Горенский Б.М., Кирякова О.В., Даныкина Г.Б. Информационные технологии в металлургии. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

вышение расхода энергии (приблизительно на 1,5 %), увеличивают расход

фторсолей, что связано с усилением их испарения в результате перегрева

электролита, уменьшают катодный выход по току по той же причине. Кроме

того, анодные эффекты приводят к неравномерной работе преобразователей

тока. Поэтому желательно уменьшение числа анодных эффектов или работа

при их отсутствии. Но так как возникновение анодного эффекта связано с

обеднением электролита глиноземом, то оно является методом контроля ра-

боты ванны, т.е. нормальной выработки глинозема. Производительность

электролизера определяется выражением:

= K

I t η

-6

, т (5.21)

где К

– электрохимический эквивалент алюминия, г/А·ч; I – сила тока, А; t –

длительность процесса электролиза, ч.; η

– выход по току, %.

Нормально работающая ванна имеет производительность 1900–1950

кг/сут. Приведенный анализ технологического процесса электролиза показал,

что данный процесс характеризуется большим количеством параметров, их

сложной взаимосвязью. Поэтому для улучшения технико-экономических по-

казателей необходимо автоматическое управление процессом электролиза, а

также повышение квалификации обслуживающего персонала.

ОПИСАНИЕ ТРЕНАЖЕРА

В состав тренажера "Автоматизированная обучающая система основам

управления процессом электролиза алюминия" входят: теоретическое описа-

ние процесса электролиза алюминия; автоматизированная обучающая систе-

ма; автоматизированная контролирующая программа; автоматизированная

демонстрационная программа и автоматизированная база данных.

Теоретическое описание процесса электролиза алюминия, позволяю-

щее изучить основные реакции, протекающие при электролизе алюминия, и

изучить влияние основных управляющих воздействий на технико-

экономические показатели процесса электролиза.

Автоматизированная обучающая система, позволяющая исследовать

процесс электролиза в нормальном и аварийном режимах как в реальном, так

и в ускоренном масштабе времени. Автоматизированная обучающая система

позволяет организовать управление процессом как с точки зрения достиже-

ния оптимального (экстремального) значения одного параметра, так и с по-

зиций системного подхода, при котором управление реализуется с точки зре-

ния достижения оптимального значения процесса в целом. Это значит, что

при организации управления обучаемый должен добиться максимально воз-

можного значения всех параметров, по которым производится оценка функ-

ционирования процесса электролиза алюминия.

Автоматизированная контролирующая программа, которая позволяет

организовать автоматизированный контроль знаний электролизников. Оцен-

ка знаний электролизников производится по двум направлениям. Первое

предусматривает оценку практических навыков, которая производится по ре-

зультатам управления процессом электролиза алюминия по графикам, полу-

ченным в результате управления. Второе направление предполагает проверку

теоретических знаний основ процесса электролиза алюминия и знаний основ

охраны труда и электробезопасности. С этой целью в состав автоматизиро-

ванной контролирующей программы включены теоретические вопросы (бо-

лее 100), из которых с помощью генератора случайных чисел выбирается 10

вопросов, на каждый из которых имеется четыре ответа, один из которых

верный. Обучаемый должен выбрать ответ, который он считает правильным,

причем время ответа ограничено и составляет одну минуту. В случае, если

обучаемый не успел ответить на вопрос, то автоматически задается следую-

щий вопрос, а ответ на предыдущий вопрос считается неверным. Оценка вы-

ставляется по пятибалльной системе.

Автоматизированная демонстрационная программа, работающая в ав-

томатическом режиме без участия человека и позволяющая обучаемому

предварительно ознакомиться с методикой использования тренажера. В связи

с этим изучение процесса и работы целесообразно начинать с демонстраци-

онной версии.

Автоматизированная база данных, которая автоматически формирует-

ся и пополняется сведениями о сдаче электролизниками квалификационных

экзаменов на разряд. База позволяет преподавателю проверять оценку сдачи

экзаменов и формировать сводные ведомости электролизников, прошедших

обучение и сдавших экзамены.

ОПИСАНИЕ ТРЕНАЖЕРА

Вид интерфейса пользователя представлен на рисунке 5.1

Рис. 5.1- Мнемосхема компьютерного тренажера «Электролиз алюминия»

В имитационной модели предусмотрены:

1. Мнемосхема технологического процесса электролиза алюминия;

2. Полоски ввода входных параметров, с кнопками их увеличения и

уменьшения;

3. Кнопки выполнения основных технологических операций: гашения

анодного эффекта, добавления глинозема и выливки металла;

4. Меню, в котором отображаются все доступные функции модели:

режим обучения;

режим исследования;

режим презентации (работы в автоматическом режиме);

режим контроля знаний;

теоретическое описание процесса электролиза.

5. Табло состояния модели, где приводятся текущие значения выход-

ных параметров, значения времени и масштаба времени, а также информация

о нарушениях хода технологического процесса;

6. Графики изменения во времени выходных параметров (за последние

24 часа). Для всех предоставленных видов графиков работают функции де-

монстрации сетки и дополнительных (промежуточных) меток.

Порядок выполнения работы

1. Загрузка тренажера и выбор режима работы.

1.1 Изучите теоретические сведения и описание тренажера.

1.2 Изучите функции клавишей.

1.3 Ознакомьтесь с порядком работы тренажера.

1.4 Включите компьютер.

1.5 В меню « Пуск | Программа» выберите режим работы тренажера:

демо, который предназначен для изучения работы тренажера в

автоматическом режиме;

режим обучения, который предназначен для обучения электролизника

навыкам оптимального управления процессом;

режим исследования, который предназначен для анализа процесса обу-

чения и выбора оптимальных параметров процесса электролиза;

режим контроля знаний, который предназначен для оценки теоретиче-

ских знаний процесса электролиза.

2. Демонстрационный режим работы тренажера.

2.1 Установите режим "Демо" и запустите программу на выполнение.

2.2 Ознакомьтесь с последовательностью выполнения операций и

приемами, с помощью которых производится ликвидация аварийных режи-

мов.

2.3 Перейдите в режим обучения через меню. В режиме обучения

можно исследовать различные режимы работы электролизера и проанали-

зировать влияние управляющих воздействий на выходные параметры про-

цесса электролиза.

3. Исследование влияния входных (управляющих) параметров на вы-

ходные параметры процесса электролиза.

3.1 Выберите выходной параметр (температура, производительность,

удельный расход электроэнергии, выход по току), изменение которого вы

будете исследовать. Примечание. Если Вы хотите выделить на графике коор-

динатную сетку, нажмите правую кнопку на клавиатуре «мышь».

3.2 Введите исходные данные, характеризующие начальное состояние

процесса (по заданию преподавателя).

3.3 Выберите и установите масштаб времени в соответствии с заданием

преподавателя или индивидуальными способностями.

3.4 Изменяя величины входных параметров, добейтесь оптимального

значения выходного параметра.

3.5 По окончании процесса обучения войдите в режим исследования и

проанализируйте влияние каждой из входных величин на выходные парамет-

ры.

3.6 Определите природу влияния входных параметров на выходные.

4. Изучеие влияния входных (управляющих) параметров на выходные

параметры процесса электролиза в режиме исследования.

Чтобы выбрать выходной параметр (температура, производительность,

удельный расход электроэнергии, выход по току), изменение которого будете

исследовать, следует через меню «Режима работы» выбрать нужный график.

Если при этом потребуется перейти на другой выходной параметр, на-

жать правую клавишу на клавиатуре «мышь».

Для выбора входного параметра подвести курсор к графику входного

параметра и нажать правую клавишу на клавиатуре «мышь» и затем подвести

курсор к интересующему параметру.

4.1 Исследовать механизм выливки металла: осуществите выливку ме-

талла; проанализировать изменения входных и выходных параметров систе-

мы.

4.2 Исследовать работу электролизера во время анодного эффекта:

ввести электролизер в режим анодного эффекта (для этого следует

уменьшить содержание глинозема в электролите до значения, меньшего 1%);

последовательно произвольно изменять величины входных парамет-

ров;

по окончании войти в режим исследования и проанализировать влия-

ние каждой из входных величин на каждую из выходных;

объяснить природу влияния величин друг на друга.

4.3 Исследовать режим подачи глинозема и выбрать оптимальный:

последовательно варьировать режимы автоподачи глинозема, при этом

изменять значения различных входных параметров, продолжая анализиро-

вать изменения выходных параметров;

выбрать тот режим подачи глинозема, который в большей степени удов-

летворяет процессу электролиза алюминия;

объяснить выбор.

4.4 Оптимальное управление процессом электролиза алюминия:

установить один из методов автоподачи глинозема или отключить ав-

топодачу.

выбрать оптимальный масштаб времени.

попытаться осуществить оптимальное управление процессом электроли-

за алюминия с позиции системного подхода, используя изменения величин

входных параметров, а также основные управляющие воздействия, добиваясь

при этом экстремально возможного значения всех выходных параметров.

5. Оценка теоретических знаний процесса электролиза в режиме кон-

троля знаний:

нажав клавишу "Режим контроля знаний", войти в режим контроля и за-

пустите программу;

выбрать один из четырех предложенных вариантов ответов на вопросы.

(Помните, что время ответа ограничено).

После ответа на все вопросы на экран дисплея выводится общая оценка

теоретических знаний. Оценку практических навыков работы электролизни-

ков производит преподаватель.

Контрольные вопросы и задания

1. Приведите основные реакции, протекающие на аноде.

2. Каким основным требованиям должно отвечать сырье, используемое

при электролизе?

3. Какое влияние оказывают основные добавки на процесс электролиза?

4. Приведите основные параметры, характеризующие процесс электролиза.

5. Какие факторы влияют на выход по току?

6. Какое влияние на процесс электролиза оказывает увеличение температу-

ры?

7. Как влияет на основные показатели процесса электролиза криолито-

вое отношение?

8. Поясните причину возникновения анодного эффекта.

9. Какое влияние оказывает на процесс анодный эффект?

10. Что является основой функционирования тренажера?

11. Приведите математическую модель зависимости выхода по току

от основных управляющих воздействий.

12. Как производится идентификация моделей?

13. Приведите основные функции тренажера.

14. Приведите порядок работы с тренажером.

15. Поясните назначение основных клавиш.

16. Поясните, как производится управление удельным расходом, произ-

водительностью.

17. Как влияет на процесс изменение уровней металла и электролита?

18. Поясните, как производится управление выходом по току и температу-

рой.

19. Поясните сущность управления с позиций системного подхода.

20. Как производится управление в аварийном режиме?

Лабораторная работа №6

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРО-

ЦЕССА СПЕКАНИЯ НЕФЕЛИНО-ИЗВЕСТНЯКОВОЙ ШИХТЫ ВО

ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

Цель работы. Закрепление теоретического материала по технологии

спекания нефелино-известняковой шихты; изучение влияния управляющих

параметров на основные технико-экономические показатели, характеризую-

щие технологический процесс; приобретение навыков имитационного управ-

ления вращающейся печью.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

Спекание шихты осуществляется в переделе спекания глиноземного

комбината. Технологическая нитка передела включает в себя: вращающуюся

печь спекания 5× 185 м, колосниковый холодильник «Волга-125С» и после-

довательно стоящие мультициклоны и электрофильтры.

Нефелино-известняковая шихта подается наливом в холодный конец

печи. По проекту шихта должна иметь следующий состав, % масс.:

Данный состав шихты соответствует известняковому модулю:

CaO/SiO

≈ 2 и щелочному модулю (Na, K)

O/Al

≈ 1, что обеспечивает

полное связывание окиси алюминия и окислов щелочных металлов в щелоч-

ные алюминаты, а соединений кремния – в двухкальциевый силикат.

При движении шихты по длине печи с ней происходят различные фи-

зико-химические превращения:

Сушка и грануляция шихты происходят в зоне сушки и дегидратации

при температуре горячих газов до 750

С.

Влажная шихта перемещается вдоль оси печи, сначала подсушивается

теплом идущих ей навстречу горячих газов. Для улучшения теплообмена

между горячими газами и материалом в холодной части печи подвешены це-

пи. В начале цепной зоны текучая влажная шихта тонким слоем покрывает

внутреннею поверхность печи и цепи, находящиеся в газовом потоке, благо-

даря чему поверхность ее соприкосновения с газами увеличена. Здесь на це-

пях, покрытых шихтой, оседает часть пыли, содержащейся в газовом потоке.

Постепенное повышение температуры шихты приводит к тому, что испа-

ряется содержащиеся в ней вода. Когда содержание воды достигает 24–26%,

шихта превращается в тестообразную массу, которая толстым слоем налипа-

O CaO SiO

MgO П.П.П. Прочие H

8.11 6.19 23.23 12.42 1.11 0.4 18.54 0.98 29

ет на внутреннюю поверхность печи и цепи и образует комья, что замедляет

процесс сушки. Разбивая настыли и комья, цепи интенсифицируют сушку

шихты. Достигнув влажности 14–16%, шихта теряет пластичность, комья

распадаются, образуются сначала куски, а затем гранулы и сушка происходит

быстрее. С этого момента и передача тепла материалу цепями осуществляет-

ся по регенеративному принципу: они нагреваются во время нахождения в

газовом потоке и при погружении в материал передают ему тепло. В этой

части печи цепи разрушают гранулы и способствуют образованию пыли. На

выходе из этой зоны влажность шихты должна составлять 0%, так как это

определяет транспортную производительность материала и существенно

влияет на протекание процессов теплообмена, пылевыноса и физико-

химических превращений.

В зоне подогрева абсолютно сухой материал движется как сыпучее те-

ло по пересыпному механизму движения, получая тепло от газов и футеров-

ки.

В области зоны декарбонизации материал достигает температуры 700–

1000

С и происходит разложение известняка по следующей реакции:

CaCO

 CaO + CO

(6.1)

В зоне спекания происходит новообразование растворимых алюмина-

тов и нерастворимых силикатов (спекообразование) при температуре мате-

риала 1000 – 1300

С по следующим реакциям:

(Na, K)

O·AI

·2SiO

+ 4CaO  (Na, K)

O·AI

+ 2(2CaO·SiO

)

(6.2)

(Na, K)

O·AI

·2SiO

+ 4MgO  (Na, K)

O·AI

+ 2(2MgO·SiO

)

(6.3)

O·AI

+ Fe

 K

O·Fe

+ AI

(6.4)

+ Na

 Na

O·Al

+ CO

(6.5)

Только что образованный оксид кальция по реакции (6.1) и оксид маг-

ния находящийся в шихте в виде примесей в результате дальнейшего повы-

шения температуры материала вступают в реакцию с нефелином, образуя

моноалюминат калия и натрия, а также силикаты кальция и магния (6.2, 6.3).

Освободившийся моноалюминат калия начинает реакцию с оксидом

железа также находящегося в шихте в виде примесей с образованием ферри-

та калия и свободной окиси алюминия (6.4). Окись алюминия в виду своей

высокой активности вступает в реакцию с содой, в результате которой обра-

зуется полезный продукт – алюминат натрия (6.5).

Окись кальция, образующаяся в процессе разложения известняка, об-

ладает значительной активностью, поэтому наряду с основными реакциями

(6.2)-(6.5) идут реакциями с образованием промежуточных продуктов в част-

ности с образованием тройных соединений (натриево-кальциевых силика-

тов):

O·SiO

+ CaO  Na

O·CaO·SiO

(6.6)

O·SiO

+ CaO·SiO

 Na

O·CaO·SiO

+ SiO

(6.7)

Наличие тройных соединений, образовавшихся в процессе спекания,

уменьшает извлечение глинозема и щелочи, так как эти соединения слабо

разлагаются при выщелачивании.

В зоне охлаждения материал, нагретый до температуры 1250–1300

С,

подвергается высокотемпературному охлаждению до температуры 900–

1000

С.

Газы для нагрева шихты в печи образуются при сжигании топлива в

горячей головке печи. В качестве топлива используется уголь и мазут. Пер-

вичный воздух необходимый для горения подается вместе с угольным по-

рошком непосредственно к форсунке, вторичный воздух закачивается из хо-

лодильника подогретым до температуры 500 – 700

С. Для “тонкого” регули-

рования температуры факела, в печь, через вторую форсунку подается воз-

дух, смешанный с технологической пылью.

Газовый поток, двигаясь по печи, поднимает с поверхности слоя мате-

риала отдельные частицы (пыль). Крупные частицы оседают в печи, мелкие

выносятся за ее пределы и улавливаются в системе газоочистки и с помощью

пневмотранспорта подаются в бункер технологической пыли.

Окончательное охлаждение спека осуществляется в колосниковом хо-

лодильнике. Отходящие газы после отчистки выбрасываются в атмосферу, а

часть их используется для карбонизации алюминатного раствора.

Материальный и тепловой баланс процесса спекания

Во всех металлургических агрегатах протекает сложный комплекс взаи-

мосвязанных физико-химических превращений, изменение агрегатного со-

стояния веществ, химические реакции, массо- и теплоперенос, механическое

движение потоков (гидродинамика) и т.д.

Математическое описание перечисленных физико-химических процес-

сов имеет особое значение при создании математических моделей тепловых

полей вращающейся печи, дляпостроения которых используются данные,

приведенные в табл. 6.1,6.2.

Таблица 6.1

Материальный баланс процесса спекания нефелино-известняковой

шихты во вращающейся печи 5 × 185 м

Приход % Расход %

Сухая шихта

Вода шихты

Топливо

Воздух

Оборотная пыль

30,5

13,6

2,4

45,9

7,6

Спек

Отходящие газы

Оборотная пыль

22,2

70,0

7,8

Всего 100 Всего 100

Таблица 6.2

Тепловой баланс процесса спекания нефелино-известняковой шихты во

вращающейся печи 5 × 185 м

Приход % Расход %

Тепло сгорания топлива

Физическое тепло топлива

Тепло шихты

Тепло воздуха

Тепло оборотной пыли

96,2

0,5

3,7

-1,1

0,7

Тепло спекообразования

Тепло на испарение влаги

Тепло с отходящими газами

Тепло с пылью

Тепло со спеком

Потери тепла с избыточным

воздухом

Потери тепла в окружающую

среду

Неучтенные потери

22,3

34,6

19,5

2,2

1,6

4,2

4,5

2,1

Всего 100 Всего 100

Анализ влияния основных технологических параметров на эффек-

тивность процесса спекания

Основными технологическими параметрами во вращающейся печи яв-

ляются расходы материальных потоков, а параметры, отражающие эффек-

тивность ведения процесса спекания – это параметры качества конечного

продукта – спека, а также экономические показатели. Именно с материаль-

ными потоками в печь поступают основные возмущающие воздействия,

влияющие на качество спека.

Расход шихты поступающей в печь определяет

массовую производи-

тельность всей технологической линии. Однако необходимо следить, чтобы

расход шихты не превышал проектный, так как может произойти переполне-

ние рабочего пространства печи, что вызовет неполный прогрев и спекание

шихты и как следствие неполное извлечение полезных продуктов (окиси

алюминия и щелочей).

Большое влияние на качество и извлечение глинозема оказывает сте

пень помола шихты. Следует избегать переизмельчения компонентов шихты,

так как это увеличивает потери ценных компонентов еще не вступивших в

реакции за счет увеличение пылевыноса мелкой фракции из печи.

Изменение химического состава шихты (известняковый и щелочной

модули) ведет к нарушению обменных реакций, что вызывает неполное свя-

зывание кремния, окиси алюминия и щелочных металлов, что ухудшает ка-

чество спека.

Повышение влажности шихты приводит к снижению производительно-

сти печи, сдвигу условных зон, перерасходу топлива, ухудшению качества

спека и уменьшению извлечения окиси алюминия (рисунок 6.1). Низкая вла-

га шихты приводит к повышенному пылевыносу, что также снижает извле-

чение ценных компонентов.

27 28 29 30 31 32 33

Извлечение глинозема, %.

Влажность шихты, %.

Рису. 6.1 – Зависимость извлечения глинозема от влажности шихты

900

950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

10 20 30 40 50 60 70 80

Температура материала,

С.

Расход воздуха, %.

Рис. 6.2 – Зависимость температуры в печи от расхода воздуха

Расходы мазута, угольного порошка, технологической пыли, первично-

го и вторичного воздуха определяют тепловой режим печи. Изменение рас-

хода воздуха также влияет на температуру в печи (рисунок 6.2). Увеличение

расхода воздуха повышает температуру в печи за счет увеличения количества

элементарных реакций между углем и кислородом воздуха. Полый участок

графика свидетельствует о полном сжигании топлива, при котором коэффи-

циент избытка воздуха оптимальный. Дальнейшее повышение расхода воз-

духа может привести к уменьшению температуры в печи, так как будет рас-

ходоваться тепло на подогрев воздуха не участвующего в реакции горения.

Недостаток воздуха приводит к неполному сжиганию топлива, его перерас-

ходу и созданию аварийной ситуации на электрофильтрах, ухудшению каче-

ства спека. О количестве воздуха судят по концентрации кислорода в отхо-

дящих газах, которое должно составлять 3–4%.

Увеличение температуры в печи повышает извлечение глинозема (ри-

сунок 6.3). Данная тенденция соответствует физической химии процесса спе-

кания, так как с ростом температуры увеличивается содержание жидкой фа-