Математическое моделирование в задачах оптимизации электрошлакового процесса и внепечной обработки стали

Содержание
Введение.
Глава 1. Основы математического моделирования электрошлакового литья и внепечной обработки стали.
1. 1. Анализ состояния вопроса и обоснование направления исследования
1.2. Основы математического моделирования технологических процессов на основе электрошлаковой технологии.
1.3. Математическое моделирование тепломагнитной гидродинамики при внепечной обработке стали.
1.4. Проверка адекватности распределенных моделей.
Глава 2. Разработка и исследование математических моделей тепломагнитной гидродинамики электрошлакового литья и внепечной обработки стали
2. 1. Разработка и корректировка математической модели тепломагнитной
гидродинамики электрошлакового литья и внепечной обработки стали
2. 1. Г Математическая модель электромагнитного поля при ЭШЛ и ЭШН
2. 1.2. Математическая модель электромагнитного поля при внепечной
обработке стали
2. 1.3. Модели гидродинамики процессов электрошлакового литья, наплавки и
внепечной обработки стали.
2. 1.4. Вспомогательные алгоритмы частичного численного моделирования
2. 1. 5. Модель магнитного поля при внепечной обработке стали.
2.2. Проверка адекватности распределенных моделей.
2. 3. Совместный анализ тепловых и магнитогидродинамических явлений в шлаковой ванне
2.4. Повышение эффективности спиралевидного прогшавления прокатных
валков холодной прокатки
2. 5. Решение задач тепломагнитной гидродинамики повышенной размерности
Глава 3. Математическое моделирование в задачах совершенствования установок и технологии электрошлакового и дугового процессов.
3.1. Исследование электрошлакового процесса в широком диапазоне
изменения параметров режима
3.2. Разработка установки и технологии электрошлакового литья с
использованием имитационного моделирования.
3.3. Разработка технологии внепечной обработки стали с использованием
математических моделей.
3. 4. Сравнительный анализ результатов математического моделирования для
ОАО НКМК и ОАО ЗСМК
Выводы.
Приложения
Список трудов с участием автора
Результаты вычислительных экспериментов
Справки о внедрении работы в производство и в учебный процесс
Введение
Электрошлаковый процесс является основой ряда современных технологических процессов электрошлаковой сварки, электрошлакового переплава, электрошлаковой наплавки, электрошлакового литья и других. Учитывая распределенность перечисленных процессов, их низкую наблюдаемость и повышенную опасность, высокую температуру расплава шлака и металла в объекте, агрессивность шлака оперативное управление этими объектами остается достаточно сложной задачей. В связи с этим необходимо построение адекватных распределенных моделей названных процессов и соответствующих технологических агрегатов.
Вопросами управления электрошлаковым переплавом, сваркой, наплавкой занимались такие известные советские и российские ученые, как Б.Е. Патон, Б.И. Медовар, .. Дорожкин, Д.А. Дудко, Г.З. Волошкевич, А.И. СущукСлюсаренко, М.М. Эрмантраут, Я.Ю. Компан, .. Быстров, В.И. Веревкин,
.. Рыкалин, и другие 1, 9, , , , , , , , ,, ,,12, 1.
Этими вопросами занималось и большое число зарубежных ученых, в том числе Дж. Шекели, А.Г. Дилавари, А. Митчелл, Дж.Ф. Эллиот, М. Чаундари, Т. Шекели, В.Е. Даквоч, Г. Холи, И. Кремберг, К. Шведферг , , , , 80, 4, 9.
Смежными технологиями занимался, например, Т.Г. Кравченко .
Особенности процесса электрошлакового переплава алюминия исследовал, например, I. Вехнер 3. Математическое моделирование гидродинамики иных процессов рассмотрено в работах 4, 7,,, , , , , , 4, 23, 1.
Вопросы математического описания процесса электрошлаковой сварки как сосредоточенного объекта подробно рассмотрены в работах академика РАО Рыкалина Н.Н . Однако, учитывая явно выраженную распределенность
шлаковой ванны, более адекватным является представление электрошлакового процесса в виде распределенного объекта.
Различные постановки задачи описания зоны сварки, наплавки, литья предлагали Б.Е. Патон, .. Быстров, Д.А. Дудко, А.И. СущукСлюсаренко 1, , , , 1. Для описания процессов электрошлаковой сварки и наплавки предлагались не только различные математические, но и физические модели. В частности, в некоторых работах использованы упрощенные, так называемые, холодные физические модели. Недостатком подобных представлений электрошлакового процесса является недоучет влияния на него тепловых явлений. С другой стороны, использование моделей конвективного теплообмена также не может обеспечить их достаточную адекватность реальному технологическому процессу. В настоящей работе использована полная постановка тепломагнитной гидродинамики, обеспечивающая высокую точность воспроизведения реальных процессов электрошлакового литья, наплавки и внепечной обработки стали в ковше.
На основе разработанных математических моделей в работе предложена методика расчета и выбора параметров режимов различных электрошлаковых объектов литья, наплавки и внепечной обработки чугуна и стали. Усовершенствованы сами технологические процессы и установки по их реализации. В частности, изменена конструкция установки электрошлакового литья, предложен состав обмазки бандажа и порошкового электрода, уточнен диапазон рационального изменения параметров режима электрошлаковой наплавки.
Численное моделирование ряда электрошлаковых процессов наталкивается на проблему очень высокой размерности системы определяющих уравнений, что связано, например, с развитой областью решений. Эту проблему, на наш взгляд, целесообразно решать в комплексе путем, вопервых, сжатия самого представления систем уравнений, а, вовторых, оптимизации алгоритма их решения.
Вопросами решения систем занимались Х.Д. Икрамов, Дж. Голуб, О. Эстербю, 3. Златев, В.П. Ильин, Ю.И. Кузнецов, С.К. Годунов, К.Ю. Богачев 8,
, , 3. Численному решению дифференциальных уравнений посвящены работы Б.С. Добронца, В.В, Шайдурова, I. Бахвалова, Н.П. Жидкова, Г.М. Кобелькова, .. Самарского, В.В. Иванова, Л.И. Турчака, А.Н. Тихонова, В.А. Морозова, А.М. Денисова, Г.М. Вайникко и другие 5, 78, , , ,,,, , , , 3, 5, 5.
Методы сжатия информации и компактного представления матриц коэффициентов разрабатывали Г. Шилдт, Х.Д. Икрамов, С.К. Годунов. В.П. Ильин, Ю.И. Кузнецов и другие 23, 6, , , , , 0, 67, 68, 0, 2.
В работе предложен новый метод динамического сжатия матрицы коэффициентов систем определяющих уравнений с использованием массивов прямых и косвенных указателей на блоки кодируемой матрицы в комплексе с рациональным алгоритмом их решения масочной версией метода Гаусса.
Предложены методы проверки адекватности распределенных математических моделей в условиях гомогенизации распределенного объекта сведением его к точечному, для нестационарного объекта с разбиением его описания на изоморфные зоны. Для циклически функционирующих металлургических объектов с распределением процесса оценки адекватности по множеству циклов.
Предложенные разработки были внедрены на Алтайском заводе прецизионных изделий и на ОАО Западносибирский металлургический комбинат при электрошлаковом литье, наплавке и внепечной обработке стали.
Автор считает своим приятным долгом выразить свою глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору В. И. Веревкину, а также всему коллективу кафедры автоматизации производственных процессов Кузбасской государственной педагогической академии за ценные советы и помощь, оказанные при выполнении данной работы и обсуждении ее результатов. Искреннюю признательность автор выражает также членам кафедр систем автоматизации, систем информатики и управления Сибирского государственного индустриального университета за обсуждение работы и ценные советы по ее улучшению
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность