Введение к работе
Актуальность проблемы. Идея объединения в одном технологическом модуле процессов непрерывной разливки и прокатки сравнительно быстро получила широкое признание как одно из перспективных направлений научно-технического прогресса, одно из экономически эффективных средств структурной перестройки мировой чёрной металлургии. Многие специалисты сравнивают литейно-прокатные модули (ЛПМ) по масштабам своего воздействия на дальнейшее развитие металлургии с кислородно-конверторным процессом и непрерывной разливкой стали, существенно повысившими производительность и не менее существенно снизившими издержки производства. В условиях открытой экономики степень удовлетворения именно этим двум требованиям определяет эффективность производства в условиях острой конкурентной борьбы. Неоспоримым свидетельством высокой экономической эффективности производств, основанных на различных концепциях и модификациях литейно-прокатных модулей, является их интенсивное промышленное освоение и строительство на их основе ми-пизаводов в различных странах.
К настоящему времени предложено несколько схем литейно-прокатных модулей, основанных на различных концепциях (CSP, ISP и др.). Значительные преимущества минизаводов, основанных на технологии "тонкий сляб - плоский прокат", достаточно убедительно продемонстрированы фирмами Ныокор, Маннесман-Демаг, Шлёман-Зимаг.
Реализуемость тех или иных технических решений и концепций в конкретных производственных условиях во многом определяется изменением термомеханического состояния металла на всем цикле обработки от. разливки до транспортировки полосы после прокатки, которое определяет
4 важнейшие характеристики процесса (скорость разливки, поврежденность слябов и др.)
В литературе до последнего времени отсутствовал комплекс математических моделей, описывающих изменение термомеханического состояния металла на всех этапах сквозной технологии "разливка - прокатка" и обеспечивающих возможность оценки реализуемости различных технических решений и сравнения их по ряду критериев эффективности с целью поиска оптимальных решений для каждой стадии сквозной технологии, а также оценки эффективности решений для ЛПМ как единого целого.
В связи с этим актуальной становится проблема разработки методик расчета технологических и конструктивных параметров с учетом технико-экономических характеристик совмещенных литейно-прокатных модулей.
Целью работы является изучение . закономерностей литейно-прокатных процессов и построение на этой основе математических моделей и алгоритмов расчета оптимальных характеристик совмещенных процессов как единого технологического комплекса.
Анализ существующих проблем литейно-прокатных процессов позволил сформулировать основные задачи исследования:
осуществить математическое описание состояний металла и основных элементов оборудования на протяжении всей технологической линии ЛПМ с позиций теплообмена, термомеханики сплошной среды и механики твердого тела;
разработать на основе полученных математических соотношений систему ограничений на теплофизические и термомеханические характеристики металла и технические параметры оборудования на всех этапах технологической линии ЛПМ;
сформулировать критерии оптимальности, отражающие технические, технологические и экономические аспекты производства;
разработать алгоритм определения оптимальной структуры технологической линии ЛПМ и оптимальных значений параметров управления.
Научная новизна работы:
построена математическая модель оптимизации ЛПМ как единого комплекса, который декомпозирован на шесть подсистем, отвечающих последовательным этапам сквозной технологии: первичное охлаждение, вторичное охлаждение, совмещение процессов разливки и прокатки, прокатка, транспортировка, смотка и складирование полосы;
обоснованы и сформулированы строго ранжированные оценки эффективности работы первичной зоны ЛПМ, обеспечивающие наименьшее рассогласование линейной и/или массовой скорости разливки и скорости прокатки;
сформулирована задача и разработана методика оптимизации формы поверхности кристаллизатора переменного сечения, обеспечивающей минимальную поврежденпость оболочки слитка;
разработаны математические модели теплового и напряженно-деформированного состояния металла с оценкой поврежденности оболочки слитка в зоне кристаллизатора;
разработана методика определения множества допустимых функций, описывающих внутреннюю поверхность кристаллизатора переменного сечения;
выявлены закономерности влияния геометрических характеристик поверхности кристаллизатора переменного сечения на напряженно-деформированное состояние оболочки и установлено, что наиболее эффективным является кристаллизатор с выпуклой в плоскости выхода широкой
6 гранью оболочки без калибрующего участка или с калибрующим участком минимальной длины;
разработаны математические модели, описывающие особенности гидродинамики затопленной струи, и алгоритм оптимизации формы погружного стакана, обеспечивающей минимизацию пристенной волны и эффективное распределение потоков металла в первичной зоне кристаллизатора;
разработаны математическая модель и методика определения оптимального режима охлаждения в зоне вторичного охлаждения;
изучены закономерности влияния степени обжатия слитка в твердожид-ком состоянии на напряжения, деформации и поврежденность оболочки слитка;
разработана математическая модель поиска оптимальных характеристик зоны совмещения процессов разливки и прокатки;
разработаны модель и методика расчета температурного поля неплотно смотанных рулонов;
В работе использованы методы теории пластичности, теории разрушения, гидромеханики, теплообмена, а также исследования операций и вычислительной математики.
Практическая ценность работы:
разработанный комплекс математических моделей, алгоритмов и программных средств может быть использован для поиска оптимальных решений на каждой стадии сквозной технологии и оценки эффективности технических решений для ЛПМ как единого целого;
построены зависимости и номограммы для определения оптимальных значений скорости разливки и металлургической длины участка разливки ЛПМ для различных толщин непрерывнолитых слитков и марок сталей;
установлено, что наиболее эффективным является кристаллизатор, обеспечивающий получение непрерывных слитков с выпуклыми широкой и узкой гранями; даны рекомендации по геометрическим характеристикам таких кристаллизаторов;
определена область рационального использования кристаллизаторов переменного сечения;
на основе решений задач динамики затопленной струи разработаны рекомендации по подводу металла в кристаллизатор ЛПМ;
для производства 800 тыс.т/год электротехнических сталей заданного сортамента в условиях НЛМК определены оптимальные характеристики : тон-кослябового ЛПМ с непрерывной прокатной группой, тонкослябового ЛПМ со станом Стеккеля, средпеслябового ЛПМ со станом Стеккеля и проведена оценка эффективности вариантов по различным критериям оптимальности.
Апробация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в двух монографиях и четырех статьях, доложено на НТС ' АО "Магнитогорский металлургический комбинат" и АО "Новолипецкий металлургический комбинат", научно-технических семинарах МИСиС, МГМА, ЛГТУ.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, восемь глав, общие выводы и 3 приложения, изложенных на 420 стр. текста, а также 93 рисунка и список литературы из 217 наименований.