автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей

На правах рукописи

АРМЕЙСКИЙ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОДЭЛЕКТРОДНОГО ПРОСТРАНСТВА РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (технический университет).

Научный руководитель -

Доктор технических наук, профессор

Научный консультант-Доктор технических наук

Официальные оппоненты -Доктор технических наук

Кандидат физико-математических наук, доцент

Холоднов

Владислав Алексеевич

Альперович Иосиф Григориевич

Педро

Анатолий Александрович

Сениченков Юрий Борисович

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).

Защита диссертации состоится «2..%» декабря 2004 г. в час,

ауд. £1 на заседании диссертационного совета Д 212.230.03 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (технический университет).

Отзывы на автореферат в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д.26, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке института.

Автореферат разослан « 2£» ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В. И. Халимон

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Руднотермические печи (РТП) являются печами прямого нагрева и используются для осуществления восстановительных процессов с целью получения ферросплавов, карбидов, кремния, фосфора и других продуктов. Тепловая энергия, расходуемая на фазовые переходы и восстановительные процессы, выделяется при прохождении электрического тока через токопроводящую среду подэлектродного пространства, включающую в себя рудную часть, углеродсодержащий восстановитель, промежуточные и конечные продукты. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в зонах с различным агрегатным состоянием материалов и в электрической дуге, которая обеспечивает высокую концентрацию энергии и формирует в электрической цепи сопротивление, позволяющее повысить мощность печи.

Производительность печи и удельные расходы сырья и электроэнергии зависят от распределения энергии в печи. Отрицательная роль дуги заключается в развитии побочных процессов, росте запыленности печных газов. Поэтому при проектировании и оптимизации РТП нужно прогнозировать распределение энергии между дугой и зонами с различным агрегатным состоянием материалов. Для решения этой задачи с использованием технологии вычислительного эксперимента необходима математическая модель подэлектродного пространства, разработанная на основе анализа протекающих в печи физико-химических процессов.

В отличие от сталеплавильных печей, ток электрода в РТП проходит не только через дугу, но и через окружающие ее материалы, размягченные вследствие нагрева. Этим обусловлена сложность получения данных о параметрах дуги в РТП. Поэтому в созданных ранее математических моделях РТП при моделировании дуги приняты упрощения. В разных работах получены различные оценки изменения мощности дуги при варьировании параметров входных потоков и управляющих воздействий.

Таким образом, актуальна задача разработки обобщенной математической модели подэлектродного пространства и программного обеспечения для расчета распределения энергии в различных руднотермических печах. Для ее решения в работе проведены исследования, связанные с моделированием дуги и оценкой адекватности модели для промышленных печей руднотермических процессов с различной степенью развития дуги.

Цель работы. Разработка обобщенной математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей и программного обеспечения для исследования распределения энергии в печи.

Для достижения поставленной^^Е5ЙЯйЙС$^ЗС5Я'ИС задачи:

1. Проведен анализ математических моделей РТП, разработанных на основе декомпозиции рабочего пространства печи, расчетных и экспериментальных данных о распределении энергии в печи.

2. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги в РТП на основе статистической обработки результатов натурных (на лабораторной печи мощностью 100 кВ-А) и вычислительных экспериментов по расчету параметров различных дуг.

3. Предложены методы расчета компонентного состава и электропроводности плазмы печной дуги, необходимой для решения уравнений математического описания дуги.

4. Разработано программное обеспечение для расчета распределения энергии в РТП для заданных значений параметров входа и электрического режима (тока электрода, полезного напряжения на электроде) работы РТП.

5. Выполнено моделирование промышленных печей с различной степенью развития дуги с целью определения закономерностей изменения распределения энергии в печи при изменении параметров входа, электрического и технологического режима ее работы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, программирования в системе компьютерной математики MathCAD, объектно-ориентированного программирования, разделов химической технологии, связанных с РТП, физики плазмы.

Научная новизна:

1. Разработана обобщенная математическая модель подэлектродного пространства руднотермических печей на основе анализа протекающих в печи физико-химических процессов, позволяющая исследовать распределение энергии в печи.

2. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги в РТП: геометрических размеров, напряженности электрического поля.

3. Разработано программное обеспечение для определения допустимых значений параметров входа и электрического режима работы руднотермической печи при заданных ограничениях на долю энергии, выделяемой в дуге.

Достоверность результатов обеспечивается посредством сопоставления результатов вычислительного эксперимента на персональном компьютере с результатами экспериментальных исследований промышленных РТП, а также корректностью использования теоретических положений математического моделирования, технологии построения программных систем, технологии электротермических производств.

Практическая значимость. Разработанная математическая модель и программное обеспечение позволяют решать следующие задачи при проектировании РТП и переходе на новую сырьевую базу:

- исследования подэлектродного пространства для заданных значений параметров входа и электрического режима работы РТП;

- выбора параметров электрического режима, при которых обеспечивается заданная активная мощность печи, с ограничением на максимальную долю энергии, выделяемой в дуге.

Систематизированы исходные данные для моделирования промышленных печей для производства фосфора и кремния. В результате моделирования выявлены закономерности изменения распределения энергии в печи при варьировании параметров входа и электрического режима ее работы. Целесообразно внедрение разработанного программного обеспечения на аналогичных производствах.

Аппробация работы. Основные положения работы докладывались на конференции "Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.) и обсуждались на научно-технических семинарах кафедр "Математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов" и "Технологии электротермических производств" Санкт-Петербургского государственного технологического института.

Публикация работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедрах "Математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов" СПбГТИ (ТУ), "Технологии электротермических производств" СПбГТИ

(ТУ).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 131 страницах текста, содержит 24 рисунка, 19 таблиц. Список литературы включает в себя 111 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи исследования, указаны результаты, определяющие научную новизну и практическую ценность работы, дано краткое изложение работы.

В первой главе рассматриваются роль, особенности, методы исследования дуги в РТП; математические модели, разработанные на

основе декомпозиции рабочего пространства печи. Анализируются данные литературы о распределении энергии в промышленных печах для производства фосфора, кремния, ферросплавов, карбида кальция. Рассматривается классификация руднотермических процессов на основе распределения энергии в печи.

В результате декомпозиции РТП выделены четыре зоны: I - верхняя зона теплообмена между твердой шихтой и реакционным газом, II - дуга, III - зона шихты, нагреваемой до температуры плавления (НШ), IV - зона протекания основной химической реакции восстановления целевого продукта (зона реакции). Ток электрода проходит через зоны II, III, IV, формирующие подэлектродное пространство (ПП), в котором выделяется практически вся энергия, подводимая в печь.

Наиболее сложным для моделирования объектом ПП является дуга, существенно влияющая на технико-экономические показатели производства (рис. 1).

р - доля энергии, выделяемая в дуге

- степень извлечения целевого продукта из сырья

- потери целевого продукта (диссоциация, испарение)

- запыленность печных газов (возгонные потери сырья) - удельные расходы сырья и электроэнергии

N - фактическая

Рис. 1. Граф, иллюстрирующий влияние производительность печи дуги на технико-экономические Э - параметры электрического показатели производства режима работы печи

Если при проектировании или модернизации печи заданы требуемая активная мощность Рп и возможные значения линейного напряжения ил, определяемые характеристиками трансформатора, то необходимо определить параметры электрического режима работы печи ток

электрода обеспечивающие наибольшую производительность и

наименьшие удельные расходы сырья и электроэнергии. При этом необходимо учитывать распределение энергии между дугой и зонами с различным агрегатным состоянием материалов. Для обеспечения требуемых Ск, Ьп, Ьс (рис. 1) задается ограничение на долю энергии, выделяемой в дуге.

Для применения технологии вычислительного эксперимента для решения поставленной задачи необходима математическая модель ПП, разработанная на основе анализа протекающих в печи физико-химических процессов. В созданных ранее математических моделях РТП

рассматриваются зоны реакции и НШ. Мощность, выделяемая в этих зонах, для большинства руднотермических процессов существенно превышает мощность, выделяемую в дуге. Этим объясняются расхождения в оценках доли энергии, выделяемой в дуге, полученных в разных работах по моделированию печей одного руднотермического процесса, в частности, производства карбида кальция.

В большинстве работ дуга и зона реакции рассматриваются как последовательные сопротивления электрической цепи, что позволяет использовать общий подход к моделированию ПП печей разных руднотермических процессов.

Вторая глава посвящена разработке обобщенной математической модели ПП РТП.

Исходные положения. Моделируются процессы, протекающие в пространстве, окружающем один электрод. Не рассматриваются параметрические связи и процессы, обусловленные структурой многоэлектродных печей. Все уравнения записаны в цилиндрической системе координат, совпадает с осью электрода.

Процессы в РТП рассматриваются как стационарные, с четкими границами тепловых зон. Возмущающие воздействия (колебания состава сырья, обрушения шихты) не учитываются. Предполагается, что в РТП не происходит накопления шлака и восстановленного продукта.

Электрическая схема ПП на один электрод представлена на рис. 2. Дуга и зона НШ являются параллельными сопротивлениями и включены последовательно с зоной реакции. Предполагается, что другие проводники отсутствуют.

где полезное напряжение на электроде, напряжение на дуге, - падение напряжения в зоне реакции, - ток электрода, - ток дуги, ток, протекающий через зону НШ.

Полезная активная мощность печи равна сумме мощностей, выделяемых в дуге, зонах реакции и НШ: Р„ = Рд + Рр + Рщд (2)

Моделирование дуги. Исходя из представлений о дуге в РТП, предложена ее физическая модель: дуга состоит из п параллельных одинаковых цилиндрических плазменных шнуров. Предполагается, что при изменении параметров входных потоков и управляющих воздействий РТП мощность и ток дуги меняются вследствие изменения параметров каждого из п плазменных шнуров, а параметр п является константой для рассматриваемой печи. Цель моделирования дуги в РТП состоит в определении тока

Рис. 2.

Электрическая схема ПП на один электрод

Плазма столба дуги для стационарных условий описывается уравнениями (3)-(6). Считается, что напряженность электрического поля Ед постоянна в столбе дуги. Для сильноточных дут (1д> 1000 А), к которым относятся дуги в РТП, введены упрощения:

1. Гравитационные силы и силы вязкости рассматриваются как малые по сравнению с электромагнитными силами, обусловленными собственным магнитным полем дуги.

2. Радиальная скорость потока плазмы считается пренебрежимо малой по сравнению с осевой, режим течения плазмы по оси ламинарный.

С учетом принятых упрощений уравнения записываются следующим образом:

уравнение баланса энергии

В уравнениях (3)-(6) обозначены: ст - электропроводность, 1/(Ом*м); \{/ - объемная мощность излучения, Вт/м3; к - теплопроводность, Вт/м*К; ср - удельная теплоемкость, Дж/кг*К; р - плотность, кг/м3; Уг - осевая скорость потока плазмы, м/с; Р - давление, Па; Цо" магнитная постоянная; ,)д - плотность тока в столбе дуги, А/м2.

Граничные условия:

1. Напряжение на дуге: ид = Ц, - ир

2. Температура на стенке канала дуги Тягр равна средней температуре плавления компонент шихты

Поскольку равенство источников и стоков энергии в (3) при неизвестном токе дуги обеспечивается при различных распределениях температуры и значениях неизвестных параметра дуги три - Для

их определения необходимо найти дополнительные теоретические или эмпирические уравнения для связи параметров дуги.

Для упрощения каждый плазменный шнур представлен

и радиусом с

цилиндрическим проводящим каналом длинои постоянной по длине и сечению температурой Ток дуги определяется по следующей формуле:

Для определения Тд используется формула Штеенбека (8), однако необходимо уточнить значение коэффициента для закрытых дуг в РТП с током до 50 кА:

где ии0н - потенциал ионизации газа плазмы при температуре Тд, эВ; Кд -коэффициент.

В данных литературы по сварочным дугам приведены значения Кд от 700 до 1100 в зависимости от условий реализации дуги.

Для получения эмпирических зависимостей Ьд = А(ид) и гл = $ЩД, 1д, Ьд) исследовалась свободно горящая дуга на специально созданной одноэлектродной лабораторной печи переменного тока мощностью 100 кВ-А с графитовым электродом диаметром Ое = 15 см. Эксперименты проводились при замыкании дуги на графитовую подложку и на слой кремниевого расплава на подине печи.

Результаты экспериментов и вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги представлены в диссертации. Во всех экспериментах Ьл =0.9-1.5 см при Ел= 15-20 В/см. Обеспечить стабильное горение дуги при Ьд > 1.5 см и исследовать дугу при меньших значениях Ед, близких к значениям Ед в РТП (3-6 В/см), не удалось вследствие ограничений по току трансформатора (2 кА) и мощности печи.

С целью получения данных для построения эмпирических зависимостей для гд И Кд, выполнены вычислительные эксперименты по расчету различных открытых дуг с известными параметрами Рассматривались мощные дуги переменного тока в сталеплавильной печи, горящие в атмосфере воздуха и углекислого газа, а также аргоновые дуги постоянного тока в плазменнодуговой печи (ПДП).

Уравнение (3) решалось в системе компьютерной математики MathCAD методом контрольного обьема (частный случай метода взвешенных невязок). Столб дуги разбивается на N контрольных объемов (КО) по оси г и К - по осигТемпература считается постоянной внутри КО. Система из К*К линейных уравнений получается интегрированием (3) по КО с заменой производных конечными разностями.

Для дуг в РТП радиус гд является неизвестным, и варьируется в процессе решения (3). Для задания двумерного температурного поля на сетке для каждого значения используется следующая функция:

Ту = (То - Тд.гр)(Н/(Н-1)х)ш + Тлгр ДЛЯГ;<ХГд

Тд = ТД.ф ДЛЯ Г, > ХГд (9)

х=1-(1-а2)(К-С+1))/(К-1),

где Т0- температура на оси дуги, и а2 - коэффициенты, 1 = 0.....К-1,

] = 0, ... , N-1. Т0, аь а2 выбираются так, чтобы выполнялось условие по току дуги: стд = 2>(Тц) / = 1д/Едшя2

Решением считаются гд и Тд, при которых разность источников и стоков в интегральном балансе энергии дуги не превышает 5% мощности дуги.

Результаты натурных и вычислительных экспериментов позволяют рассматривать Ел как признак классификации дуг, по которому они разделены на две группы:

1. Свободно-горящие дуги Ед= 10-25 В/см

2. Дуги с теплоизоляцией (дуги в ПДП и РТП) Ед = 3-6 В/см Таблица 1. Результаты решения уравнений (3)-(6) для дуг в

сталеплавильной и плазменнодуговой печи

Ьд, см Ед, В/см 1д, кА Тд Гр, К Гд, СМ Од, 1/Ом*см Т 1 гг. ах; К Тд, К и„ош эВ Кд

Дуга в аргоне в ПДП

56.2 5.69 10 2500 4.43 28.49 14105 10127 15.155 668.25

56.2 4.98 10 3000 4.94 26.18 13483 9883 15.169 651.52

46.6 5.90 5 2500 3.25 25.47 13542 9805 15.174 646.18

46.6 5.15 5 3000 3.63 23.50 12983 9604 15.186 632.43

Дуга в углекислом газе в сталеплавильной печи

20.0 12.50 20 1550 2.23 51.16 16274 11491 11.538 995.91

40.0 11.50 40 1550 3.41 95.21 25356 16673 11.334 1471.00

1 уга в воздухе в сталеплавильной печи

20.0 13.64 20 1550 1.63 88.37 31080 18481 13.275 1392.00

40.0 12.50 40 1550 3.04 110.30 49200 32950 12.545 2626.00

Обозначения в табл. 1:

<зд — электропроводность плазменного шнура с температурой ТД) (Ом*см)-1; Тщах - температура на оси дуги, К.

Для получения данных по Ея использованы результаты НИР по зондированию ПП РТП. Поскольку результаты опубликованы только для печей для производства фосфора и карбида кальция, необходимо построить эмпирические зависимости, позволяющие определять Ед в печах других руднотермических процессов. Из результатов расчета параметров дуг в ПДП (табл. 1) следует, что Ед уменьшается с увеличением тока дуги 1д и Тд ф, т.е. Ед — ЯТД гр, 1д).

Методом линейной аппроксимации с использованием данных табл. 1 получены сттеттотттие гЪопмуттьт:

(Шд/сИд = 0.2*(0.8* 10"4*(Та гр - 2500) - 0.21) (10)

аЕд/(1Тд гр = (4.98 - 5.69)/(3000 - 2500) = -14.24*10" (11)

С использованием (11) получено значение Ед = 4 В/см для дуги с током 1д = 2 кА в печи для производства кремния. Для получения значений для других используется (10), при этом оценка неизвестного параметра формируется на основе анализа литературных данных о доли энергии дуги в печах моделируемого руднотермического процесса.

Для определения радиуса столба дуги (плазменного шнура) предложена эмпирическая зависимость, задача идентификации параметров

которой решена методом наименьших квадратов с использованием расчетных значений гд дуги в ПДП (табл. 1):

В формулах (10)-(12) размерности Ед - В/см, Ьд и гд - см, 1д - кА.

На основе анализа данных литературы о плотности тока дуги ^ в руднотермических печах принято значение Кд в формуле (8): Кд = 900.

Моделирование зоны реакции. Цель моделирования зоны реакции заключается в определении выделяемой в зоне мощности Рр и падения напряжения ир на оси электрода. Зона формируется из п3 реакционных тиглей, образующихся под электродами, где Пэ - число электродов.

Зона реакции имеет четкие верхние и боковые границы, и рассматривается как химический реактор, в котором происходит взаимодействие углерода восстановителя с расплавом. Уравнения (13)-(17) записаны в соответствии с условиями протекания процесса идеального вытеснения.

Уравнение изменения концентрации восстанавливаемого продукта по оси г:

ур8С5г = КрС (13)

Дифференциальное уравнение баланса энергии для стационарных условий:

аДди '&)' + (ди.дгУ) = ШКр С + - (-гЛ -1 (Л ~)

г дг дг дг дг Высота зоны реакции определяется на основе уравнения (13): Ьр = ур2Ь(Сн/Ск)/Кр

Обобщенная константа скорости химической реакции: Кр = рБ, = р*6(1-е)/ав

Уравнение для определения скорости движения расплава: Р.в.

(14)

(15)

(16)

(17)

•Р2

" 3600т№ер*8р

В уравнениях (13)-(17) обозначены:

скорость движения расплава по оси г, м/с; Сн, С* - начальная и конечная концентрации восстанавливаемого продукта, кг/м3; АН -энтальпия химической реакции, Дж/кг; полезная активная мощность печи, кВт; - удельный расход сырья, кг/кг; \¥- удельный расход электроэнергии, - порозность слоя восстановителя в зоне

реакции, %; ар — электропроводность расплава, 1/(Ом*м); X— теплопроводность расплава, Вт/м*К; р - плотность расплава, кг/м3; -площадь зоны реакции, м2; Р - поверхностная константа скорости реакции, м/с; (18 - средний диаметр частиц восстановителя, м.

Уравнения (13)-(17) дополняются уравнениями для определения 8ти 8р, где Бт - площадь реакционного тигля, м2.

Приняты следующие упрощения:

1. Поступающий в зону реакции с температурой Тликв материал нагревается за счет энергии дуги до температуры протекания реакции Тр в области с пренебрежимо малыми геометрическими размерами.

2. Температура на оси z постоянна и равна Тр.

Для реакционного тигля записываются граничные условия первого рода по температуре. С учетом принятых упрощений:

- на боковых границах Тр гр 6ок = ТЛ1Ш>

Условие цилиндрической симметрии: дТ /дг = 0 на оси электрода.

Для решения уравнения (14) используется метод контрольного объема (КО). Система линейных уравнений, полученная в результате дискретизации (14), решается методом прогонки. На каждой итерации определяются поля температуры и напряженности электрического поля. Условие сходимости процесса решения:

тах ( Т,к - Т,*"1 / Т,ы | < е, где к - номер итерации, 1 - номер КО.

Основным критерием обеспечения устойчивости решения является способ регулирования значений переменных, чтобы их изменения между двумя итерациями не превысили некоторого достаточно малого значения. Для этого используется метод нижней релаксации. Поле температуры для итерации определяется следующим образом:

11 (после усреднения)— оТ, (до усреднения) (после усреднения)» где а < 1.

Мощность Рр, выделяемая в зоне реакции, равна сумме мощностей, выделяемых в контрольных объемах:

Рр~1(Р»).Ч»

Для определения ир используется формула (15) и расчетные значения напряженности электрического поля в точках на оси электрода.

Если для рассматриваемого руднотермического процесса значения ст, X, Р известны только для температуры Тр, то с использованием (13, 14) определяются значения концентрации восстанавливаемого продукта, объемной плотности энергии и напряженности электрического поля в точках на оси При этом пренебрегаем стоком энергии по теплопроводности, считая радиальный градиент температуры в окрестности оси электрода малым. Приближенно

На основе уравнения (14) введен параметр "энергоприемность" [В2м/кг]:

Параметр К используется для классификации руднотермических процессов на основе зависимости где р - доля энергии,

выделяемой в дуге. Электротермические процессы разделены на три группы:

- слабодуговые (производство фосфора),

- с развитой дугой X = 10-100, р = 10-40% (производство кремния, ферросплавов),

- полностью дуговые К = 0, р = 100% (производство стали).

Для определения параметра дуги п рассматривается зона НШ. Цель моделирования зоны НШ заключается в расчете мощности Р„ш, выделяемой в этой зоне, и получении оценки мощности дуги Рд = Рп-Рр-Рнш по формуле (2), такой, что |пРпш - Рд| < РПш, где Р^ -мощность плазменного шнура, составляющая для разных руднотермических процессов 1-4% активной полезной мощности печи. Вычислить Рнш с такой точностью не представляется возможным, так как сложно определить геометрические размеры зоны и сформулировать для нее граничные условия.

Задача определения параметра дуги п решена на этапе оценки адекватности при сопоставлении расчетных значений доли энергии, выделяемой в дуге, с экспериментальными данными. Рассмотрены трехэлектродные промышленные печи переменного тока для производства фосфора РКЗ-80Ф, РКЗ-7.5Ф; кремния РКО-25КрИ1; одноэлектродная лабораторная печь переменного тока для производства кремния мощностью 100 кВ-А. Установлено, что п одинаково для разных печей одного руднотермического процесса с близкими значениями и не зависит от диаметра электрода и номинальной мощности печи.

Моделирование плазмы дуги. Одна из основных проблем, связанных с моделированием дуг в руднотермических печах, заключается в отсутствии справочных данных по теплофизическим и электрическим свойствам многокомпонентной плазмы дуги в РТП, необходимым для решения (3)-(6). В работе решены актуальные задачи определения компонентного состава плазмы печной дуги и поиска методов расчета ее теплофизических и электрических свойств.

Так как методы расчета свойств разработаны только для атомарной плазмы, принято, что при температурах плазмы столба дуги в печи до 10000-15000 К) молекулы полностью диссоциируют на атомы. Сумма парциальных давлений отдельных компонент плазмы равна единице. Давление в печи принято равным атмосферному.

Компонентный состав плазмы определяется по суммарной реакции равновесия восстановительного процесса. Для плазмы дуги в РТП для производства фосфора получены следующие относительные доли числа атомов различных веществ в неионизированной смеси: кальций - 12%, кремний - 12%, кислород - 56%, углерод- 20%. Для плазмы дуги в РТП для производства кремния: кремний - 38.65%, кислород- 45.45%, углерод-15.90%.

Для расчета свойств плазмы используются формулы элементарной кинетической теории столкновительного переноса в плазме. Считается, что плазма дуги электрически нейтральна (заряд ионов компенсируется

зарядом электронов); температуры заряженных и нейтральных частиц в плазме совпадают; единственным способом ионизации является термическая ионизация, которая описывается уравнением Саха.

В диссертации представлены формулы для расчета теплоемкости, теплопроводности и излучательной способности однокомпонентной плазмы. Формула для расчета электропроводности многокомпонентной плазмы:

где а - коэффициент; Wj— относительное число атомов i-oro компонента плазмы в неионизированной смеси; пе - концентрация электронов; nj -концентрация j-ых тяжелых частие;-заряд электрона; m,. — масса электрона; - среднетепловая скорость электрона; число

различных тяжелых частиц в смеси; Qej - транспортное сечение столкновений, м2, j = 1, ... , b. Для смеси b=2m, где ш - число различных компонент в смеси.

Выявлено хорошее совпадение расчетных значений а плазмы углекислого газа по (19) со справочными данными в интервале температур от 5000 до 12000 Кпри а = 1.1.

Третья глава посвящена разработке программного обеспечения для определения распределения энергии в руднотермических печах и идентификации параметров эквивалентной электрической схемы подэлектродного пространства на один электрод (рис. 2).

Структура математической модели включает в себя следующие блоки расчета:

1. Электропроводности плазмы печной дуги

2. Параметров зоны реакции

3. Параметров дуги

Исходные данные блока расчета электропроводности плазмы печной дуги: w„ ии„„ь gai, g„j, Qrai(T), i = 1, ... , m, где U№„; - первые потенциалы ионизации, эВ; gai, g,ù - квантовые статистические веса атома и иона; Qea-транспортные сечения столкновений электронов с атомами, для каждого из m компонент газа плазмы.

Выходные данные: электропроводность плазмы печной дуги

при температуре

Исходные данные блока расчета параметров зоны реакции:

1. Параметры конструкции печи: Dn, D3, Dp3, Пэ, используемые для определения ST И Sp

2. Параметры электрического режима работы печи:

3. Технологические параметры: W, Gp, Сн> C^j dg, 63 АН, Тликв, Тр

4. р(Т), с(Т), ЦТ), Р(Т) для Т е [ТЛИК0;ТР],

где - диаметр печи, м; диаметр электрода, м; - диаметр распада электродов, м; число электродов.

Выходные данные: ир, Рр, Ир, где электрическое сопротивление зоны реакции, Ом.

Исходные данные блока расчета параметров дуги: где

р - оценка доли энергии дуги из литературных данных; выходные данные двух других блоков расчета - <тд(Тд) и ир,

Выходные данные:

На основании структуры математической модели ПП РТП разработан алгоритм ее решения, блок-схема которого представлена на рис. 3.

Математическая модель подэлектродного пространства руднотермических печей реализована в виде программного обеспечения, позволяющего определять допустимые значения параметров электрического режима работы руднотермической печи при заданных ограничениях на долю энергии, выделяемой в дуге.

При выборе средств разработки и формировании архитектуры программного обеспечения учтен ряд современных концептуальных требований:

1. Архитектура программного обеспечения соответствует целям создаваемой системы, допускается относительно простое, без коренных структурных изменений, развитие и наращивание функций в соответствии с расширением сфер и задач его применения (моделирование не рассматриваемых в данной работе руднотермических процессов, интеграция дополнительных модулей, в частности, для учета взаимного влияния электрических цепей электродов в многоэлектродной печи).

2. Для обеспечения перспективы развития программного обеспечения предусмотрена возможность интеграции гетерогенных вычислительных компонент на различные аппаратные и операционные платформы.

3. Обеспечен упрощенный доступ конечных пользователей к управлению и результатам функционирования программного обеспечения на основе наглядных пользовательских интерфейсов.

Так как разработанное программное обеспечение не используется для обработки данных в режиме реального времени и не интегрировано с СУБД, такие требования, как эффективное использование памяти или производительности реализующей ЭВМ, надежность и защищенность, являются второстепенными.

Разработанное програмхмное обеспечение основано на модульном принципе. Три блока расчета обобщенной математической модели и блоки расчета площадей зоны реакции и реакционного тигля которые различаются для разных руднотермических процессов, представляют собой отдельные модули.

Рис. 3. Блок-схема алгоритма решения математической модели

В работе разработаны модули для расчета Sp и ST для процессов производства фосфора и кремния.

На основе сформулированных требований выбраны следующие средства разработки: система компьютерной математики MathCAD, объектно-ориентированный язык Java. С использованием этих средств разработаны две независимые друг от друга версии программного обеспечения, реализующие алгоритм, представленный на рис. 3. На Java разработана программа графического пользовательского интерфейса.

Выбор Java обусловлен следующими причинами:

- простота разработки

- отсутствие критичных требований по производительности

- простота организации средствами языка архитектуры с подключаемыми модулями

- возможность интеграции разработанного программного обеспечения с программными продуктами для комплексного расчета параметров руднотермических печей средствами распределенных технологий взаимодействия программных компонент

- возможность использования программного обеспечения на любой операционной системе, для которой имеется Java-машина (Win32, UNIX, Mac OS)

- простота разработки графического пользовательского интерфейса с использованием стандартной графической библиотеки Swing

Выбор MathCAD обусловлен широким распространением этого программного продукта в инженерной среде.

Четвертая глава посвящена оценке адекватности математической модели посредством сопоставления расчетных значений доли энергии, выделяемой в дуге, с экспериментальными и литературными данными, и моделированию различных промышленных РТП как слабодуговых процессов, так и процессов с развитой дугой.

Анализ литературы показал, что наибольшее число работ по исследованию распределения энергии в печи выполнено для процессов производства фосфора, кремния и ферросилиция, которые различаются не только по степени развития дуги, но и но характеру распределения энергии: в фосфорной печи наибольшая доля энергии выделяется в жидкой фазе (в зоне реакции), в кремниевой печи - в твердой фазе (в шихте). Для оценки адекватности модели рассмотрены промышленные круглые трехэлектродные печи переменного тока РКЗ-80Ф мощностью 80 МВ-А для производства фосфора, РКО-25КрИ1 мощностью 25 МВ-А для производства кремния.

Для печи РКЗ-80Ф расчетные значения доли энергии в дуге р=5.35-8.57% хорошо согласуются с оценкой 5-8%, полученной в результате экспериментальных исследований ГШ РТП методом зондирования.

Расчетные значения р получены для регламентных электрических режимов работы печи с активными сопротивлениями печного контура Кк от 3.12 до 3.54 мОм.

Расчетные значения р для различных Кц в печи РКЗ-80Ф сопоставлены с результатами, полученными в НИР по анализу гармонического состава тока электрода. Гармоническая составляющая с частотой 150 Гц связана со степенью развития дуги:

Р~(1з/1.)2, (20)

где I], 1} ~ абсолютные значения гармонических составляющих с частотой 50 и 150 Гц. Принято I] = 1э.

Сопоставление результатов выполнено для шести регламентных электрических режимов работы печи с И* от 2.97 до 3.68 мОм. Вычислено корреляционное отношение:

где (рОрасчет j Pep > Pi - расчетное, среднее, экспериментальное (полученное методом анализа гармонического состава тока электрода с использованием (20)) значение р.

В результате моделирования печей РКЗ-80Ф и РКО-25КрИ1 с использованием разработанного программного обеспечения установлены следующие закономерности:

1. При увеличении R* печи РКЗ-80Ф от 2.97 до 3.68 мОм доля энергии р, выделяемой в дуге, увеличивается от 4.24% до 10.64%.

2. При увеличении среднего диаметра частиц восстановителя в печи РКЗ-80Ф от 1.4 до 1.8 см р увеличивается от 4.50% до 6.46%.

3. При увеличении RK печи РКО-25КрИ1 от 1.14 до 1.71 мОм р увеличивается от 10.18% до 23.03%, что хорошо согласуется с литературными данными.

В работе выполнено комплексное исследование подэлектродного пространства руднотермических печей с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента.

1. Разработана обобщенная математическая модель подэлектродного пространства руднотермических печей, позволяющая исследовать влияние параметров сырья, конструкции печи, электрического режима (тока электрода, напряжения на электроде) на распределение энергии в подэлектродном пространстве печи.

2. Программное обеспечение, разработанное в результате диссертационных исследований, позволяет определять допустимые значения параметров входа, электрического и технологического режима

Выводы!

работы печи при ограничениях на долю энергии дуги, что важно при проектировании и модернизации печей.

3. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги: геометрических размеров, напряженности электрического поля. Для построения зависимостей использованы расчетные значения параметров дуги в плазменнодуговой печи, полученные в результате численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих плазму столба дуги.

4. Оценка адекватности математической модели для промышленных руднотермических печей для производства фосфора и кремния выявила хорошее совпадение при сопоставлении расчетных значений доли энергии, выделяемой в дуге, с экспериментальными и литературными данными. В частности, корреляционное отношение между расчетными и полученными методом анализа гармонического состава тока электрода значениями равно 0.822 для печи РКЗ-80Ф для производства фосфора.

5. Результаты моделирования промышленных руднотермических печей с использованием разработанного программного обеспечения не противоречат данным лабораторных исследований и теории электрической дуги в условиях руднотермического процесса. В частности, доля энергии, выделяемой в дуге, возрастает при увеличении размера частиц восстановителя и активного электрического сопротивления печного контура.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Альперович И.Г., Армейский СВ. Моделирование дуг в электротермических печах: Сб. тр. Междун. конф. ММТТ 15 - Тамбов, 2002.-Т. 10. -с. 107-110

2. Альперович И.Г., Армейский СВ., Холодное В.А Экспериментальное исследование геометрических размеров свободно горящей электрической дуги: Сб. тр. Междун. конф. ММТТ-16 - Санкт-Петербург, 2003. - Т. 10. - с. 94-96

3. Армейский СВ., Холоднов В.А. Методы расчета теплофизических свойств электродуговой плазмы состоящей из смеси одноатомных газов // Изв. вузов. Химия и хим. технология - Т. 47 - 2004. Вып. 3-е. 100-103

4. Армейский СВ., Холоднов В.А. Математическая модель дуги в руднотермической печи // Изв. вузов. Химия и хим. технология - Т. 47 -2004.Вып. 3-е. 108-111

5. Армейский СВ., Альперович И.Г., Холоднов В.А. Адаптация математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей (зоны дуги и реакции) на промышленных печах: Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств. Сб. тр. науч.-техн. совещ. "Электротермия-2004" - СПб.:СПбГТИ, 2004 - с. 247-259

19.11.04 г. Зак.249-65 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

»262 80

Введение.

Глава 1. Обзор научно-технической литературы.

1.1. Влияние электрических и технологических параметров на распределение энергии в руднотермической печи.

1.2. Роль и особенности электрической дуги в руднотермической печи

1.2. Условия возникновения дуги в руднотермической печи.

1.3. Экспериментальные методы исследования дуги и распределения энергии в руднотермических печах.

1.4. Классификация руднотермических печей на основе распределения энергии.

1.5. Анализ существующих математических моделей для определения распределения энергии в руднотермических печах.

1.6. Выводы и постановка задач исследования.

Глава 2. Разработка математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей.

2.1. Декомпозиция печи на зоны.

2.2. Эквивалентная электрическая схема подэлектродного пространства руднотермической печи.

2.3. Зона дуги.

2.4. Поиск уравнений для определения неизвестных параметров дуги.

2.4.1. Экспериментальное исследование свободно горящей дуги в опытной печи.

2.4.2. Расчет параметров дуг в сталеплавильной и плазменнодуговой печах.

2.4.3. Построение эмпирической зависимости для определения напряженности электрического поля в столбе дуги.

2.4.4. Построение эмпирической зависимости для определения радиуса столба дуги.

2.4.5. Определение температуры столба дуги.

2.5. Расчет теплофизических и электрических свойств многокомпонентной плазмы дуги.

2.6. Зона протекания основной реакции восстановления целевого продукта.

2.7. Зона шихты.

2.8. Выводы и результаты.

Глава 3. Разработка алгоритма и программного обеспечения для расчета распределения энергии в руднотермических печах по математической модели

3.1. Структура математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей.

3.2. Алгоритм расчета математической модели.

3.3. Характеристика разработанного программного обеспечения.

Глава 4. Исследование промышленных руднотермических печей по математической модели.

4.1. Параметры рассматриваемых руднотермических печей.

4.2. Оценка адекватности математической модели подэлектродного пространства.

4.3. Моделирование промышленной печи РКЗ-80Ф для производства фосфора.

4.3.1. Результаты расчета компонентного состава и электропроводности плазмы дуги.

4.3.2. Определение распределения энергии в печи для различных значений параметров электрического режима печи.

4.3.3. Определение распределения энергии в печи для различных значений среднего диаметра частиц восстановителя.

4.4. Моделирование промышленной печи РКО-25КрИ1 для производства кремния.

4.4.1. Результаты расчета компонентного состава и электропроводности плазмы дуги.

4.4.2. Определение распределения энергии в печи для различных значений параметров электрического режима печи.

4.5. Выводы и результаты.

Выводы.

Направления развития работы.

Актуальность работы. Руднотермические печи (РТП) являются печами прямого нагрева и используются для осуществления восстановительных процессов с целью получения ферросплавов, карбидов, кремния, фосфора и других продуктов. Тепловая энергия, расходуемая на фазовые переходы и восстановительные процессы, выделяется при прохождении электрического тока через токопроводящую среду подэлектродного пространства, включающую в себя рудную часть, утлеродсодержащий восстановитель, промежуточные и конечные продукты. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в зонах с различным агрегатным состоянием материалов и в электрической дуге, которая обеспечивает высокую концентрацию энергии и формирует в электрической цепи сопротивление, позволяющее повысить мощность печи.

Производительность печи и удельные расходы сырья и электроэнергии зависят от распределения энергии в печи. Отрицательная роль дуги заключается в развитии побочных процессов, росте запыленности печных газов. Поэтому при проектировании и оптимизации РТП нужно прогнозировать распределение энергии между дугой и зонами с различным агрегатным состоянием материалов. Для решения этой задачи с использованием технологии вычислительного эксперимента необходима математическая модель подэлектродного пространства, разработанная на основе анализа протекающих в печи физико-химических процессов.

В отличие от сталеплавильных печей, ток электрода в РТП проходит не только через дугу, но и через окружающие ее материалы, размягченные вследствие нагрева. Этим обусловлена сложность получения данных о параметрах дуги в РТП. Поэтому в созданных ранее математических моделях РТП при моделировании дуги приняты упрощения. В разных работах получены различные оценки изменения мощности дуги при варьировании параметров входных потоков и управляющих воздействий.

Таким образом, актуальна задача разработки обобщенной математической модели подэлектродного пространства и программного обеспечения для расчета распределения энергии в различных руднотермических печах. Для ее решения в работе проведены исследования, связанные с моделированием дуги и оценкой адекватности модели для промышленных печей руднотермических процессов с различной степенью развития дуги.

Цель работы. Разработка обобщенной математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей и программного обеспечения для исследования распределения энергии в печи.

Краткое содержание работы. В первой главе рассмотрены условия возникновения и особенности дуги в руднотермической печи, ее положительные и отрицательные свойства, методы исследования, связь электрических и технологических параметров руднотермической печи с распределением энергии в ванне печи и долей энергии, выделяемой в дуге. Проведен анализ математических моделей, разработанных на основе декомпозиции рабочего пространства печи, результатов моделирования распределения энергии в промышленных печах для производства фосфора, кремния, ферросплавов, карбида кальция. Рассмотрена классификация руднотермических процессов на основе распределения энергии в печи. Сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке детерминированной математической модели подэлектродного пространства руднотермических печей. Моделируются процессы, протекающие в пространстве, окружающем один электрод. Упрощения заключаются в пренебрежении параметрическими связями и явлениями, обусловленными структурой многоэлектродных печей. Проведена декомпозиция печи на зоны. Подэлектродное пространство состоит из трех зон, в которых выделяется практически вся подводимая в печь энергия: дуги; шихты, нагреваемой до температуры плавления; зоны протекания основной реакции восстановления целевого продукта (зоны реакции). Для построения обобщенной математической модели подэлектродного пространства моделируются дуга и зона реакции, являющиеся последовательными сопротивлениями электрической цепи. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги в руднотермической печи. Для построения зависимостей использованы экспериментальные данные, полученные в НИР по зондированию подэлектродного пространства печи, и результаты вычислительных экспериментов по расчету дуг в плазменнодуговой и сталеплавильной печах. Расчетные значения параметров дуг в плазменнодуговой и сталеплавильной печах получены в результате численного решения дифференциальных уравнений плазмы столба дуги в частных производных. Предложен метод определения компонентного состава плазмы печной дуги и расчета ее электропроводности.

Третья глава посвящена разработке алгоритма и программного обеспечения для расчета параметров подэлектродного пространства и распределения энергии в руднотермических печах на основе разработанной математической модели. Представлена структура математической модели, состоящей из трех блоков расчета. Для каждого блока указаны входные и выходные данные. Установлены связи между блоками расчета. Приведена блок-схема алгоритма решения математической модели и дана характеристика разработанного программного обеспечения.

Четвертая глава посвящена моделированию промышленных руднотермических печей с использованием разработанного программного обеспечения. Оценка адекватности математической модели выявила хорошее совпадение при сопоставлении расчетных значений доли энергии, выделяемой в дуге, с экспериментальными и литературными данными. Моделировались трехэлектродные круглые промышленные печи переменного тока для производства фосфора РКЗ-80Ф и кремния РКО-25КрИ1. Сформулированы выводы о закономерностях изменения распределения энергии в моделируемых печах при изменении параметров входа, электрического и технологического режима их работы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведен анализ математических моделей РТП, разработанных на основе декомпозиции рабочего пространства печи, расчетных и экспериментальных данных о распределении энергии в печи.

2. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги в РТП на основе обработки результатов натурных (на лабораторной печи мощностью 100 кВ А) и вычислительных экспериментов по расчету параметров различных дуг.

3. Предложены методы расчета компонентного состава и электропроводности плазмы печной дуги, необходимой для решения уравнений математического описания дуги.

4. Разработано программное обеспечение для расчета распределения энергии в РТП для заданных значений параметров входа и электрического режима (тока электрода, полезного напряжения на электроде) работы РТП.

5. Выполнено моделирование промышленных печей с различной степенью развития дуги с целью определения закономерностей изменения распределения энергии в печи при изменении параметров входа, электрического и технологического режима ее работы.

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, программирования в системе компьютерной математики MathCAD, объектно-ориентированного программирования, разделов химической технологии, связанных с РТП, физики плазмы.

Научная новизна:

1. Разработана обобщенная математическая модель подэлектродного пространства руднотермических печей на основе анализа протекающих в печи физико-химических процессов, позволяющая исследовать распределение энергии в печи.

2. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги в РТП: геометрических размеров, напряженности электрического поля.

3. Разработано программное обеспечение для определения допустимых значений параметров входа и электрического режима работы руднотермической печи при заданных ограничениях на долю энергии, выделяемой в дуге.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Декомпозиция рабочего пространства РТП и эквивалентная электрическая схема подэлектродного пространства, используемая для построения его обобщенной математической модели

2. Физическая модель дуги, состоящей из п параллельных идентичных плазменных шнуров

3. Результаты вычислительных экспериментов по расчету параметров дуг в сталеплавильной и плазменнодуговой печах. Классификация дуг в электротермических печах на основе результатов натурных и вычислительных экспериментов.

4. Эмпирические зависимости для определения параметров плазменного шнура, установленные на основе экспериментальных данных, полученных на промышленных печах, и результатов расчета параметров дуг в плазменнодуговых печах.

5. Метод расчета компонентного состава и электропроводности плазмы печной дуги.

6. Программное обеспечение для расчета распределения энергии в печи и определения допустимых значений параметров входа и электрического режима работы печи при заданных ограничениях на долю энергии, выделяемой в дуге, для стационарных условий работы печи.

Достоверность результатов обеспечивается посредством сопоставления результатов вычислительного эксперимента на персональном компьютере с результатами экспериментальных исследований промышленных РТП, а также корректностью использования теоретических положений математического моделирования, технологии построения программных систем, технологии электротермических производств.

Практическая значимость. Разработанная математическая модель и программное обеспечение позволяют решать следующие задачи при проектировании РТП и переходе на новую сырьевую базу:

- исследования подэлектродного пространства для заданных значений параметров входа и электрического режима работы РТП; выбора параметров электрического режима, при которых обеспечивается заданная активная мощность печи, с ограничением на максимальную долю энергии, выделяемой в дуге.

Систематизированы исходные данные для моделирования промышленных печей для производства фосфора и кремния. В результате моделирования выявлены закономерности изменения распределения энергии в печи при варьировании параметров входа и электрического режима ее работы. Целесообразно внедрение разработанного программного обеспечения на аналогичных производствах.

Аппробация работы. Основные положения работы докладывались на конференции "Компьютерное моделирование при оптимизации технологических процессов электротермических производств" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.) и обсуждались на научно-технических семинарах кафедр "Математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов" и "Технологии электротермических производств" Санкт-Петербургского государственного технологического института.

Публикация работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедрах "Математического моделирования и оптимизации химико-технологических процессов" СПбГТИ (ТУ), "Технологии электротермических производств" СПбГТИ (ТУ).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 131 страницах текста, содержит 24 рисунка, 19 таблиц. Список литературы включает в себя 111 наименований.

Выводы

1. Разработана обобщенная математическая модель подэлектродного пространства руднотермических печей, позволяющая исследовать влияние параметров сырья, конструкции печи, электрического режима (тока электрода, напряжения на электроде) на распределение энергии в подэлектродном пространстве печи.

2. Программное обеспечение, разработанное в результате диссертационных исследований, позволяет определять допустимые значения параметров входа, электрического и технологического режима работы печи при ограничениях на долю энергии дуги, что важно при проектировании и модернизации печей.

3. Установлены эмпирические зависимости для определения параметров дуги: геометрических размеров, напряженности электрического поля. Для построения зависимостей использованы расчетные значения параметров дуги в плазменнодуговой печи, полученные в результате численного решения дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих плазму столба дуги.

4. Оценка адекватности математической модели для промышленных руднотермических печей для производства фосфора и кремния выявила хорошее совпадение при сопоставлении расчетных значений доли энергии, выделяемой в дуге, с экспериментальными и литературными данными. В частности, корреляционное отношение между расчетными и полученными методом анализа гармонического состава тока электрода значениями равно 0.822 для печи РКЗ-80Ф для производства фосфора.

5. Результаты моделирования промышленных руднотермических печей с использованием разработанного программного обеспечения не противоречат данным лабораторных исследований и теории электрической дуги в условиях руднотермического процесса. В частности, доля энергии, выделяемой в дуге, возрастает при увеличении размера частиц восстановителя и активного электрического сопротивления печного контура.

Направления развития работы

Основные направления развития работы заключаются в следующем:

1. Ряд входных параметров разработанного алгоритма и программного обеспечения, таких, как полезное напряжение на электроде, удельный расход электроэнергии, начальная концентрация восстанавливаемого продукта и порозность слоя восстановителя зоны реакции в (2.36)-(2.40), являются расчетными. В связи с этим представляет интерес интеграция разработанного программного комплекса с программными продуктами для комплексного расчета параметров руднотермических печей.

Модульная архитектура разработанного программного обеспечения и примененные средства разработки облегчают задачу интеграции.

2. Построение эмпирической зависимости для определения параметра п как функции параметра "энергоприемность" (2.43).

Построение этой зависимости по двум точкам (значениям п для рассмотренных процессов производства фосфора и кремния) может привести к значительной погрешности определения доли энергии дуги для печей других руднотермических процессов.

Для решения данной задачи необходимо систематизировать входные параметры алгоритма и провести вычислительные эксперименты для печей разных руднотермических процессов, в частности, производства карбида кальция и различных ферросплавов.

3. Практический интерес представляют исследования по модели для различных составов сырья и восстановительной смеси. Для этого необходимы данные по электропроводности, теплопроводности и плотности расплава в зоне реакции, константе скорости реакции для температур от температуры ликвидуса Тдикв до температуры реакции Тр.

1. Адлер Ю.П., Грановский Н.В. Обзор прикладных работ по планированию эксперимента-М.: Изд-во МГУ, 1972. 125 с.

2. Альперович И.Г. Влияние свойств сырья, технологических и электрических параметров руднотермического процесса на величину конечной запыленности реакционных газов // Химическая промышленность. 1987. № 10. - с. 34-37

3. Альперович И.Г. Основы создания замкнутых электротермических ХТС для производства фосфора. Дис. доктора техн. наук. Санкт-Петербург, 1990.-356 с.

4. Альперович И.Г. Компьютерная модель РТП основа оптимизации электротехнологий: Докл. науч.-тех. совещ. "ДУГА-200" -СПб.:СПбГТИ, 2002. - с. 16-22

5. Альперович И.Г., Арменский С.В. Моделирование дуг в электротермических печах: Сб. тр. Междун. конф. ММТТ 15 Тамбов, 2002.-Т. 10.-с. 107-110

6. Альперович И.Г., Арменский С.В., Холодное В.А. Экспериментальное исследование геометрических размеров свободно горящей электрической дуги: Сб. тр. Междун. конф. ММТТ-16 Санкт-Петербург, 2003.— Т.10. - с. 94-96

7. Арефьев К.М. Явления переноса в газе и плазме. Л.: Энергоатомиздат, 1983.-112 с.

8. Арменский С.В., Холодное В.А. Методы расчета теплофизических свойств электродуговой плазмы состоящей из смеси одноатомных газов // Изв. вузов. Химия и хим. технология Т. 47 - 2004. Вып. 3. - с. 100-103

9. Арменский С.В., Холоднов В.А. Математическая модель дуги в руднотермической печи // Изв. вузов. Химия и хим. технология Т. 47 — 2004. Вып. 3. - с. 108-111

10. Ахметшин Н.Ф., Барашкин И.И., Лапченков В.И. Электрические и геометрические параметры ферросплавных электропечей: Тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. симпозиума "Параметры рудовосстановительных электропечей" М.: Информэлектро. 1987. - с. 3-5

11. Бербасов В.В., Урюков Б.А. Ламинарная электрическая дуга в канале с пористым охлаждением стенок // Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена Новосибирск: Наука, 1977. — с. 49-61

12. Бортничук Н.И., Крутянский М.М. Плазменно-дуговые плавильные печи М.: Энергоиздат, 1981. - 120 с.

13. Брусаков Ю.И. Распределение мощности в ванне электропечей между дугой и шихтой при производстве ферросилиция разных марок и технического кремния: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-96" -СПб.:СПбГТИ, 1996.-с. 148-154

14. Валтник М.А. О некоторых особенностях восстановительных реакций в процессах химической электротермии // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. Т. IX -1969. № 2. - с. 286-290

15. Методические рекомендации по определению электротехнологических параметров фосфорных печей / З.А. Валькова, Г.М. Жилов, М.П. Арлиевский, В.В. Дрессен, С.В. Короткин- Л.: ЛенНИИгипрохим, 1986.-39 с.

16. Воробьев В.П., Сивцов А.В. Основы определения параметров переменного электрического режима восстановительной электроплавки: Тез. докл. IV Всесоюз. науч.-техн. симпозиума "Параметрырудовосстановительных электропечей" — М.: Информэлектро, 1987. с. 78

17. Воробьев В.П., Сивцов А.В. Оценка характеристик распределения энергии с учетом зонального строения рабочего пространства дуговых восстановительных печей: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-96" — СПб.:СПбГТИ, 1996.-с. 177-178

18. Воробьев В.П., Сивцов А.В. Строение рабочего пространства и схемы замещения полезной электрической нагрузки ферросплавных печей: Докл. науч.-техн. совещания "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ, 2000.-с. 227-232

19. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов: Учебник для вузов / М.И. Гасик, Н.П. Лякишев-М.: "Интермет Инжиниринг", 1999. -764 с.

20. Термодинамические свойства индивидуальных веществ / Отв. ред. В.П. Глушко 2-е изд., доп. М.: изд. АН СССР, 1962. - Т. 1. - 1062 с.

21. Голант В.Е., Жилинский А.П., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы — М.: Атомиздат, 1977. 384 с.

22. Голубев В.О., Белоглазов И.Н., Педро А.А. Применение разностных методов для математического моделирования руднотермических печей: Докл. науч.-тех. совещания "Электротермия-2004" СПб.:СПбГТИ, 2004.-с. 281-283.

23. Физические величины: Справочник / Ред. И.С. Григорьев М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

24. Данцис Я.Б. Об электрической дуге руднотермических печей: Тр. ЛНГХ -вып. 1. 1967.-с. 41-49

25. Данцис Я.Б., Брегман С.З., Бескин М.Д., Короткин С.В. Наличие и характер закрытой электрической дуги фосфорной печи // Фосфорная промышленность— Вып. 2. 1977. с. 34-38

26. Данцис Я.Б., Жилов Г.М., Валькова З.А. Электрические характеристики дугового разряда печей химической электротермии и способы их контроля Л.: ЛНГХ, 1991. - 54 с.

27. Delalondre С. Les travaux de modelization numerique d'arcs electriques // Proceedings of the 13 th international congress on electricity applications-Birmingham, UK, 1996. V. 1. RE 75.

28. Джонсон К. Численные методы в химии М.: Мир, 1983. - 504 с.

29. Дресвин С. В., Донской А. В., Гольдфарб В. М., Клубникин В. С. Физика и техника низкотемпературной плазмы / Под общ. ред. Дресвина С.В. -М.: Атомиздат, 1972. 352 с.

30. Жабо В.В., Салтыков A.M., Варюшенков A.M., Щапов Е.Н., Еремин В.П. Анализ работы печей кремния на основе моделирования: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-96" СПб.:СПбГТИ, 1996. - с. 155-162

31. Егоров А.А. Теория открытых систем о количественных закономерностях строения слоистой структуры в плазме: Докл. науч.-техн. совещания "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ, 2000. - с. 63-74

32. Егоров А.В. Электроплавильные печи черной металлургии М.: Металлургия, 1985. - 280 с.

33. Елецкий А.В., Палкина Л.А., Смирнов Б.М. Явления переноса в слабоионизированной плазме М.: Атомиздат, 1975. — 333 с.

34. Ершов В.А., Данцис Я.Б., Жилов Г.М. Теоретические основы химической электротермии JL: Химия, 1974. - 184 с.

35. Электротермические процессы химической технологии: Учебное пособие для вузов / Я.Б. Данцис, В.А. Ершов, Г.М. Жилов / Под ред. В.А. Ершова JL: Химия. 1984. - 464 с.

36. Ершов В.А., Педро А.А. Предельная объемная мощность печи для производства карбида кальция // Ж11Х №5. 1991.-е. 1030-1033.

37. Ершов В.А., Пименов С.Д. Электротермия фосфора СПб.: Химия, 1996.-248 с.

38. Ершов В.А., Педро А.А., Лавров Б.А., Козлов К.Б. Влияние модуля кислотности (Мк) на степень развития электрической дуги в фосфорной печи: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ,2000.-е. 32-38

39. Ефроймович Ю.Е. Оптимальные электрические режимы дуговых сталеплавильных печей М.: Металлургиздат, 1956. - 130 с.

40. Каменщиков В.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах М.: Машиностроение, 1971. - 440 с.45 .Таблицы физических величин. Справочник / Под ред. И.К. Кикоина — М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

41. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCAD 2001 СПб.: БХВ-Петербург,2001.-544 с.

42. Крылов А. В. Исследование стабилизированной и сжатой электрической дуги для сварки и резки металлов: Дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2000. 231 с.

43. Кузнецов Л.Н., Пирогов Н.А. Энергетические и конструктивные особенности дуговых печей для плавки метализованных окатышей // Электротермия вып. 6. 1978. - с. 18-21

44. Кулинич В.И. К расчету параметров электропечи через активное сопротивление ванны: Тез. IV Всесоюз. науч.-техн. симпозиума "Параметры рудовосстановительных электропечей" — М.: Информэлектро, 1987.-е. 10-14

45. Кулинич В.И. Параметры электродуги не каналовой (квазиканаловой) модели: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-94" СПб.:СПбГТИ, 1994.-е. 77-81

46. Кулинич В.И. Параметры плазмы электродуги при выплавке сплавов кремния с железом в руднотермических печах. Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-94" СПб.:СПбГТИ, 1994. - с. 82-95

47. Кулинич В.И. Методы расчета распределения энергии по зонам руднотермической печи при выраженном электродуговом режиме: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-94" СПб.:СПбГТИ, 1994. - с. 96-98

48. Кулинич В.И., Машков К.В., Ибраева Д.И. Параметры электрической дуги (краткий обзор представлений): Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200" СПб.:СП6ГТИ, 2002. - с. 77-85

49. Кулинич В.И. Пространственные формы существования плазмы в электродуговых установках: Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200" — СПб.:СПбГТИ, 2002. с. 86-111

50. Лакомский В.И. Плазменнодуговой переплав Киев: Техника, 1974. -336 с.

51. Лебедев А.Д., Урюков Б.А. Теоретическое и экспериментальное исследование электрической дуги в свободной струе // Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена -Новосибирск: Наука, 1977. с. 6-32

52. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга М.: Машиностроение, 1970.-335 с.

53. Липаев В.В. Системное проектирование сложных программных средств для информационных систем — М.: СИНТЕГ, 2002. 268 с.

54. Лукашенков А.В., Марценюк С.В. Схемное моделирование электродуговых печей: Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200" — СПб.:СПбГТИ, 2002. с. 51-57

55. Лукашенков А.В. Контроль и управление электродуговыми печами на основе идентификации схемных моделей: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ, 2000. - с. 277-286

56. Лукашенков А.В., Фомичев А.А., Петрусевич А.А. Компьютерная система автоматизированного контроля электротехнологических процессов в электродуговых печах: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ, 2000. - с. 287-297

57. Максименко М.С. Основы электротермии Л.: ОНТИ, 1937. - 134 с.

58. Марков Н.А. Электрические цепи и режимы дуговых электропечных установок М.: Энергия, 1976. - 204 с.

59. Меккер Г. О характеристиках цилиндрической дуги // Движущаяся плазма М.: ИЛ, 1961. - с. 438-477.

60. Микулинский А.С. Определение параметров РТП на основе теории подобия М.: Л.: Энергия - 88 с.

61. Микулинский А.С. Процессы рудной электротермии М.: Металлургия, 1966.-280 с.

62. Миронов Ю.М., Тарасов В.А., Козлов А.И. Математическое моделирование электротехнологических режимов РТП: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-94" СПб.:СП6ГТИ, 1994. - с. 189-196

63. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизованные газы — М.: Мир, 1976. -496 с.

64. Мосиондз К.И., Русаков М.Р., Петрович И.Ю., Чумаков Ю.А., Ермаков И.Г. Определение энергетических характеристик действующих электропечей с применением компьютерного моделирования: Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200" СПб.:СПбГТИ, 1994. - с. 58-61

65. Москвин Ю.В. Излучательная способность равновесной цезиевой плазмы // Теплофизические свойства жидкостей и газов при высоких температурах и плазмы М.: Изд-во стандартов, 1969. - с. 303-308

66. Назаренко И.П., Паневин И.Г. Расчет стабилизированных каналовых дуг с учетом переноса излучения и неравновесности плазмы // Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена -Новосибирск: Наука, 1977. с. 61-87

67. Нгуен Куок Ши. Исследование индукционных и дуговых плазмотронов. Дис. доктора техн. наук. Санкт-Петербург, 2002. 455 с.

68. Несаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги М.: Наука, 1968. -244 с.

69. Нехамин С.М., Лебедев В.Г., Панкова JI.A. Идентификация нелинейной схемной модели электрической цепи ванны ферросилициевой печи: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ, 2000. - с. 7582

70. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости-М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

71. Педро А.А. Использование гармонического анализа тока для управления процессами в руднотермической печи: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-94" СПб.:СПбГТИ, 1994. - с. 54-67

72. Педро А.А. Интенсификация электротермических процессов технологии неорганических веществ. Дис. доктора техн. наук. Санкт-Петербург, 1997.-296 с.

73. Педро А.А., Сотников В.В., Никитина Л.Н. Постоянная составляющая фазного напряжения в руднотермической печи: Докл. науч.-техн. совещ. "Электротермия-2000" СПб.:СПбГТИ, 2000. - с. 83-85

74. Педро А.А. Роль и характер электрической дуги при плавке циркониевого электрокорунда: Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200"- СПб.:СПбГТИ, 2000.- с. 148-150

75. Петрусевич А.А. Система оперативного контроля электроэнергетических параметров дуговых печей с учетом взаимного влияния фаз. Автореф. дис. канд. техн. наук. Тула, 2003. 20 с.

76. Плетнев А.А., Русаков М.Р., Талалов В.А. Численное моделирование электрического поля и сопротивления ванны многошлаковой руднотермической печи. Докл. науч.-техн. совещания "Электротермия-2000". СПб.:СПбГТИ, 2000. с. 287-297

77. Радциг А.А., Смирнов Б.М. Справочник по атомной и молекулярной физике — М.: Атомиздат, 1980. 240 с.

78. Идентификация параметров линейных регрессионных моделей. Метод, указ. к лаб. раб. по курсу "Применение ЭВМ в химической технологии" /

79. С.Н. Саутин, А.Е. Пунин, В.М. Крылов, JI.C. Калашникова Ленинград: ЛТИ им. Ленсовета, 1988 - 20 с.

80. Сергеев П.В. Энергетические закономерности руднотермических печей, электролиза и электрической дуги Алма-Ата: Изд-во академии наук Казахской ССР, 1963. - 250 с.

81. Сергеев П.В. Электрическая дуга в электродуговых реакторах Алма-Ата: "Наука" КазССР, 1978. - 140 с.

82. Физика плазмы. Стационарные процессы в частично ионизованном газе: Учебное пособие / О.А. Синкевич, И.П. Стаханов М.: Высшая школа, 1991.- 191 с.

83. Сисоян Г. А. Электрическая дуга в электрической печи М.: Металлургия, 1974. - 304 с.

84. Сотников В.В., Блинов Е.В., Педро А.А., Боярун В.З. Автоматизированное проектирование и управление руднотермической печью при производстве фосфора СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 2001. - 217с.

85. Сотников В.В., Педро А.А., Авдиенко И.В. Основы автоматизированного управления руднотермической печью при производстве карбида кальция СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 2001. - 145 с.

86. Сотников В.В., Педро А.А., Никитина Л.Н. Автоматизированное управление руднотермической печью производства нормального электрокорунда СПб.: Изд-во С.-Петербургского университета, 2003. -148 с.

87. Спитцер Л. Физика полностью ионизованного газа — М.: Мир, 1965 — 212 с.

88. Струнский Б.М. Реднотермические плавильные печи — М.: Металлургия, 1972.-368 с.

89. Удалов Ю.П., Лавров Б.А., Козлов К.Б. Дуговые руднотермические печи. Достижения и перспективы: Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200"-СПб.:СПбГТИ, 2002. с. 9-15

90. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма -М.: ИЛ, 1961.- 369 с.

91. Фомичев А. А. Модели, методы и средства автоматизации руднотермических печей на основе принципа декомпозиции. Автореф. дис. доктора техн. наук. Тула, 1996. 40 с.

92. Фомичев А.А., Лукашенков А.В., Марценюк С.В. Идентификация схемных моделей электродуговых установок: Докл. науч.-техн. совещ. "ДУГА-200" СПб.:СПбГТИ, 2002. — с. 45-50

93. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / под ред. В.В. Фролова-М.: Высшая школа, 1988. 559 с.

94. Хейфец B.C. Анализ электрических режимов работы мощных руднотермических печей на Иркутском алюминиевом заводе: Тез. IV Всесоюз. науч.-техн. симпозиума "Параметры рудовосстановительных электропечей" М.: Информэлектро, 1987. - с. 43-44

95. Холодное В.А., Кирьянова Л.С., Иванова Е.Н. Математическое моделирование и методы реализации математических моделей СПб.: "Руда и металлы", 2002. - 170 с.

96. Холодное В.А., Дьяконов В.П., Иванова Е.Н., Кирьянова Л.С. Математическое моделирование и оптимизация химико-технологических процессов СПб.: АНО НПО "Профессионал", 2003. - 480 с.

97. Хренов К.К. Электрическая сварочная дуга Киев: Машгиз, 1949. - 206 с.

98. Ширмер X., Фридрих Д. Электропроводность плазмы // Движущаяся плазма М.: ИЛ., 1961.-е. 65-78

99. Энгель А. Ионизированные газы М.: Физматгиз, 1959. — 332 с.

100. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах — М., 1935. — Т. 1. Основные законы — 252 с.

101. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах-М., 1936.-Т.2. Свойства газовых разрядов. Технические применения. 382 с.

102. Энгелыпт B.C., Жеенбаев Ж. Электрическая дуга в приближении ламинарного магнитогазодинамического пограничного слоя // Теория электрической дуги в условиях вынужденного теплообмена — Новосибирск: Наука, 1977 с. 32-49.

103. Энгелыпт В. С., Гурович В. Ц., Десятков Г. А. Низкотемпературная плазма Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990-Т.1. Теория столба электрической дуги — 376 с.