Автоматизация проектирования конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат наук Сафонов, Дмитрий Сергеевич

• Сафонов, Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Сафонов, Дмитрий Сергеевич

Содержание

Введение

1 Теоретико-информационный анализ конструкции и способов проектирования секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок

1.1 Роль машины непрерывного литья заготовок в металлургической промышленности

1.2 Классификация машин непрерывного литья заготовок и анализ конструкционных особенностей зоны вторичного охлаждения

1.3 Описание конструкции секции вторичного охлаждения МНЛЗ

1.4 Характеристика типовой структуры зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок криволинейного типа

1.5 Анализ средств и математических моделей для синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ

1.5.1 Современные средства принятия проектных решений при конструировании зоны вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок

1.5.2 Роль математических моделей при конструировании секций вторичного охлаждения машин непрерывного литья заготовок

1.6 Концепция, цель и задачи работы

2 Математическая модель теплового состояния непрерывнолитой заготовки для интерактивной системы выбора оптимальной схемы расположения форсунок в зоне вторичного охлаждения

2.1 Математическая модель теплового состояния непрерывнолитой заготовки

2.2 Система динамических граничных условий математической модели теплового состояния непрерывнолитой заготовки для интерактивной системы проектирования зоны вторичного охлаждения

2.2.1 Определение коэффициента теплоотдачи с поверхности заготовки в орошаемых областях

2.2.2 Определение коэффициента теплоотдачи в областях контакта поверхности заготовки с роликами

2.2.3 Определение коэффициента теплоотдачи в областях воздушного охлаждения

2.2.4 Алгоритм идентификации коэффициента теплоотдачи с поверхности заготовки

2.3 Эмпирические параметры математической модели теплового состояния непрерывнолитой заготовки

2.4 Алгоритм решения уравнения теплопроводности для математической модели теплового состояния непрерывнолитой заготовкибб

2.5 Алгоритм поиска оптимальной схемы расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ

2.6 Выводы по разделу 2

3 Проектирование и разработка интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ

3.1 Обоснование требований к функционированию интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

3.2 Структура входной и выходной информации интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

3.3 Модульная структура построения интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

3.4 Интерфейсные решения для интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

3.5 Выводы по разделу 3

4 Результаты экспериментального исследования процесса непрерывной разливки стали на основе интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

4.1 Описание методики проведения комплексных'экспериментальных исследований

4.2 Описание пилотажного эксперимента в промышленных условиях

4.3 Описание специализированного эксперимента-изучения в лабораторных условиях

4.4 Описание результатов вычислительного эксперимента-преобразования на основе интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

4.4.1 Результаты прогностического моделирования и новые схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения MHJI3

4.4.2 Результаты оценки поведения критерия оптимальности при выборе конструкции секций вторичного охлаждения

4.5 Оценка предполагаемого экономического эффекта при использовании интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

4.6 Выводы по разделу 4

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Фрагменты листинга программного кода интерактивной

системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений

Приложение Б. Схема расположения форсунок в секциях ЗВО МНЛЗ № 2 ОАО «Уральская Сталь», полученная в результате решения задачи

оптимизации

Приложение В. Копия свидетельства о государственной регистрации

программы для ЭВМ

Приложение Г. Копии актов и справок об использовании результатов

диссертационного исследования

Приложение Д. Копии заключений о проверке текста диссертации и автореферата в системе «Антиплагиат. ВУЗ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация проектирования конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок»

Введение

Современное промышленное производство использует технологические агрегаты, которые в своем составе имеют сложноструктурированные технологические узлы. Каждый из узлов вносит вклад в формирование качества производимой продукции или полуфабриката. Машина непрерывного литья заготовок (MHJI3) является одним из агрегатов, используемых в металлургическом производстве, и на этапе непрерывной разливки закладываются предпосылки качества стального листа, балок и т.п., передающихся впоследствии в различные отрасли народного хозяйства.

Конструкция MHJI3 предполагает наличие основных технологических узлов, среди которых важную роль играют секции зоны вторичного охлаждения (ЗВО). Обоснованность выбора проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях ЗВО является одним из условий обеспечения качества продукции и полуфабриката в соответствии с требованиями потребителя. Современное развитие аппарата математического моделирования теплового состояния заготовки позволяет выполнить разработку специализированных средств для интерактивного синтеза и последующего анализа проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения MHJ13.

В области теории и практики проектирования и эксплуатации MHJI3 накоплен значительный положительный опыт. Вопросы проектирования MHJ13 и исследования температурных полей непрерывнолитых заготовок отражены в трудах зарубежных и российских исследователей. Труды В.Т. Борисова, Ю.А. Самойловича, В. Thomas определили развитие математической теории в области исследования теплового состояния заготовки. В области прогностического моделирования развития внутренних и поверхностных дефектов непрерывнолитой заготовки можно отметить труды J. Brima-combe, P. Du, J. Lee, J. Risso, F. Pascon, B. Thomas и др. В области практического применения и развития технологии непрерывной разливки следует

выделить труды J1.B. Буланова, Д.П. Евтеева, В.А. Емельянова, A.B. Кукле-ва, В.Г. Лисиенко, В.М. Паршина и др.

Однако, несмотря на проведенные исследования и значительное число публикаций в области проектирования МНЛЗ и исследования работы ЗВО, остаются актуальными следующие проблемы:

- отсутствие комплексных методик синтеза и анализа проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ на основе моделирования теплового состояния заготовки при заданной схеме расположения форсунок;

- отсутствие критерия для оптимизации поперечного температурного профиля на поверхности заготовки, учитывающего условия симметричности и равномерности поля температур;

- отсутствие автоматизированных систем для интерактивного проектирования схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ и анализа теплового состояния заготовки в условиях новых схем расположения форсунок.

Целью работы является совершенствование процесса проектирования конструкции секций вторичного охлаждения МНЛЗ на основе интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок.

Для достижения цели решены задачи:

- проведение теоретико-информационного анализа конструкции ЗВО МНЛЗ, направленного на выявление недостатков схемы расположения форсунок при получении непрерывнолитых заготовок пониженного качества и определение требований к схеме расположения форсунок;

- построение математической модели теплового состояния пепре-рывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ, учитывающей влияние схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ на тепловое состояние заготовки, для интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок;

- проектирование и разработка интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ;

- проведение вычислительного эксперимента на основе интерактивной автоматизированной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ для построения библиотеки оптимальных проектных решений.

Объект исследования - конструкция секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок.

Предмет исследования - формализация процедур проектирования схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок.

Методы исследований. В диссертационной работе проведены исследования с использованием методов:

- теории вероятностей и математической статистики при обработке данных, полученных в ходе пилотажного и специализированного экспериментов;

- математического моделирования при идентификации теплового поля непрерывнолитой заготовки в процессе ее затвердевания в ЗВО МНЛЗ в зависимости от схемы расположения форсунок и роликов в секциях вторичного охлаждения;

- численного решения уравнения тепловодности с граничными условиями третьего рода при наличии эмпирических зависимостей для физико-химических характеристик и зонально-секционном построении машин непрерывного литья заготовок;

- объектно-ориентированного программирования, компьютерной графики при разработке программного продукта для прогностического моделирования теплового состояния непрерывнолитой заготовки в условиях заданной конструкции секций вторичного охлаждения и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ.

Научную новизну составляют:

- математическая модель для описания теплового состояния непре-рывнолитой заготовки, отличающаяся наличием динамической системы граничных условий с модифицированными зависимостями для идентификации коэффициента теплоотдачи с поверхности заготовки и включающая формализованное описание требований к поперечному тепловому профилю на поверхности заготовки;

- методика поиска оптимальной схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, отличающаяся наличием комплексного критерия, объединяющего условия симметричности и равномерности поперечного теплового профиля на поверхности заготовки;

- структура интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, включающая программные модули прогностического моделирования теплового состояния заготовки, оптимизации температурного профиля на поверхности заготовки, визуализации результатов расчетов, интерактивного взаимодействия проектировщик-система.

Практическая значимость работы заключается в разработке алгоритмов и программных модулей для интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ. Интерактивная система анализа и синтеза проектных решений опробована в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Новизна и значимость разработанных технических решений подтверждена свидетельством о регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся:

1) математическая модель теплового состояния непрерывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ, включающая модифицированные зависимости для определения коэффициента теплоотдачи на участках поверхности заготовки с различным видом охлаждения и формализованное описание требований к поперечному тепловому профилю на поверхности заготовки;

2) методика оптимизации схемы расположения форсунок в ЗВО МНЛЗ на основе комплексного критерия поперечного теплового профиля поверхности заготовки, характеризующего степень соответствия профиля технологическим требованиям получения заготовки обычного качества;

3) структура интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, построенная на основе алгоритма оптимизации с комплексным критерием и позволяющая выполнять прогностическое моделирование теплового состояния заготовки в условиях новых конструкций секций вторичного охлаждения МНЛЗ и оптимизацию схемы расположения форсунок.

Основные положения работы были доложены на 69, 70 и 71 научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования», ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (Магнитогорск, 2011, 2012, 2013 гг.), на XIII международной научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (Магнитогорск, 2013 г), на Школе-семинаре молодых ученых и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2014 г.).

Основное содержание работы отражено в 6-ти публикациях, в том числе в 3-х публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК России.

В первом разделе приводятся результаты теоретико-информационного анализа особенностей конструкции секций вторичного охлаждения МНЛЗ, современных подходов к проектированию секций вторичного охлаждения МНЛЗ, применимости математических моделей теплового состояния непре-рывнолитой заготовки при решении задач проектирования МНЛЗ, определена концепция, цель и задачи работы.

Во втором разделе выполнено построение математической модели теплового состояния непрерывнолитой заготовки в ЗВО МНЛЗ для идентификации теплового поля заготовки в зависимости от схемы расположения роликов и форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, включающей двумерное уравнение теплопроводности и динамически изменяющуюся си-

стему граничных условий третьего рода, формулируется методика задания граничных условий на областях поверхности заготовки с различным типом охлаждения, приводится разработанный алгоритм численного решения уравнения теплопроводности, строится комплексный критерий оптимизации позиций форсунок в межроликовых пространствах. Наличие математической модели и комплексного критерия позволило выполнить постановку задачи оптимизации для определения схемы расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок и разработать алгоритм ее решения.

В третьем разделе осуществляется проектирование и разработка интерактивной системы анализа и синтеза проектных решений по схеме расположения форсунок в секциях вторичного охлаждения МНЛЗ, включающей модули для прогностического моделирования теплового поля непре-рывнолитой заготовки в условиях заданной схемы расположения форсунок и роликов в секциях вторичного охлаждения, поиска оптимальных позиций форсунок в межроликовых пространствах, ввода входной информации и графического представления результатов расчетов.

В четвертом разделе приводятся результаты комплексного экспериментального исследования, включающего пилотажный эксперимент по изучению температурного поля на поверхности заготовки в промышленных условиях, специализированный эксперимент по изучению распределения плотности орошения по поверхности заготовки для форсунок в лабораторных условиях, вычислительный эксперимент-преобразование по синтезу проектных решений по конструкции секций вторичного охлаждения для построения библиотеки проектных решений и последующего использования в процессе проектирования новых конструкций, модернизации существующих и освоения новых сортаментов продукции.

1 Теоретико-информационный анализ конструкции

и способов проектирования секций вторичного

охлаждения машины непрерывного литья заготовок

1.1 Роль машины непрерывного литья заготовок в металлургической промышленности

В современной металлургической промышленности непрерывная разливка стали является доминирующим способом кристаллизации расплавленного металла в заготовки для последующей обработки. Ключевым звеном технологии непрерывной разливки является машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), в которой происходит непосредственное формирование заготовки из подаваемого жидкого металла. Полученные заготовки поступают на последующие этапы передела, в частности в прокатное производство.

Прокат является одним из основных видов конечной продукции, реализуемой металлургическими предприятиями. Сферы его использования включают автомобильную, машиностроительную, судостроительную, нефтяную и многие другие виды промышленности, что делает производство прокатной продукции важнейшей составляющей экономики страны. Непрерывная разливка, в свою очередь, является неотъемлемой частью современного технологического цикла производства прокатной продукции, как показано на рисунке 1.1.

Ранее формирование заготовок для передела осуществлялось посредством разливки металла в изложницы. Однако значительные преимущества непрерывной разливки стали по отношению к разливке в изложницы, состоящие в высокой производительности и меньшем количестве технологических отходов, привели к тому, что в настоящее время производство стальных заготовок непрерывным способом составляет около 95 % [13].

В США в течение последних трех лет выпуск стали составлял порядка 85 млн т в год, из них в среднем 98 % отливалось методом непре-

рывной разливки. В Китае в 2013 году из 779 т выпущенной стали непрерывным методом было отлито 767 т, что также составляет около 98 %. В России доля непрерывной разливки в выпуске стали несколько ниже - порядка 80 % в последние три года, при годовом выпуске около 56 т. Это объясняется наличием давно образовавшихся предприятий, которые по тем или иным причинам не смогли провести модернизацию и перейти на использование метода непрерывной разливки.

Металлургический передел

о. ST

S г

X

S й 5 £

* I

Доменное производство

Получение чугуна в доменных печах

Сталеплавильное производство

Выплавка Обработка Разливка

стали А стали сЗ стали

Получение и Доводка жидкой 1

жилкой стали в о стали до О Разливка

кислородном требуемого жидкое стали в

конверторе.. химического заготовки на

электродуговой состава и МНЛЗ, либо в

печи, лиоо в температуры в изложницы

мартеновской агрегате ковш- (устарело)

печи печь

Прокатное производство

Получение листа, балок, швеллеров и иной продукции

I

о в

Р «

С I 2 &

Рисунок 1.1- Основные этапы передела металлургической промышленности Общемировой объем выпуска стали за последние 10 лет вырос с 1

млрд т в 2004 г. до 1,6 млрд т в 2013 г (рисунок 1.2) [2].

S

о я

S I

к S

! з

5?

О)

Ъ s

1700 1500 1300 1100

£ 5 900

о ®

о &

700 500

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

Год

Рисунок 1.2 - Динамика роста объемов выпущенной в мире стали за

последние 50 лет

Учитывая, что в последние годы средняя доля стали, разливаемой методом непрерывной разливки, составляет более 90 %, можно сделать вывод о значительном росте объемов производства непрерывнолитых заготовок в последнее десятилетие. Рост объемов выпуска непрерывнолитых заготовок в условиях рыночной экономики ставит во главу угла эффективность производства, заключающуюся в обеспечении стабильно высокого качества продукции при сохранении высокой производительности.

Качество непрерывнолитых заготовок оказывает прямое влияние на эффективность всей производственной цепочки. Дефекты, возникающие на заготовках, способны, с одной стороны, раскрыться в неустранимые дефекты на конечной продукции, а с другой стороны, привести к отбраковке самой заготовки до поступления на последующий этап передела. Оба случая сопровождаются потерями сырья, энергии и производственного времени. Высокая конкуренция среди производителей металлургической продукции требует, по возможности, исключить подобные потери.

Стремление обеспечить выпуск конкурентной продукции ведет к необходимости как проектирования и ввода новых, более совершенных МНЛЗ, участвующих в технологическом цикле, так и совершенствованию и реконструкции уже существующих. Конструкция МНЛЗ должна обеспечивать производство высококачественной продукции при соблюдении ряда часто противоречивых требований. Сложность протекающих в МНЛЗ тепловых, физических и химических процессов затрудняет поиск оптимальных проектных решений по конструкции как МНЛЗ в целом, так и ее отдельных узлов. В результате процесс проектирования новой МНЛЗ, либо разработка проекта модернизации уже существующей машины требуют значительных материальных и временных затрат. Это делает актуальным вопрос создания новых, наукоемких средств и методов синтеза и анализа проектных решений по конструкции, в том числе разработке научных основ для создания автоматизированных систем проектирования МНЛЗ и ее отдельных узлов.

1.2 Классификация машин непрерывного литья заготовок и анализ конструкционных особенностей зоны вторичного охлаждения

Технология непрерывной разливки допускает наличие различных подходов к конструированию МНЛЗ, вместе с тем каждая МНЛЗ содержит ряд принципиальных узлов - промежуточный ковш, кристаллизатор, ЗВО, агрегат резки. Принципиальная схема одной из разновидностей МНЛЗ -криволинейной - приведена на рисунке 1.3, а краткое описание и назначение вышеперечисленных основных узлов МНЛЗ дано в таблице 1.1.

Рисунок 1.3 - Принципиальная схема МНЛЗ криволинейного типа

В целом, технология непрерывной разливки включает следующие этапы: расплавленный металл, доставляемый к МНЛЗ в сталеразливочном ковше, подается сначала в буферную емкость - промежуточный ковш. В нижней части промежуточного ковша имеется отверстие, размер которого может регулироваться затвором. Через данное отверстие металл поступа-

ет в емкость квадратного, круглого или прямоугольного сечения высотой порядка 1 м - кристаллизатор.

Таблица 1.1 - Описание основных узлов МНЛЗ

Блок конструкции МНЛЗ Функции Влияние на качество заготовки

Промежуточный ковш Буферная емкость для приема жидкого металла из сталеразливочного ковша Характер распределения потоков жидкого металла в промежуточном ковше, определяемый его формой, влияет на попадание примесей и способствует формированию неметаллических включений в заготовке

Кристаллизатор Первичное охлаждение заготовки, формирование твердой оболочки требуемой формы Механический контакт затвердевающей поверхности металла со стенками кристаллизатора повышает вероятность возникновения горячих трещин, несоответствие конусности стенок кристаллизатора темпу усадки заготовки усугубляет это явление

зво Вторичное охлаждение заготовки, обеспечение ее полного затвердевания к выходу на агрегат резки Скачкообразные изменения темпа охлаждения заготовки при переходе от одного охлаждающего контура к другому, а также неравномерный теплоотвод с поверхности заготовки способствует неоднородному распределению охладителя по пятнам орошения форсунок и создают температурные напряжения, стимулирующие развитие трещин, нерациональная форма загиба/разгиба, а также разгиб заготовки на участке, где ее температура попадает в интервал провала хрупкости, создают механические напряжения, также способные приводить к образованию внутренних и поверхностных трещин

Агрегат резки Резка выходящей из ЗВО непрерывнолитой заготовки на мерные длины Не оказывает существенного влияния

Стенки кристаллизатора выполняются из теплопроводного материала

(чаще всего, медь) и интенсивно охлаждаются при помощи воды, проходящей по специальным каналам внутри стенок. В момент пуска процесса нижняя часть кристаллизатора закрывается затравкой. Жидкий металл постепенно заполняет кристаллизатор, при этом за счет охлаждения стенок в

местах контакта с ними жидкий металл кристаллизуется, образовывая твердый «каркас» по форме сечения кристаллизатора.

После заполнения кристаллизатора металлом до определенного уровня затравка при помощи тянущего механизма начинает выводиться из его нижней части. Вместе с затравкой из кристаллизатора начинает вытягиваться затвердевший «каркас» заготовки с жидкой сердцевиной. Этот «каркас» далее переходит в зону вторичного охлаждения, где перемещается по поддерживающей системе, состоящей, как правило, из роликовых секций, и по ходу движения охлаждается при помощи подачи охладителя через форсунки, установленные в межроликовых пространствах (рисунок 1.4).

Задачей ЗВО является обеспечение полного затвердевания заготовки. На выходе из ЗВО располагается агрегат резки, который режет непрерывно выходящую заготовку на мерные длины. Полученные отдельные заготовки транспортируются на следующий этап производственной цепочки.

В процессе освоения технологии непрерывной разливки возникло несколько типов конструкций МНЛЗ, классификация которых приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 - Принципиальная схема криволинейной МНЛЗ

Около 60 % металла, разливаемого на МНЛЗ, приходится на производство слябов - заготовок прямоугольного сечения, у которых ширина заметно превышает толщину. В мире эксплуатируется более 500 слябовых МНЛЗ [4], а получаемые в них слябы используются для прокатки в листы различной толщины и размеров.

Рисунок 1.5 - Схема классификации машин непрерывного

литья заготовок

Необходимость обеспечить выпуск широкого сортамента листов с точки зрения геометрических параметров приводит к невозможности использовать в технологическом цикле МНЛЗ, предназначенные для разливки заготовок неизменяемого сечения. Таким образом, востребованными оказываются МНЛЗ для производства слябовых заготовок с изменяемым размером сечения, причем как по толщине, так и по ширине. Это ведет к неизбежным усложнениям в конструкции. Особенно это касается узлов, в которых происходит непосредственное формирование заготовки - кристаллизатора и ЗВО.

В соответствии с приведенной выше классификацией, в зависимости от траектории движения заготовки по ЗВО можно выделить четыре типа слябовых МНЛЗ: горизонтальные, вертикальные, криволинейные и радиальные.

В горизонтальных МНЛЗ заготовка вытягивается из кристаллизатора по прямой траектории под небольшим наклоном к горизонту (порядка 10 Вытягивание заготовки в практически горизонтальном направлении не требует большой высоты помещения, в котором устанавливается МНЛЗ, что существенно снижает капитальные затраты на ввод МНЛЗ в эксплуатацию. Кроме того, вытягивание заготовки по прямой траектории исключает ее механическую деформацию, что является актуальным для высококачественных трещиночувствительных сплавов. Горизонтальное направление технологической оси упрощает монтаж конструктивных узлов МНЛЗ. К недостаткам горизонтальных МНЛЗ можно отнести относительно низкую производительность, обусловленную небольшими сечениями разливаемых заготовок (для сталей - круг и квадрат сечением до 370 мм, в среднем -150-200 мм). Помимо этого, существуют сложности в обеспечении огнеупорного стыка между металлоприемником и кристаллизатором, а также повышенная вероятность возникновения частного вида дефектов - ликвации, связанной с всплыванием различных неметаллических включений и пузырьков газа к верхней части заготовки. В мире действует сравнительно немного горизонтальных МНЛЗ - порядка сорока штук [5,6]. Столь малое количество действующих горизонтальных МНЛЗ объясняется специфичностью решаемой ими задачи - разливки высококачественных марок стали в небольших объемах [7].

Другим типом МНЛЗ, обладающих прямолинейной траекторией вытягивания заготовки, являются вертикальные МНЛЗ. В МНЛЗ такого исполнения достаточно просто осуществляется подача металла в кристаллизатор, отсутствие механических загибов или разгибов при вытягивании, а также всплывание неметаллических включений на поверхность жидкой сердцевины, находящейся в кристаллизаторе, обеспечивают высокое качество получаемых заготовок [83]. Таким способом могут отливаться заготовки толщиной до 350 мм и шириной до 2100 мм. Основным недостатком вертикальных МНЛЗ является необходимость глубокого вертикального

колодца (30-40 м), необходимость мощных механизмов для подъема заготовки к транспортным линиям после ее отрезания в нижней части МНЛЗ.

Достичь определенного компромисса между качеством получаемых заготовок, производительностью МНЛЗ и затратами на ввод МНЛЗ в эксплуатацию позволяют радиальные и криволинейные МНЛЗ, где заготовка выводится из кристаллизатора вертикально вниз или с небольшим изгибом, после чего в ЗВО заготовка продолжает движение по криволинейной траектории, постепенно достигая горизонтального направления движения. Это позволяет снизить требуемую высоту помещения, а выход заготовки в горизонтальной плоскости облегчает ее дальнейшее перемещение. Радиальная МНЛЗ является частным случаем криволинейной и отличается тем, что изгиб определенного радиуса придается заготовке еще в кристаллизаторе, после чего он сохраняется постоянным до выхода заготовки в горизонтальную плоскость, когда происходит ее разгиб. Недостатками радиальных МНЛЗ является сложность в настройке оборудования и образование изгиба уже на начальном этапе кристаллизации, что может быть недопустимо для сталей, чувствительных к трещинам. Поэтому на сегодняшний день предпочтение отдается криволинейным машинам с вертикальным кристаллизатором, в которых линия загиба и разгиба обладает переменным радиусом [80].

Таким образом, в силу оптимального соотношения между сложностью конструкции, удобством эксплуатации и стоимостью внедрения доминирующим типом слябовых МНЛЗ являются криволинейные. МНЛЗ этого типа используются на крупнейших отечественных металлургических предприятиях: ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Северсталь», г. Череповец, ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» и многих других.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сафонов, Дмитрий Сергеевич, 2015 год

Список использованных источников

1. Решения в области непрерывного литья плоских заготовок: сайт компании Siemens VAI. - 2008 [Электронный ресурс]. - URL: ht1p://www.industry.siemens.conVdatapool/industry/industrysolutions/metals/sim etal/ru/Continuous-Slab-Casting-Solutions-ru.pdf (дата обращения: 10.08.2014).

2. World Steel in Figures: сайт ассоциации WorldSteel. - 2014 [Электронный ресурс]. - URL: htlp://www.worldsteel.org/dms/intenietDocumentList/bookshopAV,orld-Steel-in-Figures-2014/documentAVorld%20Steel%20in%20Figures%202014%20Final.pdf (дата обращения: 10.08.2014).

3. Современное состояние технологии непрерывного литья / Т. Болендер, Р. Фандрих, X. Юнгблют [и др.] // Черные металлы. - 2009. -Т. 12.-С. 31-39.

4. Процессы непрерывной разливки / А. Н. Смирнов, А. А. Пилюшенко, А. А. Минаев [и др.]. - Донецк: ДонНГУ, 2002. - 536 с.

5. Перевалов, H.H. Современные тенденции развития непрерывной разливки, связанные с приближением сечения литых заготовок к сечению готового проката / H.H. Перевалов, В.А. Филимонов // Чёрная металлургия: Бюлл. АО «Черметинформация». - 1996. -№ 4. - С. 19-28.

6. Ганкин, В.Б. Горизонтальные установки непрерывной разливки стали за рубежом / В.Б. Ганкин, А.П. Остромогильский // Чёрная металлургия: Бюлл. ЦНИИТЭИЧМ. - 1987. -№ 1. - С. 1-23.

7. Решетов, В.В. Перспективы применения горизонтальных машин непрерывного литья заготовок / В.В. Решетов, В.Н. Костин, А.И. Трушин // Оборудование - технический альманах. - 2007. - № 2. - С. 15-18.

8. Теория непрерывной разливки / B.C. Рутес, В.И. Аскольдов, Д.П. Евтеев [и др.]. - М: Металлургия, 1971. - 296 с.

9. Машины непрерывного литья заготовок. Теория и расчет / JI. В. Буланов, J1. Г. Корзунин, Е. П. Парфенов [и др.]. - Екатеринбург: Уральский центр ПР и рекламы «Марат», 2004. - 320 с.

'10. Вдовин, К.Н. Непрерывная разлвка стали: монография / К.Н. Вдовин, В.В. Точилкин, И.М. Ячиков. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2012. - 590 с.

11. Евтеев, Д.П. Непрерывное литье стали / Д.П. Евтеев, И.Н. Колыба-лов. - М.: Металлургия, 1984. - 200 с.

12. Емельянов, В.А. Тепловая работа машин непрерывного литья заготовок / В.А. Емельянов, - М.: Металлургия, 1988. - 143 с.

13. Nozaki, Т. A Secondary Cooling Pattern for Preventing Surfcace Cracks of Continuous Casting Slab / T. Nozaki // Trans. ISIJ. - 1978. - T. 18. -C. 330-338.

14. Boyle, R. Implementation of modern secondary cooling technology in existing casters / R. Boyle, J. Frick // Materials of the 3rd Internation conference on Continuous Casting if Steel in Developing Countries. - Beijing, China. 2004.

15. Boyle, R. New Secondary Cooling Systems and Practices: Nozzles and Cooling Solutions for Continuous Casting of Steel / R. Boyle, J. Frick. - Lehler. 2012.-C. 33-44.

16. Оптимизация режимов вторичного охлаждения непрерывнолитых слслябовых заготовок с помощью математического моделирования / О.Б. Исаев, В.В. Кислица, Е.А. Чичкарев [и др.] // Черная металлургия. Бюл. НТИ. - 2007. - № 12. - С. 72-76.

17. Берзинь, В.А. Оптимизация режимов затвердевания непрерывного слитка / В.А. Берзин, В.Н. Жевлеков, Я.Я. Клявинь. - Рига: Зинатне, 1977. -

148 с.

18. Сравнение существующих концепций вторичного охлаждения непрерывнолитых заготовок на традиционных слябовых MHJ13 / JT.B. Буланов, Н.А. Юровский, В.В. Бусыгин [и др.] // Черная металлургия. Бюл. НТИ. - 2012. - № 3. - С. 40-50.

19. Boyle, R. Modern secondary cooling technology in continuous casting of steel /R. Boyle, J. Frick // La Metallurgia Italiana. - 2005. -№ 1. - C. 49-52.

20. Столяров, A.M. Вторичное охлаждение непрерывнолитых слябов на криволинейной MHJ13 с вертикальным участком / A.M. Столяров, А.С.

Казаков. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011.- 116 с.

21. Лисиенко, В.Г. Теплотехнические основы технологии и конструирования машин непрерывного литья заготовок / В.Г. Лисиенко, Ю.А. Са-мойлович. - Красноярск: Изд-во Красноярск, ун-та, 1986. - 120 с.

22. Нисковских, В.М. Машины непрерывного литья слябовых заготовок / В.М. Нисковских, Е.С. Карлинский, А.Д. Беренов. - М: Металлургия, 1991.-272 с.

23 Бойл, Р. Повышение качества сляба и производительности УНРС на основе ревизии системы вторичного охлаждения / Р. Бойл, Ю. Фрик // Новости черной металлургии за рубежом. - 2006. - № 5. - С. 35-38.

24. Куисонг, С. Изучение связи между условиями охлаждения по ширине сляба и осевой ликвацией / С. Куисонг, Ю. Гуангуанг, Ж. Жиюан // Новости черной металлургии за рубежом. - 2010. - № 4. - С. 40—42.

25. Poseo Pohang Steelworks: референц-лист проектов: официальный сайт компании Poseo Е&С. - 2012 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.poscoenc.com/uploadyE/BUSINESS/ENG_PLANT_2_l_3_l.pdf (дата обращения: 12.08.2014)

26. SMS Siemag: референц-лист: официальный сайт компании SMS Siemag. - 2014 [Электронный ресурс]. - URL: https://www.sms-group.com/downloads/S 1 -304E_Referenzen_Stranggiessanlagen.pdf (дата обращения: 12.08.2014)

27. Классификатор поверхностных дефектов листового проката, полученного из непрерывнолитых слябов: технологические инструкции сталеплавильного производства ОАО «Уральская Сталь». - Новотроицк, 2011.

28. Alizadeh, М. Mathematical Modeling of Heat Transfer for Steel Continuous Casting Process / M. Alizadeh, H. Edris, A. Shafyei // International Journal of ISSI. - 2006. - T. 3. -№ 2. - C. 7-16.

29. Мирсалимов, В.М. Напряженное состояние и качество непрерывного слитка / В.М. Мирсалимов, В.А. Емельянов. - М.: Металлургия, 1990. -151 с.

30. El-Bealy, M. Simulation of Cooling Conditions in Secondary Cooling Zones in Continuous Casting Process / M. El-Bealy, N. Leskinen, H. Fredriksson // Ironmaking and Steelmaking. -1995. - T. 3. - № 22. - C. 246-255.

31. Meng, Y. Heat transfer and Solidification Model of Continuous Slab Casting: CON1D/ Y. Meng, B. Thomas // Metallurgical and Materials Transactions. - 2003. - № 5. - C. 685-705.

32. Температурные напряжения в затвердевающем непрерывнолитом слитке при управляемом охлаждении / Ю. С. Постольник,

B. И. Тимошпальский, И. А. Трусова [и др.] // Литье и металлургия. - 2008. -№ 3. — С. 106-114.

33. Самойлович, Ю.А. Развитие теории прочности непрерывнолитых заготовок из низколегированной стали перитектического класса / Ю.А. Самойлович // Металлург. -2011. - № 2. - С. 43-49.

34. Математическое моделирование процессов загиба и разгиба непрерывнолитой заготовки / А.Н. Смирнов, C.B. Гридин, Ю.Н. Белоборов [и др.] // Металлургические процессы и оборудование. - 2009. - № 4. - С. 813.

35. Transient Simulation and Dynamic Spray Cooling Control Model for Continuous Steel Casting / R. Hardin, K. Liu, A. Kapoor [et. al] // Metallurgical and Materials Transactions B. - 2003. - T. 34B. - C. 297-306.

36. Zhang, Q. A Heat Transfer and Solidification Model of Continuous Cast / Q. Zhang, Y. Ladao // Advanced Materials Research. - 2010. - C. 154-155.

37. Тутарова, В.Д. Описание математической модели термонапряженного состояния непрерывнолитой заготовки / В.Д. Тутарова, Д.С. Сафонов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 69-й научно-технической конференции. - Магнитогорск. - 2011. -

C. 10-11.

38. Тутарова, В.Д. Математическое моделирование теплового состояния непрерывнолитой слябовой заготовки с учетом конструкционных особенностей МНЛЗ / В.Д. Тутарова, Д.С. Сафонов, Д.О. Бажуков // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2013. - № 1. - С. 3-5.

39. Тутарова, В.Д. Выбор рациональной схемы расстановки форсунок в зоне вторичного охлаждения MHJI3 / В.Д. Тутарова, Д.С. Сафонов // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах.-2013,-№ 1.-С. 76-79.

40. Simulation Using Realistic Spray Cooling for the Continuous Casting of Multi-component Steel / H. Shen, R. Hardin, R. MacKenzie [et. al] // Journal of Materials Science and Technology. - 2002. - Т. 18. - C. 123-128.

41. Hardin, R. Three-dimensional Simulation of Heat Transfer and Stresses in a Steel Slab Caster / R. Hardin, P. Du, C. Beckermann // Materials of Metec InStellCon conference. - 2001. - C. 16-20.

42. Тепловые процессы при непрерывном литье стали / Ю.А. Самой-лович, C.JI. Крулевецкий, В.А. Горяинов, З.К. Кабаков. - М.: Металлургия, 1982.- 152 с.

43. Борисов, В.Т. Теория двухфазной зоны металлического слитка / В.Т. Борисов. - М.: Металлургия, 1987. - 222 с.

44. Казаков, А.С. Совершенствование вторичного охлаждения непре-рывнолитых слябов на криволинейной машине с вертикальным участком: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.02 / Казаков Александр Сергеевич. - Магнитогорск, 2011.- 134 с.

45. Li, С. Thermomechanical Finite-Element Model of Shell Behavior in Continuous Casting of Steel / C. Li, B. Thomas // METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS. - 2004. - Т. 35B. - C. 57-60.

46. Zhou, X. Heat transfer during spray water cooling using steady experiment. Ph.D. thesis: University of Illinois at Urbana-Champaign / X. Zhou. - Ur-bana-Champaign, 2009.

47. Horsky, J. Measurement of heat transfer characteristics of secondary cooling in continuous casting / J. Horsky, M. Raudensky // Metal. - Hradec nad Moravici, Czech. - 2005. - C. 23-31.

48. Оптимизация конструктивных параметров форсунок серии "К" / А.И. Шарапов, В.И. Дождиков, А.Ю. Васютин [и др.] // Вести высших учебных заведений черноземья. - 2009. - С. 73-75.

49 Tanner, К. Comparison of Impact, Velocity,'Drop Size and Heat Flux to Redefine Nozzle Performance in the Caster / K. Tanner. - AISTech Conference Proceedings. -2004.-C. 1117-1120.

50. Новый стенд для исследования факела щелевых форсунок слябо-вых MHJ13 / Ю.М. Айзин, А.В. Куклев, В.А. Капитанов [и др.] // Сталь. -2003. -№ 12.-С. 25-26.

51. Тутарова, В.Д. Распределение плотности орошения плоскофакельной форсунки в зоне вторичного охлаждения MHJI3 / В.Д. Тутарова, А.Н. Шаповалов, Д.С. Сафонов // Металлург. - 2012. - № 6. - С. 49-52.

52. Chang, G. Research on the formation mechanism of internal crack in the continuous casting slab / G. Chang, G. Jin, S. Chen // Acta Metallurgica Sinica. - 2007. - № 7. - C. 35-39.

53. Голубев, M.C. Исследование теплообмена в роликах металлургических машин для совершенствования их теплового расчета: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.14.04 / М.С. Голубев. - Череповецк, 2009. - 16 с.

54 Шестаков, Н.И. Тепловые процессы при непрерывной разливке стали / Н.И. Шестаков. - М.: Черметинформация, 1992. - 268 с.

55. Калягин, Ю.А. Тепловые процессы при непрерывной разливке стали и в оборудовании машин непрерывного литья заготовок: дис. ... д-ра техн. наук: 05.14.04 / Ю.А. Калягин. - Череповецк, 2005. - 443 с.

56. Analysis of surface temperature and thermal stress field of slab continuous casting / X. Zhang, Z. Jiang, A. Tieu [et al.] // Advanced Materials Research. - 2009. - C. 554—559.

57. Самарский, А.А.Теория разностных схем / А.А. Самарский. - М. Наука, 1977.-656 с.

58. Weizhong, D. A Generalized Peaceman-Rachford ADI Scheme for Solving Two-Dimensional Parabolic Differential Equations / D. Weizhong// Journal of Scientific Computing. - 1997. -№. 12. - C. 353-360.

59. Горосткин, C.B. Совершенствование режимов вторичного охлаждения непрерывнолитого слитка в зоне вторичного охлаждения / С.В. Горосткин // Материалы межзаводской школы по омбену опытом специали-

стов сталеплавильного производства ОАО «ММК», ОАО «HJ1MK», ОАО «СеверСталь». - 2003. - № 3. - С. 21-24.

60. Журавлев, В.А. Теплофизика формирования непрерывного слитка / В.А. Журавлев, Е.М. Китаев. - М.: Металлургия, 1974. - 216 с.

61. Затвердевание и охлаждение непрерывного слитка/ Л.И. Урбанович, В.А. Емельянов, А.П. Гиря [и др.] // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1975. - № 7. - С. 56-58.

62. О механизме образования трещин на поверхности непрерывноли-тых слитков / Е.И. Ермолаева, Л.И. Урбанович, С.П. Угарова [и др.] // Известия АН СССР. Металлы. - 1981. - № 1. - С. 90-94.

63. Ray, Е. Learing XML / Е. Ray. - O'Reilly Media, 2003. - 418 с.

64. Vlist, E. XML Schema / E. Vlist. - O'Reilly Media, 2003. - 400 c.

65. Технологическая инструкция №13657842-СТ.ЭС-02-2011. - ОАО «Уральская сталь».

66. Экспериментальные исследования температуры поверхности непрерывнолитой слябовой заготовки / В.Д. Тутарова, А.Н. Шаповалов, Д.С. Сафонов [и др.] // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 2012. - № 3. - С.40-42.

67. Масальский, A.C. Исследование затвердевания стали в кристаллизаторе слябовой МНЛЗ с целью совершенствования температурно-скоростного режима разливки: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.16.02. / A.C. Масальский. - Магнитогоск, 2009. -16 с.

68. ОАО «Уральская Сталь». Операционная карта №13657842-СТ.ЭС-02-2010. - ОАО «Уральская сталь».

69. Логунова, О.С. Алгоритмизация расчета и выбора схемы и режимов охлаждения непрерывнолитой заготовки прямоугольного сечения / О.С. Логунова, В.А. Обрезков // Системы автоматизации в образовании, науке и производстве: тр. V Всерос. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: СибГИУ. — 2005, - С. 245-249.

70. Логунова, О.С. Программное обеспечение для выбора схемы расстановки форсунок по длине и ширине машины непрерывного литья загото-

вок / О.С. Логунова, М.Е. Эпштейн // Создание и внедрение корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации: сб. тр. Всерос. науч.-техн. конф. /под ред. Девятова Д.Х. -Магнитогорск: ИПЦ ООО Проф-принт, 2005. - Вып. 1. - С. 122 -126.

71. Логунова, О.С. Программное обеспечение для исследования влияния конструкции зон вторичного охлаждения МНЛЗ на формирование температурных полей заготовки / О.С. Логунова, А.А. Стороженко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VI Всерос. науч.-практ. конф. (с междунар. участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. - С. 251-256.

72. Логунова, О.С. Программное обеспечение исследования новых конструкций зон вторичного охлаждения / О.С. Логунова // Программные продукты и системы. - 2008. - № 3. - С. 76 - 79.

73. Логунова, О.С. Программное обеспечение для интерактивного проектирования и оценки работы зон вторичного охлаждения МНЛЗ / О.С. Логунова // Вестник ЮУрГУ. Сер. Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. - 2009. - Вып. 9. - С. 20 - 23.

74. Логунова, О.С. Моделирование теплового состояния бесконечно протяженного тела с учетом динамически изменяющихся граничных условий третьего рода / О.С. Логунова, И.И. Мацко, Д.С. Сафонов // Вестник ЮУрГУ. Сер. Математическое моделирование и программирование. — 2012. - №27 (286). - Вып. 13. - С. 74 - 85.

75. Логунова О.С. Cooling & Steel / О.С. Логунова, И.М. Ячиков // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010614764. Cooling & Steel / О.С. Логунова, И.М. Ячиков // ОБ ПБДТ. -2010,-№4.-С. 120.

76. Совершенствование технологии непрерывной разливки стали с целью снижения пораженности проката дефектом «рванина» / Д.Х. Девятое, В.Д. Тутарова, А.Н. Шаповалов, Д.С. Сафонов // Сталь. - 2013. - № 6. - С. 13-17.

77. Водяные форсунки нового типа для систем охлаждения MHJ13 /

B.И. Дождиков, A.M. Поживанов, В.Я. Губарев [и др.] // Сталь. - 1988. - № 2.-С. 36.

78. Исследование влияния высоты сопловой части на характеристики разбрызгивания форсунок серии «К» / C.B. Шабанов, В.И. Дождиков, А.Ю. Васютин, А.И. Шарапов // Нелинейная динамика технологических процессов и систем: сб. науч. тр. - Липецк: ЛГТУ, 2003. - С. 181-185.

79. Лапотышкин, Н.М. Трещины в стальных слитках / Н.М. Лапотыш-кин, A.B. Лейтес. -М.: Металлургия, 1969. - 120 с.

80. Энде, Г. Влияние типа установок непрерывной разливки с прямолинейным и криволинейным кристаллизаторами на качество заготовок / Г. Энде, Г. Вайт // Экспресс-информация. Черная металлургия. - 1973. - № 11. -С. 28-28.

81. Управление качеством непрерывнолитых заготовок: монография / Д.Х. Девятов, О.С. Логунова, В.Д. Тутарова [и др.]. - Магнитогорск: МГТУ, 2006. - 367 с.

82. Разумов, С.Д. Систематизация дефектов структуры непрерывноли- ■ той стали и пути их устранения / С.Д. Разумов, Е.В. Родионов, А.А Заверюха // Сталь. - 2002. - № 11. - С. 26-29.

83. Harste, К. Construction of a new vertical caster ad Dillinger Huttenwerke / К. Harste, J. Klingbeil, W. Schmitzea // Stahl und Eisen. - 1997. - № 11. - C. 73-79.

84. Борисов, B.T. Теория двухфазной зоны и ее применение к задачам непрерывного слитка / В.Т. Борисов, И.Н. Голиков, А.И. Манохин [и др.] // Неперывная разливка стали: Сб. науч. тр. - М.: Металлургия, 1974. - № 2. -

C. 5-15.

85. Девятов, Д.Х. Моделирование температурного поля в затвердевающем слитке на основе решения нелинейной задачи Стефана // Кристаллизация: компьютерные модели, эксперимент, технология: тез. науч.-техн. конференции. - Ижевск: Изд-во Удмурт, ун-та, 1994. - С. 89.

86. Девятов, Д.Х. Определение коэффициентов теплоотдачи в зоне вторичнрго охлаждения MHJI3 с помощью идентифицируемой математической модели / Д.Х. Девятов, И.И. Пантелеев // Известия вузов. Черная металлургия. - 1999. - № 8. - С. 62-65.

87. Многокритериальная оптимизация. Маметматические аспекты / Б.А. Березовский, Ю.М. Барышников, В.И. Борзенко [и др.]. - М.: Наука, 1986.-296 с.

88. Ногин, В.Д. Основы теории оптимизации / В.Д. Ногин. - М.: Высш. шк., 1986.-384 с.

89. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений: третье издание / Г. Буч, Р. Максимчук, М. Энгл [и др.]. - М.: Вильяме, 2010 г. - 720 стр.

90. Раскин, Д. Новые направления в проектировании компьютерных систем / Д. Раскин. - М.: Символ-Плюс, 2005. - 272 с.

91. Карташов, Л.П. Параметрический и структурный синтез технологических объектов на основе системного подхода и математического моделирования / Л.П. Карташов, Т.М. Зубкова. - Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - 227 с.

92. Ли, К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) / К. Ли. - СПб.: Питер, 2004. - 320 с.

93. Рогов, В.А. Методика и практика технических экспериментов / В.А. Рогов. - М.: Академия, 2005. - 288 с.

94. Новиков, A.M. Методология / A.M. Новиков, Д.А. Новиков. - М.: СИНТЕГ, 2007. - 668 с.

95. Буч, Г. Язык UML. Руководство пользователя / Г. Буч, Д. Рамбо, И. Якобсон. - 2-е изд. - М.: ДМК Пресс, 2006. - 486 с.

96. Сафонов, Д.С. Структура автоматизированной системы синтеза оптимальной конструкции секций вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок / Д.С. Сафонов, О.С. Логунова // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах. -2014.-№2.-С. 75-81.

97. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613889. Моделирование теплового состояния заготовки в MHJI3 / Д.С. Сафонов, В.Д. Тутарова, А.Н. Калитаев // Б ПБТ. - 2013. - № 2.-С. 393.

98. Модернизация системы вторичного охлаждения слябовой MHJI3 ОАО «Уральская Сталь» / A.B. Куклев, В.В. Тиняков, A.M. Логинов [и др.] //Металлург.-№2.-2011.-С. 39-41.

99. Выбор конструкции МНЛЗ и оценка тепловой работы зоны кристаллизации / A.B. Шапиро, В.Б. Ганкин, A.C. Смоляков [и др.] // Сталь. -2008.-№3.-С. 68-73.

100. Система вторичного охлаждения с регулировкой по ширине сляба / Л.В. Буланов, H.A. Юровский, В.В. Бусыгин [и др.] // Сталь. - 2013. - № 9. - С. 24-27.

101. Непрерывная разливка стали / А.П. Огурцов, А.Г. Величко, Е.И. Исаев, A.B. Гресс. - Днепродзержинск: ДГТУ, 1999. - 306 с.

102. Аттетков, A.B. Введение в методы оптимизации: учеб. пособие / A.B. Аттетков, B.C. Зарубин, А.Н. Канатников. - М.: Финансы и статистика: ИНФРА-М, 2008.-272 с.

103. Лемешко, Б.Ю. Методы оптимизации: конспект лекций / Б.Ю. Лемешко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - 126 с.

Приложение А. Фрагмёнты листинга программного кода

интерактивной системы анализа и синтеза оптимальных

проектных решений

Частичный листинг класса, реализующего процедуры прогностического моделирования и оптимизации:

package com.dsafonov.steelworks.model;

import com.dsafonov.steelworks.export.ExportUtils;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.ESide; import

com.dsafonov.steelworks.model.configuration.ISwModelConfiguration;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.ISwSteelParams;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.SwNozzle;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.SwNozzleRow;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.SwRoll;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.SwSection;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.impl.SwCoolingZone;

import java.io.File;

import java.util.ArrayList;

import java.util.Arrays;

import java.util.Collections;

import java.util.List;

import org.netlib.lapack.Dgtsv;

import org.netlib.util.intW;

import com.dsafonov.steelworks.model.configuration.SwCoolingLoop;

import j ava.io.ByteArrayOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.nio.file.Files;

import java.util.HashMap;

import java.util.Map;

import java.util.TreeMap;

import jxl.Workbook;

import jxl.write.Label;

import jxl.write.WritableSheet;

import jxl.write.WritableWorkbook;

import jxl.write.WriteException; j * *

*

* @author dsafonov

V

public class SwModel extends SwAbstractModel implements IExternalTemp-Provider {

private static final double MAX_RELATIVE_ERROR = le-3;

private static final double EPS = le-9;

private static final boolean DEBUG_CRITERIA_VAL = false;

private static final int PRECALC_T_MAX = 1600;

private static final double CORNER_ZONE_LEN_MM = 50;

private static final int FULL_CHECK_STEP_MM = 50;

private final double DATA_RECORDING_INTERVAL_M = 1. / 100;

private final double RECORD_GRID_SIZE_X_M = 1. / 100;

private final double RECORD_GRID_SIZE_Y_M = 1. / 100;

private final double crHeat;

private final double licuidHc;

private final double licuidLambda;

private final double licuidLambdaMultiplied;

private final double liquidTemp;

private final double solidHc;

private final double solidLambda; private final double solidTemp; private final ISwSteelParams steel; private final int stopAfterSection; private final doublet] temperatureUd; private final doublet] prevTemperatureUd; private final doublet][] thisNeumannBoundary; private final doublet][] nextNeumannBoundary; private final doublet][] thisAlpha; private final doublet][] nextAlpha;

private final EHeatTransferType[][] thisTypeHolder; private final EHeatTransferType[][] nextTypeHolder; private final doublet][] nextNeumannBoundaryActual; private final int timeStepMillis;

private final SwMatrixDescriptor matrixDescriptor; private final SwCoolingZone zone;

private final DgtsvSolver solver = new DgtsvSolver();

private final doublet] rhs;

private final double hm;

private final double hm_sqr;

private final double dim;

private final double widthMm;

private final double heightMm;

private double currentLenFromSectionStartMm;

private final int stepCount;

private final int size;

private final int na;

private final int nb;

private SwSection currentSection;

private int currentSectionlndex = -1;

private SwNozzleRow lastSeenTopRow;

private SwNozzleRow currentTopRow;

private SwNozzleRow currentBottomRow;

private SwRoll currentTopRoll;

private SwRoll currentBottomRoll;

private SwNozzleRow currentLeftRow;

private SwNozzleRow currentRightRow;

private SwRoll currentLeftRoll;

private SwRoll currentRightRoll;

private final doublet] precalcHalfR = new double[PRECALC_T_MAX

private final int lrldx[][]; private final int udldx[] []; //results recording private final double final double final double final double final double double

private private private private private final private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double private final double

recordDistanceM;

alphaWTopSnapshots; alphaWBottomSnapshots ; alphaHLeftSnapshots; alphaHRightSnapshots ; heatWTopSnapshots; heatWBottomSnapshots; heatHLeftSnapshots; heatHRightSnapshots; meanTempTopSnapshots; meanTempBottomSnapshots; meanTempLeftSnapshots; meanTempRightSnapshots; liquidVSnapshots; leftStrandThicknessMmSnapshots; topStrandThicknessMmSnapshots; [][] temperatureSnaphosts; criteriaSnapshots; criteriaSnapshotsPosM;

private int criteriaSnapshotsCount;

private final Map<Long, List<CriteriaRecord>> criteriaAfterRowSnap-

shots;

private final Map<Long, List<CriteriaSearchStepRecord>> crite-riaSearchPath;

private final int snapshotWPointsCount; private final int snapshotHPointsCount; private int recordsCount = 0; private double lastRecordDistance = -1000; private int forceRecordingToStep = -1; private final doublet] heatByNozzle; private final doublet] heatByRoll; private final doublet] heatByOther; private double curHeatDensity = 0; private double curHeatByNozzle = 0; private double curHeatByRoll = 0; private double curHeatByOther = 0; private double curSByNozzle = 0; private double curSByRoll = 0; private double curSByOther = 0; private boolean autoCaptureHeat = false; private double curSLenM = 0; //optimization

private final IOptimizer optimizer; //temporary

private final doublet][] detailedAlphaLog; private int detailedRecordsCount = 0; private double curLiquidV = 0; //

private Map<ESide, List<AlphaMinMaxRecord» side2AlphaMinMax; private List<Integer> equivalentTopAlphaSnaphosts = new Ar-rayListo ( ) ;

private double curEquivalentTopAlpha = 0;

private final CriteriaCalculator criteriaCalculator;

//Инициализация переменных, установка начальных значений public SwModel(ISwModelConfiguration configuration) { super(configuration);

zone = new SwCoolingZone (configuration.getCoolingZone()); stopAfterSection = getConfigura-tion().getCalculatxonParameters().getStopAfterSection();

crHeat = configuration.getSteelParameters().getCrHeat(); solidHc = configuration.getSteelParameters().getSolidHc(); licuidHc = configuration.getSteelParameters().getLicuidHc(); solidLambda = configuration .getSteelParameters( ) .getSolidLambda();

licuidLambda = configuration . getSteelParameters ( ) .getLicuidLambda();

steel = configuration.getSteelParameters();

solidTemp = SteelParamsCalculator.calcSolidusTemp(steel);

liquidTemp = SteelParamsCalculator.calcLiquidusTemp(steel);

licuidLambdaMultiplied = CalculationMethod-ic.LICUID_LAMBDA_MULTIPLIER * licuidLambda;

na = configuration.getCalculationParameters().getWidthMm() / configuration.getCalculationParameters().getXYStepMm() + 1;

nb = configuration.getCalculationParameters().getHeightMm() / configuration.getCalculationParameters().getXYStepMm() + 1; size = na * nb;

matrixDescriptor = new SwMatrixDescriptor(size);

temperatureUd = new double[size]; prevTemperatureUd = new double[size]; rhs = new double[size];

widthMm = 1. * configuration .getCalculationParameters().getWidthMm();

heightMm =1. * configuration . getCalculationParameters ().getHeightMm(); lrldx = new int[na][nb] ; udldx = new int[na][nb] ;

hm = configuration.getCalculationParameters().getXYStepMm() /

1000.;

hm_sqr = hm * hm; final int strandMm = configuration .getCalculationParameters().getStrandMm();

final int cornerTemp = configuration .getCalculationParameters().getlnitCornerTemp();

final int tws = (int) (cornerTemp + strandMm / COR-NER_ZONE_LEN_MM * (configuration . getCalculationParameters ( ) .getlnitWideTemp() - cornerTemp)) ;

final int tns = (int) (cornerTemp + strandMm / COR-NER_ZONE_LEN_MM * (configuration . getCalculationParameter s ( ) .getlnitNarrowTemp() - cornerTemp)); for (int i = 0; i < na; i++) {

for (int j = 0; j < nb; j++) {

double InMm = (i>na/2?na-l-i : i) *hm*

1000; 1000;

double lwMm =(j>nb/2?nb-l-j : j) * hm *

if (InMm > strandMm && lwMm > strandMm) {

temperatureUd[getUd(i, j)] = liquidTemp; } else {

final int narrowTemp = (int) (lwMm > .CORNE R_ZONE_LEN_MM ? configuration . getCalculationParameters (). getlnitNarrowTemp ( ) : cornerTemp + lwMm / CORNER_ZONE_LEN_MM * (configuration . getCalculationParameters ( ) .getlnitNarrowTemp() - cornerTemp));

final int wideTemp = (int) (InMm > COR-NER_ZONE_LEN_MM ? configuration.getCalculationParameters() .getlnitWideTemp ( ) : cornerTemp + InMm / CORNER_ZONE_LEN_MM * (configuration . getCalculationParameters ( ) .getlnitWideTemp() - cornerTemp));

if (InMm > strandMm) {

temperatureUd[getUd(i, j)] = wideTemp + lwMm / strandMm * (liquidTemp - wideTemp);

} else if (lwMm > strandMm) {

temperatureUd[getUd(i, j)] = narrowTemp + InMm / strandMm * (liquidTemp - narrowTemp);

} else if (InMm + lwMm > strandMm / 2) {

temperatureUd[getUd(i, j)] = interpolate3d (0, strandMm, tns, strandMm, 0, tws, strandMm, strandMm, liquidTemp, InMm, lwMm);

} else {

temperatureUd[getUd(i, j)] = interpolate3d(0, strandMm, tns, strandMm, 0, tws, 0, 0, cornerTemp, InMm, lwMm);

)

}

temperatureUd[getUd(i, j)] -= Math.sqrt((i - na / 2) * (i - na / 2) + (j - nb / 2) * (j - nb / 2)) / Math.sqrt((na / 2) * (na / 2)

+ (nb / 2) * (nb / 2) ) ;

}

}

System.arraycopy(temperatureUd, 0, prevTemperatureUd, 0, temperatureUd . length) ;

thisNeumannBoundary = new double[4] []; nextNeumannBoundary = new double[4][]; thisAlpha = new double[4] []; nextAlpha = new double[4] [];

thisTypeHolder = new EHeatTransferType [ 4] [ ];

■nextTypeHolder = new EHeatTransferType[4] []; nextNeumannBoundaryActual = new double[4] []; for (int i = 0; i < 4; i++) { int sz = i < 2 ? nb : na; thisNeumannBoundary[i] = new double[sz]; nextNeumannBoundary[i] = new double[sz]; thisAlpha[i] = new double[sz]; nextAlpha[i] = new doublefsz];

thisTypeHolder[i] = new EHeatTransferType[sz]; nextTypeHolder[i] = new EHeatTransferType[sz]; nextNeumannBoundaryActual [i] = new double [sz];

}

//distance that slab covers each step, m

dim = configuration.getCalculationParameters().getZStepMmO /

1000.;

timeStepMillis = (int) (dim / configuration . getCalculationParameters (). getSpeedMMin ( ) * 60 * 1000);

stepCount = (int) Math.ceil (1. * (zone.getTotalLength()) / 1000

/ dim);

final int maxRecordsCount = (int) Math.ceil(dim / DA-TA_RECORDING_INTERVAL_M * stepCount) + 500;//+500 for forced records

snapshotWPointsCount = (int) Math.ceil (configuration.getCalculationParameters().getWidthMmO / 1000. / DATA_RECORDING_INTERVAL_M) + 1;

snapshotHPointsCount = (int) Math.ceil(configuration.getCalculationParameters().getHeightMm() / 1000. / DATA_RECORDING_INTERVAL_M) + 1;

recordDistanceM = new double[maxRecordsCount]; alphaWTopSnapshots = new double [maxRecordsCount] [snapshotWPointsCount];

alphaWBottomSnapshots = new double [maxRecordsCount] [snapshotWPointsCount];

alphaHLeftSnapshots = new double [maxRecordsCount] [snapshotHPointsCount];

alphaHRightSnapshots = new double [maxRecordsCount][snapshotHPointsCount];

heatWTopSnapshots = new double [maxRecordsCount] [snapshotWPointsCount];

heatWBottomSnapshots = new double [maxRecordsCount] [snapshotWPointsCount];

heatHLeftSnapshots = new double [maxRecordsCount][snapshotHPointsCount];

heatHRightSnapshots = new double [maxRecordsCount] [snapshotHPointsCount];

meanTempTopSnapshots = new double[maxRecordsCount]; meanTempBottomSnapshots = new double[maxRecordsCount]; meanTempLeftSnapshots = new double[maxRecordsCount]; meanTempRightSnapshots = new double[maxRecordsCount]; liquidVSnapshots = new double[maxRecordsCount]; leftStrandThicknessMmSnapshots = new double[maxRecordsCount]; topStrandThicknessMmSnapshots = new double[maxRecordsCount]; temperatureSnaphosts = new double [maxRecordsCount] [snapshotWPointsCount][snapshotHPointsCount];

for (int i = 0; i < configuration . getCoolingZone () . getSections (). size () ; i++) {

equivalentTopAlphaSnaphosts.add(0);

}

heatByNozzle = new double[maxRecordsCount]; heatByRoll = new double[maxRecordsCount]; heatByOther = new double[maxRecordsCount];

if (zone.getOptimizationTask() != null) {

switch (zone.getOptimizationTask().getType()) { case NOZZLE_SCHEME:

optimizer = new NozzleRowOptimizer (); break; case WATER_FLOW:

optimizer = new WaterFlowOptimiz-er(zone.getOptimizationTask( ) ) ;

break; default :

optimizer = null;

}

} else {

optimizer = null;

}

detailedAlphaLog = new double[100][snapshotWPointsCount];

side2AlphaMinMax = new HashMap<>(); for (ESide side : ESide.values()) {

final List<AlphaMinMaxRecord> records = new ArrayListo ( ) ; for (int i = 0; i < getConfigura-tion () .getCoolingZone() .getSections() .size(); i++) {

records.add(new AlphaMinMaxRecord()) ;

}

side2AlphaMinMax.put(side, records);

}

criteriaAfterRowSnapshots = new TreeMap<>(); final int maxNozzleRows = 200;

criteriaSnapshots = new double[maxNozzleRows]; criteriaSnapshotsPosM = new double[maxNozzleRows];

criteriaSearchPath = new TreeMap<>();

this.criteriaCalculator = new CriteriaCalcula-tor (getCriteriaDataProvider( ) ,

ECriteriaType.DISP_AND_SYMMETRY, configuration .getCalculationParameters().getAUniform(),

configuration.getCalculationParameters().getASymmO , configuration.getCalculationParameters().getDepthMm());

precalc();

updateCurrentZone();

}

private ModelState captureState(boolean useNextStep) { return new ModelState(this, useNextStep);

)

private void restoreFromState(final ModelState modelState) { System.arraycopy(modelState.temperatureUd, 0, this.temperatureUd, 0, this.temperatureUd.length);

this.currentSectionlndex = modelState.currentSectionlndex; this.recordsCount = modelState.recordsCount; this.lastRecordDistance = modelState.lastRecordDistance; this.curHeatDensity = modelState.curHeat; this.curHeatByNozzle = modelState.curHeatByNozzle; this.curHeatByOther = modelState.curHeatByOther; this.curHeatByRoll = modelState.curHeatByRoll; this.curLiquidV = modelState.curLiquidV; this.side2AlphaMinMax = modelState.side2AlphaMinMax; this.curEquivalentTopAlpha = modelState.curEquivalentTopAlpha; this.criteriaSnapshotsCount = modelState.criteriaSnapshotsCount;

setCurrentStep(modelState.currentStep);

updateCurrentZone ();

(¡Override

public void cleanup () { //do nothing

}

// расчет вспомогательных значений для определения граничных условий при численном решении уравненния теплопроводности по схеме Писмена-Рекфорда

private double getThisG(ESide side, int index) { if (index == -1) { index = 0;

}

if (index == thisNeumannBoundary[side.ordinal()].length) { index--;

}

return thisNeumannBoundary[side.ordinal()][index];

}

private double getNextG(ESide side, int index) { if (index == -1) { index = 0;

}

if (index == nextNeumannBoundary[side.ordinal ()].length) { index--;

}

return nextNeumannBoundary[side.ordinal()][index];

}

private double getAuxG(ESide side, int index) {

return 0.5 * (getThisG(side, index) + getNextG(side, index) + getHalfR(side, index)

* ( (getThisG(side, index + 1) - 2 * getThisG(side, index) + getThisG(side, index - 1))

+ (getNextG(side, index +1) - 2 * getNextG(side, index) + getNextG(side, index - 1)))); }

// расчет вспомогательных значений для определения граничных условий при численном решении уравненния теплопроводности по схеме Писмена-Рекфорда

private double getHalfR(final ESide side, int index) { switch (side) { case LEFT:

return getHalfR(prevTemperatureUd[getUd(0, index)]); case RIGHT:

return getHalfR(prevTemperatureUd[getUd(na - 1, index) ] ) ;

case TOP:

return getHalfR(prevTemperatureUd[getUd(index, 0)]); case BOTTOM:

return getHalfR(prevTemperatureUd[getUd(index, nb -

1)]);

}

throw new IllegalArgumentException();

}

private double getHalfR(final double t) { return precalcHalfRf(int) t];

}

//Расчет вспомогательных значений для построения трехдиагональной СЛАУ

private double calcHalfR(final double t) {

return 0.5 * getLambda(t) * timeStepMillis / 1000 / (steel.getRo() * getC(t) * hm_sqr); 1

//определение теплоемкости в зависимости от температуры private double getC(double t) { if (t >= liquidTemp) {

return licuidHc; } else if (t > solidTemp) {

double psi = (liquidTemp - t) / (liquidTemp - solidTemp); return solidHc * psi

+ licuidHc * (1 - psi) + crHeat / (liquidTemp -

solidTemp)

solidTemp) psi) ;

} else {

return solidHc;

}

}

//определение теплопроводности в зависимости от температуры private double getLambda(double t) { if (t >= liquidTemp) {

return licuidLambdaMultiplied; } else if (t > solidTemp) {

final double psi = (liquidTemp - t) / (liquidTemp -

return solidLambda * psi + licuidLambdaMultiplied * (1

} else {

return solidLambda;

private int getPointCount(ESide side) { switch (side) { case LEFT: case RIGHT:

return nb; case TOP: case BOTTOM: return na;

1

throw new IllegalArgumentException ();

private void calculateFirstDirection() throws InterruptedException

{

matrixDescriptor.clear() ;

fillFirstDirectionlnnerCoefficients(1, na - 1, 1, nb - 1); fillFirstDirectionBoundaryCoefficients() ;

double[] resultLr = solver.solve(matrixDescriptor, rhs); int lr_idx = 0;

for (int ud_idx = 0; ud_idx < size; ud_idx++) { temperatureUd[ud_idx] = resultLr[lr_idx]; lr_idx += na; if (lr_idx >= size) { lr_idx -= size; lr_idx++;

}

}

}

private void fillFirstDirectionlnnerCoefficients(int il, int i2, int jl, int j2) {

assert il > 0; assert jl > 0; assert i2 <= na - 1;

assert j2 <= nb - 1;

int lr; int ud; double hr;

for (int I = il; I < i2; i++) {

for (int j = jl; j < j 2; j++) { lr = lrldx[i][j]; ud = udldx[i][j];

hr = getHalfR(temperatureUd[ud]);

matrixDescriptor.setRow(lr, -hr, 1 + 2 * hr, -hr) ; rhs[lr] = getBasicRhsFirstDirection(I, j, hr) ;

}

}

}

int[] getPointCoords(ESide side, int p) { switch (side) { case LEFT:

return new int[]{0, p}; case RIGHT:

return new int[]{na - 1, p}; case TOP:

return new int[]{p, 0}; case BOTTOM:

return new int[]{p, nb - 1};

}

throw new IllegalArgumentException ();

}

//заполнение строк СЛАУ, соответсвующих граничным условиям, на первом промежуточном шаге решения уравнеия теплопровдности private void fillFirstDirectionBoundaryCoefficients () { int i = 0, j = 0, lr = 0; double hr = 0; int[] pointCoords;

for (ESide side : ESide.values ()) { int pCount = getPointCount(side); for (int p = 0; p < pCount; p++) {

pointCoords = getPointCoords(side, p); i = pointCoords[0]; j = pointCoords[1] ; lr = getLr(i, j); hr = getHalfR(side, p); if (i == 0) {

if (side — ESide.LEFT) {

matrixDescriptor.setRowNoSubDiagonal(lr, 1+2

* hr, -2 * hr);

rhs[lr] = -2 * hr * hm * getAuxG(side, j)

+ getBasicRhsFirstDirection(i, j, hr);

}