CC BY
7
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. №14
2004 р.
ТЕХНОГЕННА БЕЗПЕКА
УДК 502:658.56.001.5
Волошин B.C.1, Данилова Т.Г.2
МИНИМИЗАЦИЯ ПОТОКОВ ОТХОДООБРАЗОВАНИЯ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Исследован метод управления экологической безопасностью отходообразующего металлургического производства. Предложена математическая модель процессов отходообразования на основе теории графов и модификация метода декартового произведения для двух графов, один из которых неполный, а второй дополненный к нему, характеризующие замкнутость производственного цикла. Разработаны рекомендации по реализации предложенных организационно-технических мероприятий в промышленных условиях. Предложены малоотходная технология ремонта и конструкция устройства для ремонта сталевьтуск-ных отверстий большегрузных мартеновских печей, позволяющие минимизировать потоки отходов огнеупоров.
Металлургическое производство является доминирующим для промышленных регионов Украины. Все эти регионы находятся в списке крайне неблагополучных в экологическом плане зон.
Результатом деятельности металлургических предприятий является накопление большого количества отходов в виде шлаковых отвалов, шламовых отстойников, свалок и др. Кроме того, огромное количество отходов связано с далеким от оптимальности выполнением отдельных производственных и технологических функций, например, по использованию вспомогательных материалов, изделий разового использования. Ввиду того, что длительное время отходы металлургического производства не находили широкого применения и, при невысоких темпах развития металлургии, не представляли угрозы для окружающей среды, вопросы их минимизации не стояли так остро, а методы утилизации желали быть более эффективными. Поэтому, проблема минимизации потоков отходообразования для металлургических предприятий является крайне актуальной.
Данному вопросу посвящено достаточно исследований отечественных и зарубежных авторов [1-3]. Недостатком существующих работ является то, что в них не раскрыты причины, затрудняющие прогнозирование тенденций и перспектив развития отходообразования., в том числе, отходообразования, Не учтены параметры, определяющие динамику ресурсов (в первую очередь, многообразие свойств и структур ресурсопотоков; устойчиво возрастающие в течение небольшого периода времени потоки сырьевых ресурсов;; рассеяние ресурса при превращении его в товарную продукцию и, в особенности,, в особенности, при его утилизации;; скачкообразные, возмущающие явления организационного порядка) и ответная реакция среды обитания на эти изменения.
Целью настоящей работы является оптимизация ресурсопотоков отходообразования в области их повышения экологической безопасности промышленных производств.
Рассмотрим возможности использования методологии управления потоками отходообразования при решении конкретной практической задачи.
Возможности метода декартовых произведений на полном объеме заданности исходных данных заключаются в том, что он обеспечивает более глубокое изменение свойств исходных графовых структур, многовариантность тождественных графопостроений и в конечном результате - возможность широкого варьирования функциональных структур моделируемых процессов с целью их оптимизации. Это эффективно при использовании графосинтезного метода в качестве
1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. преп.
изыскательского прогнозирования новых технологий утилизации неучтенных потоков отходооб-разования в существующем производстве.
В этом плане представляет интерес графопостроительная пара: неполный функциональный граф, отражающий состояние основной системы, и граф, дополненный до полного, который имеет функцию уравновешивания суммарной весовой функции полного графа. Этим создается формализованная структура, в которой суммарная весовая функция вершин или ребер, отражающая состояние материальных потоков, стремится к нулю.
Покажем это на примере оптимизации неучтенных потоков при ремонтах сталевыпускных отверстий металлургических печей.
Ремонт сталевыпускного отверстия осуществляется по мере износа огнеупорной футеровки в канале, либо в результате аварийных ситуаций, связанных с возможными уходами металла из печи. В большей мере это относится к стационарным мартеновским и двухванным печам, в меньшей мере - к качающимся и электродуговым.
К неучтенным, теряемым потокам здесь относится магнезитовая набивка, огнеупорные кольца, песок, футеровка арки отверстия. В плане прогнозирования оптимальных потоков в условиях известных функциональных структур производственного процесса, перспективы его развития могут быть связаны с нахождением более рациональных способов реализации известных функций этого процесса, экономией заведомо неучитываемых отходов, определения объема требуемого многообразия ресурсов, которые необходимо иметь для бесперебойной работы системы. Подобные задачи имеют решение, если в материалопотоках не принимают участия потоки отхо-дообразования [4]. В настоящей работе рассмотрен случай, когда ставится задача учета предварительно подготовленных потоков отходообразования этого же производства.
Технология ремонта сталевыпускного отверстия включает две укрупненные функции - очистка арки от остатков старой футеровки и формирование кладки нового отверстия. Графопостроительная модель этого процесса представлена на рисунке 1, а. Здесь указаны следующие функции: л - организация потока сыпучих материалов, смесей, инструмента; Р1 -вырубка внешней футеровки арочного проема; Ш1- очистка арочного проема от леточных колец; т2- очистка арочного проема от магнезитовой набивки; Р2- вырубка каверн и металломагнезитовой диафрагмы у основания канала (функции ть т2, Р2 обеспечивают обратный поток отходообразования, который не учитывается в качестве возможного для утилизации); т3- укладка леточных колец для нового канала; т4- укладка шаблона; т5- подача магнезитового порошка в арочный проем; Р3- уплотнение магнезитовой набивки; т6- кладка внешней футеровки арочного перекрытия; т7- подача руды в основание канала; т8- заделка сталевыпускного канала (т3, т4. т5, Р3, т6, т7, т8 - прямые потоки отходообразования, неучитываемые при утилизации).
Рассмотрим частный орграф Ней на вершинах Н°={а1,а2,...,аб}, который описывает технологию очистки арочного пространства от остатков старой футеровки, являющуюся наиболее ответственной за образование неучтенных потоков отходообразования (рис. 1).
Алгоритм синтезирования функциональной структуры новой технологии очистки имеет следующий вид.
1 - функция демонтажа Ваховского висячей вершины а, и принадлежащего ей ребра Р2 на графе Не в. Результирующий граф Н1(а2, а3, гц, а5', Рь (-111,). g(a3,a5'));
2 - выделение частного графа Н2еНь с вершинами Н2°(а3,а4,а5') и ребрами Н2'((-т1), g(a3,a5'));
3 - декартово произведение графа Н2 на себя;
4 - стягивание графа Н1 на вершинах а3 и гц. Результирующий граф Н3;
5 - декартово произведение графа Н3 на себя.
При демонтаже висячей вершины а, и ребра Р2 весовая функция смежной вершины а^' §(а5') = §(а5)-§(Р2)/§(а6), а весовая функция смежного ребра
§(а3,а5') = 8(-т2) - §(Р2>^(-т2)/§(а6), где §(Р2) и g(-m2) - весовые функции соответствующих ребер графа Н; g(a5) и g(a6) - весовые функции соответствующих вершин графа Н.
Для частного графа Н2(а3,а4,а5',(-т1)^(а3,а5')) определен дополнительный граф ~Н2(а4,а5',(а4,а5')) (рис.1,в).
Запишем декартово произведение графа Н2 на себя согласно формуле в следующем виде
Н2' = ((а4,а4),(а5'а5'))
Результирующий граф Н1 имеет две изолированные вершины (рис.1,г). В результате стягивания графа Н1 на вершинах а;, и а4 имеем последовательный граф (рис.1,д), который методом декартового произведения можно преобразовать в следующий (рис.1,е). Для него по формуле имеем
Н3' = ((а2,а2),(а5',а5'))
в:
щнт.
а)
б)
г)
е)
где НзеНДаз'ла^.
В результате гомео-морфного удаления в исходной графовой структуре трех этапных тактов общая функциональная нагрузка в системе снизилась на три пункта.
Граф функциональной структуры синтезированной технологии ремонта стале-выпускного отверстия
(рис.1,ж) в первой своей половине, описываемой графом Ней, предусматривает следующие комплексные функции, обеспечивающие упорядочение потоков отхо-дообразования (качественный анализ):
1. р - организация потока сыпучих материалов, смесей, инструмента;
2. 8(а2,а5') - функция одновременного удаления внешней футеровки арочного проема, леточных колец, магнезитовой набивки, разрушению каверн и металло-доломитовых диафрагм у основания канала.
Таким образом, одно-функциональное ребро (а2,а5'), имеющее весовую функцию
е(а2,а5') = е(-т2) -
§(Р1)ё(-т2)/§(а<;) + ё(Р2) + ё^т,), отражает последовательность функций, включающих организацию параллельных потоков отхо-дообразования, связанных с ликвидацией внешней футеровки арочного проема (Р1), очистке арочного проема от леточных колец (-ГП1), магнезитовой набивки (-т2) и металломагнезитовых диафрагм у основания канала (Р2).
Реализация суммы запрограммированных функций, содержащихся в весовой функции ребра g(a2,a5') графа в (рис.1,ж) и обеспечивающих упорядочение потоков отходообразования посредством их запараллеливания, требует наличия в технологии высокоэнергетической установки, так, как одновременно следует перемещать большое количество остаточных материалов.
Следует отметить факт совпадения вектора перемещения всех остаточных материалов и однотипность всех действий, составляющих весовую функцию искомого ребра синтезированной графовой модели.
Технически, выполнение такой комплексной функции в один прием по известным технологиям не представляется возможным. Поэтому существует необходимость в разработке новых тех-
ж)
Рис. 1— Последовательность преобразования графовых моделей ремонта сталевыпускного отверстия (обозначения в тексте).
нологических процессов и универсального оборудования для реализации новой синтезированной функциональной структуры при ремонтах сталевыпускных отверстий.
Для этих целей была разработана и внедрена в условиях ОАО «ММК им. Ильича» новая технология и оборудование для разрушения футеровки сталевыпускного отверстия. Устройство (рис.2) представляет собой сменное приспособление к завалочной машине и содержит раздвижной корпус, на одном конце которого выполнен мульдовый замок, а на другом, изогнутом под углом, укреплен на поворотном валу рабочий орган в виде пики со специальной головкой на конце. На другом конце рабочего органа размещены противовесы, центр тяжести которых смещен относительно продольной оси стержня в сторону мульдового замка на 0,15-0,18 плеча вращения противовеса. На изогнутом конце корпуса выполнен упор для фиксации рабочего органа в требуемых положениях.
С целью расширения функциональных возможностей сменного приспособления и упорядочения потоков отработанных материалов, унификации технологического и ремонтного оборудования, конструкция предусматривает выполнение операций по обрушению некоторых других участков футеровки сталеплавильной печи, в частности, свода, стен.
Для ремонта сталевыпускного отверстия, сменное приспособление надевается на хобот завалочной машины, при помощи последней вводится через оконный проем в печь и поворачивается на 180° вокруг продольной оси хобота. При этом противовес за счет эксцентрично расположенного центра тяжести по отношению к продольной оси рабочего органа перемещается в нижнее (относительно
поворотного вала) положение и фиксируется упором. Рабочий орган занимает наклонное положение под углом 4-7° к горизонтали, в соответствии с уклоном сталевыпускного отверстия. В таком положении устройство вводится в зону отверстия и выполняет одновременное выдавливание леточных колец, остатков монолитной диафрагмы и др. на заднюю площадку в специальный короб для повторного использования, либо после формирования нового отверстия, уплотнение магнезитового наварочного слоя подины в зоне отверстия из отработанного материала.
Новой технологией предусматривается закрытие арочного гнезда со стороны задней стенки шамотным огнеупорным кирпичом марки ШБ-5 ГОСТ 390-96 ТУ-14-8-353-80. Это значительно упрощает выдавливание огнеупорных колец без их дополнительного разрушения и позволяет
]Рис. 2- Устройство для очистки сталевыпускного отверстия при его ремонте, разрушения свода и задней стенки сталеплавильной печи:
1-корпус;
2-мульдовый замок; 3 - рабочий орган;
4-головка;
5-противовесы;
6-хобот завалочной машины
использовать такие кольца многократно, обеспечивая, таким образом, упорядочение неучитываемых потоков отходообразования.
Синтезированная технология ремонта сталевыпускных отверстий позволила: сократить его продолжительность на 35-40 минут, оптимизировать имеющиеся неучтенные потоки отходооб-разования, и как следствие, утилизировать до 70% леточных колец, магнезитового порошка для набивки, магнезитохромитового огнеупорного кирпича и обожженого доломита, за счет их повторного использования, обеспечив при этом их экономию, соответственно на 0,01 кг/т, 0,21 кг/т, 0,15 кг/т и 2,6 кг/т стали. Снижение уровня отчуждения сельскохозяйственных земель составило 2,4 га.
Выводы
1. Усовершенствованная математическая модель бинарных отображений «функция - состояние системы», позволила проследить динамику потоков отходообразования и механизмы их минимизации, осуществить поиск путей развития и управления различными видами ресурсов с целью защиты окружающей среды и повышения экологической безопасности промышленного производства.
2. В основе математической модели в качестве описательного для локальных потоков отходообразования в производственных системах представлен простой по наглядности метод гра-фопостроений, который позволил сформировать последовательно иерархически подчиненные функции, отражающие механизм и природу явления отходообразования в производственной системе, и способствовал внутреннему учету материалов.
3. Предложенное понятие неполного и дополненного к нему графа, в рамках графопо-строительных математических моделей отходообразующих систем, показало физический смысл отхода, выявило правила формализованного изменения структуры техногенно опасных производств и предельные условия минимизации отходов с целью повышения экологической безопасности промышленных производств.
4. Возможности метода декартовых произведений на полном объеме заданности исходных данных заключаются в том, что он обеспечивает более глубокое изменение свойств исходных графовых структур и возможность широкого варьирования структур моделируемых процессов с целью их оптимизации. Это эффективно при использовании графосинтезного метода в качестве прогнозирования новых технологий утилизации неучтенных потоков отходообразования в кон-ретном производстве. Предложенный метод позволяет определять технические и конструктивные параметры технологического процесса.
5. На основании метода декартовых произведений на полном объеме заданности исходных данных, применительно к неполному и дополненному к графам, разработана новая технология и конструктивные параметры устройства для ремонта сталевыпускных отверстий большегрузных мартеновских печей.
Перечень ссылок
1. Измалков В.И. Техногенная и экологическая безопасность и управление риском / В.И.Измалков, А.В.Измалков. - С.-Пб, Изд. НИЦЭБ РАМ, 1998. - 498 с.
2. Хоменко Н.П., Кузъменко В.А. Полудекартово-кронекерово произведение графов. Тематический сб./ Вычислительная математика в современном научно-техничеком прогрессе. - Канев, 1974. - С.373-381.
3. В.Братчиков, А. Выговская, В. Мищенко/ Управление промышленными отходами: Учебное пособие: В 2 кн. - Кн. 1: В 6 ч. 4.2: Система управления промышленными отходами в Украине. - Харьков: РИП «Оригинал», 2000. - 168 с.
4. Волошин B.C., Семенченко П.М. Методы управления ресурсопотоками в экологических циклах. - Донецк: Изд-во Донетчина, 1997. - 87 с.
Статья поступила 15.12.2003
