автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Оптимизация технологий получения металла в струйно-эмульсионных системах на основе принципов самоорганизации

РГ6 од

На правах рукописи

МОЧАЛОВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ

Специальность 05,16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новокузнецк -1998

Работа выполнена

на кафедре информационных технологий в металлургии Сибирского государственного индустриального университета

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Цымбал В.П.

Официальные оппоненты:

• -доктор технических наук, профессор Рожков И.М. доктор технических наук, профессор Глинков Г.М. доктор технических наук Снитко Ю.П.

Ведущая организация:

АО "Кузнецкий металлургический комбинат"

Защита состоится ■З . июня 1998 г. в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 063.99.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк Кемеровской области, ул. Кирова, 42, СибГИУ.

Email: tsymbal@sinerg.kemerovo.su

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГИУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного с-----

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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-эмульсионных 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 тепломассообмепных .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 принципов 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 руководителя 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 Сибгииромеза 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. Темиргау, 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 решения 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ.

В результате анализа различных технологий и механизмов протекания процессов при получении металла в струйно-эмульсионных системах (кислородно-конвертерный процесс, непрерывные сталеплавильные процессы, процессы прямого получения металла) показано, что в таких высокотемпературных средах за счет развитых поверхностей контакта фаз и гидродинамических режимов' возможно достижение высоких скоростей окислительно-восстановительных реакций, которые, как известно, определяют размеры агрегатов и их производительность. Однако существующие конструкции агрегатов и применяемые схемы взаимодействия потоков не позволяют достигнуть совокупного эффекта, который можно получить за счет совместного использования теоретически обоснованных и практически полученных отдельно преимуществ развития процессов в струйных и эмульсионных системах. Для этого необходимы принципиально новые подходы и теоретические разработки.

Обоснованы и изложены методологические предпосылки оптимизации сложных металлургических систем и технологий получения

металла на основе теории и принципов самоорганизации. Применительно к особенностям металлургических процессов выделены основные условия, при которых возможна самоорганизация: открытость, наличие интенсивных потоков обмена со средой веществом и энергией; определенный порядок сложности системы, состоящей го большого числа подсистем и элементов; неравновесность, являющаяся причиной нелинейных свойств, которые способствуют повышению чувствительности, приводят к увеличению спектра возможных состояний за счет действия бифуркационных механизмов; наличие взаимодействия между элементами системы, приводящих к совокупному и кооперативному эффекту. Установлено, что проявления механизмов самоорганизации в рамках существующих конструкций агрегатов (например, самораски-пание ванны, интенсивное вспенивание шлака, выбросы) воспринимаются как аномальные явления, которые носят кратковременный и нестационарный характер из-за отсутствия организованного процесса обмена с окружающей средой. В то же время они отражают огромные потенциальные возможности развития тегогамассообменных процессов в металлургических системах.

С позиций эволюции систем показано, что высокоэкономичным может быть процесс, который протекает в агрегате, где за счет конструктивных и режимных параметров достигается текущее неравновесное состояние, которому соответствует наименьшее производство энтропии, а механизмы самоорганизации должны действовать в "большом" на уровне функционирования всей системы при взаимодействии со средой за счет входных и выходных потоков вещества и энергии. Это вытекает из анализа механизмов самоорганизации, согласно которым самоорганизация возникает на пересечении свойств системы и ее окружения. Такие системы являются иерархическими, а размеры элементов структуры зависят от схемы формообразования и режимов взаимодействия со средой. Поэтому при решении задач оптимизации необходимо знание механизмов функционирования и управляющих параметров, отвечающих за самоорганизацию на различных уровнях.

Для практических задач оптимизации технологий предложено использовать следующие принципы самооргаиизации: равновесной термодинамики, минимума производства энтропии, текущего и локального равновесия, мозаичной неравновесной термодинамики, наименьшего принуждения и подчинения.

В результате анализа механизмов процессов и различных показателей сформулирована многокритериальная задача оптимизации, в которой выделены четыре уровня критериев: критерий эволюции (производство энтропии на единицу продукции); технико-экономические показатели (себестоимость, энергоемкость, производительность, капи-

тальные затраты, экологичность и безотходность технологий, управляемость процесса, универсальность агрегата); технологические критерии (выход годного металла, расходные коэффициенты, состав металла и шлака, запыленность отходящих газов); физико-химические параметры (скорость процессов, поверхность взаимодействия фаз, отклонение системы от равновесия, температура, давление).

На основе рассмотрения проблемы оптимизации технологий получения металла дано системное представление объекта исследования и процесса решения задач, которые показаны на рис. 1.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЯ, ОПТИМИЗАЦИЙ И ОБУЧЕНИЯ

НАУЧНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

теория СИНЕРГЕТИКИ и ПРИНЦИПЫ САМООРГАНИЗАЦИИ сложных систтн

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ

исследования

высокотемпературных окислительно-

вкотшт^мышаи

гкТиЛЬ! Т^игнК

МНОГОФАЗНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. МОДЕЛИРОВАНИЯ, УПРАВЛЕНИЯ. ОПТИМИЗАЦИИ

Рис. 1. Системное представление проблемы оптимизации технологий и

процесса ее решения

Выделены основные компоненты технологий (реальные объекты и системы; научные и теоретические основы; автоматизированные инструментальные системы) и рассмотрено их содержание применительно к задачам данной работы. Обоснован циклический характер непрерывного процесса взаимосодействия задач моделирования, оптимизации и обучения, в результате чего достигаются совокупные эффекты (закономерности развития систем; режимы, технологии, агрегаты; знания, умения, навыки), являющиеся основой при эксплуатации существующих и создании принципиально новых технологий.

II. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА.

Обобщены результаты по разработке: подхода к исследованию и созданию синергетических объектов; методики решения многокритериальной задачи оптимизации технологий получения металла; инструментальных прикладных систем, методик расчета и исследования процессов.

Особенность подхода к исследованию и созданию синергетических объектов заключается в переходе на основе теории и принципов самоорганизации от представления системы "процесс - внешние потоки" к расширенной открытой синергетической системе "агрегат-процесс - внешние потоки", схема которой показана на рис. 2.

Рис. 2. Выделение системы при синергетическом подходе

Основными составляющими такой системы являются:

• конструкция агрегата или объекта как область Ю. состояние которой характеризуется вектором У физико-химических и теплофизиче-ских параметров, находящихся во взаимосвязи с основными конструктивными размерами агрегата

• входной поток поступления в систему через границу д\Ю энтропии ¿/Д вещества и энергии У0 в виде исходного сырья и реагентов в соответствии с механизмом - (З^К-, ^,^,}'), действие которого определяется управляющими параметрами Р\ внешней среды, парамет-

рами состояния системы У и конструкцией Кд & канала обмена с окружающей средой;

• самоорганизующиеся процессы взаимодействия компонентов в системе в соответствии с механизмом Р (фазовые превращения и химические реакции), происходящие во времени х внутри области £{ в результате которых происходит производство энтропии (¡¡3, и зависящие от параметров состояния У, конструктивных размеров агрегата К@ и потоков обмена с окружающей средой <2\

• выходной поток из системы через границу г^й* энтропии продуктов реакций, который определяется действием - механизма Яг ~ £?г &' ¿2 )> зависящем от параметров состояния системы V, параметров внешней среды Рг и конструкции канала Кь 0 обмена с окружающей средой.

В соответствии с этим в работе предложено рассматривать систему при синергетическом подходе как множество 9? = (К, ¥, т), элементами которого являются: конструктивные параметры К = К<рЮ К^& и К; механизмы обмена системы с окружающей средой

2 = и <2Ь действующие на [раницах д2& области конструкции агрегата; вектдр параметров состояния У, математическая модель, описывающая изменение состояния которых, должна иметь структуру ¥ = т); время, характеризующее динамику процес-

сов в агрегате.

Показано, что при синергетическом подходе важную роль имеет анализ механизмов обмена системы с окружающей средой. Поэтому этот вопрос является одним из основных в работе при исследовании струйно-эмульсионных систем и создании новых процессов и технологий. В этом случае конструктивные параметры агрегата или объекта, управляющие параметры порядка системы оказываются наилучшим образом взаимоувязаны с физико-химической сущностью и природой протекающих процессов.

Методика решения многокритериальной задачи оптимизации построена на основе метода исследования пространства параметров и имеет следующие методологические особенности.

1. Использование при решении задачи всей совокупности критериев, не изменяя основного свойства многокритериалыгости за счет представления критериев как необходимых требований или условий, предъявляемых к системе и деление их на три вида: параметрические а/ < щ < а/*,7= 1, ..., /V, к которым относятся технологические (расходы и состав исходных материалов и энергоресурсов) и конструктивные (основные размеры агрегатов и узлов); функциональные с, ¿/¡(а) <

**

с, , / = 1, ..., М, представляющие взаимосвязь параметров состояния систем с режимами и конструктивными условиями протекания процессов, являющиеся условиями жесткого типа или нормативными; критериальные Ф((а) < Фк , к = 1, характеризующие определенные требования к себестоимости, энергоемкости, расходным коэффициентам, производительности, экологичности и управляемости.

2. Применение математической модели объемлющей системы, включающей описание физико-химических процессов во взаимосвязи с основными конструктивными размерами агрегата и режимами управления.

3. Постановка и решение задачи - сложный, единый и многоэтапный процесс. Построение допустимого множества - основной этап решения задачи, при этом неформальный анализ результатов является неотъемлемой процедурой, а выбор наиболее предпочтительного варианта не представляет значительных трудностей и должен осуществляться специалистами предметной области.

Методика реализована в виде последовательности выполнения взаимосвязанных этапов с учетом отмеченных особенностей и свойств рассматриваемых систем. Для расширения возможностей метода исследования пространства параметров и исключения принципиально неправильных решений предложено наряду с традиционными критериями использовать критерий эволюции систем в виде удельного производства энтропии на единицу выпускаемой продукции.

Прикладные инструментальные системы, методики расчета и исследования процессов. Особенность разработанных инструментальных систем заключается в универсальности построения структур и возможностях реализованных функций, которые применимы для оптимизации не только технологий получения металла в струйно-эмульсионных системах, но и для любых других физико-химических процессов и технологических объектов.

Разработаны структуры отдельного и совместного функционирования с автоматизированными системами управления металлургических объектов систем технологических исследований, моделирования и оптимизации технологий, тренажерно-обучающих систем, принципы построения которых нашли применение при создании автоматизированных систем на ряде металлургических комбинатов и положены в основу разработки и реализации системы управления опытной установкой непрерывного получения металла.

На основе концептуальных положений разработки инструментальных систем, созданных обобщенных структур автоматизированных тренажерно-обучающих систем и систем технологических исследований реализованы на базе персональных ЭВМ прикладные систе-

мы, которые используются в учебном процессе и научной деятельности на предприятиях и в организациях, указанных в разделе по практической реализации работы.

Для расчета технологических процессов на уровне входных и выходных материальных и энергетических потоков с использованием программного комплекса "Астра" создана методика термодинамического моделирования, которая позволяет осуществлять: оценку предельных энергетических возможностей процесса; расчет технико-экономических критериев и показателя эволюции систем - производства энтропии на единицу выпускаемой продукции; определение термодинамических границ существования условий взаимодействия компонентов в системе; выбор оптимального набора компонентов входного потока с "Целью разработки вариантов технологических схем переработки исходного сырья; оптимизацию соотношений параметров в рамках заданного технологического набора компонентов входного потока с целью получения требуемого состава готового продукта.

Применительно к реализации задач исследования сложных объектов разработаны: методика раскрытия взаимосвязей между параметрами процессов, применение которой рассмотрено на примере создания линейных по параметрам моделей заключительного периода продувки конвертерной ванны; методика непрерывного оценивания основных и косвенных параметров состояния металлургического процесса на основе совместного использования текущей информации о состоянии объекта и априорных данных, формализованных в виде математических моделей, которая использована в работе при высокотемпературном моделировании и проведении экспериментальных исследовании в промышленных условиях.

III. ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОЧНОМ РЕАКТОРЕ СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОШЮГО ТИПА.

Рассмотрены основы построения математических моделей процессов, протекающих в открытых, многофазных гетерогенных средах применительно к гидродинамическим условиям "идеального" перемешивания фаз в проточного реакторе струйно-эмульсионного типа.

Формально-содержательное представление процессов взаимодействия потоков и фаз в реакторе. Особенность рассматриваемого в данной работе подхода к моделированию сложных процессов взаимодействия многофазных сред заключается в синтезе и формальном представлении "идеализированного" металлургического проточного реактора струйно-эмульсионного типа. Для этого сформулирован ряд предпосылок и условий, которым должны соответствовать процес-

сы, имеющие более высокий уровень "определенности" в понимании физико-химических закономерностей, возможностей математического описания и управления. Такой подход вытекает из концепции, согласно которой создание принципиально новых объектов и технологий должно осуществляться по схеме: теория модель -» объект.

Разработанная схема взаимодействия фаз в проточном реакторе струйного или эмульсионного типов показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема взаимодействия фаз в проточном реакторе

В основу построения схемы и математического описания процессов положены следующие предпосылки, которым должен соответствовать реактор: наличие нескольких входных потоков, что необходимо для осуществления процессов смешения и организации взаимодействия; обеспечение за счет конструкции реактора и схемы подачи входных потоков условия "идеального" взаимодействия и максимального развития поверхностей контакта и смешения фаз; заполнение реактора в стационарном режиме гетерогенной смесью в виде газовзвеси или эмульсии, в которых частицы и капли распределены в

"материнских" фазах - газовой или пенной, имеющих высокое объемное газосодержание; наличие одного выходного потока гетерогенной смеси, что создает организованную гидродинамическую структуру как самого потока, так и среды в реакторе.

На основе теории гетерогенных многофазных сред определены следующие основные параметры состояния реактора: массы гетерогенной смеси в целом т, фазы т ^ компонента фазы т/; объемы реактора V, фазы Vкомпонента фазы У^; приведенные плотности фазы р-^ компонента фазы р/; объемное а/ и массовое х1 содержания фазы и а/, х/ - компонента соответственно; мольные, концентрации компонентов С/; поверхности В1 и удельные поверхности фаз, температуры Т} фаз.

Описание материального и теплового балансов рассмотрим на примере вывода уравнений материального баланса, которые получены из уравнений неразрывности (закона сохранения масс) относительно составляющих гетерогенной смеси с использованием феноменологической теории многоскоростного континуума. В качестве составляющих рассматриваются вещества Х^ всех фаз, входящие в состав гетерогенной смеси.

На основе применения уравнения баланса масс для произвольного фиксированного в пространстве гетерогенной смеси объема 5 V, ограниченного поверхностью 55, в виде'

где - проекция скорости 0* на нормаль к поверхности 5Я, к объему всего реактора, ограниченного поверхностью Б, и выполнения необходимых преобразований получена система уравнений, описывающих динамику изменения массы фаз в реакторе

Изменение осредненной приведенной плотности г'-го вещества/ой фазы выразили уравнением

Хр^Л - р{и{^вых + 73{, кг/(м3-с), (3)

где К - количество входных потоков; - нормальная составляющая скорости/-ой фазы в к-ом входном потоке, м/с; и^„вьа - нормальная составляющая скорости /-ой фазы в выходном потоке, м/с; - приве-

денная плотность вещества Х^ в к-ом входном потоке, кг/м3; Я/, - площадь сечения к-го входного потока, м"; - площадь сечения выходного потока, м2, У/ - удельная объемная интенсивность изменения массы ¡-го компонента /-ой фазы, кг/(м3-с), которое получено после перехода к осреднснным параметрам.

После перехода от приведенных плотностей к молям и мольным концентрациям получены уравнения, описывающие динамику изменения количества молен ¡-го компонента /-ой фазы

¿./ к

= %а{фпкБк - а^С[иПш8вых + \У[, моль/с, (4)

Л к-л

где Ц'{ = У-.]/ '! Л/, - изменение числа молей компонента в реакторе за счет химических реакций, моль/с, а также уравнения, описывающего динамику изменения мольной концентрации /-го компонента /-ой как конденсированной фазы

= р/ - С^Чг?! , моль/(м3-с), (5)

¿х м р/

где р; - истинная плотность компонента, кг/м , так и газообразной фазы

= X "1 х ' о г -' моль/(м3-с), (б)

Л а м р/

где Г/ + и/, - осредненная по

¿.=1 а7 к V а1 V

объему реактора удельная скорость многостадийной реакции по 1-му компоненту /-ой фазы, моль/(с-м2); - суммарная поверхность/ой фазы, м2.

Динамика изменения объемной концентрации /ой конденсированной фазы описывается с помощью уравнения

>/с, (7,

ы р/

-!

/

а газообразной фазы - с помощью соотношения аг = 1 - а

/=1

Расчет удельной поверхности контакта фаз. Одним из условий эффективного развития процессов в реакторе является образование больших удельных поверхностей контакта фаз за счет диспергиро-

вания входных потоков конденсированных веществ. Используя экспериментальные данные для оценки законов распределения дисперсных фаз по диаметру частиц, полученных при исследовании процессов в аналогичных условиях, построили количественные связи между величиной потока фазы и полученной поверхностью контакта на основе оценки параметров логарифмически нормального закона распределения. В качестве исходных экспериментальных данных для количественного описания распределения капель и частиц по диаметру d в процессе диспергирования потока в интервале (Jrrlln, dn]lx) использовали массы фракций гранулометрического анализа.

Оценка для нормированной плотности- распределения массы

fm{d\ строилась в классе регулярных распределений в заданном интервале с-учетом минимального düua и максимального диаметра с?шах частиц. Методики оценки величины поверхности фаз заключается в следующем: идентификация параметров распределения

ф(а*,ст*)=ттф(а,ст); оценка нормированной плотности распределена

ния массы частиц fm(d); оценка плотности распределения количества частиц fn{d)~——-rfn{d); расчет удельной поверхности частиц

Syd - j/„ (£)rct,2d^ G, где G - массовый расход входного потока, кг/с.

¿min /

Описание сложных гетерогенных многостадийных процессов. Для описания кинетики сложных последовательных, параллельных и последовательно-параллельных стадий процессов взаимодействия фаз в реакторе использовали подходы, развиваемые в химии и химической кибернетике, которые при моделировании металлургических процессов не нашли достаточно системного применения. Разработана схема составления системы уравнений, описывающих баланс изменения количества молей компонента Wf, которая подставляется в правую часть уравнения (4). Схема предусматривает: составление уравнений химических реакций для отдельных стадий; приведение системы уравнений к каноническому виду; определение числа независимых реакций; составление базовых уравнений для изменения количества молей компонентов.

IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ДИСПЕРСНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ II ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

На основе особенностей синергетического подхода к исследованию механизмов явлений рассмотрены результаты моделирования и экспериментального исследований физико-химических процессов в струйно-эмульсионных системах с высоким газосодержанием, отличающихся уровнем сложности и характером взаимодействия с внешней средой.

Анализ процессов тепломассообмена в дисперсных системах. Приведены результаты решения задач нестационарного тепломассообмена капель металла и частиц различных материалов, отличающихся теплофизическими параметрами (плотность, теплоемкость, теплопроводность), с внешней средой в широком интервале значений коэффициентов тепломасс-оотдачи, характерных для высокотемператур-

-ньк^еталдурп1тесюк^хред,-И-усшоБног^

значений которого, равный 0,025-10"3-г5-10'3 м, определен экспериментально из анализа законов распределения по размерам капель диспергированного потока металла и частиц мелкодисперсных, пылевидных железорудных, шлакообразующих материалов и различных отходов промышленных предприятий. Краевая задача решалась методом разделения переменных с использованием быстросходящихся рядов. Особенность методики решения заключается в построении схемы расчета, которая позволяет получать результаты, характеризующие связь между определяющими параметрами задачи в заданном любом интервале переменных, представленных как в критериальной, так и в физической формах. Этапы методики расчета.

1. Построение для среднемасеовых безразмерных температуры <Эмас и концентрации Смас с использованием аналитических уравнений вида зависимости 0,шс = ®мас(Ро, Вг), Сиас = Смас{рол,В1я) для заданного диапазона 'изменения критериев подобия, соответствующего условиям рассматриваемых систем.

2. Решение обратной задачи при различных ®мас и В1, Смас и В1Д на основе результатов этапа 1 и численное определение характера связи времени теплообмена и массообмена от параметров в критериальной форме Го = /-о(0.1МС, В г), Гол = Гоя (Смас, В{д).

3. Построение номограмм, определяющих количественную связь между конкретными физическими величинами

где Я - радиус частицы.

Используя в качестве показателя завершенности процессов тепломассообмена значение, составляющее 95 % от исходного перепада температур или концентраций, определили, для указанных материалов, зависимость времени процессов от размера частиц, их параметров Я и Д а также коэффициентов тепло- и массоотдачи а и р, характерных для условий протекания процессов в газовой и эмульсионной средах при ламинарном и турбулентном режимах. Полученные результаты использованы для обоснования времени пребывания и условий взаимодействия фаз при разработке струйно-эмульсионного процесса.

Математическое моделирование механизмов взаимодействия капли металла с внешней средой. Приведены результаты разработки моделей, описывающих процессы взаимодействия капли металла с газовой и шлаковой фазами, которые представляют собой элементарные осциллирующие синергетические системы, что необходимо для последующего обоснования режимов воздействия, согласованных с внутренними свойствами таких систем.

Взаимодействие капли металла с окислительной атмосферой рассмотрено для случая, когда жидкая капля состава Ре-С-О радиусом К находится в реакторе объема Гили движется в потоке окислительной атмосферы с линейной скоростью V в канале диаметром Ок. Исходя из современных представлений о механизме процессов окисления и поверхностных явлений предложен механизм и схема взаимодействия фаз и последовательность развития динамики процессов. Особенностью принятого механизма и модели является учет, наряду с кинетикой прямого и косвенного окисления, процессов обмена капли с окружающей средой по каналу " газ - металл" за счет описания динамики изменения доли поверхности <р, занятой оксидной пленкой и толщины этой пленки 8. Принято, что при достижении ф определенного критического значения ф", свободная поверхность капли "захлопывается" и прекращается обмен системы с окружающей средой. В результате расходования оксидной пленки на реакции косвенного окисления, ее толщина уменьшается и при достижении значения 5* происходит разрыв. Система "открывается", происходит прямое окисление. В результате образования оксидной фазы поверхность пленки вновь достигает значения ф\ Рассмотренный механизм, его количественные характеристики объясняют зависимость скорости реакций от характера периодического воздействия внешней среды и могут быть использованы для организации процессов эффективного рафинирования.

Моделирование пульсирующих процессов при движении капли металла в шлаковой фазе. Задача решалась с целью объяснения меха-

низма пенообразования шлаковой фазы в сталеплавильных агрегатах, что необходимо для анализа процессов рафинирования металла в эмульсионных средах и оптимизации режимов управления.

Описание основано на предположении следующего механизма яв/,ений. На поверхности металлических капель (корольков), попадающих в шлак в результате разбрызгивания металла кислородными струями и барботажа ванны, протекает реакция окисления углерода с выделением газовой фазы. Образующаяся система (капля металла - пузырь СО) под действием гравитационных и архимедовых сил совершает колебательные движения. Каждая капля за время пребывания в шлаке генерирует некоторое количество мелких пузырей СО, которые, всплывая на поверхность ванны, образуют газошлаковую пену. Количество пузырей, генерируемых отдельной каплей, а также глубина погружения последней зависят от размера капли и значений физико-химических параметров состояния металла и шлака по ходу продувки. Введено понятие частоты генерации пузырей СО. Получена система уравнений, которая описывает перемещение системы "капля металла -пузырь СО" по высоте шлака, зависимость амплитуды и частоты генерации пузырей СО от параметров системы.

Исследование восстановнтельиых процессов в эмульсионной системе на высокотемпературной физической модели. Методика исследования окислительно-восстановительных процессов в эмульсионной системе разработана на основании результатов анализа и моделирования рассмотренного механизма вспенивания шлака, закономерностей экспериментального исследования кинетики совместно протекающих реакций в системе железоуглеродистый расплав - шлак - газ и способа непрерывного оценивания состояния процесса на основе комплекса параметров. Особенность методики заключается в: целенаправленном создании в реакторе при определенных сочетаниях начального состава шлака и температуры условий для образования газо-шлакометаллической эмульсии и развития окислительно-восстановительных реакций в ходе естественного протекания высокотемпературных физико-химических процессов; комплексном использовании результатов дискретных (параметры металла и шлака) и непрерывных (состав газа) измерений, а также расчетных переменных; определении закономерностей развития процессов на основании обработки полученных данных по множеству реализаций для наиболее характерных и воспроизводимых режимов и условий.

В работе данная методика реализована в печи Таммана в стек-лографитовом тигле путем использования в качестве реагентов расплавленного высокожелезистого шлака и графита тигля. В результате исследований для условий г = 1500+1600 °С и начальных концентраций

компонентов исходной смеси (Ре О) = 10+40 %, (Ре203) = 74-15 %, (СаО) = 16+35 %, 16+35%, (А1203)= 8+17 % определены ди-

намические закономерности протекания окислительно-восстановительных процессов в эмульсионной системе. Получены кинетические константы реакций: восстановления Ре О шлака углеродом, растворенным в металле

17000

и>ео = 6,47 • 10"4 • е г С^СЖ- (9)

восстановления Ре^Ол, шлака твердым углеродом

15250

• >^=0,746 ^ '(10>

насыщения капель металла углеродом

17416

__1^=5.54 I (Г2.., е" т_ АС';23, ______(11)

где Т - температура, К, щ - удельная скорость реакции, моль/(с-м2), С,- -концентрация компонента, моль/м3, АСс ~ разность между текущей концентраций углерода и концентрацией насыщения.

В результате анализа зависимости концентрации углерода в каплях в стационарном режиме от скорости реакции косвенного окисления показана принципиальная возможность получения стали путем прямого восстановления. Для этого необходимо достижение высоких значений удельной скорости порядка 0,15+0,20 моль/(с-м2); при меньших значениях, реакция растворения углерода в каплях протекает быстрее, что приводит в конечном итоге к получению чугуна.

Экспериментальное исследование в кислородном конвертере процессов в щлакометаллической эмульсии. Особенность разработанной методики основана на определении динамических характеристик свободного движения системы шлак-металл и экстраполяции полученных закономерностей в начало этого движения, что дает возможность получить часть информации и о вынужденном движении системы. Практически реализуется следующим образом: путём длительного воздействия управляющих факторов в системе металл-шлак создаются относительно стабильные отклонения от равновесия, затем управляющие воздействия полностью устраняются и система "свободно" движется к состоянию равновесия. Наблюдаемые при этом переходные процессы по уменьшению во времени суммарной концентрации оксидов железа в шлаке, скорости обезуглероживания, рассчитанной по анализу отходящих газов и изменению содержания в них СО и СОг, дают не только ценную информацию о внутренних закономер-

ностях этого движения, но и позволяют оценить влияние управляющих воздействий на некоторые параметры процесса до начала свободного движения.

На основании предложенной методики теоретически обоснована структура уравнений, описывающих динамику межфазной поверхности металл-шлак при изменении управляющих воздействий и долю косвенного окисления углерода в шлакометаллической эмульсии конвертерной ванны.

V. ИССЛЕДОВАНИЕ II ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ / КАК РЕАКТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Обобщены результаты исследований по разработке способов контроля и управления конвертерной плавкой в основном и заключительном периодах продувки, особенностью которых является использование возможностей эффективного развития процессов рафинирования в шлакометаллической эмульсии.

С целью увеличения выхода жидкой стали и ускорения процессов рафинирования в шлакометаллической эмульсии кислородного конвертера на основе исследования свойств саморегулирования процесса "в большом", которое проявляется в способности объекта за счет обратных связей компенсировать влияние начальных условий при определенной программе управления, путем математического моделирования разработаны технологические режимы продувки с программным изменением положения фурмы, обеспечивающие заданный перегрев шлака над температурой плавления и оптимальную концентрацию оксидов железа в шлаке. Для оценивания основных параметров состояния конвертерной ванны по ходу продувки и контроля уровня шлакометаллической эмульсии разработаны способы, основанные на комплексном использовании параметров газового анализа, расчетных модельных переменных и параметров, косвенно характеризующих состояние ванны. Разработаны способы контроля и управления заключительным периодом продувки.

В результате промышленных испытаний и внедрения разработок, направленных на совершенствование технологических режимов, в условиях ККЦ №2 достигнуто увеличение выхода годной стали, повышение степени удаления фосфора и серы, снижение продолжительности продувки, экономия расходов чугуна, извести и плавикового шпата, в результате чего достигнут в 1981-1988 г.г. долевой экономический эффект более 1,4 млн. рублей в год в ценах указанного периода.

Результаты внедрения технологических режимов и систем, направленных на поддержание определенного высокого уровня шлако-

металлической эмульсии в конвертере, при котором достигается повышение интенсивности процессов и качества рафинирования, а также технологическая очистка газов в объеме агрегата, показали, что при существующей конструкции агрегата эта задача является трудноразрешимой. Управление плавкой на границе устойчивости осложняется возможными проявлениями спонташгого развития процессов вспенивания шлакометаллической эмульсии, которые реализуются при определенных сочетаниях неуправляемых факторов за счет накопленных на предыдущих этапах энергетических и материальных потенциалов. Это характеризует ограниченные возможности данного агрегата по сравнению с потенциальными ресурсами развития процессов в струйно-эмульсионных системах, поскольку для поддержания таких процессов на стационарном уровне необходимо постоянное интенсивное взаимодействие системы со средой.

На основании результатов проведенных исследований, а также-анализа литературных данных, была осуществлена постановка задачи создания процесса и конструкции агрегата, позволяющих осуществлять управляемое интенсивное физико-химическое взаимодействие фаз в струйно-эмульсионных системах.

VI. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ХИМИКО-МЕГАЛЛУРГИЧЕСКОГО РЕАКТОРА-ОСЦИЛЛЯТОРА ПРОТОЧНОГО ТИПА.

Приведены результаты разработки, исследования, определения конструктивных параметров и режимов функционирования созданного впервые химико-металлургического проточного реактора-осциллятора струйно-эмульсионного типа.

При разработке реактора поставлены и решены следующие задачи оптимизации: достижение наиболее полного использования первичной энергии кислородных струй; использование энергии объемного расширения газообразных продуктов химических реакций путем накачки энергетического потенциала и создания в реакторе избыточного давления; выведение системы в текущее стационарное неравновесное состояние, которому соответствует минимум производства энтропии.

Структура н принцип действия реактора. В основу создания реактора положены следующие фундаментальные свойства: принцип обратимости химических реакций, идущих с выделением газообразного продукта в системе под давлением; зависимость критической скорости течения многофазного потока в канале от соотношения конденсированной и газообразных фаз; взаимосвязь параметров состояния с механизмами обмена реактора с окружающей средой.

Функциональная структура реактора, раскрывающая внутренние взаимосвязи и характеризующая принцип действия приведена на рис. 4. Схема конструктивной компоновки показана на рис. 5.

Рис. 4. Функциональная структура реактора-осциллятора

конденсированная I фаза ™

О1, Б \ (/,Р '

Рис. 5. Технологическая компоновка реактора-осциллятора

Реактор имеет сферическую форму, цилиндрический канал отвода продуктов реакций, каналы подачи конденсированных и газообразных реагентов. При взаимодействии встречных газовых струй в центре реактора образуется динамическое "ядро уплотнения", имеющее определенное давление Рг, которое зависит от расстояния между соплами и режима подачи газов. При взаимодействии вертикального потока конденсированной фазы с "ядром уплотнения" происходит его диспергирование, образование больших удельных поверхностей контакта фаз и достигается "идеальное перемешивание" компонентов в реакторе при высоком газосодержании. Основными макропеременными реактора являются: давление Р, температура Г, масса фаз т!\\ тг в ре-

акторе; конструктивные размеры агрегата - диаметры реактора Вр и отводного канала Д:, площади сечения входных потоков 51' и отводного канала 5,.Л1; газовыдедение, определяемое суммарным вкладом газообразных веществ входного потока и продуктов реакций моль/(с-м3) объема реактора; объемное газосодержание а.'; плотности р^, рг, рСЛ( и массовые расходы потоков { (¿\ <2СЛ); режимы воздействия, определяемые давлениями Р{, Р\ Рср.

Показано, что за счет выбора соотношений конструктивных параметров и режимных параметров потоков взаимодействующих фаз в реакторе целенаправленно можно создать требуемое давление и пульсирующий характер процессов с определенной частотой и амплитудой. Давление при заданном соотношении Ор!Пк создается за счет газовыделения й действия механизма "самозапирания" канала отвода многофазной смеси продуктов реакций, который проявляется в зависимости

критической скорости течения потока от объемного газосодержания. Причем, как известно из динамики многофазных сред, при незначительном уменьшении' газосодержания всего на 2ч-3 % критическая скорость двухфазного потока уменьшается почти на порядок. На рис. 6 показана расчетная зависимость давления в реакторе от газовыделения и газосодержания, которая поясняет данный механизм.

Пульсирующий характер процессов объясняется наличием положительных и отрицательных обратных связей, проявляющихся в зависимости механизма отвода смеси от газосодержания, а также влияния давления в реакторе как на механизм притока и оттока, так и на скорость реакций, идущих с выделением газообразных продуктов. Контуры этих связей показаны на рис. 4. Они могут иметь чисто гидродинамическую природу. Более разнообразны возможности при протекании химических реакций, когда дополнительно действует контур с оператором К. Эти связи имеют различную динамику, что физически объясняется наличием объема реактора, расстояний по транспортировке исходных веществ и продуктов

Рис. 6. Зависимость давления в реакторе от определяющих параметров

реакций, а математически - наличием дифференциальных операторов и операторов запаздывания.

Применительно к физико-химическим и гидродинамическим режимам реактора дано математическое описание состояния фаз, приведены соотношения для расчета входных и выходных потоков.

Исследование взаимодействия входных потоков и закономерностей образования фаз. На основе результатов экспериментальных исследований по измерению величины полного давления в "ядре уплотнения", которое, как показали эксперименты, может достигать значения, составляющего 50 % от давления в форкамере, а также видеосъемки и компьютерной обработки изображений процесса взаимодействия струй, полученных с помощью аппарата Теплера, определены соотношения для оценки зависимости полного давления в "ядре уплотнения" от режимных параметров подачи газа и расстояния между соплами.

Проведено низкотемпературное моделирование по исследованию процессов взаимодействия потока жидкости с встречными газовыми струями, в результате которого определены три характерных режима: дробление, диспергирование и распыление, для которых получены зависимости между величинами определяющих параметров.

Для условий, близких к промышленным, проведено исследование процессов диспергирования потока чугуна азотом, в результате которого показана принципиальная возможность использования данного способа в технологических целях. Определены параметры закона распределения продуктов диспергирования и показана возможность достижения на основе этого способа удельной поверхности взаимодействия фаз величины 3+5 м2/кг потока металла.

Исследование и моделирование режимов реактора-осциллятора. На основе физического и математического моделирования проведен комплекс исследований гидродинамических режимов низкотемпературного реактора-осциллятора, в результате которых получены соотношения между определяющими параметрами и исследован механизм динамических пульсирующих режимов.

Разработана методика математического моделирования физико-химических процессов, протекающих в высокотемпературном реакторе, на основе соотношений и предпосылок, рассмотренных в третьей главе. Выполнены расчеты конструктивных, теплотехнических и технологических параметров реактора опытно-промышленной установки, на которой проведены эксперименты по взаимодействию потока чугуна с кислородом. Экспериментально показана возможность создания повышенного давления в реакторе, достижения скоростей окисления углерода порядка 1+2 %/с.

Определены области применения реактора-осциллятора, функции которого можно сравнить с ролью генератора или карбюратора: в непрерывных металлургических процессах в качестве реакционной камеры для начальной стадии взаимодействия входных потоков, создания энергетического потенциала и дальнейшей подачи продуктов в эмульсионный реактор или реактор последующих стадий обработки; в химии и химической технологии для организации взаимодействия потоков жидкости с газами и дальнейшей подачи смеси в эмульсионные среды; для конверсии природного газа или газификации угольной пыли и подачи продуктов в восстановительную зону основного.металлургического реактора; для газификации угольной пыли и подачи продуктов в топку теплотехнического агрегата. ■

VII. РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ II ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННЫХ АГРЕГАТАХ.

На основании результатов по разработке реактора-осциллятора сформулирована и решена задача создания процесса, агрегата и технологий непрерывного получения металла, основанных 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.

Сформулированы основные цели создания процесса и конструкции агрегата: малая материалоемкость основного и вспомогательного технологического оборудования; низкие затраты материальных и энергетических ресурсов на производство единицы продукции; высокая экологичность и безотходность технологий; управляемость, универсальность и мобильность.

Принципиальные особенности процесса и конструкции струйно-эмульсионного агрегата непрерывного действия. Основой создания процесса непрерывного получения металла и агрегата для его осуществления, схема которого показана на рис. 7, явились следующие принципиально новые для металлургии положения.

1. Рассмотрение расширенной открытой синергетической системы "агрегат - процесс - внешние потоки" и создание на этой основе операций способа, находящихся во взаимосвязи с основными конструктивными параметрами агрегата.

2. Создание условий, обеспечивающих выведение процесса в отдельных реакционных зонах в неравновесное состояние на основе

выбора конструктивных параметров и задания технологических режимов для определенного вида сырья и готовой продукции.

1 - реакционная камера; 2 - соединительный канал; 3 - рафинирующий отстойник; 4, 5 - каналы подачи сыпучих материалов и жидкого чугуна; 6,7-устройства подачи сыпучих материалов и жидкого чугуна; 8 - расходный ковш; 9 - расходные бункера; 10 - фурмы подачи кислорода; 11, 12 - фурмы подачи кислорода в отстойник; 13 - канал подачи тлакообразующих; 14 -устройство грануляции шлака; 15, 16, 17 - каналы отвода ишака и газов; 18 -дроссельное устройство; 19 - форсунка подачи пара; 20 - летка выпуска металла; 21 - ковш; 22 - система подачи раскислителей и легирующих

Рис. 7. Технологическая схема непрерывного металлургического процесса на основе принципов самоорганизации

3. Максимальное использование энергетического потенциала газо-гидродинамических потоков и потенциала химических реакций.

4. Распределение окислительно-восстановительных процессов и термодинамических потенциалов в различных реакционных зонах.

5. Реализация принципа подчинения процессов взаимодействия в микросистемах струйно-эмульсионных сред параметрам порядка реактора-осциллятора.

Разработана последовательность основных стадий процессов и операций способов непрерывного получения металла в агрегатах струйно-эмульсионного типа, которая заключается в следующем: « подача в реакционную камеру исходного сырья, газообразных и сыпучих реагентов;

• полный перевод входного потока конденсированных фаз в дисперсную или эмульсионную среду путем осуществления определенных режимов взаимодействия;

. создание в реакционной камере повышенного пульсирующего давления на основе эффекта "самозапирапия" канала при критическом режиме течения двухфазного потока;

• отвод через соединительный канал продуктов взаимодействия из реакционной камеры в нижнюю зону рафинирующего отстойника, на границу выше уровня накопленного металла;

• дожигание в рафинирующем отстойнике в объеме шлаковой пены газообразных, продуктов реакций в количестве, необходимом для регулирования теплового баланса и уменьшения энергетических затрат;

• создание в рафинирующем отстойнике высокого столба шлаковой пены для осуществления процессов рафинирования и технологической очистки выделяющихся газообразных продуктов от мелкодисперсной пыли путем организации режимов взаимодействия газов со шлаковой иеной.

Реализация указанных операций и стадий рассмотрена на примере создания непрерывного процесса получения стали из чугуна и твердых; железосодержащих материалов. Данный способ непрерывного рафинирования металла и агрегат для его осуществления защищен патентом СССР, Европейским патентом, патентом США, имеет охранные свойства в Японии, Южной Корее, Канаде и других основных метал-лопроизводящих странах.

Зоны взаимодействия фаз, взаимосвязь определяющих конструктивных и физико-химических параметров. Дано описание механизмов основных процессов, рассмотрены зоны взаимодействия фаз в реакционной камере (первичная реакционная зона, зона основного объема как идеального смешения), соединительном канале (зона иде-

ального вытеснения) и рафинирующем отстойнике: (зона турбулизиро-ванных вихревых потоков, зона образования шлаковой пены, зона вертикальных потоков, слой структурированной шлаковой пены, зона накопления металла).

Получены соотношения, определяющие взаимосвязь конструктивных и физико-химических параметров реакторов.

Моделирование процессов и основа расчета технологий. Рассмотрены следующие задачи моделирования и методики расчета: исследование режимов и оценка условий протекания процессов в отдельных реакционных зонах; анализ термодинамических условий протекания процессов и оценка степени превращения компонентов; выбор составляющих входного потока для заданного сырья и требований к составу готового продукта; исследование влияния параметров входного потока на конечные показатели процесса в окрестности базовых значений; расчет определяющих параметров агрегата; расчет теплофи-зических параметров агрегата; расчет параметров процесса для заданного варианта технологии; оценка технико-экономических показателей.

Экспериментальная проверка на опытной установке практической реализуемости вариантов технологий. На основании результатов математического и физического моделирования, расчетов вариантов технологий и основных определяющих конструктивных параметров совместно со специалистами Сибгипромеза была спроектирована крупномасштабная опытная установка, которая построена в ККЦ №2 ОАО "ЗСМК". В период 1992-1997 г. проведена серия экспериментов, в результате которых:

• подтверждена правильность основных теоретических предположений и конструктивных решений но параметрам и компоновке элементов агрегата, в том числе возможность создания повышенного давления и реализации механизма самоорганизации;

• показана малая инерционность и высокая управляемость объекта, пуск и остановка которого осуществляется за 30-5-40 секунд, а система управления в принципе может работать в автоматическом режиме;

• впервые в масштабах крупного опытно-промышленного агрегата получены данные о скоростях протекания процесса в сильнонеравновесных условиях;

• получены данные о составе металла и шлака, показывающие возможность получения различных марок стали;

• показаны принципиальные экологические преимущества процесса, которые достигаются на основе использования турбулентно-инерционного механизма течения двухфазных сред и шлаковой пены

для эффективной технологической очистки газов непосредственно в объеме агрегата;

• показана возможность реализации различных технологий по переработке пылевидных материалов и отходов промышленных материалов но схеме прямого восстановления.

Наряду с положительными результатами опытов следует отметить, что остается проблема достижения необходимой стойкости отдельных элементов агрегата, однако полученные экспериментальные данные, а также на порядок меньшие размеры агрегатов по сравнению с существующими дают все основания надеяться, что эти задачи вполне разрешимы, тем более что необходимые для этих целей материалы

стойкие по отношению к тер-

-ОГеО) ■

-Энергоемкость -

-Ои ■

- йВудЛИ

1200

Рис. 8. Результаты многокритериальной оптимизации технологий

мохимическим воздействиям в технике имеются. В экспериментах 1996-97 годов показана возможность решать проблемы стойкости элементов технологическими средствами и режимами.

Оптимизация технологий получения металла на основе струйно-эмуль-сиопиых процессов. Рассмотрено решение многокритериальной задачи оптимизации технологий непрерывного получения металла по схеме прямого восстановления в струйно-эмульсионных агрегатах с .целью обоснования энергетических возможностей процесса. При решении ставилась задача минимизации показателей за счет ведения процесса в неравновесной области при получении заданной высокоуглеродистой марки стали ([С] - 0,5-Ю,7 %, температура 1580-Й590 °С).

Решение осуществлялось на основе методики, изложенной во второй главе. Результаты применительно к технологическим и конструктивным параметрам опытной установки, которые могут быть в принципе

достигнуты при обеспечении технических требований, приведены на рис. 8. Показано, что с увеличением содержания СО2 в газовой фазе шлаковой пены и ведением процесса в различных неравновесных стационарных условиях возможно достижение существенного повышения основных технико-экономических показателей. Найдены оптимальные условия, которые соответствуют концентрациям СОг, равным 70+80 %. Дальнейшее повышение окислительного потенциала приводит к уменьшению степени восстановления и выходного потока металла ()м, кг/с. Показана тесная связь энергоемкости процессов и показателя -производства энтропии на тонну получаемого металла

Сопоставление результатов с различными видами технологий традиционной металлургии и способов прямого получения металла по критерию энергоемкости, капитальным и эксплуатационным затратам, экологическим показателям позволило сделать вывод о преимуществах разработанного процесса и агрегата и перспективах его применения.

На основании выполненных исследований разработаны структуры типового металлургического модуля и комплекса экологически безопасных технологий на основе струйно-эмульсионных процессов по переработке пылевидных материалов и отходов различных промышленных предприятий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате выполнения работы решен комплекс прикладных теоретических и экспериментальных задач по развитию нового научного направления в области разработки и оптимизации технологий получения металлов и сплавов из пылевидных руд и отходов промышленных предприятий на основе струйно-эмульсионных металлургических процессов на принципах самоорганизации.

1. Дано системное представление процесса решения проблемы оптимизации технологий получения металла путем реализации непрерывного циклического взаимодействия задач исследования; моделирования и обучения, в результате чего достигаются совокупные эффекты, являющиеся основой при эксплуатации существующих и создании принципиально новых процессов и технологий.

2. Изложены методологические предпосылки оптимизации сложных металлургических систем и технологий получения металла на основе теории и принципов самоорганизации и обосновано с позиций эволюции систем, что высокоэкономичным может быть процесс, который должен протекать в агрегате, где за счет конструктивных и режимных параметров достигается текущее неравновесное стационарное состояние, которому соответствует наименьшее производство энтропии.

3. Разработаны структуры отдельного и совместного функционирования с автоматизированными системами управления металлургическими объектами систем технологических исследований, моделирования и оптимизации технологий, тренажерно-обучающих систем, которые нашли практическое применение в ряде промышленных предприятий и учебных заведений. Разработаны прикладные инструментальные системы, методики расчета процессов и решения задач многокритериальной оптимизации.

4. На основе программного комплекса "Астра" создана методика термодинамического моделирования для решения задач расчета и оптимизации технологий на уровне входных и выходных материальных и.энергетических потоков. Разработаны схема взаимодействия фаз и основы' математического описания процессов в проточном реакторе струйно-эмульсионного типа для условий высокого газосодержания.

5. Для обоснования реализуемости технологий получения металла в агрегатах на основе струйио-эмульсионных систем разработаны методики исследования и расчета процессов, математические модели пульсирующих режимов, проведено исследование процессов в эмульсионных средах на высокотемпературной физической модели и в кислородном конвертере, в результате которых определены характерные параметры и режимы взаимодействия фаз. Показана; ведущая роль дисперсных систем в механизмах металлургических процессов и большие потенциальные возможности развития окислительно-восстановительных процессов в струйно-эмульсионных системах.

6. Проведено исследование процессов рафинирования в газо-шлакометаллической эмульсии конвертерной ванны, разработаны математические модели конвертерной плавки, способы контроля основных и косвенных параметров, разработаны и внедрены технологические рекомендации по управлению плавкой и прикладные системы.

7. Используя основные принципы теории самоорганизации и фундаментальные свойства обратимости химических реакций, зависимости критической скорости течения в канале двухфазных потоков от газосодержания, а также взаимосвязь параметров состояния объекта с механизмами обмена со средой, разработаны теоретические основы, функциональная структура и технологическая компоновка химико-металлургического реактора-осциллятора. Исследованы режимы взаимодействия потоков, разработаны математические модели процессов, протекающих в реакторе, получены соотношения, определяющие связь основных конструктивных размеров и физико-химических параметров. Определены области применения реактора.

8. На основании результатов по разработке реактора-осциллятора теоретически обоснована и решена задача создания про-

цесса, aiperara и технологий непрерывного получения металла, основанных 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. Разработана последовательность основных стадий процессов и операций способов непрерывного получения металла в агрегатах струйно-эмульсионного типа, Определены зоны взаимодействия фаз, получены соотношения, определяющие взаимосвязь конструктивных и физико-химических параметров, проведено моделирование и расчет вариантов технологий получения металла.

9. Осуществлена экспериментальная проверка на опытной установке практической реализуемости вариантов технологий непрерывного получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах, в результате которой подтверждена правильность основных теоретических положений, конструктивных и технологических решений.

Ю.На основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования решена задача оптимизации технологий непрерывного получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах с учетом параметрических, функциональных ограничений, технико-экономических показателей и критерия эволюции систем: производства энтропии на единицу выпускаемой продукции. Проведен сопоставительный анализ различных технологий по критерию энергоемкости затрат на выпуск продукции, разработаны структуры типового металлургического модуля и комплекса экологически безопасных технологий на основе струйно-эмульсионных процессов по переработке пылевидных материалов и отходов промышленных предприятий.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мочалов С.П., Айзатулов P.C., Шаклров K.M. Прогнозирующая динамическая модель конвертерного процесса // Изв. вузов. Черная металлургия. -1979. .N«4. -С.128-130.

2. Анализ обезуглероживания конвертерной ванны с использованием характеристик свободного движения системы / K.M. Шакиров, P.C. Айзатулов, С.П. Мочалов и др. //Изв. вузов. Черная металлургия. -1980. №10. -С.8-14.

3. Об одном подходе к моделированию сложных металлургических систем / В.П. Цымбал, Л.Г. Рыбалко, И.И. Ливерц, С.П. Мочалов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1978. №6. -С.146-150.

4. О системе моделей для изучения сталеплавильных процессов и управления / В.П. Цымбал, В.Н. Буинцев, Л.Г. Рыбалко, H.A. Калиногор-ский, А.Ф. Сакун, А.Г. Падалко, С.П. Мочалов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1980. №10. -С. 116-122.

5. Оптимизация технологического режима конвертерной плавки на основе математического моделирования / Р.С.Айзатулов, С.П.Мочалов, K.M. Шаки-

ров, В.П. Цымбал//Изв. вузов. Черная металлургия. -1981. №6. -С.134-139.

6. Некоторые вопросы оптимизации технологических режимов сталеплавильных процессов / С.П. Мочалов, В.П. Цымбал, K.M. Шакиров, P.C. Айзатулов // Разработка и эксплуатация эффективных систем автоматизации сталеплавильного производства / Сб. научн. тр. под ред. В.М. Артынского. -Киев, 1982. -С.74-77.

7. Мочалов С.П., Шипилов С.А., Цымбал В.П. Параметрическая идентификация взаимосвязанных процессов кислородно-конвертерной плавки // Изв. вузов. Черная металлургах. -1984. №8. -С.155-157.

8. Мочалов С.П., Ливерц Е.И. Применение аппарата теории нечетких множеств в задачах контроля, исследования и оптимизации сталеплавильных процессов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1985. №2. -СЛ26-128.

9. Шакиров K.M., Рыбалкин Е.М., Мочалов С.П. Обобщенные физико-химичёскад, и математическая модели сталеплавильных процессов // В кн.: "Тепло- и массообмен в ваннах сталеплавильных агрегатов". МИСиС. - М.: Металлургия. -1985. -С.14-15.

10. Анализ и математическое моделирование механизма вспенивания кислородно-конвертерного шлака / С.П. Мочалов, Е.И. Ливерц, K.M. Шакиров, С.А. Шшшлов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1986. №2. -С. 117-120.

11. Мочалов С.П., Шипилов С.А. К вопросу непрерывного оценивания основных параметров состояния сталеплавильных процессов Н Изв. вузов. Черная металлургия. -1986. №6. -С.133-137.

12. Мочалов C.II., Шипилов С.А., Насонов Ю.В. Разработка алгоритмов контроля и управления взаимосвязанными процессами конвертерной плавки в заключительном периоде продувки // Изв. вузов. Черная металлургия. -1986. №10. -С. 123-125.

13. Разработка контролирующих моделей уровня конвертерной ванны / С.П. Мочалов, Е.И. Ливерц, М.В. Петрушш, И.И. Ливерц // Изв. вузов. Черная металлургия. -1987. №11. -С.125-128.

14. Тренажер оператора кислородного конвертера / С.П. Мочалов, В.П. Цымбал, С.А. Шипилов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1988. №10. -С.136-139.

15. Мочалов С.П., Шипилов С.А. Методика раскрытия внутренних взаимосвязей и построения линейных по параметрам моделей сталеплавильных процессов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1988.'№12. -С.112-117.

16. Цымбал В.П., Сакун А.Ф., Мочалов С.П. Явления самоорганизации в сталеплавильных процессах // Изв. вузов. Черная металлургия. -1988. №4. -С.102-108.

17. Программное обеспечение ПЭВМ для реализации новых информационных технологий в автоматизированных системах исследований и оптимизации металлургических процессов / С.П. Мочалов, С.Ю. Красноперов, С.А. Шипилов и др. // Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий. Труды второго Всесоюзного совещания. - Курган.: КМИ -1990. -С.43-49.

18. Мочалов С.П., Калашников С.Н., Красноперов С.Ю. Концептуальные и математические аспекты разработки инструментальных систем моделирования технологических процессов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1991. №12. -С.83-86.

19. Разработка и реализация на персональной ЭВМ тренажерно-обучающих систем по кислородно-конвсртсрному процессу / С.П. Мочалов, В.П. Цымбал, Ю.И. Федотова и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1991. №12. -С.94-100.

20. Мочалов С.П. Концептуальные и пракшческие вопросы создания инструментальных систем моделирования и оптимизации сталеплавильных процессов // Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии. Труды Всесоюзного совещания. - Новокузнецк. -1991. -С.16-17.

21. Автоматизированная система исследований и управления дутьевым режимом конвертерной плавки / C.1I. Мочалов, В.М. Толстенев, Е.И. Ливерц и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1993. №5. -С.76-78.

22. Экспериментальные исследования кинетики совместно протекающих реакций в системе железоуглеродистый расшгав-галак-газ / И.А. Телегин, К.М. Шакиров, С.П. Мочалов и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1993. №6. -С.10-14.

23. Телегин И.А., Шакиров К.М., Мочалов С.П. Исследования поведения газошлакометаллической эмульсии в рафинирующем отстойнике // Изв. вузов. Черная металлургия. -1993. №8. -С.33-34.

24. Pilot Plant for new continuous metallurgical process / Y.P. Tsymbal, В A. Kustov, R.S. Aizatulov, S.P. Mochalov a.e. // International Metahvoking Update 1995/96, Kensington Publications Ltd. -P.56-61.

25. Калашников C.H., Мочалов С.П., Цымбал В.П. Математическое описание явлений самоорганизации металлургических систем с использованием теории обобщенных функций /У Изв. вузов. Черная металлургия. -1995. №4. -С.63-66.

26. Мочалов С.П. Автоматизированные системы оптимизации технологий и обучения в сталеплавильном производстве// Сталь. -1995. №8. -С.74-76.

27. В Сибири рождается альтернативная наукоемкая металлургия постиндустриальной эпохи. НОУ-ХАУ Запсиба: технология нового непрерывного металлургического процесса на основе принципов самоорганизации / Б.А. Кустов, Р.С. Айзатулов, В.П. Цымбал, С.П. Мочалов и др. / Металлы Евразии. -1996. №1. -С.114-117.

28. Инструментальная система для решения задач компьютерного моделирования / В.И. Кожемяченко, С.П. Мочалов, С.Н. Калашников и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. №10. -С.61-68.

29. Компьютерное моделирование нестационарных теплофизических процессов в реакционной камере металлургического агрегата непрерывного действия / К.А. Черепанов, В.П. Цымбал, В.А. Попов, С.П. Мочалов // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. №12. -С.42-46.

30. Коротких В.Г., Мочалов С.П. Приггципы создания и использования программных средств для отображения информации в автоматизированных системах обучения и управления металлургическими процессами // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. №12. -С.46-49.

31. Разработка методики и программного обеспечения для расчета оп-тималышго состава шихтовых материалов различных вариантов технологий непрерывного металлургического процесса струйно-эмульсионного типа /

С.П. Мочалов, В.П. Цымбал, И.А. Рыбенко и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. №12. -С.4-8.

32. Исследование состава и свойств дисперсных фаз, полученных при взаимодействии штока металла с газовыми струями / С.П. Мочалов, В.П. Цымбал, Е.И. Ливерц и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1996. №8. -С.70-76.

33. Математическое моделирование технологических режимов непрерывного металлургического процесса струйно-эмульсионного типа / C.IT. Мочалов, В.И. Кожемяченко, В.П. Цымбал и др. // Структурная перестройка мегаллурпш: экономика, экология, управление, технология. Труды Международной научно-технической конференции. -Новокузнецк. -1996. -С. 100.

34. Оптимизация параметров при проектировании нового металлургического процесса и агрегата на основе идей самоорганизации / В.П. Цымбал, С.П. Мочалов, Е.В. Суздальцев и др. // Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология. Труды Международной научно-технической конференции. -Новокузнецк. -1996. -С.94.

35. Разработка .металлургических процессов и агрегатов на основе принципов самоорганизации / B.1I. Цымбал, С.Г1. Мочалов, P.C. Айзагулов и др. // Структурная перестройка металлургии: экономика, экология, управление, технология. Труды Международной научно-технической конференции. -Новокузнецк. -1996. -С.87.

36. Влияние теплообменных процессов на нагрев и охлаждение металлургического реактора непрерывного действия / С.П. Мочалов, С.Н. Калашников, Е.В. Медведская и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1997. №6. -С.80-83.

37. Математические модели для оптимизации технологий металлургических процессов на основе принципов самоорганизации / С.П. Мочалов,

B.И. Кожемяченко, С.Н. Калашников и др. // Современные проблемы и пути развития металлургии. Труды Международной научно-практической конференции. -Новокузнецк. -1997. -С.112.

38. Новый металлургический процесс и структурная перестройка металлургии / В.П. Цымбал, С.П. Мочалов, P.C. Айзатулов и др. // Современные проблемы и пути развития металлургии. Труды Международной научно-практической конференции. -Новокузнецк. -1997. -С.103-104.

39. Разработка инструментальных систем для моделировашш и оптимизации металлургических процессов / СЛ. Мочалов, СЛ. Калашников, ВЛ. Цымбал и др. // Современные проблемы и пути развития металлургии. Труды Международной научно-практической конференции. -Новокузнецк. -1997. -С.116.

40. Экспериментальная проверка новых технологий получения металла на крупномасштабной опытной установке / P.C. Айзатулов, В.П, Цымбал,

C.П. Мочалов и др. // Современные проблемы и пути развития металлургии. Труды Международной научно-практической конференции. -Новокузнецк. -1997. -С.107-108.

41. Synergetik technologies for producing metals and construction materials and recycling industrial waste products / V.P. Tsymbal, S.P. Mochalov, R.S. Ai-zatulov a.e. // Recovery Recycling Reintegration Collectedpapers of the R-97 International Congress. -Geneva. -Switzerland. -1997. Vol.1. -P.168-172.

42. Synergetics technologies for producing metals and construction materials by recycling industrial waste / V.P. Tsymbal, S.P. Mochalov, R.S. Aizatulov

а.е. // Proceedings: 12th International Symposium on Coal Combustion Byproduct (CCB) Management and Use, Prepared by American Cool Ash Association,-1997. Vol.2. -P.51-63.

1. Development of technology for producing iron, aluminium oxides and organisation of production of structural materials from ash of thermal power plant / V.P. Tsymbal, S.P. Mochalov, R.S. Aizatulov a.e. // Recovery Recycling Reintegration Collectedpapers of the R-97 International Congress. - Geneva. - Switzerland. -1997. Vol.5. -P. 162-167.

Изобретения:

44. A.c. № 985799. Устройство для моделирования кислородно-конвертерной плавки / А.Г. Падалко, В.П. Цымбал, А.Ф. Косолапов, С.П. Мочалов и др. // Бюллетень изобретений. -1982. №48.

45. А.с. № 1043720. Тренажер оператора энергоемких процессов / В.П. Цымбал, P.C. Айзатулов, С.П. Мочалов и др. // Бюллетень изобретений. -1983. №36.

46. А.с. № 1088055 СССР, МКИ 09B9/0Û. Тренажер оператора кислородного конвертера / С.П. Мочалов, P.C. Айзатулов, В.П. Цымбал и др. // Бюллетень изобретений. -1984. №15.

47. А.с. 1188210 СССР, МКИЗ С21С 5/30. Устройство для контроля технологических параметров кислородно-конвертерного процесса / С.П. Мочалов, P.C. Айзатулов, К.М. Шакиров и др. // Бюллетень изобретений. -1985. №40.

48. Патент СССР № 1835173. Способ непрерывного рафинирования металла и агрегат для его осуществления / В.П. Цымбал, С.П. Мочалов, К.М. Шакиров и др. // -1988.

49. European Patent, international number PCT/RU93/00325. Process for the continuous refining of metal and a facility for carrying out said process / V.P. Tsymbal, S.P. Mochalov, K.M. Shakirov a.e. // International publication number WO 95/18238.-1995.

50. United States Patent N 5,558,695. Process and unit for continuous metal refinement. / V.P. Tsymbal, S.P. Mochalov, K.M. Shakirov a.e. // -1996.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020353, издательский код Т18

Подписано в печать 22.05.98 Формат бумага 60x80 1/16 Усл. печ. л. 2,25 Уч.-изд.л. 2,1 Тираж 100 экз. Заказ 557

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Издательский центр СибГИУ



Сибирский государственный индустриальный университет

44

4 а

Ч

щт

На правах рукописи

о ■ - 1

М С)Ч АДОВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ

V. Л:

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ

Специальность 05.16.02 'Металлургия черных металлов'

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ць.мбал В.П.

Новокузнецк - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ.................................................................8

1.1 Системное представление проблемы оптимизации технологий получения металла...................................................................................................8

1.2 Анализ технологий процессов получения металла и критериев оптимизации...................................................................................................13

1.3 Механизмы и определяющие факторы физико-химических процессов в струйно-эмульсионных металлургических системах.......................29

1.4 Методологические предпосылки оптимизации сложных металлургических систем на основе теории и принципов самоорганизации.......................................................................................................41

1.5 Постановка задачи........................................................................................61

2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА.........65

2.1 Особенности подхода к исследованию и созданию синергетических объектов.........................................................................................................65

2.2 Методика решения многокритериальной задачи оптимизации...............73

2.3 Прикладные инструментальные системы, методики расчета и исследования...........................................................................................................79

2.3.1 Структуры автоматизированных инструментальных систем........80

2.3.2 Разработка методик анализа сложных взаимосвязанных металлургических объектов...................................................................92

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2...........................................................................................104

3. ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОТОЧНОМ РЕАКТОРЕ СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННЫХ ТИПА............................................................107

3.1 Физико-химическая модель структуры потоков и процессов взаимодействия фаз в реакторе.................................................................107

3.1.1 Анализ подходов к описанию схем взаимодействия фаз в металлургических агрегатах............................................................ 107

3.1.2 Формально-содержательное представление процессов взаимодействия потоков и фа< в реакторе.....................................113

3.2 Вывод уравнений материального баланса...............................................126

3.3 Вывод уравнений баланса энергии...........................................................130

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3......................................................................................... 134

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ДИСПЕРСНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ..................................................................................135

4.1 Анализ процессов тепломассообмена в дисперсных системах.............136

4.1.1 Расчет определяющих параметров для процессов теплообмена

в каплях и частицах..........................................................................136

4.1.2 Расчет определяющих параметров для процессов массообмена

в каплях и частицах..........................................................................140

4.1.3 Теоретический анализ параметров массообмена в частицах для стационарных условий на примере восстановительных процессов...........................................................................................148

4.2 Математическое моделирование механизмов взаимодействия дисперсных частиц с внешней средой............................................................155

4.2.1 Взаимодействие капли металла с окислительной атмосферой.... 155

4.2.2 Поведение капли металла в шлаковой фазе...................................164

4.3 Исследование восстановительных процессов в эмульсионной системе на высокотемпературной физической модели................................170

4.4 Экспериментальное исследование в кислородном конвертере процессов в шлакометаллической эмульсии...........................................188

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.........................................................................................207

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ КАК РЕАКТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ................................................................................209

5.1 Разработка и внедрение оптимальных технологических режимов продувки конвертерной ванны в основном периоде...............................209

5.2 Разработка способов контроля параметров состояния конвертерной плавки...........................................................................................................225

5.2.1 Разработка способа оценивания основных параметров конвертерной плавки....................................................................................225

5.2.2 Разработка способов косвенного контроля уровня газошлако-металлической эмульсии..................................................................228

5.3 Разработка способов контроля и управления заключительным периодом продувки.........................................................................................234

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.........................................................................................240

6. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО РЕАКТОРА - ОСЦИЛЛЯТОРА ПРОТОЧНОГО ТИПА....................................................................................................................241

6.1 Структура и принцип действия реактора.................................................242

6.1.1 Функциональная структура реактора и принцип действия..........242

6.1.2 Гидродинамические потоки и состояние фаз в реакторе.............248

6.2 Исследование процессов взаимодействия входных потоков и закономерностей образования фаз..................................................................257

6.2.1 Взаимодействие двух встречных газовых струй...........................258

6.2.2 Низкотемпературное моделирование процессов диспергирования жидкости потоками газовых струй......................................270

6.2.3 Диспергирование потока чугуна азотом и кислородом................276

6.3 Исследование и моделирование гидродинамических режимов низкотемпературного реактора-осциллятора................................................286

6.3.1 Схема реактора и математическое описание процессов..............287

6.3.2 Исследование процессов в реакторе...............................................292

6.4 Математическое моделирование физико-химических процессов в

высокотемпературном реакторе................................................................306

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6.........................................................................................310

7. РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА В СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННЫХ АГРЕГАТАХ....................................................................312

7.1 Принципиальные особенности процесса и конструкции струйно-эмульсионного агрегата непрерывного действия....................................312

7.2 Зоны взаимодействия фаз, взаимосвязь определяющих конструктивных и физико-химических параметров...............................................318

7.3 Основы моделирования и расчета технологий получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах.............................................................339

7.3.1 Особенности подхода и характеристика объекта..........................339

7.3.2 Результаты моделирования и расчета технологий получения металла из чугуна и железосодержащих материалов...................341

7.3.3 Результаты моделирования и расчета технологий прямого получения металла............................................................................347

7.4 Экспериментальная проверка на опытной установке практической реализуемости вариантов технологий непрерывного получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах................................................357

7.4.1 Характеристика опытной установки..............................................358

7.4.2 Результаты экспериментальной проверки технологий,................365

7.5 Оптимизация технологий получения металла на основе струйно-эмульсионных процессов...........................................................................371

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 7.........................................................................................381

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ..........................................................................................385

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................391

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................416

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние металлургии 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-эмульсионных металлургических системах, что является многокритериальной задачей оптимизации, которая остается центральной в области теории и практической реализации технологий получения металлов.

Анализ различных технологий и механизмов протекания процессов при получении металла в струйно-эмульсионных системах (кислородно-конвертерный процесс, непрерывные сталеплавильные процессы, процессы прямого получения металла) показал, что в таких высокотемпературных средах за счет развитых поверхностей контакта фаз и гидродинамических режимов возможно достижение высоких скоростей окислительно-восстановительных реакций, которые, как известно, определяют размеры агрегатов и их производительность. Однако существующие конструкции агрегатов и применяемые схемы взаимодействия потоков не позволяют достигнуть совокупного эффекта, который можно получить за счет совместного использования теоретически обоснованных и практически полученных отдельно преимуществ развития процессов в струйных и эмульсионных системах. Для этого необходимы принципиально новые подходы и теоретические разработки.

Одним из научных направлений решения данной проблемы является применение принципов теории самоорганизации, позволяющих с единых методологических позиций исследовать и создавать высокоэффективные синергети-ческие 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 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.

Сформулированная в работе задача оптимизации является многокритериальной, в которой выделены четыре уровня критериев: критерий эволюции (производство энтропии на единицу продукции); технико-экономические показатели (себестоимость, энергоемкость, производительность, капитальные затраты, экологичность и безотходность технологий, управляемость процесса, универсальность агрегата); технологические критерии (выход годного металла, расходные коэффициенты, состав металла и шлака, запыленность отходящих газов); физико-химические параметры (скорость процессов, поверхность взаимодействия фаз, отклонение системы от равновесия, температура, давление).

В соответствии с изложенным целью настоящей диссертации является 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.

На защиту выносятся следующие вопросы.

1. Системное представление проблемы оптимизации технологий и си-нергетический подход к решению задач исследования и создания объектов.

2. Методика решения многокритериальной задачи оптимизации технологий получения металла в струйно-эмульсионных системах.

3. Структуры и принципы построения прикладных инструментальных систем исследования, моделирования и обучения.

4. Схема взаимодействия фаз и основы математического описания процессов применительно к гидродинамическим условиям проточного реактора струйно-эмульсионного типа с высоким газосодержанием.

5. Методики и результаты математического моделирования, высокотемпературного и промышленного исследования процессов в струйно-эмульсионных системах.

6. Принцип действия, функциональная структура и технологическая компоновка химико-металлургического реактора-осциллятора.

7. Теоретические положения по созданию непрерывного металлургического процесса на основе принципов самоорганизации и технологии получения металла.

8. Результаты решения задачи многокритериальной оптимизации технологий непрерывного получения металла в струйно-эмульсионных агрегатах.

9. Технологические схемы, рекомендации по применению технологий, результаты практического внедрения.

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". •

Своим приятным долгом автор считает выразить глубокую благодарность научному консультанту работы доктору технических наук, Заслуженному деятелю науки РФ, профессору В.П. Цымбал у и научному консультанту раздела работы доктору технических наук, профессору K.M. Шакирову, а также сотрудникам кафедры информационных технологий в металлургии за внимание и помощь, оказанные при выполнении настоящей работы и обсуждении ее результатов.

Автор выражает признательность и благодарность большой группе инженерно-технических работников сталеплавильного производства, инженерного центра ПНТ и управления автоматизации ОАО "ЗСМК" за большую помощь, оказанную при проведении экспериментов и внедрении результатов данной работы.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ САМООРГАНИЗАЦИИ

1.1 Системное представление проблемы оптимизации технологий получения металла

Процесс совершенствования и развития любых технологических систем представляет в своей природе последовательность нахождения решений, лучших по сравнению с текущим или исходным состоянием. Нахождение и достижение цели — "орйшшпа", что в дословном переводе с латинского означает "наилучшего", было и остается содержанием научно-технического прогресса. Понятие "оптимизация", являющееся в данной работе ключевым, в зависимости от выбранной цели и системы имеет различный смысл, который сводится к следующим трем основным содержаниям [1-4]:

• процесс достижения цели при данных условиях и ресурсах;

• процесс приведения системы в наилучшее (оптимальное) состояние;

• процесс выбора наилучшего варианта из возможных.

В соответствии с первым определением оптимизация представляет процесс реализации задачи синтеза или создания принципиально новых объектов, систем, технологий, имеющих значительно лучшие показатели по сравнению с существующими аналогами и прототипами. Это "оптимизация в большом" или "подлинная, глобальная оптимизация" систем. Такое определение дано известными специалистами в области управления [5].

В содержаниях второго и третьего понятий оптимизации предполагается наличие объекта. В этом случае оптимизация заключается в совершенствовании режимов управления, в нахождении наилучших условий функционирования или состояния системы. Очевидным является сопоставление значимости и эффективности полученных конечных результатов от реализации рассмотренных задач, которые могут отличаться на порядки.

При системном рассмотрении проблемы наиболее важными являются [3, 6]: обоснование цели и формулировка критериев; предметность представления

объекта исследования; выбор подхода и методов решения задачи.

Обоснование цели и формулировка критериев. Общепризнанными в настоящее время являются критерии эволюции систем или "экономии энтропии" [7-9]:

- минимум производства энтропии Гленсдорфа-Пригожина;

- минимум диссипации энергии H.H. Моисеева;

- минимум потенциала рассеивания JI. Онсагера.

В соответствии с этими показателями наиболее "экономичными" в глобальном смысле будут самоорганизующиеся системы, состояние которых соответствует указанным условиям. Применительно к проблемам м