Технологічний процес виготовлення цементу

Використання систем автоматизації  процесів дозволяє підприємству, на думку  експертів, в десятки разів скоротити  час на розробку нових видів продукції, в рази зменшити тривалість технологічного циклу і значно понизити собівартість готової продукції.

Існують комп'ютерні моделі і програми для розрахунку і аналізу теплових процесів в печі, управління роботою печі. Наприклад, в Державній технологічній академії будівельних матеріалів(м. Білгород) розроблена програма « Експерт» для аналізу роботи і управління печами, що обертаються. Тривимірна модель теплових процесів цементної печі використовується канадською фірмою « Лафарж» для визначення температури і складу паливневих газів, теплових втрат через корпус печі, розподіли температури на внутрішній поверхні по довжині печі і тому подібне

В процесі аналізу науково-технічної  літератури не знайдені тривимірні моделі, що охоплюють у взаємозв'язку основні  процеси, що протікають в печі, включаючи  обертання, переміщення обпалюваного матеріалу, променистий теплообмін між паливними газами, обпалюваним матеріалом і внутрішньою стінкою, теплопередачу усередині багатошарової оболонки корпусу, теплообмін із зовнішнім середовищем. Розробка такої моделі, орієнтованої на дефектометрію внутрішнього шару печі, виконана в справжніх дослідженнях.

Дефекти внутрішніх шарів обпалювальних  печей запропоновано класифікувати  таким чином:

• небезпечні дефекти обмазки - значні вибоїни(сколи) в шарі обмазки;

• безпечні дефекти обмазки - незначні вибоїни(сколи),

• дефекти - опуклості(холонули) в шарі обмазки;

• дефекти футерування.

Небезпечними слід рахувати дефекти(обвалення) футерування, ліквідація яких може зажадати зупинки печі. Дефекти обмазки представляють небезпеку, якщо їх глибина перевищує половину товщини обмазки в цілісних областях, а поперечні розміри більше 5% від лінійних розмірів внутрішнього кола печі. Настили шкідливі тим, що змінюють швидкість переміщення обпалюваного матеріалу.

Порівняльні дослідження результатів  чисельного моделювання перехідних процесів в цементній печі показали, що математична модель володіє властивістю апроксимації і стійкості. Сумарна погрішність моделювання при тимчасовому кроці 10000 з і просторовому кроці 0,125 м не перевищила 8 ^оС, що дозволило зробити висновок про адекватність моделі.

У рамках запропонованої моделі були розраховані профілі температур на зовнішній поверхні для дефектів різної глибини і фіксованої протяжності і визначена розрахункова залежність температури зовнішньої поверхні печі від глибини дефектів Отримані калібрувальні криві дозволяют визначати глибину дефекту з погрішністю не більше 1 см при вимірюванні температури зовнішньої поверхні з погрішністю не гірше 10 ^оС

На рис2.1  показаний вплив товщини футерування на температуру зовнішньої поверхні печі. Видно, що при зносі футерування з 24 до 10 см температура у бездефектній зоні зростає на 160 ^оС. Очевидно, що для адекватної ідентифікації товщини обмазки необхідно визначати товщину футерування з погрішністю не гірше 2 см

Рис.2.1 - Вплив товщини футерування в зоні спікання на температуру зовнішньої поверхні печі при різній товщині обмазки

 

Показано, що збільшення швидкості  вітру на 1 м/с приводить у кінці  нестаціонарного процесу до зменшення  температури на 30 ^оС.

Залежність від інтенсивності  зрошування під час випадання  опадів у вигляді дощу враховувалося  при розрахунку введенням додаткового  «негативного» джерела тепла, яке витрачається на нагрів води від температури довкілля до +100 ^оС і подальшого її випаровування.

Джерелами перешкод(шумів) є:

• зміна коефіцієнта випромінювання зовнішньої поверхні внаслідок утворення окалини, утворення і накопичення грязьової кірки, а також інших причин;

• вплив сонячного випромінювання на результати тепловізиційних вимірів внаслідок додаткового нагріву об'єкту контролю і відображень;

• короткочасні теплові дії з боку зовнішнього середовища(добові коливання температури довкілля, короткочасні опади, хмарність та ін.);

• нестаціонарні процеси, викликані неідентифікованими змінами параметрів внутрішньої поверхні печі, клінкеру і паливних газів.

Моделювання скола обмазки і  зміни форми факела показало, що стабільне, спостережування впродовж 1-3 годин збільшення температури зовнішньої по-верхности може трактуватися як скол обмазки, величина якого, в першому наближенні пропорційна тимчасовому градієнту температури зовнішньої по-верхности.

На зовнішній поверхні печі часто  утворюється грязьова кірка, товщина  якої може досягати 10 мм. Оскільки кірка служить теплоізолятором, температура корпуса під нею може збільшуватися(в середньому на 25 ^оС). На поверхні кірки вона зменшується на 3-5 ^оС. Під час обертання печі відбуваються локальні сколи кірки. Були досліджені ефекти, що виникають після скола грязьової кірки при різних співвідношеннях коефіцієнтів випромінювання стального корпусу і кірки. Неврахування присутності цього чинника, що заважає, при ідентифікації дефектів призводить до погрішності визначення товщини обмазки на рівні 2 см.

Показано, що зміни температури  зовнішньої стінки запізнюються по часу від тих, що викликають ці зміни добових коливань довкілля приблизно на 2 год і не перевищують 3 ^оС. Отже, ці коливання можна не враховувати при ідентифікації дефектів внутрішньої поверхні печі. З урахуванням коррельованості ряду чинників сумарна амплітуда еквівалентного температурного шуму оцінена на рівні ~35 ^оС. Це призводить до погрішності ідентифікації межі внутрішньої поверхні не менше 3-4 см З першим і четвертим з приведених чинників можна боротися шляхом періодичного очищення зовнішньої поверхні печі. Забарвлення кожуха дозволяє також понизити вплив третього чинника. Проте, навіть з урахуванням можливих заходів, середній рівень перешкоди досягає 20 ^оС, що є пороговою величиною при проектуванні апаратури контролю і розробці алгоритмів дефектометрії

 

Таблиця 2.1 Вплив різних шумових чинників на температуру зовнішньої поверхні

№№          з/п	Шумовий чинник	Величина максимального відхилення, оС
1	Скол грязьової кірки	51
2	Флуктуації швидкості вітру	20
3	Флуктуації міри чорноти зовнішньої поверхні	18
4	Наявність грязьової кірки	25
5	Добові коливання температури  довкілля	3
6	Флуктуації сонячного випромінювання	4
7	Флуктуації інтенсивності випадання  опадів	3

Первинним датчиком вказаних систем є оригінальний лінійний сканер, вихідний сигнал якого після попереднього посилення обробляється мікропроцесорним блоком по спеціалізованому алгоритму, що дозволяє виявити дефекти внутрішньої оболонки(теплозахисної обмазки) печі, визначити їх координати, розміри, міру небезпеки і оцінити надійність пічного агрегату(див рис2.2). Отримана інформація використовується для оперативного усунення критичних дефектів без зупинки печі. Зареєстровані термограми підлягають архівуванню і зберігаються впродовж тривалого часу, що дозволяє простежити процес зносу внутрішньої поверхні печі за міжремонтний, а при необхідності, і триваліший період. Системи оснащені одним або двома лінійними сканерами, лазерним покажчиком кута поля огляду, датчиком синхронізації і виміру кутової швидкості обертання і осьового зміщення печі, можуть комплектуватися цифровим каналом радіозв'язку.

Мал. 2.2. Стандартна схема монтажу систем контролю

(1-контрольований об'єкт, 2-датчик нульового рядка(обертання), 3-элемент конструкції, що закриває зону контролю, 4-лінійний сканер, 5-монтажна ко-робка, 6-адаптер каналів зв'язку, 7-компьютер, 8-блок виміри метеопараметрів, 9-контроллер виконавчих механізмів, а-зона охолодження, б-зона спікання, в-экзотермічна зона)

Тепловізор встановлений стаціонарно навпроти печі на деякому рівні -y

(надалі, для зручності обчислень приймемо цей рівень за нуль). У

процесі обертання печі, зовнішня поверхня її корпусу порядково сканується.

У разі виявлення стрибка температури, його координати фіксуються як по довжині печі - l1, так і по куту відхилення від «умовної осі».

Таким чином, за один оборот печі, формується розгорнута термокарта зовнішньої поверхні корпусу печі(мал. 2.3). Фіксуючи на кожному обороті(з інтервалом Δt) розгорнуту термокарту в пам'яті системи, формуємо динамічну термокарту(ДТК). Таким чином, первинна інформація при виникненні і еволюції сколов міститься(у неформалізованому виді) в ДТК. Враховуючи дискретний характер вимірів температури, що отримуються з використанням тепловизора, ДТК - це дискретний двовимірний сигнал. Тому для витягання з ДТК інформації про виникнення і еволюцію сколов доцільно використати методи цифрової обробки сигналів.

На мал. 2.4 показаний приклад спостереження скола обмазки на печі №1 ВАТ "Ис-китимцемент", події 18.06.2002г. Дефект розташований на перетині горизонтальною і вертикальною ліній на термограмі контрольованої ділянки зовнішньої поверхні. Температура в зоні дефекту перевищувала 500оС.

 

 

 

Рис 2.3 Динамічна термокарта зовнішньої поверхні корпусу печі

Рис 2.4 Ідентифікація дефекту футерування

Істотною частиною досліджень, став аналіз можливості здійснення активного теплового контролю(додаткової теплової стимуляції печі) з метою підвищити сигнали в дефектних зонах. У якості інструменту теплової стимуляції запропоновано застосовувати зрошування поверхню печі водою або обдувши повітрям. Головними висновками по можливості активного теплового контролю дефектів в печах, що обертаються, являються наступні:

1) при ступінчастій дії на зовнішню поверхню печі шляхом зрошування температурний сигнал в області дефектів зростає монотонно і приблизно за експоненціальним законом(у 1,5 разу), причому величина сиг-нала вище за рівень шумів для небезпечних дефектів;

2) при ступінчастій дії на  зовнішню поверхню печі шляхом  обдування перепад температури  спочатку швидко зменшується, а потім упродовж тривалого часу повертається до первинного значення; це пояснюється різними постійними часу перехідних процесів для порівнюваних точок; при цьому величина сигналу нижче встановленого рівня шумів.

Процедури дефектометрії, окрім оцінки глибини дефектів, повинні включати визначення їх розмірів в поперечному напрямі(по Z- координаті). Як згадувалось раніше, амплітудний метод супроводжується розмиттям температурного сигналу по краях дефектів, тоді як обчислення першої похідної від температури по Z- координаті дозволяє надійно оцінити розміри дефекту практично незалежно від глибини їх залягання і розмірів. Основною трудністю застосування градієнтного методу є те, що диференціювання зашумленних сигналів приводить до зростання шумів.

Модельні експерименти, присвячені дослідженню впливу різних чинників на теплові поля в цементній печі, показали, що багато хто з них  може використовуватися як дії, що управляють, для ведення технологічних процесів. Було розглянуто наступні традиційні дії:

 зміна форми розподілу теплового випромінювання з метою створення необхідного профілю температури внутрішньої поверхні футерувального шару печі;

• застосування водяного зрошування зовнішньої поверхні печі для зниження температури внутрішньої стінки футерування до необхідного рівня;

• застосування обдування корпусу з тією ж метою.

Дві інших керівних дії, пов'язані із зрошуванням і обдуванням, були розглянуті в стаціонарному режимі. У динамічному режимі для оптимального управління температури внутрішньої стінки футерування в зоні дефекту запропоновано спочатку застосувати зрошування з інтенсивністю близько 4-5 г/ (с)

а після  досягнення необхідної величини понизити інтенсивність зрошування до 0,2-1 г/ (с). Обдування призводить до необхідних результатів при відповідному підборі потужності вентиляторів. Вибір конкретного методу охолодження залежить від конкретних обставин(наявність вітру, вартості води і зрошуючого устаткування і тому подібне).

Завершальною стадією аналізу даної моделі стала експериментальна(лабораторна і натурна) перевірка результатів розрахунків. Идентификація дефектів внутрішньої поверхні була перевірена шляхом побудови профилограмми обмазки після зупинки печі.

Перевірка теоретичних результатів  по сколу грязьової кірки проводилася 12.12.2004 на цементній печі №7 ВАТ «  Искитимцемент». Після очищення забрудненої ділянки печі за допомогою скребків зміну температури зовнішньої поверхні реєстрували за допомогою апаратури теплового контролю і одночасно розраховували теоретично. Зафіксовані скачки температури мали значення в діапазоні від 30 ^оС до 60 ^оС, що відповідало результатам моделювання.

Концепції застосування розробленої  математичної моделі печі для:

1) контролю за поточними параметрами технологічних процесів;

2) дефектоскопії і дефектометрии;

3) автоматизированого управління режимами роботи печі. Впровадження такої концепції вимагає значно більшого об'єму вхідних даних, чим це передбачено в діючих системах контролю. У роботі пропонується спосіб відновлення обмазки з використанням регульованої форсунки подання пилоповітряної суміші. У піч через форсунку вводиться керований по витраті, потік суміші «повітря-дрібнодисперсний пил», наприклад, «повітря - оборотний пил обпалюваного матеріалу». Потік стислого повітря і пилу безпосередньо спрямовується в область підвищеної температури; у міру його заповнення, температура усередині скола знижується

3.ЗАСОБИ КОНТРОЛЮ

Матеріал футерування з часом  деградує за рахунок температурних  і механічних дій, вигорає. Матеріал обичайки також піддається механічним і температурним діям. Усе це у результаті веде до зменшенню товщини футерування і навіть її руйнуванню, старінню і деформації  матеріалу обичайки . До того ж зменшення товщини футерування веде до зростання енерговитрат. Підвищення температури в зоні випалення погіршує положення.