Оптимизация процесса прокалки углеродистого сырья в электродном производстве цветной металлургии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.03, кандидат технических наук Герасименко, Татьяна Евгеньевна

• Герасименко, Татьяна Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Герасименко, Татьяна Евгеньевна

Введение.

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

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

1.2. Технологические особенности процесса прокалки.

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

Выводы.

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

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

2.2. Математическое описание процессов проходящих в трубчатой вращающейся печи.

2.3. Расчет угловых коэффициентов излучения.

2.4. Методика идентификации.

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

Выводы.

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

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

3.3. Формулировка задачи оптимизации.

Выводы.

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

4.1. Обоснование применения технологического комплекса

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

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация процесса прокалки углеродистого сырья в электродном производстве цветной металлургии»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Поэтому исследование и оптимизация процесса прокалки углеродистого сырья актуальны

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость работы состоит:

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

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

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

- в использовании полученных результатов в учебном процессе.

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Металлургия цветных и редких металлов», Герасименко, Татьяна Евгеньевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

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

В работе получены следующие результаты.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Герасименко, Татьяна Евгеньевна, 2000 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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