Методика исследований

Лиу Цзыфэнг

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ НИКЕЛЯ ИЗ ОКИСЛЕННЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ РУД В ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (металлургия)

 

А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

 

Санкт-Петербург – 2020

 

 

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет»

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации технологических процессов и производств

Шариков Юрий Васильевич

Официальные оппоненты:

Холоднов Вячеслав Алексеевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет), кафедра системного анализа и информационных технологий

Коссой Аркадий Анцельевич

кандидат технических наук, ФГУП "Российский научный центр "Прикладная химия", лаборатория математического моделирования и оптимизации химико-технологических, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: ООО «Институт ГИПРОНИКЕЛЬ»

Защита диссертации состоится 00 мАЯ 2020 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета ГУ 212.224.03 при Санкт-Петербургском горном университете по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского горного университета и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 14 апреля 2020 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ                                              Бодуэн

Диссертационного совета                       Анна Ярославовна

Общая характеристика работы

 

Актуальность работы. Производство никеля из руд включает несколько стадий переработки сырья с получением на каждой из них соответствующего полупродукта. В результате окислительного обжига никелевого флотационного концентрата получают огарок, содержащий в основном оксид никеля, а также примеси соединений меди, кобальта, железа, серы, редких и драгоценных металлов. Следующая стадия переработки закиси никеля заключается в удалении из нее связанного кислорода и перевода соединений металлов в металлическое состояние. Это осуществляется в последующем процессе твердофазного восстановления закиси никеля в трубчатых вращающихся печах.

Цель восстановления в трубчатых печах (ТП) - получение укрупненного, максимально восстановленного продукта перед анодной электроплавкой, так как, получая такой электропроводный продукт, как частично восстановленная закись никеля (ЧВЗН), можно снизить расход электроэнергии и восстановителя при процессе электроплавки, что выгодно с экономической точки зрения.

Практическое осуществление процессов обжига сульфидов и восстановление закиси никеля определяется физико-химическими свойствами реагентов, термодинамическими и кинетическими характеристиками.

Теория работы ТП показывает, что производительность и основные размеры печей зависят от четырех важнейших процессов, протекающих в этих печах: химического процесса, движения материалов, движения газов, процесса теплообмена.

Главным в печи является процесс физико-химических превращений исходных материалов и продуктов металлургической переработки. Все процессы должны быть подчинены этому главному процессу.

Для оптимальной работы ТП необходима система автоматического управления, поддерживающая параметры процесса на заданном уровне. Главным управляющим параметром является температурный профиль в ТП, который должен быть определен и выдержан в течение всего процесса. Важным условием для определения и поддержания оптимального управления процессом является наличие математической модели, устанавливающей связь между параметрами технологического процесса и качеством получаемой продукции. Математическая модель является источником дополнительной информации о процессе и расширяет сведения о протекании процесса с позиций интернета вещей и позволяет определить структуру и параметры оптимального управления процессом в зависимости от его состояния и характера действующих возмущений.

Большой вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления процессами в ТП внесли специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика», «Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в этой области таких крупных специалистов как В.Я. Абрамов, А.И. Лайнер Н.И. Еремин, А.Н. Наумчик и ряд других ученых.

Актуальным является изучение концентрационных и тепловых полей в процессе восстановительного обжига шихты в ТП при различных законах управления температурой в наиболее чувствительных точках по длине аппарата.

Цель работы.

Разработка математической модели процесса восстановительного обжига закиси никеля и повышение качества функционирования ТП в этом процессе на основе изучения математической модели процесса при различных законах управления.

Основные задачи исследования:

– анализ состояния современных систем управления процессами обжига в трубчатых вращающихся печках (ТВП) и температурным профилем;

– разработка математической модели процесса в ТВП для статических и динамических условий функционирования ТВП;

– определение оптимального температурного профиля;

– определение зависимости между степенью завершенностью процесса и температурным профилем восстановительного обжига в ТВП;

– исследование процессов регулирования температуры в ТВП при использовании динамической модели и различных законах регулирования;

– выбор оптимального закона регулирования и разработка предложения по выбору технических средств САУ для ТВП.

Научная новизна работы:

– определена роль математической модели в расширении базы данных о состоянии объекта управления с позиций Интернета вещей;

– создана детерминированные математические модели процесса для статического и динамического режима работы ТВП при проведении восстановительного обжига закиси никеля;

– найден оптимальный закон управления температурой в ТВП для процесса восстановительного обжига;

– определены функции АСУТП при проведении восстановительного обжига закиси никеля в ТВП.

Основные защищаемые положения:

1. Для определения оптимального температурного профиля процесса восстановительного обжига закиси никеля в ТВП необходима детальная математическая модель статического режима процесса.

2. Для определения оптимального закона регулирования температурного профиля необходима динамическая модель процесса.

Практическая значимость работы:

– на основе практических данных современных агрегатов для восстановительного обжига закиси никеля разработан алгоритм управления тепловым состоянием ТВП, который контролировать температурный профиль и дает возможность прогноза и оценки степени восстановления закиси никеля на одном из заводов КНР;

– способ управления температурой в ТВП позволяет повысить степень восстановления закиси никеля и снизить расход электроэнергии в процессе;

– реализованы программы для определения параметров модели и определения оптимального управления.

Личный вклад автора состоит в формулировке целей, постановке задач и разработке методики исследований; в проведении анализа научно-технической литературы, выполнении лабораторных и промышленных исследований; разработке технических решений, адаптированных к условиям металлургического комбината в КНР; научном обобщении полученных результатов и подготовке публикаций.

Методика исследований.

В диссертационной работе использовались данные, полученные в ходе лабораторных и промышленных исследований процесса восстановительного обжига шихты в ТВП.

Обработка и анализ результатов, полученных в ходе лабораторных и промышленных испытаний, проводились с использованием программного комплекса ReactOp для определения параметров математической модели. Исследование динамической модели проводились с использованием программного пакета Matlab R2014b.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается объемом экспериментальных исследований, применением современных методов анализа, сходимостью расчетных и экспериментальных результатов, тестированием системы управления на лабораторных и промышленных данных о протекании технологического процесса восстановительного обжига закиси никеля в ТВП.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных трудов, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК при Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации, 2 статьи, входящая в международную базу цитирования Scopus.

Апробация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались: на Международной научно-практической конференции «Технологии инноваций и предпринимательства» (май, 2017 год); XXIX Международной научно-практической конференции «Технические науки: проблемы и решения (Москва, ноябрь, 2019 год).

Объем и структура работы:

Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 122 страницах. Содержит 21 рисунок, 35 таблиц и список литературы из 108 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи исследовательской работы, научная новизна и практическая ценность работы.

В главе 1 представлена технология производства частично восстановленной закиси никеля.

В главе 2 проведен расчет печи.

В главе 3 проанализирована автоматизация металлургического производства с позиции интернета вещей.

В главе 4 представлены результаты моделирования процесса восстановительного обжига закиси никеля.

В главе 5 приведены результаты исследования статических и динамических характеристик печи.

В главе 6 предложена автоматизация процесса восстановительного обжига закиси никеля.

В главе 7 описана предлагаемая организация производства.

В заключении сформулированы основные выводы, результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований и рекомендации.