Моделирование теплопотребления шихты в зависимости от влажности и химического состава

Выполнен анализ теплопотребления шихты в зонах сушки и подогрева в зависимости от влажности и химического состава в зонах кальцинации и спекания. Разработана информационная система для прогнозирования химического состава компонентов шихты и еѐ теплопотребления на основе регрессионных моделей. 

Последовательная технологическая схема Байер-спекания по производству глинозѐма (сырья для производства алюминия) содержит процесс приготовления шихты, являющейся исходным материалом для передела спекания. При этом шихта должна иметь заданный состав, который должен не только обеспечить наилучшие показатели при гидрохимической переработке спѐка, но и выдержать баланс по щелочам и глинозѐму на протяжении всего технологического процесса [1].

При планировании производства и в периоды между отборами проб на определение химического анализа возникает потребность в прогнозировании химического состава шихты и еѐ теплопотребления во вращающихся печах. Поэтому актуальной задачей является построение моделей, с помощью которых можно определить необходимые показатели в минимальные сроки [2].

Для построения модели было выполнено исследование многосвязного технологического процесса на основе  пассивных  экспериментов,   проводимых   на   переделах   приготовления   шихты   и  спекания. В результате, на основе анализа статических характеристик стационарных процессов, учитывая законы сохранения вещества и энергии, были получены зависимости теплопотребления шихты во вращающихся печах.

Было выявлено на основе корреляционного анализа, что теплопотребление шихты имеет наиболее тесную зависимость:

  • от содержания влаги в зонах сушки и подогрева;
  • от химического состава в зонах кальцинации и спекания.

Характер влияния теплопотребления шихты в зонах сушки и подогрева изображен на рисунке 1.

Зависимость теплопотребления шихты в зонах сушки и подогрева от содержания влаги в шихте

Рисунок 1 – Зависимость теплопотребления шихты в зонах сушки и подогрева от содержания влаги в шихте

Ошибки аппроксимации составили соответственно, 0,0013%    и     0,0008%, коэффициенты детерминации – 0,999. Следовательно, построенные регрессионные модели могут быть использованы для анализа и прогноза теплопотребления в этих зонах.

При построении модели в зонах кальцинации и спекания была исследована зависимость теплопотребления шихты от ее химического состава. Обозначим основные элементы определения шихты следующими факторами: Al2O3 – x1, SiO2 – x2, CaO – x3, Fe2O3 – x4, SO3 – x5, Q – y. Тогда основные статистические характеристики рассматриваемых факторов будут выглядеть следующим образом (таблица 1). 

Таблица 1 – Основные статистические характеристики факторов 

  Основные статистические характеристики факторов      

Из таблицы 1 видно, что вариация факторов x1, x2, x3, x5, y не превышает 10%, что дает основание полагать, что изменчивость вариационного ряда незначительна. Вариация фактора x4 показывает средний уровень изменчивости вариационного ряда. В целом коэффициенты вариации говорят об однородности информации, и она вся может быть включена в выборку. Отношения асимметрии к ошибке асимметрии и эксцесса к ошибке эксцесса не превышают 3. Это означает, что асимметрия и эксцесс не имеют существенного значения и исследуемая информация подчиняется закону нормального распределения [3].

Матрица парных коэффициентов корреляции представлена в таблице 2.

Таблица 2 – Матрица парных коэффициентов корреляции

  Матрица парных коэффициентов корреляции

Была построена многофакторная регрессионная модель зависимости теплопотребления шихты в зоне кальцинации и спекания от еѐ химического состава. Уравнение имеет вид:

 Q = 284887,92 - 4294,94x1 - 4180,62x2 + 14650,47x3 – 2702,77x4 + 406,51x5.

Ошибка аппроксимации составила 0,037%, коэффициент детерминации – 0,999. Значение R2 близко к единице, это значит, что построенная модель имеет высокую значимость [4].

В сравнительном анализе результатов моделирования и реальных данных теплового баланса была определена  невязка  итоговых  значений  теплопотребления  шихты  по  методике  [5]  и    рассчитанной с помощью полученных моделей. По условиям теплового баланса, невязка баланса должна составлять не более 0,5%. Частота показателей невязки теплопотребления шихты для рассматриваемого массива данных представлена на рисунке 2.

Кривая распределения невязки теплопотребления шихты

Рисунок 2 – Кривая распределения невязки теплопотребления шихты 

На основе представленных выше моделей, а также модели прогнозирования химического состава шихты [2] в среде программирования Borland Developer Studio 2006 – Turbo Delphi разработана информационная система, которая позволяет решить следующие задачи:

  • проверка соответствия расходов компонентов шихты и их химического анализа;
  • прогнозирование паспортной шихты при изменении технологических потоков и их химических анализов;
  • прогнозирование теплопотребления шихты во вращающихся печах.

Диалоговые окна программы  «Компоненты      шихты»      (вкладки          «Химический      состав», «Технологические потоки») и «Теплопотребление шихты» представлены на рисунках 3-5.

  Окно «Компоненты шихты», вкладка «Химический состав»

Рисунок 3 – Окно «Компоненты шихты», вкладка «Химический состав»

 Окно «Технологические потоки»

Рисунок 4 – Окно «Технологические потоки» 

Учитывая физические свойства компонентов шихты (влага и содержание твердого), а также полный химический анализ, производится расчет паспортной шихты, направленный на выдерживание силикатного (Мси) и щелочного (Мщ) модулей [1]. Если значения силикатного и/или щелочного модулей выходят за рамки допустимого  диапазона,  который  составляет  2,10-2,30  и  1,35-1,45 соответственно, то выдается сообщение о том, что необходимо откорректировать данные по известняку и/или кальцинированной соде. После чего, значения паспортной шихты рассчитываются заново. Результирующие данные выводятся на вкладке «Технологические потоки», блок «Паспортная шихта» (Рисунок 4).

По полученным результатам производится расчет теплопотребления шихты по методике [5]. (рисунок 5). 

 Фрагмент окна  «Расчет теплопотребления шихты»

Рисунок 5 – Фрагмент окна  «Расчет теплопотребления шихты» 

Математическая модель смешения компонентов и теплопотребления шихты позволяет фиксировать взаимосвязь и интенсивность изменения выходных параметров при изменении входных, проводить диагностику ситуаций и получать различного рода статические характеристики [6]. 

Выводы

  1. Выявлено, что при последовательной технологической схеме Байер-спекания теплопотребление шихты во вращающихся печах имеет прямую зависимость:
  • от содержания влаги в зонах сушки и подогрева.
  • от химического состава в зонах кальцинации и спекания.
  1. Разработаны модели теплопотребления глинозѐмсодержащей шихты с учетом еѐ влагосодержания, химического анализа компонентов.
  2. Выполнена программная реализация статической модели смешения компонентов и модели теплопотребления шихты в среде программирования Borland Developer Studio 2006 – Turbo Delphi.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Зайцева Н.М., Каулина Е.К. Современное состояние технологии спекания и исследование моделей приготовления глиноземсодержащих шихт в производстве глинозема // Вестник Инновационного Евразийского университета. - 2010. - № 1(37). – C. 82-84.
  2. Зайцева Н.М., Каулина  Е.К. Разработка модели смешения компонентов шихты,  прогнозирование еѐ химического состава и теплопотребления // Вестник Инновационного Евразийского университета.- 2011. - № 1(41). – C. 108-112.
  3. Симчера В.М. Методы многомерного анализа статистических данных: учеб. пособие. – М.: Финансы и статистика, 2008. – 400 с.: ил(л).
  4. Практикум по общей теории статистики: Учебно-методическое пособие / Под ред. М.Г. Назарова. – М.: КНОРУС, 2008. – 184 с.
  5. Самарянова Л.Б., Лайнер Ю.А. Технологические расчеты в производстве глинозема. – М.: Металлургия 1987. – 129 с.
  6. Зайцева Н.М., Шварцкопф Е.А. Исследование статических характеристик модели приготовления шихты в глиноземном производстве // Наука и техника Казахстана. - 2006. - №
Фамилия автора: Н.М. Зайцева, Е.К. Каулина 
Год: 2011
Город: Павлодар
Яндекс.Метрика