автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление процессом разделения технологических пульп медно-никелевого производства в современных фильтр-прессах

На правах рукописи 005046070

САФОНОВ Дмитрий Николаевич

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПУЛЬП МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА В СОВРЕМЕННЫХ ФИЛЬТР-ПРЕССАХ

Специальность 05.13.06-Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (металлургия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 мюн 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

Работа выполнена в федеральном государственно)* бюджетном образовательном учреждении высшего профессио нального образования Национальном минерально-сырьевое университете «Горный».

Научный руководители: доктор технических наук, профессор

Белоглазое Илья Никитин

кандидат технических наук, доцент

Фирсов Александр Юрьевш

Официальные оппоненты:

Педро Анатолий Александрова доктор технических наук, профессор,

ООО «ЛЕННИИГИПРОХИМ», зав. лабораторией высоко температурных процессов и аппаратов

Жмарин Евгений Евгеньевич кандидат технических наук, ЗАО «Оутотек Санкт-Петербург» менеджер по оборудованию

Ведущая организация - ООО «Институт Гипроникель».

Защита состоится 2 июля 2012 г. в 16 ч 30 мин на заседа нии диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 1 июня 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

д-р техн. наук -ч БРИЧКИН В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Одним из основных процессов, определяющих эффективность гидрометаллургических схем предприятий цветной металлургии при переработке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов является стадия фильтрования технологических пульп. Применение современных высокоэффективных фильтр-прессов, способных объединять несколько разных по физической сущности процессов обезвоживания в одной установке, позволяет существенно сократить расходы на проведение последующей в технологической цепочке конвективной сушки материала, требующей больших энергетических затрат. От эффективности работы установленных фильтр-прессов зависит производительность передела, себестоимость обезвоженного концентрата и его пригодность для дальнейшей металлургической переработки.

Поступающая на обезвоживание пульпа не постоянна по своему физико-химическому составу. Такие её параметры как крупность частиц, плотность твёрдой и жидкой фазы, концентрация, температура и др. изменяются во времени. Непостоянство параметров питающей пульпы и значительное время запаздывания в получении информации о протекании процессов обезвоживания в фильтр-прессе существенно усложняют задачу качественного управления.

Задача повышения эффективности разделения пульп на фильтр-прессах решается двумя основными путями. Первый путь заключается в совершенствовании математического описания процессов обезвоживания и методов тестирования пульп на фильтруе-мость. Огромный вклад в развитие и совершенствование математического моделирования процессов фильтрования внесли такие крупные специалисты, как В.А.Жужиков, В.Н. Виноградов, Р.Д. Вэйк-ман. Вследствие сложности создания точных математических моделей процессов фильтрования, наиболее перспективным является второй путь, заключающийся в повышении эффективности систем автоматического управления фильтр-прессами. Хорошо известны разработки отечественных (ООО «Институт Гипроникель») и зару-

бежных («Оии^ес», «Апёг^») организаций в области создания систем автоматического управления процессами фильтрования.

Однако существующие методы определения фильтруемости пульпы имеют ряд недостатков, связанных с высокой стоимостью и длительностью проведения тестирования. Существующие системы автоматического управления фильтр-прессами не в полной мере учитывают наличие имеющихся нестационарностей в параметрах питающей пульпы и требуют дальнейшего совершенствования.

Цель работы - научное обоснование и разработка системы управления фильтр-прессом, обеспечивающей ведение процесса фильтрования при наилучших режимных настройках, в соответствие с критерием оптимальности.

Идея работы - с целью определения наилучших режимных настроек и повышения эффективности процесса разделения пульп, в системе автоматического управления необходимо использовать пре-диктивный регулятор, включающий в себя математическую модель процессов обезвоживания и блок оптимизации с алгоритмом работы, основанным на использовании искусственной иммунной сети.

Основные задачи исследований:

1. Научно-технический анализ использования промышленных фильтров на металлургических предприятиях и существующих систем автоматического управления;

2. Научно-технический анализ известных способов оценки характеристик питающей пульпы и их влияния на кинетику процессов обезвоживания в фильтр-прессе;

3. Экспериментальные исследования воздухопроницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы;

4. Экспериментальные исследования фильтруемости медно-никелевой пульпы на пилотном фильтр-прессе ОиКЯес Ьагох РР-0,1;

5. Разработка математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификация её параметров по экспериментальным данным;

6. Разработка алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;

7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, которая состоит из блока оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующей модели процесса обезвоживания.

Методы исследований. Принятые в работе научные положения базируются на современных представлениях о закономерностях процессов, протекающих в гидрометаллургических аппаратах непрерывного и периодического действия. При выводе основных зависимостей применены положения системного подхода к исследованию технологических процессов, а также методы математического и физического моделирования. Анализ влияния параметров на показатели процесса и эффективность работы оборудования осуществлялся с применением стандартного и специального программного обеспечения. В экспериментальной части работы использовались методы организации исследований и обработки экспериментальных данных, методы аналитического контроля и статистического анализа.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Установлена зависимость, позволяющая по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;

2. Синтезирована система автоматического управления фильтр-прессом. В систему включён предиктивный регулятор, включающий блок прогнозирования, рассчитывающий на основе модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие режимные настройки фильтра в соответствии с критерием оптимальности, что позволяет повысить качество управления.

Основные защищаемые положения:

1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка - параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;

2. Для поиска оптимальных режимных настроек процесса обезвоживания на фильтр-прессе целесообразно использовать систему автоматического управления, имеющей в своём составе пре-диктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.

Практическая значимость работы:

1. Оперативный способ определения удельного сопротивления осадка по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы обеспечивает получение более полной информации о фильтруемости технологических пульп металлургического производства.

2. Разработанный алгоритм предиктивного регулятора, основанный на использовании искусственной иммунной сети, представляет собой универсальное решение для поиска оптимальных условий протекания сложных технологических процессов, обеспечивая снижение себестоимости, увеличения производительности и т.д.

Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики обезвоживания металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.

Апробация работы.

Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-х международных научных специализированных конференциях: в Краковской горной академии (Польша, г. Краков) в 2009 г., в Лаппеенрантском технологическом университете (Финляндия, г. Лаппеенранта) в 2010 г., на XXV международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Австралия, г. Брисбан) в 2010 г., в Технологическом Университете г. Оулу (Финляндия, г. Оулу) в 2011 г, на 4-х научных конференциях студентов и

молодых ученых в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2009-2012 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.

Личный вклад автора.

Автор самостоятельно выполнил:

1. Постановку задач и разработку общей методики исследований;

2. Анализ современных методов обезвоживания на металлургических предприятиях и существующих систем управления фильтр-прессами;

3. Лабораторные экспериментальные исследования по определению удельной площади поверхности на Блэйн-метре и фильт-руемости технологических пульп на нутч-фильтре.

4. Лабораторные экспериментальные исследования по фильтрованию образцов медно-никелевой пульпы с комбината «Пе-ченганикель» ОАО «Кольской ГМК» на пилотном фильтр-прессе

01йо1ес Ьагох РГ-0,1;

5. Разработку математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификацию её параметров по

экспериментальным данным;

6. Разработку алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;

7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, включающую блок оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующую модель процесса обезвоживания.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнау-ки России, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 110 наименований, приложений -3.

Автор выражает благодарность научным руководителям д.т.н., проф. [Белоглазову И.Н. |и доц., к.т.н. Фирсову А. Ю. за помощь и поддержку, оказанную при работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлена теоретическая информация о фильтровании технологических пульп медно-никелевого производства. Рассмотрены основные характеристики пульпы, влияющие на процесс фильтрования и возможные способы их определения. Приведено описание конструкции и принципа действия фильтр-пресса, а также рассмотрены особенности применения данного типа фильтров в металлургической промышленности. Представлено описание и выявленные недостатки существующих систем автоматического управления фильтр-прессами. Приведена общая технологическая схема производства комбината ОАО ГМК «Печенганикель» и технологическая схема цеха обжига.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процессов обезвоживания технологических пульп в фильтр-прессе. Рассчитана и проверена адекватность разработанной математической экспериментальным данным, полученным с пилотного фильтр-пресса 01Ло1ес Ьагох РР-О,1.

В третьей главе описаны экспериментальные исследования, выполненные в лабораторном масштабе, целью которых было установление зависимости, позволяющей по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;

В четвёртой главе синтезируется система автоматического управления фильтр-прессом. Система имеет в своём составе предик-тивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследования в соответствии с поставленной целью и решёнными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка - параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;

Рассмотрим процесс обезвоживания медно-никелевого концентрата на фильтр-прессе, включающий в себя две последовательно реализуемых стадии - фильтрования под давлением и диафраг-менное прессование. Математические модели процессов могут быть представлены в следующем виде:

1. Фильтрование под давлением:

(т) =

ттв(т) = £0с(т) -А-(1-е) тж(т) = ¿осСО "А'£

йт

О)

(2)

(3)

(4)

5 • ■ (1 - е)

е3 'Рт

(5)

£ = £0 ■ (Дрф) А

(6)

Начальные условия:

Уф(0) = 0; ¿ос(0) = 0; ттв(0) = 0; т^О) = 0.

2. Диафрагменное прессование:

-7Г2-Кк-Т

¿ос(т) = ¿н - (¿н - ¿мин)- 1-е

(7)

а = Кк = Ко-(ЛрФУ (9)

Начальные условия:

^Н = ¿0с1т=тф' Кгр(О) = О' ™ТВ ~ ^Тв1г=Тф' = ?Я.ж|т=Тф

Толщина осадка при максимальном сжатии:

а

Lмин

(Ю)

1 - £0 • (Дрпр)" Для обеих стадий справедливы следующие уравнения: тж + ттв

* =- (11)

™тв

тж

Сж=----(12)

ттв + тж 4 '

В уравнениях (1) - (12) обозначены: V - общий объём фильтрата [м3]; Уф - объём фильтрата образовавшийся при фильтровании [м3]; % - объём фильтрата, образовавшийся при диафрагмен-ном прессовании [м3]; т - время [с]; Тф - длительность фильтрования тпр ~ длительность диафрагменного прессования [с]; А - площадь фильтровальной перегородки [м2]; Дрф - перепад давления при фильтровании [Па]; Дрпр - перепад давления при диафрагменном прессовании [Па]; дж - динамическая вязкость жидкой фазы пульпы [Па с]; (Гуд - удельное сопротивление осадка [мкг'1]; тптв — масса твёрдого в осадке [кг]; тж - масса жидкости в осадке [кг]; R„ - сопротивление фильтровальной перегородки [м"1]; Loc - толщина осадка [м]; СТ - концентрация твёрдой фазы в пульпе [-]; рт - плотность твёрдой фазы пульпы [кг-м"3]; рж - плотность жидкой фазы пульпы [кг м 3]; х - влагосодержание осадка [-], Сж - влажность осадка [-]; е - порозность осадка [-];£0,Я - коэффициенты; 5уд - удельная поверхность твёрдой фазы в составе пульпы [м2-м"3]; ¿мин - предельная толщина осадка при минимальном сжатии [м]; LK - толщина осадка при максимальном сжатии диафрагмой [м]; Кк - константа скорости сжатия [м2с"']; Кк, у - коэффициенты.

Параметры, входящие в уравнения (1) - (10) идентифицировались по экспериментальным данным фильтрования медно-никелевой пульпы на пилотном фильтр-прессе Outotec Larox PF-0,1. Характеристики пульпы и настройки фильтра: тф = 80 с; тпр = 150 с; рт = 5657,015 кг ■ м-3 рж = 1000 кг • м-3; СТ = 0,65; 5уд = 0,5 м2 • м-3. Рассчитанные параметры, входящие в модель:

п f. \ 0,709 , Л

Кк = 3 • 10"7 ■ (Дрпр) ,м2 ■ с ;

/ - . n-0,508

е = 0,522 • (1,51 + Лрф) Промоделируем изменение объёма фильтрата для разных стадий обезвоживания в Matlab с учётом характеристик тестируемой пульпы, настроек фильтра и рассчитанных параметров, входящих в модель (рис.1).

0,0012

^ 0,001 ев

й 0,0008 Э"

А

0,0006

й 0,0004 о ж

Я

3 0,0002

ю О

о

о 50 100 150 200 250

Время, т, с

Рис. 1. Образование фильтрата в зависимости от настройки фильтр-пресса

О Эксп. ДР □ Эксп. ДР А Эксп. ДР О Эксп. ДР -Мод. ДР< - • - ■ - Мод. ДР< ---Мод. ДР< — — МодДРі ф=0,2 Миа, ДРпр= 1,0 Мпа ф=0,2 Мпа; ДРпр=1,6 МПа ф=0,6 Мпа; ДРпр=1,0 Мпа ф=0,6 Мпа; ДРпр=1,6 Мп [>=0,2 МПа; ДРпр=1,0 МПа >=0,2 МПа; ДРпр=1,6 МПа >=0,6 Мпа; ДРпр=1,0 Мпа >=0.6 Мпа; ДРпг>=1.6 Мп

. 4- —........1--1-

В некоторых случаях проведение стандартных тестов на фильтруемость пульпы представляет собой сложную задачу, так как для её решения необходима транспортировка и последующая наладка лабораторного пилотного фильтра на металлургическом предприятии, либо отправки достаточно большого количества образцов пульпы в лабораторию.

Одним из направлений в решении задачи интенсификации тестирования является применение новых методов определения характеристик и параметров процесса. Перспективным является метод определения удельного сопротивления осадка, основного влияющего фактора на кинетику фильтрования, по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы идущей на фильтрование в составе пульпы.

Для определения зависимости удельного сопротивления осадка от воздушной проницаемости твёрдой фазы (рис. 2) использовались различные материалы: угольный порошок, карбонат кальция, апатитовый концентрат, магнетит, цинковый концентрат, медный концентрат, пиритный концентрат.

Наиболее простой реализацией установки для определения воздушной проницаемости является лабораторный Блэйн-метр. Важными преимуществами данного метода тестирования являются высокая скорость получения результатов и использование малого количества материала для тестирования (менее 100 г.). Блэйн-метр измеряет т.н. Блэйн-индекс - удельную поверхность в м^кг'1.

Для определения удельного сопротивления осадка использовался стандартный метод фильтрования на нутч-фильтре.

О 100 200 300 400 500 600 700 800

Блэйн-индекс, 5уд, м2/кг

Рис.2. Зависимость удельного сопротивления осадка от удельной поверхности (индекс Блэйна): 1 - пиритный к-т, 2 - апатитовый к-т, 3 - 2п к-т, 4 -Си к-т, 5 - магнетит, 6 - угольный порошок, 7 - карбонат кальция.

2,5Е+11

Анализируя графики на рис.2 можно сделать вывод о том, что для тестируемых материалов прослеживается квадратичная связь между удельным сопротивлением осадка и удельной поверхностью материала, определённой методом воздушной проницаемости Вид этой зависимости может быть представлен в виде:

. N0,321 -

ауд = 524491 • (Дрф)

Таким образом, с целью получения оперативных данных о значении удельного сопротивления осадка, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы. Принимая во внимание простоту использования метода и низкую стоимость измерений, можно сделать вывод о возможности его широкого применения промышленности и разработке на его основе автоматических устройств, позволяющих за короткий промежуток времени определить фильтруе-мость материала.

2. Для поиска оптимальных режимных настроек процесса обезвоживания на фильтр-прессе целесообразно использовать систему автоматического управления, имеющей в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.

При синтезе системы управления стоит задача создания такого управляющего устройства, при котором система удовлетворяла бы заданным требованиям к ее качеству. Использование управляющего устройства, в состав которого входит прогнозирующая модель и блок оптимизации, позволяет определить оптимальные режимные настройки фильтр-пресса для следующего цикла фильтрования с учётом всех особенностей: измеряемых и не измеряемых возмущающих воздействий, входных и выходных ограничений и т.д.

На структурной схеме (рис. 3) представлен принцип построения системы управления на основе предиктивного регулятора. Регулятор включает в себя прогнозирующую модель и блок оптимиза-

ции, работа которого основана на использовании алгоритма искусственной иммунной сети.

возмущающие воздействия

Рис. 3. Структура схема системы управления

Общую структуру фильтра как объекта управления можно представить в следующем виде:

У = ПК,УШ,Ю, (13)

где Y - вектор выходных регулируемых величин, Уи - вектор измеряемых возмущающих воздействий, VnK - вектор не измеряемых возмущающих воздействий, U - вектор управляющих воздействий.

• Вектор измеряемых возмущающих воздействий X включает-' 5уд - удельную площадь поверхности частиц пульпы; рп - плотность пульпы;

• Вектор не измеряемых возмущающих воздействий X включает: Ств - концентрацию твёрдой фазы в пульпе;

• Вектор возможных управляющих воздействий U представляет собой набор уставок для существующих локальных систем автоматического управления фильтр-прессом и включает: тф - время фильтрования, Арф - давление пульпы при фильтровании, Дрпр -давление воды над диафрагмой при прессовании, тпр - время диа-фрагменного прессования;

• Вектор выходных регулируемых величин У включает: Уф -объём образующегося фильтрата, Loc - толщина слоя осадка, Сжос -концентрация жидкой фазы в осадке.

Параметры пульпы медно-никелевого концентрата, поступающей с нижнего слива сгустителя, не постоянны во времени. Изменения характеристик питающей пульпы медно-никелевого концентрата изменяются в следующих пределах (по данным с комбината «Печенганикель» ОАО «Кольская ГМК»):

5уД = 0.394 0.650 [м2/см3]; Ств = 0.640 + 0.675 [-]; рп = 2105 4- 2230 [кг/м3]; t„ = 25 -г 30 [ °С];

Критерий оптимальности, имеющий смысл условно-переменных затрат в составе себестоимости продукции может быть выражен как:

Мф + ¿1тфАРф + к2тПр+12тПрЬрПр + Евсп ^

^ ~ тхв(тф )

где кг, к2 - коэффициенты, показывающие стоимость единицы времени, затрачиваемого на операции фильтрования и диафраг-менного прессования соответственно; Z1( 12 - настроечные коэффициенты, предусмотренные для уточнения критерия в процессе эксплуатации системы управления; Евсп - расходы на проведение вспомогательных операций (открытие и закрытие пакета пластин, разгрузку осадка, промывку фильтровальной ткани и т.д.).

Задача создаваемой системы автоматического управления заключается в поиске режимных настроек фильтр-пресса, которые позволяют стабилизировать влажность осадка на регламентированном уровне при одновременной минимизации критерия оптимальности в области планирования:

Г = minи (.и, V)], при С™? < Сж,ос < С™* с15)

Прогнозирующая модель

Прогнозирующая модель, входящая в состав предиктивного регулятора, состоит из моделей процессов фильтрования и диафраг-менного прессования, описываемых уравнениями (1)-(12).

Блок оптимизации

Основным блоком предиктивного регулятора является блок оптимизации, использующий алгоритм поиска оптимальных режимных настроек, основанный на использовании искусственной иммунной сети.

Суть алгоритма состоит в дискретизации допустимого диапазона каждой настройки с получением п1=2Л7=128 дискретных значения каждой настройки, далее в переводе 4х мерного дискретного пространства допустимых управляющих воздействий (настроек фильтр-пресса) в одномерное дискретное пространство набора настроек, закодированных в двоичном коде, с числом элементов п=п1Л4=128А4=268435456. Длина массива бит для хранения двоичного кода одного параметра хг = code(тпит) составляет 7 бит. Длина массива бит для хранения двоичного кода одного набора из 4 настроек составляет 4*7=28:

* = [*1,*2,х3)х4] = [сойе(тпт), code(üp$) ,code(rnp), code(Apnp)] В данном одномерном пространстве целевая функция имеет множество локальных минимумов, но предложенный алгоритм, относящийся к классу алгоритмов параллельного поиска, легко справляется с поиском глобального минимума. Алгоритм блока оптимизации формально может быть представлен в виде следующей последовательности шагов:

[Шаг1] Создание и инициализация массива из 7 структур («клеток памяти») М, содержащих случайные настройки, значение критерия ] и показателя степени близости äff («аффинности») к текущему минимальному J («антигену»):

M^.aff = Ю-6; M1+7J = Jmax, Mi+7.*i+28 = rand(0 |1); [Шаг 2] Формирование массива структур V («В-лимфо-цитов») по массиву структур М:

Vi := Mt, если М^ äff > Vi. äff Проверка останова программы: если значения всех элементов массива структур Vt.J близки друг к другу с определённым допуском <р, то оставить поиск, иначе - переходим к шагу 3.

[Шаг 3] Формирование массива из 3 случайных структур V, что обеспечивает постоянное наличие разнообразия при поиске: V7+1Q.aff = 10"6; V7+10.J = Jmax, V7+10.xl4.2B = rand(0 |1) [Шаг 4] Размножение массива структур V - создание массива структур N («антител») из 100 элементов таких, что: N1+10 := Vu N10+20 := V2, ..., Л/зд+юо ~ VlO

[Шаг 5] Случайный отбор 10 элементов массива структур N из всех 100 элементов массива структур N («из всей популяции»).

[Шаг 6] Изменение (инвертирование бит в двоичном коде) значений режимных настроек («мутация клеток»), отобранных на Шаге 5 элементов массива структур N в соответствии с шаблоном вероятности «изменчивости»: Т = [0.8; 0.5; 0.3; 0.2; 0.1; 0.05; 0.01].

[Шаг 7] Декодирование из двоичной системы в десятичную систему счисления и масштабирование в заданный диапазон изменения физических единиц настроек: [тф, Дрф,тпр, Дрпр] = decode(x).

[Шаг 8] Расчёт модели фильтр-пресса по 10 вариантам настроек. Режимные настройки берутся из 10 отобранных элементов массива структур N. Производится проверка выходных параметров модели на технологические ограничения. Задача условной минимизации решается за счет назначения целевой функции Nt.J максимального значения NiJ ■■= Jmax- Значения целевой функции сохраняются в элементе Л71+10.7 в физических единицах измерения в десятичной системе счисления: Nx+W.] modellV^, U].

[Шаг 9] Определение минимального значения J: Если NiJ < Jmin, то]min Ni.J

[Шаг 10] Расчёт степени близости критерия J отобранных структур и структур к минимальному значению Jmin

("аффинности взаимодействия антитела и антигена"):

Ni-aff = JSr> v-aV = T?r

[Шаг 11] Сохранение 7 из 10 элементов массива структур N с наибольшими значениями степени близости äff в массиве структур памяти М: Mt ■= Nt

[Шаг 12] Переход к шагу 2.

Когда поиск завершён, регулятор выдает управляющие воздействия существующим локальным системам управления фильтр-прессом, который функционирует с найденными настройками до следующего цикла обезвоживания. Затем регулятор получает измеренные значения исходных характеристик пульпы и полностью пересматривает свой расчет.

Поиск минимальных значений критерия оптимальности при некоторых параметрах питающей пульпы с использованием предик-тивного регулятора показан на рис. 4.

Номер вектора настроек пресс-фильтра Ц

Рис.4. Поиск минимума критерия оптимальности с помощью иммунного

регулятора

Следующий график (рис. 5) показывает значение критерия оптимальности (себестоимости) фильтр-пресса при различных способах управления процессом обезвоживания - с использованием и без использования предиктивного регулятора в условиях меняю-

Номер цикла фильтрования, N

Рис.5. Изменение себестоимости по циклам фильтрования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных исследований:

1. Произведён анализ научно-технической литературы по тематике исследований. Выявлены недостатки существующих систем автоматического управления фильтр-прессами и способы повышения качества управления.

2. Разработана математическая модель процесса обезвоживания медно-никелевого концентрата на пилотном фильтр-прессе и произведена идентификация её параметров по экспериментальным данным.

3. Установлена зависимость, позволяющая по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;

4. Разработан алгоритм предиктивного регулятора, который включён в систему автоматического управления фильтр-прессом. Регулятор включает блок прогнозирования, рассчитывающий на основе модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие режимные настройки фильтра в соответствии с критерием оптимальности, что позволяет повысить качество управления.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Сафонов Д.Н. Моделирование и автоматизация процесса фильтрации металлургических пульп на пресс-фильтрах // Записки Горного института, Т. 182, 2009. С. 165-168.

2. Сафонов Д.Н. Моделирование процессов фильтрования металлургических пульп / Д.Н. Сафонов, А. Краславски // Сборник научных трудов семинара «Инновационные технологии, моделирование и автоматизация технологических процессов», Т. 1, Вып. 1, СПб, 2010. С. 21-23.

3. Сафонов Д.Н. Решения компании Ьагох для автоматизации процессов фильтрования технологических пульп / И.Н. Белоглазов, Д.Н. Сафонов // Сборник научных трудов семинара «Инновацион-

ные технологии, моделирование и автоматизация технологических процессов», Т. 1. Вып. 1. СПб., 2010. С. 24-26.

4. Сафонов Д.Н. Применение метода определения воздухопроницаемости для оценки фильтруемости различных суспензий / Д.Н. Сафонов, А. Хаккинен, А. Краславски, И.Н. Белоглазов, Д. Пал мер, Э. Бъярне // Записки Горного института, Т. 192, 2011. С 228-234.

5. Safonov D. Trends in test filtration to respond decreasing sample size / J. Palmer, D. Safonov, A. Hakkinen, B. Ekberg, A. Kraslawski // Conference Proceedings «XXV International Mineral Processing Congress (IMPC 2010)», Brisbane (Queensland, Australia), issue 2010. P.1085-1098.

6. Safonov D. Trends in test filtration to respond decreasing sample size of iron concentrates / J. Palmer, D. Safonov, A. Hakkinen, B. Ekberg, A. Kraslawski II CIS Iron and Steel Review (приложение к журналу «Чёрные металлы»), №1, СПб., 2010. С.4-7.

7. Safonov D. Simulation of iron concentrate suspension filtration process /1. Beloglazov, D. Safonov, A. Mikheev, M. Perfilova // CIS Iron and Steel Review (приложение к журналу «Чёрные металлы»), №1, СПб., 2009. С.4-6.

8. Safonov D. Creation of the automated control system of the metallurgical suspension filtration process based on artificial immune network // Conference Proceedings of the Graduate School in Chemical Engineering, Year book 2010, Lappeenranta (Finland), 2010, P.285-287.

9. Safonov D. Creation of the automated control system of the metallurgical suspension filtration process based on artificial immune network // Conference Proceedings of the Graduate School in Chemical Engineering. Year book 2011. Oulu (Finland), 2011. P.287-289.

10. Патент №2341320 «Устройство для фильтрации» от 20.12.2008. Авторы: И.Н. Белоглазов, М.И. Ильин, Б.Н. Куценко, Д.Н. Сафонов, И.М. Якунин.

РИЦ Горного университета. 30.05.2012. 3.423 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Список символов.

Список условных обозначений и аббревиатур.

Введение.

Общая характеристика работы.

Основные защищаемые положения:.

Практическая значимость работы:.

Апробация работы.

Личный вклад автора.

Глава 1. Фильтрование технологических пульп металлургичекских предприятий.

1.1. Описание процесса фильтрования технологических пульп.

1.1.1. Сеточное фильтрование.

1.1.2. Фильтрование с закупориванием фильтрующей перегородки.

1.1.3. Фильтрование с образованием осадка.

1.2. Существующее фильтровальное оборудование.

1.3. Фильтр-прессы типа ФПАКМ.

1.4. Современный фильтр-пресс «ОЩ^ес Ьагох».

1.4.1. Конструкция фильтр-прессов «ОШхЛес Ьагох».

1.4.2. Принцип действия фильтр-прессов «ОиКЛес Ьагох».

1.5. Особенности применения фильтр-прессов в металлургии.

1.6. Существующие САУ фильтр-прессами «Оиййес Ьагох».

1.6.1. Структура и функции существующих САУ.

1.6.2. Недостатки существующих САУ фильтр-прессов.

1.7. Технологическая схема производства.

1.7.1 Описание технологического процесса фильтрования.

1.8. Влияющие факторы на процесс фильтрования.

1.9. Определение характеристик пульпы.

1.9.1. Плотность твёрдой фазы.

1.9.2. Определение удельной поверхности по воздушной проницаемости.

1.9.3. Расчёт удельной поверхности по распределению по крупности частиц.

1.10. Выводы по главе.

Глава 2. Создание математической модели объекта управления.

2.1. Общие принципы построения моделей.

2.2. Математическое описание процесса фильтрования.

2.2.1. Фильтрование с постоянным перепадом давления.

2.3. Математическое описание диафрагменного прессования осадка.

2.4. Идентификация параметров модели.

2.4.1. Описание пилотного фильтр-пресса.

2.4.2. Проведение экспериментов.

2.4.3. Результат моделирования.

2.5. Выводы по главе.

Глава 3. метод воздушной проницаемости для оценки фильтруемости пульпы.

3.1. Материалы для измерений.

3.2. Определение плотности материалов.

3.3. Определение распределения частиц по крупности.

3.3. Определение удельной поверхности.

3.3.1. Описание оборудования.

3.3.2. Процедура измерений.

3.3.3 Определение насыпного объёма.

3.3.4. Пропускание воздуха через упаковку.

3.3.5. Расчёт удельной поверхности.

3.4. Проведение тестов на фильтруемость.

3.4.1. Описание оборудования.

3.4.2. Тесты на фильтруемость.

3.4.3. Результаты измерений.

3.5. Построение зависимостей.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Синтез системы управления на основе использования ИИС.

4.1. Цели и задачи управления процессом фильтрования.

4.2. Построение АСУ на основе использования иммунного алгоритма.

4.2.1. Теоретические сведения о естественной иммунной системе.

4.2. Синтез системы управления.

4.3. Настройки иммунного регулятора.

4.4. Результаты работы системы управления.

4.5. Выводы по главе.

Выводы.

Современный этап развития промышленности характеризуется постоянной интенсификацией производства, модернизацией оборудования и поиском новых технологий, способных сделать товарную продукцию более конкурентоспособной. Непрерывно развивающейся отраслью народного хозяйства в полной мере является металлургическая промышленность, от состояния которой во многом зависит экономическое благополучие России. Являясь базовой отраслью, металлургия вносит существенный вклад в российскую экономику. По данным на 2010 г. доля цветной металлургии в российском ВВП составляла 2,6 %, а в промышленном производстве - 10,2% [1]. В принятой стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 г. особое место отводится модернизации отрасли и внедрению передовых технологий. Последние исследования отрасли показали, что российские предприятия обладают способностью реализовывать крупные проекты, как на территории России, так и за рубежом. На большинстве предприятий приняты перспективные инвестиционные программы развития до 2015 г. и далее [2].

Мировая практика подготовки обогащенных руд и концентратов к металлургической переработке охватывает целый комплекс различных операций. Одним из основных этапов, во многом определяющим эффективность гидрометаллургических схем предприятий цветной металлургии при переработке сульфидных и окисленных руд и концентратов является обезвоживание технологических пульп и сбросных растворов. Обычно обезвоживание включает в себя такие технологические процессы, как сгущение, фильтрование и термическую сушку. Хотя каждый из перечисленных процессов влияет на общие показатели производительности гидрометаллургического передела, наиболее перспективным методом его интенсификации является модернизация фильтровального оборудования [3], направленная не только на замену оборудования, но и на улучшение существующих систем управления промышленными фильтрами.

Целью операции обезвоживания является получение концентрата как можно с меньшим содержанием влаги и с как можно меньшими затратами на ее удаление. После многостадийного процесса обогащения концентраты содержат до 75% влаги, что неприемлемо для последующего в технологической цепочке процесса брикетирования. Термическая сушка подобных концентратов связана со значительными энергетическими затратами, которые делают дальнейшее производство нерентабельным. Применение фильтров позволяет снизить влаго-содержание в концентрате до 9-13%. Такое содержание влаги позволяет с минимальными затратами энергии проводить конвективную сушку до содержания влаги 3-4%, необходимой для брикетирования [4]. Современные высокоэффективные фильтры имеют возможность подсушивать концентрат, что в некоторых технологических схемах позволяет обойтись без использования термической сушки. Еще одной важной задачей фильтрования является получение меньших потерь тонкодисперсных частиц с фильтратом. В настоящее время практически все горно-обогатительные комбинаты встретились с бедными, окисленными рудами, которые требуют к себе особого подхода в выборе технологий переработки, чтобы получить полезный компонент. Эта проблема в настоящее время становится более актуальной в связи с все больше сталкивающейся необходимостью доизмельчения концентратов, а, следовательно, появлением трудно-улавливаемы тонких частиц [5]. Таким образом, во многом от правильности выбранного оборудования и ведения процесса фильтрования зависит производительность, себестоимость и пригодность обезвоженного концентрата для дальнейшей металлургической переработки.

В последнее время всё большее распространение получают конструкции фильтров, объединяющие несколько разных по физической сущности процессов обезвоживания в одной установке, что даёт ощутимый выигрыш в эффективности разделения, обеспечивает сокращение энергетических и эксплуатационных затрат, позволяет полностью автоматизировать фильтрационный передел [6]. Наиболее удачной разработкой подобных фильтров является автоматазированный пресс-фильтр вертикальной конструкции с горизонтальными фильтровальными камерами. Оригинальность подобных фильтров заключена в наличии сравнительно небольших по размеру фильтровальных камер, где под действием высокой разности давлений последовательно реализуются процессы фильтрования пульпы, диафрагменного прессования, промывки и сушки образующегося осадка, что обеспечивает более низкую остаточную влажность по сравнению с другими фильтрами.

Современный высокоэффективный пресс-фильтр представляет собой сложнейший агрегат с множеством функций, режимов работы и плавающих характеристик. Настройка такого фильтра и управление его работой является сложной задачей, решение которой является функцией системы автоматического управления (САУ), входящей в состав фильтра. В составе САУ также имеются специальные программные модули, задачей которых является оптимизация работы фильтра.

Существующие системы автоматического управления не в полной мере учитывают наличие имеющихся нестационарностей параметров питающей пульпы. Такие параметры пульпы, как распределение частиц по размерам, их форма, плотность, вязкость и концентрация изменяются с течением времени. Эти параметры в существенной степени определяют кинетику всех процессов, реализуемых внутри фильтровальной камеры. Если не реагировать на эти изменения перенастройкой основных параметров фильтра в итоге это приводит к увеличению влажности осадка и её резким скачкам во времени, понижению общей производительности по сухому продукту, а также повышенным энергопотреблением всего процесса обезвоживания на фильтр-прессе. Более того, из-за неправильных режимных настроек фильтра повышается вероятность образования трещин на поверхности осадка, что приводит к неравномерности сушки и повышению его влагосодержания. Неконтролируемые возмущения при питании суспензией и значительное время запаздывания в получении информации об условиях протекании процесса существенно усложняют задачу качественного оптимального управления процессом фильтрования.

Целью диссертационной работы является разработка усовершенствованной системы автоматического управления фильтр-прессом, обеспечивающей ведение процесса фильтрования при наилучших режимных настройках, в соответствие с критерием оптимальности. Основным компонентом САУ является предиктивный регулятор, включающий в себя математическую модель процессов обезвоживания и блок оптимизации с алгоритмом работы, основанным на использовании искусственной иммунной сети.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа выполнена:

При сотрудничестве с ОАО ГМК «Печенганикель» (ОАО «Кольская ГМК» ОАО «ГМК Норильский никель»). Комбинатом были предоставлены пробы сульфидного медно-никелевого концентрата с обогатительной фабрики г. Заполярного для определения характеристик фильтрования; были получены данные об изменении характеристик пульпы, идущей на фильтрование с течением времени; была получена информация о работающих на комбинате фильтр-прессах и существующих режимных настройках.

При сотрудничестве с Лаппеенрантским технологическим университетом (г. Лаппеенранта, Финляндия). На базе университета было сделано следующее: произведён анализ научно-технической литературы, имеющейся в университете; окончены специализированные курсы, охватывающие тему диссертационной работы.

При сотрудничестве с Центром сепарационных технологий при Лаппе-енрантском технологическом университете (г. Лаппеенранта, Финляндия). На базе центра были проведены экспериментальные исследования по определению воздушной проницаемости слоя твёрдой фазы различных концентратов.

Актуальность темы исследований

Одним из основных процессов, определяющих эффективность гидрометаллургических схем предприятий цветной металлургии при переработке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов, является стадия фильтрования технологических пульп. Применение современных высокоэффективных фильтр-прессов, способных объединять несколько разных по физической сущности процессов обезвоживания в одной установке, позволяет существенно сократить расходы на проведение последующей в технологической цепочке конвективной сушки материала, требующей больших энергетических затрат. От эффективности работы установленных фильтр-прессов зависит производительность передела, себестоимость обезвоженного концентрата и его пригодность для дальнейшей металлургической переработки.

Поступающая на обезвоживание пульпа не постоянна по своему физико-химическому составу. Такие её параметры как крупность частиц, плотность твёрдой и жидкой фазы, концентрация, температура и др. изменяются во времени. Непостоянство параметров питающей пульпы и значительное время запаздывания в получении информации о протекании процессов обезвоживания в фильтр-прессе существенно усложняют задачу качественного управления.

Задача повышения эффективности разделения пульп на фильтр-прессах решается двумя основными путями. Первый путь заключается в совершенствовании математического описания процессов обезвоживания и методов тестирования пульп на фильтруемость. Огромный вклад в развитие и совершенствование математического моделирования процессов фильтрования внесли такие крупные специалисты, как В.А. Жужиков, В.Н. Виноградов, Р.Д. Вэйкман. Вследствие сложности создания точных математических моделей процессов фильтрования, наиболее перспективным является второй путь, заключающийся в повышении эффективности систем автоматического управления фильтр-прессами. Хорошо известны разработки отечественных (ООО «Институт Гипроникель») и зарубежных («ОШ^ес», «Апсккг») организаций в области создания систем автоматического управления процессами фильтрования.

Однако существующие методы определения фильтруемости пульпы имеют ряд недостатков, связанных с высокой стоимостью и длительностью проведения тестирования. Существующие системы автоматического управления фильтр-прессами не в полной мере учитывают наличие имеющихся неста-ционарностей в параметрах питающей пульпы и требуют дальнейшего совершенствования.

Цель работы - научное обоснование и разработка системы управления фильтр-прессом, обеспечивающей ведение процесса фильтрования при наилучших режимных настройках, в соответствие с критерием оптимальности.

Идея работы - с целью определения наилучших режимных настроек и повышения эффективности процесса разделения пульп, в системе автоматического управления необходимо использовать предиктивный регулятор, включающий в себя математическую модель процессов обезвоживания и блок оптимизации с алгоритмом работы, основанным на использовании искусственной иммунной сети.

Основные задачи исследования:

1. Научно-технический анализ использования промышленных фильтров на металлургических предприятиях и существующих систем автоматического управления;

2. Научно-технический анализ известных способов оценки характеристик питающей пульпы и их влияния на кинетику процессов обезвоживания в фильтр-прессе;

3. Экспериментальные исследования воздухопроницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы;

4. Экспериментальные исследования фильтруемости медно-никелевой пульпы на пилотном фильтр-прессе ОШо1ес Ьагох РР-0,1;

5. Разработка математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификация её параметров по экспериментальным данным;

6. Разработка алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;

7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, которая состоит из блока оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующей модели процесса обезвоживания.

Методы исследований

Принятые в работе научные положения базируются на современных представлениях о закономерностях процессов, протекающих в гидрометаллургических аппаратах непрерывного и периодического действия. При выводе основных зависимостей применены положения системного подхода к исследованию технологических процессов, а также методы математического и физического моделирования. Анализ влияния параметров на показатели процесса и эффективность работы оборудования осуществлялся с применением стандартного и специального программного обеспечения. В экспериментальной части работы использовались методы организации исследований и обработки экспериментальных данных, методы аналитического контроля и статистического анализа.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Установлена зависимость, позволяющая по результатам измерений воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы оценить удельное сопротивление осадка;

2. Синтезирована система автоматического управления фильтр-прессом. В систему включён предиктивный регулятор, включающий блок прогнозирования, рассчитывающий на основе модели объекта выходные параметры, и блок оптимизации, выбирающий наилучшие режимные настройки фильтра в соответствии с критерием оптимальности, что позволяет повысить качество управления.

Основные защищаемые положения:

1. С целью получения оперативных данных об удельном сопротивлении осадка - параметре, используемом в математических моделях процесса фильтрования, следует использовать данные о воздушной проницаемости твёрдой фазы, поступающей на фильтрование в составе пульпы;

2. Для поиска оптимальных режимных настроек процесса обезвоживания на фильтр-прессе целесообразно использовать систему автоматического управления, имеющей в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.

Практическая значимость работы:

1. Оперативный способ определения удельного сопротивления осадка по данным воздушной проницаемости твёрдой фазы поступающей на фильтрование в составе пульпы обеспечивает получение более полной информации о фильтруемости технологических пульп металлургического производства.

2. Разработанный алгоритм предиктивного регулятора, основанный на использовании искусственной иммунной сети, представляет собой универсальное решение для поиска оптимальных условий протекания сложных технологических процессов, обеспечивая снижение себестоимости, увеличения производительности и т.д.

Достоверность научных результатов

Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы значительным объемом экспериментальных данных и их соответствием теории и практики обезвоживания металлургических предприятий, применением современных методов физико-химического анализа технологических продуктов, использованием адекватных математических моделей и статистических методов обработки данных с применением компьютерных технологий, а также проверкой полученных результатов на укрупненной пилотной установке.

Апробация работы

Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-х международных научных специализированных конференциях: в Краковской горной академии (Польша, г. Краков) в 2009 г., в Лаппеенрантском технологическом университете (Финляндия, г. Лаппеенранта) в 2010 г., на XXV международном конгрессе по обогащению полезных ископаемых (Австралия, г. Брисбан) в 2010 г., в Технологическом Университете г. Оулу (Финляндия, г. Оулу) в 2011 г, на 4-х научных конференциях студентов и молодых ученых в СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова в 2009-2012 г.г.; научных семинарах кафедры АТПП СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.; на научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГИ (ТУ) им. Г. В. Плеханова 2009-2012 г.г.

Личный вклад автора

Автор самостоятельно выполнил:

1. Постановку задач и разработку общей методики исследований;

2. Анализ современных методов обезвоживания на металлургических предприятиях и существующих систем управления фильтр-прессами;

3. Лабораторные экспериментальные исследования по определению удельной площади поверхности на Блэйн-метре и фильтруемости технологических пульп на нутч-фильтре.

4. Лабораторные экспериментальные исследования по фильтрованию образцов медно-никелевой пульпы с комбината «Печенганикель» ОАО «Кольской ГМК» на пилотном фильтр-прессе Ои1о1ес Ьагох Р£-0,1;

5. Разработку математической модели обезвоживания концентратов на фильтр-прессе и идентификацию её параметров по экспериментальным данным;

6. Разработку алгоритма для осуществления высокоэффективного параллельного поиска оптимума функций, имеющих не единственное решение на основе использования искусственной иммунной сети;

7. Синтез системы автоматического управления фильтр-прессом, включающую блок оптимизации с иммунным алгоритмом работы и прогнозирующую модель процесса обезвоживания.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Содержит 120 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 110 наименований, приложений-3.

Основные результаты выполненных исследований:

1. Приведено описание процесса фильтрования технологических пульп на металлургических предприятиях, дано обоснование для необходимости модернизации промышленных фильтров и существующих систем автоматического управления. Выявлены возможные пути для улучшения работы промышленных фильтров.

2. Проведён анализ существующих систем автоматического управления фильтр-прессами «ОШ^ес Ьагох» и выявлены их недостатки, выявлены основные влияющие факторы на кинетику процессов обезвоживания технологических пульп металлургических предприятий в фильтр-прессах;

3. Разработана математическая модель процесса обезвоживания медно-никелевого концентрата на пилотном фильтр-прессе. Произведена идентификация параметров созданной модели по экспериментальным данным. Оценена адекватность модели экспериментальным данным.

4. В результате обработки экспериментальных построен график, показывающих сравнение значений удельной поверхности, определённой на Блэйн-метре и лазерном анализаторе крупности частиц. Также получена зависимость между удельной поверхностью и удельным сопротивлением осадка при различных давлениях фильтрования.

5. Синтезирована система автоматического управления фильтр-прессом. Система имеет в своём составе предиктивный регулятор, который состоит из блока прогнозирования, рассчитывающего по модели объекта выходные параметры и блока оптимизации, выбирающий наилучшие настройки фильтр-пресса в соответствии с критерием оптимальности в области планирования.

1. Евпланов А., Блеск металла вдохновил инвесторов, Российская бизнес-газета, выпуск №751(18), 2010 с. 10-13.

2. Минпромторг России, Стратегия развития металлургической промышленности до 2020 г., от 18.03.2009 г.

3. Кусков В.Б., Никитин М.В., Обогащение и переработка полезных ископаемых, учебное пособие. СПб.: Санкт-петерб. гос. горн, ин-т, 2002. - 84 с.

4. Блатов И.А., Зудин Ю.Г., Серебрянный Я.Л., Клементьев В.В. Разработка технологии брикетирования медно-никелевого концентрата АО ГМК "Пе-ченганикель", Цветные металлы, №2, 1997. с. 23-28.

5. Падалько С.И., «Норникель» собирается осваивать новые месторождения, интернет-газета Красноярский рабочий, выпуск 26 апреля 2012 г.

6. Уилис Б.А., Технологии минерального сырья на перепутье. М.: Недра, 1992.-272 с.

7. Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов О.С., Рейнфарт В.В., Разделение суспензий в химической промышленности. М.: Химия, 1983. -264 с.

8. McCabe W.L., Smith J.C., Harriot P., Unit operations of Chemical Engineering, 5th ed. New York, USA, McGraw-Hill Inc., 1993. - 1130 p.

9. Жужиков B.A., Фильтрование: теория и практика разделения суспензий, 4-е изд. -М.: Химия, 1980.-398 с.

10. Баландин С.М., Фильтрование грубозернистых материалов. М.: Недра, 1988.-104 с.

11. Бренер A.B., Фильтрование. Л.: Ленгипрохим, 1975. - 325 с.

12. Murkes J., Low-shear and high-shear cross-filtration, Filtration&Separation, № 23(6), 1986-c. 364-365.

13. Orr С., Filtration: Principle and Practices. New York and Basel, Marcel Dekk-er Inc., 1997.-534 p.

14. Beloglazov I.N., Golubev V.O., Tikhonov O.N., Kuukka J., Jaskelainen E., Filtration of process fine materials. Moskow.: Ore and metals, 2006. - 356 p.

15. Шейдеггер А. Э., Физика течения жидкостей через пористые среды, пер. с англ., под ред. Муравьева И. М. М.: Гостоптехиздат, 1960 - 250 с.

16. Svarovsky L., Solid-Liquid Separation, 4th ed., Oxford, U.K., ButterworthHeinemann, 2000. - 554 p.

17. Dickenson C., Filters and Filtration Handbook, 3rd ed., Oxford, U.K., Elsevier Advanced Technology, 1991. - 778 p.

18. Guin J. A., Clogging of nonuniform filter media, Ind. Eng. Chem. Fund., Vol. 11, №3, 1972-p. 335-349.

19. Белоглазов И.Н., Голубев B.O., Тихонов O.H., Куукка Ю., Яскейляйнен Э., Фильтрование технологических пульп. -М.: Руда и металлы, 2003. 320 с.

20. Wakeman R.J., Tarleton E.S., Filtration, Equipment Selection, Modeling and Process simulation, 1st ed., Oxford, U.K., Elsevier Advanced Technology, 1999.-446 p.

21. Касаткин А.Г., Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1971.-784 с.

22. Дытнерский Ю. И., Процессы и аппараты химической технологии, учебник для вузов, 2-е изд., часть 1: М.: Химия, 1995 - 400 с.

23. Шехтман Ю.М., Фильтрация малоконцентрированных суспензий. М.: Изд-во АН СССР, 1961.-237 с.

24. Murkes J., Carlsson C.G., Cross-flow filtration: Theory and practice. John Willey & Sons Ltd., 1988. - 133 p.

25. Коекова T.M., Современное фильтровальное оборудование, Горный журнал, №4, 1997.-с. 53-56.

26. Елынин А.И., Фильтровальное оборудование в США. -М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. 55 с.

27. Белоглазов И.Н., Тихонов О.Н., Голубев В.О., Оптимизация процессов разделения суспензий с использованием пресс-фильтров компании Larox Oy, Зап. СПГГИ, Т. 147, 2001. с. 30-33.

28. Патент РФ №2341320 «Устройство для фильтрации» от 20.12.2008. Авторы: И.Н. Белоглазов, М.И. Ильин, Б.Н. Куценко, Д.Н. Сафонов, И.М. Якунин.

29. Лейбовский М.Г., Современные фильтр-прессы. Обзор. М.: Химия , 1979. -367 с.

30. Messengisser M.S., Ermakov I.S, Kochkin G.M., Shakov F.N. Design and characteristics of new Russian filter press, Filtration and Separation, Vol. 6, № 5, 1969.-p. 573-575.

31. Маширов Б.С., Гаинцева P.A., Кондратенко А.Ф., Фильтр-прессы для обработки отходов флотации на обогатительных фабриках П.Н.Р. -М.: ЦНИЗИ-уголь, 1978.-128 с.

32. Брук О.Л., Фильтрование угольных суспензий. М.:Недра, 1978. - 271 с.

33. Рейнфарт В.В., Автоматические камерные фильтр-прессы с односторонней выгрузкой типа ФАМО. -М.: Химическая промышленность, 1984. 320 с.

34. Брук О.Л., Применение фильтр-прессов для обезвоживания продуктов обогащения угля (за рубежом), Уголь, №7, 1968. с. 45-48.

35. Беспалов A.B., Харитонов Н.И. Системы управления химико-техноогическими процессами. -М.:ИКЦ «Академкнига», 2007. 690с.

36. Александров А. Г., Артемьев В. М., Афанасьев В. Н., Ашимов А. А. и др., Справочник по теории автоматического управления, под ред. Красовского А. А. М.: Наука, 1987 - 712 с.

37. Томилина Т.Н. Добыча и переработка руд Норильского промышленного района, сб.науч.тр, Норильский ин-дустр.ин-т. Норильск, 2005. - 140-143 с.

38. Блатов И.А., Мироевский Г.П. Зудин Ю.Г., Рябко А.Г. О концепции развития Кольской горно-металлургической компании, Цветные металлы, 2001. №2. с. 4-10

39. Блатов И.А., Никишин В.И., Карасев Ю.А. Новые направления в решении проблемы сокращения трансграничных переносов серы на комбинате "Пе-ченганикель", Цветные металлы. 2001. №2. с. 76-79

40. Grace Н. P. Resistance and compressibility of filter cakes, Chemical Engineering Progress, № 49(6), 1953.- p. 303-318.

41. Wakeman R. J. Filtration post-treatment processes, 1st ed., Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, Netherlands, 1975. p. 347

42. Hvang K.J., Wu Y.S., Lu W.M. The surface structure of cake formed by uniform-sized rigid spheroids in cake filtration. Powder Technologies., № 87(2),1996.-p. 161-168.

43. Zou R.P., and Yu A.B. Evaluation of the packing characteristics of monosized non-spherical particles. Powder Technologies, № 88(1), 1996. p. 71-79

44. Hvang K.J., Wu Y.S., Lu W.M. Effect of the size distribution of spheroidal particles on the surface structure of a filter cake. Powder Technologies, № 91(2),1997.-p. 105-113.

45. Yu A.B., Bridgewater J., and Burbidge A. On the modeling of the packing of fine particles, Powder Technology, № 92(3), 1997. p. 185-194

46. Mota M., Teixeria J.A., Bowen W.R., Yelshin A. Binary spherical particle mixed beds: porosity and permeability relationship measurement. Transactions of the Filtration Society, № 1(4), 2001.-p. 101-106

47. Sorrentino J.A., and Anlauf H. Prediction of filter-cake properties from particle collective characteristics. Fluid/Particle Separation Journal, № 16(2), 2004. p. 135-145

48. Ni L.A., Yu A.B., Lu G.Q., Howers T. Simulation of cake formation and growth in cake filtration. Minerals Engineering, № 19(10), 2006. p. 1084-1097.

49. Wakeman R. J. The Influence of Particle Properties on Filtration. Separation and Purification Technology, № 58, 2007. p. 234-241.

50. Svarovsky L. Characterization of particles suspended in liquids, In: Solid-Liquid Separation (Butterworth Monographs in Chemistry and Chemical Engineering), 2nd ed., Svarovsky, L ed., Butterworth-Heinemann, London, U.K. p. 346.

51. Besra L., Sengupta D.K., Roy S.K. Particle characteristics and their influence on dewatering of kaolin, calcite and quartz suspensions. Int. J. Miner. Process, № 59(2), 2000.-p. 89-112

52. Potgieter J. H., Strydom C. A. An Investigation Into the Correlation Between Different Surface Area Determination Techniques Applied to Various Limestone-related Compounds, Cement and Concrete Research, Vol. 26, № 11, 1996. -p. 1613-1617.

53. Gregg S. J., Sing K. S. W., Adsorption, Surface Area and Porosity, 2nd ed, London, U. K., Academic press Inc., 1982. 303 p.

54. Стрельцов В.В. Расчёт оптимального режима работы фильтров периодического действия. Хим. Пром., №3, 1955. 250 с.

55. Tiler F. М. The role of porosity in filtration. Numerical methods for constant rate and constant pressure filtration based on Kozeny's law. Chemical Engineering Progress, № 49(9), 1953. p. 467-479.

56. Lee S.A., Fane A.G. Amal R., Waite T.D. The effect of floe size and structure on specific cake resistance and compressibility in dead-end microfiltration. Separation Science and Technology, № 38(4), 2003. p. 869-887

57. Gauzner S. I., Kivilis S. S., Osokina A. P., Pavlovsky A. N. Measuring the Mass, Volume and Density. Publishing Standards, Moscow, 1972. 617 p.

58. Никольский Б.П., Григоров O.H., Посин M.E. Справочник химика, том 5, 2-е изд. М:Госхимиздат, 1968. - 972 с.

59. Crane Company. Flow of fluids through valves, fittings, and pipe. Technical Paper №410,1988.-p.A-5.

60. Jillavenkatesa A., Dapkunas S., Lin-Sien Lum. Particle Size Characterization, NIST Special Publication 960-1, 2001.-165 p.

61. Coulter Fine Particles Application Notes. Instruction manual, 9900266-E. Coulter Electronics Limited. Northwell Drive, Luton, Beds, England, 2003. 160 p.

62. James P. M. Principles, Methods and Application of Particle Size Analysis. Cambridge University Press, 2007. 388 p.

63. Харин Ю. С., Малюгин В. И., Кирлица В. П., Основы имитационного и статистического моделирования, учебное пособие: Минск: Дизайн ПРО, 1997 - 288 с.

64. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, под ред. Романкова П.

65. Гордеев JI. С., Кадосова Е. С., Макаров В. В., Сбоева Ю. В., Математическое моделирование химико-технологических систем, учебное пособие: -М: РХТУ, 1999.-48 с.

66. Власов К. П., Киселева А. А., Методы исследований и организация экспериментов, под ред. проф. Власова К. П.: Харьков: Гуманитарный центр, 2002-256 с.

67. Гультяев А. К., Matlab 5.2, имитационное моделирование в среде Windows, практическое пособие: М.: Корона Принт, 1999 - 288 с.

68. Бенькович Е. С., Колесов Ю. Б., Сениченков Ю. Б., Практическое моделирование динамических систем: СПб: БХВ-Петербург, 2002 - 464 с.

69. Турчак JI. И., Плотников П. В., Основы численных методов, учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп.: М.: Физматлит, 2003 - 304 с.

70. Ивахненко А. Г., Юрачковский Ю. П., Моделирование сложных систем по экспериментальным данным: М.: Радио, 1987 - 120 с.

71. Панфилов М.Б., Панфилова И.В. Осреднённые модели фильтрционных процессов с неоднородной внутренней структурой. М.: Наука, 1996. 383 с.

72. Фортье А. Механика суспензий. М.:Мир, 1971

73. Darcy Н. Р. G., Les fontaines Publiques de la villa de Dijon, Dalamont, Paris.

74. Лурье Ю. Ю., Справочник по аналитической химии, 4-е изд., перераб. и доп.: М.: Химия, 1971 -456 с.

75. Da-Xin Не R., Tan В. Н., Tien С., An overview of investigations on filter cake characteristics. Advances in Filtration and Separation Technology, Vol. 11, 1997.-450 p.

76. Gregg S. J., Sing K. S. W. Adsorption, Surface Area and Porosity. 2nd ed. London, U. K., Academic press Inc., 1982. 303 p.

77. Carier W. Goodbye, Hazen; Hello, Kozeny-Carman. Geotechnology and Geoin-viroment Engineering, Vol. 129, Issue 11, 2003. p. 1054-1056.

78. Сафонов Д.Н., Краславски А., «Моделирование процессов фильтрования металлургических пульп», Сборник научных трудов семинара «Инновационные технологии, моделирование и автоматизация технологических процессов», Том 1, Выпуск 1, 2010 г., с. 21-23.

79. Сафонов Д.Н., Белоглазов И.Н., Куценко Б.Н., «Моделирование и автоматизация процесса фильтрации металлургических пульп на пресс-фильтрах», Сборник докладов XXXVI Неделя науки СПбГПУ, 2008, с. 122124.

80. Safonov D., Beloglazov I., Mikheev A., Perfilova M., «Simulation of iron concentrate suspension filtration process», «CIS Iron and Steel Review» (приложение к журналу «Чёрные металлы»), №1, 2009 г., с. 4-6.

81. Safonov D., Palmer J., Häkkinen A., Ekberg В., Kraslawski A., «Trends in test filtration to respond decreasing sample size», Conference Proceedings «XXV International Mineral Processing Congress (IMPC 2010)», issue 2010, c. 10851098;

82. Safonov D., Palmer J., Häkkinen A., Ekberg В., Kraslawski A., «Trends in test filtration to respond decreasing sample size of iron concentrates», «CIS Iron and Steel Review» (приложение к журналу «Чёрные металлы»), №1, 2010 г., с. 4-7;

83. Сафонов Д.Н., Белоглазов И.Н, Хаккинен А. Применение метода определения воздухопроницаемости для оценки фильтруемости различных суспензий. Записки Горного Института, том 192, Санкт-Петербург, 2011 г., с.228-234.

84. Власов К. П., Теория автоматического управления, учебное пособие: -Харьков: Гуманитарный центр, 2006 531 с.

85. Страшинин Е. Э., Основы теории автоматического управления, ч.1 линейные непрерывные системы управления, учебное пособие: Екатеринбург: УГТУ, 2000-217 с.

86. Лазарева Т. Я., Мартемьянов Ю. Ф., Основы теории автоматического управления, учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп.: Тамбов: ТГТУ, 2004 - 352 с.

87. Александров А. Г., Артемьев В. М., Афанасьев В. Н., Ашимов А. А. и др., Справочник по теории автоматического управления, под ред. Красовского А. А.: М.: Наука, 1987 - 712 с.

88. Юревич Е. И., Теория автоматического управления, учебное пособие: -СПб.: БХВ, 2007-326 с.

89. Заболотнов Ю. М., Оптимальное управление непрерывными динамическими системами: Самара: СГАУ, 2005 - 129 с.

90. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М.: Химия, 1985. - 350 с.

91. Тихонов О.Н. Автоматизация производственных процессов на обогатительных фабриках. М.: Изд.НедраД985. 272с.

92. Болек, М. Определение постоянных в уравнениях фильтрования при переменном сопротивлении осадка. Хим. и нефт. машиностр. 1976 № 7 - с. 1314.

93. Kuby J. Immunology. W.H. Freeman and Co., 2nd edition, 1994. 350 p.

94. Bersini H., Varela F.J. The immune recruitment mechanism: A selective evolutionary strategy. Proc. ICGA'91, 1991 p. 520-526

95. Д. Дасгупта. Искусственные иммунные системы и их применение. М: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 342 с.

96. Farmer J.D., Packard N.H., Perelson A.S. The immune system, adaptation and machime learning. Physica D. 1986. Vol.22 p. 187-204

97. Leonardo N., Timmis J., Artificial Immune Systems: A new computational intelligence approach. Springer, 2002. 357 p.

98. Андреев M.H.O задаче оптимизации по нескольким критериям. Труды К1ИИ1ИХ, вып. бб, Калининград, 1977, с. 34-37.

99. Баршевский Т.А. Критерий близости целевых функций. Один подход к проблеме векторной оптимизации. В сб.: Экономическая кибернетика в задачах управления производством. Пермь, 1978, с. 57-67.

100. ЮЗ.Батищев д.И. Задачи и методы векторной оптимизации. -Горький, ГГУ, 1979. -92 с.

101. Волкович В.Л. Методы принятия решений по множеству критериев оптимальности (обзор). В кн.:Труды семинара "Сложные системы управления", вып. 1. -Киев, 1968, с. I00-II2.

102. Safonov D., «Creation of the automated control system of the metallurgical suspensions filtration processes based on artificial immune network», Graduate School in Chemical Engineering. Year book 2010. 2010 г., с. 285-287.

103. Safonov D.N. Creation of the automated control system of the metallurgical suspensions filtration processes based on artificial immune network. Conference

104. Proceedings of the Graduate School in Chemical Engineering. Year book 2011. Lappeenranta (Finland), 2011, p. 287-289.

105. Ю7.Ануфьев И. E., Смирнов А. Б., Смирнова Е. Н., MATLAB 7: СПб: БХВ-Петербург, 2005 - 1104 с.

106. Дащенко А. Ф., Кириллов В. X., Коломиец JI. В., Оробей В. Ф., MATLAB в инженерных и научных расчетах: Одесса: Астропринт, 2003 - 214 с.

107. Основы моделирования и первичная обработка данных, учебное пособие для студентов вузов, ч. 1: СПб: Ютас, 2006 - 115 с.

108. Лазарев Ю, Моделирование процессов и систем в Matlab, С-Пб, БХВ Питер, 2005 .-512с.