Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика проблемы управления технологическим процессом производства гранул из тонкоизмельченного материала 20
1.1. Процесс получения окатышей и особенности гранулообразования 20
1.2. Анализ математического описания процесса гранулообразования ..
1.3. Анализ существующих систем управления процессами формирования гранул 45
1.4. Показатели эффективности управления процесса гранулообразования и контроля качества железорудных гранул 54
1.5. Выводы 57
2. Математическая модель процесса гранулообразования с позиции кинетикиокомкования 58
2.1. Взаимодействие частиц различных размеров в процессе гранулообразования 58
2.2. Моделирование взаимодействий в увлажненном тонкоизмельченном материале 68
2.3. Распределение жидкости в сыпучем материале при гранулообразовании 72
2.4. Моделирование пористости частиц исходного тонкоизмельченного материала 75
2.5. Модель формирования гранулы под действием нагрузки 79
2.6. Динамика процесса гранулообразования 81
2.7. Вероятностная модель динамической комкуемости тонкоизмельченных материалов (способности к гранулообразованию) 91
2.8. Определение массы гранулы в процессе ее формирования 98
2.9. Выводы 105
3. Разработка способов и метода управления процессом гранулообразования 106
3.1. Процесс гранулообразования в барабанном окомкователе с позиции формирования гранул 106
3.2. Создание способа управления гранулообразованием тонкоизмельченных железорудных материалов с использованием грохочения циркуляционной нагрузки 111
3.3. Разработка статистической модели гранулообразования при окомковании сыпучих материалов 115
3.4. Оценка динамических свойств барабанного окомкователя с позиции обеспечения режима переката 134
3.5. Разработка метода оценки качества и управления процессом гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов 144
З.б.Выводы 148
4 Разработка структурно-функциональной организации и алгоритма функционирования системы управления технологическим процессом формирования гранул из тонкоизмельченного железорудного материала 149
4.1. Разработка структурно-функциональной организации системы управления процессом гранулообразования 149
4.2. Подсистема шихтоподготовки, обеспечивающая ресурсосбережение на этапе подготовки материалов к гранулообразованию 153
4.2.1. Алгоритм определения минимального количества упрочняющих и связующих добавок при производстве офлюсованных гранул 158
4.2.2. Алгоритм компенсации избыточной влажности шихты на этапе шихтоподготовки 160
4.2.3. Обобщенный алгоритм работы подсистемы шихтоподготовки 162
4.2.4. Разработка структурной схемы подсистемы управления шихтоподготовкой 164
4.3. Разработка подсистемы управления барабанным окомкователем... 167
Y
4.3.1. Метод и алгоритм управления скоростью вращения барабанного окомкователя 167
4.4. Разработка подсистемы оценки качества управления процессом гранулообразования 172
4.5. Разработка системного алгоритмического обеспечения функционирования автоматизированной системы управления процессом гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов 181
4.6. Разработка способа управления движением материала в барабанном окомкователе 184
4.6.1. Анализ режима гранулообразования, обеспечивающего повышенные динамические нагрузки 184
4.6.2 Конструктивная особенность внутреннего устройства барабанного окомкователя, обеспечивающего повышенные динамические нагрузки при гранулообразовании 190
4.7. Выводы 192
5. Разработка и исследование системы автоматического управления барабанным окомкователем 193
5.1. Аналитические исследования электромеханической системы барабанный окомкователь-электропривод 193
5.2. Разработка системы автоматического управления скоростью вращения барабанного окомкователя 200
5.3. Разработка системы автоматического регулирования момента (тока якоря) двигателя 212
5.4. Исследование мультистабильной динамики системы управления барабанным окомкователем 218
5.4.1 Математическая модель системы управления барабанным окомкователем 218
5.4.2. Бифуркационный анализ системы управления электропривода барабанного окомкователя 221
5.4.3. Разработка алгоритма поиска периодических движений и f анализа их локальной устойчивости 223
5.4.4. Бифуркационный анализ системы управления электропривода барабанного окомкователя 226
5.5. Разработка метода расширения области устойчивости рабочих режимов 234
5.6. Выводы 240
6. Экспериментальные исследования автоматизированной системы управления и контроля качества гранул в реальных условиях эксплуатации... 241
6.1. Схема автоматизированной системы управления и контроля процесса гранулообразования в производственных условиях 241
6.2. Результаты практической реализации системы управления при определении влажности тонкоизмельченных железорудных материалов...
6.2.1. Методика проведения экспериментальных исследований на фабрике окомкования 246
6.2.2. Промышленные испытания и анализ погрешности определения влажности тонкоизмельченных железорудных материалов на транспортных магистралях фабрики окомкования
6.3. Конструктивные особенности устройства классификации материала на выходе барабанного окомкователя 257
6.4. Экспериментальные исследования автоматизированной системы управления процессом гранулообразования ОАО «Полтавский ГОК» 259
6.5. Эффективность применения автоматизированной системы управления технологическим процессом гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов и расширение области их использования 272
6.6. Выводы 276
Заключение 277
Список литературы
- Анализ математического описания процесса гранулообразования
- Распределение жидкости в сыпучем материале при гранулообразовании
- Создание способа управления гранулообразованием тонкоизмельченных железорудных материалов с использованием грохочения циркуляционной нагрузки
- Подсистема шихтоподготовки, обеспечивающая ресурсосбережение на этапе подготовки материалов к гранулообразованию
Введение к работе
Актуальность исследования. В условиях современной рыночной экономики особенно обостряется проблема ресурсосбережения, поскольку оно определяет эффективность деятельности любого предприятия и оказывает существенное влияние на себестоимость готовой продукции. Важнейшим направлением ресурсосбережения на предприятиях металлургической промышленности является, прежде всего, повышение требований к качеству продукции на начальном этапе передела материала, т.к. технологические процессы окускования железорудных материалов занимают ведущее место при подготовке к плавке. Доказательством этому является тот факт, что многие страны с развитой металлургической промышленностью в настоящее время стоят перед фактом, заключающемся в том, что запасы богатых железных руд будут исчерпаны и как следствие обогащение руд при эксплуатации бедных месторождений приобретает первостепенное значение. Бедные руды обогащаются (до 65...68% железа), подвергаясь высокой степени измельчения (тонкому измельчению), и полученные концентраты нуждаются в дальнейшем окусковании. Окускование концентратов, производящееся традиционным методом - агломерацией, ухудшает качество получаемой продукции вследствие снижения удельной производительности процесса на 3-5% на каждые 10% тонкоизмельченного концентрата в аглошихте, условия труда персонала предприятия (высокая запыленность рабочих мест), приводит к повышенному расходу составляющих шихты (большой вынос пыли при подогреве шихты) и снижению производительности оборудования. Одним из перспективных направлений совершенствования процессов начального этапа передела железорудных материалов является повышение качества управления технологическим процессом окомкования (процесс гранулообразования), которое обеспечивает увеличение производительности технологического оборудования, качество продукции при уменьшении ее себестоимости и возможность последующей транспортировки гранул к доменным цехам без потерь. Высокая степень применения процесса гранулообразования обусловлена в основном следующими факторами. Во-первых, наблюдается значительное увеличение производства тонкоизмельченных железорудных материалов (концентратов более 80% класса <0,050мм). Во-вторых, в результате необходимой транспортировки металлургического сырья на большие расстояния с неоднократным выполнением погрузочно-разгрузочных работ, гранулы разрушаются при существенном снижении их металлургической ценности (так увеличение доли мелкой фракции (<5мм) на 5% снижает производительность доменных печей на 2%). Следует отметить, что повышение качества железорудных гранул (окатышей) с высокими потребительскими свойствами является одним из главных условий снижения расхода кокса и повышения производительности доменных печей при значительном сокращении расхода известняка, вводимого непосредственно в доменную печь, уменьшения выноса колошниковой пыли, т.е. обеспечения снижения
себестоимости чугуна за счет сокращения затрат на сырье для плавки при сохранении требуемого качества.
Процесс гранулообразования сыпучего материала представляет собой сложный комплекс технологических операций, таких как подготовка железорудного материала и добавок к окомкованию (шихтоподготовка), смешивание шихты, формирование гранул с использованием технических средств.
Степень разработанности проблемы. Решению проблемных вопросов гранулообразования сыпучих тонкоизмельченных материалов посвящены работы авторов В.И. Коротича, В. М. Витюгина, Е.А. Исаева, Е. И. Сулименко, Е.И. Вегмана, П. В. Классена, Ф. М. Журавлева, П. Н. Докучаева, Ю.С. Юсфина, Н. Н. Бережного и ряда других известных ученых. В указанных работах был предложен ряд методов управления технологическим процессом, среди которых наибольшее распространение получили методы, основанные на анализе как гранулируемого материала, так и готовых сырых гранул. Однако в известных подходах не учитывается комплексный характер оценки хода процесса формирования гранул и их качества, в результате не обнаруживаются нарушения технологического процесса и, следовательно, не удается корректировать ход процесса в реальном масштабе времени. Традиционно качество сырых окатышей контролируется в лабораторных условиях после завершения процесса гранулообразования путем анализа выборочного объема окатышей, определения их параметров, на основе которых принимается решение о качестве полученной продукции и управлении технологическим процессом.
Таким образом, в настоящее время имеет место проблемная ситуация между объективной необходимостью повышения качества и оперативности управления параметрами технологического процесса гранулообразования тонкоизмельченного железорудного материала и возможностями существующих систем контроля и поддержки управления этим процессом. Особенно обостряется это противоречие на фабриках окомкования горнометаллургической промышленности, вследствие того, что имеются: значительные колебания влажности концентрата, поступающего на гранулирование; существенные аппаратные затраты на стабилизацию работы технологического оборудования; высокая трудоемкость и значительные временные затраты на выполнение работ в лабораториях; сложность процессов формирования и роста гранул в устройстве их формирования; трудности автоматизации процесса формирования гранул требуемого качества ввиду значительного объема перерабатываемого сырья.
Указанное противоречие определяет постановку и решение актуальной проблемы - повышение оперативности, качества контроля и управления непрерывным технологическим процессом производства сырых гранул путем разработки автоматизированной системы управления гранулообразованием на металлургических предприятиях.
Научный аспект сформулированной проблемы заключается в развитии
теоретических основ управления технологическим процессом
гранулообразования сыпучего тонкоизмельченного железорудного материала на основе разработки математической модели, учитывающей: взаимодействие между частицами материала; кинетику роста гранул в окомкователе; процесс перемещения сыпучего материала в окомкователе, а также в разработке метода управления процессом гранулообразования на основе непрерывного контроля качества сырых гранул.
Практическая часть проблемы включает разработку структурно-функциональной организации и инженерно-технических решений, позволяющих реализовать системы непрерывного управления технологическим процессом формирования гранул из сыпучих материалов в реальном масштабе времени.
Основная часть диссертационной работы выполнялась при реализации НИР, проводившихся в рамках международного сотрудничества Юго-Западного государственного университета с Центром биофизики и сложных систем факультета физики Технического университета Дании (Center for Biophysics and Complex Systems, Department of Physics, Technical University of Denmark). Исследование частично поддержано Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт №П2228).
Целью диссертационной работы является разработка теоретических и реализационных основ автоматизированного непрерывного контроля технологического процесса гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов в реальном масштабе времени, обеспечивающих повышение качества и оперативности управления технологическим процессом.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
1. Анализ современного состояния проблемы контроля качества и
управления технологическим процессом производства гранул из сыпучих
материалов, выявление основных факторов, обусловливающих нестабильность
гранулообразования и работы оборудования.
2. Разработка системы математических моделей процесса
гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов,
учитывающих кинетику окомкования.
3. Разработка метода оценки качества управления процессом
формирования гранул на основе определения их параметров по выборке из
циркуляционной нагрузки технических средств окомкования.
4. Разработка метода, алгоритмов и пакета прикладных программ для
моделирования, бифуркационного анализа и расчета области конвергентности
системы управления барабанным окомкователем.
-
Синтез обобщенной структурно-функциональной организации и алгоритмов функционирования системы управления технологическим процессом производства железорудных гранул.
-
Экспериментальные исследования автоматизированной системы управления и контроля качества гранул в реальных условиях эксплуатации.
Объект исследования. Система управления технологическим процессом производства сырых гранул в горно-металлургической промышленности.
Предмет исследования математические модели, методы и устройства управления процессом производства гранул из тонкоизмельченных железорудных материалов и контроля их качества.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались аппарат математической физики, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории автоматического управления, методы математического и имитационного моделирования, теория измерений и обработки результатов эксперимента, основы теории построения алгоритмов и программ на языке высокого уровня.
Научная новизна результатов работы и основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:
1. Концептуальное положение синтеза систем управления технологическим
процессом гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов,
которое положено в основу структурно-функциональной организации
технических средств, обеспечивающих повышение оперативности управления и
контроля качества процесса формирования гранул.
2. Разработаны теоретические основы процесса гранулообразования в
барабанном окомкователе в виде системы математических моделей, включающей
модели:
взаимодействия между исходными частицами в процессе формирования гранул, учитывающая процессы присоединения частиц материалов под действием жидкостной манжеты и механизма распределения жидкости в сыпучем материале, позволяющая определять влажность и состав материала, поступающего на гранулообразование для подсистемы управления шихтоподготовкой материала.
кинетики роста гранул в окомкователе на основе теории укрупнения гранул под действием механических нагрузок, отличающаяся учетом хода процесса наращивания массы гранулы, позволяющая определить принципы формирования гранулы в зависимости от соотношения гранулируемой и гранулирующей фракций;
- процесса перемещения сыпучего материала при гранулировании,
отличающаяся учетом распределения массы материала в барабанном
окомкователе, обеспечивающая режим переката и управление процессом
гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов в зависимости
от режимов работы механического оборудования.
3. Предложен способ управления процессом формирования гранул в
барабанном окомкователе, отличающийся формированием повышенных
динамических нагрузок (ПДН) на материал в процессе получения гранул путем
изменения конструкции барабанного окомкователя, обеспечивающий улучшенные
характеристики получаемой продукции при одновременном повышении скорости
гранулообразования.
4. Разработан метод управления шихтоподготовкой материалов, основанный
на определении компонентов шихты и необходимой влажности гранулируемого
материала в зависимости от физико-химических свойств материалов, поступающих на переработку, обеспечивающий ресурсосбережение в процессе гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов.
-
Создан метод оценки качества управления технологическим процессом гранулообразования тонкоизмельченных материалов, отличающийся анализом выборки гранул класса крупности 0,8-1,0 от верхнего предела подрешетного продукта грохота в процессе их формирования и определением управляющих воздействий на исполнительные механизмы, реализующий управление процессом гранулообразования в реальном масштабе времени.
-
Разработан метод расчета области устойчивости (конвергентности) системы управления барабанным окомкователем, позволяющий исключить его мультистабильную динамику, являющуюся причиной возникновения гистерезисных явлений и катастроф, приводящих к нарушению нормального хода технологического процесса и выходу из строя технологического оборудования, состоящий в:
- оценке параметров силовой части электропривода, позволяющей
выбрать параметры корректирующих устройств, число зон модулятора, тип
импульсной модуляции для системы автоматического управления барабанным
окомкователем;
бифуркационном анализе математической модели системы управления барабанным окомкователем в пространстве параметров, позволяющим выявить закономерности мультистабильной динамики системы с многозонной импульсной модуляцией, определить пути исключения катастрофических явлений и расширения радиуса области конвергентности;
определении радиуса области устойчивости, основанном на численно-аналитическом алгоритме расчета С-бифуркационных границ и точек коразмерности два в плоском сечении пространства параметров системы управления, позволяющим с заданной точностью рассчитать величину радиуса области конвергентности, в которой обеспечивается: малый коэффициент пульсации момента исполнительного двигателя; высокая точность воспроизведения управляющего сигнала; прогноз динамики барабанного окомкователя в условиях изменения параметров технологического процесса гранулообразования.
7. Создана система алгоритмов функционирования автоматизированной
системы управления технологическим процессом формирования гранул,
включающая:
- алгоритм шихтоподготовки, основанный на методе управления
шихтоподготовкой материала, обеспечивающий ресурсосбережение в процессе
гранулообразования железорудных материалов;
- алгоритм управления процессом формирования гранул в барабанном
окомкователе, основанный на методе управления технологическим процессом
путем анализа текущих параметров процесса, позволяющий определять
необходимую скорость вращения барабанного окомкователя с учетом работы
механического оборудования и технологии;
- алгоритм расчета области конвергентности системы управления
барабанным окомкователем, основанный на методе расчета бифуркационных
границ, позволяющий обеспечить расширение области устойчивости системы.
8. Синтезирована структурно-функциональная организация
автоматизированной системы управления технологическим процессом формирования гранул из тонкоизмельченных железорудных материалов, отличающаяся введением в систему грохочения гранулометра для анализа подрешетного продукта грохота и системы сбора, обработки данных и управления процессом гранулообразования, состоящей из следующих структурно-функциональных элементов управления:
шихтоподготовкой, отличающейся определением влажности и количества компонентов шихты, обеспечивающей рациональный выбор параметров материала, поступающего на гранулообразование, и тем самым обеспечивающих сбережение ресурсов;
технологическим процессом сырого гранулообразования, включающим полный цикл производства сырых гранул на основе теории укрупнения гранул под действием механических нагрузок, математической модели перемещения сыпучего материала в окомкователе; кинетики роста гранул в окомкователе, позволяющей управлять процессом гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов в совокупности с работой механического оборудования;
барабанным окомкователем, интегрированным в систему сбора, обработки данных и управления процессом гранулообразования, основанным на импульсном регулировании вращательного момента исполнительного двигателя, отличающимся использованием многозонной импульсной модуляции, позволяющим повысить оперативность контроля и управления технологическим процессом, улучшить динамические характеристики электропривода и обеспечить малый коэффициент пульсаций момента вращения двигателя и высокую точность регулирования.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теории, методов и алгоритмов управления процессом гранулообразования тонкоизмельченных железорудных материалов и непрерывного контроля качества получаемых гранул, на основе разработки адекватнойматематической модели процесса и метода управления, учитывающих: объемные взаимодействия твердой и жидкой фаз и смачивающую способность жидкости; структурные и капиллярные взаимодействия между комкуемыми фракциями, кинетику роста гранул в окомкователе барабанного типа; параметры процесса перемещения сыпучего материала в окомкователе.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты являются основой разработки широкого класса автоматизированных систем управления непрерывными технологическими процессами гранулообразования тонкоизмельченных материалов, которые позволяют:
- обеспечить требуемые показатели производительности;
- повысить оперативность и достоверность принимаемых решений по
управлению технологическим процессом;
- осуществить комплексную автоматизацию непрерывных
технологических процессов перерабатывающей промышленности;
- создать условия для сокращения времени нахождения персонала в
неблагоприятных для здоровья условиях производства гранул из
тонко измельченных железорудных материалов.
Разработанная система управления процессом гранулообразования в сочетании с режимом окомкования ПДН позволила:
уменьшить пористость сырых железорудных гранул до значения 31-32%;
увеличить до 60-69% показатель прочности (+10мм) обожженных гранул, возросший на 27,4%;
снизить до 1,9% показатель прочности на истирание (кл. минус 0,5мм), пониженный на 28,5%;
повысить прочность обожженных гранул на 19,5%;
- в указанных условиях формировать гранулы, способствующие
улучшению их металлургических свойств при соответствующем физико-
минералогическом составе шихты и режиме обжига.
Практическая ценность и новизна подтверждается тем, что на основе предложенных технических решений разработан ряд системно обоснованных методов, устройств управления и контроля технологическим процессом гранулообразования с улучшенными динамическими характеристиками, защищенными патентами на изобретения (Патенты: №2199596, № 2274664, № 2322519, № 2399146, №2265207, №22024).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Содержание диссертации соответствует п.4 «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация» паспорта специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процесса и производствами.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертации, полученные автором при выполнении исследований, прошли проверку в условиях опытно-промышленной эксплуатации на ОАО «Полтавский горнообогатительный комбинат», ОАО «Михайловский горно-обогатительный комбинат». В результате проверки была подтверждена эффективность использования предложенных технических решений, что подтверждено актами внедрения.
Научно-методические результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс на кафедре «Вычислительная техника» Юго-Западного государственного университета и используются при проведении занятий по дисциплинам «Основы теории управления», а также в курсовом, дипломном проектировании, выпускных квалификационных работах бакалавров и магистерских диссертациях.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на Международных, Всероссийских конференциях: научно-техническая конференция с участием зарубежных
специалистов «Датчики и преобразователи информационных систем, измерения,
контроля и управления» (Москва) в 2002 году; Международных конференциях
«Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания
образов, обработки изображений и символьной информации» в 1999, 2001,
2003, 2005, 2008 и 2010 годах; Международной конференции «Образование,
наука, производство и управление в XXI веке» (Москва) в 2004 году;
Международных научно-технических конференциях «Информационно-
измерительные, диагностические и управляющие системы» (Курск) в 2009,
2011 годах; Всероссийских научно-технических конференциях
«Интеллектуальные и информационные системы» (Тула) в 2007, 2009 годах; МНТК «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск) в 2010 году; Международной научно-технической конференции «Вибрация-2005» (Курск) в 2005 году, Proceedings of Fourth International Conference «Information and telecommunication technologies in intelligent systems» (Catania, Италия, 2006), Proceedings of Fifth International Conference «Information and telecommunication technologies in intelligent systems» (Mallorca, Spain, 2007), Proceedings of seventh International Conference «Information and telecommunication technologies in intelligent systems» (Lugano, Schweiz, 2010), а также на научно-технических семинарах Юго-Западного государственного университета (КурскГТУ) в 1995-2011гг.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 58 работ, среди которых 2 монографии, 26 статей, 6 патентов на изобретение, 2 патента на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации программы, 21 публикация материалов и тезисов докладов. Основные научные результаты диссертации отражены в 15 статьях в рецензируемых журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В основных научных работах по теме диссертации, опубликованных в соавторстве, личный вклад соискателя состоит в следующем: в [6,12,13,29,35,36,37,58] - математическая модель процесса формирования гранул на основе кинетики окомкования; в [14,15] - способы управления процессом окомкования и режим формирования гранул; в [10] -способ контроля качества окатышей, основанный на выделении класса крупности 0,8-1,0 от верхнего предела подрешетного продукта грохота; в [1,3,4,5,7] - метод расчета области конвергентности системы управления барабанным окомкователем; в [2,8,28,30,31,32,33,34] - подходы к построению структурно-функциональной организации систем управления процессом гранулообразования и методы управления технологическим процессом окомкования.
В совместно разработанных технических решениях по теме диссертации личный вклад соискателя заключается в следующем: в [21,2,23,25,26] - способы управления процессом гранулообразования на основе кинетики окомкования; в [18] - система управления барабанным окомкователем с использованием многозонной импульсной модуляции; [19,24] - устройства контроля и управления процессом окомкования.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 301 наименование, и содержит 2 приложения. Основная часть диссертации изложена на 313 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 1 таблицу.
Анализ математического описания процесса гранулообразования
При значительном увеличении содержания тонких классов процесс гранулообразования ухудшается, т.к. уменьшаются механические силы сцепления [289]. Материал, имеющий оптимальную толщину помола с точки зрения комкуемости, должен содержать около 75-85% класса минус 0,074мм.
Технологический процесс производства окатышей заключается в следующем. Влажная шихта состоящая из смеси тонкоизмельченного концентрата равномерно загружается в окомкователь. Зародыши гранул вследствие вращения окомкователя, двигаясь по определенным траекториям, постепенно накатывают на себя исходный материал и выгружаются из окомкователя в виде окатышей. В процессе перекатывания отдельных частиц в барабане сила тяжести образовавшихся окатышей оказывает на мелкие частицы в точках их соприкосновения большое давление, которое совместно с силами капиллярного притяжения влаги, содержащейся в материале и молекулярного сцепления поверхностей, обеспечивает необходимую связь между частицами. При этом мелкие частицы располагаются между крупными и избыточная влага выдавливается на поверхность гранулы, в результате чего на нее налипают новые частицы. Увеличение сил сцепления достигается увлажнением материала [85].
Формирование гранул кондиционного размера (окатыши диаметром от 9,5мм до 16мм), например, в барабанном окомкователе, представляет собой многоступенчатую структуру [78], представленную на рис. 1.1.
Процесс формирования гранул кондиционного размера После подготовки исходного материала к окомкованию (измельчение, обезвоживание и т.д.) концентрат поступает в смеситель, туда же, одновременно с ним, добавляются упрочняющая добавка - бентонит и флюсующая добавка - известняк. Последний используется для получения офлюсованных гранул (окатышей) в пропорциях, зависящих от предполагаемой основности, то есть соотношением СаО/ Si02 в шихте. Также по технологическим соображениям в смеситель добавляется вода (по мере необходимости) После смесителя шихта системой конвейеров, на которую дополнительно подают циркуляционную нагрузку (разрушенные в роторном измельчителе некондиционные гранулы (более 16 мм) и материал размером до 9,0мм, который просеивается через решетку (грохот) на выходе окомкователя) и возврат (обожженные некондиционные окатышами, которые будут являться зародышами гранул), поступает в окомкователь [20, 194]. Полученные кондиционные окатыши поступают далее системой конвейеров на сушку и обжиг [33, 69]. Режим работы барабанного окомкователя - режим переката [124].
Концентрат при поступлении в смеситель обладает определенной влажностью, которая характеризует условия окомкования. Отклонения от оптимальной влажности допускаются в пределах ±0,25% абсолютных единиц влажности [49, 48]. Отклонения в меньшую сторону приводят к снижению пластичности окатышей и уменьшению производительности барабанного окомкователя. Повышение влажности влечет за собой уменьшение прочности окатышей на раздавливание за счет снижения сил сцепления между исходными частицами и нарушение процесса окомкования ввиду образования крупных кусков. Как показывает практика, на окомкование поступают концентраты повышенной влажности, что влечет за собой выполнение определенных мероприятий с целью снижения влажности до оптимального значения. Окатыши образуются в результате сложного взаимодействия внутренних сил сцепления частичек и внешних сил, возникающих вследствие перекатывания материала в окомкователе. Внутренние молекулярные силы зависят от природы частиц, взаимной ориентировки их поверхностей и формы контакта. Эти силы эффективны только для частиц очень мелких размеров [48]. Увеличение сил сцепления достигается увлажнением материала. Железорудные концентраты гидрофильны. При увлажнении концентратов происходит адсорбция молекул воды поверхностью частиц и проникновение ее в пространство между частицами за счет капиллярных сил [47, 285]. Последние являются основными. Зависимость прочности окатышей от влажности имеет экстремальный характер. Абсолютное значение влажности, соответствующее максимуму прочности окатышей, определяется составом комкуемого материала. Большое значение для сил сцепления имеют форма, прочность и состояние поверхности минеральных зерен, их химико-минералогический состав.
Сложность и разнообразие состава и свойств концентратов и шихт, получаемых в результате переработки железных руд, приводит к тому, что в теоретических исследованиях изучаются частные характеристики, позволяющие установить качественное влияние тех или иных воздействий, но не дающие общего функционального описания процесса. С другой стороны, автоматизация процесса невозможна без использования датчиков основных параметров концентрата, таких как измеритель влажности концентрата или шихты, содержания компонентов шихты Fe, СаО, 5702- Для эффективного ведения процесса производства окатышей необходим автоматический контроль химического, гранулометрического состава измельченных сырьевых материалов, уровня в емкостях сырья и готовых окатышей, массы подаваемых материалов, их влажности, качества сырых окатышей и ряда других параметров. Многие из указанных параметров в настоящее время автоматически не контролируются из-за отсутствия методов и средств достаточно надежных в условиях производства. Эти параметры периодически определяются выполняемыми вручную лабораторными анализами
Распределение жидкости в сыпучем материале при гранулообразовании
Способность тонкоизмельченных (сыпучих) материалов к гранулообразованию определяется молекулярными силами притяжения и силами отталкивания двойного ионного слоя ДИС, возникающими в результате соприкосновения увлажненных частиц. Тонкоизмельченные и увлажненные сыпучие материалы обладают определенной гранулируемостью, то есть стремлением к образованию микроагрегатов в свободном состоянии и гранул при определенных условиях. При этом определенное количество капиллярной влаги собирается в местах контактов между частицами, образуя кольца (манжеты), не сообщающиеся между собой [286, 271, 272].
Различное количество жидкости в сыпучем материале в разной степени влияет на сцепление частиц, на их аутогезию. Как показывает практика гранулообразования, наиболее прочные окатыши получаются при вполне определенной и значительной в количественном соотношении влажности комкуемого материала, поэтому установление аналитических зависимостей между увлажненностью материала и его физическими параметрами (размер зерен, смачиваемость частиц и т.д.) является одним из наиболее важных при решении вопросов теории и интенсификации гранулообразования.
В работах [79, 81, 82] описана ситуация, при которой частицы соединяются плотно, и имеют точку механического контакта. Но в процессе гранулообразования имеет место наибольшая вероятность того, что частицы соединяются водной прослойкой на некотором расстоянии Ъ. Будем считать, что равновесный краевой угол смачивания 0 не зависит от величины Ъ (рис. 2.1,а).
При решении данной задачи использовалась методика, изложенная в [79, 100]. Рассмотрена трехфазная система: две частицы сферической формы радиусами R/ (исходная частица) и R2 (гранула) соответственно, прослойка жидкостной кольцевой манжеты и воздух [157]. С учетом равновесия трехфазной системы Я Р (Х У) do)n = сЦ , (2.1) где pyx ,yj - давление на элементарную площадку; соп - поверхность жидкостной манжеты; Fclf - сила сцепления между частицам.
Поскольку поверхность жидкости, стягивающей частицы, имеет двойную кривизну, то по обе стороны поверхности существует перепад давления. Эта разница давлений определяется первым законом Лапласа, который записывается: Ар - а (\ О \гг r\J (2.2) где У - поверхностное натяжение смачивающей жидкости; гх и г2-радиусы кривизны поверхности водной манжеты. Fclf является суммой двух компонентов: силы, действующей благодаря двойной кривизне FXi и силы, которая обуславливается периметром смачивания частицы F2. Сумма этих сил может быть представлена как сила, стягивающая частицы, направление которой перпендикулярно плоскости периметра смачивания. Для нахождения компоненты силы Fx - Flp рассматривалась элементарная площадка жидкостной манжеты в нижней части водного кольца с учетом сил, действующих на нее (рис.2.1,6). Рис. 2.1,а. Схема взаимодействия исходной частицы и гранулы (радиусами Rx и R2 соответственно) Рис.2.1,6 Элементарная площадка жидкостной манжеты Согласно рисунку dFx и dF2 - силы компенсирующие внешнее давление; dF3 и dFA - силы, возникающие под влиянием кривизны поверхности жидкой среды. Чем больше отрицательное давление внутри жидкости (т.е. больше силы dFx и dF2 для его компенсации) тем больше сжимающая частицы сила Fclj .
В этом случае значение результирующей силы сцепления сферических частиц различных размеров, как компенсирующей внешнее давление и под влиянием кривизны поверхности жидкой фазы, определяется по формуле [82]: Р ( FP = J ldFiP C0S i + \dF2P cos i d(P . (2.3) V о о J где p - угол, определяющий изменение поверхности жидкостной манжеты. I II Проинтегрировав (2.3) по у/ и у/ , получили: FXp=cr- [( + ги ) sin у/ - г[2 у/ - гп sin у/ cos у/ у dp, (2.4) где сг - поверхностное натяжение смачивающей жидкости; гх - радиус і окружности сопряжения; гп - радиус кривизны мениска рассматриваемой і і части жидкостного кольца, г12 = const на всем протяжении угла у/ . Аналогичным образом определили компоненту F2p (рассматривалась элементарная площадка жидкостной манжеты в верхней части водного кольца): FiP = J \(ri + r22) smW -rn W -r22 smW "cos "dq , (2.5) t где r22 - радиус большей дуги поверхности сопряжения, причем r21 - const tt на всем протяжении угла у/ Сила, действующая благодаря двойной кривизне, Fl определяется по выражению Fl=Flp+F2p. (2.6) Проинтегрировав по углу р выражения (2.4, 2.5) и подставив в (2.6), получили сумму всех проекций сил, компенсирующих внешнее давление, то есть равнодействующую, стягивающую частицы, от кривизны жидкостной манжеты: + (2.7) Fx = 2 п а \rx- sinу/ + гп sin -(l - cosy/)- rn -у/ + 2 n cr [rx siny/" + 7 22 sin /" (l - cos /)- r22 y/ Сила, определяемая поверхностью натяжения жидкой фазы [4]: (2.8) F2 = 2 п G R cos( + у/J cos у/, где 0 - краевой угол смачивания материала жидкостью; R -Rx.
Создание способа управления гранулообразованием тонкоизмельченных железорудных материалов с использованием грохочения циркуляционной нагрузки
В случае если увлажненность агрегата (гранулы) меньше состояния МКВ, то согласно изложенной в п. 2.3 модели уплотнения в первоначальный момент приложения нагрузки происходит сжатие пузырьков воздуха, заключенных в поровой жидкости, затем по мере увеличения нагрузки или повторных ударов происходит отжатие из пор уплотняющейся гранулы избыточного количества жидкости и воздуха. Возникающее при этом сопротивление уплотнению за счет ограниченности скорости перетекания жидкости и трение между минеральными частицами, поровой жидкостью или воздухом тормозит этот процесс. Этот новый фактор, оказывающий влияние на скорость нарастания деформации в грануле, под действием прикладываемой к ней нагрузки, нельзя рассматривать отдельно от ползучести частиц, слагающих эту гранулу. Особенно указанное обстоятельство надо учитывать, если жидкость, заключенная в порах, обладает существенными реологическими параметрами [91, 75].
Согласно известным представлениям, при гранулировании сыпучего материала при относительном перемещении частиц не вся жидкость находится в движении, а только ее часть, наименее связанная с частицами и называемая капиллярной. Таким образом, пространственные перемещения частиц определяются количеством связанной, а также капиллярной жидкости и их реологическими свойствами. Следует отметить, что вязкость капиллярной и связной жидкости отличаются по величине [44, 45, 48], это различие учтем при разработке механической модели уплотнения гранулируемого материала. Сыпучий материал, предназначенный для гранулирования, как правило, представляет неводонасыщенную систему. В процессе пересыпания в барабанном или чашевом окомкователе под действием случайных взаимных соударений частицы материала сближаются между собой. При этом частицы твердыми поверхностями не контактируют, ввиду малых динамических нагрузок, из-за наличия слоя адсорбированной жидкости и сопротивления уплотнению размещенной на их поверхности связанной жидкости.
Следует отметить, что количество жидкости в поровом пространстве в значительной степени определяет величину необходимых усилий при гранулообразовании для получения наиболее плотных и прочных гранул [213,214,215].
Если сыпучий материал подвергается гранулированию прессованием; то в этом случае наблюдается иной механизм гранулообразования. Частицы сыпучего материала обладают минимальной возможностью свободного перемещения, и наблюдается их взаимное сближение под действием, как правило, больших давлений прессования. При этом возможно преодоление сил сопротивления связанной жидкости перемещению частиц, взаимное внедрение связанных и адсорбированных слоев жидкости и контакт твердых поверхностей частиц.
Как при гранулировании, так и при прессовании перемещение поровой жидкости характеризуется ее реологическими свойствами различными для капиллярной и связанной составляющих.
При гранулообразовании сыпучих материалов в периоды соударений гранул между собой, а также их ударов о слой исходного материала происходят процессы, в основе которых лежат явления ползучести, характеризуемые перемещением частиц, более плотной их укладкой, отжатием поровой воды, а также воздуха. Характерной чертой этих процессов является кратковременность действия, напоминающего ударные явления и осуществляемого за весьма короткие промежутки времени. Причем практика гранулообразования показывает, что величина ударных нагрузок может колебаться в широких пределах: при приложении нагрузки большими ступенями рыхлая начальная структура может легче нарушаться и деформация будет значительней, чем когда-то же самое напряжение будет достигнуто путем приложения нагрузки несколькими малыми ступенями. Следует учитывать, однако, что нарушение структуры и скачкообразный переход в новое, более плотное состояние при приложении больших порций нагрузки происходит быстрее, чем при приложении нагрузки малыми порциями. С позиции времени гранулирования, естественно, первый вариант более предпочтителен, хотя при чрезмерных нагрузках возможны случаи их разрушающего действия на сформированные гранулы.
Рассмотрим соударение гранул, осуществляемое в фазе "течения" материала и связанное с ним явление формоизменения (уплотнения) последних. В механике сплошных сред основные уравнения напряженно-деформированного состояния получены на основе гипотезы сплошности грунта, то есть из предложения, что размеры структурных элементов образца во много раз меньше самого малого из рассматриваемых объемов [164]. В связи с этим, механика сплошной среды не рассматривает процессы, происходящие на уровне микрочастиц, и не учитывает особенностей строения тела.
Деформирование гранул происходит за счет перемещения частиц исходного материала, имеющих размеры от единиц до сотен микрометров и учет процессов, происходящих на этом уровне необходим при изучении явления формоизменения и уплотнения гранул.
Подсистема шихтоподготовки, обеспечивающая ресурсосбережение на этапе подготовки материалов к гранулообразованию
На рис. 4.2. приведена структурно-функциональная организация автоматизированной системы управления процессом гранулообразования из тонкоизмельченных железорудных материалов, где введены следующие обозначения: Uy - управляющий сигнал для изменения положения переключателей на резисторах в цепи ротора двигателя на основе многозонного управления; Асо - решение ЛПР об изменении скорости вращения барабанного окомкователя в зависимости от выхода промежуточного продукта; созт - значение скорости вращения барабанного окомкователя с учетом реакции системы на изменение выхода промежуточного продукта; сотек - текущее значение скорости вращения барабанного окомкователя.
Данные, в систему сбора, обработки данных и управления процессом гранулообразования (ССОД и УПГ) поступает от следующих датчиков: влажности концентрата и шихты; массы концентрата, циркуляционной нагрузки, возврата, гранул промежуточного продукта; скорости вращения барабанного окомкователя; массы воды, добавляемой в окомкователь.
Система сбора, обработки данных и управления процессом гранулообразования (ССОД и УГП) выполняет следующие действия: управление шихтоподготовкой, на основе способа определения компонентов шихты в зависимости от влажности материала, поступающего в процесс; управление потоком шихты в период гранулообразования, на основе анализа выборки из циркуляционной нагрузки гранул 7-9мм; автоматическое управление работой барабанного окомкователя, на основе многозонного импульсного управления. Таким образом, ССОД и УПГ состоит из следующих элементов управления: - шихтоподготовкой, обеспечивающий рациональный выбор параметров материала, поступающего на гранулообразование, и тем самым сбережение ресурсов; - технологическим процессом сырого окомкования, включающим полный 153 цикл производства сырых гранул, на основе теории укрупнения гранул под действием механических нагрузок, математической модели перемещения сыпучего материала в окомкователе, кинетики роста гранул, позволяющим управлять процессом гранулообразования тонкоизмельченньгх железорудных материалов в совокупности с работой механического оборудования, и оценивать его качество; - барабанным окомкователем, характеризующемся скоростью его вращения, которая с одной стороны обеспечивает перемещение комкуемой массы в режиме переката, а с другой - образование окатышей кондиционного класса.
В результате формируются следующие управляющие сигналы: а - на форсунки для подачи воды (В); Ъ - на тарельчатый питатель бентонита (РБ); е - скорость вращения барабанного окомкователя; с - на тарельчатый питатель известняка (/#); d— на тарельчатый питатель концентрата (Pk).
Далее в данной главе и главе 5 детально рассматриваются элементы системы управления процессом гранулообразования.
Согласно материалам, представленным в главах 2 и 3 настоящей работы, определено, что одним из основных факторов, влияющих на качество процесса формирования гранул и получаемой готовой продукции, является влажность гранулируемого материала. В основу разработанной подсистемы управления шихтоподготовкой положены способ управления процессом подготовки материалов и математическая модель процесса гранулообразования, представленная в главе 2 и [133]. Способ определения минимального количества упрочняющих и связующих добавок при производстве офлюсованных окатышей, обеспечивающего соблюдение основных условий технологического процесса 154 (минимального количества бентонита на тонну сухого концентрата и степени офлюсования гранул), был разработан на основе [130, 135] и предложен впервые (защищен патентом на изобретение РФ № 2274664) [127] как и устройство на его основе [132]. Они базируются на взаимодействии исходных частиц концентрата, бентонита и известняка в увлажненном материале, с учетом их пористости (возможности поглощения воды частицами). Как было указано выше, шихта для производства окатышей представляет собой железорудный концентрат с добавками связующих веществ (бентонит), флюса (известняк) и других добавок.
Зависимость химического состава шихты от ее основности С определяется зависимостью [18,46]: СаОк Рк+СаОи Ри+СаОБ РБ Si02k Рк + Si02M Ри + Si02E -РБ (4Л) где СаОк, СаОи, СаОБ - содержание СаО в концентрате, флюсующей добавке, бентоните соответственно, %; Si02k, Si02H, Si02E - содержание Si02 в концентрате, известняке, бентоните соответственно, %; Рк - расход концентрата, %; Ри - расход известняка, %; РБ — расход бентонита, %. В соответствии с выражением (4.1) получено выражение для расчета количества добавки известняка в зависимости от основности шихты и текущей добавки бентонита [197]. р _ CJSiOy Рк +SiQ2B-PE)-(CaOk Рк +СаОБ РБ) и CaO„-CSi02M К ) Так как прочность сырых окатышей имеет большое значение при их транспортировке до обжигового агрегата и для повышения качества последующего обжига, применение упрочняющих добавок в практике окомкования необходимо.
