Совершенствование процессов прокалки углеродных материалов на основе математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Чибашвили, Алевтина Викторовна

• Чибашвили, Алевтина Викторовна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Чибашвили, Алевтина Викторовна

Содержание

Введение

Глава 1. Состояние математического моделирования прокалки углеродных материалов

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

углеродных материалов в барабанной вращающейся

2.1. Совершенствование математической модели

2.2. Идентификация комплексной математической модели прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи

Глава 3. Исследование процесса прокалки антрацита в барабанной

вращающейся печи вычислительным экспериментом

3.1. Исследование прокалки в печи длиной 45 метров

3.2 Исследование прокалки в печи длиной 60 метров

Глава 4. Разработка математических моделей термообработки углеродных мате

риалов

4.1. Математическая модель пиролиза органических веществ при прокалке угле родных материалов

4.2. Синтез комплексной математической модели прокалки антрацита в электро-кальцинаторе на основе зонального метода

Список использованных источников

Приложения

\

1 1 I

1. Акт внедрения результатов диссертационной работы

2. Программа расчета процесса прокалки углеродистых материалов во вращающейся печи барабанного типа

3. Идентификация комплексной математической модели прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи

4.Экспериментальные данные процесса прокалки в барабанной вращающейся печи длиной 45 м

5. Экспериментальные данные процесса прокалки в барабанной вращающейся печи длиной 60 м

6. Экспериментальные данные процесса прокалки в барабанной вращающейся печи длиной 60м в зависимости от расхода топлива, производительности печи и времени прокалки

7. Аппроксимация зависимости удельных затрат для печи длиной 45 м от производительности печи, расхода топлива и времени прокалки

8. Аппроксимация зависимости угара материала для печи длиной 45 м от производительности печи, расхода топлива и времени прокалки

9. Построение графика зависимости удельных затрат от производительности печи и расхода топлива для печи длиной 45 м

10. Построение графика зависимости угара материала от производительности печи и расхода топлива для печи длиной 45 м

11.216 Аппроксимация удельных затрат для печи длиной 60 м от производительности печи, расхода топлива и времени прокалки

12. Аппроксимация угара материала для печи длиной 60 м от производительности печи, расхода топлива и времени прокалки

13. Построение графика зависимости удельных затрат от производительности печи и расхода топлива для печи длиной 60 м

14. Построение графика зависимости угара материала от производительности печи и расхода топлива для печи длиной 60 м

15. Построение графика зависимости удельного электрического сопротивления от производительности печи и времени прокалки по экспериментальным данным для печи 45 м

16. Построение графика зависимости удельных затрат от производительности печи и времени прокалки по экспериментальным данным для печи 45 м

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процессов прокалки углеродных материалов на основе математического моделирования»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Предприятия электродной отрасли важны для экономической безопасности страны, так как без их устойчивого функционирования невозможно существование и развитие стратегически важных производств - потребителей электродной продукции. Электродная промышленность - это экономическая независимость страны, неотъемлемая составляющая тяжелой индустрии Производство алюминия, магния, стали, ферросплавов, серого и ковкого чугуна, цветных металлов, карбида кальция, хлора и каустической соды, металлического натрия, фосфора и фосфорной кислоты, карборунда, полупроводников - все эти отрасли являются потребителями графитированной электродной продукции .

Снижение качества добываемого сырья (коксов), требует затрачивать больше усилий на подготовку и обработку сырья. Технологии, применяемые сегодня, не позволяют достичь необходимого качества изделий из этого сырья. Задача расширения сырьевой базы электродной промышленности может быть решена путем использования более дешевого и распространенного углеродного сырья - антрацита.

Для изучения и совершенствования процессов целесообразно применить математическое моделирование, создавать комплексные модели. Математическое моделирование является наиболее совершенным и эффективным методом моделирования, открывая путь для применения современных мощных методов математического анализа, вычислительной математики и программирования при исследовании и оптимизации технологических процессов.

Развитие методов математического моделирования и оптимизации процессов прокалки углеродных материалов в сочетании с широким внедрением персональных компьютеров позволяют создавать уникальные программы, позволяющие в автоматизированном режиме моделировать различные технологические процессы.

Поэтому разработка высокоинформативных комплексных моделей прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи и электрокальци-наторе является современной и актуальной научно-технической задачей.

Степень разработанности

Существенный вклад в изучение процессов тепловой работы барабанной вращающейся печи, процессов термообработки углеродных материалов в этой печи и разработку комплексов математических моделей для этих процессов внесли такие ученые, как Ю.А. Суринова, В.Г. Лисиенко, В.А. Арутюнова, В.В. Бух-мирова, С.А. Крупенникова, Е.И. Ходорова, A.M. Давидсона, A.JI. Рутковского, C.B. Сошкина, Е.И. Мешкова и других.

На основе резольвентного зонального метода разработан комплекс математических моделей процесса обжига шамота во вращающейся печи и необходимый математический, аппарат полного расчёта всех величин, входящих в уравнения математической модели. Сама модель представляет собой систему зональных уравнений теплового баланса.

Также синтезирован комплекс математических моделей технологической системы «Прокаливание углеродных материалов в барабанной вращающейся печи», совмещающий в себе уравнения тепловой работы печи, физико-химических превращений, движения материала и формирования качества продукта.

В предложенных моделях учтены не все элементарные процессы, происходящие при термообработке углеродных материалов, при исследовании теплообмена не учтен перенос тепла за счет горения топлива и возгона летучих, так же не учтен обмен конвективными тепловыми потоками торцевых зон с газовыми зонами внутри печи. Поэтому, данные модели необходимо совершенствовать, повышать их информативность и точность.

Основной целью работы является совершенствование процесса прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи и электрокальцинаторе путем создания математических моделей и исследования процессов вычислительным экспериментом.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задан:

- разработка усовершенствованной комплексной математической модели прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи и ее идентификация по данным исследования промышленных печей;

- создание программного продукта для решения математической модели и автоматизированного проведения вычислительного эксперимента;

- исследование вычислительными экспериментами процесса прокалки углеродного сырья в барабанной вращающейся печи и поиск его оптимальных технологических параметров;

- разработка математической модели пиролиза органических соединений и отгонки летучих веществ при прокалке углеродных материалов;

- разработка методологии моделирования и синтез математической модели процесса прокалки углеродных материалов в электрокальцинаторе на основе зонального метода расчета теплообмена.

Научная новизна

1. Разработана комплексная математическая модель прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи, учитывающая перенос тепла за счет горения материала и возгонки летучих, повышающая точность и информативность моделирования этих процессов.

2. Получены зависимости удельных затрат на прокалку и угара прокаливаемого материала от производительности печи по исходному антрациту, времени прокалки и расхода топлива для двух типоразмеров барабанных вращающихся печей.

3. По экспериментальным данным для четырех типов углеродного сырья разработаны аналитические зависимости выхода летучих веществ от температуры при прокалке в квазистатических условиях.

Теоретическая и практическая значимость работы

- Синтезированная комплексная математическая модель прокалки углеродных материалов применима для проектирования и исследования различных технологических процессов в барабанных вращающихся печах.

- Разработанный программный продукт позволяет выполнять исследования и автоматизированное проектирование процессов прокалки углеродных материалов в барабанных вращающихся печах.

- Применение полученных по экспериментальным данным аналитических зависимостей выхода летучих веществ при прокалке в комплексных моделях технологических процессов и тепловой работы печей повысит их точность и информативность.

- Разработанные основные положения для синтеза комплексной математической модели прокалки антрацита в электрокальцинаторе, позволят исследовать этот процесс вычислительным экспериментом.

Методология и методы исследования

С целью построения моделей и проведения исследований использовали методы математического моделирования тепловых и физико-химических процессов прокалки, математического программирования, зональный метод расчёта теплообмена в объектах с распределёнными параметрами, теории идентификации на основе экспериментальных данных и имитационного моделирования процесса прокалки на ЭВМ, теории оптимизации технологических процессов, корреляционного и регрессионного анализа

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 работы в рекомендованных ВАК журналах, и одно Свидетельство на программу для ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту

1. Усовершенствованная комплексная математическая модель прокалки углеродных материалов в барабанной вращающейся печи.

2. Результаты математического моделирования процесса прокалки углеродных материалов в промышленной вращающейся печи и установленные зависимости параметров процесса прокалки.

3. Зависимости выхода летучих веществ от температуры в результате пиролиза органики при термообработке четырех типов углеродных материалов в квазистатических условиях.

>

( >

Степень достоверности и апробации работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практическая конференции «Математика и математическое моделирование» -Саранск, 2011г.; Региональной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы механики, математики, информатики» - Пермь, 2011г.; I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» - Екатеринбург, 2012 г.; Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Молодежная математическая наука-2012» - Саранск; II Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» - Екатеринбург, 2013 г.; III Международной научно-практической конференция «Современные тенденции и инновации в науке и производстве» - Междуре-ченск, 2014 г.

Полученные в диссертации научные и прикладные результаты внедрены в ОАО «Электроцинк» для исследования контроля и управления процессом вельце-вания цинксодержащих материалов. Использование результатов диссертационной работы обеспечит экономический эффект 9,5 млн р. в год (приложение 1).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников и приложений. Работа изложена на 225 страницах и включает 9 таблицы, 37 рисунка и 16 приложений.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОКАЛКИ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Физико-химические превращения в процессе прокалки углеродистого сырья

Общей характеристикой всех электродных изделий и масс является то, что они производятся из твердых прокаленных углеродных материалов (коксов, антрацитов) и связующего - каменноугольного пека или его смеси с различными смолами. Эти материалы характеризуются относительно высокой стоимостью и являются сырьем для электродных заводов и цехов анодной массы алюминиевых заводов.

Несмотря на разнообразие изделий электродного производства, они изготавливаются по общей технологии. Схема основных технологических операций электродного производства приведена рисунке 1.1. [1-2] Однако в зависимости от исходного сырья, а также от наличия того или иного технологического оборудования схема производства может изменяться.

Производство электродов характеризуется большим количеством операций и значительной продолжительностью процесса, достигающей, например, при производстве графитированных изделий более 2 месяцев.

Основу электродного производства составляет заготовительный или сме-сильно-прессовый передел (на рисунке 1.1. выделен пунктиром), качественные показатели работы которого в значительной степени определяют показатели работы производства в целом. Процессы обжига и графитации ведутся по заданным графикам термической обработки и на этих стадиях исправить недоработки смесильно-прессового передела невозможно. Поэтому очень важно обеспечить качественные показатели этого предела и в особенности процесса прокалки. Исторически предприятия электродной отрасли сформировались из цехов

Рис. 1.1. Схема технологического комплекса электродного производства

анодной массы алюминиевых заводов.

Вследствие этого большинство технологических процессов в электродном производстве проводятся на приспособленном оборудовании. Только в последнее время появилось некоторое, созданное для предприятий электродной отрасли, специализированное оборудование, например, смесители непрерывного действия, дозировочное оборудование, вращающиеся печи барабанного типа и др. Вследствие этого большинство технологических процессов (прокалка, тонкий помол, прессование и др.) даже при наилучших технологических режимах характеризуются низкими технико-экономическими показателями.

Прокалка самый сложный и энергоемкий процесс заготовительного предела. Прокаливанием называется термическая обработка углеродных материалов при высокой температуре без доступа воздуха. Этой технологической операции должны подвергаться за исключением графитов все углеродные материалы, идущие на производство графитированных электродных изделий, электродной и анодной масс [3-10].

В процессе прокалки материал претерпевает сложные физико-химические превращения, сущность которых состоит в развитии и формировании кристаллической решетки графита. При этом мелкодисперсные кристаллиты постепенно растут и освобождаются от загрязняющих их примесей.

Процессы происходящие в материале вызывают увеличение его плотности, снижение удельного электрического сопротивления и повышение механической прочности [11,12], а такие процессы, как пиролиз и удаление летучих соединений, размягчение (начало усадки), усадка с уменьшением числа пор, рост кристаллов, их упорядочение и удаление водорода[13,14].

К основным работам в области теории и практики производства графитиро-ванной продукции относятся работы[15-23]. В работе [24] проанализированы эти и другие работы , сформулирована с точки зрения представления о процессах, протекающих в однофазных твердых телах при высокой температуре, гипотеза о механизме процесса прокаливания углеродных материалов.

Согласно этой гипотезе физико-химические превращения во время прокаливания включают совокупность параллельно и последовательно протекающих процессов пиролиза и удаление летучих веществ, размягчение в начале усадки, усадки с уменьшением пор, роста зерен, рекристаллизации, упорядочения и др. рисунок 1.2.

Видно, что не все процессы, показанные на рисунке 1.2, получают одинаковое развитие в условиях процесса прокалки и, соответственно, оказывают не одинаковое влияние на качество готового продукта. Наиболее сильное развитие имеют процессы удаления летучих, усадка и рост зерен. Процесс упорядочения имеет меньшую скорость протекания и оказывает основное влияние на дальнейшую операцию - графитирование, которая протекает при температурах свыше 2200 °С.

При пиролизе и связанным с ним удалением летучих соединений протекают процессы расщепления углеродного скелета молекул, полного или частичного отщепления функциональных групп с образованием простейших пирогенетиче-ских соединений (Н20, СО, СО2, СН4, СпНт и др.), конденсации и полимеризации исходных молекул и продуктов их превращения и отщепления водорода вплоть до выделения чистого водорода.

Существенное выделение летучих начинается для всех материалов в интервале температур 250 - 300°, причем в начальной стадии дегазации количество выделяющихся летучих у антрацитов нарастает более плавно, чем у нефтекоксов, что следует отнести за счет наличия в антрацитах, не подвергавшихся предварительной , «полной гаммы» летучих и отсутствия в нефтекоксах, прошедших предварительную термообработку (коксование), первых наиболее легких фракций летучих веществ (рисунке 1.3. - 1.6.).[25]

Рисунок 1.2. Схема иллюстрирующая механизм процесса прокалки

* - степень развития процесса

£

2200

£.2000 ъто

5 то

%

^2/ргоо

'^2,0^ /ООО-

-§/,«§ воо 600

, ^/л | т 20011,0 -I О

I

I §

^1100

$ 5 да 1

I *

т

5 | зоо % 5 § 200

5ДО

/7

Л?

/5

/¿70 О

/ ч

1 г \

/

\ /

1 1 \

"Г 1 л «-1 —'

1 ** У* \ 1

/ 1 ¡5" л V

\ V и. —

/ ч м

юогоозоот бооЛдоо >ооо то то шп 500 Щ 900 400 1300 1500

\ г

•< )

N 1 >—

Дисреренциалйная кривая газовЬ/деления Кривая относительной усадки Кривая сопротивления ■ Кривая истинного цделвного веса

Рисунок 1.3. Ход дегазации и динамики изменения усадки, электросопротивления и удельного веса крекингового нефтекокса в зависимости от температуры прокалки

юо

90

то

2200 2000

$4800

Ь. 600

Ьо^гоЦюоо 800 600400

'§10з./,г2 200\%

1 1 I I I $ •И

400 1ООО

Со900 0

20 ^ 800

ъ 700

£ >5 $ 600 %

О:

I 1

§

ю | ш

.^300 5 1200

ЮО 0

■5

-10

Г* у*

л < \ /

1 1 тЛ \

1 1 1

1 у <

// /л л ' *****

) "Н 1М с

о \ -л г--»

— <

к * \ —

800\ 1000 1200 /400 1600"С

100200 ш 600

300 500 700 9№К 1100 '300 1500

\ ч

-- ДисреренциалЬная кривая гаэобЬ/делемия — • Кривая усадки

Кривая сопротивления

Рисунок 1.4. Ход дегазации и динамики изменения усадки, электросопротивления и истинного удельного веса пиролизного нефтекокса в зависимости от

температуры прокалки

190 Ц70

г 220О %2000

%1В00 §мо ^ ¡гоо ¿§,5от\юов

1*>&а 1800 600

Ч, 4оо

§ Ю%К2 ? 200

? Ф! 0 ё ^

>200 1100 /ООО ^ 900 \800 Л ^ 700 $■¡5*600

400

I

£ * <5

300

гоо юо о

-ю

\

1 и

¿Г к у

'У' £ \ \

(г 5 IV

/ у г* V \ и г~

г К гг

1 у 1

"к ь *..... \

1

ЮО 300 500 700 \900 то >300 ¡500 171 200 Ш 600 600\)ООО 1200 №0 1600

\

7 —-

ДиференциалЬпая кривая газовЬ/деления Коивая относительной и садки

Рисунок 1.5. Ход дегазации и динамики изменения усадки, электросопротивления и истинного удельного веса донецкого антрацита в зависимости от температуры прокалки

2800 геоо 2*00 хггоо ^ 2000 £,!<ЗО0

'Л 'ООО |з /,<3?| 800 еоо <5 ьоа гоо

% о

<о

ггоо ^ 2000 1800 а^.20 %Г ООО $ НГ4/Х?

1 /зЬыо

й 1 600 | «да й I гоо о

-5

-ю

-15 -20

—, Е

л .....V

/ 3

-с —^ н

к,- - • -V |р=£ А, —4

У <4 1 >< —г Г- Vе 1 :—> _

юо зоо 5ао 7до \зоа идо гзоа ¡¿оо ггоо "с

--- ---- ----- ---- ---- ¡600 ¡800

■ Лиференциалбмая кривая га эовв/деления Кривая относительной //сад Аи

лег пенди/гулярно слоям Кривая сопротивления

■ " -- истинного (/делСносо веса

• "-- относительной ¡/Садки

" /у Г? ,-> /) ^ > ,-< гг"''' О Л."

Рисунок 1.6.Ход дегазации и динамики изменения усадки, электросопротивления и истинного удельного веса листвянского антрацита в зависимости от

температуры прокалки

Нарастание скорости газовыделения, начинается 400 - 500°, несколько запаздывает у пиролизного нефтекокса по сравнению с крекинговым и у донецкого антроцита по сравнению с листвянским. Это запаздывание следует отнести за счет более карбонизированного состава слагающих материал углеводородов у пиролизного нефтекокса по сравнению с крекинговыми и у донецкого антрацита по сравнению с листвянским. Причина этих отличий в первом случае обусловлена разными режимами коксования, во вторых - большим геологическим возрастом донецкого антрацита по сравнению с листвянским [26].

Для различных видов углеродных материалов эти процессы протекают по-разному; так, например, у антрацитов удаление летучих происходит плавно и нарастает до 700-800 °С, при дегазации нефтяного кокса максимальный выход летучих происходит при температуре 550-650 °С а затем газовыделение снижается и при 1200-1300 °С оно, в основном, завершается [12,14].

Выделение летучих на участке подъема дифференциальных кривых газовыделения до их перегиба происходит преимущественно путем прямой дестилляции летучих с частичным их пиролизом: содержание водорода в летучих на этом участке не превышает 40 - 50%. По мере подъема температуры при приближении к участку перегиба кривых газовыделения продукты пиролиза в отходящих летучих становятся преобладающими, и на участке, следующем за перегибом кривых газовыделения, содержание водорода в летучих достигает 80 - 90%, то есть выделение летучих вещества почти полностью претерпевают пирогенетическое разложение до элементарных водорода и углерода, выпадающих в виде графита. Это разложение происходит в пределах температур 600 - 1000° для нефтекоксов и 750 -1200° для антрацитов преимуществено в газовой фазе, а при дальнейшем повышении температур, после второго прегиба кривых газовыделения, - преимущественно в твердой фазе. С переходом в эту последнюю область собственно дегазация материалов может считаться практически завершенной, и происходящий в пределах 1200 - 1600° для антрацитов и 1000 - 1300° для нефтекоксов.

Ход изменения физико-химических свойств углеродистых материалов в ^ процессе их прокалки в основном определяется характером и ходом дегазации и

!

первичной усадки материалов (рисунок 1.3 - 1.6). Резкое повышение электропроводности, истинного удельного веса и механической прочности материалов по ходу их дегазации является естественным результатом весьма интенсивного пиролиза слагающих материал углеводородов с отложением пирогенетического графита и обусловленного этим пиролизом процесса структурного уплотнения материала.

Таким образом, сущность основных процессов, происходящих в углеродных материалах при их прокалке, сводится к их дегазации, протекающей в основной своей части путем пиролиза углеводородов и обуславливающей удаление наименее карбонизированных летучих ингредиентов материала с отложением пирогенетического графита и структурное уплотнение материала.

Наряду с процессами пиролиза в твердой фазе происходит разрушение боковых связей и образование из параллельных пачек слоев (турбостатной структуры) так называемой карбоидной структуры, имеющей размеры плоских молекулярных слоев толщиной 10 А и более [13;27].

На основании зависимостей, полученных в[12;28;29] можно считать, что процесс удаления летучих лежит в кинетической области течения химических реакций, то есть скорость удаления летучих определяется скоростью собственно химических реакций пиролиза углеводородных компонентов углеродного сырья.

При более высоких температурах (800-1600 °С), основные объемные изменения прокаливаемого материала обусловлены физическими факторами, связанными с такими процессами, как рост кристаллов, двухмерное упорядочение слоев и некоторое их сближение (а также термическое расширение). Процессы карбонизации и ароматизации углеродного вещества заметно ослабевают.

Существует хорошо развитая теория, описывающая закономерности образования и роста кристаллов[29-31]. Используя теорию процессов, происходящих в хрупких телах при высокой температуре, можно получить дополнительные сведения о механизме усадки и рекристаллизации углеродных материалов при прокалке.

Вакансионно-дислокационный механизм процесса роста кристаллов используется лишь в отдельных работах, посвященных физике углеграфитовых материалов и позволяет подходить к изучению наблюдаемых явлений с единых по-зиций[31-33]. Использование электронной микроскопии графита позволило обнаружить вакансионные петли и дислокационные искажения кристаллической ре-шетки[12;32]. Эти методы оказались эффективными для разработки теоретических основ механизма процесса прокалки углеродных материалов.

Процессы усадки, роста зерен, упорядочения при прокалке в области температур 800-1600 °С реализуются за счет диффузионных процессов при участии точечных и линейных дефектов, образующиеся же слои атомов углерода даже при высоких температурах обладают ограниченной подвижностыо[31].

Сопоставление полученных данных показывает, что основным процессом при прокалке углеродного сырья в диапазоне температур 800-1600 °С является рост кристаллитов и упорядочение слоев.

Достижение максимального структурного уплотнения и стабилизации усадки, является основной задачей прокаливания. Динамика изменения усадки углеродных материалов в основном определяется характером и ходом их дегазации, а абсолютная величина и знак усадки - природой, составом и микроструктурой материалов. Интенсивность протекания структурного уплотнения по ходу их дегазации определяется, главным образом, интенсивностью пирогенетического разложения их углеводородов, оцениваемой как количеством выделяющихся летучих соединений, так и глубиной пиролиза. Завершению структурного уплотнения и относительной стабилизации величины усадки соответствует температура прокалки не ниже 1300 °С для нефтяных коксов и 1600 °С для антрацитов[12]. Ход изменения физико-химических свойств материалов в процессе их прокалки в основном определяется характером и ходом дегазации и первичной усадкой материала, при этом повышается электропроводность, плотность и механическая прочность.

Вместе с практическим завершением пиролиза и стабилизацией усадки материалов отмечается, и стабилизация их физико-химических свойств. На этом процесс предварительной прокалки углеродных материалов завершается[12].

Сущность основных процессов, происходящих в углеродных материалах при их прокалке, сводится к их дегазации, протекающей в основном своей части путем пиролиза углеводородов и обусловливающей удаление наименее карбонизированных летучих компонентов материала с отложением пирогенетического графита и структурное уплотнение материала. Суммарное действие всех этих органически связанных между собой процессов находит свое количественное выражение в улучшении физико-химических свойств материалов при их прокалке. В практике электродного производства величины удельного электрического сопротивления и плотности используют для оценки качества прокаленного материала.

Качественные показатели прокалки углеродного сырья оказывают решающее влияние на протекание дальнейших операций электродного производства -обжига и графитации и являются определяющими при оценке качества готовой продукции[34].

Кроме изучения физико-химических процессов, имеющих место при прокалке, весьма актуальной является задача оптимизации конструктивных параметров прокалочных агрегатов.

1.2. Технологические особенности процесса прокалки

В настоящее время для производства электродной продукции прокаливают сотни тысяч тон углеродных материалов в год. Ежегодное количество топлива, потребного для прокаливания этих материалов, в пересчете на природный газ составляет 10 млрд. м . Для экономии топлива большое значение имеет выбор наиболее рационального печного агрегата, его обслуживание и технологическое управление. Особое внимание следует обратить на сокращение угара углеродных материалов в процессе прокалки. На протяжении многих лет коллективы элек-

тродных заводов проводят работы по модернизации прокалочных печей, и их опыт заслуживает распространения на других предприятиях.

Для прокаливания углеродных материалов применяют три типа печей: вращающиеся, ретортные и электрические[35].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чибашвили, Алевтина Викторовна, 2015 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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

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

3. Прокопов И. В., Кальченко B.C. 4, 1997 г., Цветные металлы.

4. Чалых,Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий. Москва : б.н., 1972.

5. Чалых Е.Ф. Очерки по истории зарубежной электродной промышленности. -М.-.МИСИС, 1995,-160 с.

6. Чалых Е Ф. История электродной и электроуголыюй промышленности России. -М.: Металлургия, 1992 .- 224 с

7. Селезнев А.Н. Потенциал электродной подотрасли металлургии // Цветные металлы. - 2002. №2 - С.83-85

8. Селезнев А.Н., Шишков H.H. Электродное производство сегодня.// Цветные металлы. -1996 .- № 12- С. 48-49.

9. Селезнев А.Н., Коровин Ю.Б., Шеррюбле В.Г., Шеррюбле Вал. Г. Технические аспекты сохранения конкурентоспособности производителей графити-рованных электродов.// Цветные металлы.-1998 .- № 6- С.36-41

10. Селезнев А.Н. Расширение сырьевой базы электродной промышленности.// Дисертация//Москва.2000

ХХ.Фиалков, А. С. Формирование структуры и свойства углеграфитовых материалов. Москва : Металургия, 1965.

12.Чалых, Е. Ф. производство электродов. Москва : Металургия, 1969

13. Веселовский, В. С. Угольные и графитовые конструкционные материалы. Москва : Наука, 1966.

14. Горелик, С. С. рекристализация металлов и сплавов. Москва : Металлургия, 1967.

15. Кап, Р. Физическое металловедение. Москва : Мир, 1968.

16.Гггузин , Я. Е. Физика спекания. Москва : Наука, 1967

17.Чалых Е.Ф. Прокалочные печи электродной промышленности. М.:ЦНИИ цветмет экономики и информации, 1963.- 65 с.

1 Я.Гасик М.И. , Рагулина Р.И. и др. Производство и эксплуатация непрерывных самообжигающихся электродов и анодов. - М.: Металлургия, 1965. -254 с.

19.Чсшых Е.Ф. Записки советского инженера. - М.: ЦНИИ цветмет экономики и информации, 1966. - 139 с.

20.Чалых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий-М.: Металлургия, 1972.-431 с.

21.Фиалков A.C. Углеграфитовые материалы. -М.: Энергия, 1979.

22.Гасик М.И. Самообжигающиеся электроды рудовосстановительных электропечей. -М.: Металлургия, 1976.

23.Чалых Е.Ф. Оборудование электродных заводов. Учебное пособие для металлургических и химико-технологических вузов. - М.: Металлургия, 1990. -235 с.

2А.Рутковский А. Л. Исследование процесса прокалки кокса во вращающейся печи и разработка системы оптимального управления технологическим режимом процесса: Дис. канд. техн. наук: - 05.13.14: защищена 11.02.75: утв. 11.06.75 /.-М., 1975.-221 с.

25.Ярошевский #.#.//Юбилейный сб. науч. тр. МИЦМ и 3. 1950. С. 165-172.

26.Ярошевский П.Н. Юбилейный сборник научных трудов

27.Мейер К. Физико-химическая кристаллография. Москва: Металлургия, 1972.

28. Шулепов С. В. Физика углеграфитовых материалов. Москва : Металлургия, 1972.

29. Ивенсен В. А. Кинетика и уплотнение металлических порошков при спекании. Москва : Наука, 1971.

30. ФридельЖ. Дислокация. Москва : Мир, 1967.

31. Плечев В. И. Кандидатская диссертация. Челябинск : б.н., 1965.

32."Теплопроект", Отчет ВНИИ. Наладка и испытание вращающейся печи прокалки. Москва : б.н., 1963. 2.

33.Данилин Л. А., Рутковский А. Л. и и др. К вопросу о механизме прокалки углеродистых материалов. Орджоникидзе : б.н., 1974.

34 Данилин Л. А., и др. Исследование периодического процесса прокалки кокса математическим моделированием с использованием ЭЦВМ. 1973.

35. Данилин Л. А., Малюгин А. С. и Рутковский А. Л. К вопросу о механизме прокалки углеродистых материалов. 1974.

36. Отчет ВНИИ «Теплопрпоект». Наладка и испытание вращающейся печи прокалки №2 СПЦ ДЭЗа // М.: 1963

37.Отчет ВНИИ «Теплопрпоект». Наладка и испытание вращающейся печи прокалки №3 и №4 СПЦ ДЭЗа // М.: 1965

38. Никитин В.Н. Отчет УАЗа. 1962.

39. Отчета БАЗа. Исследование работы вращающейся печи для прокаливания кокса. 1962.

АО.Отчет ВАМИ. Усовершенствование производства электродной продукции для алюминиевой промышленности. 1966.

41. Ротницкий A.C., Дворник В,Н., Портное В.А. Способ снижения угара кокса и устройство для его осуществления // A.c. 125322.

42.Патент 60128. Индия. 1968.

43.Патент 2927062. США. 1970.

44.Сергеев Г.А., Волошин К.Д. и др. Печь для прокалки сыпучих материалов // A.c. 351050. Россия. 1972.

45.Томас Гарри Орак, Герберт Клейтон Квандт, Давид Ральф Болл. Способ обработки частиц нефтяного кокса с высоким содержанием серы и устройство для его осуществления // Патент 2081152. Россия. 1997.

46.Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. М.: Гостехиздат, 1963. -304 с.

47.Чалых Е.Ф. Оборудование электродных заводов. М.: Металургия, 1990. -238 с.

48. Петров Б.Ф., Кутузов С.В., Лебедев В.А., Быковец В.В. и Кириленко В.П. Физическое моделирование процесса электрокальцинации антрацита. М.: Цветные металы, 2006, №9, 70-74 с.

49. Ли Т.Г., Адаме Г.Э., Гейнэ Ч.М. Управление процессами с помощью ЭВМ. Моделирование и оптимизация. Москва : Сов. Радио, 1972.

50. Дудников Е.Т., Балаирев B.C. и др. Построение математических моделей химико-технологических объектов. Москва : Химия, 1981.

51 .Дьячко А.Г., Математическое мделирование непрерывных металлургических продессов (на примере процессов цветной металлургии), Автореферат докторской дисертации. Москва : МИСиС, 1972.

52. Кафаров В.В., Моделирование химических процессов. Москва : Знание, 1968.

53. Френке Р. Математическое моделирование в химической технологии. Москва : Химия, 1971.

54.Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Дикарева А.В. Повышение качества прокалки совершенствованием конструкций электрокальцинаторов// Владикавказ, Труды молодых ученых «Юбилейный выпуск», 2011г.

55.Патент РФ №2167377. Способ и обжиговая печь для электрического обжига углеродсодержащего материала

/ Иохансен И.А., Ватланн А., МПК' F27B 1/09, F27D 11/04, опубл. 20.05.2001 г.

56.Авторское свидетельство СССР №1321990. Электрокальцинатор непре-

л

рывного действия / Глушков Н.В., Лутков А.И. и др., МПК F27B 3/08, опубл. 30.10.1988 г.

51 .Патент РФ №2244890. Печь электрокальцинации сыпучего углеродного материала / Патон Б.Е., Петров Б.Ф. и др. МПК7 F27B 3/08, опубл. 20.01.2005 г.

5%.Патент РФ №2311599. Устройство для прокаливания углеродистых материалов (электрокальцинатор) / Шустров А.Ю., Денисов В.В. и др., МПК F27B 1/09, F27D 11/04, опубл. 27.11.2007 г.

59.Патент РФ № 2369815. Печь электрокальцинации сыпучего углеродного материала / Патон Б.Е., Лакомский В.И. и др. МПК8 F27B 3/08, опубл. 10.10.2009 г.

60.Патент РФ № 2396498. Устройство для высокотемпературной обработки углеродистых материалов (электрокальцинатор) / Фролов Ю.Ф., Лебедев В.А., МПК8 F27B 1/09, С10В 1/00, F27D 11/04, опубл. 10.08.2010 г.

61 .Блиев Э.А., Данилин Л.А. и др. Способ управления процессом прокаливания углеродистого сырья во вращающейся печи // A.c. 1218763. Россия. ДСП 1985.

62.Сергеев Г.А., Волошин ИД. и др. Печь для прокалки сыпучих материалов // A.c. 351050. Россия. 1972.

63 .Кричко A.A., Лебедев В.В., Фарберов И.Л. Нетопливное использование углей//М.: Недра. 1978.

64. Гасик М.И. Самообжигающиеся электроды рудовостановительных электропечей//М.: Металлургия. 1976.

65.Бухмиров В.В., Солнышкова Ю.С. Зональные методы расчёта радиационного и сложного теплообмена/ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново, 2012 .

66. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленых печей // М.: Металлургия. 1990.

61.Мешков Е.И. Развитие теории и совершенствование технологии производства графитированной электродной продукции на основе математических моделей массо- и теплопереноса: Автореф. дис. ... докт. техн. наук. Владикавказ: СКГМИ (ГТУ), 2009.

68. Арутюнов В.А., Аббакумов В.Г. и др. Математическая модель тепло обмена во вращающейся печи с учетом движения слоя.//Известия ву зов. Цветная металлургия. 1997. № 6.

69. Мак-Адаме В.X., Теплопередача//М.: Металлургиздат. 1961.

70.Герасименко Т.Е., Рутковский А.Л., Мешков Е.И. Математическая модель процессов тепломассообмена прокалки углеродистого сырья во вращаю- * щейся печи / // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 1999. - № 2. - С. 64-68.

71.Арунянц Г.Г., Рутковский A.J1. Математическое моделирование в задачах проектирования систем управления сложными объектами. - Калининград. Изд. ФГОУ ВПО КГТУ, 2011. - 304 с.

72.Зурабов А. Т., Рутковский А.Л., Мешков Е.И. Исследование процесса прокалки углеродсодержащего сырья во вращающихся печах с целью оптимизации // Труды молодых учёных; Владикавказский науч. центр РАН, - 2006. - № 3. -С. 38-46.

73. Арутюнов В.А., Повицкий A.B.// Известия вузов. Черная металлургия. 1986. №7.

74. Мешков Е.И. О расчёте угловых коэффициентов излучения систем поверхностей сложной конфигурации // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2006. -№4.-С. 71-74.

75. Мешков Е.И. Геометрические угловые коэффициенты излучения в трубчатой вращающейся печи // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2006. - № 4. -С. 75-79.

76. Мешков Е.И. Алгоритмы геометрических угловых коэффициентов для расчёта радиационного теплообмена в трубчатой печи // Цветные металлы. -2007.-№5.-С. 36-39.

77. Мешков Е.И, Герасименко Т.Е., Ковалёва М.А. Алгоритмы расчёта и формирования матриц геометрических и обобщённых угловых коэффициентов излучения рабочего пространства вращающейся печи барабанного типа // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 2009. - № 5 - С. 55 - 60.

78. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1986. — 544 с.

79. Мешков Е.И. Моделирование процесса термоаброботки углеродистых материалов во вращающихся печах // Цветные металлы. - 2008. - № 3. - С. 61 -65.

80. Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Ковалёва М.А. Математическая модель и алгоритм ее решения для системы автоматизированного проектирования процесса прокаливания углеродных материалов в барабанной вращающейся печи // Цветная металлургия. - 2012. - № 4 - С. 53 - 56.

81 .Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Дикарева A.B. К вопросу математического моделирования процесса электрокальцинации углеродного сырья// Саранск, Всероссийская научно-практическая конференция «Математика и математическое моделирование», 2011 г.

82.Герасименко Т.Е., Дикарева A.B. Методика идентификации математической модели процесса прокалки// Саранск, Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Молодежная математическая наука-2012», 2728 апреля 2012 г.

83.Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Чибашвили A.B. Применение зонального метода при моделировании тепловой работы металлургических агрегатов для процесса прокаливания углеродных материалов// Екатеринбург, II Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве», 2013 г.

84.Герасименко Т.Е., Чибашвили A.B. К вопросу теплового баланса объемных зон процесса прокалки углеродных материалов в режиме прямотока в барабанной вращающейся печи// Междуреченск, III международная научно-практическая конференция «Современные тенденции и инновации в науке и производстве», 2014 г.

85.Герасименко Т.Е., Рутковский А.Л., Чибашвили A.B. Компьютерное моделирование процессов термообработки в барабанной вращающейся печи// Извести вузов. Цветная металургия. - 2014 г.- №6

86.Основы практической теории горения топлива / Под ред. В.В. Померанцева. Л.:Энергоатомиздат, 1986.

87. Сошкин C.B., Рутковский A.JJ., Сошкин Г.С. Математическое моделирование процесса пиролиза при обжиге электродных заготовок // Цветные металлы, №2, 2008.

88.Зурабов А.Т., Сошкин Г.С. Исследование и математическое моделирование процесса пиролиза антрацита при прокалке в электродном производстве // Научные труды СКГМИ (ГТУ). - Владикавказ: Терек, 2008. - вып. 15. - С. 184- 189.

89.Салихов З.Г., Гераатенко Т.Е., Мешков Е.И., Рутковский А.Л. Новая методика расчёта угловых коэффициентов зон теплообмена вращающихся печей // Цветные металлы. - 1999. - № 9. - С. 116 - 118.

90.Герасименко Т.Е., Мешков Е.И.,. Рутковский А.Л Алгоритм расчёта угловых коэффициентов излучения для расчёта теплообмена во вращающейся печи // Труды; Северо-Кавказ. гос. технол. университет. - Владикавказ: Терек, 1999. -Вып. 6.-С. 98- 103.

91 .Мешков Е.И., Герасименко Т.Е. К расчёту теплообмена в трубчатой вращающейся печи // Труды; Северо-Кавказ. гос. технол. университет. - Владикавказ: Терек, 2001. - Вып. 8.-C.U0-113.

92.Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химического производства: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1991. - 400 с.

93. Чалых Е. Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий. Москва : б.н., 1972.

94. Гасик М.М, Гасик. М.И., Гриншпунт А.Г., Петров Б.Ф. и др. Комплексная модель прокаливания антрацита в электрокальцинаторе / // Электрометаллургия. - 2007. - № 2. - С. 30-36.

95. Лакомский В.И. О контактном нагреве термоантрацита в электрокальцинаторе / В.И. Лакомский, В.В. Быковец // Цветные металлы. - 2004. - №1. - С. 52-53.

96. Канторович Б.И. Введение в теорию горения и газификации твердого топлива. -М.: Металлургия, 1960.

91 .Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Чибашвили А.В. Математическое моделирование прокалки антрацита в электрокальцинаторе// Владикавказ: Устойчивое развитие горных территорий. №3-4, 2012 г

98.Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Чибашвили А.В. Математическое моделирование кинетики пиролиза при прокалке антрацита // Владикавказ, Устойчивое развитие горных территорий, №1, 2013 г.

99.Рутковский А. Л. Исследование процесса прокалки кокса во вращающейся печи и разработка системы оптимального управления технологическим режимом процесса: Дис. канд. техн. наук, М., 1975.

100. Спирин Н.А., Швыдкий B.C. и др. Введение в системный анализ теплофи-зических процессов металлургии - Екатеринбург: УГТУ, 1999.

101 .Мешков Е.И., Герасименко Т.Е., Дикарева А.В. Математическая модель тепловой работы электрокальцинатора// Екатеринбург, I Всероссийская научно-практи-ческая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве», 29-30 марта 2012 г.

102. Герасименко Т.Е., Дикарева А.В. Методика идентификации математической модели процесса прокалки// Саранск, Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Молодежная математическая наука-2012», 27-28 апреля 2012 г.

103. Khan J. A., Pal D. and Morse J.S. Numerical modeling of a rotary kiln incinerator// Hazardous Waste & hazardous Materials. - 1993. - 10 (1). - pp. 81-95.

104. Leger C.B., Cundy V.A. and Sterling A.M. A three dimensional detailed numerical model of a field-scale rotary kiln incinerator // Environmental Science & Technology. - 1993. - 27. - pp. 677-690.

105.Hottel H.C., Sarofim A.F. Radiative Transfer, McGraw-Hill Book Com pany//Hew York: 1967.

106. Hottel H.C., Cohen E.S. Radiant Heat Echange in a Gas-filled Enclosure, Allowance for Nonuniformity of Gas Temperature // AIChE J.4. № 1,3-14. 1958.

107.Enstein T.H. Radiant Heat Transfer to Absorbing Gases Enclosed in a Cir cular Pipe with Conduction, Gas Flow and Internal Heat Generation // NASATRR-156. 1963