Оптимізація управління формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти при підготовці до спікання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство промислової політики України

ДЕРЖАВНА НАУКОВО-ВИРОБНИЧА КОРПОРАЦІЯ

«КИЇВСЬКИЙ ІНСТИТУТ АВТОМАТИКИ»

УДК 622.788.36-52

ОПТИМІЗАЦІЯ УПРАВЛІННЯ ФОРМУВАННЯМ ГРАНУЛОМЕТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК АГЛОМЕРАЦІЙНОЇ ШИХТИ ПРИ ПІДГОТОВЦІ ДО СПІКАННЯ

05.13.07 - «Автоматизація процесів керування»

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РАХУБА ВІКТОРІЯ ОЛЕГІВНА

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизованого управління технологічними процесами Запорізької державної інженерної академії Міністерства освіти і науки Украйни.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пазюк Михайло Юрійович, Запорізька державна інженерна академія, проректор з науково-педагогічної роботи.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Богушевський Володимир Святославович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри фізико-хімічних основ технології металів;

кандидат технічних наук, доцент Трипутень Микола Мусійович, Національний гірничий університет, доцент кафедри автоматизації і комп'ютерних систем

Захист відбудеться 12 травня 2010 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.26.818.01 ДНВК «Київський інститут автоматики» за адресою: 04107, м. Київ, вул.. Нагірна, 22, корпус 1, к.220.

Відгуки на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи просимо надсилати на адресу: 04107, м. Київ, вул.. Нагірна, 22, «Київський інститут автоматики», вченому секретарю.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ДНВК «Київський інститут автоматики» за адресою: 04107, м. Київ, вул.. Нагірна, 22.

Автореферат розісланий 8 квітня 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат технічних наук Л.П. Тронько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з основних напрямів економічного розвитку України є підвищення ефективності аглодоменного виробництва, яке може бути досягнуте шляхом поліпшення якості агломерації залізних руд і зниження витрат палива для даного процесу. Вирішальний вплив на результат процесу спікання чинять газопроникність і структура шару шихти на аглострічці, які, у свою чергу, визначаються якістю грудкування сипкого матеріалу в барабанному грануляторі.

В даний час на вітчизняних виробництвах спроби здобуття грануляту із заданими властивостями часто не мають задовільного результату через недостатню вивченість процесу, відсутність раціональних критеріїв управління, вживання керуючих дій, що вносять збурення в процеси транспортування і спікання шихти, а також відсутність комплексного підходу до формування гранулометричного складу шихти при грудкуванні і завантаженні на аглострічку. Наслідками зазначених проблем є зниження продуктивності агломашин та нераціональне використання теплоти згорання твердого палива.

Вказані недоліки можуть бути усунені шляхом здобуття достовірного математичного опису процесів грудкування і зміни структури грудкованої шихти при транспортуванні на аглострічку, який був би заснований на аналізі сутності даних процесів і зв'язував основні технологічні параметри; а також побудови на основі отриманих моделей алгоритмів управління, що забезпечать оптимізацію управління формуванням гранулометричного складу шихти. Тому встановлення закономірностей протікання зазначених процесів і побудова на їх основі алгоритмів управління є актуальним науковим завданням. грудкування шихта аглострічка синтез

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Державної науково-технічної програми «Ресурсозберігаючі технології нового покоління в гірничо-металургійному комплексі», затвердженої Законом України «Про основи державної політики у сфері науки і науково-технічної діяльності», по напряму 5.3.1. «Розробка технологій видобутку та збагачення сировинних матеріалів для металургійного виробництва, в тому числі з використанням відходів виробництва».

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є отримання рішень щодо оптимізації управління формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти шляхом синтезу АСК даним процесом, заснованої на аналітичних моделях грудкування і транспортування шихти, використання якої забезпечить скорочення витрат палива для процесу спікання і підвищення продуктивності агломашини за придатним агломератом.

Для досягнення поставленої мети в дисертації були вирішені наступні задачі:

1. За допомогою балансового методу моделювання отримано математичний опис процесів грудкування і зміни фракційного складу грудкованої шихти при завантаженні на аглострічку.

2. Досліджено вплив основних збурень і керуючих дій, що мають місце при протіканні даних процесів.

3. Розроблено АСК формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти і за допомогою обчислювальних експериментів на імітаційній моделі підтверджено її ефективність.

Об'єкт дослідження - процес зміни гранулометричного складу агломераційної шихти при грудкуванні в барабанному грудкувачі та транспортуванні на аглострічку.

Предмет дослідження - алгоритм управління процесом формування гранулометричних характеристик агломераційної шихти при підготовці до спікання.

Методи дослідження. У роботі використані: наукове узагальнення і систематизація - для визначення сучасного стану питання управління грудкуванням і транспортуванням агломераційної шихти; балансовий метод моделювання при розробці математичних моделей процесів грудкування і структурних змін грудкованого матеріалу при його транспортуванні; методи планування експерименту при дослідженні впливу керуючих дій; методи математичної статистики, ідентифікації і моделювання технологічних об'єктів при обробці результатів експериментальних досліджень; чисельні методи вирішення систем рівнянь і багатовимірної оптимізації при синтезі алгоритмів управління.

Наукові положення, їх новизна:

1. Вдосконалено балансовий метод дослідження процесів, що дозволило описати закономірності масообмінних процесів, які протікають при грудкуванні залізорудних матеріалів, дрібно-раціональними залежностями вмісту класів багатофракційної суміші від швидкостей масопереносу між ними.

2. Встановлено закономірності зміни фракційного складу грудкованої шихти під дією стираючих і ударних навантажень у вигляді лінійних залежностей вмісту фракцій полідисперсної суміші від висоти заповнення проміжного бункеру, що забезпечило створення теоретичних основ алгоритму управління завантаженням грудкованого матеріалу на агломашину.

3. Запропоновано критерій управління формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти у вигляді різниці поточного розподілу фракцій у грудкованому матеріалі, що завантажується на аглострічку, і його значення, що забезпечує максимальну продуктивність агломашини за придатним агломератом.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю постановки і вирішення задач, використанням фундаментальних положень, апробованістю методів, теорій, результатів досліджень, коректним застосуванням методів та засобів теорії ймовірності та прикладної статистики.

Практичне значення отриманих результатів. Використання розробленої АСК дозволить підвищити якість шихтового матеріалу, що завантажується на агломашину, шляхом задоволення вимог до структури спекаємого шару для даних умов виробництва, а також забезпечить зниження витрати палива для процесу спікання. Застосування пропонованої АСК на ВАТ «Запоріжсталь» забезпечить зниження кількості фракції <3 мм в шихті на 19 % при збільшенні кількості фракції 3-10 мм на 10 %, що дозволить понизити вміст палива в шихті з 4,4 % до 3,8 % без втрати якісних показників процесу спікання і складе економічний ефект від економії палива в агломераційному виробництві у розмірі 1 млн 800 тис грн в рік, а також економічний ефект від економії коксу на виплавку чавуну внаслідок скорочення виходу дрібної фракції в агломераті на 1,2 % у розмірі 3 млн грн в рік.

Практичні результати дисертації передані центральній лабораторії автоматизації і механізації ВАТ «Запоріжсталь» та ТОВ «Укрколірметавтоматика» (м. Запоріжжя) для використання у роботах зі створення автоматизованих систем керування агломераційним виробництвом.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульована мета, ідея, задачі, обрані методи досліджень. Синтезовані математичні моделі грудкування і змін структури грудкованої шихти при її транспортуванні і досліджено на підставі розроблених моделей вплив основних збурень та керуючих дій на дані процеси. Автором розроблено критерій управління формуванням гранулометричних характеристик аглошихти, що враховує вимоги до структури шару шихти на аглострічці, на основі якого може здійснюватися оптимізація процесу, синтезована структура АСК формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти і алгоритм управління формуванням структури шихти при підготовці до спікання.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення роботи і її окремі результати доповідалися та обговорювалися на X і ХІ науково-технічній конференції студентів, магістрів, аспірантів і викладачів ЗДІА (м. Запоріжжя, ЗДІА, 2005-2006 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Литьё. Металлообработка» (м. Запоріжжя, Запорізька торгівельно-промислова палата, 2005 р.); ХХХII науково-технічній конференції молоді ВАТ «Запоріжсталь» (м. Запоріжжя, ВАТ «Запоріжсталь», 2005); міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі» (м. Кривий Ріг, КТУ, 2006 р.).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковані 12 друкованих робіт, в тому числі - 8 у спеціалізованих фахових виданнях, затверджених ВАК України, 4 - матеріали конференцій.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 4 розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел; викладена на 160 сторінках і містить 41 рисунок, 46 таблиць та 16 додатків на 60 сторінках. Список використаних літературних джерел включає 104 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень, наведений зв'язок роботи з державними програмами, викладені наукова новизна, практична цінність і реалізація одержаних результатів. Зазначений особистий внесок здобувача, наведені результати апробації отриманих результатів і публікації.

У першому розділі дисертації наведено загальні відомості щодо грудкування агломераційної шихти і результати аналізу сучасного стану управління даним процесом на виробництвах країн СНД, а також методів моделювання та існуючих математичних моделей грудкування, розроблених вітчизняними та зарубіжними дослідниками.

Аналіз стану управління грудкуванням аглошихти на вітчизняних виробництвах показує, що системи управління даним процесом засновані на стабілізації витрати зволожуючої рідини і практично не враховують вплив інших параметрів. Проте такі системи не можуть забезпечити високу якість управління через наявність екстремуму залежності міцності агломерату від вмісту вологи в шихті, яка є різною для різних шихт. Деякі системи, пропоновані останніми роками, засновані на алгоритмах, що враховують вплив декількох параметрів на хід процесу, проте при їх проектуванні не враховувалися питання збереження структури грудкованого матеріалу і вимоги до погодженої роботи всього тракту шихтоподачі. Аналіз існуючих математичних моделей грудкування дозволяє зробити наступний висновок: переважна більшість з них є або емпіричними, що значно звужує сферу їх застосування, або заснованими на описі руху гранул в барабанах, а питання взаємодії часток і перенесення матеріалу, що складають сутність даного процесу, не розглядаються.

З метою усунення зазначених недоліків було розглянуто барабан-грудкувач як об'єкт управління, в результаті чого встановлено, що основним збуренням на процес грудкування доцільно вважати коливання фракційного складу шихти, що вивантажується з приймального бункера. У якості керуючих дій існує сенс розглядати витрату зволожуючої рідини, швидкість обертання барабана-грудкувача і кут його нахилу. Найбільш інформативними величинами для оцінки якості грудкування є гранулометричний склад і міцність гранул.

Оскільки більшість існуючих САК грудкуванням аглошихти не забезпечують задовільного результату через відсутність алгоритмів для вироблення ефективних керуючих дій, то важливою задачею є синтез адекватної математичної моделі даного процесу.

В результаті огляду методів моделювання процесу грануляції шихти було зроблено висновок, що для розробки адекватної математичної моделі цього процесу доцільно використовувати балансовий метод, який є аналітичним і дозволяє врахувати явища накочення і руйнування часток, що складають сутність процесу грануляції.

В результаті аналізу способів усунення недоліків існуючих систем управління грудкуванням відзначено, що оптимізацію управління цим процесом може бути досягнуто шляхом синтезу АСК формуванням гранулометричних характеристик аглошихти з врахуванням вимог до структури грудкованого матеріалу, що завантажується на аглострічку, і погодженої роботи всього тракту шихтоподачі. На основі вищенаведених висновків у першому розділі сформулювано мету і завдання досліджень.

Другий розділ дисертації присвячений розробці математичної моделі процесу грануляції сипкого матеріалу та дослідженню впливу основних збурень та керуючих дій, що мають місце при протіканні даного процесу.

Аналіз масопереносу при грануляції залізорудних матеріалів показує, що механізм даного процесу включає зіткнення накочуваних часток і центрів утворення гранул. В результаті дрібні частки накочується на поверхню більших, збільшуючи їх розмір. Одночасно з цим відбувається часткове руйнування великих гранул під дією стираючих і ударних навантажень. Тобто відбувається масоперенос від дрібних фракцій до великих і навпаки. Отже, механізм процесу грудкування можна уявити за допомогою схеми, показаної на рис. 1.

К_1n

К_2n

К_3n

К₁₃

К₁₂ К₂₃

К₂₁ К₃₂ …… …………………

К₃₁

Рис. 1 Схема моделі процесу грануляції сипкого матеріалу

Застосувавши для математичного опису даного процесу балансовий метод, отримуємо модель процесу у вигляді системи рівнянь (1):

(1)

де - - кількість фракцій кожного класу в початковий момент часу, %;

- - кількість фракцій кожного класу в момент встановлення рівноважного масопереносу між ними, %; - коефіцієнт масопереносу від -ї фракції до -ї в процесі грануляції, с^-1; - час грануляції, с.

Оскільки дана система є недовизначеною, то її рішення було отримане за допомогою чисельних методів (Квазі-Ньютона і Лівенберга-Марквардта) і дало можливість проаналізувати особливості масопереносу усередині сипкої маси і прогнозувати фракційний склад шихти у будь-який момент часу. Адекватність розробленої моделі експериментальним даним перевірено за допомогою методики перевірки адекватності моделей даним пасивних експериментів. Модель є адекватною при рівні значущості 0,05.

З практики відомо, що існує певне співвідношення кількості фракцій, які грудкують, і грудкуються, в шихті, що подається на грудкування, при якому досягається найкраща міра грудкованості матеріалу. У зв'язку з цим, представляє інтерес визначення максимальної кількості дрібної фракції, яку можливо залучити в процес за даних умов, і відповідно визначення необхідного для цього часу, тобто довжини барабану. Дане завдання було вирішене шляхом розробки алгоритму, який базується на здобутті функції зміни кількості дрібної фракції при грануляції і її чисельному диференціюванні методом кінцевих різниць. Вживання даного алгоритму для аналізу роботи аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь» показує, що вміст дрібної фракції в шихті, що забезпечує максимальну ефективність процесу, рівний 68 %, а довжина грудкователей є недостатньою для залучення до процесу максимально можливої кількості дрібної фракції, що не дозволяє досягти бажаних результатів грудкування.

Як відомо, на результат грудкування здійснюють вплив властивості сипкого матеріалу, що поступає - переважно вологість і фракційний склад, а також характеристики дії на нього агрегату - перш за все, кут нахилу і швидкість його обертання. Згідно запропонованої моделі процесу, ефективність грудкування характеризується значеннями коефіцієнтів масопереносу між фракціями шихти. Тому представляє інтерес дослідження впливу вказаних параметрів на величину даних коефіцієнтів. Для вирішення цього завдання був виконаний регресійний аналіз експериментальних даних, отриманих на аглофабриках Новолипецького металургійного заводу і комбінату «Запоріжсталь». Отримані результати підтверджують тезу про наявність критичного значення кількості дрібної фракції, яка забезпечує максимальну ефективність процесу, а також показують, що зміни фракційного складу вихідної шихти вносять істотні збурення в процес грудкування. Тому важливою вимогою до роботи дільниці приймальних бункерів є стабілізація гранулометричного складу вивантажуваної шихти, яка може бути забезпечена в результаті вживання розробленого алгоритму розрахунку параметрів роботи дільниці приймальних бункерів. Даний алгоритм складено за допомогою балансового метода моделювання роботи дільниці приймальних бункерів; застосування цього алгоритму забезпечить зниження амплітуди коливань кількості шихти в бункерах на 11 м³.

Кількісну оцінку міри впливу на динаміку грудкування вологості шихти, швидкості обертання і кута нахилу грудкувача , розраховану за результатами трьохфакторного обчислювального експерименту, показано на рис. 2 та 3.

Кількісна оцінка вказаних параметрів показує, що у якості вектора управління на коефіцієнти масопереносу доцільно використовувати зміну кута нахилу і швидкості обертання грудкувача, здійснюючи при цьому стабілізацію вологості шихти на рівні, оптимальному для процесу спікання.

8,5 %; 8 об/хв

8,5 %; 2

Для умов аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь» вживання розглянутих керуючих дій дозволяє компенсувати коливання фракційного складу шихти, що подається на грудкування, в діапазоні 63-73 % за кількістю дрібної фракції.

В третьому розділі викладено методику експериментальних досліджень змін фракційного складу шихти під час руху по тракту шихтоподачі та наведені результати експериментів.

Взаємодія між фракціями грудкованого матеріалу при транспортуванні на аглострічку може бути представлена за допомогою схеми, показаної на рис. 4.

Ф_n2

Ф_n3

Ф₂₁ Ф₃₂

……………………

Ф₃₁

Ф_n1

Рис. 4 Схема моделі змін фракційного складу шихти при транспортуванні на аглострічку

На основі балансового метода розроблені математичні моделі змін фракційного складу шихти під дією ударних та стираючих навантажень у вигляді систем відповідно (2) і (3):

(2)

(3)

де - кількість -ї фракції в шихті на вході у промбункер, %; - кількість -ї фракції в шихті на виході з промбункера, %; - кількість шихти, що перейшла із -ї фракції в -у в результаті впливу ударних (2) або стираючих (3) навантажень.

Для дослідження взаємодії часток за допомогою даних моделей була проведена обробка експериментальних даних, отриманих на аглофабриці ВАТ «Запоріжсталь». Результати моделювання, отримані шляхом вирішення системи (2) для 6-фракційної суміші методом Квазі-Ньютона, приведені на рис. 5 (позначення фракцій: 1 - <1,6 мм; 2 - 1,6-3 мм; 3 - 3-5 мм; 4 - 5-7 мм; 5 - 7-10 мм; 6 - >10 мм).

Вживання запропонованого методу моделювання дозволяє побічно оцінювати характеристики міцності фракцій по зміні їх вмісту в шихті. Формула для розрахунку міри руйнування фракцій має наступний вигляд:, де - міра руйнування -ї фракції, %; - кількість матеріалу, що перейшов з -ї фракції в -у при проходженні сипкої маси через технологічний агрегат, %; - вміст i-ої фракції у шихті після грудкування, %; - кількість фракцій, на яку розсіяний матеріал.

На підставі запропонованих моделей синтезовано алгоритм прогнозування фракційного складу шихти на виході проміжного бункера агломашини і відповідно до даного алгоритму розраховано вплив висоти заповнення бункера на фракційний склад грудкованого матеріалу.

Для здобуття опису подальшої зміни фракційного складу шихти при завантаженні на аглострічку була проведена обробка експериментальних даних про вплив на цей параметр різного типа завантажувальних пристроїв для умов аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь». З врахуванням отриманих відомостей розроблена модель змін фракційного складу шихти при завантаженні на аглострічку у вигляді системи рівнянь (4).

(4)

де - кількість -ї фракції в шихті, що завантажена на аглострічку, %; - кількість -ї фракції в шихті на виході з проміжного бункера, %; - кількість шихти, що перейшла з -ї фракції в -у при проходженні через дозатор промбункера і завантажувальний лоток, %.

Аналіз результатів моделювання, отриманих шляхом вирішення системи (4) методом Лівенберга-Марквардта, показує, що найбільша стабільність фракційного складу матеріалу забезпечується при використанні барабанного дозатора з одинарним лотком.

Таким чином, розроблені моделі і алгоритми дозволяють розраховувати зміну гранулометричного складу багатофракційної суміші і можуть бути використані в системах управління завантаженням шихти.

У четвертому розділі описаний вибір критерію управління, розробка АСК формуванням гранулометричних характеристик аглошихти і синтез алгоритму функціонування розробленої системи.

Оскільки використаний метод моделювання дозволяє з високою точністю отримати в числовому вигляді функцію розподілу фракцій в шихті, як критерій управління пропонується прийняти різницю функцій розподілу фракцій завантажуваної на аглострічку шихти і оптимального розподілу, що забезпечує максимальну продуктивність агломашини за придатним агломератом. На аглофабриці ВАТ «Запоріжсталь» були проведені експерименти, в результаті яких встановлено оптимальний розподіл палива по висоті спекаємого шару, що забезпечує максимум вказаного показника. На підставі приведених в літературі методик розрахунку впливу гранулометричного складу шихти на структуру шару і розподіл палива по його висоті був визначений гранулометричний склад шихти, що забезпечує розподіл палива близький до оптимального. Отриманий розподіл фракцій шихти був вибраний як оптимальний для даних умов виробництва. Математичне формулювання критерію управління має вигляд:

, %*мм^1/2

при обмеженнях: , %; , град; , об/хв.

де - еквівалентний діаметр часток в даному класі великості, мм; - вміст даного класу в шихті, яка завантажується на аглострічку, що відповідає параметрам оптимального розподілу палива по висоті шару шихти, %; - поточний вміст даного класу в шихті, що завантажується на аглострічку, %; n - кількість класів великості, що виділяється в шихті; .

Задача оптимізації управління формуванням гранулометричних характеристик аглошихти полягає в мінімізації запропонованого критерію. Розв'язання цієї задачі було отримане шляхом використання метода послідовного квадратичного програмування. На основі розроблених моделей процесів, що розглядаються, та запропонованого критерію управління синтезовано алгоритм управління формуванням гранулометричних характеристик аглошихти при підготовці до спікання. Практична реалізація синтезованого алгоритму може бути отримана в результаті застосування розробленої АСК, структурна схема якої показана на рис. 6.



Рис. 6 АСК формуванням гранулометричних характеристик аглошихти

КОМ - керуюча обчислювальна машина (в яку закладено розроблений алгоритм управління); СУ - система управління; ПБ - приймальні бункери; БО - барабан-грудкувач; ПрБ -проміжний бункер агломашини; АМ - агломашина; Л - лабораторія; - відповідно мінімальна та максимальна кількість шихти в бункерах, м³; , - вологість шихта, розрахункова та поточна, %;, - кут нахилу грудкувача, розрахунковий та поточний, град; , - швидкість обертання грудкувача, розрахункова та поточна, об/хв; , - рівень заповнення проміжного бункера, розрахунковий та поточний, м; - фракційний склад шихти на виході приймального бункера, %; - продуктивність дозатора приймального бункера, м³/хв; - фракційний склад шихти на виході барабана-грудкувача, %; - фракційний склад шихти на виході проміжного бункера, %.

Для дослідження роботи пропонованої АСК була створена імітаційна модель системи в середовищі SIMULINK, яка також є придатною для використання в системах управління на виробництвах.

За допомогою розробленої моделі проведено імітаційне моделювання змін фракційного складу шихти при грудкуванні і транспортуванні, що протікає в умовах аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь», у відсутності пропонованої АСК та з її застосуванням (рис. 7). Аналіз результатів моделювання показує, що застосування пропонованої АСК формуванням гранулометричних характеристик шихти дозволить скоротити різницю між оптимальним і поточним гранулометричним складом шихти, що завантажується на аглострічку, на 41 % (при зниженні дисперсії даної величини на 69 %). Це досягається за рахунок зниження кількості дрібної фракції на аглострічці на 19 % і збільшення сумарної кількості фракцій кондиційного розміру на 10 %.

Використання розробленої АСК забезпечить розподіл палива по висоті спекаємого шару близький до оптимального, що для умов даної аглофабрики означає зниження витрати палива з 4,4 % до 3,8 % в шихті і дасть річний економічний ефект в агломераційному виробництві 1 800 000 грн. Також в результаті отриманого поліпшення структури спекаємого шару очікується зниження виходу дрібної фракції в агломераті на 1,2%, що забезпечить річний економічний ефект від економії коксу в доменному виробництві у розмірі 3 090 000 грн.

У даному розділі також наведено опис алгоритму управління формуванням гранулометричних характеристик аглошихти і схему практичної реалізації АСК, відповідно до якої вибрано технічні засоби автоматизації.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено наукову задачу встановлення закономірностей масообмінних процесів, що протікають при грудкуванні і транспортуванні шихти на аглострічку, з метою обґрунтування рішень щодо оптимізації управління формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти при підготовці до спікання. На основі синтезованого алгоритму управління, у сукупності з викладеними у роботі програмно-технічними рішеннями, розроблена АСК формуванням гранулометричних характеристик аглошихти, використання якої забезпечує зниження витрат палива для процесу спікання (з 4,4 % до 3,8 % для умов аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь») та зниження виходу дрібної фракції в агломераті (на 1,2 % для умов зазначеної аглофабрики). Відповідно до мети роботи були отримані наступні результати:

1. В результаті аналізу літературних джерел і промислових умов встановлено, що в даний час відсутня математична модель процесу грудкування сипкого матеріалу, що заснована на описі явищ масопереносу і комплексно враховує вплив основних технологічних параметрів. Для отримання опису масообмінних процесів, що протікають при грудкуванні і транспортуванні сипких матеріалів, найдоцільніше використовувати аналітичний балансовий метод моделювання.

2. Оптимізацію управління формуванням гранулометричного складу агломераційної шихти при підготовці до спікання може бути забезпечено шляхом розробки алгоритмів управління, які дозволяють визначати зміни структури шихти як під час грудкування, так і при транспортуванні на аглострічку, з використанням раціонального критерію управління, що враховує вимоги до гранулометричних характеристик шихти на аглострічці.

3. Отримані закономірності масообмінних процесів, що протікають при грудкуванні агломераційної шихти, у вигляді модельних залежностей вмісту фракцій багатофракційної суміші від коефіцієнтів масопереносу, що визначаються вихідним гранулометричним складом і вологістю шихти, а також швидкістю обертання та кутом нахилу грудкувача.

4. На основі отриманих залежностей розроблено алгоритм визначення часу активної взаємодії часток, який дозволяє розрахувати час, необхідний для завершення активної стадії процесу грудкування, і визначити найбільшу кількість фракцій кондиційного розміру (3-10 мм), яку можливо отримати в даних технологічних умовах. Для стандартних умов ВАТ «Запоріжсталь» ці величини мають значення відповідно 130 с та 48 %.

5. Встановлено, що коливання фракційного складу шихти, що подається на грудкування, вносять значні збурення в процес грануляції (зміна вмісту фракції <3 мм на вході у барабан на 9% викликає у середньому зміну вмісту цієї фракції у грудкованому матеріалі на 18 % для грудкувача довжиною 7,5 м і на 25 % для грудкувача довжиною 12 м), тому важливою вимогою до роботи ділянки приймальних бункерів є стабілізація фракційного складу вивантажуваної з них шихти, чому сприятиме вживання розробленого алгоритму розрахунку параметрів роботи дільниці приймальних бункерів (який для умов аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь» забезпечує зниження амплітуди коливань кількості шихти на 11 м³).

6. Визначено, що для умов аглофабрики ВАТ «Запоріжсталь» управління грудкуванням аглошихти шляхом зміни куту нахилу грудкувача в діапазоні 0-2,5 та швидкості обертання у діапазоні 6-10 об/хв при стабілізації витрат зволожуючої рідини на рівні 8,5 % дозволяє компенсувати коливання вихідного гранулометричного складу шихти в діапазоні 63-73 % без втрат якості спікання.

7. Встановлені закономірності змін фракційного складу грудкованої шихти під дією ударних та стираючих навантажень при її русі по тракту завантаження на агломашину у вигляді залежностей вмісту фракцій багатофракційної суміші від величин масопереносу, що визначаються гранулометричним складом грудкованої шихти, висотою заповнення проміжного бункера та типом завантажувального пристрою.

8. На основі встановлених залежностей визначено, що ударні навантаження, яким піддається грудкований матеріал при завантаженні на аглострічку, сприяють стабілізації його гранулометричного складу: руйнується переважно фракція >10 мм (міра її руйнування складає 45 %), що супроводжується переходом матеріалу переважно у фракцію 3-5 мм (при проході шихти через проміжний бункер агломашини цей процес становить 66% загального масопереносу). Тому важливим завданням управління завантаженням шихти на аглострічку є зниження впливу стираючих навантажень, що можливо задовольнити шляхом зменшення висоти заповнення проміжного бункера до 0,6 м.

9. Встановлено, що на дільниці «дозатор проміжного бункера - аглострічка» переважають істираючі навантаження, які викликають утворення дрібної фракції; найбільшого руйнування зазнають фракції розміром 3-5 мм і 5-7 мм (міра руйнування порядку 20 %).

10. Визначено, що найменше руйнування структури грудкованого матеріалу спостерігається при використанні для завантаження на аглострічку барабанного дозатора з одинарним лотком (перенос матеріалу із фракцій великих розмірів у дрібну <3 мм не перевищує 6 %).

11. Запропоновано критерій управління формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти у вигляді різниці поточного розподілу фракцій у грудкованому матеріалі, що завантажується на аглострічку, і його значення, що забезпечує максимальну продуктивність агломашини за придатним агломератом, яке розраховане у відповідності до залежностей вертикальної сегрегації шихти у спекаємому шарі від гранулометричних характеристик завантажуваної на аглострічку шихти.

12. Розроблено АСК формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти, яка реалізує управління цим процесом за різницею поточного і оптимального розподілу фракцій шихти на аглострічці шляхом зміни швидкості обертання та куту нахилу грудкувача, стабілізації вологості шихти на рівні, потрібному для спікання, і стабілізації рівня заповнення проміжного бункера, що забезпечує найменше руйнування структури грудкованого матеріалу.

13. Використання розробленої АСК забезпечить зниження кількості фракції <3 мм в завантажуваній на аглострічку шихті на 19 % при збільшенні вмісту фракцій кондиційного розміру (3-10 мм) на 10%, що в умовах аглофабрики ВАТ «Запорожсталь» дозволить знизити витрати палива з 4,4 % до 3,8 % і складе економічний ефект 1 800 000 грн в рік в агломераційному виробництві, а також забезпечить зниження виходу дрібної фракції в агломераті на 1,2 % і складе економічний ефект 3 090 000 грн в рік у доменному виробництві.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рахуба В.О. Математичне моделювання роботи ділянки приймальних бункерів ПТС аглофабрики та побудова алгоритмів пошуку оптимальних параметрів його завантаження / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Наукові праці ЗДІА. Металургія: сб. наук. праць. 2005. №11. С. 5-9.

2. Рахуба В.О. Исследование способов снижения влияния возмущающих воздействий, вносимых в работу грануляторов участком приёмных бункеров / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Наукові праці ЗДІА. Металургія: сб. наук. праць. 2005. №12. С. 91-96.

3. Рахуба В.О. АСУ ТП грануляции сыпучих материалов с использованием математической модели на основе балансового метода / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Академический вестник Криворожского территориального отделения МАКНС: сб. науч. тр. 2006. № 17-18. С. 18-20.

4. Рахуба В.О. Функциональная структура АСУ качественными характеристиками агломерационной шихты в процессе её подготовки к спеканию / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Академический вестник Криворожского территориального отделения МАКНС: сб. науч. тр. 2007. № 20. С. 11-14.

5. Рахуба В.О. Исследование влияния влажности шихты и параметров работы барабана-окомкователя на условия грануляции / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Наукові праці ЗДІА. Металургія: сб. наук. праць. 2007. №15. С. 8-14.

6. Рахуба В.О. Математическая модель структурних изменений окомкованного материала при движении в загрузочному узле агломашины / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Математичне моделювання. 2007. № 1(16). С. 36-38.

7. Рахуба В.О. Исследование качественных изменений сыпучего материала при его транспортировании / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Известия горного института. 2007. №2. С. 20-23.

8. Рахуба В.О. Применение балансовых методов для моделирования структурных изменений в сыпучих материалах при грануляции / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // X науково-технічна конференція студентів, магістрів, аспірантів і викладачів ЗДІА. Частина ІІ. Секції «Електроніки та електронних технологій та «інформаційних технологій»: тези доп. Запоріжжя: ЗДІА, 2005. С. 184-185.

9. Рахуба В.О. Математическое моделирование работы участка приёмных бункеров ПТС и построение алгоритмов поиска оптимальных параметров его загрузки / В.О. Рахуба, М.Ю. Пазюк // Металл и литьё Украины: междунар. науч.-практ. конференция: тезисы докл. К.: Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, 2005. С. 73.

10. Рахуба В.О. Моделирование и оптимизация процесса грануляции сыпучих материалов / В.О. Рахуба // ХХХII научно-техническая конференция молодёжи: тезисы докл. Запорожье: ОАО «Запорожсталь», 2005. С. 13.

11. Рахуба В.О. Способы стабилизации фракционного состава материала на выходе барабана-окомкователя / Рахуба В.О., Пазюк М.Ю. // XI науково-технічна конференція студентів, магістрів, аспірантів і викладачів ЗДІА. Частина ІV. Секції «Електроніки та електронних технологій та «інформаційних технологій»: тези допов. Запоріжжя: ЗДІА, 2006. С. 89-90.

12. Рахуба В.О. Разработка и исследование АСУ формированием гранулометрических характеристик агломерационной шихты при подготовке к спеканию/ В.О. Рахуба // Наукові праці ЗДІА. Металургія: сб. наук. праць. 2009. №20. С. 14-19.

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: в [1] розроблено алгоритми визначення оптимальних параметрів завантаження приймальних бункерів аглофабрики, а також визначення типу розподілювача та відповідних оптимальних параметрів завантаження для заданих технологічних умов; розглянуто залежність параметрів завантаження від часу руху розподілювача; у [2] досліджено збурення, які вносяться у процес грудкування роботою ділянки приймальних бункерів, а також способи стабілізації гранулометричного складу шихти на виході з приймальних бункерів та роботи їхніх дозаторів; розроблено алгоритм визначення параметрів завантаження ділянки бункерів, які дозволяють забезпечити стабілізацію продуктивності їхніх дозаторів; у [3] розроблено принципи побудови АСК ТП грануляції сипких матеріалів, основою якої є математична модель даного процесу; у [4] розглянуто принципи побудови АСК фракційним складом сипкого матеріалу при підготовці до спікання, основою функціонування якої є математичні моделі основних процесів, складені за допомогою балансового методу; отримано результати моделювання роботи тракту шихтоподачі агломашини №5 ВАТ «Запоріжсталь» і результати оцінки точності запропонованих моделей; у [5] досліджено вплив вологості шихти, куту нахилу та швидкості обертання грудкувача на коефіцієнти масопереносу між фракціями при грануляції для п'ятифракційної суміші; розраховано оцінку залежності якості грудкування від зазначених параметрів та визначено їх оптимальні значення для матеріалу з відомим фракційним складом; визначено ступінь впливу коливань зазначених параметрів на коефіцієнти масопереносу між фракціями шихти; у [6] виконано аналіз впливу на сипку масу навантажень різного роду і зроблено висновки стосовно міцності фракцій шихти різних класів; розроблено рекомендації щодо оптимального управління процесом транспортування грудкованого матеріалу на аглострічку; у [7] запропоновано алгоритм прогнозування фракційного складу матеріалу на виході проміжного бункеру агломашини в залежності від висоти його заповнення, виконано розрахунок впливу висоти заповнення бункера на фракційний склад вивантажуваної шихти; у [8] розглянуто механізм гранулоутворення при грудкуванні сипких матеріалів та синтезовано модель процесу на основі балансового методу; у [9] досліджено закономірності розподілу шихти між приймальними бункерами аглофабрики; в [11] виконано аналіз впливу коливань фракційного складу шихти на виході приймальних бункерів на якість грудкування.

АНОТАЦІЯ

Рахуба В.О. «Оптимізація управління формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти при підготовці до спікання». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07. - Автоматизація процесів керування. - ДНВК «КІА», 2010.

Проведено теоретичні дослідження механізму формування гранулометричного складу агломераційної шихти при грудкуванні і транспортуванні. Використання балансового метода дозволило проаналізувати особливості масопереносу всередині багатофракційної суміші і прогнозувати її фракційний склад у будь-який момент часу на всіх дільницях тракту шихтоподачі та оцінювати міцність її гранул.

Проведено дослідження впливу збурень і керуючих дій на процес грануляції, в результаті чого встановлено: як вектор управління найдоцільніше використовувати зміну куту нахилу і швидкості обертання грудкувача, здійснюючи стабілізацію вологості шихти на рівні, оптимальному для спікання.

Розроблено критерій управління, що враховує вимоги до гранулометричного складу шихти, завантажуваної на аглострічку. Синтезовано АСК формуванням гранулометричних характеристик агломераційної шихти, використання якої на ВАТ «Запоріжсталь» дозволить зменшити вміст палива з 4,4 % до 3,8 % в шихті і одночасно знизити вихід дрібної фракції в агломераті на 1,2 %.

Ключові слова: шихта, грудкування, гранулометричний склад, математична модель, оптимізація, автоматизована система управління.

АННОТАЦИЯ

Рахуба В.О. “Оптимизация управления формированием гранулометрических характеристик агломерационной шихты при подготовке к спеканию”. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07. - Автоматизация процессов управления. - ГНПК «КИА», 2010.

В диссертационной работе на основе исследований особенностей технологических процессов окомкования и транспортирования окомкованной шихты на аглоленту решена важная научно-техническая задача оптимизации управления формированием гранулометрических характеристик агломерационной шихты при подготовке к спеканию путём разработки автоматизированной системы управления данным процессом.

Проведенные теоретические исследования рассматриваемого процесса позволили сделать вывод, что моделирование изменения фракционного состава шихты при окомковании и транспортировании целесообразно проводить на основе балансового метода, который является аналитическим и позволяет учесть явления накатывания и разрушения частиц, составляющие сущность данного процесса. Использование предложенного метода позволило проанализировать особенности массопереноса в сыпучей массе и прогнозировать фракционный состав материала в любой момент времени на всех участках тракта шихтоподачи, а также оценивать прочность гранул по изменению их содержания в шихте.

На основе разработанной математической модели процесса грануляции шихты исследовано влияние основных возмущений - колебаний фракционного состава шихты, подаваемой на окомкование, - и управляющих воздействий на данный процесс - изменения влажности материала, скорости вращения и угла наклона окомкователя. Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что в качестве вектора управления процессом окомкования целесообразно использовать изменение угла наклона и скорости вращения окомкователя, осуществляя при этом стабилизацию влажности шихты на уровне, оптимальном для процесса спекания. Также было установлено, что колебания фракционного состава шихты на выходе приёмных бункеров оказывают решающее влияние на динамику окомкования. Поэтому важным требованием к работе участка приёмных бункеров является стабилизация гранулометрического состава выгружаемой шихты, которая может быть обеспечена в результате применения разработанного алгоритма расчёта параметров работы участка приёмных бункеров.

Разработано математическое описание изменения фракционного состава окомкованной шихты под действием истирающих и ударных нагрузок, оказывающих влияние на гранулы сыпучего материала при прохождении ими промежуточного бункера и загрузочного лотка агломашины. На основе полученных моделей синтезирован алгоритм прогнозирования гранулометрического состава шихты на выходе промежуточного бункера агломашины и с его помощью исследовано влияние высоты заполнения бункера на фракционный состав выгружаемого материала. На основании полученных результатов разработаны технологические рекомендации к загрузке промежуточных бункеров агломашин.

Исследовано влияние загрузочных устройств различного типа на фракционный состав материала, в результате чего разработаны технологические рекомендации к операциям загрузки шихты на аглоленту.

Предложен критерий управления, учитывающий требования к гранулометрическому составу шихты, загружаемой на аглоленту, использование которого обеспечит максимальное приближение текущего гранулометрического состава шихты к оптимальному, при котором достигается максимальная производительность агломашины по годному агломерату. Разработаны математические формулировки критерия управления и задачи оптимизации.

На основании полученного математического описания рассматриваемых процессов разработан алгоритм управления формированием гранулометрического состава шихты, обеспечивающий оптимизацию управления данным процессом. Синтезирована АСУ формированием гранулометрического состава агломерационной шихты при подготовке к спеканию, применение которой обеспечит снижение расхода топлива для процесса спекания (с 4,4 % до 3,8 % в шихте для условий аглофабрики ОАО «Запорожсталь») при одновременном снижении выхода мелкой фракции в агломерате (на 1,2 % для условий указанной аглофабрики). Разработана схема практической реализации предложенной АСУ и в соответствии в ней осуществлён выбор технических средств, обеспечивающих её функционирование.

Полученные в работе практические результаты переданы ОАО «Запорожсталь» и ООО «Укрцветметавтоматика» для использования при проектировании АСУ ТП агломерационных фабрик.

Ключевые слова: шихта, окомкование, гранулометрический состав, математическая модель, оптимизация, автоматизированная система управления.

SUMMARY

Rakhuba V.O. “Control Optimization of sintering mixture grain-size descriptions forming at preparation to fusing”. - Manuscript.

The dissertation for getting scientific degree of Candidate of Technical Science on specialty 05.13.07. - Automation of Control Processes. - State Science Production Corporation «Кyiv institute of automatics», Kyiv, 2010.

Theoretical researches of sintering mixture particle-size forming mechanism at granulation and transporting are done. The use of balance method allowed analyzing the features of mass transfer into multi-grade mixture and forecasting its factious composition at any moment to time on all areas of technological line and to estimate durability of its granules.

Research of influence of indignations and control operating on the granulation is done, which allowed to set: it is expedient to use inclination angle and rotation speed of granulator as a control vector, carrying out stabilizing of sintering mixture humidity at level to optimum for fusing.

The control criterion which takes into account requirement to the sintering mixture particle-size loaded on fusing machine is proposed. Automated control system of sintering mixture grain-size descriptions forming is developed the use of which allows to decrease content of fuel in a sintering mixture and to reduce the output of shallow faction in an agglomerate.

Keywords: sintering mixture, granulation, particle-size distribution, mathematical model, optimization, automated control system.

Размещено на Allbest.ru

...