Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Актуальность темы
- 2. Цель и задачи исследования
- 3. Обзор существующих исследований и разработок
- 4. Общие сведения о процессе непрерывной разливки стали
- Выводы
- Список источников
Введение
Разливка стали в сталеплавильном производстве играет существенную роль, т.к. именно она во многом определяет качество готовой металлопродукции. Значительным достижением в металлургии стало промышленное применение машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Непрерывная разливка металла обеспечивает высокую степень однородности заготовок, увеличивает выход годного проката в среднем на 7-10%, обеспечивает полную механизацию и комплексную автоматизацию процесса, сокращенный цикл металлургического производства, улучшает условия труда, исключает опасные операции, позволяет совмещать сталеразливочный и прокатный процесс.
Стабильность и производительность процесса непрерывного литья, а также качество получаемых слитков во многом определяются характером теплообменных процессов. Температура разливаемой стали оказывает значительное влияние на качество слитка. В отличие от классической технологии разлива стали в формы, нарушение температурного режима при непрерывной разливке часто является причиной полной потери плавки или массового брака в слитках, а иногда и серьезных аварий на установке. Поэтому требования к температурному режиму при непрерывной разливке должны быть достаточно жесткими.
Однако тепловые процессы в литье стали на каждом этапе весьма сложны и не поддаются аналитическому решению из-за большого числа переменных, влияющих на величину перепада температуры. Экспериментальный метод в решении таких задач требует колоссальных денежных затрат, сложнейшего оборудования, решения вопросов моделирования реальных условий. Современное развитие численных методов и производительности компьютеров делает наиболее привлекательным численный подход в решении тепловых задач для непрерывной разливки.
1. Актуальность темы
При анализе больших объемов данных часто возникает необходимость их визуализации. Графическое представление информации (в виде графиков, диаграмм, визуальных моделей) значительно упрощает её восприятие и понимание моделируемых процессов.
К настоящему времени разработан ряд программных продуктов, позволяющих моделировать динамику тепловых процессов в машинах непрерывной разливки стали. Несмотря на это, часто возникает необходимость в разработке нового программного обеспечения, обусловленная невозможностью модернизации существующих программ, непригодностью реализованных алгоритмов, и т.д. Большинство существующих систем позволяет моделировать процессы затвердевания слитка в двумерном виде, не учитывая тепловые потоки, направленные перпендикулярно узкой грани слитка. Также до сих пор ведутся работы над совершенствованием математической модели процессов кристаллизации металла. Таким образом, проблема математического и графического моделирования процесса затвердевания слитка в сталеплавильном производстве остаются актуальными.
Магистерская работа посвящена задаче разработки алгоритма построения трехмерной модели затвердевания непрерывного слитка в режиме реального времени.
2. Цель и задачи исследования
Объект исследования: кристаллизация непрерывного слитка в МНЛЗ.
Предмет исследования: методы расчета и визуализации теплового поля непрерывнолитой заготовки.
Целью выпускной работы магистра является разработка алгоритма системы, позволяющей строить трехмерные модели процессов теплообмена и кристаллизации в слитке при непрерывной разливке стали.
Основные задачи исследования:
- Исследование процесса непрерывной разливки в МНЛЗ.
- Выбор наиболее подходящей математической модели.
- Разработка эффективного алгоритма построения трехмерной модели затвердевания слитка.
- Программная реализация разработанных алгоритмов.
3. Обзор cуществующих исследований и разработок
Вопросами, посвященными процессу непрерывной разливки стали, активно занимаются ученые разных стран мира, в первую очередь США, России, Германии и Японии. Современные исследования направлены преимущественно на повышение качества заготовок, совершенствование технологического процесса, увеличение производительности МНЛЗ путем повышения скорости разливки, разработку автоматизированных систем контроля и управления процессами.
Впервые идея непрерывной разливки металла была выдвинута в 1856 году англичанином Генри Бессемером, который предложил идею разливки металла между двумя водоохлаждаемыми валками. В Японии и СССР освоение МНЛЗ началось в 1955 г. Бурное распространение и широкое внедрение технологий непрерывной разливки происходило с начала 1960-х годов в странах Западной Европы, СССР, Японии и США.
В настоящее время исследованию и моделированию процессов затвердевания металла в МНЛЗ посвящено большое количество работ Консорциума по непрерывной разливке (Continuous Casting Consortium, CCC) во главе с профессором Иллинойского университета Брайаном Томасом (Brian G. Thomas). Основной состав исследовательской группы сформирован профессорами и выпускниками Иллинойского университета и Пхоханского университета науки и технологии (Республика Корея).
На территории Украины исследованию непрерывной разливки и кристаллизации металла посвящены труды сотрудников Института Прикладной Математики и Механики (ИПММ) Ивановой А.А. [10], Ткаченко В.Н., профессоров ДонНТУ Смирнова А.Н. [7], Дюдкина Д.А. [1] и других. В этих работах подробно описан процесс непрерывной разливки, устройство МНЛЗ, представлены существующие математические модели, описывающие процессы теплопереноса и кристаллизации, ведутся работы по разработке и совершенствованию этих моделей.
4. Общие сведения о процессе непрерывной разливки стали
Машины непрерывной разливки стали представляют собой системы, обеспечивающие получение из жидкой стали готовой заготовки. При использовании МНЛЗ сталь из сталеразливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из него в кристаллизатор. В кристаллизаторе образуется оболочка, заполненная жидкой сталью по форме и сечению, отвечающему готовой заготовке. Частично затвердевшая заготовка с помощью транспортирующей системы – тянущей клети поступает в зону вторичного охлаждения, где происходит полное затвердевание заготовок. Затвердевший слиток режется на мерные длины и готовые заготовки с помощью транспортных средств направляются в прокатный цех или на склад.
К основным функциональным элементам МНЛЗ можно отнести:
- сталеразливочный ковш – обеспечивает транспортировку стали от сталеплавильного агрегата к МНЛЗ, доводку стали по химическому составу и температуре и перелив в промежуточный ковш;
- промежуточный ковш (промковш) – обеспечивает поступление металла в кристаллизатор с определенным расходом хорошо организованной струей, позволяет разливать сталь в несколько кристаллизаторов одновременно и осуществлять серийную разливку при смене сталеразливочных ковшей без прекращения и снижения скорости разливки;
- кристаллизатор – предназначен для приема жидкого металла, формирования слитка заданного сечения и первичного его охлаждения (выполняется из меди и охлаждается в процессе разливки водой);
- зона вторичного охлаждения – позволяет создать оптимальные условия для полного затвердевания непрерывно отливаемого слитка, обеспечивающие равномерное охлаждение заготовки (распыления воды форсунками, поддержание ее геометрической формы роликами) и требуемое качество металла;
- тянуще-правильная машина (ТПМ) – предназначена для вытягивания литой заготовки из кристаллизатора, выпрямления ее на радиальных и криволинейных устройствах и подачи к механизму для резки; ТПМ обеспечивает подачу затравки в кристаллизатор, удержание ее в кристаллизаторе на время уплотнения зазоров, вытягивание с непрерывнолитой заготовкой из кристаллизатора, отделение головки затравки от заготовки и т.п.;
- механизм для резки заготовок – обеспечивает разделение непрерывнолитого металла на мерные длины;
- затравка – предназначена для образования временного «дна» в кристаллизаторе перед началом разливки и последующего вытягивания со сцепленной заготовкой ТПМ.
Общая схема непрерывной разливки представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема непрерывной разливки в МНЛЗ
(анимация: 6 кадров, 4 цикла повторения, 33,5 килобайт)
Формирование непрерывного слитка при затвердевании является сложным физико-химическим процессом, объединяющим целый ряд более простых тесно связанных между собой физических процессов и явлений, а также химических превращений. Процессы теплопереноса включают в себя тепловое взаимодействие поверхности слитка с внешней средой, осуществляющееся посредством теплопроводности, излучения и конвекции, теплоперенос внутри слитка путем конвекции и диффузии тепла, а также выделение и поглощение скрытой теплоты кристаллизации и тепловые эффекты фазовых превращений в твердой части затвердевающего слитка.
Создание адекватной математической модели, охватывающей всю совокупность явлений, составляющих процесс формирования непрерывного слитка, весьма затруднительно. Поэтому наиболее разумным с точки зрения качественного и количественного изучения затвердевания слитка и использования полученных результатов в технологических целях является выделение из этого множества процессов и явлений одного или нескольких, играющих наиболее важную роль.
Поскольку движущей силой затвердевания непрерывного слитка является отвод тепла с его боковых поверхностей, определяющими с точки зрения причинно-следственной связи явлений будут процессы теплообмена между поверхностью слитка и окружающей средой, а также теплоперенос внутри слитка с учетом скрытой теплоты фазовых превращений. Результатом исследования процесса затвердевания с таких позиций является температурное поле слитка и закономерности его изменения со временем при изменении внешних условий. Изучение этих закономерностей дает достаточно полное представление об особенностях формирования непрерывного слитка и позволяет выработать некоторые рекомендации для создания технологии литья, обеспечивающей высокое качество литого металла.
Выводы
В работе были решены следующие задачи:
- рассмотрен процесс непрерывной разливки стали в МНЛЗ;
- проанализирована математическая модель процесса затвердевания слитка при непрерывной разливке;
- рассмотрены существующие виды программного обеспечения, реализующие моделирование температурных полей в МНЛЗ;
- сделан выбор средств реализации проектируемого программного обеспечения;
- спроектирована трехмерная графическая модель температурного поля слитка в процессе непрерывной разливки.
В дальнейшем результаты выполненной работы будут использованы для разработки программного продукта, в котором планируется реализовать расчет и построение трехмерной модели температурного поля слитка в машине непрерывной разливки, опираясь на данные о теплофизических параметрах разливаемой стали, технических характеристиках МНЛЗ, скорости вытягивания и режиме охлаждения.
Примечание: При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Список источников
- Дюдкин Д.А. Производство стали. Том 4. Непрерывная разливка металла / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко, А.Н. Смирнов. – М. : Теплотехник, 2009. – 528 с.
- Буланов Л.В. Машины непрерывного литья заготовок / Л.В. Буланов, Е.П. Парфенов, Н.А. Юровский, В.Ю. Авдонин. – Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы, 2003. – 320 с.
- Соболев В.В. Теплофизика затвердевания металла при непрерывном литье / В.В. Соболев, П.М. Трефилов. – М. : Металлургия, 1988. – 160 с.
- Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен / Д. Андерсон, Дж. Танненхилл, Р. Плетчер. – М. : Мир, 1990. – 384 с.
- Скворцов А.А. Теплопередача и затвердевание стали в установках непрерывной разливки / А.А. Скворцов, А.Д. Акименко. – М. : Металлургия, 1966. – 191 с.
- Григорьев В.П. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства / В.П. Григорьев, Ю.М. Нечкин, А.В. Егоров, Л.Е. Никольский. – М. : МИСИС, 1995. – 512 с.
- Смирнов А.Н., Куберский С.В., Штепан Е.В. Непрерывная разливка стали [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://uas.su/books/mnlz/mnlz.php
- Авдонин Н.А. Математическое описание процессов кристаллизации / Авдонин Н.А. – Рига : Зинатне, 1980. – 180 с.
- Цаплин А.И. Теплофизика в металлургии: учебное пособие / Цаплин А.И. – Пермь : ПГТУ, 2008. – 230 с.
- Иванова А.А. Исследование температурных градиентов непрерывного слитка / Иванова А.А. // Труды ИПММ НАН Украины. – Донецк : ИПММ, 2008. – С. 93-102
- Валуев Д.В. Технологический процесс разливки стали / Валуев Д.В. – Томск, ЮТИ ТПУ, 2011. – 256 с.
- Рутес В.С. Теория непрерывной разливки / В.С. Рутес, В.И. Аскольдов, В.П. Евтеев, В.Я. Генкин, М.Г. Чигринов, А.И. Манохин. – М. : Металлургия, 1971. – 296 с.
- Бровман М.Я. Непрерывная разливка металлов / Бровман М.Я. – М. : Экомет, 2007. – 484 с.
- Огурцов А.П. Непрерывное литье стали / А.П. Огурцов, А.В. Гресс. – Днепропетровск : Системные технологии, 2002. – 675 с.
- Мастрюков Б.С. Теплофизика металлургических процессов / Мастрюков Б.С. – М. : МИСИС, 1996. – 268 с.