2076

прочности при сжатии и модуля упругости при сжатии наблюдается рост этих показателей соответственно на 62 и 25 %, для предела прочности при растяжении и модуля упругости при растяжении – уменьшение соответственно на 46 и 27 % при использовании водной системы, обработанной полем напряженности Н=1,422 105 А/м.

Наблюдаемая неоднозначность результатов в слабом направлении, особенно при растяжении, связана с большими погрешностями измерений в этом случае и с низким абсолютным значением прочностных характеристик.

По результатам анализа испытаний, приведенных в табл.2.1 и 2.2 и на графиках (рис. 2.20 и 2.21) видно, что магнитная обработка водных сред, используемых при производстве изделий (плиток) из волокнистой двуокиси кремния, влияет на прочностные свойства образцов, при этом влияние на теплофизические свойства практически не обнаружено (табл.2.3.). Обработка водных растворов магнитными полями при Н=1,422 105 А/м приводит к увеличению механической прочности керамических плиток при практически неизменной плотности материала. Предел прочности при сжатии в сильном направлении при этом возрастает в 1,5-3 раза. Эти результаты совпадают с данными, полученными в предыдущей части настоящей работы на большом количестве образцов в виде шайб.

При магнитной обработке дистиллированной воды, поступающей для приготовления водно-связующего раствора (см. рис.2.13, схема 5, положение «а»), происходит увеличение механических показателей керамических образцов на 96,73 % по сравнению с контрольной величиной. Предел механической прочности при сжатии составил 12,77 кгс/см2, при напряженности магнитного поля Н=1,422·105 А/м, но эта величина на 25,35 % ниже показателя, полученного при испытании образцов, изготовленных по технологии рис. 2.13, схема 4. При омагничивании суспензии: дистиллированная вода, связующий раствор и кварцевое волокно (см. рис 2.13, схема 5, положение «в»); также наблюдается повышение качественных характеристик. Наилучшие показатели дали образцы, затворенные на омагниченном растворе, при Н=(1,422…1,4615) 105 А/м. Максимальный эффект увеличения предела механической прочности керамических изделий составил 124,37 % и RCK=14,573 кгс/см2. Экспериментальные результаты данного этапа исследований совпали с предшествующими результатами (см. рис.2.13, схема 4). Однако, конструктивное оформление данного производства изделий значительно сложнее за счет необходимости разработки нестандартного оборудования и требуют больше экономических затрат. В связи с этим дальнейшие исследования по омагничиванию систем производили на водно-связующем растворе.

Исследования по изучению изменения качества кварцевых изделий в условиях безотходного производства (см. рис.2.13, схемы 6, 7) показали,

61

что механическая прочность образцов на основе очищенная сточная вода и дистиллированная подпитка дает качество изделий ниже контрольного показателя на 6,48 % (Rcж=6,07 кгс/см2), что указывает на необходимость доомагничивания системы.

Доомагничивание осуществляли в положениях «а», «б» и «в». Оптимальным положением магнитного активатора оказалась установка его в позиции «б» перед приготовлением формовочной массы. Такое решение позволило установить, что качественные характеристики изделий из волокнистой двуокиси кремния близки к показателям, полученным по технологическому процессу схемы 4 (см. рис. 2.13), но значительно превышают контрольную величину (предел механической прочности) на 114.61 % при Н=1,422 105 А/м. Предел механической прочности образцов, изготовленных по безотходному технологическому процессу с доомагничиванием очищенных сточных вод, равен 13,939 кгс/см2.

Это свидетельствует о характерном влиянии омагниченных сточных вод с раствором связующего на качественные показатели изделий из волокнистой двуокиси кремния при безотходном замкнутом водопользовании керамического производства.

На основании проведенных исследований установлено:

1.Разработка и внедрение безотходных замкнутых технологических систем производства керамических изделий являются перспективными в технических и экологических аспектах данного направления, позволяющего полностью утилизировать отходы в цикле производственного процесса.

2.Использование очищенной сточной жидкости с остаточными магнитными свойствами и с дополнительным доомагничиванием водносвязующего раствора позволило повысить качество керамических изделий по сравнению с контрольной величиной предела механической прочности при сжатии на 114,6 %, что обеспечивает уменьшение количества исходных материалов: дистиллированной воды на 78,2 %, кварцевого волокна на

5 %.

3.Напряженность магнитного поля является определяющим показателем, обеспечивающим повышение качества керамических изделий. Оптимальные значения напряженности поля лежат в диапазоне

Н=(1,422…1,4615) 105 А/м.

62

3.ОПТИМИЗАЦИЯ НА ЭВМ КОНСТРУКТИВНЫХ

ИТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВОК БЕЗОТХОДНОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Требуемые показатели безотходной технологии керамического производства могут быть получены при различных конструктивных и технологических параметрах аппаратов и устройств, схем очистки.

За последние годы в практике проектирования нашли широкое применение системы автоматизированного проектирования (САПР). Важнейшим условием успешного использованный САПР является разработка программного обеспечения, одним из основных элементов которого являются программы статической и динамической оптимизации.

Применение математических методов оптимизации технологических схем позволяет определять оптимальные значения конструктивных и технологических параметров установок при большой сложности целевой функции и любом числе независимых переменных; достигать максимального экономического эффекта при практической реализации оптимизируемых систем за счет определения глобального экстремума целевой функции; автоматизировать проектирование систем; значительно сократить время проектирования безотходной технологии керамического производства.

Исследования, проведенные в НГАСУ им. В.И. Чкалова и ВНИИ ВОДГЕО, показывают, что наиболее универсальным критерием оптимизации в технике очистки сточных вод является экономический – функция годовых приведенных затрат [63–65].

Постановка и решение задач оптимального проектирования нами осуществлялась на основе использования методологии, разработанной проф. В.В. Найденко [63].

Вработе автор, основываясь на предлагаемой методологии решена задача оптимизации конструктивных и технологических параметров установок замкнутого безотходного керамического производства.

Технологическая схема производства изделий из волокнистой двуокиси кремния представлена на рис. 3.1.

3.1.Формирование целевой функции

Вкачествекритерияоптимальностипринятыприведенныезатраты, руб.:

63

Рис. 3.1. Технологическая схема замкнутого безотходного керамического производства

64

Учитывая состав и условия работы системы, целевая функция включает в себя следующие составляющие, руб.:

Приведем слагаемые функции S применительно к указанным выше условиям работы.

65

Стоимость зданий для размещения замкнутой безотходной технологии керамического производства, руб.:

где Sн – нормальнаястоимость1 м2 производственнойплощади, руб. [66];

F1 – площадь здания для размещения технологической линии изготовления керамических изделий, м2;

F2 – площадьздания, занимаемаясистемойобработкипромстоков, м2.

Стоимость емкостей (Ксб.в; Кпр1; Кпр2; Кпр3; Квол; Кпр.д), руб., определяли по следующей формуле [66]:

Стоимость электромагнитов (Кэл1;Кэл2),мерного резервуара (Км), смесителя (Ксм), смесителя волокнистой массы (Ксм.в), ресивера (Крес1, Крес2) определялась согласно рабочим чертежам на изготовление и монтаж нестандартного оборудования.

Стоимость насосов (Кнс1; Кнс2; Кнс3), вакуум-насосов (Квн1; Квн2), воздуходувки (Квз), фильтра (Кф), формовочной установки (Квф), дистиллятора

(Кдис), эжектора (Кэж), шнекового насоса (Кшн) определялась согласно паспортным данным с учетом затрат на монтаж оборудования на технологическом участке.

Стоимость электроэнергии, руб., определяется по следующей формуле:

tэл1,tэл2 ,tнс1,tнс2 ,tнс3,tвн1,tвн2 ,tвн3,tшн,tдис – продолжительность работы, ч.

Nвн2 Q P , 3,6 104

где – удельный вес жидкости, н/м3; Q – производительность насоса, м3/ч;

Р – перепад давлений, создаваемых насосом, мПа;– КПД насоса.

66

где 0,015 – коэффициент учета отчислений на текущий ремонт производственных помещений (1,5 %);

0,03 – коэффициент учета отчислений на текущий ремонт оборудования (3 %);

Куст – суммарная стоимость установок, включая затраты на монтаж оборудования, руб.

Амортизационные отчисления, руб.:

где 0,26 – коэффициент, учитывающий амортизационные отчисления для производственных помещений (26 %);

0,141 – коэффициент, учитывающий амортизационные отчисления для технологического оборудования (14,1 %).

Затраты на заработную плату, руб.:

Стоимость поливинилового спирта и нитрида бора определяется по формулам, руб.:

где Sпвс, SNB – стоимость 1 кг нитрида бора, поливинилового спирта, руб.

67

Стоимость фильтрующего материала определяется по формуле:

В процессе расчетов технологических параметров установок безотходной технологии керамического производства используется уравнение регрессии (3.14).

3.2. Пределы варьирования независимых переменных целевой функции

На основании результатов работы проблемной лаборатории НГАСА им. В.П. Чкалова установлено, что целевые функции, характеризующие годовые приведенные затраты, как правило, являются нелинейными многоэкстремальными функциями.

Для технологической схемы керамического производства целевая функция S имеет 12 независимых переменных:

tэл 1;tэл 2;tнс 1;tнс 2;tнс 3;tвн 1;tвн 2 ;tвз;tф; P;tшн;tдис .

Задача поиска оптимальных конструктивных и технологических параметров установок состоит в определении таких значений независимых переменных, при которых функция S достигает минимального значения.

Выбор переменных параметров для функции ограничен технологическими условиями, которые сформированы в виде систем неравенств:

735 P 1569 (Па)

1 tэл1 8 (ч) 1 tэл 2 8 (ч)

68

1 tвз 8 (ч)

1 tф 8 (ч)

1 tшн 8 (ч)

1 tдис 8 (ч)

Таким образом, в процессе оптимизации установок, поиск минимального значения целевой функции должен осуществляться в области строго ограниченной предельными значениями независимых переменных.

Поиск экстремума функции – критерия осуществляется комбинированием случайного броска (метод Монте – Карло) и метода релаксации. Применение такой стратегии поиска обеспечивает возможность решения задач оптимизации сооружений с минимальными затратами машинного времени.

Сущность метода заключается в следующем: определяем случайные значения независимых переменных:

tэл 1;tэл 2;tнс 1;tнс 2;tнс 3;tвн 1;tвн 2 ;tвз;tф; P;tшн;tдис .

в области их задания. После нахождения случайного набора аргументов проверяются ограничения. Если все ограничения, наложенные на выбор аргументов, выполняются, вычисляется значения функции – критерия S. Если хотя бы одно из ограничений не выполнено, ведем поиск нового набора аргументов:

tэл 1;tэл 2;tнс 1;tнс 2;tнс 3;tвн 1;tвн 2 ;tвз;tф; P;tшн;tдис .

Вычисленное значение функции S сравниваем с наименьшим значением, полученным в предыдущих вычислениях. Если значение S в рассматриваемой точке меньше, чем во всех ранее рассмотренных точках, осуществляем поиск ближайшего к этой точке минимума по методу релаксации. Точку, в которой функция достигает минимума, запоминаем. Затем находим новую точку и повторяем те же вычисления. Счет ЭВМ ведется до тех пор, пока не будет находиться точка, в которой S принимает значение меньше оптимального [63].

Алгоритм поиска в виде блок-схемы представлен на рис. 3.2-3.5.

69