Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров охлаждения металла и поверхности шлака при внепечной обработке стали Мащенко, Марина Александровна

Введение к работе

Актуальность темы.

Металлургическая отрасль России, обладая мощным производственным потенциалом, относится к наиболее энергоемким отраслям промышленности. Непременным условием роста эффективности работы отрасли является снижения энергоемкости металлургических процессов.

Одним из энергоемких производств черной металлургии является конвертерное производство. В современном конвертерном производстве основным способом доведения металла по химическому составу и температуре до заданных значений является внепечная обработка стали. При внепечной обработке стали часть технологических операций ранее проводимых в сталеплавильном агрегате в настоящее время проводятся в сталеразливочных ковшах. С развитием внепечной обработки сталеразливочный ковш (далее ковш) превратился в металлургический агрегат, в котором проводятся продувка инертным газом, обработка порошками, вакуумом и др. Длительность пребывания металла в ковше увеличилась в несколько раз, что привело к возрастанию тепловых потерь от металла, в частности, при продувке металла инертным газом, а также при транспортировке ковша с металлом, при этом температура стали в ковше снижается, поэтому для обеспечения необходимой температуры на следующей технологической операции необходимо подогревать металл, что приводит к увеличению средней продолжительности процесса, а также к возрастанию расхода энергии на производство стали. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов оценки параметров охлаждения металла в ковше.

Благодаря работам большого круга ученых, достигнуты значительные успехи в области исследования и разработки методов оценки параметров тепловых процессов при охлаждении металла во время технологических процессов внепечной обработки стали. Наибольший вклад внесли работы Кудрина В.А., Генкина В.Я., Попандопуло И.К., Лившица Д.А., Бейцуна С.В., Бакакина А.В., Шкляра Ф.Р., Краснянского М.В., Кнюппеля Г., Fuju T., Lee J.-K., Kohler E. и др. Разработанные методы позволяют рассчитать снижение температуры металла в ковше и тепловые потоки через футеровку и решить отдельные задачи технологии и выбора футеровки ковша. В этих методах оценки не учитываются: перемешивание металла и шлака при продувке нейтральным газом, теплопередача от шлака к окружающей среде, затвердевание шлака с учетом его толщины; не рассматриваются вопросы энергосбережения.

В связи с этим разработка системы оценки параметров охлаждения металла в ковше при внепечной обработке стали, в том числе разработка метода и алгоритмов обработки информации с целью снижения энергозатрат на производство металла является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы: повышение точности оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше при внепечной обработке стали для снижения энергетических затрат на основе создания метода и алгоритмов обработки информации.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ методов, моделей и алгоритмов исследования тепловых процессов при внепечной обработке стали;

2. Разработка математического обеспечения метода оценки снижения температуры металла во время технологических процессов в сталеразливочном ковше;

3. Разработка системы алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше;

4. Экспериментальные исследования работоспособности и эффективности предложенных метода и алгоритмов в системе оценки параметров охлаждения металла.

Методы исследования: для решения поставленных в работе задач использовались теоретические положения металлургической теплотехники; метод математического моделирования; численные методы; разделы теории систем и системного анализа; методы статистической обработки информации; методы теории построения алгоритмов и программ.

Объект исследования: система оценки параметров охлаждения металла в сталеразливочном ковше.

Предмет исследования: математические модели, методы и алгоритмы обработки информации в системе оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту:

4. 1. Математическая модель тепловых процессов в сталеразливочном ковше, отличающаяся от известных учетом гидродинамических процессов в шлаке и металле, процесса затвердевания шлака, теплообмена между шлаком и крышкой ковша, размеров ковша.

   2. Метод оценки параметров охлаждения металла при внепечной обработке стали, учитывающий теплопередачу через шлак, перемешивание металла и шлака при продувке нейтральным газом, возможность кристаллизации шлака при его затвердевании, применение крышки для накрывания сталеразливочного ковша и позволяющий повысить точность определения температуры металла.

   3. Система алгоритмов для оценки параметров охлаждения металла в ковше, включающая следующие алгоритмы:

   расчета температуры металла в ковше;

   оценки потерь тепла металла в зависимости от диаметра верха ковша;

   расчета температуры шлака в ковше;

   учета затвердевания шлака и гидродинамических процессов при термоконвекции и продувке аргоном металла;

   комплексной оценки параметров охлаждения металла в ковше.

   Практическая ценность. Разработанная математическая модель может

   быть использована для исследования закономерностей тепловых процессов в ковшах; при оптимизации технологических процессов внепечной обработки стали; при совершенствовании конструкции футеровки и ковша с целью сокращения тепловых потерь металлом. Предложена конструкция ковша, позволяющая сократить потери тепла металлом через шлак на 17%. С учетом доли теплоты теряемой через шлак (70%), в общих потерях тепла от металла можно получить сокращение потерь тепла металлом на 12%. Ожидаемое сокращение энергозатрат при применении крышки для накрывания сталеразливочного ковша с металлом во время транспортировки составит 45 ГВтч в год

   Обоснованность и достоверность основных положений диссертации подтверждена сопоставлением результатов моделирования с экспериментальными данными, полученными в производственных условиях, в том числе, результатами исследований других авторов.

   Реализация результатов работы. Работа выполнялась в ФГБОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» в рамках государственного задания

   Министерства образования и науки Российской Федерации в 2012 году («Исследование тепловых процессов при внепечной обработке стали в ковше с целью энергосбережения»), а также при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.0075 «Компьютерное моделирование процессов формирования, равновесных свойств и подвижности в частично упорядоченных наноструктурах: слоях и пленочных покрытиях».

   Результаты работы переданы для использования в ОАО «Северсталь», а также используются в учебном процессе на кафедре Металлургии, машиностроения и технологического оборудования ФГБОУ ВПО ЧГУ по дисциплинам «Внепечная обработка стали», «Моделирование технических объектов».

   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 информации; п.5. Разработка специального математического и алгоритмического обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации).

   Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 4-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах (ИНФОТЕХ-2004)» (Череповец, 2005), на 3-й международной научно- технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007), на 4-й международной научно- технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008), на международной научно- технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго- и ресурсосбережения в металлургии» (Екатеринбург, 2010), на 9-ой межвузовской заочной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов (Череповец, 2010). Результаты работы обсуждены на Всероссийском научном семинаре «Научно-технический прогресс в металлургии», прошедший в рамках научно-практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2010» (Череповец, 2010); на международной научно-практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии» (Екатеринбург, 2012).

   Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т.ч. 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

   Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, приложений. Работа содержит 124 страницы машинописного текста, 95 рисунков, 30 таблиц, список использованной литературы состоит из 102 наименований.

   Похожие диссертации на Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров охлаждения металла и поверхности шлака при внепечной обработке стали

   Метод и алгоритмы обработки информации для оценки механических характеристик холоднокатаных углеродистых сталейСарычева, Ирина Анатольевна

   Метод и алгоритмы обработки информации для оценки параметров теплового состояния слябов на линии "МНЛЗ-холодный склад"Грибкова, Юлия Владимировна

   

   Метод и алгоритмы оценки качества передачи и обработки информации в каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспортаКашин Дмитрий Игоревич

   

   Разработка методов и алгоритмов оценки качества, экономического анализа и обработки экспертной информации для больших систем в условиях неопределенности (На примере построения рейтинга инновационно-ориентированных регионов РФ) Веселов Николай Витальевич

   

   Алгоритмы и методы обработки информации в системах контроля качества процессов крашенияГайнуллин Марат Фаритович

   Метод и алгоритмы обработки информации с гиперспектрометров при дешифровке наземных объектовПотапов, Владимир Николаевич

   Метод и алгоритмы обработки информации в моноимпульсной системе мониторинга источников радиоизлученияФилиппов, Роман Николаевич

   

   Метод и алгоритмы обработки информации в системах прогнозирования сложных процессов металлургического производстваХисамутдинов Станислав Николаевич

   

   Методы и алгоритмы обработки информации для оперативного управления в сложных системахМакаров Кирилл Владимирович

   Методы и алгоритмы обработки информации на основе математического аппарата весового пространства Соболева, повышающие эффективность функционирования цифровых системБузыканов, Сергей Николаевич