ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМПРОДУКТОВ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦИНКА С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 669.2:000.57

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМПРОДУКТОВ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЦИНКА С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ

А.Л. Рутковский1, М.А. Ковалева1,2, В.М. Алкацев1, А.К. Макоева1

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический

университет), г. Владикавказ, Россия 2Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, Владикавказский

филиал, г. Владикавказ, Россия

Аннотация: основным объектом анализа является поиск оптимальной температуры отходяшдх газов в вельц-печи, при которой достигается максимальная производительность процесса. Изменение расхода кека оказывает влияние на температурный режим печи, а также на качественные показатели процесса. Увеличение расхода кека приводит к увеличению общего объёма сырых материалов, поступающих в печь, на их подогрев и испарения влаги требуется больше. Приведены результаты исследования влияния загрузки шихты и коксика, собраны среднесуточные данные за длительный период работы вельц-печи, которые соответствуют нормальной работе печи, и был проведен анализ влияния расхода кека на температуру отходящих газов, с помощью программного продукта MathCad. Рассмотрены модели взаимосвязи: линейная, кубическая, квадратичная, и для каждого вида модели произведен расчет остаточной дисперсии. Было выявлено, что наименьшая остаточная дисперсия - при кубической регрессионной модели. Полученные результаты являются основой для построения автоматизированной системы регулирования температуры отходящих газов. При автоматизации управления вельц-процессом наряду с задачами контроля и стабилизации режимных параметров целесообразно решать оперативную задачу оптимизации режимов. При этом режиме обеспечена максимальная производительность печи, следовательно, нагрузка на окружающую среду снижается

Ключевые слова: вельц-процесс, регулирование температуры, оптимизация, восстановление, отходящие газы, регрессионный анализ

Введение

Вельц-процесс применяется для переработки материалов с низким содержанием летучих металлов, руды, хвосты, промпродуктов, шламы, золы, шлаков и всякого рода отходов путем нагрева их во вращающейся печи до температуры, при которой извлекаемый металл восстанавливается, в качестве восстановителя используется коксик.

Вельц-процесс представляет собой непрерывный цикл работы трубчатой вращающейся печи барабанного типа, располагающейся под углом 3 , для создания направленного перемещения шихты от верхнего загрузочного торца к нижнему торцу, через который выгружают твердый остаток перерабатываемой шихты. В настоящее время для проведения процесса различные компании используют печи длиной от 40 до 95 м [1-4].

Оптимальный режим вельцевания и показатели процесса зависят от химического, фазового и гранулометрического состава шихты. Эти условия имеют важное значение для процесса. Химизм процессов, протекающих при

вельцевании цинксодержащих материалов, выражается следующими реакциями: В шихте:

2п0+С~2ппар+С0^1 (1)

ZnS04+2C^ZnS+2С02; (2)

ZnOFe2O3+FeO^ZnO+FeOFe2O3 (3)

В газовой фазе окисление СО обеспечивает поддержание температуры:

2СО+О2=2СО2+Q2 (4)

СО2+С^2СО^3 (5)

А цинковые пары окисляются по реакции: 2Znnap+02=2Zn0+Q4 (6)

И уносятся с газовым потоком в пылеуло-вительную систему.

Постановка задачи

Автоматизация вельц-печей позволяет осуществлять контроль и управление параметрами технологического процесса, а также сбор и хранение значений параметров.

Измерение режимных параметров технологического процесса вельцевания цинковых кеков с целью их контроля осуществляется на основе технических средств нижнего уровня автоматизированной системы управления вельц-печью.

Шихта для вельцевания состоит из цинксодержащего окисленного материала и

© Рутковский А.Л., Ковалева М.А., Алкацев В.М., Макоева А.К., 2018

коксика. Содержащийся в шихте коксик служит топливом, восстановителем и "осушителем" — веществом, впитывающим расплавленную часть шихты. Коксик является топливом и восстановителем для процесса вельцевания. Подача коксика должна быть поставлена в зависимость от подачи основного материала - кека. Подачу коксика поддерживают в заданном соотношении в соответствии с расходом кека.

В нижней части печи, после реакционной зоны, происходит остывание клинкера и нагрев воздуха, поступающего в печь. Этот воздух необходим для горения коксика и для окисления паров возгоняемых металлов. Поэтому от температуры в нижней части печи зависит процесс восстановления и возгонки в средней зоне. Значения температуры в нижней части печи в реакционной зоне технологически связаны. От этих параметров зависит в значительной степени полнота извлечения цинка из исходных материалов.

Изменение расхода кека оказывает влияние на температурный режим печи, а также на качественные показатели процесса. Увеличение расхода кека приводит к увеличению общего объёма сырых материалов, поступающих в печь, на их подогрев и испарения влаги требуется больше.

Процесс восстановления цинка и образования клинкера зависят от поступления тепла, которое определяется расходом коксика. Этот показатель является существенным, определяющим стоимость конечного продукта - вельц-окислов. На качество извлечения кека также влияет температурный режим.

Решающим фактором, обеспечивающим высокие технико-экономические показатели вельц-процесса, является соблюдение оптимальных условий его проведения. Температура, при которой восстанавливается окись цинка, и температура перехода цинка в газообразное состояние невысоки (9 1 0-95 00С). Однако в реакционной зоне необходимо поддерживать более высокую температуру (1300-13500С), так как цинк восстанавливается из ферритных и других соединений при более высокой температуре [5].

Методика исследования

В представленной работе основным объектом анализа является температура отходящих газов, которая является интегральной оценкой происходящих в печи процессов. Как

показали данные работы одного из заводов, она нестабильна (рис. 1), поэтому были проведены исследования влияния загрузки шихты и коксика на эту температуру. Очевидно, что оба параметра измеряются с погрешностью, поэтому для получения адекватных моделей необходимо организовать эксперимент по специальной методике [6-8]. С этой целью собраны среднесуточные данные за длительный период нормальной работы вельц-печи.

Рис. 1. Среднесуточная диаграмма температуры отходящих газов в вельц-печи

Были исследованы модели влияния загрузки шихты (т/ч) на температуру отходящих газов (0С): линейная, квадратичная, кубическая. Для каждого вида модели был произведен расчет остаточной дисперсии, вследствие чего выявилось, что наименьшая остаточная дисперсия - при кубической регрессионной модели (таблица).

Функция регрессии ^об!

Линейная у(х)=49,5х+297,4 25,588

Квадратичная у(х)=143,4х2+102,5х-4.5 22,945

Кубическая у(х)=4.5-103-2.2-103Х+379.2 Х2-21.6 Х3 10,793

Поскольку кубическая модель описывает процесс с наиболее высокой доверительной вероятностью, она принята за основу для дальнейших исследований и был проведен анализ влияния расхода кека на температуру отходящих газов, с помощью программного продукта MathCad [9-10].

Расчет параметров регрессионной модели с использованием программного продукта MathCad

Экспериментальные данные температуры отходящих газов tog и расхода кека fkek представлены в виде матриц:

T T

tog := tog fkek := fkek

Вычисляем коэффициенты регрессии с помощью встроенной функции

s := regress (fkek, tog, k)

Строим кривую полинома регрессии, задав полином с помощью функции interp(s, fkek,tog,t):

A(t) := interp(s, fkek, tog, t)

Функция регрессии с доверительной вероятностью 0,99 примет вид:

у(х) := 4.5-103 - 2.2-103х + 379.2х2 - 21.6х3,

где х = 4.9, 5.0 ..., 7.5 - диапазон изменения загрузки т/ч.

Оптимальной количественной оценкой является так называемая стандартная ошибка, равная среднеквадратичному расстоянию от точек экспериментальных данных до прямой (линии регрессии).

Коэффициент корреляции: Corr (tog, fkek)=0.986.

Остаточная дисперсия: Sost = 10.793.

Рассеяние результатов относительно линии оценим с помощью дисперсии Sy, т.е. определяем стандартное отклонение точек от найденной зависимости: Sy = 915.1.

Рассчитанный критерий Фишера: Fr = 84.783.

Табличное значение критерия: Fт = 2.916.

Так как 84,783>2,916, т.е^^т, регрессионная модель значима с доверительной вероятностью у = 0.99

Полученные результаты являются основой для построения автоматизированной системы регулирования температуры отходящих газов.

Согласно экспериментальным данным, был задан диапазон загрузки от 4,9 до 7 т/ч.

Так как полученное уравнение адекватно с высокой доверительной вероятностью, было решено исследовать большее значение загрузки, чем получено в эксперименте, чтобы проверить, как поведет себя процесс. Было выявлено, что далее температура уменьшается, т.е. происходит перегрузка печи. Можно сделать

вывод, что оптимальный рабочий режим находится в диапазоне 6,5-7 т/ч. На рис. 2 представлен график зависимости температуры отходящих газов от расхода кека.

Из рис. 2 видно, что при загрузке кека выше 7 т/ч температура отходящих газов снижается, следовательно, эта величина загрузки печи является оптимальной, т.к. при этом достигается максимальная производительность печи.

ио - j

I |;.г; Эксперимент

Рис. 2. График зависимости влияния расхода кека на температуру отходящих газов

Выводы

При автоматизации управления вельц-процессом наряду с задачами контроля и стабилизации режимных параметров целесообразно решать оперативную задачу оптимизации режимов. В работе предлагается процедура оптимизации.

Из рис. 2 видно, что при увеличении загрузки более 7 т/ч температура отходящих газов уменьшается. Следовательно, можно сделать вывод, что оптимальная рабочая загрузка шихты находится в диапазоне 6,7-7т/ч для обеспечения температуры отходящих газов около 620-630 0С.

Была выбрана модель кубической регрессии и выявлена ее адекватность. За пределами исследуемой области наблюдается понижение температуры, а область рабочего режима определяется в интервале загрузки (6,7-7)т/ч.

При этом режиме обеспечена максимальная производительность печи, следовательно, нагрузка на окружающую среду снижается.

Литература

1. Топчаев В.П. Автоматизация трубчатых вращающихся печей цветной металлургии. М.: Изд-во Металлургия ,1971. 129 с.

2. Вернергольд А.Р., Казаринов Л.С., Колесникова О.В. Оценка производительности вельц-печи при неполной наблюдаемости состояния вельц-процесса // Акту-

альные проблемы технических наук: сб. статей Между-нар. науч.-практ. конф. Уфа: АЭТЕРНА, 2015. С. 41-43.

3. Зайцев В.Я., Маргулис Е.В. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 2010. 192 с.

4. Вернергольд А.Р., Казаринов Л.С., Колесникова О.В. Энергоэффективное управление вельц-процессом // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». 2010. № 22 (198). С. 7578.

5. Ахтамов Ф.Э., Нишонов Б.У. К вопросу переработки цинковых кеков // ТиТМП. 2016. №1 (18). С. 69-72.

6. Оценивание параметров регрессионных моделей промышленных объектов при наличии ошибок измерения входа и выхода / А.Л. Рутковский, Х.С. Хосаев, Б.Д. Билаонов, М.А. Ковалева // Ма1епа1у X Miedzynarodowej naukowi-praktycznej копйгепф "Ак!иа1-

Поступила 27.03.2018;

ne problem nowoczesych nauk - 2014" Volume 26. Tech-niczne nauka. Fizyka. Przemysl. Nauka I studia 07-15 czewca, 2014. С. 49-54.

7. Рутковский А.Л. Саакянц А.А., Старикова Т.В. Моделирование процесса плавления шихты в вельц-печи // Известия вузов. Цветная металлургия. 2005. № 1. С. 6668.

8. Дюнова Д.Н., Рутковский А.Л. Разработка и исследование математической модели процесса вельцева-ния в производстве цинка // Цветная металлургия. 2013. № 4. С. 38-42.

9. Любимов Э. В. Mathcad. Теория и практика проведения электротехнических расчетов в среде Mathcad и Multisim. М.: Наука и техника, 2012. 408 с.

10. Максфилд Брент. Mathcad в инженерных расчетах. М.: Корона-Век, МК-Пресс, 2010. 78 с.

а к публикации 16.07.2018

Информация об авторах

Рутковский Александр Леонидович - д-р техн. наук, профессор кафедры теории и автоматизации металлургических процессов и печей, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), тел. 8(928)855-06-72, e-mail: rutkowskii@mail.ru Ковалева Мария Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры математики и информатики, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, Владикавказский филиал (362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Молодежная, 7); начальник отдела научных исследований НИП, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) «ЭАС» (362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), тел. 8(918)830-90-05, e-mail: mary_kovaleva@list.ru

Алкацев Владимир Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии цветных металлов, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), тел. 8(928)491-10-12, e-mail: avm340@mail.ru

Макоева Алла Константиновна - аспирант кафедры теории и автоматизации металлургических процессов и печей, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (362021, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44), тел. 8(928)859-59-54, e-mail: makoeva_alla@mail.ru

RESEARCH OF INDUSTRIAL PRODUCTS PROCESSING IN THE ROTARY KILNS

IN ZINC PRODUCTION

A.L. Rutkovskiy1, M.A. Kovaleva12, V.M. Alkatsev1, A.K. Makoeva1

'North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Vladikavkaz,

Russia

2Finance University under the Government of the Russian Federation, Vladikavkaz Branch,

Vladikavkaz, Russia

Abstract: the main object of the analysis is to search for the optimum temperature of the exhaust gases in a rotary-kiln, at which the maximum process productivity is reached. Changing the consumption of cake affects the temperature of the kiln, as well as the process quality. The increase in cake consumption leads to an increase in the total volume of raw materials entering the kiln, more of them is required for heating and evaporation of moisture. The results of the study of the influence of batch and breeze coke loading are presented, the average daily data for a long period of operation of the rotary kiln, which correspond to the normal operation of the kiln, are collected, and the influence of the cake consumption on the temperature of the exhaust gases was analyzed using the software product MathCad. Models of interrelation are considered: linear, cubic, quadratic, and residual dispersion is calculated for each type of model. It was found that the smallest residual variance occurs with a cubic regression model. The obtained results are the basis for constructing an automated system for controlling the temperature of the waste gases. When automating the control of the waelz process, in addition to the tasks of monitoring and stabilizing the regime parameters, it is expedient to solve the operational problem of optimizing the regimes. With this mode, the maximum capacity of the furnace is ensured, therefore, the environmental load is reduced

Key words: waelz-process, temperature control, optimization, recovery, exhaust gases, regression analysis

References

1. Topchaev V.P. "Automation of tubular rotating kilns of non-ferrous metallurgy" ("Avtomatizatsiya trubchatykh vrashcha-yushchikhsya pechey tsvetnoy metallurgii"), Moscow, Metallurgiya, 1971, 129 p.

2. Wernergold A.R., Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V. "Evaluation of the performance of a Waelz kiln with incomplete observability of the state of the waelz process", Actual problems of engineering: proc. of the International Scientific and Practical Conference (Aktual'nyeproblemy tekhnicheskikh nauk: sb. stateyMezhdunar. nauch.-prakt. konf.), Ufa, AERTERNA, 2015, pp. 41-43.

3. Zaitsev V.Ya., Margulis E.V. "Metallurgy of lead and zinc" ("Metallurgiya svintsa i tsinka"), Moscow, Metallurgiya, 2010,

192 p.

4. Wernergold A.R. Kazarinov L.S., Kolesnikova O.V. "Energy-efficient management of the waelz process", The Bulletin of SUSU Series "Computer technologies, management, radio electronics" (Vestnik YuUrGU. Seriya "Komp'yuternye tekhnologii, up-ravlenie, radioelektronika"), 2010, no. 22 (198), pp. 75-78.

5. Akhtamov F.E., Nishonov B.U. "To the question of processing zinc cakes", TiTMP, 2016, no. 1 (18), pp.69-72

6. Rutkovski A.L., Khosaev Kh.S., Bilaonov B.D., Kovaleva M.A. "Estimation of parameters of regression models of industrial objects in the presence of input and output measurement errors", Proc. of XInt. Sci. andPract. Conf. "Modern Sci. Problems " (Ma-terialy XMiedzynarodowej naukowi-praktycznej konftrencji "Aktualne problem nowoczesych nauk), 2014, vol. 26, pp. 49-54

7. Rutkovskiy A.L., Saakyants A.A., Starikova T.V. "Modeling of melting process of charge in a Waelz kiln", Proceedings of Higher Educational Institutions. Non-ferrous Metallurgy (Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya), 2005, no.1, pp. 66-68.

8. Dyunova D.N., Rutkovskiy A.L. "Development and study of the mathematical model of the process of welt in the production of zinc", Proceedings of Higher Educational Institutions. Non-ferrous Metallurgy (Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya), 2013, no. 4, pp. 38-42.

9. Lyubimov E.V. "Mathcad. Theory and practice of conducting electrical calculations in the Mathcad and Multisim environment" ("Mathcad. Teoriya i praktika provedeniya elektrotekhnicheskikh raschetov v srede Mathcad i Multisim"), Moscow, Nauka i tekhnika, 2012, 408 p.

10. Maxfield B. "Mathcad in engineering calculations" ("Mathcad v inzhenernykh raschetakh"), Moscow, Korona-Vek, MK-Press, 2010, 78 p.

Submitted 27.03.2018; revised 16.07.2018 Information about the authors

Aleksandr L. Rutkovskiy, Dr. Sc. (Technical), Professor, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University) (44 Nikolaeva str., RSO-Alaniya, Vladikavkaz, Russia), tel. 8(918)821-91-02, e-mail: rutkowskii@mail.ru Mariya A. Kovaleva, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Finance University under the Government of the Russian Federation, Vladikavkaz Branch; and Head of the Department of scientific research of North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University) (44 Nikolaeva str., RSO-Alaniya, Vladikavkaz, Russia), tel. 8(918)830-90-05, e-mail: mary_kovaleva@list.ru

Vladimir M. Alkatsev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Head of the Department of "Metallurgy of Non-Ferrous Metals" North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University) (44 Nikolaeva str., RSO-Alaniya, Vladikavkaz, Russia), tel. 8(928)491-10-12, e-mail: avm340@mail.ru

Alla K. Makoeva, Graduate student, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University) (44 Nikolaeva str., RSO-Alaniya, Vladikavkaz, Russia), tel. 8(928)859-59-54, e-mail: makoeva_alla@mail.ru