовок, а также энергосбережения. Поэтому в зависимости от потребностей и особенностей конкретной технологии нагрева производят ранжирование значимых параметров процесса по степени их важности для эффективной реализации рассматриваемого процесса.
Таким образом, исследования, направленные на разработку и совершенствование режимов нагрева стали перед горячей прокаткой, являются актуальными.
Цель работы: совершенствование технологии тепловой обработки непре-рывнолитых слябов в методических печах, направленное на повышение качества металлопродукции и ресурсосбережение.
Основные задачи:
Разработать комплексную математическую модель процесса нагрева металла в методической печи с учётом конструктивных особенностей печного агрегата, процесса окалинообразования и термонапряжённого состояния металла.
Выполнить экспериментальное исследование распределения температур по высоте рабочего пространства печи со сводовым отоплением.
Выполнить исследование влияния конструкции и технического состояния опорной системы подовых труб на теплофизические особенности процесса формирования температурного поля непрерывнолитого сляба и режимов нагрева в печах различных конструкций для постановки задач оптимизации процесса по критериям качества нагрева металла и ресурсосбережения.
Разработать методику выбора оптимальных режимов нагрева слябов по частным и комплексным критериям, характеризующим качество нагрева слябов.
5. Разработать режимы нагрева непрерывнолитых слябов, оптимальные по частным и комплексным критериям качества, и провести сравнительный анализ их теплофизических особенностей.
Выполнить анализ распределения тепловой мощности по зонам нагревательной печи по критериям равномерности нагрева, энерго- и ресурсоэффек-тивности.
На основе систематизации результатов экспериментальных и теоретических исследований разработать мероприятия, направленные на оптимизацию распределения тепловой мощности по зонам печи с целью повышения качества нагрева металла.
Научная новизна:
Разработана комплексная математическая модель процесса нагрева металла в методической печи, позволяющая исследовать влияние режимов тепловой обработки слитка на процесс формирования двумерного температурного поля металла с учетом окалинообразования, особенностей термонапряжённого состояния и влияния опорной системы подовых труб.
Впервые выполнено экспериментальное исследование распределения температур по высоте рабочего пространства промышленной методической печи со сводовым отоплением в широком диапазоне изменения режимных параметров ее работы.
Предложена методика выбора режима нагрева слитков на основе сравнительного анализа его качественных и количественных характеристик, оптимальных как по частным, так и по комплексным критериям, характеризующим качество нагрева слябов.
Установлены причины и характер нерационального распределения тепловой мощности по зонам печи, обоснована необходимость оптимизации распределения тепловой мощности между верхними и нижними зонами и предложен способ управления тепловым режимом нижних зон печи.
Разработана технологическая карта нагрева и функциональная схема системы автоматического управления нагревом на основе объектно-ориентированной технологии моделирования нагрева сляба в методической печи.
Практическая значимость:
Для осуществления расчётов режимов нагрева металла в методических печах разработана и реализована на ЭВМ математическая модель.
Разработаны и внедрены практические рекомендации по реализации оптимальных режимов нагрева слябов в методических печах.
Разработаны и внедрены практические рекомендации по оптимизации распределения тепловой мощности в многозонной нагревательные печи.
Реализация результатов:
Для расчётов режимов нагрева слябов в методических печах стана 2000 ОАО «НЛМК» принято к использованию программное обеспечение, реализующее комплексную математическую модель процесса двустороннего нагрева слябов в нагревательных методических печах с учётом влияния опорной системы подовых труб, процесса окалинообразования и термонапряжённого состояния металла.
На основании результатов оптимизации температурных режимов нагрева непрерывнолитых слябов углеродистых марок сталей скорректированы технологические режимы нагрева металла, результаты использованы в системе автоматизированного управления методических печей стана 2000 ОАО «НЛМК».
3. Результаты исследования и оптимизации распределения тепловой мощности по зонам печи внедрены в систему автоматического управления нагревом печей с шагающими балками стана 2000 ОАО «НЛМК».
4. Внедрение результатов, подтверждённое соответствующими актами и справками, позволило снизить количество нарушений температуры раскатов за клетью №5 на 24%, угар металла на 7%, расход условного топлива на 3%.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
Математическая модель процесса нагрева металла в нагревательной методической печи с учётом окалинообразования, термонапряжённого состояния металла и конструктивных особенностей печного агрегата.
Результаты экспериментального исследования распределения температур по высоте рабочего пространства печи со сводовым отоплением.
Результаты оптимизации режимов нагрева слябов в нагревательных методических печах по частным и комплексным критериям, характеризующим качество нагрева.
Результаты исследований и оптимизации распределения тепловой мощности по зонам многозононной нагревательной методической печи.
Автору принадлежит: постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; разработка математической модели процесса нагрева металла в методической печи с учётом термонапряжённого состояния, процессов окалинообразования и конструктивных особенностей печного агрегата; проведение экспериментальных исследований распределения температур по высоте рабочего пространства печи со сводовым отоплением; проведение исследований формирования температурного поля сляба в процессе нагрева с учётом конструктивных и режимных параметров работы нагревательных печей; постановка и решение задачи оптимизации режимов нагрева слябов; исследование распределения тепловой мощности по зонам нагревательной печи; обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: Третьей Всероссийской школе-семинаре молодых учёных и специалистов «Энергосбережение - теория и практика» (Москва, 2006г.); научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2006г.); региональной научно-практической конференции «Молодые учёные - науке и производству» (Старый Оскол, 2007г.); II международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2007г.); научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2007г.); IV международной научно-практической конференции «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (Москва, 2008г.); научно-практической конференции «Теория и практика производства листового проката» (Липецк, 2008г.); пятой международной научно-практической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2008г.); шестой международной научно-практической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2009г.); седьмой международной научно-практической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (Липецк, 2010г.).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах в журналах и сборниках научных работ, из них 2 статьи в изданиях, реко-
мендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 208 наименований. Общий объем работы - 210 страницы. Основная часть изложена на 187 страницах текста, содержит 93 рисунка, 29 таблиц.
Похожие диссертации на Исследование и оптимизация технологии нагрева непрерывнолитых слябов в методических печах
