Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство спецсталей, цветных металлов, производство твердых сплавов, химическое производство, полупроводниковая промышленность, атомная энергетика, космическая техника, - все эти отрасли являются возрастающими потребителями материалов на основе углерода.
Эффективными направлениями решения задачи увеличения выпуска продукции следует считать совершенствование системы планирования и управления на основе применения экономико-математических методов, использования персональных компьютеров, разработкой систем автоматизированного проектирования. В настоящее время уровень развития вычислительной техники и научных исследований по технологии электродного производства позволяет синтезировать и решать сложные высокоинформативные математические модели технологических процессов, совершенствовать алгоритмы и методы их решения с целью анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР.
Одной из основных технологических операций в производстве электродной продукции является процесс прокалки углеродного материала при высокой температуре. Из всех известных в настоящее время технологических агрегатов для прокаливания кокса наибольшее распространение в промышленности трубчатые вращающиеся печи, которые характеризуются наименьшей стоимостью, простотой обслуживания, высокой производительностью, требуют минимальных затрат на обслуживание.
Создание высокоэффективной САПР возможно лишь на основе достаточно полного изучения свойств объекта проектирования, его характеристик, закономерностей процесса. Процесс в таких печах характеризуется сочетанием комплекса элементарных процессов: всех видов теплообмена, пиролизом прокаливаемого материала, горения топлива, материала с выделение летучих веществ, движением газа и материала, изменением структуры и свойств материала. Поэтому методология и математические модели такого процесса могут быть использованы для исследования и совершенствования многочисленных процессов в металлургической и горной промышленности при отработки карьера.
Важность совершенствования технологии электродного производства, современный уровень развития вычислительной техники и создание высокоинформативных, комплексных математических моделей технологических процессов, широкое применение барабанных вращающихся печей и универсальность процесса прокаливания углеродных материалов в них, а так же необходимость автоматизации технологической подготовки производства, - определяет актуальность темы настоящей диссертационной работы.
Цель работы: разработка алгоритмов и более точной и информативно комплексной математической модели процесса прокалки углеродного сырья, позволяющие автоматизировать проектирование параметров процесса термообработки углеродных материалов во вращающейся печи, а так же показать возможность применения разработанных методик для проектирования теплообменных процессов в других технологиях.
Объект исследования: система автоматизированного проектирования параметров процесса термообработки сыпучих материалов во вращающейся печи барабанного типа.
Предмет исследования: алгоритмы и математические модели технологического процесса для синтеза и анализа проектных решений термообработки нефтяного кокса во вращающейся печи.
Методы исследования включают в себя: методы автоматизированного проектирования и управления, моделирования технологических процессов; математическое программирование, зональный метод расчёта теплообмена в объектах с распределёнными параметрами, имитационное моделирование, корреляционны и регрессионный анализ, алгебру угловых коэффициентов излучения, интегрирование по контуру поверхностей теплообмена, методы статистической обработки данных; исследования промышленных объектов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Получены новые зависимости плотности потока топлива и содержания кислорода в газе, а так же длины факела от макрокинетической константы скорости, содержание кислорода в дутье и коэффициента избытка дутья, позволяющие проектировать параметры процесса горения газообразного топлива в кинетическом режиме.
-
Предложена методология расчёта и замены газообразного топлива сжиженным газом, позволяющая обеспечить резервным топливом промышленные агрегаты без изменения конструкций горелок.
-
Синтезированы машинно-ориентированные алгоритмы расчета угловых и обобщенных угловых коэффициентов излучения, зон выделяемых во вращающейся печи барабанного типа, в соответствии с зональным методом моделирования ее тепловой работы, позволяющая учитывать тепловые потоки между всеми зонами печи, а не только между смежными зонами.
-
Разработана методология определения температурного поля напряжений от действия отрицательной температуры среды в горном массиве, позволяющая позволяющая рассчитать термодинамические параметры невзрывчатых разрушающих составов, необходимые для разрушения горных пород, и на основании этого корректировать составы для эффективной их работы.
Практическая значимость и ценность проведенных исследований заключается в использовании их для решения широкого круга практических задач высокотемпературной теплотехники металлургической и горной промышленности.
С целью автоматизированного проектирования процессов термообработки сыпучих материалов в барабанной вращающейся печи разработан специальный программный продукт «Вращающаяся барабанная печь», который в отличие от неспециализированных программ, которые не могут охватить весь диапазон разнообразных процессов, протекающих при термообработке во вращающихся печах, позволяет оперативно выполнять синтез и анализ проектных конструкторских и технологических решений.
Синтезированный модульный программный комплекс и разработанные эффективные численные расчётные методы позволяют: проводить анализ экспериментальных исследований с целью повышения достоверности и возможности переноса результатов модельных экспериментов на натурные условия; проводить глубокие аналитические и численные исследования термогазодинамических и тепловых процессов на любых этапах проектирования отработки карьеров в сезонный период.
Результаты работы приняты для промышленного использования на ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода), что позволяет получить экономический эффект при полном объеме внедрения более 702 тыс. рублей в год.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в работе, подтверждается использованием законов теплофизики, сохранения массы химических компонентов, количества движения и энергии, теории численных методов; тестированием разработанного программного обеспечения, исследованием устойчивости и сходимости решений; соответствие результатов расчётов и экспериментальных данных.
Личное участие автора. Проведён критический анализ математических моделей предложенных различными отечественными и зарубежными исследователями. Автором лично или с участием соавторов разработаны и апробированы: общая математическая модель факельного выгорания топлива; математическая модель для расчета длины факела и распределение плотности потока топлива, концентрации кислорода по всей его длине; программный комплекс решения предложенной общей математической модели; протестирован разработанный программный комплекс, на известных результатах модельных экспериментов; рассчитаны температурные, газодинамических и излучающих характеристик различных высокотемпературных химически процессов во вращающейся печи и в горных породах при отработке карьеров.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 научных трудах, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Апробация и внедрение результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: VI Международной конференции: «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий» Владикавказ, 2007; XII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2008г.; X Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, май 2009; ежегодных научно-технических конференциях и семинарах в 2007-2012 гг., проводимых в СКГМИ (ГТУ), Владикавказ; технические совещания ОАО «ТИЗ» (Терского известкового завода), г. Владикавказ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 172 наименований и 3 приложений. Объем работы составляет 130 страниц машинописного текста, включающий 30 иллюстрации и 6 таблиц.
