Агрегат комплексной обработки стали (АКОС), оборудованный специальными устройствами для проведения нагрева металла до заданной температуры и обработки его различными порошкообразными материалами, предназначен для рафинирования стали от нежелательных элементов, а также для ее легирования.
Применение АКОС в сталеплавильном цехе дает возможность перенести процесс доводки металла из печи в сталеразливочный ковш. Это позволяет сократить время выплавки стали, уменьшить температуру металла, выпускаемого из печи, вследствие чего поднимается производительность технологической линии, сокращаются затраты электроэнергии, уменьшается расход легирующих и шлакообразующих материалов, а также повышается качество выпускаемой продукции.
Обеспечение заданной температуры металла по ходу внепечной обработки, и особенно в ее конце, при передаче ковша на машину непрерывного литья заготовок, является одной из важнейших задач управления процессом в АКОС. Непрерывный расчет температуры необходим, во-первых, для ведения оптимального режима нагрева или охлаждения металла; во-вторых, служит источником необходимой информации для обслуживающего персонала для принятия решения о дальнейшей обработке.
Расчет энергетического баланса агрегата комплексной обработки стали показал, что основными статьями баланса, относящимися к энергетическим потерям, являются потери с отходящими газами (13%), с охлаждающей водой (9.5%), потери тепла теплопроводностью через футеровку (3.5%), электрические потери (18%). На нагрев металла при этом используется около 51% тепла.
На основании полученных результатов разработана математическая модель и алгоритм для расчета температуры металла в АКОС (рис. 1).
Рис. 1. Алгоритм расчета температуры металла
При разработке математической модели были приняты следующие допущения:
– форма ковша принята цилиндрической;
– электрическая дуга имеет цилиндрическую форму, расстояние от дуги до произвольной поверхности, участвующей в теплообмене, значительно превышает размеры дуги, поэтому ее тепловое излучение происходит из точки, лежащей на оси цилиндра посредине его высоты и являющейся центром теплового излучения цилиндра;
– теплоотдача с боковой поверхности дуги осуществляется только излучением;
– с учетом интенсивного перемешивания расплава аргоном принято, что металл характеризуется одной средней температурой и может рассматриваться как нагрев сосредоточенного тела;
– распределение электрической мощности по фазам симметричное.
Необходимые исходные данные для расчета теплового состояния АКОС делятся на зависящие и не зависящие от характера плавки. Не зависящие от характера плавки исходные данные охватывают геометрические параметры агрегата (высота и радиус ковша, толщина и теплофизические характеристики отдельных слоев футеровки, диаметр водоохлаждаемой крышки, расход воды на охлаждение свода, температура воды на входе в охлаждающую систему) и характеристики добавляемых по ходу обработки материалов. Зависящие от характера плавки данные – данные о мгновенном ходе процесса обработки в АКОС, которые автоматически передаются на ЭВМ цеха: температура отходящих газов, температура охлаждающей воды на выходе из охлаждающей системы, параметры электрического режима и другие.
Начальная температура металла определяется с использованием данных последнего замера термопарой, который производится на установке вакуумирования. После производится непрерывный расчет на ЭВМ текущей температуры металла с использованием основных статей энергетического баланса по формуле:
где Ракт, Рфут, Рг, Рв, Рлег, Рэ.п, – активная мощность, мощность тепловых потоков с отходящими газами, через футеровку теплопроводностью, с охлаждающей водой, на нагрев и расплавление легирующих и шлакообразующих, мощность электрических потерь, соответственно;
сме – теплоемкость, зависящая от марки стали;
Mме – масса металла в ковше.
В случае измерения температуры стали с помощью термопары, измеренное значение берется в качестве начального в последующих расчетах. Конечным результатом расчета является необходимая температура перед подачей ковша на машину непрерывного литья заготовок.
Оценка адекватности модели проводилась с использованием заводских данных путем сравнения температуры металла, рассчитанной с применением вышеизложенной математической модели и фактически определяемой температуры в тот же момент времени с помощью термопары. Установлено, что стандартное отклонение расчетной температуры металла по разработанной модели от измеренной с помощью термопары по результатам 30 плавок составляет: s = 4,7 °С, что является достаточным для процессов обработки металла в агрегате комплексной обработки стали.
В связи с тем, что предлагаемая модель позволяет с достаточной точностью контролировать температуру металла, можно сократить количество замеров термопарой. В результате чего произойдет экономия на термопарах и уменьшение времени обработки в АКОС.
Результаты моделирования основных параметров теплового состояния АКОС показали, что данная модель позволяет контролировать не только температуру металла, но и такие параметры, как скорость нагрева металла, изменение теплосодержания металла, перегрев над линией ликвидус, теплоусвоение металла и энергетический КПД по ходу внепечной обработки с учетом таких технологических факторов, как расход аргона на продувку, толщина шлака и количество присадок.
Математическая модель теплового состояния АКОС является основой подсистемы оценки температуры металла, которая может быть использована для обеспечения эффективного управления тепловыми и технологическими процессами внепечной обработки стали с подогревом ее трехфазными дугами переменного тока.
Для технической реализация подсистемы оценки температуры металла предлагается использовать измеряющий преобразователь PQ300 для измерения и деления активной и реактивной мощности в трех проводных системах. Он непосредственно связан с линией трансформатор – электроды. PQ300 измеряет мощность потребляемую электродами и выдает сигнал в миллиамперах пропорционально потребляемой мощности. К выходу PQ300 подключается модуль аналогового ввода I-7017, которым можно дистанционно управлять при помощи набора команд. Он преобразует токовый сигнал в цифровой код. Для сопряжения модуля I-7017 с ЭВМ предлагается использовать модуль I-7520, который осуществляет преобразование интерфейса RS-485 в RS-232, который находится в ЭВМ.
Для сохранения результатов расчета и измерения температуры металла была разработана информационная система. Эта система осуществляет формирование и архивирование данных по каждой плавке, что позволяет производить анализ технологического процесса. Структура базы данных представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структура базы данных
Таким образом автоматизация процедуры оценки температуры металла в агрегате комплексной обработки стали позволяет в целом совершенствовать технологический режим производства и уменьшить материальные затраты на процесс внепечной обработки стали.
Смотрите также: