Металлургическая теплотехника и теплоэнергетика. Рубрика в журнале - Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия
Об экспоненциальной модели нагрева слябов в методических печах
Статья научная
Введение. В условиях повышения требований к качеству нагрева металла перед прокаткой задача создания и совершенствования алгоритмического обеспечения автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) методических печей является вполне актуальной. Цель исследования: рассмотреть задачу физической обусловленности и параметрической настройки так называемой экспоненциальной модели, часто применяемой для описания нагрева слябов в методических печах прокатного производства. Выясняется вопрос о том, насколько экспоненциальная модель соответствует физике процесса нагрева, какая точность описания при этом может быть достигнута. Материалы и методы. Производится сравнение как структур моделей - физической модели на основе уравнения теплопроводности и экспоненциальной модели, так и результатов расчета среднемассовой температуры металла по этим моделям. Результаты. Показано, что экспоненциальная модель в точности соответствует физике процесса нагрева только для термически тонких тел. Получено дифференциальное уравнение для ошибки расчета среднемассовой температуры термически массивных тел. При этом анализируются три режима нагрева: при постоянной температуре рабочего пространства и при линейном и экспоненциальном росте этой температуры. Приведено решение уравнения для ошибки расчета при нагреве при постоянной температуре рабочего пространства. Установлено, что экспоненциальная модель удовлетворительно описывает процесс, как правило, только для режима нагрева при постоянной температуре рабочего пространства. Найдено рациональное значение настраиваемого параметра экспоненциальной модели. Указывается достаточно простая схема перехода от параметров модели, ядром которой является дифференциальное уравнение теплопроводности, к параметрам упрощенной экспоненциальной модели для среднемассовой температуры. Заключение. Результаты работы могут быть использованы при разработке и совершенствовании алгоритмического обеспечения АСУ ТП методических печей.
Бесплатно
Особенности работы вертикальной фурмы в прямоточном режиме
Статья научная
Для интенсификации процессов пирометаллургической переработки сырья тяжёлых цветных металлов широко используются автогенные режимы переработки, реализуемые в специальных пирометаллургических агрегатах. Одной из активно внедряемых в мире технологий плавки является процесс с использованием фурм типа TSL в печах Аусмелт и Айзасмелт. Фурмы TSL сохраняют свою стойкость за счёт обеспечения формирования слоя гарнисажа на теле фурмы при вдувании кислородовоздушной смеси (КВС) в расплав через вертикальную трубу особой конструкции. Практика реализации подобных процессов показала теоретическую и фактическую возможность использования дутья как с закручиванием (фурма TSL), так и без закручивания дутьевого потока. Подача природного газа в центральную часть воздушного дутья без закручивания оказывает влияние на общую крутку закрученных потоков при продувке расплава в печи. Существенные отклонения технологических параметров плавки от типового режима работы фурмы типа TSL возникают при организации прямоточного режима дутьевых смесей для всех спутных струй. С целью углубления анализа отличительных особенностей прямоточных и закрученных струй показаны основные параметры дутьевых смесей при истечении из фурмы и их взаимное влияние на характеристики факела. Для определения параметров вертикальной фурмы и её технологических особенностей предложена методика расчёта и оценки прямоточных струй для дутьевой смеси в условиях вертикального плавильного печного агрегата. При прямоточном истечении дутьевой смеси воздуха и кислорода для различных соотношений представлен математический аппарат с целью оценки диаметра дутьевой воронки и глубины её проникновения в расплав. Применительно к аппаратурному оформлению печей Аусмелт и Айзасмелт при оснащении их прямоточными фурмами показана модель формирования зон циркуляции расплава во внутреннем горне и их влияние на технологические параметры плавки.
Бесплатно
Система управления температурой муфельной электропечи с адаптивным регулятором температуры
Статья научная
Представлена модель адаптивной системы управления температурой муфельной электропечи сопротивления (ЭПС) типа МП-2УМ, реализованная в программной среде MATLAB. Основу модели системы составляет блок электропечи, разработанный с использованием данных, полученных в результате эксперимента, проведенного на действующей полупромышленной ЭПС типа МП2-УМ, а также с использованием линейных моделей объектов и дискретной активной идентификации. В модели реализованы ввод исходных данных процесса термообработки и обрабатываемого металла с использованием блока задания температурного режима печи, расчет температуры нагреваемого металла с использованием показаний эффективной температуры печи, определяемой термопарой и температурой пирометра, имитация графиков изменения температуры внутри камеры печи и график изменения коэффициента передачи настройки ПИД-регулятора, тем самым решаются задача оптимального управления тепловыми режимами электропечи по выбранным критериям и задача информационного обеспечения, позволяющая технологу более точно проводить процесс термообработки, предоставляя ему дополнительную информацию, недоступную для прямого измерения. Рассмотрена работа созданной модели системы на примере отжига прутка из сплава технического титана марки ВТ1-0, широко используемого при изготовлении различных изделий, соответствующего жестким требованиям эксплуатационных характеристик. Данная модель также может быть использована для обучения персонала предприятий промышленного металлургического комплекса с целью повышения их квалификации и уровня профессиональной подготовки, а также в учебном процессе для высших учебных заведений.
Бесплатно
Статья научная
Одним из основных элементов дуговых печей постоянного тока является подовый электрод, расположенный на оси подины и позволяющий подводить электрический ток к шихте или к жидкому металлу. Используются также конструкции печей, в которых для повышения эффективности перемешивания расплава в подине устанавливаются два подовых электрода, смещенных от ее оси. При своей работе подовые электроды охлаждаются водой. Одним из существенных недостатков дуговых печей постоянного тока является опасность взрыва при контакте расплавленного металла с водой при аварийной ситуации ухода металла через подину. В качестве альтернативы водяному охлаждению электрода стержневого типа предлагается принудительное охлаждение электрода с размещением на его медной части воздушного радиатора в виде оребренной поверхности. Рассмотрены варианты конструктивных исполнений, когда для охлаждения подового электрода используются кольцевые ребра, прямые ребра и ребра охлаждения в виде шипов. При этом поперечное сечение ребер может иметь различные профили: прямоугольный, трапециевидный, гиперболический, треугольный и т. п. Посредством компьютерного моделирования для каждого из исследуемых радиаторов получены распределение температуры по высоте ребра, тепловая мощность, отводимая ребром (или шипом), коэффициент эффективности ребра и его масса в зависимости от его геометрии. В результате анализа подтверждена принципиальная возможность изменения конструкции подового электрода стержневого типа путем перехода с водяного на воздушное охлаждение, прежде всего для дуговых печей постоянного тока емкостью до 10 т. В результате сравнения радиаторов воздушного охлаждения разных конструкций показано, что с точки зрения эффективности отвода тепла и материалоемкости, преимуществом обладают теплообменники, имеющие ребра охлаждения в виде шипов и кольцевых ребер.
Бесплатно
Термостатирование непрерывнолитого слитка в МНЛЗ для обеспечения прямой прокатки
Статья научная
Описывается математическое моделирование температурного поля непрерывнолитого слитка с зоной теплоизолирования в двумерном пространственном представлении для обеспечения прямой прокатки. В настоящее время режимы охлаждения и затвердевания непрерывнолитого слитка не обеспечивают равномерного распределения температур по его сечению, перепад между поверхностью и центром на выходе из машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) при различных скоростях вытягивания может составлять до 500 °С. Для сохранения теплоты расплава и обеспечения равномерного распределения температур по сечению слитка, в зоне воздушного охлаждения МНЛЗ предлагается использовать теплоизолирование вместо охлаждения на воздухе, что позволит уменьшить (или исключить) промежуточный нагрев слитка в нагревательных печах перед прокаткой. Описывается математическая модель охлаждения непрерывнолитого слитка с учетом выделения теплоты кристаллизации в двухфазной зоне и выравнивания температуры по его сечению. Численная реализация модели осуществлялась методом расщепления по координатам на языке программирования C++. Адекватность модели проверялась по сходимости расчетных и экспериментальных данных. Для оценки выравнивания температуры по его сечению в зоне теплоизолирования проводился численный эксперимент, в результате которого было получено температурное поле непрерывнолитого слитка по длине МНЛЗ при скоростях разливки 0,6-1,4 м/мин. Определена эффективность выравнивания температур по сечению слитка при применении зоны теплоизолирования в сравнении с охлаждением на воздухе. По результатам моделирования установлено, что теплосодержание слитка за счет использования теплоты жидкой фазы увеличивается на ~ 30 %, что позволяет применить прямую прокатку.
Бесплатно
Турбулентность и профиль распределения скоростей закрученных струй, их влияние на ванну печи
Статья научная
Наблюдения за работой печи «Аусмелт» при переработке различных сульфидных материалов в условиях выполнения производственной программы, а также теоретические обоснования на основании разработанных математических моделей позволили оценить влияние эффективной крутки на турбулизацию и пульсацию дутьевой струи фурмы TSL. Оценка пульсаций дутья, вызванных конструктивными особенностями фурмы, физикохимическими свойствами расплава, температурой процесса и возникновением вибрационного горения от сжигания природного газа, дала возможность, при прочих равных условиях, прогнозировать и контролировать глубину погружения фурмы в расплав, оценивать эффективную крутку и её изменение по ходу плавки. В соответствии с выполненными расчётами при увеличении глубины погружения фурмы частота пульсаций снижается и при уменьшении глубины погружения в расплав – увеличивается. При постоянной глубине погружения фурмы с ростом скорости истечения воздушной смеси (степени эффективной крутки) – частота колебаний (пульсаций) дутья растёт. Данные особенности закрученных струй позволяют управлять фурмой по регистрируемым звуковым параметрам, исходящим из печи, как инструментальными методами контроля, так и «на слух» оператора печи. Турбулизация закрученных потоков дутьевых струй предотвращает формирование в ванне печи застойных зон, улучшая массообмен и производительность оборудования за счёт вращения расплава. Исследования по дополнительному увеличению турбулизации за счёт крутки спутных струй в противоположных направлениях на действующей промышленной печи «Аусмелт» не позволили выявить видимого положительного влияния на плавку. Анализ работ в данной области исследований других авторов и их сравнение показал полную сопоставимость результатов и выводов между лабораторными испытаниями, теоретическими обобщениями и промышленными испытаниями.
Бесплатно
Управление отжигом стальных рулонов в колпаковых печах
Статья научная
Введение. Рассматривается актуальная проблема управления отжигом стальных рулонов в колпаковых печах. Цель исследования: совершенствование существующих систем управления и конкретизация способа оценки температуры экстремальной (самой холодной) точки садки на этапе выдержки.
Бесплатно
Управление температурным режимом нижних зон методических печей
Статья научная
Введение. Рассматривается задача обеспечения идентичности траекторий нагрева верхней и нижней половин сляба (симметричности нагрева сляба) при существенно различных численных значениях параметров внешнего теплообмена для его верхней и нижней поверхностей. Обуславливается это, в частности, неудовлетворительной тепловой изоляцией подовых труб. Цель исследования. Разработать алгоритм расчета, необходимого для симметричности соотношения уставок (заданий) регуляторам температуры рабочего пространства верхних и нижних нагревательных зон методических печей. Материалы и методы. Выполнен анализ и обобщение литературных данных по проблеме. Предложено математическое описание несимметричного нагрева, поставлена и решена задача оптимизации. Результаты. Варианты алгоритма предусматривают возможность описания внешнего и внутреннего теплообмена как в линеаризованной, так и в исходной нелинейной формах. Для случая представления процесса нагрева полностью линеаризованным уравнением теплопроводности с конвективной формой внешнего теплообмена искомый результат представляется аналитической формулой. Это, как известно, позволяет прослеживать влияние исходных параметров процесса на оптимальное соотношение уставок. Численным исследованием показано, что соблюдение вычисленного соотношения уставок обеспечивает при собственно несимметричном нагреве (неравенстве коэффициентов внешнего теплообмена) удовлетворительное совпадение траекторий среднемассовой температуры верхней и нижней половин сляба. Предложен также и упрощенный вариант решения рассматриваемой задачи, когда динамика среднемассовых температур верхней и нижней половин сляба изначально описывается обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка, полученным из уравнения теплопроводности посредством интегрального усреднения температуры по толщине сляба. Упрощенный вариант также обеспечивает, как правило, практически приемлемую близость траекторий нагрева верхней и нижней половин сляба и отличается еще большей «прозрачностью» относительно того, как исходные данные влияют на искомый результат. Заключение. Использование оптимального соотношения уставок позволяет, например, при решении задач оптимального управления процессом в два раза уменьшить размерность искомого вектора управления, что весьма существенно при разработке алгоритмического обеспечения АСУ ТП нагревательных печей.
Бесплатно
Статья научная
Используемые в дуговых печах графитированные электроды являются расходуемым материалом. В себестоимости произведенных отливок готовой продукции в литейном производстве стоимость графитированных электродов составляет существенную часть затрат, поэтому снижение их удельного расхода является актуальной задачей. Проведен анализ причин, определяющих удельный расход графитированных электродов, и существующих способов снижения удельного угара графитированных электродов, среди рассмотренных способов установлено, что наиболее перспективным направлением является применение водяного испарительного охлаждения. Целью работы является теоретический анализ эффективности испарительного охлаждения водой боковой поверхности графитированных электродов в дуговых печах малой вместимости. Проведено компьютерное моделирование теплового состояния графитированного электрода на примере дуговой печи трехфазного переменного тока вместимостью 6 тонн. Установлено, что испарительное охлаждение графитированных электродов может быть рекомендовано для эксплуатации на действующих и проектируемых дуговых печах малой емкости. Определено, что применение водяного испарительного охлаждения в ДСП-6 снижает температуру графитированного электрода, прежде всего в его верхней части. Установлено, что существует оптимальный расход воды, соответствующий минимуму затрат на графитированные электроды и дополнительную электроэнергию. Использование испарительного охлаждения на дуговых печах малой емкости экономически более целесообразно при использовании графита более низкого качества в отношении его термической стойкости.
Бесплатно
