Содержание к диссертации
Введение 6
1. Аналитический обзор работ по проблемам развития и математиче
ского моделирования процессов автогенной плавки сульфидных
медных концентратов и обоснование актуальности выбранной
темы исследований 13
Автогенные процессы в медном и медно-никелсвом производстве 13
Автогенные процессы плавки во взвешенном состоянии .. 14
Взвешенная плавка Outokumpu 14
Процесс непрерывного взвешенного конвертирования Kennecott—Outokumpu 16
Процесс кислородно-взвешенной плавки и кислородно-взвешенного конвертирования Inco 17
1.3. Автогенные процессы в жидкой ванне 18
Процессы ПЖВ, применяемые за рубежом 18
Плавка Вангокова 19
1.4. Методы переработки МКРФ 21
Методы переработки МКРФ на предприятиях России 21
Методы, применяемые на зарубежных заводах 22
Математические модели автогенных процессов 25
Заключение по главе 1 30
2. Математические модели технологических процессов автогенной
плавки и задача управления ими 31
Обоснование и выбор методологии математического моделирования : 31
Процесс автогенной плавки как управляемый объект...36
Формализованная постановка задач управления процессами автогенной плавки 37
Статические прогнозирующие модели технологических процессов автогенной плавки 39
Особенности построения математических моделей различных технологических режимов автогенной плавки 39
Статическая модель автогенной плавки на «сырую» медь 41
Статическая модель автогенной плавки с получением черновой меди 45
Математическая модель и алгоритмы расчета параметров технологического процесса конвертирования «сырой» черновой меди 47
Заключение по главе 2 57
3. Идентификация параметров моделей автогенной плавки 58
Постановка задачи параметрической идентификации и выбор метода ее решения 58
Идентификация модели плавки на «сырую» черновую медь 60
3.2Л. Алгоритмы идентификации параметров газового режима 60
3.2.2. Идентификация параметров модели расплава 63
3.2.3. Идентификация параметров газового режима автогенной
плавки по данным газоанализатора 65
3.3. Идентификация параметров динамической модели
автогенной плавки с получением черновой меди 75
Описание исходных данных и особенности рассматриваемой задачи идентификации 15
Параметрическая идентификация процесса автогенной плавки концентрата ЦРФ с получением черновой меди 77
3.4. Заключение по главе 3 85
4. Алгоритмы управления процессами автогенной штапки 87
4.1. Алгоритмы расчета управляющих воздействий на основе
статических моделей автогенной плавки при плавке на
малосернистую медь 87
Управление высотой слоя белого матта 87
Алгоритмы расчета компенсации дефицита тепла 89
Алгоритмы расчета компенсации избытка тепла 90
4.2. Алгоритмы оптимального управления процессами
автогенной плавки с учетом их динамики 93
Оптимальное управление высотой слоя белого матта в процессе автогенной плавки на малосернистую медь 93
Оптимальное управление высотой слоя шлака и содержанием кремнекислоты в нем в динамическом режиме при плавке на черновую медь 94
Оптимальное управление тепловыми процессами автогенной плавки 96
4.3. Заключение по главе 4 105
5. Применение разработанных алгоритмов для решения задач авто
матизированного управления автогенной плавкой 107
Общие положения 107
Структура и общее описание системы управления комплексом автогенной плавки 108
Синтез оптимальных управляющих воздействий процессом автогенной плавки на «сырую» черновую медь ... 112
Управление процессом автогенной плавки с получением черновой меди в динамическом режиме 115
5.5. Заключение по главе 5 123
Заключение 124
Список использованной литературы 128
Приложение. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОДЕ
ЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ АВТО
ГЕННОЙ ПЛАВКИ 140
ИЛ. Описание работы программного обеспечения технологического рас
чета автогенной плавки медного концентрата от разделения
файнштейна на малосернистую и черновую медь в непрерывном
режиме 141
П.2. Описание программного обеспечения расчета параметров техно
логического процесса конвертирования «сырой» черновой меди до
черновой 164
П.З. Описание работы программного обеспечения управления техно
логическим процессом автогенной плавки концентрата 180
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса в металлургии тяжелых цветных металлов в последние 20—30 лет является разработка и широкое внедрение автогенных процессов, которые позволяют сократить выбросы серы в атмосферу и повысить эффективность производства.
При флотационном разделении медно-никелевого файнштейна получается никелевый и медный концентраты. Медный концентрат (далее-— МКРФ), содержит 67—69 % меди, 4—6 % никеля, 0,2—0,3 % кобальта, 3— 4 % железа, 20—22 % серы. В настоящее время этот полупродукт перерабатывается путем его плавки с последующим конвертированием до черновой меди. Плавка МКРФ на российских предприятиях реализуется различными способами:
* в отражательной печи — на комбинате Севсроникель ОАО «Коль
ская ГМК» (далее — СН);
в печи Ванюкова (ПВ) — на Надеждинском металлургическом за
воде Заполярного филиала (ЗФ) ОАО «ГМК «Норильский Никель».
Экспериментально доказана возможность получения «сырой» и черновой меди в автогенных агрегатах, реализация которой позволяет отказаться от использования конвертерного передела и утилизировать практически всю серу, содержащуюся в концентрате [1, 2].
Как показывает имеющийся опыт внедрения автогенных процессов переработки сульфидного сырья, их преимущества используются в полной мере только при условии автоматизированного управления агрегатами и технологическими комплексами на основе компьютеризации с использованием математических моделей объектов управления.
Среди вопросов, решаемых при разработке АСУ ТП, проблема построения адекватной математической модели и алгоритмов ее реализации является одной из самых важных и сложных. Однако работ по математическому моделированию непрерывных технологических процессов автогенной плавки и синтезу на этой основе АСУ ТП до настоящего времени выполнено мало. Область применимости результатов известных исследований, как правило, ограничена конкретной технологией. Это определяет актуальность темы данной диссертации.
Цель работы — разработка математических моделей и исследование процессов автогенной плавки медного концентрата от разделения файиштейна.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработаны и исследованы статические и динамические математические модели различных технологических режимов автогенной плавки МКРФ;
по результатам опытно-промышленных испытаний различных технологических режимов автогенной плавки выполнена параметрическая идентификация полученных моделей;
на основе разработанных математических моделей выведены алгоритмы управления процессом автогенной плавки в различных технологических режимах;
проведена оптимизация технологических параметров и управляющих воздействий на процесс автогенной плавки с получением как малосернистой, так и черновой меди;
создано программное обеспечение автоматизированного управления автогенной плавкой, реализующее разработанные модели и алгоритмы.
Методы исследования. При выполнении работы использованы методы: общей теории систем и системного анализа; теории автоматического управления; оптимизации и оптимального синтеза; организации промышленного эксперимента и обработки экспериментальных данных; математической статистики и параметрической идентификации; решения некорректных задач.
В ходе проведенных исследований проделан большой объем работ по компьютерной реализации полученных алгоритмов на основе современных методов программирования в системах Visual Basic for application (VBA 6) и Visual Basic 6.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математические модели процессов автогенной плавки медного концентрата от разделения файнштейна в виде систем алгебраических или дифференциальных уравнений на основе .материального и теплового балансов плавки, позволяющие по задаваемым или измеряемым параметрам процесса рассчитывать количества и составы продуктов плавки, а также управляющие воздействия.
Оптимальные управляющие воздействия как в контуре управления высотой слоя жидких фаз расплава, так и в контуре управления температурой расплава носят релейный характер. Они принимают предельные значения до тех пор, пока управляемые технологические параметры не превосходят заданных величин, после чего происходит их переключение на значения, обеспечивающие стабилизацию этих параметров.
Научная новизна. Для непрерывного процесса автогенной плавки медного концентрата от разделения файнштейна впервые разработана математическая модель, отражающая физико-химические закономерности в исследуемом объекте. С помощью разработанной математической модели
проведены исследования процесса плавки. На основе полученных результатов: разработаны прогнозирующие алгоритмы расчета параметров технологического процесса; выведены алгоритмы синтеза управляющих воздействии на процесс автогенной плавки; определена методика расчета оптимальных дутьевого и топливного режимов процесса.
Практическая ценность. Работа выполнена по результатам опытно-промышленных испытаний процесса автогенной плавки концентрата цеха разделения файнштейна (ЦРФ) на медном производстве металлургического цеха комбината Североникель ОАО «Кольская ГМК». Проведены исследования агрегата автогенной плавки как объекта управления и анализ теплового режима вертикального конвертера, разработано математическое и программное обеспечение автоматизированного управления процессами автогенной плавки, сформулированы рекомендации по их внедрению.
В плане проводимой ОАО «Кольская ГМК» реконструкции медно-никелевого производства результаты диссертации могут быть использованы при внедрении: технологии плавки МКРФ в двухзонной ПВ; технологии автогенной плавки рудного медно-никелевого концентрата на опытно-промышленной ПВ комбината Североникель и проектируемом промышленном комплексе ПВ на комбинате Печенганикель.
Полученные результаты могут быть использованы также при внедрении технологии переработки медного рудного концентрата на белый матт в двухзонных ПВ на ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель».
Внедрение результатов работы позволяет при использовании для управления процессом автогенной плавки автоматизированной системы, реализующей разработанные в диссертации математические модели: повысить содержание диоксида серы в отходящих газах и, тем самым, снизить затраты на их утилизацию; уменьшить расход топлива; повысить извлечение цветных металлов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались: на научно-технической конференции «Автогенные процессы в металлургическом производстве» (г. Мончегорск, 1988 г., комбинат Северо-никель); на отраслевом научно-техническом совещании «Создание и внедрение АСУТП в черной и цветной металлургии» (г. Москва, август 1990 г., НПО «Чермставтоматика» — ЦНИИ «Черметинформация»).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано шесть печатных работ, включая три изобретения, защищенных авторским свидетельством СССР и патентами РФ.
Структура диссертации. Диссертационная работа объемом 193 страниц содержит 37 рисунков и 19 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, и приложения.
Во введении обоснована актуальность исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 «Аналитический обзор работ по проблемам развития и математического моделирования процессов автогенной плавки сульфидных медных концентратов и обоснование актуальности выбранной темы исследований» дана оценка современного состояния автогенных технологических процессов переработки сульфидных медных концентратов и основных подходов к их математическому моделированию в контексте решения задачи автоматизированного управления ими. Дан сравнительный анализ действующих в настоящее время на предприятиях цветной металлургии нашей страны и за рубежом автогенных процессов, включая плавку в жидкой ванне и во взвешенном состоянии. Представлен также аналитический обзор публикаций в области математического моделирования автогенных процессов. В результате анализа состояния вопроса сформулированы конкретные задачи и методологические направления исследований.
В главе 2 «Математические модели технологических процессов автогенной плавки и задача управления ими» методологически и математически обосновываются и формализуются постановки задач моделирования процесса автогенной плавки как объекта управления. В качестве методологической основы математического моделирования (обобщенной математической модели автогенной плавки) было принято определение динамической системы Калмана. Описываются статические прогнозирующие модели двух технологических режимов автогенной плавки: 1) на «сырую» черновую медь с последующим ее конвертированием до черновой в вертикальном конвертере; 2) с получением черновой меди непосредственно в агрегате автогенной плавки. Рассмотрены также математическая модель и алгоритмы расчета параметров технологического процесса конвертирования «сырой» черновой меди, что является логическим завершением математического обеспечения расчета плавильных переделов, реализующих первый технологический режим.
В главе 3 «Идентификация параметров моделей автогенной плавки» формулируется обобщенная и вытекающие из нее частные задачи параметрической идентификации моделей рассматриваемых технологических схем автогенной плавки и обосновывается выбор методов их решения. Анализируются особенности рассматриваемой задачи идентификации для различных технологических режимов. Описываются и систематизируются данные измерений технологических параметров автогенной плавки, полученные указанными системами автоматизированного контроля, и проводится их качественный предварительный анализ; решается задача идентификации параметров газового режима по измерениям расхода дутья, регистрируемым автоматизированной системой контроля (АСК), и составам отходящих газов, регистрируемым газоанализатором; проводится предварительное тестирование математической модели автогенной плавки по данным, полученным в ходе промышленных испытаний технологии переработки концентрата ЦРФ на «сырую» черновую медь. Приводятся алго-
ритмы и обсуждаются результаты идентификации технологических параметров при плавке на «сырую» черновую медь и с получением черновой меди.
В главе 4 «Алгоритмы управления процессами автогенной плавки» описаны предлагаемые алгоритмы формирования значений параметров управляющих воздействий (расходов дутья и топлива) как высотой слоя жидких фаз расплава, так и его температурой с компенсацией дефицита или избытка тепла. Рассмотрены алгоритмы расчета управляющих воздействий на основе статических и динамических моделей автогенной плавки, которые могут быть использованы при управлении технологическим процессом автоматизированном режиме. Рассматривается задача синтеза оптимальных управляющих воздействий на процесс автогенной плавки с учетом его динамики.
В главе 5 «Применение разработанных алгоритмов для решения задач автоматизированного управления автогенной плавкой» обоснована структура системы автоматизированного управления комплексом автогенной плавки, реализующей разработанные модели и алгоритмы, и дано ее общее описание. Дано решение задачи синтеза в динамическом режиме оптимальных управляющих воздействий на процесс автогенной плавки на «сырую» черновую медь и с получением черновой меди.
Приложения целиком посвящены описанию программного обеспечения, реализующего разработанные алгоритмы, рассмотренные в предыдущих разделах.
