Введение к работе
Актуальность темы
Большую часть меди в Российской Федерации получают в настоящее время посредством автогенной плавки. Одним из наиболее перспективных технологических процессов для переработки медных сульфидных шихт является автогенная плавка в жидкой ванне (ПЖВ), называемая процессом Ванюкова. Значительный вклад в теорию и практику барботажной плавки шихт в жидкой ванне внесли также Быстров В.П., Гречко А.В., Мечев В.В., Тарасов А.В. и др.
Вместе с тем, следует отметить высокую стоимость и значительную длительность экспериментальных методов исследования закономерностей процесса Ванюкова на реальных печах.
В связи с этим перспективным является использование метода машинных (ЭВМ) имитационных (виртуальных') экспериментов, успешно используемых в других отраслях знаний.
Имитационная система при этом представляет собой машинную модель сложного многофакторного реального процесса автогенной плавки. Под имитацией, при этом, понимается численный метод проведения на ЭВМ экспериментов (включая планируемые эксперименты) с математическими моделями, описывающими поведение сложных реальных систем.
Использование имитационных экспериментов, кроме экономических соображений, вызывается ещё и следующими причинами:
невозможность варьирования независимых переменных в широких пределах из-за опасности наступления аварийных ситуаций, выпуска бракованной продукции, либо срыва плана выпуска продукции. Следует иметь в виду также то обстоятельство, что математические модели, полученные путем осторожного "раскачивания" независимых переменных на реальном объекте в узком интервале варьирования, позволяют получить в большинстве случаев так называемые "шумовые модели", обладающие низкой прогностической способностью. Хорошая математическая модель, пригодная для оптимизации и автоматизации технологических процессов, может быть получена из экспериментальных данных, проведенных на грани аварийных ситуаций;
экологическая опасность для окружающей среды, возникающая при проведении реальных экспериментов в экстремальных условиях.
Указанные обстоятельства определили актуальность проведенного исследования автогенного процесса плавки медных сульфидных шихт на штейн методом машинной имитации.
Цель работы
Создание математической модели процесса плавки медных сульфидных шихт в жидкой ванне, позволяющей прогнозировать статические характеристики процесса плавки; создание алгоритма и программы, позволяющей адекватно имитировать реальные процессы на ЭВМ с использованием методов планирования многофакторных экспериментов; оптимизация процессов получения черновой меди с целью снижения её себестоимости.
Методы исследования
Математические методы моделирования пирометаллургических процессов плавки, сопровождаемых барботированием газовой фазы в расплаве. Математические методы планирования экстремальных многофакторных экспериментов. Использование ЭВМ. Термодинамические расчеты. Метод анализа размерностей.
Наиболее существенные научные результаты работы
Разработана математическая модель процесса автогенной плавки медных сульфидных шихт в печи Ванюкова и на её основе составлена программа для ЭВМ, позволяющая имитировать массообменные и тепло-химические процессы, протекающие в печи;
разработаны адекватные модели значительного числа физико-химических процессов, использование которых в промышленных условиях позволит оптимизировать автогенную плавку с минимальными затратами энергии и в короткий промежуток времени;
в широком диапазоне варьирования независимых переменных получены статические характеристики печи Ванюкова как объекта с сосредоточенными параметрами, в частности: зависимость температуры в печи и содержания меди в штейне как функции производительности печи; зависимость температуры в печи от состава шихты, содержания кислорода в дутье и влажности шихты; зависимость расхода топлива, необходимого для поддержания заданной температуры в печи от состава шихты, содержания кислорода в дутье и влажности шихты.
Достоверность полученных научных результатов работы подтверждена корректностью теоретических положений, основанных на фундаментальных законах природы (закон сохранения материи, закон сохранения энергии), а также результатами идентификации математических моделей.
Практическая ценность
Разработанный программный продукт, имитирующий процесс Ва-нюкова, нашёл применение в учебном процессе в СКГТУ в курсе "Металлургия меди и никеля". Расчеты показали, что проведение комплекса исследований автогенной плавки методом машинной имитации адекватно экономии энергии в размере 84 ГВт-ч.
Разработан программный продукт, позволяющий в диалоговом или автоматическом режиме реализовать метод анализа размерностей при исследовании сложных многофакторных процессов. Программа может быть использована в учебном процессе при прохождении курсов: 'Теория металлургических процессов" и "Металлургия цветных металлов".
Полученные уравнения регрессии, связывающие энтальпию хими
ческих реакций, сопровождающих протекание автогенной плавки, с тем
пературой, а также зависимость средней теплоёмкости шлаковых и газо
вых компонентов от температуры, могут найти применение в металлурги
ческих расчетах. '
Положення, выносимые на защиту
-
Математическая модель процесса автогенной плавки сульфидных медных шихт.
-
Соотношения между критериями подобия, отображающими мас-со-теплообменные процессы, протекающие в шлако-штейновой фазе, барботируемой газом.
-
Зависимость температуры в шлаковой фазе от различных факторов (состав шихты, содержание кислорода в дутье, влажность шихты).
-
Зависимость температуры в шлаковой фазе и содержания меди в получаемом штейне от производительности печи по шихте.
-
Зависимость температуры плавления шлаков и их вязкости, а также теплосодержания медных штейнов от температуры.
-
Экономико-математическая модель автогенной плавки медных сульфидных шихт в жидкой ванне.
-
Методика технологических и тепловых расчётов автогенной плавки Ванюкова.
-
Пакеты программ для расчета материальных и тепловых балансов в печи Ванюкова и моделирования сложных многофакторных процессов методом анализа размерностей.
Апробация работы
Положения диссертационной работы доложены автором и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (г. Владикавказ) в 1995-1998 г.г.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 6 статьях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, библиографического списка из 94 наименований, 2-х приложений и содержит 116 стр. текста, 13 рисунков и 18 таблиц.