Моделирование инновационных объектов и процессов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 6 1 2 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра инновационного проектирования 

В.М. Клемперт 

Моделирование 
инновационных 
объектов и процессов 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

Москва Издательство «УЧЕБА» 2 0 0 6 

УДК 62.0022.001.57 
К48 

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. Г.Г. Шапкарина 

Клемперт В.М. 

К48 
Моделирование инновационных объектов и процессов: Лаб. 

практикум. - М.: МИСиС, 2006. - 80 с. 

Лабораторный практикум но курсу «Моделирование инновационных 
объектов и процессов» включает содержательные описания двадцати металлургических процессов, для которых составляются математические модели. 

Предназначен для студентов четвертого курса факультета информатики и экономики, обучающихся по специальносш 010502 (3514) «Прикладная информатика 
(в инноватике)». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

Лабораторная работа 1. Моделирование процесса агломерации 
железорудных материалов 
5 

Лабораторная работа 2. Моделирование процесса металлизации 
железорудных окатышей на конвейерной машине 
10 

Лабораторная работа 3. Моделирование процесса металлизации 
окатышей во вращающейся печи 
13 

Лабораторная работа 4. Моделирование процесса коксования 
каменных углей 
18 

Лабораторная работа 5. Моделирование процесса сухого тушения кокса 
23 

Лабораторная работа 6. Моделирование процесса получения 
губчатого железа в реторте 
25 

Лабораторная работа 7. Моделирование процесса получения чугуна 
без применения кокса в установке COREX 
28 

Лабораторная работа 8. Моделирование процесса получения 
губчатого железа в шахтной печи 
30 

Лабораторная работа 9. Моделирование процесса подачи шихты на 
колошник доменной печи скипами 
34 

Лабораторная работа 10. Моделирование процесса загрузки доменной 
печи большим конусом 
37 

Лабораторная работа 11. Моделирование процесса подачи шихты на 
колошник доменной печи конвейерным транспортом 
43 

Лабораторная работа 12. Моделирование процесса построения 
футеровки доменной печи 
45 

Лабораторная работа 13. Моделирование процесса прогрева и 
разрушения лещади доменной печи 
52 

Лабораторная работа 14. Моделирование процесса кислородноконвертерной плавки 
55 

Лабораторная работа 15. Моделирование периодического процесса 
одностадийного получения жидкого металла (Доред-процесс) 
59 

Лабораторная работа 16. Моделирование процесса растворения 
металлического лома в жидком чугуне кислородного конвертера 
61 

Лабораторная работа 17. Моделирование процесса получения 
жидкого металла в плавильной камере по схеме плавлениевосстановление (способ Инред) 
64 

Лабораторная работа 18. Математическая модель процесса 
Циклосталь 
67 

Лабораторная работа 19. Математическая модель комбинированной 
установки реактора кипящего слоя и агрегата циклонного типа 
70 

Лабораторная работа 20. Моделирование сталеразливочного ковша 
для вакуумирования стали 
74 

3 

Введение 

Металлургический объект является сложной системой, характеризующейся чисто физическими, физико-химическими и конструктивными параметрами. Под моделью объекта понимается некоторый 
гомоморфный объект, более простой во всех отношениях, кроме тех 
признаков и параметров, влияние которых необходимо изучить и определить. При этом идеализированные условия не должны противоречить основным законам физики и химии. Исследуя свойства модели, устанавливают свойства объекта. 

Для одного и того же объекта можно выбрать несколько моделей, 
отличающихся одна от другой по числу принимаемых во внимание 
параметров. Модель, учитывающая меньшее число признаков и параметров, считается более узкой; большее число - более широкой. 
Модель может отображать одновременно признаки отдельных частей 
объекта и его самого, или только свойства объекта в целом. Первую 
модель называют более сильной по сравнению со второй. Выбор модели определяется решением практических задач. 

Вариант работы (т. е. процесс исследования) выполняется индивидуально каждым студентом и в течение всего цикла изучения дисциплины. 

4 

Лабораторная работа 1 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ 
ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Цель работы 

Получить навыки в анализе содержательного описания процесса 
агломерации железорудных материалов, составлении таблицы соответствий параметров процесса, формализации содержательного описания данного процесса и алгоритмизации, приводящим в итоге к 
построению математической модели технологического процессасначала знаковой и затем реальной на базе вычислительной техники. 

1.2. Теоретическое введение 

Агломерационная фабрика представляет собой сложный комплекс 
сооружений, механизмов и машин, обеспечивающих подготовку руд 
к спеканию, собственно агломерацию и обработку готового продукта 
(кускового материала или агломерата). 

Бункеры для компонентов шихты заполняются сверху через решетки реверсивным ленточным конвейером. Дозировка компонентов 
шихты на сборный конвейер шихты ведется с помощью весовых ленточных дозаторов. Дозатор представляет собой короткий ленточный 
конвейер, установленный под горловиной бункера. Скорость движения конвейера определяет массу выдаваемого на сборный конвейер 
компонента шихты. Смешивание увлажненной шихты осуществляется во вращающемся барабанном смесителе, затем шихта по конвейеру направляется к барабану - окомкователю. Смешанная и окомкованная шихта из бункера укладывается питателем на агломерационную ленту. Предварительно питателем на колосниковую решетку 
укладывается постель, поданная к ленте отдельным конвейером. 
Паллеты с шихтой проходят над вакуум-камерами. Пад головной частью ленты установлен зажигательный горн. Отходящие газы по 
сборному газопроводу подводятся к пылеуловителям, за которыми 
установлен дымосос (эксгаустер). 

Для очистки отходящих газов от пыли в большинстве случаев используются батареи мультициклонов. Запыленность отходящих газов 
(10... 12 г/м3) удается снизить до 0,15 г/м3 Это решает проблему защиты окружающей среды от выбросов пыли и резко повышает стой
5 

кость лопаток эксгаустера. Между эксгаустером и дымовой трубой 
устанавливают обычно главный клапан, с помощью которого может 
быть отрегулирован режим работы эксгаустера. Готовый пирог агломерата падает с паллеты в валковую дробилку, после чего на грохотах от дробленого продукта отделяют горячий возврат. Годный агломерат охлаждается в охладителе и далее конвейером направляется 
на грохоты холодного агломерата для отделения постели. К горячему 
и холодному возврату добавляют пыль и шламы газоочистки, а также 
потери при работе ленточных конвейеров. 

Центральное место в агломерационной фабрике занимает агломерационная машина (ленточного типа). Исходным продуктом служит 
конкретная шихта с полным составом компонентов и изменяемым 
пользователем программы. Шихта состоит из следующих основных 
компонентов: концентрата, агломерируемой руды, известняка, доломита и топлива. 

Основная схема агломерационного процесса практически не изменилась со времени его изобретения. Началу процесса предшествует дозировка пылеватых компонентов, входящих в состав рудной 
части шихты, а также коксовой мелочи, извести или известняка. Соотношения между составляющими в шихте определяются расчетным 
путем. 

Полученную шихту тщательно перемешивают и увлажняют до 
уровня, соответствующего наилучшей ее газопроницаемости. В момент загрузки на агломерационную ленту шихта состоит преимущественно из комков слипшихся рудных частиц, частиц коксовой мелочи и известняка. 

Шихту помещают на колосниковую решетку, на которую предварительно уложен слой постели (готовый агломерат крупностью 
8... 15 мм или крупные кусочки шихты без добавки топлива). Постель предохраняет колосниковую решетку от воздействия высоких 
температур, предотвращает просыпание шихты через зазоры колосниковой решетки и облегчает сход пирога готового агломерата с решетки после окончания процесса. 

Машины ленточного типа представляют собой непрерывный ряд 
движущихся тележек (паллет) с колосниковыми решетками. Шихту 
загружают на паллеты в головной части машины. Затем паллеты последовательно проходят под зажигательным горном и над всеми вакуумными камерами установки. Эксгаустер создает под колосниковой решеткой необходимый для нормального течения процесса вакуум (< 1100 мм вод. ст., или 10,8 кП/м2). 

6 

Важнейшей особенностью агломерационного процесса является 
то обстоятельство, что в каждый момент времени горит углерод 
твердого топлива только в узком по высоте слое шихты (обычно 
< 40 мм). Все частицы топлива. расположенные ниже, еще не нагреты до температуры начала интенсивного горения или не получают 
достаточно кислорода сверху. По мере выгорания углерода зона горения топлива постепенно перемещается вниз, проходя всю высоту 
слоя шихты за 12-15 мин. 

В любой момент времени выше зоны горения находится готовый 
агломерат, через который просасывается воздух. Охлаждая агломерат, воздух подогревается и его теплота используется затем в зоне 
горения твердого топлива. В свою очередь отходящие продукты горения также отдают свое тепло очень небольшому слою холодной 
увлажненной шихты, быстро нагревая ее. Сырая шихта быстро подогревается в прилегающих снизу к зоне горения областях. При этом 
шихта теряет сначала гигроскопическую, а затем и кристаллизационную влагу. Водяные пары могут вновь конденсироваться, соприкасаясь с холодной шихтой. Создается зона, в которой влажность шихты 
превышает исходную оптимальную влажность - зона избыточного 
увлажнения (переувлажнения) шихты. 

В зоне подогрева шихты имеет место химическое взаимодействие 
между твердыми фазами; здесь происходит разложение карбонатов, 
гидратов, а также восстановление или окисление железа. 

За время движения паллеты по верхней рабочей ветви конвейерной агломерационной машины зона горения проходит весь путь от 
верхних слоев шихты до постели. К моменту окончания процесса 
паллета достигает разгрузочной части машины, где при опрокидывании паллеты готовый агломерат сбрасывается с колосников. 

Особое место занимает группа процессов спекания руды без просасывания воздуха через слой шихты. В этих случаях шихта нагревается 
с помощью горячих газов (агломерация во взвешенном состоянии, агломерация в подовых и вращающихся печах) или теплом, выделяющимся при пропускании электрического тока через слой шихты. Образование куска агломерата связано здесь только с размягчением поверхностных зон рудных частиц и последующим их слипанием. 

1.3. Методика составления модели 

Составляют три уравнения: 
- по балансу железа; 

7 

- по основности агломерата; 
- по тепловому балансу. В результате решения уравнений получают массы компонентов шихты (руда, флюсы, коксовая мелочь) на 100 
кг агломерата. Данная величина позволяет вывести такой параметр как 
выход агломерата, который участвует в расчете производительности. 
В ходе теплового баланса рассчитывают объем отходящих и просасываемых газов. Сумма этих газов участвует при расчете циклона. 

Производительность конвейерной агломерационной машины моделируется с учетом вертикальной скорости спекания слоя шихты 
при заданной высоте слоя. Вертикальная скорость спекания определяется количеством кислорода воздуха, просасываемого через слой 
шихты, в свою очередь, количество просасываемого воздуха определяется производительностью дымососа (эксгаустера). Перечисленные связи позволяют построить модель, учитывающую гранулометрические характеристики шихты, сопротивление слоя в зависимости 
от его высоты, скорость газификации углерода в слое шихты, и найти 
вертикальную скорость спекания. Последняя и определяет горизонтальную скорость движения тележек (паллет) с шихтой и производительность машины. 

1.4. Алгоритм решения задачи 

При решении поставленной задачи - разработки математической 
модели процесса на основе содержательного описания - студенты 
составляют список всех доступных переменных контролируемых 
величин (входных, характеристик процесса, выходных), составляют 
таблицу соответствий для символических и содержательных обозначений, которые связываются друг с другом в виде аналитических зависимостей. Таким образом, алгоритм в данном случае представляет 
аналитическую форму математической модели. Конечно, такая форма далека от реального объекта и в большинстве случаев представляет статическую линейную модель. Для построения такой упрощенной модели рекомендуется разработка материального и теплового 
балансов процесса, которые позволяют найти желаемые характеристики (производительность агрегата, удельные расходы сырья и 
энергии и другие величины). 

1.5. Методика выполнения работы 

Работа выполняется в аудиторном и внеаудиторном режимах. 
Теоретическое введение осваивается во внеаудиторное время. Сту
8 

денты, используя приведенное в практикуме содержательное описание задачи, подготавливают индивидуальные программы для компьютера. В аудиторное время проводится отладка программы и решение задачи на компьютере. 

1.6. Порядок выполнения работы 

1.6.1. Составить таблицу соответствий переменных задачи и программы. 

1.6.2. Составить программу на алгоритмическом языке. 
1.6.3. Оценить полученные результаты в зависимости от принятого метода моделирования. 

1.7. Отчет по работе 

Отчет должен содержать: 
- краткое теоретическое введение; 
- функциональную схему для расчета на ЭВМ; 
- таблицу соответствий для переменных в модели системы; 
- выводы. 

Рекомендуемая литература 

Вегман Е.Ф., Чургелъ В.О. Теоретические проблемы металлургии 
чугуна.- М.: Машиностроение, 2000. С. 19-50. 

Плискановский СТ., Маковский В.А., Кожух В.Я. АСУ и ВЦ металлургического завода. Киев: Техника, 1977. 

Контрольные вопросы 

1. Каково назначение агломерационного процесса? 
2. Каковы виды агломерационного процесса? 
3. Какова конструкция конвейерной агломерационной машины? 
4. Какие компоненты входят в состав агломерационной шихты? 
5. Какие виды топлива используются при агломерации железных 

руд? 

6. Как используется возврат в технологии производства агломерата? 
7. Каковы критерии законченности процесса спекания на конвейерной машине? 

8. В чем назначение постели на колосниковой решетке? 

9 

Лабораторная работа 2 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЕТАЛЛИЗАЦИИ 

ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ НА 

КОНВЕЙЕРНОЙ МАШИНЕ 

2.1. Цель работы 

Получить навыки в анализе содержательного описания процесса 
металлизации железорудных окатышей на конвейерной машине, составлении таблицы соответствий параметров процесса, формализации содержательного описания данного процесса и алгоритмизации, 
приводящим в итоге к построению математической модели технологического процесса - сначала знаковой и затем реальной на базе вычислительной техники. 

2.2. Теоретическое введение 

Появление новых энергетических источников способствует развитию существующих и появлению принципиально новых металлургических восстановительных процессов, которые делятся по виду применяемого топлива-восстановителя на две группы. В одной из них 
используется газ, в другой – уголь или полукокс из него. Общей чертой этих способов, применяемых или претендующих на использование в промышленности, является металлизация рудных или рудоугольных материалов (окатышей) до их плавления. 

К металлизованным окатышам, предназначенным для плавки чугуна и стали, предъявляются различные требования. Если в доменной 
печи можно с успехом проплавлять достаточно прочные окатыши с 
относительно невысокой степенью металлизации и общим содержанием железа, то для сталеплавильного агрегата окатыши должны 
быть близки по свойствам к заменяемому скрапу, т. е. должны производиться из богатых руд или концентратов и иметь высокую степень металлизации. По мнению ряда исследователей, степень металлизации шихты для доменной печи должна быть на уровне 30.. .50 %, 
более высокая степень металлизации менее эффективна. 

При загрузке холодных металлизованных окатышей в электропечь 
происходит увеличение ее производительности на 30...50 %, улучшается чистота стали по вредным примесям по сравнению с плавкой 
скрапа, и как следствие, улучшаются механические и особенно (при 
прокатке) пластические свойства стали. 
10 

Металлизация окатышей на конвейерной обжиговой машине предусматривает следующие технологические операции. Концентрат и 
восстановитель (уголь) подсушивают до влажности соответственно 1 
и 5 % в барабанных сушилах. Уголь измельчают до фракции 
0…10 мм в дробильных устройствах. Концентрат и уголь вместе с 
бентонитом через дозировочные устройства подают в шаровую 
мельницу, где они измельчаются до состояния 85% фракции 
0...0,074 мм. После помола шихту увлажняют до 5 % в смесителе и 
подают для окомкования на тарельчатый окомкователь (гранулятор) 
в виде вращающегося цилиндра диаметром с глухим днищем и высотой борта 400 мм, скорость вращения которого 
составляет 
8…12 об/мин, а угол наклона тарелки 42.. .47 град. 

В процессе изготовления сырых окатышей контролируют сушку 
шихтовых материалов, их дозировку, степень измельчения в шаровой мельнице, влажность шихты перед гранулятором и влажность 
окатышей после него, содержание углерода в сырых окатышах, их 
прочность и гранулометрический состав. 

Сырые окатыши с помощью транспортера и роликового питателя 
загружаются в конвейерную печь, где они обрабатываются дымовыми газами последовательно в зонах сушки, подогрева , восстановления и охлаждения. Готовые окатыши поступают в бункернакопитель, после чего производится их рассев. Газ-теплоноситель 
для зоны сушки получают путем сжигания мазута в выносной топке, 
для остальных зон газ получают непосредственно в горне. Отсос дымовых газов и их рециркуляция осуществляются эксгаустером и 
мельничными вентиляторами через вакуум-камеры и горн. 

2.3. Методика составления модели 

Для металлизации железорудных окатышей используется конвейерная обжиговая машина (печь), характеризуемая следующими 
входными параметрами: 

- площадь нагрева, м2; 
- длина конвейерной ленты, м; 
- толщина слоя шихты, м; 
- скорость движения конвейера, составленного из тележек (паллет), м/мин; 

- процентное соотношение площадей зон сушки, подогрева, восстановления и охлаждения. 

Параметры восстановительного газа: 

11