автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Оптимизация процесса прокалки углеродистого сырья в электродном производстве цветной металлургии

На правах рукописи

Р Г Б п 1

ГЕРАСИМЕНКО Татьяна Евгеньевна ^

""3 ш ш

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОКАЛКИ УГЛЕРОДИСТОГО СЫРЬЯ В ЭЛЕКТРОДНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Специальность 05 16.03 - Металлургия цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ 2 ООО

Работа выполнена на кафедре «Теории металлургических процессов и печей» государственного технологического университета.

и автоматизации Северо-Кавказского

Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент Рутковский A.JI.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Арунянц Г.Г.

кандидат технических наук Сошкин С В.

Ведущая организация: АО «Кавказцветметпроект»

Зашита диссертации состоится VV _ 2000 г. в

14 ч. на заседании диссертационного совета К 063.12.02 СевероКавказского государственного технологического университета rio адресу: 362021, Республика Северная Осетия - Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГТУ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке СКГТУ.

Автореферат разослан ^схр^З, 2000 г.

Ученый секретарь л

совета, д.т.к., проф Ллкапси М.И

О

К Uо и R О - А п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ощущается дефицит качественного, традиционно используемого для производства графитирован-ных изделий углеродистого сырья - коксов различного вида. Задача расширения сырьевой базы электродной промышленности может быть решена путем использования более дешевого и распространенного углеродистого сырья - антрацита. Однако для достижения требуемых качественных показателей продукции при использовании антрацита необходима более высокая температура прокалки, чем при использовании коксов.

Электродная отрасль цветной металлургии сейчас выпускает более 30 видов графитированных электродов и анодов различных размеров, около 20 видов угольных электродов и футеровочных блоков, до 10 разновидностей углеродистых масс и паст и более 80 видов конструкционных углеродистых материалов, потребность в которых постоянно растет.

Дальнейшая интенсификация производства, связанная с увеличением выпуска продукции, уменьшения безвозвратных потерь и улучшением качества, возможна только на основе оптимизации производственных процессов, совершенствования технологии и конструкции основных технологических агрегатов.

Одной из основных технологических операций в производстве электродной продукции является процесс прокалки углеродистого сырья при высокой температуре. Качественные характеристики прокаленного материала оказывают определяющее влияние на качество готовой продукции. Для проведения процесса прокалки в настоящее время наиболее широко используются вращающиеся печи и электрокальцинаторы.

Расширение объема использования антрацита для производства электродных изделий в промышленном масштабе предусматривает разработку новых эффективных технологий прокалки и их аппаратурного оформления. Поэтому исследование и оптимизация процесса прокалки углеродистого сырья (в частности антрацита) является актуальной научно-технической проблемой.

Основной целыо работы является разработка иаушо обоснованных методик исследования и расчета процесса прокалки у] леродистого сырья для выбора оптимальной технологии его переработки с наилучшими техни-

ко-экономическнми показателями. Поставленная цель достигается путе] решения следующих задач:

- разработка математической модели физико-химических и тепле вых процессов прокалки в трубчатой вращающейся печи и ее идентификг ция по данным исследования промышленных печей;

- имитационное моделирование, исследование и оптимизация прс цесса прокалки в трубчатой вращающейся печи;

- исследование и поиск оптимальных условий проведения процесс прокалки углеродистого сырья в технологическом комплексе «трубчата вращающаяся печь - электрокальцинатор».

Методы исследования. Обобщение теоретических и практически положений в технологии прокалки углеродистого сырья и их критически анализ. Теоретическое исследование тепловых и физико-химических прс цессов прокалки с разработкой математической модели. Методы теори идентификации на основе экспериментальных данных и имитационное мс делирование процесса прокалки с применением ЭВМ. Методы теории ог тимизации технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель физико-химических и тепле вых процессов для вращающейся печи, описывающая кинетику процессо по длине печи с учетом горения топлива, материала и выделяющихся из не го летучих веществ;

- получены в интегральной форме выражения для расчета угловы коэффициентов излучения с торцовой поверхности печи на газ, футеровку материал всех ее участков;

- составлен алгоритм расчета угловых коэффициентов излучени всех зон теплообмена, при разбиении трубчатой вращающейся печи по с длине на любое количество участков;

- на основе зонального метода расчета теплообмена получена систс ма уравнений теплового баланса, учитывающих кроме горения топлие процессы горения материала и летучих веществ;

- разработана математическая модель, включающая уравнения те: ломассообмена и формирования качества продукта, которая позволяет рас считать величины материальных и тепловых потоков, распределение те.\

ператур газового потока, материала и футеровки, оценить качественные и количественные показатели процесса;

- разработана методика определения оптимальных условий проведения прокалки в трубчатой вращающейся печи и комплексе «трубчатая вращающаяся печь - электрокальцинатор» для трубчатых печей различных размеров при варьировании производительности печи, расхода, состава, видов и условий сжигания топлива и других параметров.

Практическая значимость работы состоит:

- в том, что процесс прокалки атрацита в новом технологическом комплексе позволяет добиться существенного экономического эффекта за счет минимизации угара углеродистого сырья, снижения суммарных энергетических затрат и повышения производительности;

- в применимости разработанной математической модели для проектирования и исследования широкого класса технологических процессов проводимых в трубчатых вращающихся печах;

- в возможности применения материалов диссертационной работы при проектировании и внедрении процесса прокалки углеродистого сырья в промышленных условиях на Богословском алюминиевом заводе и Новосибирском электродном заводе, что обеспечит получение экономического эффекта ориентировочно 350-400 тыс. руб. в год на одном агрегате;

- в использовании полученных результатов в учебном процессе.

Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены

автором и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (г. Владикавказ) в 1997-1999 г.г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5-и печатных работах.

Структура и объем работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований, 28 рисунков, 12 таблиц и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 110 стр. текста, выполненного с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние технологии прокалки углеродистого сырья и проблемы ее оптимизации

Производство цветных и черных металлов, полупроводниковая промышленность и многие другие отрасли являются потребителями материалов на основе углерода. Основной задачей электродной промышленности является обеспечение углеродными материалами и изделиями всех базовых отраслей.

В настоящее время значительно снизилось количество и качество добываемого сырья, а эффективные технологии переработки такого сырья отсутствуют. Расширение сырьевой базы электродной промышленности может быть обеспечено путем использования более дешевого и распространенного углеродистого сырья - антрацита. Однако для использования антрацита, необходимо разработать и исследовать новые технологии, обеспечивающие более глубокую его термообработку с целыо получения готового продукта заданного качества.

Одной из основных технологических операций в производстве электродной продукции является процесс прокалки углеродистого сырья при высокой температуре.

В процессе прокалки материал претерпевает сложные физико-химические превращения, такие как: пиролиз и удаление летучих соединений, размягчение, усадка с уменьшением числа пор, рост кристаллов, их упорядочение и удаление водорода, - которые приводят к формированию и развитию кристаллической решетки графита. При этом происходит увеличение плотности, снижение удельного электрического сопротивления и повышение механической ирочносш прокаливаемого мак'рнлла В пракшке электродного производства для оценки качества прокаленного материала используют величины его удельного электрического сопротивления и плотности. Качество прокаленного материала определяется температурой и временем прокалки.

Удельное электрическое сопротивление начинает резко снижаться при температуре 600 - 900 °С (см. рис.1). Резкое падение удельного электрического сопротивления при этой температуре связано с формированием ис-

ходной структуры графита при увеличении истинной плотности и резком уменьшении содержания летучих компонентов.

р, Ом-м

Рис. 1. Зависимость удельного электрического сопротивления антрацита от температуры (время прокалки т = 60 мин).

В настоящее время наиболее широко используются способы прокалки в трубчатых вращающихся печах и электрокальцинаторах. Трубчатые вращающиеся печи обеспечивают высокую производительность, но характеризуются высокими потерями сырья на угар углеродной части и не позволяют достичь высокой температуры, что снижает качество прокаленного материала. При проведении процесса прокалки в электрокальцинаторе потери сырья на угар минимальны, а качество готового продукта, в частности полученного из антрацита, существенно выше, так как можно достичь температуры 2000-2200 "С. Однако существенными недостатками этого способа являются низкая производительность, и обусловленные этим большие габариты кальнинатора, высокий удельный расход энергии и высокие капитальные затраты.

Для устранения недостатков и использования достоинств этих способов, на уровне изобретения, предложен способ прокалки в технологическом комплексе состоящем из трубчатой вращающейся печи и электрокаль-цинатора (см. рис. 2) Однако для внедрения его в промышленность необходимы дополнительные исследования, позволяющие синтезировать научно-обоснованные методики расчета технологических режимов проведения процесса, обеспечивающих его оптимизацию.

2. Разработка математической модели физико-химических и тепловых процессов прокалки и ее идентификация

Для исследования процесса прокалки углеродистого сырья, в частности, в предложенном технологическом комплексе эффективным методом совершенствования технологических процессов в металлургии является вычислительный эксперимент с математической моделью. При этом качество моделирования в основном зависит от того, насколько точно и полно математическая модель воспроизводит поведение объекта моделирования. Поэтому разработка математических моделей позволит повысить уровень проектных решений при разработке новых и совершенствовании существующих технологических процессов и агрегатов.

В настоящее время не все вопросы, касающиеся теории и практики математического моделирования технологических процессов, в частности для электродного производства, решены полностью. Поскольку процесс прокалки в основном проводится в трубчатой вращающейся печи и предполагается использовать ее в описанном технологическом комплексе в электродной промышленности, важно создать математическую модель для исследования и оптимизации в трубчатой вращающейся печи.

Трубчатая вращающаяся печь, имеющая большое отношение длины к диаметру, является объектом с распределенными параметрами, так как температура материала, футеровки, газового потока, его состав, значения величин материальных и тепловых потоков в поперечном сечении зависят от расположения этого сечения по длине печи. /

При прокалке углеродистого сырья в трубчатых вращающихся печах, кроме процессов теплообмена, параллельно протекают процессы массооб-

ггп!

Рис. 2. Схема комбинированного прокалочного агрегата

1 - трубчатая вращающаяся

печь,

2 - электропечь,

3 - холодильник

мена: горения топлива, горения материала и горения летучих соединений, выделяющихся из прокаливаемого материала при нагревании его до температуры, обеспечивающей удаление этих веществ. Кинетика этих процессов и результат прокалки в основном определяются распределением температур по длине печи. Поскольку прямой контроль этой температуры на практике не реализован, указанную задачу можно решить применением методов математического моделирования. Математическая модель процесса прокалки углеродистого сырья должна включать уравнения тепло- и маесообмена, а также уравнения формирования качества готового продукта.

Для моделирования и расчета теплообмена, с учетом особенностей трубчатой вращающейся печи, в данной работе применен зональный метод. Этот метод позволяет рассчитать распределение температур но длине печи при разбиении ее на необходимое число участков, с учетом протекающего в печи сложного радиационно-конвективного теплообмена и получить результат с заданной точностью. На основе зонального метода для каждой зоны, участвующей в теплообмене, составлены нелинейные энергетические уравнения теплового баланса, которые входят в состав математической модели.

Общая система математической модели процесса прокалки углеродистого сырья, позволяющая получить величины материальных и тепловых потоков, распределение температур материала, газового потока и фу теровки подлине противоточной трубчатой вращающейся печи и оценить количественные и качественные характеристики процесса имеет следующий вид • зональные уравнения теплообмена

+Ук,Тк)-счмРЛ1\11 +8ДМ„.,0Рм -

К

-0п!,к =0, при 1 = I, ...,1),

Ек.Т'+ёкДО-ОГ =0,при^п +1.....2П, к

1>к|Т' -Сй, =0,при^2п-! I, ...,т, к

£(аыГ;4 + цкл)+ ё" + 0 " 3)АМм ,(1>;м + 0>>ТАМТ.; + к

+ С^ДМ^ = О, при 1 =■ П1 I 1, . , Зп + 2.

• уравнения массообмена

__Е

K2=K0e~RT;

К3 =-3,35 + 0,45-10"2 • t + 1,2 • Ю-612; С -С рКзт-

у = а

f (*+хо) 1-е а

Мт=В(1-у); М02Т = МтОт;

Vr =22,4 (а-От -В + Мв ВО,)4

32

а • От(1 - ВО)В

ВО

+ М.0-ВО,)

CkJt , Сот

1

— + 28

+ Л} + _ M J, ) + 22.4Í—к- .

цт 4-100 [4-100 28-100 32-100

Мм=Мм0 + Мпг-Мпг()

мп,.=

(В-Мт);

(Ч

- Сл ) + КЛСЛ ]+Мо2Т + Mo, 0 + М02М;0 + МозмЮ - Нзгто.

0)2 + КН(1-СЛ)+КЛСЛ

W =-

v*np

Vr

Vr - 22,4

С„

-Nt

с„

4-100 28-100 32-100 цт

Уг 1 22,4С,и-х;(

М,

1 + -

слмпг

СлМпг

_ л- -пг_ КС___к s с

(1-СлХМпг0 -Mmo)J 3 л км(1-слХмпг0-м,,0) 2м 02

dC

02

dx W,

up

1 + КлСл , M"2 0 + М02млО + М02мг0 - М02т0 + М02т

ки(1-ся)

¡<M(l-CjMnlfl-M,0)

м„

ХКАС°2+МПГ(1-СЛ)

Мр2о + Мр1мд0 + М02ИГц - Mq2T0 + м02Т Mnrfl-M,,n

а- у

:К3С1}--г-В-ОтРт

МП1 а

уравнения формирования качества продукт

+

\

dM = 1,658 + 0,1166 10~3 T + 0,1426 ' 10~3 т; 2,1996t_

1389,9v/t

(з,52 • 10~3t - 2,09)-

P =-!-7-i^^v (2Л>

1-е"

V У

где Т;, Tk - температура соответственно i и к зон, К; а ki - коэффициент радиационного обмена, Вт/К"; g ц - коэффициент конвективного обмена, Вт/К" Р - производительность печи, кг/с; ДТН i - разность температуры материала в начале и конце i-той зоны, К; 8 - доля тепла от горения материала, поглощаемая им, ед.; ДМ - масса выгорающего в i-той зоне прокаливаемого материала, кг; Q, Q^, Q^ - соответственно низшая рабочая теплота сгорания материала, топлива и летучих веществ, Дж/кт;Qn\K- тепловой поток потерь в i-той зоне через часть футеровки . закрытой материалом, Дж/кг, Q- тепловой поток потерь в i-той зоне через открытую часть

футеровки, Дж/кг;, - тепловой поток потерь через торцы печи, Дж/кг; g" - сумма слагаемых конвективного теплового потока i-той зоны, не зависящих от зональных температур, Вт; ДМ,, - масса топлива, сгорающего в i-той зоне, кг/с; ДМЛ,1 - масса летучих веществ, сгорающих в i-той зоне, кг/с; К2 -суммарная константа скорости горения углерода, (м 2 • с)"'; т - время взаимодействия газа и материала, с; SM- удельная реакционная поверхность материала, м2/м3; К3 - константа скорости реакции; Сл - общая концентрация летучих веществ, кг/к г; у - доля топлива, выгоревшего к данному сечению, ед.; Рт - коэффициент, характеризующий скорость выгорания топлива, 1/м; а - коэффициент избытка дутья, ед; х о - расстояние от начала факела до конца участка х 0 = с!1(и - j), м, х - расстояние от конца участка до данного сечения, м; В - массовый расход топлива, кг/с; О т - теоретический расход кислорода, кг/кг; ВО - содержание кислорода в дутье, кг/кг; а- коэффициент избытка дутья, долях ед ; Мп| - массовый расход продуктов горения, кг/с; ВО| - содержание кислорода в подсосе, кг/кг; М „ - массовый расход воздуха, поступающего за счет подсоса, кг/с; Сст, Ссл - содержание углерода в топливе и летучих веществах соответственно, % (по массе); С1ГГ, Снт, Сот -содержание водорода, азота, кислорода в топливе соответственно, % (по массе); цт- приведенная молекулярная масса топлива, ед.; М юц - массовый

расход летучих веществ, содержащихся в материала, в месте выгрузки материала из печи, кг/с; Уг - объемный расход газа, м 3/с; V/ „р - приведенная скорость движения газа, м/с; Со2" текущая концентрация кислорода в газовой фазе, ед.; К „, К м - теоретический расход кислорода на горение летучих веществ и углеродной части материала соответственно, кг/кг; <1 м - плотность материала, г/см '; р - удельное электрическое сопротивление материала, Ом-м.

Для нахождения коэффициентов радиационного теплообмена, которые входят в уравнения математической модели, необходимо определить значения угловых коэффициентов излучения между всеми зонами теплообмена. Вдоль трубчатой вращающейся печи выделены участки одинаковой длины, в объеме которых выделены по три зоны теплообмена: не закрытая загружаемым в печь материалом поверхность футеровки (далее футеровка), открытая поверхность слоя материала (далее слой), поверхность газовой зоны (далее газ), а также торцовая поверхность объемной зоны (далее торец). С целью определения вышеуказанных значений, в диссертации, с применением метода интегрирования по контуру поверхностей теплообмена, получены зависимости для расчета значений угловых коэффициентов излучения с торца на кладку слой и газ всех участков.

В результате интегрирования получены выражения для определения угловых коэффициентов излучения: • с торца на кладку

У1п(2КЧ[с110 + 1)Г-2Я^со.<а,-а4)|х х соз(а, -а4)а

-у 2 71-у

+ cosy J [ 1п

а-!=У а, =у

R'

eos у

+. ...

eos а4

.2eosYros(a'-a^ + [dl.(J + l)P eos а,

{

1 +

eos2 у eos2 а.

L COSn

cos(a i - а 4)

cosa,

(di - j)

Л2

cosa

соз2 а4

da ida«

(2.2)

с торна на слои

ф4 Г05"7 í J Ь

\

RWYsiat(aa-a4)+[d|.(j+l)]t

(cosa2 cosa4)

R2 cosZYsin2(a2 -a4) + ^ ^ (cosa2 cosa4)2

da,da.

X -=--- +

eos2 a2 eos2 a4

-2rc+y -y

+ cosy / J In

a4= -ya:=7

R2 cos2 Y „ cos(a2-a4) 1 + —---2 cos y- cos a2 cosa2 +[diO+üF

R2 cos2 y _ cos(a2-a4) 1 +-----------2 cosy--=--— cos2 a2 cosa2 +(dl-j)2

cosa4 X —--da2da4

(2.3)

eos a.

с торца на газ

,2 /- 2Л+У2--,

Ф4 3 =

4tiS.

J j ln[>R2 +[dl(j + l)f -2R2cos(a3-a4)}eos(a,-a4)da3da4-

T \u4 =-y u3

+ cos2y / /111{(R cosr)2 +(1 + tga3 - Iga4)2] +

u4=ya3=-y

[dl-(j + l)]2}

2) da,da4

+ Idl • Il + 11Г Í--'~2-+

cos a3 cos a4

-Y 2it-y , ,

+ cosy / / In (R2 [(cos a3-cosy)2 + (sin a3-cos Ytga4) J+

a4=ya,=y

+ [dl ■ (j + l)]2}—^^-tla3da4 + cos" u4

f /'»{R 2 [(cosy - cosu4 + (cosylgu, - sin u4 ] +

^-y u,=--y

[cll-(., + l)]2}^da3d«4y (2.4)

+ cos у

cos a-.

где фк; - угловой коэффициент излучения к-ой зоны на ¡-ую; j - номер участка печи; Я - радиус печи, м; 8Т - площадь поверхности торцевой зоны, м2, Р=2у - центральный угол сегмента материала, рад; а - координаты точек контуров поверхностей теплообмена в цилиндрической системе, рад.

С использованием полученных угловых коэффициентов излучения построен алгоритм и составлена программа для расчета на ЭВМ угловых коэффициентов излучения всех излучателей на приемники каждого участка в системах:

все излучатели на газ остальных участков по свойству аддитивности

Фмзи) =а(Ь-ф|_(^+|) -<Р1_(з;+2)).прик=1-4, (2.5)

где а =0,5 , Ь=1 для первого участка и а=1, Ь=фА. (3у) для остальных участков;

слой - кладка по свойству взаимности

Ф2_(.ъ+1) =Физ^2)_ '8К ^ (2.6)

газ - кладка по свойству взаимности

=Ч>1_(ЗЛ -5К /Бг; (2.7)

слой - слой по свойству не вогнутости

Ф2_(3,*2>=0; (2-8)

газ - слой по свойству взаимности

Фз_ш+2) =Ф2_ад ^с^г ; (2.9)

торец - кладка по свойству взаимности

Ф4_ож) =а(Ф1_(?з) ~Ф1_№1) -Ф1_№2))3к/3т; (2-10)

торец - слой по свойству взаимности

' Ф4_(и+2) =а(ф2_(ЗЛ -Ф1_(3^2) /БС)8С"/5Т- (2.11)

торец - газ по свойству аддитивности

Ф =Ф4_3(Н)

(ф| 3(1-1) -Ф| (3]-2) -2ф, (3;-!))-^ +

я,

+ Ф: з;, п

(2 12)

где Я,.., .4,- площади поверхностей кладки, материала, газа соответствен-

но. ч

Приняв в уравнении (2.11) в качестве неизвестного коэффициент излучения кладки на слой всех участков - cpi t3и выразив его через остальные коэффициенты этого уравнения, получим следующий алгоритм его расчёта

<Pl(3j+2)=<P2 3j {P4_(3j+2) (2.13)

к

Из зависимости (2.10) следует

ST

<Pi C3j+1) = 4>i_3j — (3j+2)• (2.14)

ька

Далее, после подстановки значения второго слагаемого из (2.13) в (2.14) выводим алгоритм расчета углового коэффициента излучения с кладки на кладку каждого участка печи

S S

Ч>1 (3j+l) =Ф1 (3j) -Ф2 (3j)^£--(v4J3j+2) -Ф4 (ЗИ))^-. (2-15)

к йка

Решение математической модели осуществлено с использованием пакета программ, составленных нами на алгоритмическом языке Pascal. Система уравнений математической модели решалась итерационным методом после задания начального распределения температур, с уточнением этого распределения в каждом цикле расчета. Принятый метод расчета обеспечил сходимость результатов расчета после 8-10 циклов.

С целью проверки адекватности математической модели реальному процессу, уточнения структуры модели и определения численных значений настроечных коэффициентов выполнена ее идентификация с использованием данных промышленного эксперимента.

Для этого разработан метод идентификации по косвенным интегральным статистическим оценкам параметров процесса, которые контролируются на печи в нормальном режиме ее эксплуатации. В качестве таких параметров использовали расход топлива, расход организованного воздуха, производительность печи, температура материала в нижней головке печи, температура отходящих газов, качество прокаленного материала. Численные значения параметров идентификации получены но данным исследования промышленной вращающейся печи прокалки углеродистого сырья.

Согласно принятой методике идентификации, по известным начальным условиям, варьируя неизвестные настроечные коэффициенты модели.

добивались того, чтобы решение прошло через известные точки граничных условий. При этом математическая модель будет адекватно описывать исследуемый процесс.

Результаты идентификации математической модели, соответствующие условиям экспериментальных исследований процесса прокалки, приведены на рис.3.

Рис.3. Распределение температуры газа (1), материала (2), выделения летучих веществ (3), угара материала ДМ (4) по длине печи

3. Исследование процесса прокалки антрацита в трубчатой вращающейся печи методом имитационного моделирования

При исследовании процесса прокалки антрацита в трубчатой вращающейся печи с помощью математической модели получены зависимости описывающие взаимосвязь параметров. Дня этого, при варьировании некоторых входных переменных процесса, рассчитывались качественные показатели и угар материала.

Получены зависимости угара, удельного электрического сопротивления и плотности материала о г расхода гаплива, производительности печи,

времени пребывания материала в печи, скорости горения топлива и подсоса воздуха.

При проведении исследований нами было установлено, что на температурный режим в печи существенное влияние оказывает расход топлива и производительность печи (см. рис.4 и 5).

Р, Ом м

Рис. 4. Зависимость угара (1), средней температуры Т„ ср (2), удельного электросопротивления р (3), плотности с!м (4) материала от расхода топлива

Установлено, что время пребывания материала в печи и скорость горения топлива являются параметрами, мало влияющими на температуру прокалки. Подсос воздуха в печь приводит к значительному увеличению угара материала.

При протекании процессов горения топлива, материала, выделения летучих веществ происходит изменение массовых расходов продуктов горения, топлива, материала и концентрации кислорода по длине печи. Изменение этих параметров по длине печи показаны на рис.6. Резкий скачок-массовых расходов материала и продуктов горения объясняется выделением летучих соединений из материала и переходом их в продукты горения.

р, Ом м

Рис. 5. Зависимость угара (1), средней температуры Тм ср (2), удельного электросопротивления р (3), плотности ём (4) материала от производительности печи

Рис. 6. Изменение массовых расходов продуктов горения М,„ (1), материала М м (2), топлива М , (3) и концентрации кислорода Сот (4)

Для производства графитированпых изделий при использовании антрацита прокалку необходимо проводить при температуре 2000 - 2100 С, чтобы обеспечить заданное качество прокаленного продукта с удельным электрическим сопротивлением 700 Ом • м. В диссертации установлено (см. рис.4 и 5), что при прокалке в трубчатой вращающейся печи антрацита, нельзя обеспечить заданное качество, так как максимальная температура материала в печи не может быть выше 1600 °С. Кроме того, трубчатая вращающаяся печь характеризуется высокими потерями сырья за счет его угара, а при высоких температурах угар значительно возрастает.

Поэтому, для проведения процесса прокалки антрацита необходимо использовать комплекс (см. рис.2), так как в нем можно обеспечить температуру прокалки 2000-2100 °С. Качество прокаленного антрацита легко регулируется изменением токовой нагрузки электрокапьцинатора и, следовательно, температурой прокалки.

4. Исследование технологического комплекса с целью определения оптимальных условии проведения процесса прокалки

Сырой антрацит имеет высокое удельное электрическое сопротивление, поэтому мощность промышленных электрокальцинаторов, даже при его больших габаритах, низкая. Промышленные электрокальцинаторы, используемые в настоящее время для прокалки антрацита имеют малую производительность 0,5 т/ч и значительные размеры, а прокаливаемый материал должен находиться в электрокальцинаторе 1-2 суток. Поэтому в прока-лочных отделениях необходимо устанавливать 10-12 электрокальцинаторов, для размещения которых требуются большие объемы производственных зданий. Способ прокалки в электрокальцинаторе позволяет получить прокаленный антрацит требуемого качества, но характеризуется высокими капитальными и эксплуатационными затратами, в том числе большим расходом электроэнергии.

Известен способ прокалки в технологическом комплексе, в котором материал последовательно прокаливают в трубчатой вращающейся печи и электрокальцинаторе, Этот способ не исследован и не внедрен в промышленное производство. В настоящей работе проведены исследования этого

комплекса методом имитационного моделирования с использованием приведенной математической модели.

Эти исследования показали, что первая стадия прокалки в трубчатой вращающейся печи, с нагревом материала до 950-1000 "С, обеспечивает значительное снижение удельного электрического сопротивления углеродистого материала при незначительном угаре. Эгу стадию прокалки целесообразно вести так, чтобы зона завершения выделения летучих компонентов смещалась к горячему обрезу печи, чтобы материал был защищен от интенсивного горения в окислительной зоне печи.

На второй стадии прокалки высокоэлектропроводного материала в электрокальцинаторе его мощность, при том же электрическом напряжении и снижении габаритов, существенно возрастает, что позволяет при использовании в комплексе одного модернизированного, небольшого кальцинато-ра, по данным исследований кинетики, приведенных в диссертации, провести вторую стадию за 20-30 минут.

Снижение угара прокаливаемого материала делает использование технологического комплекса целесообразным как для прокалки антрацита, так и для других видов углеродистого сырья.

Экономические показатели процесса прокалки в комплексе в основном определяются затратами на топливо, прокаливаемый материал и электроэнергию. Поэтому можно не учитывать другие затраты и для поиска оп-тималышх условий проведения процесса использовать оценочный экономический критерий

Ц.. • Р + Цт ■ В + Ц,. • А

3 = ---\1--------(А 1")

где Зуд - удельные затраты на антрацит, топливо и электроэнергию, руб/кг; Ц м, Ц г ^ цена антрацита и топлива (природного газа) соответственно, руб/кг^Ц-,-, - цена электроэнергии, руб/кВт-ч: 1' - производительность печи, кг/с: 13 - расход топлива, кг/с: А расход электроэнергии, кВт ч/с; ДМ ы -\т ао материала, кг/с.

Оптимальными условиями ведения процесса прокалки будут такие, которые при заданной производительности обеспеч.п необходимое качество антрацита при минимальных у.че.п.иыч «яр;иа\ "ч спрпм зависят от со-

(4.2)

отношения расходов топлива, электроэнергии и угара материала при определенных на них ценах.

В соответствии с этим сформулирован следующий критерий оптимального ведения процесса в технологическом комплексе Зуд -» min'

Р>Р* р<р*

d м - ^ м *

где * - заданное значение параметра.

Указанный критерий реализуется с использованием методик моделирования процесса, приведенных в диссертационной работе.

В диссертационной работе проведены исследования по определению зависимости удельных затрат при прокалке в технологическом комплексе и отдельно в электрокальцинаторе от некоторых параметров процесса. В частности, установлено, что при одинаковой производительности удельные затраты для получения продукта с удельным электрическим сопротивлением 700 Ом ■ м при проведении процесса в технологическом комплексе составили 73,5 руб/кг, а в электрокальцинаторе - 193,5 руб/кг.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе поставлены и решены задачи разработки, исследования, расчета и выбора технологии процесса прокалки углеродистого сырья с наилучшими технико-экономическими показателями.

В работе получены следующие результаты.

I. Проведен анализ современного состояния технологии прокалки углеродистого сырья. Отмечена необходимость совершенствования технологического комплекса, позволяющего наряду с традиционным углеродистым сырьем (коксами) эффективно, перерабатывать антрациты для производства графитированных электродных изделий в промышленных масштабах. На основе проведенного критического анализа сформулирована научная проблема и определены основные задачи исследования.

2. Изучены и проанализированы сложные и многообразные физико-химические процессы, протекающие в промышленных прокалочных агрегатах.

3. Для исследования процесса прокалки разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов, распределенных по длине печи. Структура модели применима для расчета и исследования всех основных процессов прокалки, проводимых во вращающихся печах.

4. Для определения распределения температур газового потока, материала и футеровки, массовых расходов топлива, материала и продуктов горения по длине печи на основе зонального метода расчета теплообмена составлена система уравнений теплового баланса, учитывающих кроме горения топлива процессы горения материала и летучих веществ.

5. Получены зависимости для расчета угловых коэффициентов излучения с торцовой поверхности на газ, материал и футеровку для всех расчетных участков.

6. Синтезирован алгоритм расчета угловых коэффициентов излучения всех излучателей на приемники любого участка.

7. Разработана методика идентификации, компьютерные программы для моделирования процесса и выполнена идентификация математической модели по данным исследований промышленных печей электродных заводов.

8. Методом имитационного моделирования выполнено исследование процесса прокалки в промышленных вращающихся печах и новом технологическом комплексе с целью определения оптимальных условий прокалки.

9. Установлено, что для достижения максимального технико-экономического эффекта процесс прокалки должен проводиться во вращающейся печи и электрокальцинаторе, работающих в комплексе.

И) Синтезирован оценочный экономический критерий оптимизации нового технологического комплекса. Разрабокша ЭВМ-программа для определения оптимальных условий процесса прокалки углеродистого сырья.

1!. На основе разработанной методики определены оптимальные условий проведения прокалки в комплексе «вращающаяся печь -- электро-калышнатор» для печей различных размеров при варьировании производительности печи, расхода, состава, видов и \словий сжигания топлива и дру-

гих параметров. Методика применима для оптимизации как существующих промышленных агрегатов, так и для нового технологического комплекса.

12. Полученные результаты дают научно-обоснованную методику расчета и оптимизации технологических комплексов прокалки, что позволяет получить значительный экономический эффект при внедрении новых промышленных агрегатов прокалки и эксплуатации существующих.

13. Эффективность внедрения нового технологического комплекса подтверждена НЛК «Югцветметавтоматика», имеющего предложения от ряда промышленных предприятий на его проектирование и внедрение.

14. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе СКГТУ при проведении дипломного проектирования и в лабораторном практикуме по курсам «Тепло- и массообмен», «Элементы теории систем и численное моделирование тепло- и массообмена», «Моделирование и прогнозирование экосистем» для студентов специальности «Теплофизика, автоматизация и экология тепловых агрегатов в металлургии».

Основное содержание работы отражено в следующих опубликованных работах:

1. Рутковский A.JI., Давидсон A.M., Герасименко Т.Е. Исследование процесса прокалки углеродистого сырья с целью оптимизации.//Известия вузов. Цветная металлургия. 1998. № 3. С. 67-70.

2. Герасименко Т.Е., Рутковский A.JI., Мешков Е.И. Математическая модель процессов тепломассообмена прокалки углеродистого сырья во вращающейся печи.//Известия вузов Цветная металлургия. 1999 № 2. С. 64-68.

3. Герасименко Т.Е., Мешков Е.И., Рутковский А.Л., Бухмиров 13.13 Применение метода интегрирования по контуру для расчета угловых коэффициентов излучения.//Научные труды СКГТУ. -Сев.-Кавк. гос. технолог, ун-т. Владикавказ, 1999. Вып 6. С. 90-98.

4. Герасименко Т.Е., Мешков Е.И., Рутковский A.JI. Алгоритм расчета угловых коэффициентов излучения для расчета теплообмена во вращающихся исчах// Научные труды СКГТУ. -Сев.-Кавк. гос. технолог, ун-т. Владикавказ. 1999. Вып. 6 С 98-103.

5. Салихов З.Г., Герасименко Т.Е., Мешков Е И., Рутковский А.Л. Новая методика расчета угловых коэффициентов излучения зон теплообмена вращающихся печей.// Цветные металлы. 1999. № 9. С. 116-118.

Введение.

Глава 1. Современное состояние технологии прокалки углеродистого сырья и проблемы ее оптимизации

1.1. Физико-химические превращения в процессе прокалки углеродистого сырья.

1.2. Технологические особенности процесса прокалки.

1.3. Анализ работ по исследованию оптимальных условий прокалки и математическим моделям.

Выводы.

Глава 2. Разработка математической модели фйзико-химических и тепловых процессов прокалки и ее идентификация

2.1. Применение зонального метода для расчета теплообмена в трубчатой вращающейся печи.

2.2. Математическое описание процессов проходящих в трубчатой вращающейся печи.

2.3. Расчет угловых коэффициентов излучения.

2.4. Методика идентификации.

2.5. Параметрическая идентификация математической модели процесса прокалки кокса в трубчатой вращающейся печи.

Выводы.

Глава 3. Исследование процесса прокалки антрацита в трубчатой вращающейся печи методом имитационного моделирования 3.1. Исследование процесса прокалки антрацита в зависимости от расхода топлива и производительности печи.

3.2. Исследование процесса прокалки антрацита в зависимости от скорости горения топлива, времени пребывания материала в печи и подсоса воздуха.

3.3. Формулировка задачи оптимизации.

Выводы.

Глава 4. Исследование нового технологического комплекса с целью определения оптимальных условий проведения процесса прокалки

4.1. Обоснование применения технологического комплекса

4.2. Исследование технологического комплекса с целью определения оптимальных условий прокалки.

Выводы.

Производство алюминия, магния, стали, ферросплавов, серого и ковкого чугуна, цветных металлов, карбида кальция, хлора и каустической соды, металлического натрия, фосфора и фосфорной кислоты, карборунда, полупроводниковая промышленность - все эти отрасли являются потребителями материалов на основе углерода.

Отечественная электродная промышленность, в частности, электродные заводы, задачей которых было обеспечение углеродными материалами и изделиями всех базовых отраслей экономики, в настоящее время имеют те же проблемы, что и вся промышленность в целом, особенно тяжелая индустрия.

В период 1991-1993 гг., когда сократились рынки потребления электродной продукции оборонной, электронной, электротехнической отраслями промышленности, электродные заводы сохранили свои объемы производства за счет увеличения выпуска продукции для алюминиевой промышленности [1], а также для предприятий черной металлургии и автомобилестроения.

В настоящее время объемы производства, а отсюда и финансовые возможности электродных заводов практически полностью зависят от состояния дел на металлургических комбинатах и заводах (графитирован-ные электроды, доменные блоки), на алюминиевых заводах (катодные блоки, угольные электроды, углеродные массы), на ферросплавных заводах (электродная масса) [2].

Кроме того, сырьевая база электродной подотрасли переживает не лучшие времена. По ряду технических и экономических причин с 19911992 гг. производство кокса КНПС начало резко сокращаться. С 1992 г. прекратился выпуск кокса на Горьковском ОПНМЗ, с 1993-1994 гг. прекращено производство кокса на Московском заводе "Нефтепродукт" и на

Волгоградском НПЗ. Также значительно снизилось качество добываемого сырья, поэтому необходимо затрачивать больше усилия на подготовку и обработку сырья. Технологии, применяемые сегодня, не позволяют достичь необходимого качества изделий из этого сырья.

Резкое падение промышленного производства, особенно в области машиностроения, электротехнической промышленности, электроники и других, привело практически к полной потере интереса к научным исследованиям и новым разработкам. Все это серьезнейшим образом отразилось на деятельности отраслевых институтов. Но несмотря на изменившуюся обстановку они продолжают свою деятельность.

Общей характеристикой всех электродных изделий и масс является то, что они производятся из твердых прокаленных углеродистых материалов (коксов, антрацитов) и связующего - каменноугольного пека или его смеси с различными смолами.

Одной из основных технологических операций в производстве электродной продукции является процесс прокалки углеродистого сырья при высокой температуре. Качественные характеристики прокаленного материала оказывают определяющее влияние на качество готовой продукции.

Из всех известных технологических агрегатов для прокалки углеродистого сырья (электрические, ретортные, камерные, печи кипящего слоя) чаще всего используются трубчатые вращающиеся печи, которые характеризуются наиболее низкой стоимостью, простотой обслуживания, имеют высокую производительность.

Однако прокалка в этих печах имеет и недостатки. Основными являются большие удельные потери сырья, связанны с угаром его углеродной части, значительный пылевынос и недостаточно высокая температура прокалки.

Учитывая высокую стоимость, дефицит и снижающееся качество углеродистого сырья, очень важно дальнейшее изучение этого процесса с целью определения оптимальных условий его проведения с максимальным технико-экономическим эффектом.

Для этого необходимо на основании общих закономерностей определить структуру взаимосвязи параметров процесса и выбрать критерий оптимальности, определить область оптимального протекания процесса, разработать алгоритм управления, обеспечивающий выполнение критерия оптимальности в реальных промышленных условиях.

Поэтому исследование и оптимизация процесса прокалки углеродистого сырья актуальны

Актуальность работы. В настоящее время ощущается дефицит качественного, традиционно используемого для производства графитиро-ванных изделий углеродистого сырья - коксов различного вида. Задача расширения сырьевой базы электродной промышленности может быть решена путем использования более дешевого и распространенного углеродистого сырья - антрацита. Однако для достижения требуемых качественных показателей продукции при использовании антрацита необходима более высокая температура прокалки, чем при использовании коксов.

Электродная отрасль цветной металлургии сейчас выпускает более 30 видов графитированных электродов и анодов различных размеров, около 20 видов угольных электродов и футеровочных блоков, до 10 разновидностей'углеродистых масс и паст и более 80 видов конструкционных углеродистых материалов, потребность в которых постоянно растет.

Дальнейшая интенсификация производства, связанная с увеличением выпуска продукции, уменьшения безвозвратных потерь и улучшением качества, возможна на основе оптимизации производственных процессов и совершенствования конструкции основных технологических агрегатов. Для проведения процесса прокалки в настоящее время наиболее широко используются вращающиеся печи и электрокальцинаторы.

Расширение объема использования антрацита для производства электродных изделий в промышленном масштабе предусматривает разработку новых эффективных технологий прокалки и их аппаратурного оформления.

Основной целью работы является разработка научно обоснованных методик исследования и расчета процесса прокалки углеродистого сырья для выбора оптимальной технологии его переработки с наилучшими технико-экономическими показателями. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- разработка математической модели физико-химических и тепловых процессов прокалки в трубчатой вращающейся печи и ее идентификация по данным исследования промышленных печей; имитационное моделирование, исследование и оптимизация процесса прокалки в трубчатой вращающейся печи;

- исследование и поиск оптимальных условий проведения процесса прокалки углеродистого сырья в технологическом комплексе «трубчатая вращающаяся печь - электрокальцинатор».

Методы исследования. Обобщение теоретических и практических положений в технологии прокалки углеродистого сырья и их критический анализ. Теоретическое исследование тепловых и физико-химических процессов прокалки с разработкой математической модели. Методы теории идентификации на основе экспериментальных данных и имитационное моделирование процесса прокалки с применением ЭВМ. Методы теории оптимизации технологических процессов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов для вращающейся печи, описывающая кинетику процессов по длине печи с учетом горения топлива, материала и выделяющихся из него летучих веществ;

- получены в интегральной форме выражения для расчета угловых коэффициентов излучения с торцовой поверхности печи на газ, футеровку и материал всех ее участков;

- составлен алгоритм расчета угловых коэффициентов излучения всех зон теплообмена, при разбиении трубчатой вращающейся печи по ее длине на любое количество участков;

- на основе зонального метода расчета теплообмена получена система уравнений теплового баланса, учитывающих кроме горения топлива процессы горения материала и летучих веществ;

- разработана математическая модель, включающая уравнения тепломассообмена и формирования качества продукта, которая позволяет рассчитать величины материальных и тепловых потоков, распределение температур газового потока, материала и футеровки, оценить качественные и количественные показатели процесса;

- разработана методика определения оптимальных условий проведения прокалки в трубчатой вращающейся печи и комплексе «трубчатая вращающаяся печь - электрокальцинатор» для трубчатых печей различных размеров при варьировании производительности печи, расхода, состава, видов и условий сжигания топлива и других параметров.

Практическая значимость работы состоит:

- в том, что процесс прокалки антрацита в новом технологическом комплексе позволяет добиться существенного экономического эффекта за счет минимизации угара углеродистого сырья, снижения суммарных энергетических затрат и повышения производительности;

- в применимости разработанной математической модели для проектирования и исследования широкого класса технологических процессов проводимых в трубчатых вращающихся печах;

- в возможности применения материалов диссертационной работы при проектировании и внедрении процесса прокалки углеродистого сырья в промышленных условиях на Богословском алюминиевом заводе и Новосибирском электродном заводе, что обеспечит получение экономического эффекта ориентировочно 350-400 тыс. руб. в год на одном агрегате;

- в использовании полученных результатов в учебном процессе.

Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены автором и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (г. Владикавказ) в 1997-1999 г.г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5-и печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований, 28 рисунков, 12 таблиц и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 110 стр. текста, выполненного с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе поставлены и решены задачи разработки, исследования, расчета и выбора технологии процесса прокалки углеродистого сырья с наилучшими технико-экономическими показателями.

В работе получены следующие результаты.

1. Проведен анализ современного состояния технологии прокалки углеродистого сырья. Отмечена необходимость совершенствования технологического комплекса, позволяющего наряду с традиционным углеродистым сырьем (коксами) эффективно перерабатывать антрациты для производства графитированных электродных изделий в промышленных масштабах. На основе проведенного критического анализа сформулирована научная проблема и определены основные задачи исследования.

2. Изучены и проанализированы сложные и многообразные физико-химические процессы, протекающие в промышленных прокалочных агрегатах.

3. Для исследования процесса прокалки разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов, распределенных по длине печи. Структура модели применима для расчета и исследования широкого класса процессов, проводимых во вращающихся печах.

4. Для определения распределения температур газового потока, материала и футеровки, массовых расходов топлива, материала и продуктов горения по длине печи на основе зонального метода расчета теплообмена составлена система уравнений теплового баланса, учитывающих кроме горения топлива процессы горения материала и летучих веществ.

5. Получены зависимости для расчета угловых коэффициентов излучения с торцовой поверхности на газ, материал и футеровку для всех расчетных участков.

6. Синтезирован алгоритм расчета угловых коэффициентов излучения всех излучателей на приемники любого участка.

7. Разработана методика идентификации, компьютерные программы для моделирования процесса и выполнена идентификация математической модели по данным исследований промышленных печей электродных заводов.

8. Методом имитационного моделирования выполнено исследование процесса прокалки в промышленных вращающихся печах и новом технологическом комплексе с целью определения оптимальных условий прокалки.

9. Установлено, что для достижения максимального технико-экономического эффекта процесс прокалки должен проводиться во вращающейся печи и электрокальцинаторе, работающих в комплексе.

10. Синтезирован оценочный экономический критерий оптимизации нового технологического комплекса. Разработана ЭВМ-программа для определения оптимальных условий процесса прокалки углеродистого сырья.

11. На основе разработанной методики определены оптимальные условий проведения прокалки в комплексе «вращающаяся печь - электро-кальцинатор» для печей различных размеров при варьировании производительности печи, расхода, состава, видов и условий сжигания топлива и других параметров. Методика применима для оптимизации как существующих промышленных агрегатов, так и для нового технологического комплекса.

12. Полученные результаты дают научно-обоснованную методику расчета и оптимизации технологических комплексов прокалки, что позволяет получить значительный экономический эффект при внедрении новых промышленных агрегатов прокалки и эксплуатации существующих.

1.В., Кальченко В.С.//Цветные металлы. 1997. № 4.

2. Селезнев А.Н., Шипков H.H. Электродное производство сегодня.// Цветные металлы. 1996. № 12.

3. Михлин А.Е. и др./Яруды ВАМИ. Л.: 1968. № 64.

4. Свобода Р.В., Ведерников Г.Ф., Товстенко А.Ф.//Цветные металлы. 1972. №4.

5. Данилин Л.А., Малюгин A.C., Рутковский А.Л., Шайдурова Л.Д. Исследование периодического процесса прокалки кокса математическим моделированием с использованием ЭЦВМ // Известия вузов. Цветная металлургия. 1973. № 3.

6. Рутковский А.Л., Давидсон A.M., Герасименко Т.Е. Исследование процесса прокалки углеродистого сырья с целью оптимизации // Известия вузов. Цветная металлургия. 1998. № 4.

7. Чалых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий // М.: Металлургия. 1972.

8. Ярошевский П.Н. Юбилейный сборник научных трудов.

9. Фиалков A.C. Формирование структуры и свойства углеграфитовых материалов//М.: Металлургия. 1965.

10. Чалых Е.Ф. Производство электродов // М.: Металлургия. 1969.

11. Данилин Л.А., Малюгин A.C., Рутковский А.Л. К вопросу о механизме прокалки углеродистых материалов // Известия вузов. Цветная металлургия. 1974. № 2.

12. Данилин Л.А., Рутковский А.Л. и др. К вопросу о механизме прокалки углеродистых материалов // Труды СКГМИ. вып. XXXVII. Орджоникидзе: 1974.13