Развитие теории и совершенствование технологии производства графитированной электродной продукции на основе математических моделей массо- и теплопереноса - Автореферат

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГРАФИТИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПРОДУКЦИИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МАССО-И ТЕПЛОПЕРЕНОСАРабота выполнена на кафедре «Теории и автоматизации металлургических процессов и печей» Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета) Официальные оппоненты: «Заслуженный деятель науки РФ», доктор технических наук, профессор Цемехман Лев Шлемович «Заслуженный деятель науки РФ», доктор технических наук, профессор Раннев Георгий Георгиевич доктор технических наук, профессор Алкацев Михаил Иосифович Защита состоится «25 » декабря2009 г.в14ч. на заседании диссертационного СОВЕТАД212.246.05при Северо-Кавказском горно-металлургическом институте(государственном технологическом университете) по адресу: 362021, Республика Северная Осетия-Алания, г.Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методологии, математических моделей и алгоритмов моделирования металлургических технологических систем и процессов, в получении новых результатов по термообработке во вращающихся печах, измельчению в барабанной печи и шихтовке материалов. При моделировании печь по длине разбивают на несколько участков, в пределах каждого из которых выделяют три вида зон: по две на поверхностях обрабатываемого слоя материала (слой, или материал) и незакрытой материалом поверхности кладки футеровки печи (кладка), а также объемную газовую зону (газ). С целью расчета их значений математическая модель (10) дополнена нами на первом этапе следующей системой кинетических уравнений физико-химических превращений периодического процесса прокаливания: (11) где , , , , , - индексы кислорода, топлива, прокаливаемого материала, летучих веществ в материале, углеродистой части материала и газа соответственно; - безразмерная концентрация; - время прокаливания; - удельный расход кислорода на горение; - макрокинетическая константа скорости горения; Sm - удельная поверхность прокаливаемого материала; 0 - индекс начального значения переменной. Применительно к непрерывному процессу прокаливания на втором этапе на основе модели (11) синтезирована следующая система уравнений математической модели физико-химических превращений, определяющая распределение искомых параметров по длине вращающееся печи: (12) где wг , wm - средняя по сечению скорость движения газа и материала относительно печи; - расстояние по оси от торцовой зоны горячей головки печи. Уравнения математической модели подсистемы «Движения газа и материала» основаны на известных соотношениях неразрывности потоков газа и материала, а также на геометрических зависимостях, описывающих конфигурацию рабочего пространства печи, составляют следующую систему: (15) где - длина печи; - общее время пребывания материала в печи; - площадь поперечного сечения потока материала (сегмента); - насыпная плотность материала; - площадь поперечного сечения газового потока; - внутренний радиус печи; - центральный угол сегмента материала; - плотность газа на-ом участке.Этот комплекс объединяет математические модели подсистем «Физико-химических превращений», «Движения газа и материала» и «Теплообмена» и позволяет моделировать процесс прокаливания в периодическом, а также в непрерывном прямоточном и противоточном режиме. Математические модели подсистемы «Физико-химических превращений» описывают процессы горения топлива, отгонки летучих веществ, взаимодействие их и прокаливаемого материала с газовой фазой, поэтому общий комплекс моделей всей системы может применяться в качестве базового для моделирования широкого круга процессов термообработки во вращающейся печи. Уравнение скорости выгорания топлива использовано в математической модели «Физико-химических превращений» и совместно с уравнениями теплообмена может применяться для исследования горения топлива в других промышленных агрегатах. Создана новая технология прокаливания углеродистых материалов (патенты РФ на изобретения № 2250918 и № 2312124) в аппаратном комплексе «подогреватель - вращающаяся печь», включающая прокаливание во вращающейся печи предварительно нагретого материала, дожигание горючих компонентов отходящего из печи газа и нагрев исходного материала в барабанном подогревателе. Синтезирован комплекс математических моделей технологической системы «Прокаливание углеродистых материалов в аппаратном комплексе «подогреватель - вращающаяся печь»» и разработан программный продукт для расчета процесса прокаливания.