Введение к работе
Актуальность работы. Возрастающие потребности общества в цветных металлах и обеднение сырьевой базы вызывают необходимость увеличения производства металлов на основе исследования и оптимизации существующих и разработки новых технологий их получения. Проектная мощность многих действующих предприятий цветной металлургии, в том числе электродной отрасли, работающих в рыночных условиях, значительно превышена, поэтому актуальными являются работы по их совершенствованию и разработке новых технологий и оборудования.
Эффективным путём решения проблемы поиска оптимальных технологических режимов и обеспечения стабильной работы технологического оборудования на этих режимах является разработка математических моделей металлургических процессов, позволяющих без проведения сложных и дорогостоящих лабораторно-промышленных экспериментов проводить исследования и совершенствовать металлургические технологии методом вычислительного эксперимента.
Математическому моделированию тепловой работы промышленных печей и материальных балансов технологических процессов посвящены труды многих отечественных исследователей: Ю.А. Суринова, В.А. Арутюнова, В.В. Бухмирова, С.А. Крупенникова, В.Г. Лисиенко, В.В. Кафарова, В.Л. Перова, В.П. Мешалкина, Г.М. Островского, М.И. Алкацева и других. Исследование и моделирование процессов, проводимых во вращающихся печах, выполняли Е.И. Ходоров, A.M. Давидсон, А.Л. Рутковский и другие. Однако, несмотря на достигнутый уровень в области математического моделирования, и в связи со сложностью и многообразием металлургических процессов, нерешённым остаётся ряд вопросов. К ним относятся:
разработка математических моделей совмещённых тепловых и массо-обменных процессов для термообработки во вращающихся барабанных печах;
создание более информативных математических моделей и повышение точности моделирования;
разработка альтернативных методов автоматизированного построения материальных балансов металлургических процессов и другие.
Качество моделирования в основном определяется информативностью, точностью и полнотой воспроизведения математической моделью исследуемого объекта. Поэтому развитие и совершенствование теории, методологии и практики построения математических моделей металлургических технологических систем с целью использования их для исследования, совершенствования и оптимизации действующих и разработки новых технологий, в проектировании и контроле производств, а также конструировании металлургических аппаратов является актуальной научно-технической проблемой.
Объектом исследования являются металлургические технологические процессы заготовительного передела производства графитированной электродной продукции, математические модели и методология построения материальных балансов металлургических технологических систем.
Предметом исследования являются общие для многих металлургических процессов математические модели, разработанные на примере процессов заготовительного передела производства графитированной электродной продукции, методы и алгоритмы автоматизированного построения материальных балансов металлургических технологических систем.
Цель работы - развитие теории, построение математических моделей, исследование вычислительными, промышленными и лабораторными экспериментами и совершенствование технологии процессов заготовительного передела производства графитированной электродной продукции, а также создание методов и средств автоматизированного построения материальных балансов металлургических технологических систем.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
построение комплекса математических моделей технологической системы «Прокаливание углеродистых материалов во вращающейся печи»;
совершенствование теории и методов расчёта радиационного обмена, с разработкой новых алгоритмов расчёта угловых и обобщённых угловых коэффициентов излучения;
разработка технологии, исследование и поиск оптимальных режимов процесса прокаливания углеродистого сырья в аппаратном комплексе «подогреватель - вращающаяся печь»;
моделирование и совершенствование управления процессом тонкого сухого помола кокса в шаровой мельнице с использованием зонального метода и исследование взаимосвязи газопроницаемости и гранулометрического состава полидисперсной шихты;
разработка методов автоматизированного построения материальных балансов металлургических технологических систем (МТС) и процессов;
Методология и методы исследования
С целью построения моделей и проведения исследований использовали методы математического программирования, зональный метод расчёта теплообмена в объектах с распределёнными параметрами, имитационного моделирования, корреляционного и регрессионного анализа, алгебры угловых коэффициентов излучения, интегрирования по контуру поверхностей теплообмена и другие апробированные методы.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методологии, математических моделей и алгоритмов моделирования металлургических технологических систем и процессов, в получении новых результатов по термообработке во вращающихся печах, измельчению в барабанной печи и шихтовке материалов.
Основные научные результаты диссертационного исследования состоят в том, что:
-
Разработан комплекс математических моделей процесса термообработки не инертных материалов во вращающейся печи, отличающийся от известных тем, что совмещает уравнения тепловой работы печи, физико-химических превращений, движения материала и формирования качества продукта.
-
Получены дифференциальные кинетические уравнения горения газообразного топлива в одномерном факеле, с применением которых исследованы закономерности выгорания в промышленных агрегатах в широком диапазоне влияющих параметров.
-
Впервые разработан метод анализа сложных систем радиационного обмена с целью синтеза систем уравнений для расчёта значений угловых коэффициентов излучения и минимизации количества дополнительно используемых для этого зависимостей, не основанных на свойствах коэффициентов: взаимности, замкнутости и аддитивности.
-
В результате проведённых в диссертации исследований впервые синтезированы математические модели и машинно-ориентированные алгоритмы расчёта и формирования матриц угловых и обобщённых угловых коэффициентов излучения, обеспечивающих учет теплообмена между всеми зонами вращающейся печи.
-
Для динамического и статического режимов получены новые уравнения, описывающие распределение гранулометрического состава измельчаемого материала по длине барабанной мельницы. Предложен метод непрерывного контроля крупности шихты с использованием значения косвенного параметра.
-
Разработан новый способ и аппаратный комплекс для прокаливания углеродистых материалов, обеспечивающий снижение угара прокаливаемого материала, повышение к.п.д. тепловой работы и технико-экономических показателей процесса. Способ и установка для прокалки защищены патентами РФ на изобретения № 2250918 и № 2312124.
-
В диссертации экспериментально исследована зависимость газопроницаемости кокса от его гранулометрического состава. Методом регрессионного анализа автором построены адекватные математические модели зависимости перепада давления в слое полидисперсной шихты и коэффициента газопроницаемости от её гранулометрического состава.
-
В развитие ранее известных методов предложены новые методы автоматизированного компьютерного построения материальных балансов сложных МТС, что позволяет рассчитывать неконтролируемые инструментальными средствами параметры и формулировать рекомендации по минимизации контроля расходов материальных потоков.
Практическая значимость работы
1. Разработанный в диссертации способ прокаливания углеродистых материалов во вращающейся печи с дожиганием горючих компонентов отходящего из печи газа и предварительным нагревом шихты обеспечивает увеличение
производительности на 11 %, снижение удельного расхода топлива на 16,7 %, угара материала на 3,8 % и удельных затрат на 11,5 %.
-
Сформулированы рекомендации по принципам построения системы управления загрузкой материала в мельницу, инвариантной по отношению к изменению гранулометрического состава.
-
Получены уравнения регрессии, связывающие газопроницаемость полидисперсной шихты с её гранулометрическим составом, что позволяет оперативно управлять процессом шихтовки и оптимизировать состав шихты прессования зелёных заготовок в электродном производстве.
-
Разработаны машинно-ориентированные алгоритмы и компьютерные программы расчёта технологических систем «Прокаливание углеродистых материалов во вращающейся печи» и «Прокаливание углеродистых материалов в аппаратном комплексе «Подогреватель - вращающаяся печь»», а также построения материальных балансов металлургических технологических систем.
-
Программные средства расчёта технологических систем прокаливания углеродистых материалов позволяют исследовать и оптимизировать технологические процессы и конструктивные параметры технологического оборудования.
-
Программные средства построения материальных балансов металлургических технологических систем применимы для расчёта расходов инструментально неконтролируемых материальных потоков и оперативного управления технологическими процессами.
Обоснованность и достоверность научных разработок обеспечены применением апробированных методов исследования, сопоставлением результатов имитационного моделирования с данными действующих промышленных агрегатов, адекватностью результатов, подтверждённых статистической обработкой данных, применением в математических моделях зависимостей, базирующихся на фундаментальных законах природы.
Апробация и внедрение результатов диссертационного исследования Основные результаты работы докладывались на IV Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» - Владикавказ, 2007 г.; на IV Международной научно-практической конференции «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» - Москва, 3-4 апреля 2008 г.; на X Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» - Воронеж, 13-15 мая 2009 г.; на XII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» - Нижний Новгород, июнь 2006 г.; на Всероссийской научно-практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов - Майкоп, 16-18 марта 2009 г.; на Межвузовской научно-практической конференции «Новые информационные технологии и их применение» - Владикавказ, 26-27 ноября 2001 г.; на I Межвузовской конференции «Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации» - Братск, 17-19 марта 2009 г.
Полученные в диссертации научные и прикладные результаты внедрены на предприятиях и в организациях:
ОАО «Электроцинк» - для построения материальных балансов, повышения качества управления и оптимизации технологических процессов;
НІЖ «Югцветметавтоматика» - для совершенствования технологии прокаливания углеродистого сырья в электродном производстве и создания систем управления процессом;
Мизурская обогатительная фабрика - для построения материальных балансов, контроля и управления технологическими процессами;
- ОАО «Кавказцветметпроект» - для автоматизации проектных работ.
Использование результатов диссертационной работы на этих предпри
ятиях и в организациях обеспечит экономический эффект 38 млн р. в год.
Результаты работы также используются для подготовки студентов и аспирантов в учебном процессе СКГМИ. Под научным руководством автора диссертации соискателем Зурабовым А.Т. выполнена и успешно защищена в 2007 г. кандидатская диссертация на тему «Совершенствование технологии прокалки углеродистого сырья во вращающихся печах электродного производства», где использованы методики и алгоритмы настоящей диссертационной работы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 научных работ, в том числе 18 работ в рекомендованных ВАК журналах, включая два патента РФ на изобретения, 1 монография.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс математических моделей технологической системы «Прокаливание углеродистых материалов во вращающейся печи», включающей подсистемы физико-химических превращений, движения материалов и тепловой работы печи.
-
Методы анализа систем теплообмена сложной конфигурации и математического моделирования радиационного обмена во вращающейся печи.
-
Технология и математическая модель процесса прокаливания углеродистых материалов в аппаратном комплексе «подогреватель - вращающаяся печь».
-
Математическая модель процесса измельчения в барабанной мельнице. Результаты исследования по управляемости процесса измельчения кокса в барабанной шаровой мельнице по наблюдаемым параметрам и газопроницаемости полидисперсной углеродистой шихты.
-
Методология математического моделирования для построения материальных балансов металлургических технологических систем и процессов.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников и приложений. Работа изложена на 306 страницах и включает 34 таблицы, 44 рисунка и 9 приложений.
