Введение к работе
Актуальность работы. Производство меди и никеля имеет большое значение для экономики России. Наибольшее распространение при производстве меди и никеля получили пирометаллургические методы, в том числе с использованием автогенных процессов. Однако сегодня все еще сохраняет свое значение традиционная технология получения штейна путем электроплавки сырья в руднотермических печах (РТП).
Существующая технология электроплавки в РТП характеризуются невысокими технико-экономическими показателями, неблагоприятной экологической обстановкой, трудностями в обслуживании печей. Все эти факторы требуют модернизации технологий и систем управления процесса переработки сульфидного медно-никелевого сырья до уровня, соответствующего современным требованиям, т.к. разработка и внедрение более прогрессивных автогенных методов производства потребует значительно больше ресурсов.
Поэтому сегодня серьезное внимание уделяется улучшению показателей работы печных агрегатов путем внедрения АСУ процессом. Значительный вклад в развитие и совершенствование электроплавки в РТП и алгоритмов управления процессом внесли такие ученые как: С.Л. Степанянц, Г.М. Глинков, В.В. Година, А.А. Гальнбек, А.А. Фомичев, А.А. Педро, В.И. Ершов и др.
В условиях неопределенности и неполноты информации, которыми характеризуется электроплавка в РТП, практически невозможно использовать традиционные схемы управления, которые с успехом применяются там, где объект описан полностью. Поэтому в рамках такой системы целесообразно разрабатывать методы, которые указывают алгоритм, т.е. последовательность действий и операций, результат выполнения которых приводит к конкретному решению.
На сегодняшний день не существует эффективной системы управления процессом рудной плавки сульфидного медно-никелевого сырья, поэтому предлагаемая в диссертационной работе тема является актуальной.
Исследования выполнялись в соответствии с госбюджетной тематикой НИР СПГГИ (ТУ) по теме 6.30.020 «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.).
Цель работы. Повышение качества управления руднотермической электроплавкой медно-никелевого сульфидного сырья, обеспечивающей заданное качество продукции при снижении материальных и энергетических затрат.
Задачи исследований:
– анализ процесса получения штейна в руднотермической печи как объекта управления;
– анализ существующих принципов построения автоматических систем управления руднотермическими печами;
– определение связи гармонического состава напряжения и тока электродов с технологическими параметрами работы печи;
– разработка математической модели процесса электроплавки сульфидного медно-никелевого сырья;
– разработка системы управления руднотермической печью для переработки сульфидного медно-никелевого сырья;
– оценка эффективности предложенной системы и выработка рекомендаций по ее применению.
Методика проведения работы. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований, в том числе промышленные измерения электротехнических величин в условиях действующего производства плавильного цеха комбината «Печенганикель» ОАО «Кольская ГМК». Обработка результатов исследований проводилась с использованием следующих программных продуктов: Excel, Mathcad, Matlab и собственных программных разработок.
Научная новизна работы:
– установлено, что при переработке сульфидного медно-никелевого сырья в РТП степень развития дуги зависит от третьей гармонической составляющей тока электродов, относительное содержание которой пропорционально отношению мощности, выделяемой в дуге ко всей мощности, потребляемой печной установкой. Зависимость позволяет поддерживать заданное развитие дуги, что дает основания для снижения удельных затрат электроэнергии;
– установлено, что уровень расплава в ванне печи влияет на величину постоянной составляющей фазного напряжения, зависящей от заглубления электрода в шлак, что вызвано полупроводниковым эффектом контакта электрода с расплавом. Это позволяет непрерывно измерять уровень общей ванны, что в конечном итоге сможет повысить производительность печи;
– обоснована структура системы управления процессом плавки сульфидного медно-никелевого сырья в РТП, полученная путем введения дополнительных блоков стабилизации активного сопротивления и уровня расплава, управления перепуском электродов и переключения ступеней трансформатора.
Основные защищаемые положения:
1. Для процесса руднотермической плавки сульфидного медно-никелевого сырья целесообразно применять метод определения текущих значений неизмеряемых электротехнологических параметров (степень развития дуги, активное сопротивление и уровень расплава) по гармоническому составу тока и напряжения, что обеспечивает возможность диагностирования отклонений в ходе технологического процесса на начальной стадии.
2. С целью повышения качества управления процессом руднотермической плавки сульфидного медно-никелевого сырья следует использовать структуру системы управления, полученную путем введения дополнительных блоков стабилизации тока, активного сопротивления и уровня расплава, блоков управления перепуском электродов и переключения ступеней трансформатора.
Практическая значимость работы:
– разработан метод непрерывного контроля уровня расплава в ванне печи, позволяющий вести процесс при глубине ванны, соответствующей режимной карте (заявка на изобретение «Способ непрерывного контроля уровня расплава в ванне руднотермической печи, работающей в режиме сопротивления» №2009125421 от 02.07.2009 г.);
– математически описан процесс электроплавки сульфидного медно-никелевого сырья с использованием гармонического анализа тока и напряжения, что позволяет исследовать влияние электротехнологических параметров на показатели эффективности процесса.
Достоверность научных результатов. Достоверность основных выводов обоснована совпадением результатов моделирования с производственными данными и использованием стандартных методик оценки качества моделирования. Эффективность предложенных мероприятий подтверждена в ходе опытно-промышленных измерений на комбинате «Печенганикель» ОАО «Кольская ГМК» и по итогам внедрения.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись на международной конференции в ВК «Ленэкспо» «Автоматизация и моделирование технологических процессов в металлургии и машиностроении» (Санкт-Петербург, 2007); на конференции молодых ученых СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПб, 2007-2010); на семинаре «Инновационные технологии, моделирование и автоматизация в металлургии» (ВК «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2009); на III, IV, V международной конференциях «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности» (Санкт-Петербург, 2008-2010); на научно-техническом совещании «Электротермия–2010» (Санкт-Петербург, 2010); семинарах кафедры автоматизации технологических процессов и производств СПГГИ (ТУ).
Основные положения работы опубликованы в 4 научных работах (1 – в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России). Подано три заявки на патент.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержит 139 страниц машинописного текста, 28 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 109 наименований.
