ПРЕДПОСЫЛКИ  ПРОГНОЗИРОВАНИЯ  ИЗВЛЕЧЕНИЯ  ВТОРИЧНЫХ  МАТЕРИАЛОВ  С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  МАТЕМАТИЧЕСКОГО  МОДЕЛИРОВАНИЯ

Черноусов  Павел  Иванович

канд.  техн.  наук,  доцент, 
Национальный  исследовательский  технологический  университет  «МИСиС», 
РФ,  г.  Москва

E-mail: 

Саядова  Юлия  Борисовна

студент, 
Национальный  исследовательский  технологический  университет  «МИСиС», 
РФ,  г.  Москва

E-mail: 

BACKGROUND  OF  FORECASTING  EXTRACTING  SECONDARY  MATERIALS  USING  MATHEMATICAL  MODELLING

Chernousov  Pavel

candidate  of  Technical  Sciences,  assistant  professor, 
National  University  of  Science  and  Technology  MISiS, 
Russia,  Moscow

Sayadova  Julia

student, 
National  University  of  Science  and  Technology  MISiS, 
Russia,  Moscow

АННОТАЦИЯ

Использование  вторичного  сырья  позволяет  грамотно  и  экономно  расходовать  невосполнимые  ресурсы  страны  и  повышать  производительность  металлургической  отрасли.  Наиболее  прогрессивным  методом  подсчета  вторичных  и  техногенных  ресурсов  является  математическое  моделирование  с  использованием  ЭВМ.  Принимая  во  внимание  опыт  передовых  индустриальных  стран,  становится  возможным  грамотно  подобрать  методологию  расчета,  с  учетом  дизайна  продукции  для  обеспечения  максимального  извлечения  ресурсов  с  целью  их  дальнейшей  переработки.

ABSTRACT

The  use  of  recycled  materials  allows  competently  and  economically  finish  of  irreplaceable  resources  of  the  country  and  improve  the  performance  of  the  steel  industry.  The  most  progressive  method  of  calculation  of  the  secondary  and  technological  resources  is  the  mathematical  modeling  using  computers.  Using  the  experience  of  the  advanced  industrial  countries  can  choose  wisely  calculation  methodology,  inclusive  the  design  of  products  to  ensure  maximum  recovery  of  resources  for  further  processing.

Ключевые  слова:  рециклинг;  вторичное  сырье;  моделирование;  дизайн  продукции.

Keywords:  recycling;  secondary  materials;  modelling;  design  of  products.

Жизненный  цикл  изделий  представляет  собой  последовательность  этапов,  начиная  от  производства  нового  продукта  и  вплоть  до  его  утилизации  по  окончании  срока  использования.  В  число  этих  этапов  входит  проектирование,  технологическая  подготовка  производства,  собственно  само  производство,  послепродажное  обслуживание  и  эксплуатация  продукции  и,  как  заключительный  этап,  утилизации. 

На  каждой  стадии  жизненного  цикла  изделие  имеет  свою  определенную  целевую  направленность.  При  этом  участники  жизненного  цикла  стремятся  достичь  поставленных  целей  с  максимальной  эффективностью  [2].  На  этапах  проектирования,  технологической  подготовки  производства  и  непосредственно  самого  производства  нужно  обеспечить  выполнение  требований,  которые  предъявляются  к  производимому  продукту,  учитывая  ожидаемую  степень  надежности  изделия.  Кроме  того,  не  маловажным  требованием,  предъявляемым  к  процессу  производства  является  сведение  к  минимуму  материальных  затрат  и  ресурсов  времени,  что  незамедлительно  приводит  к  завоеванию  авторитета  у  потребителей  продукции  и  одновременно  обеспечивает  конкурентоспособность  в  условиях  рыночной  экономики.  Данные  мероприятия  находят  отражение  не  только  в  снижении  себестоимости  продукции  и  сокращении  сроков  проектирования  и  производства,  но  и  в  обеспечении  удобства  освоения  и  снижения  затрат  на  будущую  эксплуатацию  изделий. 

Первопричиной  появления  самого  термина  «жизненный  цикл  изделия»  и  сути,  которую  он  в  себе  заключает,  считается  разработка  информационных  CALS  —  технологий,  являющихся  подспорьем  процесса  проектирования  и  изготовления  изделий.  Сейчас  все  чаще  встречается  термин  PLM  (Products  Lifecycle  Management)  —  автоматизированная  глобальная  система,  которая  охватывает  уже  весь  жизненный  цикл  изделия. 

Эффективность  использования  ресурсов  может  быть  достигнута  только  тогда,  когда  все  сложные  нелинейные  взаимодействия  рассматриваются  и  оптимизируются  одновременно.  Большое  значение,  при  производстве,  имеет  корреляция  между  затратами  материалов,  воды  и  энергии  и  т.  п.  В  математической  оценке  это  играет  не  последнюю  роль,  так  как  это  может  повысить  эффективность  использования  ресурсов  общества.  Связав  все  аспекты  производства  и  потребления  в  большую  технологическую  схему  и,  используя  лучшие  доступные  технологии  можно  создать  базовую  линию,  а  затем  связать  ее  с  инструментами  экологической  оценки,  реализованные  при  помощи  ЭВМ.  Эти  операции  могут  помочь  в  определении  истинных  пределов  эффективности  использования  ресурсов.  В  случаях  анализа  оценки  жизненного  цикла  при  использовании  компьютерных  моделей  коэффициенты  рециклинга  часто  относительно  просты.  Как  правило,  они  основаны  на  весьма  упрощенных  моделях  систем,  минуя  физическую  сторону  процесса  [3].

Инструменты  и  модели  рециклинга,  а  также  получаемые  руководящие  принципы  были  разработаны  и  применены  Рейтером  [4].  Ван  Шайк  и  Рейтер  попытались  решить  проблему  оценки  жизненного  цикла  изделия  при  помощи  ЭВМ,  охватывающую  в  большей  степени  товары,  ориентированные  на  переработку  [7].

Недавние  исследования,  основанные  на  большом  количестве  промышленных  и  экспериментальных  данных,  показали  зависимость  между  дизайном  (конструкцией)  товара  и  качеством  получаемого  вторичного  сырья.  Благодаря  связи  между  дизайном  (конструкцией)  продукции  и  эффективностью  использования  ресурсов,  Ван  Шайк  и  Рейтер  разработали  динамические  имитационные  модели  утилизации  для  автомобилей  и  электронных  отходов  (отходов  электрического  и  электронного  оборудования)  [8].  Характеристики  частиц  мелкодисперсного  материала,  получаемых  в  результате  тонкого  измельчения  рециклируемых  изделий,  рассматриваются  неотрывно  от  их  физических  и  химических  свойств. 

Поскольку  такие  модели  утилизации  слишком  сложны  и  связаны  с  конструкцией  изделий  и  оценкой  жизненного  цикла,  ван  Шайк  и  Рейтер  разработали  и  применили  оптимизационную  модель  рециклинга.  Она  связана  с  автоматизированным  проектированием  и  программным  обеспечением  оценки  жизненного  цикла  для  автомобильной  промышленности  в  проекте  “SuperLight”  и  использовалась  для  расчета  процесса  рециркуляции  легковесных  материалов  конструкций  [5]. 

Обширная  технологическая  схема  переработки  (например,  для  отслуживших  свой  срок  автомобилей),  как  правило,  основана  на  сети  разветвленных  процессов  и  материальных  потоков.  Такая  сложная  модель  описывает,  определяет  и  оптимизирует  сочетание  отдельных  процессов  переработки  для  материальных  потоков  конструкций,  состоящих  из  большого  числа  компонентов.  Такая  технологическая  схема  является  основой  для  исследования  различных  маршрутов  обработки  продукта.  Многомерные  технологические  схемы,  обеспечивающие  графический  и  технологический  план  моделей  систем  переработки,  позволяют  прогнозировать  и  рассчитывать  возможности  и  пределы  рециклинга. 

На  рисунке  1,  в  качестве  примера,  приведем  объем  извлекаемых  материалов  (по  отношению  к  общему  выходу  процесса  извлечения)  отдельных  потоков  перерабатываемого  материала  в  процессе  переработки  электронных  отходов  [6].  Этот  прогноз  учитывает  зависимость  результатов  от  изменяющихся  условий  извлечения  материалов  и,  как  следствие,  изменение  состава,  массы  и  т.  д. 

Рисунок  1.  Объем  извлекаемых  потоков  из  перерабатываемых  изделий

Очевидно,  что  качество  и  класс  вторичного  сырья  определяются  не  только  исходя  из  содержания  железа,  но  также  и  отталкиваясь  от  других  материалов,  а  также  имеющихся  примесей  в  потоках  ввиду,  к  примеру,  несовершенства  разделения.  Такой  тип  моделирования  необходим  для  определения  возможностей  и  ограничений  для  прогнозирования  процессов  рециклинга. 

Таким  образом,  модели,  предложенные  Ван  Шайком  и  Рейтером  могут  предсказать  качество  материалов,  образующихся  в  результате  переработки  окончивших  срок  службы  изделий,  объем  извлекаемых  материалов  (в  том  числе  дефицитных),  а  также  потери  (в  результате  демонтажа  (разделения  с  целью  извлечения)),  и,  как  результат,  определить  будущее  направление  утилизации.  Еще  один  примером  является  имитационная  модель  рециклинга  под  названием  «Методология  анализа  техногенного  элементопотока  металлов»,  которая  была  зарегистрирована  в  качестве  НОУ-ХАУ  МИСиС  №  3-202-2009  ОИС  от  10  февраля  2009  года.  В  разработанной  модели,  становится  доступным  производить  расчет  практически  для  любых  экономических  и  географических  условий  (для  областей,  регионов,  страны,  группы  стран).  В  основе  лежит  алгоритм  программного  комплекса  оптимизации  (в  виде  многокритериальной  задачи),  а  также  решена  задача  оптимизации  параметров  рециклинга,  что  позволит  обеспечить  необходимый  уровень  потребления  металлопродукции  на  душу  населения  при  соблюдении  качественных  характеристик  железа  [1]. 

Список  литературы:

1. Коротченко  А.С.  Компьютерное  моделирование  глобального  рециклинга:  Дис…канд.  тех.  наук.  —  М.  2010  год.  —  167  стр.
2. Юсфин  Ю.С.,  Леонтьев  Л.И.,  Черноусов  П.И.  Промышленность  и  окружающая  среда/  Ю.С.  Юсфин.  и  др.  —  М.:  ИКЦ  Академкнига,  2002.  —  469  с.
3. Brunner  P.H.,  Rechberger  H.  Practical  Handbook  of  Material  Flow  Analysis,  Lewis  Publishers,  Boca  Raton,  FL,  —  p.  336,  2004.
4. Reuter  M.A.  The  simulation  of  industrial  ecosystems.  Minerals  Engineering,  vol.  11(10),  pp.  891—917,  1998.
5. SuperLightCar,  6th  framework  EU  project.,  [digital  resource]  URL:  http://www.superlightcar.com  (accessed  date  24th,  June  2015). 
6. UNEP.  Metal  Recycling:  Opportunities,  Limits,  Infrastructure,  p.  320,  2013.
7. Van  Schaik  A.,  Reuter  M.A.,  Heiskanen  K.  The  influence  of  particle  size  reduction  and  liberation  on  the  Recycling  rate  of  end-of-life  vehicles.  Minerals  Engineering,  —  vol.  17,  —  pp.  331—347,  —  2004.
8. Van  Schaik  A.,  Reuter  M.A.  Calculating  the  Recyclability,  Product  Design  is  the  Key  to  High  Recycling  Rates.  Recycling  Magazine,  —  vol.  12,  —  pp.  14—17,  —  2007.