Введение к работе
Актиальность работы. В 80-90-е годы угольная база коксования серьезно расширилась в связи с быстрой выработкой особокачественных коксующихся углей в большинстве крупных бассейнов. В этой связи достаточно много угольных горно-обогатительных (ГОК) и коксохимических комбинатов используют практику введения отощающих добавок, в том числе и бурых углей. Качество углей, поступающих на коксохимические заводы, характеризуется большим непостоянством. В последующих технологических процессах коксовый материал может не только не усредняться, но и сепарироваться в зависимости от физико-химических свойств: прочности, гранулометрического состава, зольности, влажности.
Качество кокса как сырья для металлургии имеет первостепенное значение. Оно во многом определяет успешность ведения доменного процесса, его производительность, а также свойства выплавляемого металла. Металлургический кокс получают в виде твердых кусков, строение и состав которых весьма сложны. Кокс в металлургии выполняет не только функцию топлива. В печи он является восстановителем для двуокиси углерода. Реагируя с ней, кокс образует окись углерода - основной восстановитель металла. Кроме того, при высоких температурах кокс участвует и з прямом восстановлении руды. Мелкий ила недостаточно прочный кокс, легко разрушающийся в печи и образующий мелочь, приводит к повышению сопротивления столба шихты дутью, что способствует расстройству процесса, снижению, производительности плавильной печи. Зола кокса является балластом, уменьшающим содержание углерода в топливе и требующим тепла для своего расплавления и расплавления іобавочно вводимых для ошлакований золы флюсов: расход известняка на каждый лишний процент золы составляет, по различным данным, от 1 до 1:8 %. Влага в коксе вызывает расход электроэнергии на ее испарение, а язменение ее содержания мешает правильному составлению шихты. ; В настоящее время основные качественные параметры кокса определяет преимущественно трудоемкими и малопроизводительными способами традиционного опробования, предусматривающими отбор проб, их подготовку и лабораторные исследования. Эти операции (дробление, сокращение и шализ) весьма нетехнологичны, что делает их мало экспрессными и не зригодными для управления относительно быстропротекающими процесса-пи шихтоподготовки и выплавки металла.
За последние два десятилетия ядернофизические методы превратились ї один из фундаментальных способов исследования состава различных натериалов, в том числе и углей. Однако едва ли можно найти сведения об *спользовании этих методов анализа на металлургических предприятиях с
целью оценки зольности кокса ,Л Настоящая работа посвящена разработке и 'пробованию новой технологии контроля качества. доменного кокса на примере одного из крупнейших в Европе металлургического предприятия -Никопольского государственного завода ферросплавов (НГЗФ), Украина.
Работа связана с планом НИР кафедры ядерной геофизики УГГГА 1988-1994 годов, и выполнялась в рамках хоздоговорных работ.
Целью настоящего исследования является разработка новой экспрессной технологии контроля качества металлургического кокса на основе у-абсорбционного анализа (ГАМ) и по естественной радиоактивности, соответственно, в непрерывном и дискретном вариантах.
Основные задачи работы. В соответствии с намеченной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:
Исследованы физико-химические и технологические характеристики кокса и коксующихся углей Донецкого бассейна, включая средний состав и дисперсии основных компонент, вариационные кривые их распределения и корреляционные связи по основным типам и классам продуктов.
Изучена связь массового коэффициента ослабления у-излучения с зольностью кокса для разной энергии квантов; теоретически и экспериментально обоснована применимость у-абсорбционных измерений для экспрессного контроля качества кокса, получаемого из Донецких углей.
-Экспериментально подтверждено теоретическое положение (Возже-ников С.Г. и др., 1992) о том, что для прямоугольного сечения потока дозирование материала ,по весу эквивалентно стабилизации массовой толщины просвечиваемого слоя.
- Получены аналитические зависимости, связывающие массовую
толщину просвечиваемого'слоя и производительность работы дозатора (вес
материала); аппаратурные параметры ГАМ и нейтрон-нейтронного метода
(ННМ), зольность и влажность кокса.
При участии диссертанта разработана и внедрена в промышленную эксплуатацию микропроцессорная автоматизированная система управления процессом дозирования шихты в плавильную печь на основе информации о качестве кокса, получаемой ядернофизическими методами анализа.
Разработан алгоритм и программа на языке C++ математического моделирования методом Монте-Карло пространственно-энергетического распределения у-излучения в средах произвольного состава и геометрии; экспериментально подтверждена корректность ее работы.
...- На основе спектрометрического варианта ГАМ по рассеянному у-
ИЗЛучеНИЮ Предложен НОВЫЙ СПОСОб Одновременного Определения Zjkjj,
плотности и толщины поглощающего слоя.
- Обосновано применение метода теоретико-экспериментальных пале
ток (ТЭП) для решения обратной задачи ГАМ по рассеянному излучению.
Предложена вероятностная модель гетерогенной среды, на основе которой с привлечением понятий теории информации сформулированы критерии, которые могут служить оценкой степени неоднородности и мерой анизотропии среды по составу и физическим свойствам. ..,,...
Экспериментально и с помощью программы статистического моделирования Монте-Карло изучен (обнаруженный ранее) эффект анизотропии переноса у-излучения в многослойных неоднородных средах, и для подобных систем предложен метод решения прямой и обратной задач ГАМ.
Научная новизна.
Обоснована возможность оперативного контроля качества доменного кокса методом у-абсорбционного анализа с помощью источника Am241 применительно к продуктам коксохимической переработки углей Донецкого бассейна. Экспериментально подтверждено наличие однозначной (функциональной) связи для определенной геометрии потока между массовой толщиной поглощающего слоя и весом материала в точке просвечивания.
Создана микропроцессорная автоматизированная система коррекции массы кокса по качеству при его дозировании в доменную шихту.
Предложен спектрометрический вариант у-абсорбционного анализа, позволяющий одновременно определять в потоке вместе с толщиной просвечиваемого СЛОЯ ПЛОТНОСТЬ И Zaib Сред. , '
Введено понятие о коэффициенте разделения 9Ср и анизотропии ofP применительно к задаче определения степени сепарации сред по комбинированным у-измерениям в разной геометрии просвечивания.
Предложен способ решения обратной задачи ГАМ по рассеянному излучению методом теоретико-экспериментальных палеток на примере расчета многослойной модели неоднородной среды.
Защищаемые научные положения:
1. Технология непрерывных у-абсорбционных измерений с использова
нием радионуклида Am241 и метод по регистрации естественного у-излуче-
ния для экспрессного контроля зольности кокса и углей.
3. Метод определения эффективного атомного номера, плотности и толщины просвечиваемого слоя в потоке на основе спектрометрического варианта у-абсорбционного анализа по рассеянному излучению.
2. Способ решения обратной задачи ГАМ по рассеянному излучению
для гетерогенных бинарных сред: определение вещественного состава и
степени неоднородности материалов по анизотропии переноса у-излучения
в разной геометрии просвечивания. . '
Достоверность научных положений и выводов подтверждена близостью результатов ядернофизических измерений и анализов по методикам ГОСТа. Технология выполнения измерений зольности кокса в потоке на основе у-абсорбционных измерений аттестована. Результаты и выводы тео-
4 ретических исследований подтверждаются экспериментально методами физического и математического моделирования.
Практическая ценность работы заключается в получении оперативной и достоверной информации о качестве доменного кокса, ее использовании в автоматизированной системе управления технологическими процессами. Результаты исследований легли в основу создания на НГЗФ цифрового аппаратурного комплекса, являющегося ключевым звеном целого ряда взаимосвязанных технологических операций, начиная с подготовки сырья и заканчивая выпуском готовой продукции... Суммарный экономический эффект от внедрения комплекса ядернофизического анализа и управления процессом-шихтоподготовки на НГЗФ в 1994 г составил $300 тыс. дол. (за ;чет стабилизации теплового режима печей и снижения, энергозатрат).
Результаты работы использованы автором в учебном процессе на іафедре ядерной геофизики Уральской горно-геологической академии при «учении дисциплин "Ядернофизические методы контроля горно-рудного сырья" и "Обработка результатов геофизических измерений на ЭВМ".
Методы выполнения работы. Реализация разработанных методик выполнения ядернофизических измерений основана как на серийно выпускаемой аппаратуре, так и на уникальных разработках, имеющих статус
'know - how". Экспериментальные исследования (измерения естественной
радиоактивности и спектрометрические у-измерения на анизотропных моделях сред) выполнялись в лабораториях кафедры ядерной геофизики УГГГА>.комплексные анализы вещественного состава,.физических свойств кокса, ^абсорбционные измерения - в центральной лаборатории автоматизации и механизации (ЦЛАМ) НГЗФ. Вычислительный эксперимент Мои-
ге-Карло проводился на IBM-совместимом компьютере с процессором
:80486DX2/66 (общий объем вычислений ~ 500 часов).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались на внутриуниверситетской научной сессии ЛГУ (Ленинград,
і 988); научно-технической конференции СГИ (Свердловск, 1990); научных
:еминарах кафедры ядерной геофизики УПТА (Екатеринбург, 1991-95);
шседаниях ІІЛАМ, ЦЗЛ и НТС Никопольского государственного завода
рерросплавов (Никополь, 1991-93), заседаниях НТС ПГО "Тюменьпромгео-
{шзика" (Тюмень, 1989).
Публикации. Содержание диссертации изложено в семи опубликован-
шх работах.
Стриктура работы. Диссертационная работа состоит из введения,
нести основных разделов, заключения и приложений; содержит 164 стр.
-екста, 92 рисунка, 32 таблицы, 154 библиографических ссылки и 5 прило-
кений объемом 15 страниц.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, про-
фессору Возженикову Г.С., коллективу кафедры ядерной геофизики УГГГА, коллективам лабораторий ЦЛАМ и ЦЗЛ НГЗФ, лабораторий химического и минералогического анализа ПГО "Уралгеология" за сотрудничество и большую помощь в работе.