автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Высокоточный кондуктометрический преобразователь влажности сыпучих железорудных материалов в системе управления процессом окомкования

^ МИ11ИСТЕРСТВ0 ОГ.ЩЕЕО И ПРОФЕССИО! (АЛЫ юго ОЬРА'ЮВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

\j V/

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На прасах рукописи

ЧЕРПЕЦКАЯ Ирина Евгеньевна

ВЫСОКОТОЧНЫЙ КОПДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ !1РЕО1>РА30ВАТЕЛ1> ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОКОМКОВАНИЯ

Специальное!i, 05.13.05 «Элементы и устройство вычислительной техники и систем управления»

Лпгоре(|>ерат лисссрсщни на соискание учсиоП степени кандидат технических паук

Курск, I4')S

1'аоога выполнена и Курском государственном техническом чннперешете на кафелре вычислителыюи техники

I layniuii р\ ко|юли1СМ1.' академик МЛН ВШ, доктор технических на\к, профессор ГИ ГОВ В С.

Официальные шпкшспш: доктор технических паук, профессор Д1'1'.["ПИП В.').

кандидат технических иа\к, доцент ЛОПНИ В Н. *

Ведущее предприятие - ЛОО'Г «Рудоавтоматика»

Зашита состоится «

-таселании специалишровапиото совета Д 064.50.02 при Курском нчл ларе теином техническом университете (305040, г. Кчрек, ул. 50 лс! Омября. 44, конференц-ыл)

С диссертацией можно ожакомип.ся в библиотеке университета.

Опыны на авторе<|»ера1 п дв\х экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу 305040, г Курск, ул. 50 лет Октября, 94, \ченом\ секрс!арю специали тированною совета /1.064.50.02.

Автореферат разослан « J » £ /<•* > ** 1998 г

Ученый секретарь к т и , лонеит

ч

ОЫПЛЯ ХАРАК ТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Лмуа.т ын>с 11.1>аГн>п,|. 1} настоящее в|>емя не снижается внимание к

«опросу улучшения подготовки металлургического сырья в доменной

плавке ввиду тою, чго подютопка сырья таит в себе большие возможности

дальнейшею повышения производительности доменных печей и

сокращения расхода кокса. При эксплуатации бедных месторождений

процесс окомковаиня являйся неотъемлемой частью цикла подготовки

жедетныч руд к металлургическому переделу. Такие технологические

параметры как степень итмельчення конпсигрота (тонина помола), добавка

флюеуюшич компонешов и особенно влажность шихты, 1ю.т\ченной нт

копнен фата и добавок, полностью определяют процесс пронтводава

окан-нпей Ит-ча практически повсеместной переувлажненное! и

желечоруднмч концешр'иов на фабриках окомкования для сохранении

прием. 1смос1и ючноло! ичсско! о процесса проитиодста окан.ннсн

нрихо/ниси добакляи. сверчнормагивное количество бентонита для

помощення нтлипшей ила!'и, чю кроме неоправданных финансовых татра 1

приводи! и к уменьшению содержания желета, те. понижению качества

товарной продукции.

11скоррскшый подбор ко.1ичеС1ва основных сосчавляющнч шимы

ведет к ухудшению камееIна, получаемых при проведении процесса

окомкования, ютовых окатышей, чю влечет та собой сложности при нч

фанспоршровке к обжиювой машине. Таким обратом, определение

необходимою н доаагочпого количества беиюшпа, швестняка и

уменьшение всех видов т.црат при проптводетве окатышей предетавляе!

собой актуальную и сложную народпохотяистпенпую проблему

Широкое внедрение окомкования сыпучих материалов, рост обт>емов

иерер.н'м!ыи,темою сырья фебукч улучшения существующих режимов

укатанною 1ехнологического процесса. В л ой святи сотдание и внедрение

эффективных алгоритмов и устройств контроля основных параметров

процесса окомкования и энергосбережения, а также ма1срналов следуе!

емшан. иерепекшииыу направлением научных исследований в

ме1атлур|ии При этом усфойава конфоля основных параметров

окомкования и про!йотирования качества окатышей должны отвечать

требованиям технологов по точности, надежное! и, простоте

копсфукюрскот оформления и обслуживания.

И т ска тайного следу ет, ч то разработка устройств котроля основных

парамсфо» процесса окомкования с целью управления чшм процессом

является актуальной задачей

I(ель.работы; исследование методов определения влажности сыпучих

желеюрудпых материалов и ра )работка ус фойе та определения влажности

высокой ЮЧНОС1И. а 1акже устройств и вычислительных алгоритмов.

о

позволяющих прогнозировать качество получаемых окатшей для достижения наилучших характеристик с точки зрения ia,iaiint>io функционала качества.

Задачи научного исследования.

I Выбор оптимальною способа определения влажности сыпучих железорудных ма1сриалов, посгуиающих на окомкование, используемою ;ия создания высокоточного преобразователя влажное!и.

2.Разработка основных принципов построения кондуктометричсского преобразователя влажности высокой точное hi.

3.Определение основных источников погрешности разработанного кондуктометричсского нреобразова1еля влажности и минимизация их слияния на точность определения влажности железорудных материалов, поступающих на оком копание.

4.Создание алгоритма оптимизации процесса окомковапия сыпучих железорудных материалов. Определение основных зависимостей, используемых при прогнозировании качества получаемых окатышей кондиционного размера.

Методы исследовании. Для решения поставленных в работе задач были использованы положения механики сыпучих сред, аппарат математической физики и теории случайных процессов. Методологическую основу исследовании составляет построение аналитической модели взаимодействия частиц при окомковаиии, статистической модели процесса окомковапия в барабанном окомковазеле, ич анализическое и численное исследование с широким применением 3UM. Электронное моделирование включало в себя разработку вариангов ттектронных схем кондуктометричсского преобразователя влажности с использованием компыозерных нротрамм типа Work Hentch 4.0 и друтнх

1_!а\.ч'шя.шчппиа работы заключается в следующем:

1 Методом -»кспертпых оценок по основным 'жеплуазациоипым характеристикам обоснован выбор кондуктометрнческою способа в качссгвс оптимального ирзнщнпа высокоточного определения влажности сыпучих железорудных материалов.

2.Разработана анализичсская модель па основе анализа сушеавующих методов и проведенных теоретических и жеперимеиталытых исследовании с использованием новых теоретических представлений о взаимодействии частиц, степени шероховатости поверхности шзх частиц и их удельной поверхности, позволяющая определить оптимальную iuaiy тиктупаюшей на окомкованне шихты с максимальным выходом окаи-штей кондиционного класса.

3 Обоснованы схемотехнические и параметрические меюды снижения влияния источзтиков погрешности преобразошпеля влажности сыпучих жедезорудз1ых материалов на точтзость основного результата зтзмерения.

4.Разработаны вычислительный алгоритм прогнозирования качества получаемых окатышей, экспериментальная установка с использованием ЭВМ и специализированный микроконтроллер управления технологическим процессом окомкования сыпучих железорудных материалов.

Практическая ценность работы:

1.Разработанный высокочувствительный преобразователь влажности облалаег высокой точностью, простотой конструктивного оформления, значительной помехозащищенностью.

2.Определен минимальный расход бентонита для гашения избыточной влаги при заданной основности шихты.

3.Разработана статистическая модель, которая позволяет прогнозировать качество получаемых окатышей при окомкованим сыпучих железорудных материалов, не прибегая к разработке грануломстра.

Реализация' результатов работы. Разработанный высокоточный кондуктомстрнческий преобразователь влажности сыпучих железорудных материалов испытан и внедрен на Центральном производственном объединении Полтавского Горно-обога тигельного комбината. Вычислительный алгоритм, описывающий процесс окомкования и прогнозирующий качество получаемых окатышей, используется для управления процессом окомкования.

Основные положения, выносимые на защиту:"

1.Обоснование выбора кондуктомстричсского способа в качестве оптимального принципа высокоточного определения влажности сыпучего железорудного материала, поступающего на окомкование, для разработки преобразователя влажности.

2.Способ и устройство компенсации влияния эффекта поляризации магериала, позволяющие повысить точность кондуктомегричсского преобразователя влажности сыпучих железорудных материалов.

3.Схема установки для . определения основных параметров технологического процесса и прогнозирования качества готовых окатышей кондиционного размера. > Схема специализированного микроконтроллера для управления технологическим процессом окомкования.

4 Математическая модель процесса окомкования сыпучих железорудных материалов, позволяющая пынолшпъ его программное прогнозирование в ПЭВМ, оптимизировать влажность шихты и минимизировать расход бентонита.

Апробация работы Основные результаты исследований доложены и получили положительную оценку на Международных конференциях: «Рааншаванне-95» п. г. Курске (1995), «По проблемам физической метрологии» в г. Санкт-Петербург (1996), «Новые информационные темю.юмш и системы» и г. Пенза (1996), «Датчики и преобразователи

информационных систем, измерения, контроля и управлении (Датчик 97)» в г. Гурзуфе (1997), «Датчики и преобразователи информационных сиск'м, измерения, контроля и управления (Датчик-98)» в г. Гур 1\фе (1998); на техническом совещании при главном инженере 11ент pa.ii.noi о н|ч>н ¡но/км вешим о обье.чтении По/панского юрно-оГкн аппслыки о комбината, а также на научно-технических семинарах 1\> рекою I осу да|к1венною технического университета в 1995-1998 м

11\блик;шин_ Результаты, полученные в диссертационной работе, нашли о1ражения в 8 печатных работах, в том числе 2 стап.ях и I патенте

Обьем и структура диссертации Диссертация состой! и< введения, пяти глав, заключения, содержащих 160 страниц машинописною текста, 44 рисунка, список литературы из 68 наименований, и приложения на 56 страницах.

СОДГРЖА1 (ИГ РАВОТЫ

Но ниак'ныы обоснована актуальность темы, с(|юрмулировапы пели и задачи работы, научная новизна и практическая ионное ч, полученных розулыагов, представлены структура диссертации и основные положения выносимые на защиту.

II першт .ш:пмс анализируются способы определения влажное и материалов и возможность применения их при исследовании сыпучн> желетрудных ма терннов.

Установлено, чю применение косвенных способов (юле« целесообразно, так как прямые способы из-за значительного нремеш определения параметров не могут обеспечить оперативною конгрол: влажное П1

Проведенный ан.епп косвенных электрических способо определения влажное! и покатал, что наиболее приемлемыми щи определении влажности сыпучих железорудных материалов являкне чаеннио-фаювый, нейтронный, ем кос той, копду ктометрически! способы. Для решения иоп|хча 11с|>снснтнвноои применения данны способов для проектирования высокоточного преобра юна теля влажное г сыпучих желе »орудных материалов использован метод жеиертных 1)исиоь Способы определения влажности имеют следующие обозначения }, частотно-фазовый способ,^- нейтронный,),- емкостной.),

конду ктометрический способ

•Определена система частных критериев ,ия характеристик выбранных ежч'обов, исходя из требований 1ехнолоюв по точтичм» надежности, простоте конструкторского оформления и обслуживания \, точность; А, . производительность способов контроля влажности. \ ,

надежность способа контроля; - характер контроля; ^ 5 - разрешающая способность.

В результате определено, что обобщенные качественные оценки имеют следующие значения: (?v,-0,1968;0r2-O.22O;(?,.,H),2!95;(?V4-0,364.

Таким образом выяснено, что для построения высокоточного прсобра юпатсля влажности сыпучих железорудных материалов наиболее перспективным является применение кондуктометрнческого способа определения влажности, имеющего большую обобщенную качественную оценку.

Но «тарой .vuitic определены максимальное сцепление между двумя частицами сферической <|юрмы, объединенными жидкостной прослойкой в облает кош акт a объем коды необходимый для максимального

сцепления частиц бе! учета их пористости ; объем воды, поглощаемый микрофсщипами и порами, расположенным» на поверхности частиц исходною материала, и минимальный расход бентонита. Так как в

процессе окомкованнм имеется вероятность гого, чн) частицы соединяются водной прослойкой па определенном расстоянии Л, принимаем, что />=()!• /(", .

При исследовании выражения Г\ч „,.1Ч определено, 'по при измерении влажности, необходимой и достаточной для процесса окомкованич сыпучих материалов, для расчета объема воды Г между двумя равными частицами, принимаем радиус водной манжеты в области контакта двух сферических частиц — 0.55* Л*, . Согласно принятой модели процесс окомкопапня характеризуется наслаиванием исходных частиц (комкусмой фракции) на комкующую частицу. Определено общее количество частиц, прилипших к поверхности комкутощей частицы и составляющих монослон на его поверхности при укладке частиц тстраздрнческим способом.

Удельная поверхность У характеризует дисперсное состояние твердого тела, используется для оценки правильности форм частиц, шероховатости их поверхности, наличия пор. Удельная поверхность У достаточно легко определяется известными методами. Моделирование выполнено по следующей методике. . •

Допустим, что поры п исходной частице представляют собой конусы

высотой h и радиусом основания 1. Так как наличие пор и трещин на

поверхности частицы комкусмого материала зависит от степени раскрытия

зерен при измельчении последнего, представляем зависимость радиуса

основания конуса от удельной поверхности У в виде fk = к / у. Как-

пока )ыпаег практика окомкопаиия, данная -зависимость наилучшим

о

>

образом офажаст взаимосвязь радиусов конусов и удельной поверхносш ма!ериала при к = 0 01.

При проведении теоретических исследовании обьем полостей конусов, которые заполняются водой, записываются в виде

I] = ■!', = 1/3■ N • И • X-------

агс5ш - ^

(/?, + ^) • соя (/ - 1) • Л а + ' т + к

(2)

где Л^ -число конусов на поверхноети исходной частицы; I -объем одного конуса;

Л -площадь основания конуса; И-нысога конуса, гк -радиус конуса;

-радиус частицы исходного сыпучего железорудного материала, г.

Л а - 2 -агсят-

Я,.+1 "

Влажноси., необходимая для проведения оптимально!о процесса окомковаиия .определяется по выражению:

»и (3)

где -влажноеи», необходимая для максимальною сцепления части исходною макрнала в полненном окатыше;

-влажнойь, 1Ю!Л01цпемая трещинами и порами исходных части, обра!ук)щих гоювый окашш.

Определение плат " „I .оптимальной для окомкоиания, проводи(ся (бе! >че!а пористости исходных чаоиц) по формуле

И'„ =^-100, (4)

. ' 'ч

где ^-обьем воды, необходимый для объединения одной частицы с соседними (при тегратдрической укладке);

' гл -«бьем твердою вещества, содержаще! ося в полученном

окагышс.

Влажность, поглощаемая исходными частицами, составляющими кондиционный окатыш путем адсорбирования воды в конусы, равна

«^-"•F-100. (5)

где <V -число частиц, образующих окатыш кондиционного размера, 1'11п - обт.ем частицы исходного материала.

После нахождения оптимальной влажности определяем объем воды, поглощаемой 0,5% бентонита, и соответствующего ему объема известняка с учетом основности шихты. Данная .добавка связующих веществ необходима для повышения термической устойчивости окатышей в процессе сушки и улучшения пластических свойств комкуемого материала при гранулировании.

Объем воды, поглощенный данными веществами, добавленными в концентрат, поступающий на окомкование из технологических соображении, равен:

V —V +V и \

л*>ч Лоб. ~~ «оды Оент лодыму*.* Vо)

тле ''„«и -объем воды, поглощенный добавками в концагтрзг;

Снгит

-объем воды, поглощенный бентонитом;

гнм^Ы ыт. -объем воды, поглощенный известняком.

Используя показания кондуктомстричсского преобра шпателя влажности при анализе концентрата, поступающего на окомкование, рассчитываем количество воды ^.содержащейся в материале:

(7>

где "i - влажность концентрата определенная коидуктометрнческим способом.

Избыточный объем воды при этом определяется из выражения

мгор , (8)

•vie ' -избыточней обт.ем воды в концентрате, поступающем на окомкование;

^mroр -объем воды, необходимый для формирования окатышей наибольшей прочности.

Если полученный объем воды = 0, то в шихту никаких добавок делать не требуется и процесс окомкования сыпучих железорудных материалов будет оптимальным. Earn же полученный объем воды (0, то для достижения 'оптимальности процесса грануляции в шихту необходимо добавить недостающий объем воды, равный . При К>.л

ш

и шиму должно быть добавлено определенное количество связующих веществ, таких как бентонит и известняк, которые находятся в соответствующих этим материалам пропорциях.

Н т/ь'тьси ,\)а«е установлены основные факторы, негативно влияющие на результат работы кондуктомстрнческого преобразователя влажное!и и предложены способы компенсации их влияния на точность определения влажности сыпучего железорудного материала.

При анализе различных сыпучих железорудных материалов при варьируемой влажности последних выяснены основные факторы, влияющие па точность определения влажности на постоянном токе: нелинейная зависимость эффект поляризации материала;

изменение минералогического состава, в частности, мат петита, степень уплотнения материала в месте установки устройства измерения; колебания температуры шихты.

Для получения линейной зависимости между определяемой величиной и выходом преобразователя влажности использованы известные методы лштеаризатши характеристики с применением свойств нелинейною звена. В результате получена линейная зависимость 'Л ./ О' ), позволяющая расширить диапазон измерения влажности от 5% до 12% и повысить точность прибора.

При постановке эксперимента было отмечено, что на длительность измерения влажности оказывают влияние переходные процессы, происходящие на участке шихты, расположенном между электродами, и проявляемые в виде поляризации материала. Для уменьшения времени переходного процесса и получения более достоверных результатов целесообразно снизить эффект поляризации. Для компенсации негативного влияния поляризации был изготовлен формирователь напряжения, включающий в себя программное изменение напряжения на электродах первичного преобразователя по заданному закону. Изучались поляризационные свойства шихты при подаче на вход схемы измерения импульсного напряжения различной амплитуды и формы (рис.1).

Форма напряжения С,, подаваемою на вход нелинейною внена • (//.Я . П1.И ;

44

. а)

б) Рис 1

У

В)

0|мсгим, что наиболее быстро завершается переходный процесс при подаче напряжения порядка 50В на вход нелинейного звена (рис.2). Наибольший эффект по снижению влияния поляризации (рис.З) доеппаекя при подаче на вход первичного преобразователя напряжения формы рис.1, в, чю по.иверждено Натенюм №22024 Л.

Исполыуя извеемюе устройство компенсации содержания железа в материале, которое вност" погрешность в определение влажности кондуктометричееким способом, проведены исследования о влиянии влажное!и на резонансные свойства контура. Анализ показал, что для определения содержания магнетита в шихте достаточно при.мешггь

Переходный процесс п нелинейном звене при различном входном напряжении У1

Рис. 2:

—для шихты с И' 8,0°о; ----дл.ч шихты с И' 10,1%;

У-папряжснис -50В; ¿-напряжение ^|~30В; ^-напряжение

Переходный процесс в нелинейном звене при различном входном напряжении Ut

1'ис.З:

/-напряжение на входе Uг5013; ¿-напряжение на входе ~30В.

последовательный колебательный контуре частотой резонанса 120 кГц дл минимального влияния влажности на резонансные свойства контура.

Таким образом и третьей главе обоснованы схемотехнические параметрические способы снижения влияния источников потрсшпостн пр определении влажности кондуктомефическим способом, ко юры .позволили уменьшить погрешность высокоточною преобразопател влажпосш сыпучих железорудных материалов.

I) четвертой лимс проведены статистические исследования факюро! . обуславливающих процесс окомкования, позволившие решить задач - прогнозирования качества получаемых i оговых окатышей.

При оценке разности между влажностью теоретической и нлажностьн оп|)еделс1Шой коплутстомсфическим способом, учшывался ныьк механизм транулообразовлння и не учитывалось влияние таких иажш. факто|к>н, как производительность по исходной ниш с, скорое1ь врашент барабана и химический cocían сыпучего материала.

Случайный характер причин, влияющих на процесс, вызывает необходимость использования вероятностных характеристик для прогнозирования качества получаемых окатышей.

Согласно рассчитанным автокорреляционным н

взаимокорредяннопным функциям определено, чн> время запаздывания г,- должно быть не менее 30 мин. Исходя нз физических возможностей проведения эксперимента опыты выполнялись с интервалом 60 мин с измерением основных факторов, обуславливающих процесс окомковання.

Каждый нз выходных факторов, характеризующих полученный при процессе окомкования сырой окагыш, имеет следующие обозначения:

V,- прочность на сбрасывание (количество падении образца

полученной продукции с высоты 300'мм до начала его рл¡рушения);.1Ч-

прочноеп. на раздавливание, кг/ока1Ыш; V,- влажность окатыша "о

выход окатышей кондиционного размера, г/час;>'?- выход окатышей некондиционного размера (возврат), т/час.

Допустим, каждый из входных факторов, характеризующих шихту, посыпающую на окомковлние, имеет следующие обозначения:

-V,- влажность шихты ?ГИ|, %;Д'2- электропроводность шихты (,

тД;А'}- Ге (содержание железа в шихте),%;-*4 - Л/Х (содержание

кремнезема в шнхтс),%;*5 - (шлакообразутошее, окись

алюмшшя),%; .*(•.- СйгО(1шссшяк),%;.-*7 - ' 'цО (шддкообразующее, окись магния),%.

Входные '¡»акторы, характеризующие сыпучий железорудный материал, поступающий на окомкование, имеют следующие обозначения:

влажность концентрата содержание тонких классов в

железорудном материале (степень измельчения конпентрата);расход Р, т/час; -V,,- Ье (железо),? »; -/(9, (содержание кремнезема в

концентрате),0¿; ДГц- скорость барабана «9, об/мин; расход бе1гтонита Р г„ кг/т; расход нзвеешяка Р „, кт/г.

В результате корреляционного и регрессионного анализов получены математические модели, описывающие качество получаемых окатышей.

В результате расчетов, используя метод наименьших квадратов, имеем уравнение регрессии прочности на сбрасывание:

V, = -258,86+ 0,91-.г, + 0,55-х, -0,77-.т, + 0,19!-.т4 +

+ 2,294 • дг6 + 0,281 • дс, + 1,384 • - 0,044 • *,„ + 2,437. *„ + + 0,588 -дги +0,349-лг„ + +2,03Ьл„ -0,031-д15.

При анализе полученной молелн определено, чк> прочность на сбрасывание на 84% зависит oí анализируемых факторов. Уравнение регрессии для прочности на раздавливание: у\ = 7.44S - 0,0149 • л , + 0,0000914 • л, - 0,09 • л, - 0,06 • л4 +

+ 0,085 • - 0,046 • - 0,006 • *„ + 0,0031 • хи, - 0,0099 • хп -- 0,046 • .т,, +0.017-Д,, + +0,067 ■ л|4 + 0,0005-х1У При анализе полученной модели с помощью дисперсионной) аналита определено, чю прочность на раздавливание на 53% зависит от акали тируемых факторов.

Уравнение peí рессии для выхода окашшей кондиционною размера: у4 = 106,659 + 0,06 • л, - 0,192 • л 2 - 0,753 • .т, - 0,329 • л4 +

■ 0,083 • л,, - 0,0268 • ,хк - 0,07 • л,; + ) 0,005 • л10 - 0,689 • л,, ---- 0,28.3-л1; 0,011 •.*,,+ +0,121-ли - 0,009-д|5. . При проведении диснерснопною анализа результатов моделирования определено, чю выход окатышей кондиционною размера на M°í, ¡аиисит oí ан?ли тируемых факторов.

Па основании полученных моделей ра¡работай вычислительный алторитм upoi йотирования качества получаемых окатышей, применяемый при проектировании высокоточною преобразователя плажносш сыпучих железорудных материалов.

Н пшпои .'/1/1,ч' описана cipyKiypa экспериментальной установки высокоточно!о кондуктомефическото преобразователя влажности сыпу чих желе «трудных материалов с использованием 1П1Ш и схем;: спсцпали тированною микроконтроллера управлении технолот нческнм процессом окомкоиания сыпучих железорудных материалов. Проведена опенка потрешноасй ратработаштою уст|юйсзиа при испытаниях ш промышленном обьсктс • Центральном производственном обьедипеиит! По.иавскою юрио-оГюгаИпслыюю комбината.

Газработаппьтй высокоточный кондукл «метрический ирсобрлзонател! плажности концентрата (hihxiu) состоит из центрального блок; преобрашпателя влажнойи, формирователя напряжении, устройства длт компенсации содержания железа, и включает » себя два первичны; преобразователя J и 2, работающих один па концентрате, а »горой и; шихте (рнс.З).

Формироиатсль напряжения (ФП) /тля преобраюна теля влажпосп состоит из генератора ступенчатых импульсов 3, селектора измерительны! импульсов 4, коммутатора первичных преобразователей 5, кольцевок счетчика 10 х 2 с принудительным запуском 6, аналогового коммутатора 7 Па первичные преобра шпатели влажности подаекя прот раммируемс* напряжение. снимаемое с тенер.нора 3 амплитудой •> 4X1$ • 2 Плпряжени

i 5В снимается с коммутатора 5 на каждый in первичных преобразовагелей отдельно с разделением во времени так, что в любой момент времени работает только один из них.

Первичные преобразователи 1 и 2 вырабатывают измерительные импульсы, которые подаются на 7, с выхода которого поступают на астральный блок кондуктометрическот прсобразовагеля влажности 8.

Селектор измерительных импульсов 4 формирует импульсы для обеспечения синхронизации генератора ступенчатых импульсов и запуска кольцевого счетчика 10x2.

Кольцевой счетчик обеспечивает счет измерительных импульсов и переключение коммутатора для подачи напряжения i5B на один из первичных преобразователей 1,2 после 10 измерительных импульсов. Таким образом, на ЛЦП 9 поступает усредненный от 10 импульсов сигнал', чем достигается снижение дисперсии контролируемого параметра.

Селектор измерительных импульсов 4 и генератор ступенчатых импульсов 3 ({юрмируюг один измерительный селективный импульс, который подается в 8. С коммутатора 5 снимаются импульсы, поступающие в 8 для определения номера первичного преобразователя влажности I или 2.

Г>лок коррекции по содержанию железа в контролируемом материале 10 включает в себя задающий генератор частотой 120 кГц, усилитель напряжения и усилитель мощности, нагруженного на чувствительный элемент (последовательный LC резонансный контур), сигнал с которого прикладывается ко входу 8, позволяющего определшь реальное значение влажности материала.

В производственных условиях на фабрике окомкопання при использовании разработанного конду ктометрического преобра зова теля влажности возможно применение специализированной микро-ЭВМ на базе серийного микроконтроллера. В работе рассмотрено одно из перспективных направлений построения 'высокоточного

кондуктомсфичсского преобразователя влажности сыпучих железорудных материалов с использованием специально!о- микроконтроллера для управления процессом окомкопання. При этом в намять этого микроконтроллера вносятся исходные данные протгзводителыюсти окомкопа1сля, расхода флюсующей и упрочняющей добавок, химический состав и влажность концентрата и шихты, а. также математическая модель процесса (¡нормирования окатышей. Все это позволяет создать универсальную схему «советующей» системы для более совершенного управления окомкованнем, э<|х|>сктнпно, и с высокими показателями быстродействия обрабатывать аналоюную ип<|юрмацню, поступающую с первичных преобразователей на барабанном оком копателе, а на основании математической модели воздействовать на системы управления /ия

Комбинированная структурная слома высокоточного преобразователя влажности сыпучих желе ¡орудных материалов с использованием IЮ15М

1'ис.З

поддержании нормального течения технологического процесса получения окашптей и эффекгипно 1иаимодействовагь с оператором с целью оперативного измерения режимов работы,

Испытания разработанного усцюнстпа показали, что абсолютная средняя квадрашческая пот решноегь преобразователя влажности составляет

. - /ст,;. -а.т2 = 0.260%(нрм а,т - 01 %).

Анализ полученных результатов и сравнение с другими способами определения влажности, представлены в табл. I.

'Га (5:1. 1

Способы определения влажности сыпучих железорудных материалов 11огрешпосгь определения влажности, % абсолютных единиц влажности

Чисто пю-фазоиын 0,32

Нейтронный 0,5-0,6

Емкостной . 0,4-0,5

Кондуктометрпчеекий 0,26

Абсолютная срслняя квадратичсская погрешность преобразователя влажности при использовании блока коррекции но содержанию железа в шихте, с учетом погрешности воздушно-теплового метода составляет

^И./,,.„ = - 0.23%. (при а „ = 0.1%).

II -шключепии обобщаются основные .теоретические и практические резулыаш, полученные в диссертационной работе.

В приложениях представлены таблицы, вычислительный алгоритм и акт испытания разработанного устройства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена научная задача, посвященная рл'.рабогке и исследованию высокоточною преобраюпателя влажности сыпучих железорудных материалов, включающею устройство пропнмирования качества получаемых окатышей.

При решении поставленной задачи получены следующие научные ретультагы:

I.Методом экспертных оценок по основным эксплуатационным характеристикам обоснован выбор кондуктометрнчсского способа в качество оптимального принципа высокоточного определения влажности сыпучих же.теюрудиых материалов.

2.1>азраГм>1ана аналитическая модель на.основе анализа существующих методов и проведенных теоретических и экспериментальных исследований с использованием новых теоретических представлений о в(аимодействии частиц, степени шероховатости поверхности »их частиц и их удельной поверхности, позволяющая определить оптимальную влагу поступающей на окомкование шихты с максимальным выходом окатышей

кондиционно!о класса и минимальный расход бентонита для гашения ин">ы[очной н.1л1и при заданной основности iiiiixiij

3.Обоснованы схемотехнические и параметрические метлы снижения влияния неючникон iioi репшости при определении нлажноеш кондуктмефическим способом, коюрые попюлили спиши, погрешность высокоточно! о преобразователя нлажноеш сыпучих железорудных MutepitiXToii.

4.11редложен способ н ycipoiicmo компенсации нлняпня эффекта поляризации ма1ериала, позволяющие поймешь точност'ь конлук-тометрнческою преобраювателя влажности сыпучих железорудных MaiepiceioB

5 Разработаны вычислительный алюршм npoiпозирования качсава получаемых окатышей, жеперимешальная установка с использованием ')ИМ и специализированный микроконтроллер, пошолиющне управляв (ехноло) нчееким процессом окомкованим сыпучих желеюрудных ма|сриалов.

(^сшитые ре ¡уу.титы иссп-Ошп/инй штан отра» enue ч ¡ыГнтмх:

1 Черпецкая И II и др. Усовершенствование тпмерителя влажноеш желеюрудных коипенгранж7 2-я Международная конференция «Распозплиание-95». Тсшсы докладов / Курский юсудари венный технический уиивереи1С1. - Курск, 1945.-С.262.

2.Черпецкая И.11 и др. Метод косвенною тнмерепия физико-химическою сооава железорудного концентрата перед его окомковаинем// 2-я Международная конференция «Распознавание^». Тевисы докладов / Курским юсуларсмвенный технический yminepcniei. - Курск, 1995. -С.263.

З-Черпенкаа II.И, Титом U.C. Применение дисперсионном) аналнтл при опенке пофешностей тмерителя влажности железорудных сыпучих материалов// 11 Международная конференция по проблемам фивыческов" метролотии. Сборник доклалои. -С- Петербург, 1496.

4.Чсрнецкая И li., "Гитов U.C. Формирователь напряжения ;ит> измерения влажности сыпучих желеюрудных материалов / 1 Международная конференция «Новые информационные технологии т системы». Сборник материалов. -Пета: Пенвснский государетвенньп технический универешет, 1996.-4.2.-С.24.

5.Черненкая И Г.., Титов ПС Математическая модель ¡юста массь окатышей при окомкопании тоиконвмельченных материалов. -Хе|)Сон Пес шик ХН У,1997. -№2. -С. 170-173.

6 Черпецкая И,К. и лр К вопрюсу об интенсификации прои толсти желе вору дных окатышей -М И шести» РАН, «Металлы». 1997. -K.fi -С.8-13.

7.Черпенкая И.Н., Титов ВС Датчик п.мжноан железорудных ыиучих материалов// IX научно-техническая конференция с участием арубежных специалистов «Датчики и преобразователи информационных исгем, измерения контроля и управления». Тезисы локлалов. -М.: 1! 'И')М. 1497-С 142-193.

8 Чернецкая И 1:., Титов ВС. Ошимизазор процесса окомковантгз ыпучнх железорудных чатернатов// X Юбилейной научно-техническая опференция с участием зарубежных специаптстов «Датчики и реобразователи информационных систем, измерения контроля и правления». Течисы докладов. -М : М1ТПМ, 1998.-С 248-299.

9.Чернецкая И К , Титов В С. тт др Способ определения влажности >>нконзмсльчспных железорудных чатернатои/ Патент Л1> 2024 Л Украина, а. О 01 N 27/02,1998, Ш №2.

Соискатель

Подписано к ттечатзт 7 _ Формат 60x84 116

Печатных листов _Тираж 100 зкз. Заказ 1.36 .

Курский государственный технический университет. 305040,1 Курск, ул 50 лет Октября, 94.

У: УУ-У/^ОЧГ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЧЕРНЕЦКАЯ Ирина Евгеньевна

ВЫСОКОТОЧНЫЙ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОКОМКОВАНИЯ

Специальность 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ТИТОВ В.С.

Курск, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР СПОСОБА

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ........................................................................................ 11

1.1.Обзор существующих способов для определения влажности сыпучих

11

железорудных материалов................................................................................

1.1.1 .Способ диэлектрических потерь............................................................. 15

1.1.2.Способ определения влажности, основанный на использовании

16

частот СВЧ........................................................................................................

1.1.3 .Влагомеры на основе ЯМР...................................................................... 18

1.1.4.Частотно-фазовый способ определения влажности............................... 20

1.1.5. Нейтронные влагомеры...........................................................................21

1.1.6.Емкостной способ определения влажности............................................ 21

1.1.7.Кондуктометрический способ определения влажности сыпучих

25

железорудных материалов..............................................................................

1.2.Выбор способа определения влажности сыпучих железорудных

29

материалов........................................................................................................

1.3 .Выводы по главе......................................................................................... 33

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ОКАТЫШЕЙ КОНДИЦИОННОГО

РАЗМЕРА......................................................................................................... 34

2.1. Определение прочностных характеристик полученных сырых

37

окатышей кондиционного размера..................................................................

2.1.1.Определение сил взаимодействия между двумя частицами

37

сферической формы..........................................................................................

2.1.2.Теоретическая модель увлажненности материала................................. 48

2.2.Расчет необходимого количества жидкости, для получения окатышей наибольшей прочности без учета пористости исходного материала.............

2.2.1 .Механизм взаимодействий в увлажненном материале.......................... 53

2.2.2,Определение общего числа частиц исходного материала, образующих окатыш кондиционного размера в процессе

окомкования...................................................................................................... 57

2.3,Определение количества жидкости поглощаемой неровностями

60

поверхности исходных частиц.........................................................................

2.3.1.Моделирование пористости частиц исходного сыпучего

60

материала..........................................................................................................

2.3.2.Определение зависимости между удельной поверхностью и высотой

64

конусов.............................................................................................................

2.3.3.Расчет достаточной увлажненности сыпучего материала.................... 67

2.4.Определение количества флюсующих добавок, исходя из основности

68

шихты................................................................................................................

2.5.Влияние применения упрочняющих и флюсующих добавок на процесс

71

окомкования......................................................................................................

2.6.Выводы по главе......................................................................................... 74

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТОЧНОГО

КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ

СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ............................................ 75

3.1.Определение основных факторов, влияющих на точность работы кондуктометрического преобразователя влажности сыпучих

железорудных материалов................................................................................ 75

3.2.Исследования и разработка первичного преобразователя

78

влажности..................................................................................................

3.2.1.Линеаризация зависимости выходного напряжения нелинейного

звена от влажности шихты U2=f(W)......................................................... 83

3.2.2.Исследование свойства поляризации шихты.......................................... 88

3.2.3.Исследование магнитопроводности шихты............................................ 93

3.3.Выводы по главе..................................... .................................................... 102

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОЛУЧАЕМЫХ

103

ОКАТЫШЕЙ.............................................................................................

4.1.Анализ работы барабанного окомкователя с позиций статистических

103

закономерностей.......................................................................................

4.2.Обоснование применения многофакторного анализа............................... 111

4.3.Установление связи между факторами при процессе окомкования

116

сыпучих материалов..................................................................................

4.4.Выводы по главе......................................................................................... 127

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ВЫСОКТОЧНОГО КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ

128

МАТЕРИАЛОВ.................................................................................................

5.1 .Конструктивные особенности высокоточного кондуктометрического 128 преобразователя влажности......................................................................

5.2. Анализ погрешностей высокоточного кондуктометрического

135

преобразователя влажности......................................................................

5.3 .Выводы по главе......................................................................................... 151

Заключение........................................................................................................ 153

Список литературы........................................................................................... 155

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................... 163

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа......................................................................... 214

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.Акт об испытании............................................................... 222

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время не снижается внимание к вопросу улучшения подготовки металлургического сырья в доменной плавке ввиду того, что подготовка сырья таит в себе большие возможности дальнейшего повышения производительности доменных печей и сокращения расхода кокса. Кроме того, многие страны с развитой металлургической промышленностью уже сейчас стоят перед тем фактом, что запасы богатых железных руд будут исчерпаны в ближайшее время. Поэтому обогащение руд приобретает первостепенное значение. Бедные руды, запасы которых по данным на 1991 г. составляют миллиарды тонн, обогащаются (до 65...68 % железа), подвергаясь тонкому измельчению. Полученные концентраты нуждаются в окусковании.

Одним из путей решения этой проблемы является агломерация и окомкование железорудных концентратов и шихт.

Из сказанного следует, что при эксплуатации бедных месторождений процесс окомкования является неотъемлемой частью цикла подготовки железных руд к металлургическому переделу. Такие технологические параметры как степень измельчения концентрата (тонина помола), добавка флюсующих компонентов и особенно влажность шихты, полученной из концентрата и добавок, полностью определяют процесс производства окатышей. Установлено, что наилучшим упрочнительным материалом при производстве окатышей является специальная глина (бентонит), добавляемая в шихту от 0,5 до 1,5%. Причем в настоящее время бентонитовые глины, месторождения которых находятся в Грузии, являются весьма дорогим сырьем, что сказывается на себестоимости готовой продукции. Из-за практически повсеместной переувлажненности железорудных концентратов на фабриках окомкования, для сохранения приемлемости технологического процесса

производства окатышей приходится добавлять сверхнормативное количество бентонита для поглощения излишней влаги, что в свою очередь, кроме неоправданных финансовых затрат приводит и к уменьшению содержания железа и понижению качества товарной продукции.

Некорректный подбор количества основных составляющих шихты ведет к ухудшению качества, получаемых при проведении процесса окомкования, готовых окатышей, что влечет за собой сложности при их транспортировке к обжиговой машине. Таким образом, определение необходимого и достаточного количества бентонита, известняка и уменьшение всех видов затрат при производстве окатышей представляет собой актуальную и сложную народнохозяйственную проблему.

Значительные успехи по освоению процесса окомкования достигнуты благодаря комплексу теоретических и практических положений, разработанных в трудах ученых В.И. Коротича, В. М. Витюгина, Е. Ф. Вегмана, П. В. Классена, Ф. М. Журавлева, П. Н. Докучаева, Ю.С. Юсфина, Н. Н. Бережного и других.

Широкое внедрение окомкования сыпучих материалов, рост объемов перерабатываемого сырья требуют улучшения существующих режимов указанного технологического процесса. В этой связи создание и внедрение эффективных алгоритмов и устройств контроля основных параметров процесса окомкования и энергосбережения, а также материалов следует считать перспективным направлением научных исследований в металлургии. При этом устройства контроля основных параметров окомкования и прогнозирования качества получаемых окатышей должны отвечать требованиям технологов по точности, надежности, простоте конструкторского оформления и обслуживания.

Из сказанного следует, что разработка устройств контроля основных параметров процесса окомкования с целью управления этим процессом является актуальной задачей.

Цель работы: исследование методов определения влажности сыпучих железорудных материалов и разработка устройства определения влажности высокой точности, а также устройств и вычислительных алгоритмов, позволяющих прогнозировать качество получаемых окатышей для достижения наилучших характеристик с точки зрения заданного функционала качества.

Задачи исследования.

1 .Выбор оптимального способа определения влажности сыпучих железорудных материалов поступающих на окомкование, используемого для создания устройства определения влажности высокой точности.

2.Разработка основных принципов построения кондуктометрического преобразователя влажности высокой точности.

3.Определение основных источников погрешности разработанного кондуктометрического преобразователя влажности и минимизация их влияния на точность определения влажности железорудных материалов, поступающих на окомкование.

4.Создание алгоритма оптимизации процесса окомкования сыпучих железорудных материалов. Определение основных зависимостей, используемых при прогнозировании качества окатышей кондиционного размера.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач были использованы положения механики сыпучих сред, аппарат математической физики и теории случайных процессов. Методологическую основу исследований составляет построение аналитической модели взаимодействия частиц при окомковании, статистической модели процесса окомкования в барабанном окомкователе, их аналитическое и численное исследование с широким применением ЭВМ. Электронное моделирование включало в себя разработку вариантов электронных схем кондуктометрического преобразователя влажности с использованием компьютерных программ типа Work Bentch 4.0 и других.

Научная новизна работы заключается в следующем: -методом экспертных оценок по основным эксплуатационным характеристикам обоснован выбор кондуктометрического способа в качестве оптимального принципа высокоточного определения влажности сыпучих железорудных материалов;

-разработана аналитическая модель на основе анализа существующих методов и проведенных теоретических и экспериментальных исследований с использованием новых теоретических представлений о взаимодействии частиц, степени шероховатости поверхности этих частиц и их удельной поверхности, позволяющая определить оптимальную влагу поступающей на окомкование шихты с максимальным выходом окатышей кондиционного класса;

-обоснованы схемотехнические и параметрические методы снижения влияния источников погрешности кондуктометрического преобразователя влажности сыпучих железорудных материалов на точность основного результата измерения;

-разработаны вычислительный алгоритм прогнозирования качества получаемых окатышей, экспериментальная установка с использованием ЭВМ и специализированный микроконтроллер управления технологическим процессом окомкования сыпучих железорудных материалов. Практическая ценность:

-разработанный преобразователь влажности сыпучих железорудных материалов имеет высокую точность, простоту конструктивного оформления, значительную помехозащищенность;

-определен минимальный расход бентонита для гашения избыточной влаги при заданной основности шихты;

-разработана статистическая модель, которая позволяет прогнозировать качество получаемых окатышей при окомковании сыпучих железорудных материалов, не прибегая к разработке гранулометра.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 .Обоснование выбора кондуктометрического способа в качестве оптимального принципа определения влажности, поступающего на окомкование, для разработки устройства определения влажности сыпучего железорудного материала высокой точности.

2.Способ и устройство компенсации влияния эффекта поляризации материала, позволяющий повысить точность кондуктометрического преобразователя влажности.

3. Схема установки для определения основных параметров технологического процесса и прогнозирования качества готовых окатышей кондиционного размера. Схема специализированного микроконтроллера для управления технологическим процессом окомкования.

4.Математическая модель процесса окомкования сыпучих железорудных материалов, позволившая выполнить его программное прогнозирование в ПЭВМ, оптимизировать влажность шихты и минимизировать расход бентонита.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и получили положительную оценку на Международных конференциях: «Распознавание-95» в г. Курске (1995), «По проблемам физической метрологии» в г. Санкт-Петербург (1996), «Новые информационные технологии и системы» в г. Пенза (1996), «Датчики и преобразователи информационных систем, измерения, контроля и управления (Датчик 97)» в г. Гурзуфе (1997), «Датчики и преобразователи информационных систем, измерения, контроля и управления (Датчик-98)» в г. Гурзуфе (1998); на техническом совещании при главном инженере Центрального производственного объединения Полтавского горно-обогатительного комбината, а также на научно-технических семинарах Курского государственного технического университета в 1995-1998 гг.

Публикации. Результаты, полученные в диссертационной работе, нашли отражения в 8 печатных работах, в том числе 2 статьях и 1 патенте.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержащих 160 страниц машинописного текста, 44 рисунка, список литературы из 68 наименований, и приложения на 59 страницах.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ВЫБОР СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Окомкование сыпучих железорудных материалов является сложным технологическим процессом, который обуславливается множеством факторов, имеющих различную степень влияния на исследуемый процесс.

Формирование окатышей кондиционного размера (окатыши диаметром от 9,5 мм до 12 мм) представляет собой многоступенчатую структуру, представленную на рис. 1.1. 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 окатышей в пропорциях, зависящих от предполагаемой основности, то есть соотношением СаО/ 5Ю2 в шихте. После смесителя шихта поступает в барабанный окомкователь [1,66]. Также по технологическим соображениям в окомкователь добавляется вода (по мере необходимости) и происходит разубоживание шихты возвратом (окатыши диаметром до 9,5 мм, которые просеиваются через решетку на выходе барабанного окомкователя). Полученные кондиционные окатыши поступают далее на сушку и обжиг [67,68]. Режим работы барабанного окомкователя -режим переката [2]. Режим ПДН (повышенных динамических нагрузок), более перспективен [3], но он практически не используется на окомковательных фабриках ввиду необходимости конструктивной доработки окомкователей.

Концентрат при поступлении в смеситель обладает определенной влажностью, которая характеризует условия окомкования. Отклонения от

оптимальной влажности допускаются в пределах ±0,25% абсолютных единиц влажности [4]. Отклонения в меньшую сторону приводят к снижению пласт�