Введение к работе
Актуальность работы. Современное состояние металлургий и перспективы ее развития требуют совершенствования существующих процессов и разработки принципиально новых, экологически безопасных и экономически эффективных процессов и агрегатов, гибких в управлении и эксплуатации.
Достижение указанных требований возможно путем создания оптимальных условий для управляемого интенсивного физико-химического взаимодействия фаз в струйно-эмульсионньгх металлургических системах, что является многокритериальной задачей оптимизации, которая остается центральной в области теории и практической реализации технологий получения металлов.
Одним из научных направлений решения данной проблемы является применение принципов теории самоорганизации, позволяющих с единых методологических позиций исследовать и создавать высокоэффективные синергетические объекты за счет осуществления функционирования процесса в текущем неравновесном состоянии, которому соответствует наименьшее производство энтропии, что и должно быть результатом решения задачи оптимизации в плане развития эволюции систем.
Поэтому актуальной является разработка теоретических основ таких технологий, методов и инструментальных средств решения многокритериальных задач оптимизации на базе результатов, полученных при исследовании окислительно-восстановительных процессов в струйно-эмульсионных металлургических системах, а также достижений в смежных научных направлениях и в области новых информационных технологий.
Работа выполнена в соответствии с планами хоздоговорных и госбюджетных НИР Сибирского государственного индустриального университета в рамках: межвузовской целевой научно-технической программы "Металл", раздел 04, тема 04.03.04; целевой государственной программы Госкомитета РФ "Социально-экономические проблемы научно-технического прогресса Кузбасса"; региональной программы Минобразования РФ "Кузбасс", подпрограмма "Новые материалы"; региональной программы Миннауки РФ "Высшая школа Кузбасса"; научно-технической программы Минобразования РФ "Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии", направление 3; единого заказ-наряда Минобразования РФ; конкурса двух грантов Минобразования РФ по фундаментальным проблемам металлургии, раздел "Производство черных и цветных металлов и сплавов".
Цель работы. Разработка методологических, теоретических основ и прикладных инструментальных средств оптимизации технологий
получения металла в струйно-эмульсионных системах путем совершенствования режимов существующих и создания принципиально новых металлургических процессов.
Научная новизна. Дано системное представление процесса решения проблемы оптимизации технологий получения металла путем реализации непрерывного циклического взаимодействия задач исследования, моделирования, оптимизации и обучения.
Установлено, что проявление в существующих металлургических агрегатах механизмов самоорганизации характеризует большие потенциальные ресурсы развития тепломассообменных .процессов. Обоснована с позиций эволюции систем возможность создания высокоэкономичного металлургического процесса, который должен протекать в агрегате, где за счет конструктивных и режимных параметров достигается текущее неравновесное стационарное состояние с наименьшим производством энтропии.
Сформулированы основные особенности синергетического подхода к решению задач исследования и создания объектов на основе представления структуры "агрегат - процесс - внешние потоки" как объемлющей системы, основными элементами которой являются: множество конструктивных параметров, механизмы взаимодействия системы с окружающей средой, параметры состояния и время, характеризующее динамику процессов.
Разработаны схема и формально-содержательное представление процессов взаимодействия фаз, рассмотрены основы построения математических моделей процессов применительно к гидродинамическим условиям реактора проточного струйно-эмульсионного типа с высоким газосодержанием. Предложены механизмы и разработаны математические модели, описывающие пульсирующие процессы взаимодействия капли металла со шлаковой и газовой фазами, особенностью которых является рассмотрение и описание процессов обмена систем с окружающей средой.
Разработаны методика высокотемпературного моделирования окислительно-восстановительных процессов в эмульсионной системе на основе комплексного использования результатов дискретных, непрерывных измерений и расчетных переменных и методика экспериментального исследования процессов в шлаковой эмульсии промышленного агрегата на основе анализа свободного движения системы "металл-шлак".
Разработаны теоретические основы, функциональная структура и технологическая компоновка химико-металлургического реактора-осциллятора на основе пршщипов самоорганизации, фундаментальных свойств обратимости химических реакций, зависимости критической
скорости течения в канале двухфазных потоков от соотношения фаз и взаимосвязи параметров состояния с режимами обмена реактора с окружающей средой.
Теоретически обоснована и решена задача создания процесса непрерывного получения металла, основанного на совместном функционировании струйных и эмульсионных систем, путем размещения в пространстве и времени реакционных зон (реакторов) с преобладающим развитием в каждой зоне процессов, выполняющих определенные функции по наилучшему достижению совокупности конечных показателей.
Решена задача многокритериальной оптимизации технологий непрерывного получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах с учетом физико-химических, технологических, технико-экономических критериев и критерия эволюции систем - производства энтропии на единицу выпускаемой продукции.
Практическая значимость. Полученные при выполнении работы результаты могут найти практическое применение: для совершенствования технологических режимов и систем управления металлургическими объектами; при разработке и проектировании принципиально новых экологически безопасных непрерывных металлургических агрегатов, типовых модулей и технологических комплексов для получения металла и других видов продукции из пылевидных материалов и отходов промышленных предприятий; при создании и развитии прикладных инструментальных систем исследования, моделирования и обучения с учетом программных и технических возможностей современных информационных технологий.
Реализация результатов. Технологические режимы выплавки стали в кислородном конвертере с программным изменением положения фурмы, алгоритмы и системы реализованы и использованы в ККЦ № 2 ОАО "ЗСМК". В результате внедрения работ с участием автора в качестве ответственного исполнителя и руководитехш в целом за 1981-1988 г.г. за счет увеличения выхода годного металла, экономии металлошихты и материалов, повышения качества металла получен общий долевой экономический эффект Сибирского металлургического института более 1,4 млн. рублей в ценах указанного периода.
На основе теоретических разработок, математических моделей, методик и результатов расчета технологических и конструктивных параметров совместно со специалистами Сибгипромеза и ОАО "ЗСМК" спроектирована крупномасштабная опытная установка непрерывного металлургического процесса, которая построена в ККЦ № 2. Результаты проведения серии автоматизированных экспериментов на этой ус-
тановке показали принципиальную возможность осуществления в одном агрегате различных вариантов технологий получения металла.
Автоматизированная тренажерно-обучающая система по кислородно-конвертерному процессу с верхней продувкой внедрена: во Всесоюзном научно-исследовательском институте профессионально-технического образования (г. Санкт-Петербург, 1989 г.), в Днепродзержинском индустриальном институте (г. Днепродзержинск, Украина, 1990 г.), в Днепропетровской экспериментальной лаборатории и двух техникумах Украины металлургического профиля (г. Днепропетровск, Украина, 1991 г.), в Карагандинском металлургическом институте (г. Темиртау, Республика Казахстан, 1994 г.).
. На Карагандинском металлургическом комбинате (г. Темиртау, Республика Казахстан, 1991 г.) внедрены: система обработки опытных данных; автоматизированные тренажерно-обучающие системы по кислородно-конвертерному процессу с верхней продувкой и двухшлако-вому процессу с фосфористым переделом.
В Сибирском государственном индустриальном университете теоретические положения работы, математические модели, методики исследований и принципы разработки систем включены в курсы лекций "Моделирование и оптимизация металлургических процессов", "Новые металлургические процессы", "Информационные технологии в металлургии", "Технологии и математическое описание основных металлургических переделов", "Модели и механизмы самоорганизации". Автоматизированные и инструментальные системы: "Автоматизированная тренажерно-обучающая система по кислородно-конвертерному процессу" (1989 г.); "Система обработки экспериментальных данных" (1990 г.); "Инструментальные системы моделирования и расчета физико-химических систем и технологических процессов" (1995 г.), созданные под научным руководством автора, используются при проведении лабораторных, практических занятий, в курсовом, дипломном проектировании, при проведении государственного экзамена по специальности.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
системное представление проблемы оптимизации технологий и си-нергетический подход к решению задач исследования и создания объектов;
методика решения многокритериальной задачи оптимизации технологий получения металла в струйно-эмульсиошшх системах;
структуры и принципы построения прикладных инструментальных систем исследования, моделирования и обучения;
схема взаимодействия фаз и основы математического описания процессов применительно к гидродинамическим условиям проточного реактора струйно-эмульсионного типа с высоким газосодержанием;
методики и результаты математического моделирования, высокотемпературного и промышленного исследования процессов в струй-но-эмульсионных системах;
принцип действия, функциональная структура и технологическая компоновка химико-металлургического реактора-осциллятора;
теоретические положения по созданию непрерывного металлургического процесса на основе принципов самоорганизации и технологии получения металла;
результаты решеїшя задачи многокритериальной оптимизации технологий непрерывного получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах;
технологические схемы, рекомендации по применению технологий, результаты практического внедрения.
Автору принадлежит формулировка задач оптимизации, разработка методологических положений, теоретических основ процесса и технологий получения металла в струйно-эмульсионных системах, математических моделей процессов, методик расчета и исследований, создание структур инструментальных систем, участие в проведении экспериментов, обработка и обобщение результатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались па Всесоюзной научно-технической конференции "Пятилетке качества и эффективности труд и поиск молодых металлургов" (Тула, 1978), IX Всесоюзном научно-техническом совещании "Создание и внедрение систем управления непрерывными и дискретно-непрерывными технологическими процессами" (Иваново-Франковск, 1980), Всесоюзных научных конференциях "Тепло- и массообмешше процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов" (Жданов,. 1982, 1986), Всесоюзном научно-практическом семинаре "Опыт использования распределенных систем управления технологическими процессами и производством" (Новокузнецк, 1986), Всесоюзной научно-практической конференции "Социально- экономические проблемы достижения коренного перелома эффективности развития производительных сил Кузбасса" (Кемерово, 1988), втором Всесоюзном совещании "Применение ЭВМ в научных исследованиях и разработках" (Днепропетровск, 1989), Всесоюзном совещании "Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий" (Курган, 1990), Всесоюзном совещании "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии" (Новокузнецк, 1991), VII Всесоюзной школе-
семинаре "Применение математических методов для описания и изучения физико-химических равновесий" (Новосибирск, 1992), VIII Международной научно-технической конференции "Теория и практика кислородно-конвертерных процессов" (Днепропетровск, 1994), второй Международной научно-практической конференции "Реформирование экономики региона: опыт, проблемы, перспективы" (Кемерово, 1996), Международной научно-технической конференции "Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология" (Новокузнецк, 1996), Международном конгрессе R'97 "Recovery Recycling Re-integration" (Geneva, Switzerland, 1997), Международной научно-практической конференции "Современные проблемы и пути развития металлургии" (Новокузнецк, 1997).
Публикации: результаты диссертации опубликованы в 63 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них 4 авторских свидетельства, патент СССР, патент США, Европейский патент, заявительные патенты Японии и Южной Кореи.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и приложения. Изложена на 415 страницах, содержит 118 рисунков, 36 таблиц, список литературы из 352 наименований.