Исследование и оптимизация теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин и режимов термообработки железорудных окатышей
На правах рукописи
БУТКАРЕВ Алексей Анатольевич ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ СХЕМ ОБЖИГОВЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ МАШИН И РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Екатеринбург – 2012
Работа выполнена в ордена «Знак почета» открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
Официальные оппоненты: Дерябин Анатолий Андреевич, доктор технических наук, профессор, ОАО «Уральский институт металлов», заместитель генерального директора Спирин Николай Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», заведующий кафедрой теплофизики и информатики в металлургии Фролов Юрий Андреевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ООО Научно производственное предприятие «Уралэлектра», консультант металлург отдела математического моделирования Ведущая организация ОАО «Уралмеханобр»
Защита состоится 12 октября 2012 года в 1300 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Уральского отделения Российской академии наук.
Автореферат разослан _ августа 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, Дмитриев доктор технических наук Андрей Николаевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
1. Актуальность работы Современные условия, сложившиеся в российской экономике, требуют от металлургических предприятий увеличения объемов производства и экономии энергоресурсов при высоком качестве готовой продукции.
Сложность агрегатов и технологий металлургической промышленности в значительной степени затрудняют решение этих задач, а высокая энергоемкость делает их решение эффективными. Одним из таких технологических агрегатов является обжиговая конвейерная машина (ОМ), используемая для термообработки железорудных окатышей в металлургической промышленности, а также при производстве цементного клинкера в индустрии строительных материалов.
В настоящее время технико-экономические показатели работы различных обжиговых конвейерных машин, находящихся в эксплуатации, отличаются по удельным затратам топлива и электроэнергии – в 2-2,5 раза, а по удельной производительности – на 20-30 %. Это свидетельствует о наличии неэффективных технических решений, конструктивных и режимных параметров, заложенных при проектировании установок и систем управления технологическими процессами, что приводит к значительным экономическим потерям. Поэтому вопросы повышения производительности, снижения расхода топлива и электроэнергии при термообработке железорудных окатышей являются актуальными.
2. Цель и задачи исследования Разработка методологии исследования и оптимизации теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин и режимов термообработки окатышей, обеспечивающей повышение производительности, снижение расхода топлива и электроэнергии.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи.
1. Обобщение и развитие методологических подходов по повышению производительности, снижению расхода топлива и электроэнергии при термообработке железорудных окатышей, базирующихся на использовании математических моделей и результатов лабораторного и промышленного эксперимента.
2. Определение оптимальной структуры теплотехнических схем на основе исследования, обобщения и классификации технических решений организации схемы сушки, многопоточных переточных систем, системы отопления, схемы охлаждения.
3. Оптимальное распределение площади обжиговой машины между технологическими зонами на основе исследования и оптимизации их режимных и конструктивных параметров с целью обеспечения заданного качества окатышей, повышения производительности, снижения расхода топлива и электроэнергии.
4. Разработка, обобщение и систематизация принципов проектирования элементов теплотехнических схем, обеспечивающих повышение производительности, снижение расхода топлива и электроэнергии.
5. Оптимизация режимных параметров при ведении технологического процесса термообработки окатышей и оценка ее эффективности.
6. Практическое использование методологии исследования и оптимизации теплотехнических схем при разработке научно обоснованных технических решений для повышения производительности, снижения расхода топлива и электроэнергии.
3. Объект исследований – конструктивные и режимные параметры обжиговых конвейерных машин для производства железорудных окатышей.
4. Предмет исследований – изучение закономерностей и оптимизация конструктивных и режимных параметров обжиговых конвейерных машин, обеспечивающая повышение технико-экономических показателей при разработке новых и модернизации действующих агрегатов для производства окатышей.
5. Методы исследований. В основу решения поставленных задач положены теории и методы: системного анализа, натурного и математического моделирования, теории подобия, оптимизации и управления, принятия технических решений, идентификации, теплообмена и аэродинамики, математического анализа.
6. Научная новизна • Предложена методология исследования и оптимизации конструктивных и режимных параметров теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин, направленная на повышение производительности, снижение расхода топлива и электроэнергии. Она включает:
комплексные методики исследования отдельных элементов теплотехнических схем обжиговых машин и технологии в целом;
выбор критериев, постановку и решение задач оптимизации;
математические модели и технологические основы управления.
• Разработана и реализована в критериальной форме обобщающая математическая модель прогнозирования прочности окатышей на сжатие с учетом важнейших теплотехнических и технологических факторов. Это позволило, в отличие от известных моделей, обобщить и заложить в модель важнейшие физические факторы – максимальную прочность окатышей и экстремальный характер зависимости прочности от температуры. При этом получена обобщающая зависимость для окатышей из шихт с различным содержанием шлакообразующих оксидов (CaO и SiO2) путем обработки экспериментальных данных в относительных координатах /max=f(t/tmax) и (безразмерных) использования дополнительных соотношений.
• Разработана и численно реализована математическая модель динамики теплообмена в дисперсном плотном фильтруемом слое, предназначенная для расчета и прогнозирования режимов термообработки слоя окатышей при переходе обжиговой машины с одного квазистационарного режима на другой, учитывающая зависимость теплофизических свойств обрабатываемых окатышей (коэффициенты модели) от температуры. С использованием модели впервые получены зависимости изменения прочности окатышей и эволюции температурных полей в слое окатышей во времени при изменении нагрузки (скорости ленты) обжиговой машины.
• Разработаны и научно обоснованы теплотехнические основы построения оптимальных многопоточных переточных систем, передающих высокотемпературный (до 1000 oС) теплоноситель из зоны охлаждения в зоны нагрева, определяющих топливную экономичность агрегата.
Впервые предложен безразмерный критерий для оценки их эффективности.
• Впервые показано, что при охлаждении фильтруемого слоя реверсирование теплоносителя всегда приводит к снижению скорости фильтрации газов и, как следствие, увеличению средней температуры окатышей на разгрузке и снижению производительности зоны и сделана оценка ее величины.
• Изучен процесс охлаждения окатышей на начальной стадии нагретым воздухом, выявлено влияние различных факторов на его ход. Впервые показано, что использование нагретых газов, несмотря на экономию топлива, приводит к снижению производительности зоны охлаждения и увеличению удельного расхода электроэнергии на фильтрацию теплоносителя. Дана оценка величины снижения производительности зоны и машины в целом, а также перерасхода электроэнергии при одинаковой эффективности охлаждения.
• Определено, что при фильтрации слоя окатышей в отдельных технологических зонах сушки, подогрева, обжига, рекуперации, охлаждения и агрегата в целом существует оптимальный дутьевой (вакуумный) режим в газовоздушных камерах (ГВК) при котором удельный расход электроэнергии минимален. Для определения оптимальных давлений и соответствующих им площадей технологических зон разработана методика, позволяющая на первом этапе оптимизировать параметры отдельных технологических зон, с учетом соответствующих ограничений, а на втором - всего агрегата с использованием зависимостей, полученных на первом этапе оптимизации.
• На основе комплексного подхода выделены типовые (унифицированные) элементы теплотехнических схем (передача газопотоков из ГВК в ГВК, из горна в ГВК и наоборот, из горна в горн и др.), выполнено их исследование, совершенствование и классификация.
Таким образом, основным научным итогом диссертационной работы является создание методологических основ для решения актуальной научно технической проблемы, связанной с разработкой и использованием методов комплексного исследования и оптимизации теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин, обеспечивающих оптимизацию основных элементов их конструкций и режимов работы с целью увеличения производительности, снижения расходов топлива и электроэнергии.
7. Практическая ценность На основе полученных научных результатов:
• проведен анализ резервов и даны предложения по модернизации действующих обжиговых машин российского и зарубежного производства горно-обогатительных комбинатов России и ближнего зарубежья;
• дополнены, обобщены и систематизированы универсальные принципы конструирования новых обжиговых машин и модернизации существующих с целью увеличения производительности и снижения энергозатрат;
• обобщены, систематизированы и обоснованы принципы построения АСУ ТП термообработки окатышей с решением задач оптимального управления на основе использования математических моделей и их внедрение впервые в мире на промышленных обжиговых конвейерных машинах;
• разработаны программно-алгоритмические средства, с помощью которых осуществляется детальный анализ процесса термообработки окатышей, совершенствование конструктивных параметров и температурно временных режимов, прогнозирование развития взаимосвязанных теплообменных и газодинамических процессов в ходе термообработки окатышей и качества получаемого продукта, величин удельных расходов топлива и электроэнергии с помощью математических моделей как на стадии проектирования агрегатов, так и в процессе их промышленной эксплуатации.
8. Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов обеспечивается применением в качестве исходных методов исследования основополагающих теорий и законов, соответствующих цели и задачам, а также согласованием теоретических результатов и выводов с практическими результатами испытаний разработок на промышленных обжиговых машинах.
9. Реализация и внедрение результатов работы Материалы диссертации нашли широкое практическое применение и использованы при разработке теплотехнических схем и технических заданий для технико-экономических обоснований строительства и проектов модернизации обжиговых машин: ОК-116 № 1, 5, ОК-108 № 9, 12, ОК-696 АО «ССГПО»;
ОК-306 № 1, 3, 4 ОАО «Лебединский ГОК»;
Лурги 480 м2 ОАО «ОЭМК»;
ОК-228 ОАО «Качканарский ГОК», создании АСУ ТП для обжиговых машин: ОК-306 № 4 ОАО «Лебединский ГОК»;
ОК-116 № 5 АО «ССГПО»;
ОК-228 ОАО «Качканарский ГОК» и подготовки технико коммерческих предложений для других комбинатов. Подтвержденный годовой эффект от реализации разработок составляет 239,7 млн. руб. и 4,3 млн. м природного газа, в том числе: 160 млн. руб. (обжиговая машина № 5) и 1,5 млн.
м3 природного газа (обжиговая машина № 1) (ССГПО);
79,7 млн. руб. (ОЭМК);
2,8 млн. м3 природного газа (Качканарский ГОК). При полной реализации выполненных разработок может быть достигнуто увеличение объемов производства на 1,9 млн.т./год, экономия природного газа 25 млн. м3/год (30, млн. кг у.т./год) и электроэнергии 38 млн. кВт·ч/год. При этом обеспечивается улучшение экологии.
10. На защиту выносятся:
• методология исследования и оптимизации конструктивных и режимных параметров теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин, обеспечивающая повышение их производительности, снижение расхода топлива и электроэнергии;
• математическая модель прогнозирования прочности окатышей и усовершенствованные модели теплообмена и газодинамики;
• методические подходы и результаты исследования и оптимизации основных конструктивных элементов обжиговых машин и режимных параметров термообработки слоя окатышей;
• дополненные, обобщенные и систематизированные принципы конструирования теплотехнических схем, обеспечивающие повышение производительности обжиговой машины, снижение удельных расходов топлива и электроэнергии, улучшение экологии и построения АСУ ТП термообработки окатышей;
• результаты практического использования разработанной методологии.
11. Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (г. Москва 27 сентября – 02 октября 2010 г., МИСиС), «Металлургическая теплотехника как основа энерго- и ресурсосбережения в металлургии», посвященной 80-летию ВНИИМТ, (г.
Екатеринбург: «25» мая 2010 г., «Творческое наследие Б.И. Китаева» (г. Екатеринбург, 11-14 февраля 2009 г., УГТУ-УПИ), «СВЯЗЬ-ПРОМ 2009» (г.
Екатеринбург, 17-19 марта 2009 г., УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»), «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении» (г. Москва, 3-4 апреля 2008 г., МИСиС), на Международной конференции «Теплотехника и энергетика в металлургии» (Украина, г. Днепропетровск, 18 – 20 октября 2005 г.), на Международной конференции: «Теплотехника и энергетика в металлургии» (Украина, г. Днепропетровск 01-03 октября 2002 г.), на Международной конференции, посвященной 300-летию металлургии Урала Теплофизика и информатика в металлургии: достижения и проблемы (г. Екатеринбург, 2000 г.), на Международной конференции «С творческим наследием Б.И. Китаева в XXI век» (г. Екатеринбург, 11-13 ноября 1998 г.), на Уральской региональной конференции «Системы радиоэлектроники, связи и управления» (г. Екатеринбург, 3-4 мая 1995 г.), на научно-технической конференции «Информационные технологии и электроника» (г. Екатеринбург, 15-16 декабря 1997г.), на Международной выставке- конференции «Рудоподготовка, обогащение и обезвоживание руд и минералов» (г. Москва, 28-29 января 1998 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы управления и электроника» (г. Екатеринбург, 25 апреля 1997 г.), на региональной презентации фирмы Сименс в г. Старый Оскол (28-29 января 1997 г.), на Международном семинаре «Моделирование, современные технологии, экспертные системы и системы управления в области тепло- массообмена» (г. Екатеринбург, 1996 г.).
12. Публикации Основное содержание работы
опубликовано в 47 печатных работах. Из них: 1 патент, 27 статей (из которых 21 - в рецензируемых научных изданиях) и 19 публикаций тезисов и докладов в трудах региональных, всероссийских и международных конференций.
13. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 274 наименований, изложена на 348 страницах, содержит 88 рисунков, 18 таблиц.
*** Автор отмечает помощь и внимание к работе со стороны своего первого научного руководителя Заслуженного деятеля науки и техники, президента УРО АИН РФ им. А.М. Прохорова, доктора технических наук, профессора Лисиенко В.Г., которому автор выражает свою благодарность. Автор глубоко признателен генеральному директору ОАО «ВНИИМТ», доктору технических наук, профессору Зайнуллину Л.А. и директору по науке и технике ОАО «ВНИИМТ», доктору технических наук, профессору Дружинину Г.М., а также сотрудникам лаборатории теплотехники подготовки металлургического сырья ОАО «ВНИИМТ» за ценные советы и замечания, сделанные в ходе выполнения данной работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении проведен анализ значимости исследований и достигнутых результатов в области оптимизации конструктивных и режимных параметров агрегатов для термообработки железорудных окатышей в части совершенствования теплотехнических схем. Обоснована актуальность темы диссертационной работы.
В первом разделе проводится аналитический обзор и описание состояния вопроса в выбранном направлении исследования, сформулирована цель и задачи работы.
Обжиговая конвейерная машина осуществляет упрочняющий обжиг железорудных окатышей в плотном фильтруемом слое и представляет собой тепловой агрегат конвейерного типа с развитой системой газопотоков и непрерывным процессом загрузки, термообработки и разгрузки окатышей.
Окатыши последовательно поступают в зоны сушки, подогрева, обжига, рекуперации и охлаждения в которых формируется продукт с заданными свойствами, удовлетворяющий требованиям последующих металлургических переделов.
Проанализирована динамика совершенствования теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин для термообработки железорудных окатышей, включая технические решения, конструктивные и режимные параметры работы отдельных технологических зон, начиная с первых агрегатов (ССГОК, 1964 г.) по настоящее время. За этот период удельный расход топлива снижен более чем в 2-2,5 раза, электроэнергии - на 50-70 %, возросла удельная производительность установок.
Это получено благодаря трудам сотрудников ряда отечественных организаций и предприятий (ВНИИМТ, УЭЧМ, Механобрчермет, Уралмеханобр, Механобр, Уральский институт металлов, Уралмаш, МИСиС, Институт металлургии УрО РАН, УГТУ-УПИ, Торэкс и др.) среди которых в области математического моделирования слоевых процессов В.Н. Тимофеев, Ф.Р. Шкляр, В.М. Малкин (ВНИИМТ);
Б.И. Китаев, Ю.Г. Ярошенко, В.Г. Лисиенко, С.Г. Братчиков, В.С. Швыдкий, Н.А. Спирин, В.И. Лобанов (УГТУ-УПИ), а также Ю.А. Берман, Ю.А. Фролов, Б.Н. Ветров, О.М. Тодес, Г.Д. Рабинович, Э.М. Гольдфарб, Г.А. Аксельруд, ученые уральской школы теплофизиков С.Г. Братчиков, Г.А. Топорищев, Б.П. Юрьев, Л.И. Каплун, В.М. Абзалов, А.С. Невский, московской школы металлургов-технологов Ю.С. Юсфин, Е.Ф. Вегман, Т.Н. Базилевич, Н.Ф. Пашков, В.М. Чижикова (МИСиС) в области автоматизации – Н.В.Федоровский, Л.А. Сульман. На основе их трудов вели разработку, внедрение и совершенствование агрегатов для производства окатышей российские и украинские ученые и машиностроители: Г.М. Майзель, Я.Л. Белоцерковский, А.П. Буткарев, В.И. Клейн (ВНИИМТ, Уралэнергочермет), Л.И. Леонтьев, С.В. Шаврин (ИМЕТ УрО РАН), Г.Х. Бойко, М.Х. Фастовский, Л.К. Кокорин, Д.Н. Доронин (Уралмаш), Н.Н. Бережной, Л.А. Дрожилов, Ф.М. Журавлев (Механобрчермет) Ф.М. Громилин, Е.А. Пахомов, И.Е. Ручкин, Г.А. Гребенкин (Уралмеханобр) и многие другие. Несмотря на это, до сих пор имеются существенные резервы по совершенствованию обжиговых конвейерных машин.
Выполнен обзор существующих математических моделей, методов расчета обжиговых конвейерных машин и теплотехнических режимов термообработки окатышей.
С учетом достигнутых научных результатов, дальнейшие работы по улучшению технико-экономических показателей обжиговых конвейерных машин целесообразно вести путем комплексного исследования на основе системного подхода и оптимизации конструктивных (на этапе проектирования) и режимных (на этапе эксплуатации агрегатов) параметров, применяя математические модели и методы, сочетающие натурный, промышленный и численный эксперименты с использованием современных средств вычислительной техники и методов обработки информации.
Во втором разделе на основе комплексного подхода проведен анализ технологического процесса, разработаны методики и усовершенствован комплекс математических моделей, позволяющих проводить исследование и оптимизацию конструктивных и режимных параметров.
Базовыми компонентами улучшения показателей работы обжиговых машин за счет совершенствования теплотехнических схем, вносящими основной вклад в экономическую эффективность производства, являются увеличение производительности, снижение удельных расходов топлива и электроэнергии при заданном качестве обожженных окатышей. Поэтому общий (глобальный) критерий оптимизации – максимум экономического эффекта можно записать в виде:
Э = Эпр+ Эт+Эээ max, (1) где Эпр, Эт, Эээ – компоненты экономического эффекта, получаемого за счет увеличения производительности, снижения расходов топлива и электроэнергии соответственно.
Практические расчеты экономического эффекта показывают, что при одинаковом относительном улучшении показателей для компонентов экономического эффекта, входящих в (1), основную долю в критерий оптимизации (до 70 %) в денежном выражении вносит увеличение производительности обжиговой машины.
Декомпозиция критерия оптимизации (1) и его компонентов, а также анализ технологии показывают (рис. 1), что величина эффекта определяется: 1.
основными конструктивными элементами, определяющими структуру теплотехнической схемы;
2. параметрами термообработки слоя окатышей и распределением полезной площади между технологическими зонами;
3.
техническим исполнением элементов теплотехнической схемы обжиговой машины. Конструктивные, режимные параметры и конечные показатели работы обжиговой машины определяются также исходными характеристиками обрабатываемого сырья, требованиями к качеству готовой продукции и эффективностью АСУ ТП.
Таким образом, показатели работы агрегата зависят от следующих параметров (см. рис. 1):
I. Основные конструктивные элементы (технические решения, определяющие структуру агрегата):
• по зоне сушки:
• реверсивная сушка (продув/просасывание теплоносителя);
• сушка с просасыванием теплоносителя через слой окатышей;
• сушка с просасыванием, послойной загрузкой и промежуточной сушкой отдельных слоев;
• по системе возврата (утилизации) тепла из зоны охлаждения в зоны нагрева:
• вентиляторная с разбавлением теплоносителя;
• с переточным коллектором (безвентиляторная и без разбавления);
• с двумя и более переточными коллекторами;
Экономический эффект Э = Эпр+ Эт+Эээmax Удельная Удельный расход Удельный расход производительность топливаmin электроэнергииmin агрегатаmax Характеристики обрабатываемого сырья и требования к качеству готовой продукции 1. Основные 2 Параметры 3. Техническое конструктивные термообработки слоя исполнение элементов элементы окатышей. теплотехнической схемы Рис. 1. Декомпозиция основного критерия оптимизации • по системе отопления горна обжиговой машины:
• с двухпроводными турбулентными горелками (с принудительной подачей окислителя);
• с инжекционными горелками (с эжектированием окислителя);
• по организации процесса охлаждения:
• реверсивное охлаждение;
• охлаждение в выносном охладителе;
• охлаждение холодным (атмосферным) воздухом;
• комбинированное охлаждение (нагретым и атмосферным воздухом).
II. Конструктивные и режимные параметры термообработки слоя окатышей по технологическим зонам:
• давления (разрежения) в ГВК (Pj);
• распределение давлений (разрежений) по ГВК;
• величина температур теплоносителя/охлаждающего агента на входе в слой (tгj);
• распределение температуры теплоносителя на входе в слой по длине технологических зон;
• величина температуры воздуха горения и разбавления (в зонах сжигания топлива);
• коэффициенты расхода воздуха - горения и разбавления (г,р);
• полезная площадь обжиговой машины и ее распределение по технологическим зонам;
• порозность слоя сырых окатышей (сл) и окатышей донной и бортовой постели;
• высота слоя окатышей (Hсл) и донной постели;
• диаметр сырых окатышей (dсл) и окатышей донной и бортовой постели.
• и др.
III. Исполнение отдельных элементов теплотехнической схемы (тягодутьевые установки, газоходная система, газоочистки и др.).
IV. Характеристики обрабатываемого сырья и требования к качеству готовой продукции.
С учетом декомпозиции основного критерия оптимизации в диссертации приведены постановки задач для его различных составляющих: максимум производительности (Gудmax), минимум удельного расхода тепла (топлива, Qуд min), минимум удельного расхода электроэнергии (Эуд min) с соответствующими ограничениями.
Например, постановка задачи оптимизации по критерию минимума удельного расхода электроэнергии имеет вид:
Эуд = Эуд1+ Эуд2+...+ Эудn min., (2) при ограничениях:
Gуд Gуд.зад..;
(3) Qуд = Qуд1+ Qуд2+...+ Qудn Qуд.зад.;
(4) Vн Vн о;
(5) Vохл Vохл о;
(6) tм = tмзад(,H);
(7) зад;
(8) tгjнп tгj tгjвп;
(9) tтел tтел o;
(10) (11) S1·Gуд1= S2·Gуд2=...= Sn·Gудn= S·Gуд=G;
(12) S1+S2+...+ Sn= S;
Эудi= Эудi(Qудi, Gудi), (13) в свою очередь:
(14) Gудi= Gудi(tгj, wгj=wгj(pj,,...),dсл,Hсл, и т.д.);
(15) Qудi= Qудi(tгj, wгj=wгj(pj,,...),dсл,Hсл, и т.д.), где i=1-n - номера технологических зон;
j - координата по длине агрегата;
Gуд зад, Qуд зад, Эуд зад, Vн о, Vохл о, tтел o - ограничения на удельную производительность, удельные расходы тепла (топлива) и электроэнергии, скорости нагрева и охлаждения слоя, температуру тележки соответственно;
tмзад(,Hсл) - заданное распределение температуры материала;
, зад - прочность окатышей текущая и заданная соответственно;
tгjнп, tгjвп - ограничения по температуре газа на входе в слой (нижний и верхний пределы соответственно);
tтел - температура обжиговой тележки;
S, G - площадь и производительность обжиговой машины соответственно;
wгj - скорость фильтрации газов в слое;
pj - перепад давления в слое;
- коэффициент газодинамического сопротивления слоя.
Уравнения (1112) впервые предложены Н.Н. Бережным, Я.Л.
Белоцерковским, Г.М. Майзелем. Аналогично выполнены постановки задач по критериям Gудmax, Qуд min.
Ввиду сложности исследуемого объекта для решения задач оптимизации автором предложено процесс оптимизации разделить на этапы.
На первом этапе проводится исследование и оптимизация основных конструктивных элементов теплотехнической схемы (технических решений, определяющих структуру агрегата).
На втором этапе проводится оптимизация конструктивных и режимных параметров термообработки слоя окатышей и распределение полезной площади обжиговой машины между технологическими зонами.
Третий этап включает оптимизацию исполнения отдельных элементов теплотехнической схемы на основе обобщенных, дополненных и систематизированных принципов конструирования, обеспечивающих повышение производительности обжиговой машины, снижение удельных расходов топлива и электроэнергии, улучшение экологии.
Решение поставленных задач оптимизации потребовало разработки, уточнения и совершенствования необходимых математических моделей и методов их реализации, а также анализа существующих технических решений и накопленных экспериментальных данных по промышленным и лабораторным исследованиям.
Базовой для оптимизации конструктивных и режимных параметров является квазистационарная имитационная математическая модель процесса термообработки окатышей, включающая взаимосвязанные блоки теплообмена, газодинамики, прогнозирования прочности окатышей на сжатие, расходов топлива и электроэнергии, а также алгоритмы численной реализации и адаптации ее к реальным условиям. При этом основной акцент сделан на комплексность рассмотрения процессов термообработки окатышей путем совместного решения уравнений теплообмена, газодинамики фильтруемого дисперсного слоя и упрочнения окатышей. Достоинством модели явилась также постановка и решение задач параметрической идентификации как процессов теплообмена и газодинамики, так и упрочнения окатышей.
В частности, теплообмен в фильтруемом слое окатышей представлен системой дифференциальных уравнений в частных производных:
(t t ) t г сгvг г = v г м ;
(16) h m (t t ) t м см (1 )vл м = v г м, (17) l m в которых коэффициенты являются нелинейными функциями температуры.
Краевые условия:
l=0, tм= tм(h);
h=0, tг= tг(l).
В случае реверсирования газового потока это учитывается в краевых условиях для соответствующих расчетных зон.
Для определения скоростей фильтрации газового потока, входящих в уравнение (16) использовали уравнение газодинамики. Падение давления в каждой точке по длине расчетной зоны складывается из падения давления на элементарных участках по высоте обрабатываемого слоя, донной постели и падения давления на колосниках:
P0 T H w г P0 T к P = г w г k 1 + k 2 w г dh + к г. (18) P T0 2 Pк T Важным вкладом автора в совершенствование модели (1618) явилось то, что было выведено условие устойчивости схемы решения, а также усовершенствован алгоритм параметрической идентификации, позволяющий корректировать коэффициент газодинамического сопротивления слоя путем уточнения величины его порозности. Это позволило обеспечить устойчивость решения в широком диапазоне изменения входных параметров, исключить зацикливание, повысить точность расчетов и обеспечить надежное использование модели не только при проектировании, но и для управления процессом на работающем промышленном агрегате при меняющихся входных парамтерах.
Для разработки математической модели прочности автором использованы экспериментальные данные, полученные ранее во ВНИИМТ при обжиге окатышей различной основности из концентрата Лебединского ГОКа на огневом стенде типа «аглочаша», позволяющем моделировать все стадии термообработки слоя окатышей на обжиговой конвейерной машине. При этом выбраны факторы, оказывающие наибольшее влияние на ее формирование (температура обжига и содержание шлакообразующих оксидов CaO и SiO2 в окатышах). На остальные параметры наложены ограничения, соответствующие диапазону их изменения при ведении технологического процесса в промышленных условиях:
• скорость нагрева до 210 град/мин.;
• скорость охлаждения до 180 град/мин.;
• продолжительность обжига при температуре выше 1100 oC до 12 мин.
По экспериментальным зависимостям прочности окатышей от температуры обжига, при различном содержании в них количества шлакообразующих оксидов, находили максимальную прочность окатышей (max) и температуру соответствующую максимальной прочности (tmax).
Обобщение данных проводили путем построения зависимостей прочности окатышей от температуры обжига в относительных координатах /max, t/tmax.
Для получения уравнений использовали метод наименьших квадратов.
Для окатышей с малым содержанием шлакообразующих оксидов (CaO+SiO2=3,5-5,5 %) зависимость относительной прочности от относительной температуры аппроксимируется уравнением:
/max=0,993( t/tmax)6,58, при t/tmax =[0,85-1,0]. (19) Для окатышей с большим содержанием шлакообразующих оксидов (CaO+SiO2=5,5-14%) зависимость описывается уравнениями (рис 2):
/max=0,386( t/tmax)2,76, при t/tmax =[0,6-0,9);
(20) /max=0,997( t/tmax)11,44, при t/tmax =[0,9-1,0];
(21) /max=0,998( t/tmax)-7,62, при t/tmax =(1,0-1,15]. (22) Высокие коэффициенты корреляции (r=0,825-0,945) свидетельствуют о тесной связи между /max и t/tmax. Следует также отметить, что литературные данные других авторов по термообработке костомукшских окатышей, наложенные на рис. 2, хорошо укладываются на полученные зависимости.
1, 1, 0, 0, 0, /max 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1, t/tmax - Лебединский ГОК, Количество шлакообразующих - 6,0;
- 9,0;
- 13, оксидов (CaO+SiO2), %: - Костомукшский ГОК рп - 8, Рис. 2. Зависимость относительной прочности окатышей от (/max) относительной температуры (t/tmax) Использование уравнений (19-22), а также зависимостей:
tmax=f(CaO+SiO2) и (23) max=f(CaO+SiO2), (24) позволяет, с помощью рассчитанного по математической модели или измеренного в слое окатышей температурного поля, рассчитать их прочность.
Максимальная прочность окатышей для заданного количества шлакообразующих оксидов задается в соответствии с (24), а в процессе работы промышленного обжигового агрегата корректируется с помощью алгоритма параметрической идентификации, на основе фактической прочности срл (данные текущего технологического опробования окатышей) в соответствии с выражением:
n л max = ср, n (25) о тн i i = где n - количество расчетных участков по высоте;
отн i - относительная прочность окатышей.
Таким образом, предложена методика построения математической модели прогнозирования прочности окатышей, основанная на использовании методов обобщенных переменных (теории подобия) и реализована соответствующая математическая модель.
Для исследования переходных режимов автором реализована двухмерная динамическая модель процесса термообработки окатышей на конвейерной машине, в основу которой положены уравнения теплообмена в дисперсном слое:
(t t ) t г сг w г г = v г м ;
(26) h m v (t г t м ) t м t м м с м (1 ) + vл = (27), l m с краевыми условиями:
t г (0, l, ) = t г ( l, ) ;
t м (h,0, ) = t м ( h, ) ;
t м ( h, l,0) = t м ( h, l ), (28) коэффициенты которых являются нелинейными функциями температуры и модель прогнозирования прочности (19-24). Модель реализована для всех технологических зон обжиговой конвейерной машины, включая зоны сушки, нагрева и охлаждения.
Эта модель предназначена для исследования влияния нестационарности различных технологических параметров (высота слоя, диаметр окатышей, температура теплоносителя на входе в слой, скорость ленты, теплофизические свойства газа и материала в зависимости от температуры и др.) на эволюцию температурного поля в слое железорудных окатышей при их термообработке на обжиговых конвейерных машинах. Анализ этого вопроса в мировой научной литературе до публикации автора отсутствовал.
В третьем разделе выполнены исследование, анализ, а также качественная (табл. 1) и количественная классификация основных конструктивных элементов обжиговых машин, включая новейшие, по их влиянию на производительность, расходы топлива и электроэнергии.
Практический опыт эксплуатации обжиговых машин показал, что, несмотря на повышенный расход тепла и электроэнергии при организации реверсивной схемы сушки, ее использование предотвращает снижение производительности обжиговой машины в целом за счет уменьшения усадки слоя при его сушке, что обеспечивает эффективную работу всех последующих зон за счет снижения газодинамического сопротивления слоя окатышей.
Впервые реверсивная схема сушки была внедрена на ОМ № 4 АО «ССГПО» в 1968 г.
При исследовании различных систем возврата тепла из зоны охлаждения в зоны нагрева, включая вентиляторные, а также одно- и многопоточные безвентиляторные системы прямого перетока, установлено, что, с точки зрения экономии топлива и электроэнергии, в любом случае наиболее целесообразным является применение безвентиляторных систем.
Таблица Влияние основных конструктивных элементов на показатели работы ОМ Влияние на показатель1) Производи тельность Э = Эпр+ электро топлива энергии Эт+ Эээ Расход Расход Наименование основных конструктивных элементов Организация зоны сушки 1.
реверсивная сушка (продув/просасывание 1.1. + - - + теплоносителя) сушка с просасыванием теплоносителя 1.2. - + + сушка с просасыванием, послойной загрузкой и 1.3. - + + промежуточной сушкой отдельных слоев Система возврата тепла из зоны охлаждения в 2.
зоны нагрева вентиляторная с разбавлением теплоносителя 2.1. - - с переточным коллектором (безвентиляторная) 2.2. + + + С двумя и более переточными коллекторами 2.3. ? ?
(безвентиляторная) Система отопления горна обжиговой машины 3.
3.1. с двухпроводными турбулентными горелками (с - - - принудительной подачей окислителя) 3.2. с инжекционными горелками (с эжектированием + + + + окислителя) Организация процесса охлаждения 4.
4.1. реверсивное охлаждение - - - 4.2. охлаждение в выносном охладителе - - - 4.3. охлаждение холодным (атмосферным) воздухом + - + + 4.4. комбинированное охлаждение (нагретым и - + - атмосферным воздухом) Примечание: 1. «+» реализация конструктивного элемента приводит к улучшению показателя, «-» - к его ухудшению, «?» применение конструктивного элемента требует дополнительного уточнения и обоснования с использованием известных и разработанных автором методик.
При исследовании одно- и многопоточных систем прямого перетока разработана и апробирована методика определения количества потоков, на которые целесообразно разделять теплоноситель для экономии тепла топлива на термообработку. При этом впервые сделан ряд определяющих и важных выводов, состоящих в том, что с точки зрения экономии тепла топлива на отопление горна обжиговой машины необходимо:
• поток, отходящий из зоны охлаждения, группировать (смешивать перед подачей в зоны нагрева) таким образом, чтобы теплоноситель, имеющий наиболее высокую температуру направлять в один коллектор, имеющий меньшую - в другой, а еще меньшую - в третий и т.д.
• после разделения воздуха, отходящего из зоны охлаждения на потоки (см. выше), наиболее горячий поток необходимо подавать в те участки зон нагрева, в которых требуется обеспечить наибольшую температуру газа на входе в слой, затем менее высокую и т.д.;
• установлено, что экономически целесообразное количество потоков переточных систем определяется, в основном, теплофизическими характеристиками обрабатываемых шихт и теплотехническими режимами обжига (рис. 3). При производстве окатышей из шихт, требующих относительно больших затрат тепла на обжиг (офлюсованные окатыши, из гематитовых концентратов и т.п.) достаточно однопоточной безвентиляторной переточной системы (один переточный коллектор).
Анализ результатов (рис. 3) показывает, что при соотношении затрат тепла, необходимого на нагрев слоя окатышей (Qн) и тепла, аккумулируемого окатышами, поступающими на охлаждение (Qо) Qн/Qо1,03 увеличение количества потоков приводит, в зависимости от режима нагрева, к экономии тепла топлива не более 1-7 % относительно «идеальной» переточной системы (с количеством потоков n-) и только при переходе от однопоточной переточной системы без разбавления к двухпоточной. Дальнейшее увеличение количества потоков не приводит к экономии.
Рис. 3. Перерасход топлива n обжиговых машин с переточными системами при различном количестве потоков (цифры у кривых) в зависимости от соотношения Qн/Qо при различных режимах нагрева относительно ОМ с «идеальной» переточной системой • при производстве же окатышей из шихт с умеренными затратами тепла при нагреве (неофлюсованные окатыши из магнетитовых концентратов или из гематитовых с добавками твердого топлива) может быть целесообразным применение двухпоточных переточных систем, однако в каждом конкретном случае этот вопрос должен решаться индивидуально с учетом всех определяющих факторов, в том числе и того из какой зоны формируется теплоноситель для секции сушки 1.
По системе отопления горна обжиговой машины. Проведенный анализ известных данных и опыт автора показал, что использование горелок с эжекцией окислителя (инжекционных) вместо горелок с принудительной подачей окислителя (например, двухпроводных) всегда положительно влияет на все анализируемые факторы (производительность, расход топлива, электроэнергии), поэтому их применение предпочтительно.
По организации процесса охлаждения показано, что реверсирование теплоносителя в зоне охлаждения при одинаковой средней температуре на разгрузке отрицательно влияет на все анализируемые факторы и приводит к:
• снижению удельной производительности зоны охлаждения;
• снижению температурного потенциала воздуха, отходящего из зоны охлаждения, как за счет самого реверса, так и за счет неизбежных подсосов атмосферного и, следовательно, к увеличению расхода тепла топлива;
• увеличению удельного расхода воздуха на охлаждение и, следовательно, электроэнергии.
В части комбинированного охлаждения нагретым и атмосферным воздухом разработана методика оценки целесообразности использования нагретого воздуха на первой стадии охлаждения путем комплексной оценки и сопоставления дополнительных затрат электроэнергии и снижения производительности зоны охлаждения и обжиговой машины в целом с ожидаемой экономией тепла топлива за счет достижения более высокой температуры воздуха, подаваемого из зоны охлаждения в зоны нагрева.
Увеличение количества тепла, поступающего в зоны нагрева за счет использования сбросного тепла нагретого воздуха в зоне охлаждения в исследованном диапазоне параметров достигает 7,2 % (вариант tГВК1=300 oC, lГВК1=27м), однако приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии на 68 %. При этом удельная производительность зоны охлаждения уменьшается с 2,75 до 2,15 т/м2ч (на 22 %). Эти потери значительно превышают эффект от экономии топлива. Кроме того, охлаждение нагретым воздухом приводит к ухудшению экологии на рабочих площадках обжиговой машины вследствие выбивания до 30 % нагретых (t=300 oC) запыленных газов через уплотнения ГВК и имеет ряд других недостатков.
Результатом исследования, выполненного в третьем разделе, стала классификация основных технических решений, применяемых при разработке теплотехнических схем обжиговых машин:
1. Технические решения, которые необходимо применять в любом случае:
• реверсивная сушка (продув/просасывание);
• однопоточная система прямого перетока;
• инжекционные горелки;
• безреверсивная схема охлаждения.
Технические решения, применение которых в каждом случае необходимо 2.
обосновывать с использованием методик, предложенных автором:
• двух- и более поточная система прямого перетока;
• охлаждение окатышей на первой стадии нагретым воздухом.
Выполненные расчеты показали, что в настоящее время данное техническое решение не рекомендуется к использованию.
Технические решения, нерекомендуемые к использованию:
3.
• сушка слоя с просасыванием теплоносителя;
• послойная загрузка окатышей с промежуточной сушкой и просасыванием теплоносителя;
• вентиляторная система перетока с разбавлением теплоносителя;
• двухпроводные горелки;
• реверсирование теплоносителя при охлаждении или охлаждение в выносном охладителе.
В четвертом разделе приведена методика и результаты расчетно экспериментальных исследований процесса термообработки окатышей по отдельным технологическим зонам и оптимизации параметров на примере обжиговой конвейерной машины с полезной площадью 306 м2 Лебединского ГОКа.
В соответствии с требованиями технологии и замерами температур в слое каждая зона, в зависимости от ее функционального назначения, должна обеспечивать:
• зоны сушки, подогрева и обжига - заданную среднюю по высоте слоя температуру окатышей на выходе из каждой зоны;
• зона рекуперации - заданную температуру нижних участков слоя;
• зона охлаждения - заданную среднюю по высоте слоя окатышей и донной постели температуру на разгрузке, которая должна быть не выше 100 oC.
Расчет теплообмена и газодинамики в слое, а также ряда исследуемых показателей (удельные расходы тепла, топлива, электроэнергии и др.) в каждой конкретной зоне, проводили с использованием адаптированных к реальному процессу математических моделей с учетом соответствующих ограничений по максимальным температурам в зонах, температурам, скоростям нагрева и охлаждения слоя и другим условиям, приведенным в постановке задач оптимизации и зависящим от характеристик исходных сырых окатышей. Эти условия позволяют обеспечить необходимое качество готовых окатышей, получаемых из различных шихт и сохранность оборудования обжигового агрегата.
По результатам расчетов для каждой зоны строили зависимости основных показателей процесса Эуд, Vт уд, Qуд, Gуд как функции от исследуемого параметра (аналогичные показанным на рис. 4), а также графики Эуд i=fi(Gудi) (рис. 5), используя которые при решении задачи оптимизации находили оптимальную величину параметров.
Проведенные численные эксперименты позволили сделать ряд выводов и дать общие рекомендации по ведению технологического процесса в зонах нагрева:
• во всех технологических зонах нагрева слоя окатышей (сушка, подогрев, обжиг, рекуперация) тепловая, электрическая экономичность и удельная производительность процесса возрастают с ростом температуры теплоносителя на входе в слой. Поэтому при оптимизации технологического процесса по этим критериям необходимо поддерживать максимально возможные по технологии температуры;
Рис. 4. Изменение удельных расходов электроэнергии (Эуд), теплоносителя (Vуд), тепла (Qуд), а также удельной производительности (Gуд) зоны обжига в зависимости от разрежения в ГВК (P): 1- подсосы;
2-тележка;
3 тележка+подсосы Рис. 5. Изменение удельного расхода электроэнергии (Эуд) в зависимости от удельной производительности (Gуд) зоны обжига при изменении разрежения в ГВК: 1- подсосы;
2-тележка;
3-тележка+подсосы • при постоянной удельной производительности зоны обжига (6,49 т/м2 ч), повышение температуры воздуха разбавления с 750 до 850 oС приводит к экономии 1,5 м3 природного газа на тонну окатышей, а повышение температуры воздуха горения со 150 до 350 oC (при =1) экономит 0, м3 газа/т. В то же время, уменьшение коэффициента расхода воздуха горения () c 1,0 до 0,2 приводит к экономии 1,8-2,0 м3 газа/т. В исследованном практическом диапазоне изменения параметров удельный расход топлива непрерывно снижается с увеличением высоты слоя и возрастает с увеличением диаметра окатышей. Увеличение высоты слоя с 0,3 до 0,4 м приводит к экономии 1,0 м3 газа/т, а уменьшение диаметра окатышей с 0,013 м до 0,011 м - на 0,6 м3 газа/т. С ростом разрежения в ГВК удельный расход топлива увеличивается;
• для снижения удельного расхода электроэнергии на термообработку окатышей целесообразно вести процесс при умеренных разрежениях (давлениях) в ГВК (порядка 3-4 кПа). В то же время, следует учитывать наличие минимума по расходу электроэнергии в зависимости от таких параметров как диаметр окатышей и высота слоя. Порозность слоя целесообразно увеличивать путем совершенствования укладки слоя сырых окатышей и оптимизации их гранулометрического состава. С точки зрения экономии электроэнергии существует оптимальное распределение давлений и разрежений в ГВК зон нагрева, при котором удельный расход электроэнергии минимален.
При исследовании зоны охлаждения с продувом по всей площади атмосферным воздухом показано, что:
• вести процесс охлаждения окатышей целесообразно при умеренных давлениях в дутьевых камерах (3-4 кПа) при которых обеспечивается достаточно высокая удельная производительность (2,7-3,0 т/м2 ч) и относительно невысокий удельный расход электроэнергии. Повышение давления до 6,6 кПа приводит к увеличению удельной производительности на 27 %, однако удельный расход электроэнергии увеличивается при этом на 94 %;
• дутьевой режим в камерах зоны охлаждения необходимо вести таким образом, чтобы давления во всех камерах были либо одинаковыми, либо в первой секции были выше, чем во второй. Оптимальное, с точки зрения минимума удельного расхода электроэнергии на охлаждение, соотношение давлений в первой и второй секциях находится в диапазоне от 1,0 до 2,1. Это обеспечивает минимальный удельный расход электроэнергии на охлаждение окатышей. Причем эта закономерность сохраняется при различном соотношении камер в первой и второй секциях (рис. 6);
а 1, 1, 1, Эуд, кВт ч/т 1, 0, 0, 0, 0, 6 б 5 P 4 P2, кПа P1/P 3 2 P1/P 1 0 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 P1, кПа 1- продувы, 2-тележка, 3-тележка+продувы Рис. 6. Изменение удельных расходов электроэнергии (Эуд), соотношения давлений (P1/P2), а также необходимого давления во второй секции зоны охлаждения (P2) в зависимости от давления в первой (P1) • на эффективность процесса охлаждения большое влияние оказывает температура охлаждающего воздуха. Так, например, при повышении температуры с 20 до 80 oC удельная производительность зоны охлаждения снижается на 23 %, а удельный расход электроэнергии увеличивается на 47 %;
• при использовании сбросного нагретого воздуха (газов) с температурой 180-350 oC в первой секции охлаждения, с целью утилизации тепла, следует учитывать, что подача нагретого воздуха всегда приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии и снижению производительности зоны. Если же такое решение используют, то с целью минимизации энергозатрат необходимо следовать принципам:
• нагретый воздух необходимо подавать на начальном участке зоны охлаждения, причем относительная площадь этого участка должна быть минимальной;
• с увеличением температуры нагретого воздуха относительную площадь секции с его подачей следует уменьшать;
• перед подачей нагретого воздуха в зону охлаждения разбавлять его атмосферным воздухом нецелесообразно;
• учитывать, что подача в конце зоны охлаждения даже низконагретого воздуха (t=60-80 oC) всегда вредна;
• при различной средней температуре слоя на входе в зону охлаждения (диапазон 1075-1175 oC), но одинаковой температуре на границе «слой-постель», (1164 oC) удельная производительность зоны, скорость фильтрации газов в слое и удельный расход электроэнергии изменяются незначительно. Однако, с ростом средней температуры слоя возрастает температура воздуха на выходе из него в первой секции и практически не изменяется во второй. В то же время, при одинаковой средней температуре слоя, но более высокой в нижних участках существенно ухудшаются все показатели процесса охлаждения;
• зависимость удельной производительности зоны охлаждения от высоты слоя носит экстремальный характер, а удельный расход воздуха на охлаждение и электроэнергии, в исследованном диапазоне высот слоя (0,3-0,8 м), уменьшается с увеличением высоты слоя. С увеличением порозности слоя с 0,28 до 0,32 и 0,36 оптимальная с точки зрения увеличения удельной производительности зоны высота слоя увеличивается, соответственно с 0,4 до 0,5 и 0,6 м. Учитывая, что на практике порозность слоя в зоне охлаждения находится в диапазоне 0,3 0,32, то ей соответствует оптимальная, с точки зрения удельного расхода электроэнергии, высота слоя 0,45-0,5 м;
• порозность слоя оказывает решающее влияние на все показатели процесса охлаждения. При постоянном давлении в дутьевых камерах увеличение порозности слоя приводит к увеличению удельной производительности зоны охлаждения и удельного расхода воздуха на охлаждение. Удельный расход электроэнергии при этом практически не изменяется. При постоянной удельной производительности зоны охлаждения даже незначительное увеличении порозности слоя приводит к существенному уменьшению удельного расхода электроэнергии.
• при постоянной производительности зоны охлаждения, зависимость удельного расхода электроэнергии от диаметра окатышей носит экстремальный характер с минимумом в диапазоне диаметров 14-16 мм.
Удельный расход воздуха на охлаждение с увеличением диаметра непрерывно увеличивается, а необходимое давление в дутьевых камерах уменьшается.
На основе полученных закономерностей и подробного исследования каждой технологической зоны (сушки, подогрева, обжига, рекуперации, охлаждения) в отдельности, разработаны предложения по модернизации и оптимизации конструктивных и режимных параметров отдельных технологических зон обжиговой машины (табл. 3) без изменения их площади и производительности, с целью снижения удельного расхода электроэнергии.
При этом с сохранением общей площади зоны сушки первая секция уменьшена с 45 до 27 м2, в зоне охлаждения исключено реверсирование охлаждающего агента, оптимизированы параметры технологического процесса (давления, температуры). В результате на первой стадии оптимизации (оптимизация режимных параметров отдельных технологических зон) удельный расход электроэнергии на фильтрацию слоя и подсосы (продувы) снижен на 42 % (с 10,55 до 6,1 кВт·ч/т).
На второй стадии оптимизации решена задача минимизации удельного расхода электроэнергии для агрегата в целом.
Постановка задачи (2-15) в этом случае принимает вид:
Требуется найти вектор (S1,S2,...,Sn) так, чтобы Эуд = Эуд1+ Эуд2+...+ Эудn min, (29) при ограничениях:
Gуд Gуд.зад..;
(30) Vн Vн о, Vохл Vохл о, tмi = tмi (зад);
зад (31) tгj tгj tгj ;
нп вп (32) tтел tтел o;
(33) (34) S1·Gуд1= S2·Gуд2=...= Sn·Gудn= S·Gуд=G;
(35) S1+S2+...+ Sn= S;
Эудi=fi(Gудi), (36) причем ограничения (31-33) учтены на первой стадии оптимизации. Здесь tмi, tмiзад - температуры материала на выходе из i технологической зоны текущая и заданная соответственно.
Задача решена методом покоординатного спуска для зон подогрева, обжига, рекуперации и охлаждения с использованием зависимостей Эудi=fi(Gудi) (аналогичные см. рис. 5), полученных для каждой технологической зоны.
Решение задачи позволило оптимизировать, в соответствии с выбранным критерием (минимум удельного расхода электроэнергии), площади, давления (разрежения) и, соответственно, удельные производительности каждой технологической зоны (см. табл. 3) и снизить удельный расход электроэнергии на 51 % по сравнению с базовым распределением.
Анализ этих данных показывает, что, при заданной производительности ОМ, для оптимального, с точки зрения минимума удельного расхода электроэнергии, распределения ее площади, зоны подогрева, обжига и рекуперации необходимо увеличить, а площадь зоны охлаждения уменьшить со 135 до 105,6 м2, так как после модернизации (исключения реверсирования газового потока) она будет иметь большой резерв по производительности.
Давления (разрежения) в ГВК зоны охлаждения, при этом, должны быть увеличены, а в зонах нагрева, наоборот, уменьшены.
Таблица Базовые и рекомендуемые параметры обжиговой машины Параметры обжиговой машины ОК- Название Базовые При модернизации При оптимизации зоны зон (первая стадия агрегата (вторая стадия оптимизации) оптимизации) Si1) Gудi, P1), 2) 1) 1) Эуд, Si, 1) Gудi, P, 1) Эуд2), 2) Эуд, Si Gудi, P, м2 т/м2 кПа кВт·ч м2 т/м2 кПа кВт· м2 т/м2 · кПа кВт·ч ч/т ч ·ч /т ·ч /т Сушка 45 4,63 6,3 3,2 27 4,63 6,3 2,17 27 4,63 6,3 2, 18 -3,7 36 -3,7 36 -3, Подогрев 36 8,11 -3,7 0,77 36 8,11 -3,7 0,77 45,48 6,42 -2,01 0, Обжиг 27 6,49 -3,7 1,4 45 6,49 -3,67 0,75 49,25 5,93 -2,99 0, 18 -7, Рекуп. 27 10,81 -7,5 1,6 27 10,81 -7,50 1,60 42,67 6,84 -3,05 0, Охлажден. 81 2,16 3,02 3,58 135 2,16 1,86 0,82 105,6 2,77 3,17 1, 54 -5, Машина в 306 0,95 10,55 306 0,95 6,11 306 0,95 5, целом Примечания: 1. Числитель - первая, знаменатель - вторая секция.
2. На фильтрацию слоя и подсосы (продувы) при КПД 100 %.
Таким образом, разработана методика исследования и оптимизации конструктивных и режимных параметров термообработки слоя окатышей. В качестве примера выполнена минимизация удельного расхода электроэнергии и оптимизировано распределение полезной площади между технологическими зонами обжиговой машины ОК-306 Лебединского ГОКа.
В пятом разделе сформулированы принципы оптимального исполнения отдельных элементов теплотехнической схемы, обеспечивающих повышение производительности обжиговой машины, снижение удельных расходов топлива и электроэнергии, улучшение экологии.
В качестве примера рассмотрим некоторые из 40 принципов, обеспечивающих снижение удельного расхода электроэнергии.
Мощность потребляемая ТДУ определяется формулой:
P Vo (t ТДУ + To ) Po P V N эл. = =, (37) To P Учитывая, что потери напора (сопротивление) в сети:
o Vo2 (t ТДУ + To ) Po V P = =, (38) 2 To 2 P формулу (41) приводим к виду:
о (t ТДУ + To ) 2 Vo3 Po N эл. =, (39) 2 To2 P =дв·вент, (40) где, Nэл – мощность потребляемая ТДУ, Р, Р, Ро – напор создаваемый ТДУ, абсолютное давление потока у ТДУ и давление при нормальных условиях, соответственно (Ро = 101325 Па);
V, Vo– расход газопотока при фактических параметрах и приведенный к нормальным условиям (Ро, То);
tтду, То=273,15К, температуры газопотока у ТДУ и абсолютная при нормальных условиях соответственно;
, дв, вент – КПД ТДУ, двигателя и вентилятора соответственно;
– коэффициент газодинамического сопротивления сети;
, o – плотность газопотока при фактических параметрах и приведенная к нормальным условиям соответственно.
Анализ модели (37-40) позволяет определить основные направления снижения затрат электроэнергии (рис. 7).
Минимизация удельного расхода электроэнергии Максимизация Уменьшение Снижение Снижение температуры КПД ТДУ количества коэффициента газопотока перед ТДУ теплоносителя сопротивления сети Оптимизация элементов теплотехнической схемы Рис. 7. Декомпозиция задачи снижения удельного расхода электроэнергии Комплексный анализ теплотехнических схем и опыт эксплуатации ОМ показали, что наиболее часто на практике не выполняются следующие принципы минимизации удельного расхода электроэнергии:
Принцип № 1. максимизация КПД работы ТДУ – зачастую ТДУ работают в области КПД 20-40% против 70-80% в связи с тем, что характеристики ТДУ и сети не согласованы;
Принцип №2. Снижение количества теплоносителя, перемещаемого ТДУ, неорганизованных подсосов (продувов) теплоносителя. Доля вредных подсосов (продувов) и, соответственно непродуктивных затрат электроэнергии, на действующих обжиговых машинах достигает 30-60%, Принцип №4, 5. Снижение аэродинамического сопротивления слоя сырых окатышей, постели и колосников;
Принцип №6. Снижение аэродинамического сопротивления трактов (подводящих и отводящих газоходов) на которых, в некоторых случаях, теряется до 70% полезного напора, создаваемого ТДУ, путем приведения площади сечения газохода в соответствие с объемами перемещаемого теплоносителя (скорости газа в газоходе не более 15 м/с), снижения местных аэродинамических сопротивлений и пр.
Принцип № 7. Снижение аэродинамического сопротивления газоочисток за счет применение электрофильтров и их исключение на внутренних газопотоках путем применения ТДУ, стойких к абразивному износу (с защитой ротора) и др.
Принцип №8. Транспортировать газопотоки по возможности с наиболее низкой температурой, одним из нарушений этого принципа являются схемные решения, в которых на начальном участке охлаждение окатышей осуществляют путем подачи нагретого воздуха.
Принцип № 10. Максимизировать количество газа-теплоносителя, передаваемого из одной зоны низкого давления в другую (например, горн) прямым перетоком (без использования дополнительных ТДУ) В части оптимизации элементов теплотехнических схем впервые выделены и проанализированы типовые элементы передачи газообразного теплоносителя: из горна в горн;
из горна (зона низкого давления) и ГВК (зона высокого давления) одной ТДУ одновременно (рис. 8) в горн или в ГВК;
из ГВК в горн и из горна в ГВК;
из ГВК в ГВК. Анализ представленных схем позволяет сформулировать Принцип № 11: Создаваемый ТДУ напор должен распределяться в места, где он требуется. Т.е. необходимо исключать подачу/отсос теплоносителя в/из зоны низкого и высокого давления одной ТДУ. Подача теплоносителя одной ТДУ одновременно в участки теплотехнической схемы с различным давлением является неоптимальной из-за необходимости дросселирования.
Однако в теплотехнических схемах действующих и проектируемых ОМ встречаются технические решения, когда аспирационные и сбросные газопотоки из горна секций сушки 1 и охлаждения 2 транспортируют технологическими ТДУ, одновременно формирующими высокое разрежение в ГВК ОМ (рис. 8а). Такие неоптимальные схемы реализованы на ОМ ОК- Качканарского ГОКа, ОК-108/116 АО «ССГПО» и др.
б) а) Р= Р0 Р0 Р Р=0 Р V V2 V Д1 Д Д2 Рвх1 Рвых V2 Др1 Рвх1 Рвых Рвх2 Рвых Рис. 8. Схема транспортировки теплоносителя из горна и ГВК: а) неоптимальная схема – с использованием одной ТДУ;
б) оптимальная схема с двумя ТДУ При этом параллельно эвакуируют газопотоки с высоким разрежением (из ГВК (400-500 даПа)) и потоки из участков с малым разрежением (до - даПа). Для этого используют дополнительный дроссель (Др.1), обеспечивающий необходимое аэродинамическое сопротивление тракта 2 для эвакуации газопотока V2, что, в соответствии с формулой (39), приводит к повышенным затратам электроэнергии.
В этом случае более целесообразно выполнять эвакуацию аспирационного или сбросного газопотока из секций сушки 1, либо охлаждения 2 отдельной низконапорной ТДУ, что позволяет исключить из схемы дроссель Др1.
Поэтому с точки зрения экономии электроэнергии необходимо:
• Принцип № 11.1. Избегать подключения к высоконапорным технологическим ТДУ, отсасывающим газы из ГВК, газопотоков из горна и аспирационных сбросов.
• Принцип № 11.2. Исключать подачу/отсос газопотоков с помощью одной ТДУ одновременно в/из горн и в/из ГВК.
Аналогично в диссертации систематизируются и обобщаются принципы снижения удельного расхода топлива, увеличения производительности и улучшения экологии.
В шестом разделе представлены исследования, технологические основы и принципы построения АСУ ТП с использованием комплекса разработанных и усовершенствованных математических моделей, алгоритмов и программ.
Для обеспечения максимальной эффективности АСУ ТП она должна включать в себя основные подсистемы, представленные на рис. 9.
Если представить долю экономического эффекта как i-ю составляющую, вносимую j-ой подсистемой АСУ ТП, как k i j, то общий эффект равен nm ), ( Э = k i j Эi (41) i =1 j =1 где: m – количество подсистем АСУ ТП.
Коэффициенты k i j являются переменными и должны определяться в зависимости от текущего состояния объекта управления.
На рис. 9 приведена также оценка степени влияния различных элементов (подсистем) АСУ ТП на показатели эффективности.
АСУ ТП Эффективность Оптимальное управление Эт (топливо) технологическим процессом Стабилизация параметров Эээ (электро (контуры автоматического энергия) регулирования) Управление нестационарными Эпр (производ режимами (пуск, останов) ительность) Технологические блокировки Экач (качество) Диагностика и мониторинг Эоб оборудования (оборудование) Сильное влияние Эпрочее Слабое влияние Рис. 9. Влияние различных элементов (подсистем) АСУ ТП на показатели эффективности Подсистема оптимального управления технологическим процессом, построенная с использованием математических моделей, алгоритмов идентификации параметров и оптимизации коренным образом улучшает показатели по природному газу, электроэнергии, качеству продукции, увеличивает объемы производства за счет определения и реализации оптимальных параметров технологического процесса производства окатышей.
Подсистема автоматического регулирования (стабилизации) основных технологических параметров за счет обеспечения стабильных значений параметров технологического процесса в области регламентных режимов и минимизации технологических нарушений, наряду с перечисленными показателями, увеличивает долговечность работы оборудования, обеспечивая работу технологического оборудования при температурах, не превышающих предельные для горелочных устройств, форкамер, кладки горна, обжиговых тележек и колосников, ТДУ и др.
Подсистема управления нестационарными режимами позволяет при пусках и остановках обжиговой машины, снижать затраты электроэнергии, топлива, а также стабилизировать качество окатышей, без перегрева оборудования.
Подсистема диагностики и мониторинга оборудования в сочетании с подсистемой технологических блокировок обеспечивает экономический эффект, связанный с увеличением объемов производства и уменьшением затрат на поддержание в работоспособном состоянии технологического оборудования за счет:
• уменьшения непроизводственных простоев по причине выхода из строя технологического оборудования;
• увеличения надежности работы и повышения коэффициента использования оборудования;
• снижения затрат на проведение капитальных ремонтов за счет своевременного их выполнения;
• увеличения срока службы оборудования;
• увеличения межремонтного периода.
К прочим эффектам относятся эффекты, связанные с сокращением технологического персонала при реализации АСУ ТП, несмотря на увеличение количества персонала на ее обслуживание.
Проведено промышленное исследование работы и количественная оценка эффективности подсистемы стабилизации параметров на примере стабилизации температурного режима в горне обжиговой машины ОК- Центрального ГОКа. Показано, что только за счет одной этой подсистемы без «провалов» качества окатышей, обеспечивается экономия природного газа в количестве до 8,1 %.
С помощью динамической математической модели термообработки окатышей, разработанной автором, выполнен анализ переходных режимов работы обжиговой машины ОК-306 Лебединского ГОКа. Показано, что основное возмущение в ход технологического процесса вносится циклическими неуправляемыми колебаниями нагрузки машины по сырым окатышам, которые влияют на ряд важнейших параметров (температуры в горне, в ГВК и др.). Это приводит к нестабильности и снижению качества окатышей (в частности, прочности). Изменение скорости ленты машины (производительности) приводит к изменению максимальных температур в слое и донной постели, а также прочности обожженных окатышей. Температура на границе слой-постель через 8 минут после увеличения скорости ленты с 2,6 до 3,1 м/мин снизилась с 1151 до 1087 оС, т.е. на 64 оС. Это привело к снижению прочности окатышей с 235 до 205 даН/ок.
Показано, что большие резервы заложены в правильном определении и реализации оптимального режима термообработки. В частности проведенные исследования в соответствии с разработанной методикой показали, что при корректировке режима технологическим персоналом в рамках технологической карты существенное влияние на технико-экономические показатели технологического процесса оказывает человеческий фактор. Так в случае, если бы все бригады, например, на Качканарском ГОКе, работали на уровне лучших, то это обеспечило бы в среднем за год экономию до 2,8 % топлива и до 3 % электроэнергии.
Для улучшения показателей работы (более чем на 3 %) основные функции управления необходимо возложить на АСУ ТП. Для этого в ее составе необходимо реализовать подсистему оптимального управления, построенную на основе детерминированных математических моделей. Использование математических моделей, алгоритмов их адаптации и оптимизации технологического процесса, разработанных и внедренных под непосредственным руководством автора, на модернизированной ОМ ОК- № 4 Лебединского ГОКа в составе математического обеспечения системы управления, позволило решить ряд новых задач:
• косвенного измерения и прогнозирования контролируемых параметров технологического процесса термообработки окатышей, позволяющих более обоснованно и эффективно управлять технологическим процессом;
• прогнозирования качества (прочности) обожженных окатышей в процессе их термообработки;
• оптимального управления процессом термообработки окатышей, позволяющего минимизировать удельный расход топлива, максимизировать производительность обжиговой машины при заданном качестве и соответствующих ограничениях на величину контролируемых параметров технологического процесса.
Для их реализации с участием автора были разработаны предложения по построению системы управления и ее функционированию. Совместно со специалистами фирмы Сименс сформулированы требования к базовому и верхнему уровню системы управления обжиговой машиной, составлен перечень задач базового и верхнего уровней, обоснована необходимость реализации на верхнем уровне оптимизационных задач. Проанализирована и реализована структура комплекса технических средств системы управления с использованием математических моделей в ее составе. Даны рекомендации по оптимизации и распределению информационных потоков.
За счет реализации в автоматическом режиме (on-line) только задач оптимального управления (по практическим данным) обеспечивается:
• снижение расхода топлива (природный газ) на 9,57 %;
• снижение удельного расхода электроэнергии на 7,9 %;
• увеличение производительности агрегата на 4,35 %.
На рис. 10 представлено изменение удельного расхода топлива на обжиговой машине № 4 Лебединского ГОКа при различных режимах работы верхнего имитационно – оптимизирующего идентификационного уровня: без оптимизации (в работе только базовый уровень автоматизации), с оптимизацией в автоматическом режиме (on-line) и с оптимизацией в режиме «СОВЕТ» (off-line).
Только базовая Работа с автоматизация Удельный расход топлива, м /т оптимизацией в 15,5 режиме off-line Работа с оптимизацией Работа с в режиме on-line 14, оптимизацией в режиме on-line 13, 12, июнь июль август 1-15 август 16- сентябрь 05.09 06- Время Рис. 10. Изменение удельного расхода топлива в зависимости от режима работы системы управления До ввода в действие системы оптимизации (верхний уровень, (июнь 1999 г.)) удельный расход топлива составлял 15,3 м3/т, в начальный период работы с оптимизацией (июль 1999 г.) в режиме on-line (автоматический) он снизился до 13,8 м3/т, а в первой половине августа - до 13,3 м3/т. Перевод системы оптимизации в режим off-line («СОВЕТ») в период с 16.08. по 05.09.99 г. привел к увеличению удельного расхода до 14,8 м3/т, главным образом за счет того, что рекомендации системы оптимизации выполнялись нерегулярно. При возврате к работе в автоматическом режиме в период с 06.09.
по 16.09.99 г. расход топлива вернулся к исходному (13,3 м3/т).
Реализация системы оптимизации на обжиговой машине № 5 АО «ССГПО» подтвердила ее преимущества перед известными.
Таким образом, использование предложенных разработок позволило создать современную высокоэффективную систему автоматизированного управления процессом производства окатышей. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что, наибольший экономический эффект получается при сочетании оптимизации конструктивных параметров при проектировании (или модернизации) агрегата и оптимизации технологических параметров во время его эксплуатации.
Седьмой раздел посвящен эффективности практического использования разработанной методологии исследования и оптимизации конструктивных и режимных параметров теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин при разработке новых схем, анализе известных и планируемых к реализации, а также схем действующих обжиговых машин производства Уралмаш и Лурги.
Рассмотрим, например, оптимальные структуры теплотехнических схем, включающие в соответствии с методологией технические решения, которые необходимо применять в любом случае, а также не содержат технических решений, не рекомендуемых к использованию.
В теплотехнической схеме № 1 (рис. 11) подачу теплоносителя в секцию сушки 1 осуществляют из горна секции охлаждения 2, а не отходящие газы из зон обжига и рекуперации. Такое решение целесообразно применять при термообработке окатышей из шихт, содержащих экологически опасные и технологически вредные компоненты, например, соединения серы.
Основным резервом схемы является реализация технического решения, направленного на передачу максимального количества теплоносителя из горна охлаждения в горны зон нагрева прямым перетоком в соответствие с принципом № 10 по экономии электроэнергии. Это реализовано в теплотехнической схеме № 2 (рис. 12) с использованием 2х поточного переточного коллектора (высокотемпературный поток подают в зону обжига, низкотемпературный - в зоны сушки и подогрева).
Рис. 11. Теплотехническая схема обжиговой машины (схема № 1) Д1,...Д5 – ТДУ;
ГО – газоочистки Рис. 12. Теплотехническая схема обжиговой машины (схема № 2) В соответствии с принципом 11.2 для регулирования количества используется Др2, а также дополнительная ТДУ Д6. При этом выбор разрежения в коллекторах Д6 и Д4 необходимо осуществлять таким образом, чтобы обеспечить минимально необходимую разницу давлений (50-70даПа) для организации подсоса в тракт Д4. Также необходимо учитывать возможности ТДУ по температуре теплоносителя по трактам Д6 и Д4 с тем, чтобы исключить разбавление потока атмосферным воздухом с целью снижения температуры.
Минусами схемы № 2 являются:
• обратная связь между ГВК зон обжига и рекуперации и секцией сушки 1;
• подача влажных от сжигания топлива газов в секцию сушки 1, что ухудшает процесс сушки;
• худшая экология внутри цеха по сравнению со схемой № 1, т.к. дымовые газы из зон обжига и рекуперации подаются под давлением в секцию сушки 1, где происходит их утечка (до 30 %) через уплотнения ГВК.
Анализ с помощью методологии самых современных теплотехнических схем (2010 г.), предлагаемых к реализации отечественными и зарубежными компаниями, показал, что все они имеют существенные резервы улучшения технико-экономических показателей.
В табл. 4 представлены технические решения и резервы по совершенствованию действующих обжиговых машин России, Украины и Казахстана. Несмотря на проведенные рядом комбинатов реконструкции (включающие отказ от реверсирования потоков в зоне охлаждения, изменение соотношения площадей секций зоны сушки с продувом и просасыванием теплоносителя и др.), почти все действующие обжиговые машины имеют значительные резервы по улучшению показателей, к которым относятся:
установка инжекционных горелок вместо существующих двухпроводных;
оснащение переточным коллектором или его модернизация;
Таблица 1) Резервы повышения эффективности работы обжиговых машин Объект, с помощью одной ТДУ одновременно Оптимизация соотношения площадей Реализация принципа 10 (все прямым Исключать подачу/отсос газопотоков Оптимизация давлений (разрежений) Охлаждение атмосферным воздухом и давлений в технологических зонах населенный пункт Наличие коллектора прямого Тип агрегата, изготовитель Инжекционные горелки Оптимизация режима в/из горн и в/из ГВК вместо нагретого термообработки перетоком) перетока в ГВК 1.1. Михайловский ГОК ОК-520 + --- + ? + + + + (г. Железногорск, Уралмаш Курской обл.) 1.2. Лебединский ГОК ОК-306 + --- + + + + + + (г. Губкин, Уралмаш Белгородской обл.) 1.3. Костомукшский ОК-520 / --- --- + ? + + + + ГОК (г. Костомукша, Карелия) Уралмаш 1.4. Качканарский ГОК ОК-228 + + + + + + + + (г. Качканар, Уралмаш Свердловской обл.) ОК- 1.5.ОЭМК --- --- --- + + + + + (г. Старый Оскол, Лурги Белгородской обл.) 2.1. Центральный ГОК ОК-324 --- --- --- --- + + + + (Украина, г.Кривой Рог) Уралмаш 2.2. Северный ГОК ОК-306 + --- + + + + + + (Украина, г.Кривой Уралмаш Рог) ОК-278 + --- --- ? + + + + Лурги ОК-552 --- --- --- + + + + + Лурги 3.1. ССГПО (г.Рудный, ОК-108 + на + + + + + + + Казахстан) Уралмаш № Примечания: 1. + – наличие резерва по улучшению показателей за счет реализации указанного технического решения;
--- - отсутствие резерва по улучшению показателей;
? – требует уточнения.
переход на охлаждение окатышей атмосферным воздухом вместо использования на начальной стадии – нагретого и др. Практически на всех машинах необходимо выполнить работы по оптимизации соотношения площадей технологических зон, соотношения давлений и разрежений в ГВК, корректировке режимов термообработки, совершенствованию элементов теплотехнических схем, а также реализовать другие принципы проектирования оптимальных теплотехнических схем, включая установку электрофильтров на сбросных и исключение газоочисток на внутренних газопотоках (за счет использования износостойких ТДУ с броневой защитой ротора) и др.
Приведен перечень основных технических решений по улучшению технико-экономических показателей путем модернизации обжиговых машин различных комбинатов, выполненных по разработкам и с участием автора в соответствии с техническими заданиями заказчиков в части проведения расчетов и определения оптимальных конструктивных и режимных параметров в соответствие с разработанными методиками оптимизации. Среди них: ОК 116 № 1 и № 5 АО «ССГПО», г. Рудный, Казахстан, ОК-306 №1, 3, Лебединский ГОК, Лурги 480м2 ОАО «ОЭМК», ОК-228 Качканарский ГОК.
В приложениях к диссертации приведены документы, подтверждающие реализацию результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Научные и практические результаты диссертационной работы могут быть сформулированы в следующих выводах:
1. На основе комплексного подхода разработана методология исследования и оптимизации конструктивных и режимных параметров теплотехнических схем обжиговых конвейерных машин для термообработки железорудных окатышей, включающая анализ теплотехнических схем, комплексные методики исследования их отдельных элементов и технологии в целом, усовершенствованные математические модели, методы оптимизации и технологические основы АСУ ТП, базирующаяся на современных информационных технологиях, применение которой обеспечивает высокие технико-экономические показатели работы агрегатов.
2. На базе комплексного подхода сформулированы требования и реализована усовершенствованная квазистационарная имитационная математическая модель процесса термообработки окатышей, описывающая взаимосвязанные процессы теплообмена, газодинамики с выходом на прогнозирование прочностных характеристик окатышей как одного из основных показателей качества продукции. Модель включает взаимосвязанные блоки моделирования процессов теплообмена, газодинамики, прогнозирования прочности окатышей, расхода топлива и электроэнергии.
Математическая модель прогнозирования прочности окатышей построена с использованием методов теории подобия (обобщенных переменных), разработаны алгоритмы ее реализации и адаптации непосредственно на объекте по данным текущего технологического опробования окатышей.
Отработан алгоритм численной реализации математической модели взаимосвязанных процессов теплообмена и газодинамики в части обеспечения устойчивости решения и повышения точности расчетов. Усовершенствован алгоритм ее автоматической адаптации на промышленном объекте в реальном масштабе времени.
3. Разработана и численно реализована математическая модель динамики теплообмена в фильтруемом слое, предназначенная для расчета и прогнозирования переходных режимов термообработки слоя окатышей при переходе обжиговой машины из одного квазистационарного режима в другой.
В основу модели положены уравнения теплообмена в дисперсном слое и в отличие от известных моделей в нее введены принципиальные усовершенствования, заключающиеся в том, что теплофизические свойства обрабатываемых окатышей (коэффициенты модели) являются нелинейными функциями температуры, что позволяет использовать ее в сочетании с моделью прочности для исследования переходных режимов термообработки окатышей на обжиговых конвейерных машинах. С использованием модели впервые получены зависимости изменения прочности окатышей и температурных полей в слое окатышей во времени при изменении нагрузки (скорости ленты) обжиговой машины.