СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ СОРТОВЫХ МНЛЗ

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами

Надежная работа МНЛЗ и качество непрерывнолитых заготовок во многом определяются тепловыми параметрами работы МНЛЗ. Поэтому исследования и разработки, направленные на совершенствование теплотехнических параметров всех элементов МНЛЗ, являются актуальными. Значительная роль в обеспечении рациональных параметров действующих МНЛЗ отводится системам АСУ ТП, которые постоянно эволюционируют и в перспективе должны обладать функцией глубокого мониторинга и оперативного анализа всех параметров работы МНЛЗ.

Анализ публикаций по теме исследования

Общепризнанным является факт о прямой зависимости качества заготовок и стабильности процесса разливки от правильности протекания процессов, прежде всего тепловых, в кристаллизаторе МНЛЗ [1]. Сегодня, вероятно, все МНЛЗ снабжены контролем такой величины как перепад температуры охлаждающей воды в кристаллизаторе [1-3]. Она несет косвенную информацию о количестве тепла, переданного в кристаллизаторе, что в свою очередь характеризует теплообмен между корочкой заготовки и внутренней поверхностью кристаллизатора. Так увеличение перепада температур охлаждающей воды в кристаллизаторе говорит об увеличении количества тепла, отводимого от поверхности заготовки и наоборот [3]. Однако эта величина не позволяет напрямую сравнивать между собой работу кристаллизаторов, как различных МНЛЗ, так и одного и того же агрегата, но за различные периоды времени, так как отличия перепада температур могли быть вызваны некоторым изменением расходов первичной охлаждающей воды на кристаллизатор [4].

Постановка проблемы исследования

Целью данного исследования является разработка научных основ системы мониторинга теплотехнических параметров кристаллизаторов сортовых МНЛЗ, базирующейся на углубленной интерпретации сигналов стандартных датчиков системы АСУ ТП и позволяющей получать информацию, на основе которой возможны сравнение тепловой работы различных кристаллизаторов и уточнение их рациональных конструктивных и технологических параметров.

Изложение материала и результаты

В кристаллизаторе тепло от жидкой стали передается к охлаждающей воде через ряд последовательно включенных термических сопротивлений [5] (рис. 1). Для адекватного сравнения тепловой работы кристаллизаторов могут быть использованы величины, напрямую независящие от расхода первичной воды. В качестве таких величин целесообразно использовать среднюю плотность теплового потока с поверхности заготовки в кристаллизаторе ( ), среднее значение коэффициента теплопередачи в кристаллизаторе ( ), средний коэффициент теплоотдачи от корки заготовки к внутренней поверхности гильзы кристаллизатора ( ), эффективную толщину газового зазора (dэф). Методология определения этих величин рассмотрена ниже. Значение средней плотности теплового потока может быть определено из уравнения усредненного теплового баланса кристаллизатора:

, (1) где G – массовый расход воды через кристаллизатор, кг/с; c – теплоемкость воды, Дж/(кг×К) Dt – перепад температур охлаждающей воды в кристаллизаторе, °С; F – поверхность контакта заготовки и кристаллизатора, м2. С точки зрения закона теплопередачи средняя плотность теплового потока может быть выражена как

, (2) где ts – температура солидуса для разливаемой марки стали, °С; twav – средняя температура охлаждающей воды в кристаллизаторе, °С. Поскольку в качестве движущей силы теплопередачи в выражении (2) взята разница температур от солидуса до средней температуры охлаждающей воды, значение представляет собой «проводимость» тепловой цепи, включающей в себя термические сопротивления передаче тепла через твердую корку, через газовый зазор, через стенку гильзы кристаллизатора и от ее наружной поверхности к охлаждающей воде. Определив среднюю плотность теплового потока с поверхности заготовки в кристаллизаторе из уравнения теплового баланса (1), можем найти среднее значение коэффициента теплопередачи в кристаллизаторе: . Используя с некоторым допущением зависимости, справедливые для стационарного теплообмена, можно записать зависимость среднего коэффициента теплопередачи в кристаллизаторе от всех термических сопротивлений

, (3) где aw – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности гильзы кристаллизатора к воде, Вт/(м2×К); dм – толщина стенки гильзы кристаллизатора, м; lм – коэффициент теплопроводности материала гильзы кристаллизатора, Вт/(м×К); – средняя толщина корки металла в кристаллизаторе, м; lк – коэффициент теплопроводности корки заготовки при ее средней температуре, Вт/(м×К). При помощи уравнения (3) определяем средний коэффициент теплоотдачи от корки заготовки к внутренней поверхности гильзы кристаллизатора:

. (4) Эта величина несет интегральную информацию о тепломеханических процессах, протекающих в кристаллизаторе. Анализ ее значений для кристаллизаторов различной конусности позволит уточнить представления о механизме теплообмена в полости кристаллизатора. Так, зная величину , можно определить значение эффективной толщины газового зазора между коркой заготовки и внутренней поверхностью гильзы кристаллизатора (dэф). Поскольку при использовании величины эффективной толщины газового зазора для изучения теплообмена в кристаллизаторе предполагается, что тепловой поток от поверхности заготовки формируется только по двум механизмам: излучением и теплопроводностью через газовый зазор, получаем следующее выражение для определения dэф:

, (5) где – теплопроводность газовой прослойки, Вт/(м∙К); aл – коэффициент лучистой теплоотдачи от корки заготовки к внутренней поверхности гильзы кристаллизатора, Вт/(м2×К). Величина aл определяется на основании известной зависимости, описывающей лучистый теплообмен:

, (6) где Тп – температура поверхности заготовки, К; Тст – температура внутренней поверхности гильзы кристаллизатора, К; – приведенный коэффициент излучения при лучистом теплообмене между поверхностью заготовки и внутренней поверхностью гильзы кристаллизатора. Значения Тп и Тст могут быть с достаточно небольшой погрешностью определены на основании зависимостей, справедливых для стационарной теплопередачи через ряд последовательно включенных термических сопротивлений:

(7) На основании анализа предложенных зависимостей (1-7) можно заключить, что с их помощью в рамках системы АСУ ТП в режиме реального времени можно определять изменение значений всех заявленных величин ( , , , dэф) в зависимости от таких аргументов как перепад температуры охлаждающей воды в кристаллизаторе, расход первичной воды, теплофизические характеристики разливаемой стали, геометрические параметры гильзы кристаллизатора (рис. 2).

Пример определения зависимости эффективной толщины газового зазора от перепада температуры охлаждающей воды в кристаллизаторе при помощи предложенных расчетных зависимостей для следующих исходных данных (заготовка 130х130 мм, расход первичной воды 30кг/с, материал гильзы кристаллизатора – медь, толщина стенки гильзы 0,01 м) приведен на рис. 3. Контроль величины эффективной толщины газового зазора в режиме реального времени при помощи системы АСУ ТП предоставляет следующие возможности: – оперативный контроль износа внутренней поверхности гильз кристаллизаторов на основании анализа изменения во времени величины dэф;

– практическая проверка соответствия конусности кристаллизаторов усадке заготовок на основе сопоставления средних уровней dэф для конкретных сочетаний профилей кристаллизатора и марок стали с оптимальным значением эффективной толщины газового зазора, установленным из практического опыта; – выбор наилучших кристаллизаторов для условий конкретного производства на основе анализа соответствующих массивов информации о среднем значении эффективной толщины газового зазора; – установление взаимосвязи износа гильз кристаллизаторов с образованием дефекта ромбичности (достигается путем совместной обработки информации о температурно-скоростных режимах разливки, марках стали, конусности кристаллизаторов, соответствовавших им величинах эффективных толщин газовых зазоров и данных о ромбичности заготовок при помощи аппарата математической статистики).