Помощь студентам в учебе
Исследование и производственные приложения рентгенодифракционных методов структурно-фазового анализа
|
ВВЕДЕНИЕ 8
1 Обзор современных рентгеновских методов контроля состава электролита в
алюминиевом производстве 11
1.1 Градуировочные методы РФА и РСА электролита 15
1.2 Бесстандартные методы КРФА электролита 17
2 Мультипопуляционный генетический алгоритм моделирования
кристаллической структуры из рентгенодифракционных данных 24
2.1 Схема работы индивидуальных процессов ГА в составе МПГА 24
2.1.1 Предварительная установка профильных параметров 24
2.1.2 Описание генетических операторов 26
2.2 Локальная оптимизация индивидов в популяциях МПГА 29
2.3 Схема взаимодействия индивидуальных ГА в МПГА 30
2.4 Программное обеспечение, реализующее алгоритм МПГА 32
2.4.1 Задание профильных и структурных параметров 32
2.4.2 Задание параметров процесса МПГА 34
2.5 Контроль за процессом работы программы МПГА 36
2.6 Сохранение результатов работы МПГА 39
3 Экспериментальная часть 40
3.1 Определение границ варьирования параметров для образцов электролитов 41
3.2 Исследования по автоматизации анализа КО электролита методом Ритвельда под управлением мультипопуляционного генетического алгоритма 45
3.3 Исследования по уточнению структурных параметров и текстуры фазы
криолит в электролитах 52
3.4 Выводы по разделу 55
4 Раздел по охране труда 57
4.1 Характеристика работы 57
4.2 Оценка вредных факторов в условиях проведения и исследования
эксперимента 57
4.3 Характеристика помещения для проведения работ 58
4.3.1 Микроклимат 58
4.3.2 Освещение 60
4.3.3 Вентиляция 63
4.3.4 Противопожарная характеристика помещения 64
4.4 Противопожарные меры безопасности 65
4.5 Электробезопасность 66
4.6 Охрана окружающей среды 68
5 Экономическая часть 70
5.1 Сетевое планирование выполнения диссертационной работы 70
5.1.1 Временная оценка работы 70
5.1.2 Расчёт параметров сетевого графика 72
5.2 Смета затрат на проведение исследований 74
5.2.1 Материальные расходы 74
5.2.2 Расходы на оплату труда 75
5.2.3 Амортизационные отчисления 76
5.2.4 Прочие расходы 77
5.3 Определение экономического эффекта от внедрения результатов
исследования 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 80
1 Обзор современных рентгеновских методов контроля состава электролита в
алюминиевом производстве 11
1.1 Градуировочные методы РФА и РСА электролита 15
1.2 Бесстандартные методы КРФА электролита 17
2 Мультипопуляционный генетический алгоритм моделирования
кристаллической структуры из рентгенодифракционных данных 24
2.1 Схема работы индивидуальных процессов ГА в составе МПГА 24
2.1.1 Предварительная установка профильных параметров 24
2.1.2 Описание генетических операторов 26
2.2 Локальная оптимизация индивидов в популяциях МПГА 29
2.3 Схема взаимодействия индивидуальных ГА в МПГА 30
2.4 Программное обеспечение, реализующее алгоритм МПГА 32
2.4.1 Задание профильных и структурных параметров 32
2.4.2 Задание параметров процесса МПГА 34
2.5 Контроль за процессом работы программы МПГА 36
2.6 Сохранение результатов работы МПГА 39
3 Экспериментальная часть 40
3.1 Определение границ варьирования параметров для образцов электролитов 41
3.2 Исследования по автоматизации анализа КО электролита методом Ритвельда под управлением мультипопуляционного генетического алгоритма 45
3.3 Исследования по уточнению структурных параметров и текстуры фазы
криолит в электролитах 52
3.4 Выводы по разделу 55
4 Раздел по охране труда 57
4.1 Характеристика работы 57
4.2 Оценка вредных факторов в условиях проведения и исследования
эксперимента 57
4.3 Характеристика помещения для проведения работ 58
4.3.1 Микроклимат 58
4.3.2 Освещение 60
4.3.3 Вентиляция 63
4.3.4 Противопожарная характеристика помещения 64
4.4 Противопожарные меры безопасности 65
4.5 Электробезопасность 66
4.6 Охрана окружающей среды 68
5 Экономическая часть 70
5.1 Сетевое планирование выполнения диссертационной работы 70
5.1.1 Временная оценка работы 70
5.1.2 Расчёт параметров сетевого графика 72
5.2 Смета затрат на проведение исследований 74
5.2.1 Материальные расходы 74
5.2.2 Расходы на оплату труда 75
5.2.3 Амортизационные отчисления 76
5.2.4 Прочие расходы 77
5.3 Определение экономического эффекта от внедрения результатов
исследования 78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 79
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 80
В научно-исследовательских лабораториях и в производственной аналитике для исследования вещественного химического состава кристаллических материалов широко используется метод рентгенофазового анализа (РФА) [1]. РФА применяется при решении исследовательских материаловедческих задач, при разработке технологий по переработке минерального сырья и технологическом производственном контроле. Информация о качественном и количественном фазовом составе необходима для контроля состава и характеристики качества и свойств промежуточных и конечных продуктов.
На алюминиевых заводах количественный рентгенофазовый анализ (КРФА) используется для экспресс-анализа состава охлажденных проб промышленного электролита, отбираемых из электролизных ванн.
Основным технологическим параметром, характеризующим состав ванны, является криолитовое отношение (КО), выражающее величину мольного отношения фторида натрия к фториду алюминия:
;X>^C(NaF,мол.%)=2C(NaF,масс.%) (1)
C(AlF3, мол.%) C(AlF3, масс.%)
Благодаря данным, полученных методом РФА, обеспечивается поддержание постоянства химического состава электролизной ванны, так как в процессе работы электролизная ванна постоянно испытывает колебания и отклонения от оптимального химического состава. Корректировка состава осуществляется фтористыми солями на основе оперативных данных рентгеновского технологического контроля химического состава электролита в заводских лабораториях. Данные оперативного контроля должны быть весьма точными и надежными из-за высокой стоимости возможных ошибок. Оптимизация состава повышает выход металла по току на величину до 10 % и приводит к большому экономическому эффекту [2].
На сегодняшний день, в заводских лабораториях применяются методы КРФА основанные на эталонировании. Они обладают высокой точностью, но требуют подготовки стандартных образцов (СО) с точно известным количест¬венным фазовым составом, причем, адекватных по составу и структуре фазам проб промышленного электролита без чего нельзя получить точные градуировочные графики для КРФА. На практике получение СО является сложной и трудно выполнимой задачей, поскольку сделать их путем взвешивания и смешения невозможно из-за отсутствия адекватных фаз- компонентов. При получении же СО сплавлением из фторидов контролируется только химический состав, а количественный фазовый состав остается неизвестным, т.к. все фториды распределяются одновременно по нескольким фазам. Методы химического анализа фазового состава электролита - отсутствуют.
Известно, что существуют бесстандартные методы КРФА электролита и расчета КО из этих данных. Поэтому актуальной научно-технической задачей является исследование возможностей автоматизации современных бесстандартных методов КРФА для задачи определения точного количественного фазового состава СО. Наиболее перспективным современным методом рентгенографического анализа для этой цели является метод фундаментальных параметров Ритвельда, позволяющий определять количественный фазовый состав в результате расчета и уточнения рентгенограммы образца из данных об атомной кристаллической структуры фаз.
Целью данной магистерской работы явилось исследование возможностей автоматизации бесстандартного анализа КО электролита по варианту метода Ритвельда под управлением мультипопуляционного генетического алгоритма (МПГА). В качестве исследуемых материалов выбраны стандартные образцы кальций- и магний- содержащего алюминиевого электролита, аттестованные ранее по характеристикам химического состава в качестве отраслевых СО (ОСО). Этот выбор создает возможность прямой интегральной оценки точности результатов КРФА по методу Ритвельда путем сравнения значений КО, рассчитываемых из фазового состава, с аттестованными значениями КО.
В соответствии с этим, задачами работы являлись.
1. Исследование способов автоматизации бесстандартного анализа КО электролита по варианту метода Ритвельда под управлением мультипопуляционного генетического алгоритма (МПГА):
-с использованием только профильных параметров;
-с дополнительным уточнением текстуры и структуры криолита;
-с уточнением концентрации кальциевых и магниевых фаз по данным рентгенофлуоресцентного анализа;
2. Оценка достигнутой точности анализа КО на отраслевых стандартных образцах (ОСО) электролита.
3. Выработка рекомендаций по внедрению метода.
На алюминиевых заводах количественный рентгенофазовый анализ (КРФА) используется для экспресс-анализа состава охлажденных проб промышленного электролита, отбираемых из электролизных ванн.
Основным технологическим параметром, характеризующим состав ванны, является криолитовое отношение (КО), выражающее величину мольного отношения фторида натрия к фториду алюминия:
;X>^C(NaF,мол.%)=2C(NaF,масс.%) (1)
C(AlF3, мол.%) C(AlF3, масс.%)
Благодаря данным, полученных методом РФА, обеспечивается поддержание постоянства химического состава электролизной ванны, так как в процессе работы электролизная ванна постоянно испытывает колебания и отклонения от оптимального химического состава. Корректировка состава осуществляется фтористыми солями на основе оперативных данных рентгеновского технологического контроля химического состава электролита в заводских лабораториях. Данные оперативного контроля должны быть весьма точными и надежными из-за высокой стоимости возможных ошибок. Оптимизация состава повышает выход металла по току на величину до 10 % и приводит к большому экономическому эффекту [2].
На сегодняшний день, в заводских лабораториях применяются методы КРФА основанные на эталонировании. Они обладают высокой точностью, но требуют подготовки стандартных образцов (СО) с точно известным количест¬венным фазовым составом, причем, адекватных по составу и структуре фазам проб промышленного электролита без чего нельзя получить точные градуировочные графики для КРФА. На практике получение СО является сложной и трудно выполнимой задачей, поскольку сделать их путем взвешивания и смешения невозможно из-за отсутствия адекватных фаз- компонентов. При получении же СО сплавлением из фторидов контролируется только химический состав, а количественный фазовый состав остается неизвестным, т.к. все фториды распределяются одновременно по нескольким фазам. Методы химического анализа фазового состава электролита - отсутствуют.
Известно, что существуют бесстандартные методы КРФА электролита и расчета КО из этих данных. Поэтому актуальной научно-технической задачей является исследование возможностей автоматизации современных бесстандартных методов КРФА для задачи определения точного количественного фазового состава СО. Наиболее перспективным современным методом рентгенографического анализа для этой цели является метод фундаментальных параметров Ритвельда, позволяющий определять количественный фазовый состав в результате расчета и уточнения рентгенограммы образца из данных об атомной кристаллической структуры фаз.
Целью данной магистерской работы явилось исследование возможностей автоматизации бесстандартного анализа КО электролита по варианту метода Ритвельда под управлением мультипопуляционного генетического алгоритма (МПГА). В качестве исследуемых материалов выбраны стандартные образцы кальций- и магний- содержащего алюминиевого электролита, аттестованные ранее по характеристикам химического состава в качестве отраслевых СО (ОСО). Этот выбор создает возможность прямой интегральной оценки точности результатов КРФА по методу Ритвельда путем сравнения значений КО, рассчитываемых из фазового состава, с аттестованными значениями КО.
В соответствии с этим, задачами работы являлись.
1. Исследование способов автоматизации бесстандартного анализа КО электролита по варианту метода Ритвельда под управлением мультипопуляционного генетического алгоритма (МПГА):
-с использованием только профильных параметров;
-с дополнительным уточнением текстуры и структуры криолита;
-с уточнением концентрации кальциевых и магниевых фаз по данным рентгенофлуоресцентного анализа;
2. Оценка достигнутой точности анализа КО на отраслевых стандартных образцах (ОСО) электролита.
3. Выработка рекомендаций по внедрению метода.
• В ходе исследования был определен набор профильных и структурных параметров фаз, подлежащих уточнению, и интервалы их возможных вариаций в пробах электролита, исследована сходимость параметров фаз при различных настройках генетических операций и установках метода Ритвельда и эмпирически выбраны наиболее эффективные режимы работы МПГА.
• Выработана методика автоматического анализа КО под управлением МПГА и апробирована ее на анализе КО в ОСО.
• В результате сравнения расчетных и аттестованных значений КО в комплекте из 25 ОСО промышленного электролита разных алюминиевых заводов установлено, что точность анализа КО под управлением МПГА характеризующейся величиной стандартного отклонения 0,028 ед.КО, что близко к точности химического (арбитражного) анализа (0,01 ед. КО).
• Показана возможность повышения точности до ~ 0,020 ед.КО при уточнении кристаллической структуры криолита и фазового состава кальциевых и магниевых фаз проб электролита по данным точного рентгенофлуоресцентного анализа на кальций и магний.
• Результаты сопоставлены с разработкой фирмы Брукер по применению метода Рительда для анализа электролита и показана конкурентоспособность разработанного подхода, а также опубликованы в 2-х статьях в сборниках, индексируемых в базе Scopus.
• Дальнейшее развитие и внедрение исследований позволит усовершенствовать существующие методы технологического контроля состава электролита на алюминиевых заводах, а, следовательно, повысить производительность электролиза, в целом.
• Выработана методика автоматического анализа КО под управлением МПГА и апробирована ее на анализе КО в ОСО.
• В результате сравнения расчетных и аттестованных значений КО в комплекте из 25 ОСО промышленного электролита разных алюминиевых заводов установлено, что точность анализа КО под управлением МПГА характеризующейся величиной стандартного отклонения 0,028 ед.КО, что близко к точности химического (арбитражного) анализа (0,01 ед. КО).
• Показана возможность повышения точности до ~ 0,020 ед.КО при уточнении кристаллической структуры криолита и фазового состава кальциевых и магниевых фаз проб электролита по данным точного рентгенофлуоресцентного анализа на кальций и магний.
• Результаты сопоставлены с разработкой фирмы Брукер по применению метода Рительда для анализа электролита и показана конкурентоспособность разработанного подхода, а также опубликованы в 2-х статьях в сборниках, индексируемых в базе Scopus.
• Дальнейшее развитие и внедрение исследований позволит усовершенствовать существующие методы технологического контроля состава электролита на алюминиевых заводах, а, следовательно, повысить производительность электролиза, в целом.