blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-5-364-372blackmet-1899Research ArticleИННОВАЦИИ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОМЫШЛЕННОМ И ЛАБОРАТОРНОМ ОБОРУДОВАНИИ, ТЕХНОЛОГИЯХ И МАТЕРИАЛАХINNOVATIONS IN METALLURGICAL INDUSTRIAL AND LABORATORY EQUIPMENT, TECHNOLOGIES AND MATERIALSМетод и инструментальная система для моделирования и оптимизации технологических режимов процессов прямого восстановления металлов в агрегате струйно-эмульсионного типаTechnological modes of metals direct reduction in an aggregate of jet-emulsion typeРыбенкоИ. А.RybenkoI. A.

д.т.н., профессор кафедры прикладных информационных технологий и программирования

6540007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair of Applied Information Technology and Programming

Novokuznetsk, Kemerovo Region

РоосХанс­-ГёргRoosHans­-Görg

д.т.н., профессор математики

 

Ph.D, Professor of Mathematics

Dresden, Sachsen

hans-goerg.roos@tu-dresden.deСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationТехнический университет ДрезденаГерманияTechnische Universität DresdenGermany202001072020635364372Copyright © Рыбенко И.А., Роос Х., 20202020Рыбенко И.А., Роос Х.Rybenko I.A., Roos H.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1899

Представлены метод и инструментальная система моделирования и оптимизации технологических режимов процессов прямого восстановления металлов в агрегате струйно-эмульсионного типа. Рассмотрены этапы метода: постановка задачи (формирование целевых условий, выбор типа процесса, вида задачи и системы критериев оптимизации); выделение объекта исследования (задание параметров входных-выходных потоков, процесса, стадий и подпроцессов); термодинамическое моделирование для оценки конечного равновесного состояния (решается задача оптимизации по определению наилучших условий реализации процессов восстановления металлов из оксидов в модельных системах и разработка металлургической технологии путем нахождения оптимальных режимов и определения путей достижения этих режимов для заданных параметров выходного потока и процесса при оптимизации технико-экономических показателей). В рамках четвертого этапа разработан комплекс математических моделей, отражающих взаимосвязь потоков и процессов в металлургическом агрегате. Представлена структура инструментальной системы, в которой реализованы математические модели и алгоритм определения оптимальных технологических режимов металлургической технологии. Разработан комплекс критериев оптимизации. Приведена схема решения двухконтурной задачи оптимизации для решения оптимизационных задач: нахождение оптимальных условий протекания восстановительных процессов в термодинамических системах; определение оптимальных режимов технологий прямого восстановления металлов. Показано применение метода для разработки оптимальных технологических режимов процессов прямого получения металла в агрегате типа СЭР: получение металла из чугуна и прокатной окалины, прямое восстановление металла из пылевидных руд и железосодержащих техногенных материалов, получение марганцевых сплавов из карбонатных и оксидных руд, переработка титано-магнетитовых концентратов с практически полным разделением железо- и титансодержащей составляющих, прямое восстановления железа с попутным получением высококалорийного синтез-газа в агрегате струйно-эмульсионного типа.

The paper presents the method and instrumental system for modeling and optimizing technological modes of direct metal reduction processes in a jet-emulsion aggregate (JER). Stages of the method are considered. The first one is the problem statement: formation of target conditions, choice of the process type, the task and system of optimization criteria. The second stage includes selection of the object of study: setting parameters of input and output flows, process parameters, stages and subprocesses. The third one includes thermodynamic modeling to assess the final equilibrium state in which optimization problem is solved to determine the best conditions for implementation of the processes of metal reduction from oxides in model systems. The fourth stage is development of metallurgical technology (finding the optimum modes and ways for achieving these modes by specified output stream parameters). And the final one is process optimization in technical and economic indicators. As part of the fourth stage, the complex of mathematical models has been developed that reflects relationship of flows and processes in a metallurgical unit. The structure of instrumental system is presented, in which mathematical models and an algorithm for determining optimal technological modes are implemented. A set of optimization criteria has been developed and a scheme for solving two types of optimization problems are presented: finding optimal conditions for reduction processes in thermodynamic systems and determining optimal modes of direct metal reduction. Application of the method to develop optimal technological modes of direct metal production in a JER-type aggregate is shown: metal production from cast iron and mill scale; direct reduction of metal from dusty ores and iron-containing man-made materials; obtaining manganese alloys from carbonate and oxide ores; processing titanium-magnetite concentrates with an almost complete separation of iron-containing and titaniumcontaining component; and direct reduction of iron with associated production of high-calorie synthesis gas.

методинструментальная системаматематическое моделированиепрямое восстановление металловтехнологический режимmethodinstrumental systemmathematical modelingoptimizationdirect metal reductiontechnological modeReferencesЮсфин Ю.С., Гиммельфарб А.А., Пашков Н.Ф. Новые процессы получения металла. – М.: Металлургия, 1994. – 320 с.Yusfin Yu.S., Gimmel’farb A.A., Pashkov N.F. Novye protsessy polucheniya metalla [New processes of metal production]. Moscow: Metallurgiya, 1994, 320 p. (In Russ.).Лисиенко В.Г., Соловьева Н.В., Трофимова О.Г. Альтернативная металлургия: проблема легирования, модельные оценки эффективности. – М.: Теплотехник, 2007. – 440 с.Lisienko V.G., Solov’eva N.V., Trofimova O.G. Al’ternativnaya metallurgiya: problema legirovaniya, model’nye otsenki effektivnosti [Alternative metallurgy: problem of alloying, model effectiveness evaluation]. Moscow: Teplotekhnik, 2007, 440 p. (In Russ.).Процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа // Технические науки. Металлургия и обработка металлов. [Электронный ресурс]. URL: http://knigi.link/obrabotka-metallov-metallurgiya/protsessyi-preimuschestvennojidkofaznogo-12575.html. (дата обращения: 09.04.2020).Processes of predominantly liquid-phase reduction of iron. Tekhnicheskie nauki. Metallurgiya i obrabotka metallov [Technical science. Metallurgy and metal processing]. Available at URL: http://knigi.link/obrabotka-metallov-metallurgiya/protsessyi-preimuschestvenno-jidkofaznogo-12575.html. (Accessed: 09.04.2020). (In Russ.).Князев В.Ф., Гиммельфарб А.И., Неменов А.М. Бескоксовая металлургия железа. – М.: Металлургия, 1972. – 272 с.Knyazev V.F., Gimmel’farb A.I., Nemenov A.M. Beskoksovaya metallurgiya zheleza [Non-coking metallurgy of iron]. Moscow: Metallurgiya, 1972, 272 p. (In Russ.).Роменец В.А. Процесс Ромелт. – М.: ИД «Руда и Металлы», 2005. – 400 с.Romenets V.A. Protsess Romelt [Romelt process]. Moscow: ID Ruda i Metally, 2005, 400 p. (In Russ.).Процесс СЭР – металлургический струйно-эмульсионный реактор / В.П. Цымбал, С.П. Мочалов, И.А. Рыбенко и др. – М.: Металлургиздат, 2014. – 488 с.Tsymbal V.P., Mochalov S.P., Rybenko I.A. etc. Protsess SER metallurgicheskii struino-emul’sionnyi reaktor [JER process – metallurgical jet-emulsion reactor]. Moscow: Metallurgizdat, 2014, 488 p. (In Russ.).Сhemical WorkBench. URL: http://www.kintech.ru/. (дата обращения: 09.04.2020).Сhemical WorkBench. Available at URL: http://www.kintech.ru/. (Accessed: 09.04.2020).NIST-JANAF URL: http://webbook.nist.gov. (дата обращения: 09.04.2020).NIST-JANAF. Available at URL: http://webbook.nist.gov. (Accessed: 09.04.2020).NASA CEA URL: http://www.lerc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/. (дата обращения: 09.04.2020).NASA CEA. Available at URL: http://www.lerc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/. (Accessed: 09.04.2020).MTDATA URL: http://www.npl.co.uk/npl/cmmt/mtdata/mtdata.htm. (дата обращения: 09.04.2020).MTDATA. Available at URL: http://www.npl.co.uk/npl/cmmt/mtdata/mtdata.htm. (Accessed: 09.04.2020).Thermo-Calc. URL: http://www.thermocalc.se. (дата обращения: 09.04.2020).Thermo-Calc. Available at URL: http://www.thermocalc.se. (Accessed: 09.04.2020).MALT2 URL: http://www.kagaku.com/malt. (дата обращения: 09.04.2020).MALT2. Available at URL: http://www.kagaku.com/malt. (Accessed: 09.04.2020).HSC Chemistry. URL: (http://www.outokumpu.fi/hsc/. (дата обращения: 09.04.2020).HSC Chemistry. Available at URL: http://www.outokumpu.fi/hsc/. (Accessed: 09.04.2020).EQS4WIN. URL: http://www.mathtrek.com/. (дата обращения: 09.04.2020).EQS4WIN. Available at URL: http://www.mathtrek.com/. (Accessed: 09.04.2020).ThermoChemical Calculator. URL: http://blue.caltech.edu/tcc/ index.html. (дата обращения: 09.04.2020).ThermoChemical Calculator. Available at URL: http://blue.caltech.edu/tcc/index.html. (Accessed: 09.04.2020).F*A*C*T. URL: http://www.crct.polymtl.ca/fact/fact.htm. (дата обращения: 09.04.2020).F*A*C*T. Available at URL: http://www.crct.polymtl.ca/fact/fact.htm. (Accessed: 09.04.2020).Рыбенко И.А. Развитие теоретических основ и разработка ресурсосберегающих технологий прямого восстановления металлов с использованием метода и инструментальной системы моделирования и оптимизации. Автореф. дис. ... докт. техн. наук: 05.16.02. – Новокузнецк, 2018. – 40 с.Rybenko I.A. Razvitie teoreticheskikh osnov i razrabotka resursosberegayushchikh tekhnologii pryamogo vosstanovleniya metallov s ispol’zovaniem metoda i instrumental’noi sistemy modelirovaniya i optimizatsii. Avtoref. dis... dokt. tekhn. nauk [Development of theoretical foundations and resource-saving technologies for direct reduction of metals using method and instrumental system of modeling and optimization. Extended Abstract of Dr. Sci. Diss.]. Novokuznetsk, 2018, 40 p. (In Russ.).Рыбенко И.А. Инструментальная система «Инжиниринг – Металлургия» для широкого круга оптимизационных задач. В кн.: Металлургия: технологии, инновации, качество: тр. XX междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1. – Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2017. С. 75 – 81.Rybenko I.A. “Engineering-Metallurgy” instrumental system for a wide range of optimization tasks. In: Metallurgiya: tekhnologii, innovatsii, kachestvo: tr. XX mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Ch. 1. [Metallurgy: technology, innovation, quality: Papers of the XX Int. Sci.-Pract. Conf. Part 1]. Novokuznetsk: ITs SibGIU, 2017, pp. 75–81. (In Russ.).Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах. – В кн.: III межд. симпозиум «Горение и плазмохимия». 24 – 26 августа 2005. Алматы, Казахстан. – Алматы: изд. Казак университетi, 2005. С. 52 – 58.Trusov B.G. TERRA software system for modeling phase and chemical equilibria at high temperatures. In: III mezhd. simpozium “Gorenie i plazmokhimiya”, 24 – 26 avgusta 2005, Almaty, Kazakhstan [III Int. Symposium “Combustion and Plasma Chemistry”. August 24 – 26, 2005, Almaty, Kazakhstan]. Almaty: izd. Kazak universiteti, 2005, pp. 52–58. (In Russ.).Рыбенко И.А. Разработка оптимальных технологических режимов получения металлов с использованием методов математического моделирования и инструментальных систем // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». 2018. № 2. С. 57 – 61.Rybenko I.A. Development of optimal technological modes for producing metals using methods of mathematical modeling and instrumental systems. Chernaya metallurgiya. Byul. in-ta “Chermetinformatsiya”. 2018, no. 2, pp. 57–61. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.