（矿物加工工程专业论文）实验用煅烧步进窑原理及温控系统研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士论文 摘要 高精度温度控制的煅烧( 干燥) 窑是矿物加工工程技术中重要工 艺设备，目前实验室应用的小型回转窑温度精度低、不易控制，为此 研究一种有效的实验室用加热窑具有重大意义。在研究了热工工艺和 回转窑的基础上设计出一种能够替代实验室用小型回转窑的设备 步迸窑。 研究设计的重点是温度的测量与控制，使整个窑体的结构与枧构 设计服从于测控的需要。模仿回转窑内部温度场，把整个窑体采用三 段加热的方式，主要控制每段中心点的温度。并且参考振动窑，采用 气动机构为步进窑提供步进动力。 温度的测量采用美国国家仪器公司的专用热电偶数据采集卡，温 度控制采用模糊自适应p i d 控制算法，主要原因是控制对象复杂多 交，传统的p i d 控铡不能满足高精度温度控制的要求，结合模糊控制 的模糊推理动态调节p i d 控制中的p 、i 、d 参数以满足控制的需要。 测量控制软件采用美国国家仪器公司的虚拟仪器l a b v i e w 集成 开发环境结合m a t l a b 软件进行编写控制程序。控制程序使用 l a b v i e w 的a e t i v e x 技术调用m a t l a b 的脚本，利用m a t l a b 强大的数据 处理能力和控制系统工具箱实现在l a b v i e w 中对步进窑进行高精度 温度控制的目的。 关键词：矿物热加工，回转窑，步进窑，模糊自适应p i d ，虚拟仪器。 l a b v i e w 。m a t l a b 辽宁工程技术大学项士论文 a b s t r a c t c , l c i n i , go rd r yk i l nw i t hh i g h - a e e , r yt e m p e r a t u r ec o n t r o li st h ei m p o r t a n t c r a f te q u i p m e n ti nt h em i l c r a lp r o c e s s i n g g i n e e r i n g t h ee x i s t i n gs m a l l - s i z er o t a r y k i l nu s e di nl a b o r a t o r yi si nl o wp r e c i s i o ni nt e m t m a t u r ee o n l z o la n dd i f f i c u l ti n m a n i p u l a t i n g s oan e wt y p eo fe f f e c t i v eh e a t i n gk i l ns h o u l db er e s e a r c h e da n d d e v d o r 赋l 。0 nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h et h e r m a lt e e l m o l o g ye r a t ta n dr o t a r yk i l n d e s i g n i n gan e wt y p eo f d e v i c et os u b s t i t u t et h ee x i s t i n gs m a l l = s i z er o t a r yl 【i l n t h ed e s i g ni sf o c u s e do nt h em c a s t u c m e n ta n dc o n t r o lo ft h et e m p e r a t u r ei nt h e d e v i c e t h ed e s i g n so f s t r a e m t ea n do r g a n i z a t i o no f t l a e 韬l ns h o u l dm e e tt h en e e d so f m e a s t t r i n ga n dc o n t r o l l i n g a c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ef i e l dw i t h i nt h er o t a r yk i l l l t h ew h o l ek i l n ) $ b o d yi sd i v i d e di n t ot h r e e 雠t i o n si nh e a t i n gw a ya n dt h et e m p e r a t u r e o fe a c h 辩- t i o f f sc e n 矗a lp o i n ti se o n l z o l l e d t h en e wd e v i c ei sp o w e r e db yp n e u m a t i c e q u i p m e l i tl i k ev i b e r a t i n gk i l n t h es p e c i a l - p u r p o s ea e e u r a t et e m p e r a t u r eo f m e a s u r i n g o fd a t ac o l l e c t i n gc a r do fe l e c t r i ct h e r m o e o u p l ei su s e df o rt e m p e r a t mm c a s u 1 r 匝l c n t b e c 勰t h ec o n t r o l l e dt a r g e ti se o m p l i e a l e d l ya n dc l u m g e a b l y , t r a d i t i o n a lp i dc o n l r o l s c a n tm e e tt h en e e do fl a i g l a - a c e u r a 碍t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t e m p e r a t 舭c o n t r o li s e x e c u t e db yf u z z ys e m a d a p t i n gf i de o l m - o la l g o r i t h m , c o m b i , l i n gf u z z yc o n t r o l d y n a m i c a l l ya d j u s tp i dc o n t r o l l e r sp i ，dp a r a l l a e t 盯t om e e tt h en e e do f t h ec o n t r o l s m e a s u r i n ga n dc o n t r o ls o t t w a r e i sl a b v i e wm ed e v e l o p e db ya m e r i c a n a t i o n a l n s l l l l m c n tc o m p a n y t h ec o n t r o lp r o g r a m m es c r i p ti sw r i t t e ni nm a t l a b t h e e o n l r o lp r o g r a m m eu s e st h ea e t i v e xt e e l m o l o g yo fl a b v i e wt ot r a n s f e rm a t l a b s c r i p t t a k ea d v a n t a g eo ft h es t r o n gp o w e ro fm a t l a bi nd a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r o l s y s t e mt o o l b o xt oc o n t r o ls t e p - k i l n st 锄p e r a t u r ea c c u r a t e l y k e y w o r d s ：m i n e r a l t l 瑚i n a lp r o c e s s i n g ，r o t a r yk i l n ，s t e pk i l n ， f h z z y 烈f - a d a p t i n gl d ，v i r t u a l 蚍e n t s ，l a b v i e w ，m a t l a b 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果： 设计出实验室用回转窑的替代设备一一步进窑，并对其进行机 构原理设计、测控算法设计与仿真、控制电源架构设计等 尽我所知，迄今国内外文献未见报道。 作者舭日期：毕 辽宁工程技术大学硕士擘位论文 l 绪论 1 1 问题的提出 矿物热加工是矿物加工工程中重要的工艺技术之一，是“矿物物理加工 与改性”的重要内容，包括矿物的干燥、热分解( 轻烧) 、和煅烧( 重烧) 等 工艺及工程化技术过程，是矿物加工工程中主要的研究领域之一 目前国内大专院校、科研院所在矿物加工工程技术研究的矿物热加工工 艺技术中，大量的需要煅烧( 干燥) 试验型设备，特别是需要高温、精度高、 体积小、温度调节范围大、功能多的实验室型窑炉，并且要求对窑炉设备能 够方便的检测各项工艺参数直至伺服控制然而，而现有市售窑炉不能满足 这些要求；急需研制试验用新型窑炉 1 2 实验用窑炉及其国内外研究情况 在非金属热加工领域连续加工主要使用回转窑，因为它具有加热均匀、 连续作业等优点，适合单一矿种工业化连续生产 目前，国内外实验用回转窑一般是各实验室自行制造，结构上主要是在 工业用回转窑体积上缩小，结构基本相同，它将不可避免的遇到传统回转窑 温度难以控制、煅烧物料在制备过程中的重现性和材料品质差等问题。 1 3 研究意义和目的 1 3 1 研究意义 矿物热加工是矿物深加工工艺技术中重要的内容之一，是“矿物物理加 工与改性”的重要内容，涉及到矿物的干燥和热分解( 轻烧、重烧) 等工艺 及工程化过程，是矿物加工工程中主要的研究领域之一。 矿物的热加工是传统无机材料、新型无机材料研究领域的重要手段，矿 物经过热加工所生产的产品广泛应用与国民经济各个领域，包括：水泥工业、 无机非金属矿物材料、复合肥工业，无机化工等。 在矿物加工工程的教学与科学研究中，要充分借助热加工设备，研究各 种矿物及其材料的煅烧工艺技术，进行各种矿物的煅烧试验研究( 石灰石、 白云石、菱镁矿，钾长石( 肥料) 。煤系高岭土、膨润土( 猫砂) ) 等，在制 各矿物材料时，尤其是高新技术产业中的高技术陶瓷、生物材料、航空、航 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 天材料等，均需要煅烧工艺环节的加工； 利用实验室型的煅烧设备，既可以完成实际的矿物煅烧工作，为中试试 验提供依据和手段，同时，利用现代光机电一体化技术的制造的煅烧窑，可 以获取有用数据，更重要的是设计和制备试验室用连续煅烧窑，可以为煅烧 工艺过程的模拟及控制莫定基础 利用该试验设备，研究煅烧过程数学模型，为提高生产设备的自动化控 制水平、生产高质量产品，分析和研究并且提供工艺参数奠定基础。迸一步， 为生产工业化煅烧设备及其自动控制提供实际模拟条件 1 3 2 研究目的 ( 1 ) 满足矿物加工工程系教学与科学技术研究的需要。 ( 2 ) 替代实验室用小型回转窑。 ( 3 ) 为工业步进窑的制造、提高自动控制水平，提供工艺技术参数实际 模拟条件。 1 4 研究的主要内容 ( 1 ) 通过了解矿物熟加工工艺、回转窑的结构和热工过程，设计出步 进窑基本温度场分布和运动结构，并设计出动力机构。 ( 2 ) 所谓热工窑，其核心是温度的检测与控制，在本文中进行数据采 集卡、铡控软件选择，并设计出控制电源( 程控电源) 的基本结构。 ( 3 ) 进行步进窑温度控制算法的设计与仿真。 r ( 4 ) 设计出测控软件的主要流程。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 矿物热加工与回篇窑概述 2 1 矿物热加工工艺概要 矿物热加工是指对矿物或岩石材料进行干法加热处理与改性。这是一种 利用热物理方法来改变矿物( 或岩石) 材料状态的一种手段，它具有十分重 要与广泛的用途，其方法类型也很丰富。 热加工可分为干燥脱水和热处理两大类，加热条件则主要依据被处理材 料的热分析结果来制订。干燥是采用热物理方法排除矿物颗粒或材料的自由 水和吸附水( 去湿) 热处理则是在较高温度下脱去矿物或材料的吸附水及 结合水，或同时脱除其他易挥发物质，进行热分解( 轻烧) 。也可能要在更 高温度下使矿物再结晶( 重烧) 、烧结或熔融，变成另一类人造矿物材料。 2 1 1 千燥脱水 干燥是采用热加工的手段排除矿物或制品的自由水及吸附水的工艺过 程。但是从工艺角度考虑。干燥过程只须捧除自由水，吸附水的捧除一般没 有意义，因为它很快又会从空气中吸收，达到再平衡( 吸湿) 。 ( 1 ) 矿物材料中水分的存在形式 矿物或岩石材料中固体物辩与水的结合方式主要有化学结合水、物理化 学结合水及机械结合水三类。 化学结合水是指参与矿物晶格结构分子中呈化学状态的水，即矿物分子 组成内的水分。化学结合水又可分为化学结构水( 离子结合) 和结晶水( 分 子结合) 二类。其中化学结构水以o h 、h + 、h 3 0 + 离子形式存在，失水温 度为6 0 0 1 0 0 0 1 2 。结晶水则以中性水分子( h 2 0 ) 参加晶格结构组成，其失 水温度约为2 0 0 - 5 0 0 。 物理结合水，常称吸附水。属于此类的有吸附、渗透水和物理化学结构 水分。存在于矿物内直径小于1 0 4 m m 的毛细管中、胶体颗粒表面及纤维皮 壁之闻。其中吸附水分与物料的结合最强。渗透水与物料的结合是由于物料 组织壁的内，外面溶解物的浓度有差异，于是使水分子扩散透过壁膜。故渗 透水的存在是由浓度差而产生的渗透压所造成。当物料组织外面溶液浓度大 于内部浓度时，渗透水酃自由析出。物理化学结构水存在于物科组织内部， 在胶体形成时将水结合在内，此类水分的离解可由蒸发、外压或组织的破坏 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 而除去。 机械结构水包括毛细管水分、润湿水分和空隙水分。即是指存在于矿物 或材料表面的润湿水分、孔隙中的水分以及直径大于1 0 - * m i d 毛细管的水分 ( 2 ) 热运动与物质结构的关系 任何物质不论是气态、液态或固态都是由原子组成，恧这些原子靠化学 键结合成为分子。探讨热运动与物质结构的关系，主要是研究热能如何影响 原子与分子的运动 “热”是能量存在的一种形式，对于气体来说，热能引起的分子运动主要 表现为改变气体分子的动能。动能大，表现为分子运动速度大，气体分子的 碰撞机会多，这是气体热传导的概念。此外，流体加热时还会发生稳定的“对 流”。对于固体，由于分子彼此闯具有明显的束缚力，所以只能引起分子内 或分子问振动的加剧。 水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成，这三个原子构成两个化学 键，即两个o h 键。水分子问还有一种联系的力称为氢键。在室温下这些水 分子靠上述键联系在一起在一定的温度下，各水分子的动能并不一样，有 快有慢，它们的动能是按照麦克斯韦- 波尔兹曼统计分布的。因此，总有一 部分水分予的运动速度比平均速度快或慢的多。如有个别分子的动能超过了 分子问的束缚力，就可以逃逸出去，完成“蒸发”显然，水温低，分子运动 缓慢，蒸发量就少，反之，蒸发量就多。当温度降为零度时，水将变为固态 的冰，分子就不会对流了，这是只有分子内和分子阀的振动，蒸发交的困难， 只有很少数水分子能逃逸出冰的表面。对水加热时，水分子运动加剧，到 6 0 时开始出现蒸汽，1 0 0 c 沸腾( 在一个大气压条件下) ，这时水分子的平 均动能已大到足以克服分子间的束缚力，可完全转为蒸汽 ( 3 ) 干燥过程 固体物料干燥包括两个基本过程：首先是固体加热使润湿水分汽化的传 热过程；然后是汽化后的润湿水分蒸汽由于其分压较大而扩散进入气相的传 质过程，而固体物料内部的润湿水借扩散等的作用又源源不断被输送到固体 表面，构成物料内部的传质过程。因此，干燥过程的特点是传热和传质同时 并存，两者相互影响又相互制约。 矿物材料在于燥时，外界热源首先将热能传递给材料表面，材料表面获 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 得热量后，水分开始从固体表面蒸发，分布在表面上的水分密度减少，在材 料表面与内部之闻出现含水量差别，内部水分不断向表面扩散。同时，书| 料 热量不断向内部传递也加速了蒸发干燥过程。因此，为了达到干燥的目的， 必须满足两个条件： 。 水分易于从表面蒸发 水分易于从材料内部扩散( 有以液体的水由内向外进行扩散，或在内 部变成蒸汽，再向材料表面扩散等情况) 干燥过程可分为加热阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段及平衡阶段。 当最终物辩达到平衡水分点时，表面蒸发与吸附达到动态平衡，表现干燥速 度为零。 2 1 2 热分解 热分解是矿物晶体分子结构在热处理过程中发生分解的热化学反应，在 工艺学上常称为煅烧( 轻烧) 。 ( 1 ) 热分解脱水 热分解脱水，是指在热状态下使矿物分子内部的结合水分解捧出的过 程。不同矿物的结合水脱水失重曲线差异很大。 ( 2 ) 氧化分解反应 碳酸盐矿物的热分解 一些碳酸盐矿物在煅烧时发生分解，热分解温度一般从6 5 0 9 5 0 1 2 开始， 放出二氧化碳，变为氧化物。碳酸盐矿物通常在1 0 0 0 ( 2 时分解基本完毕。 硫酸盐矿物的热分解 硫酸盐矿物在3 0 0 1 2 以下为低温脱水阶段，在氧化气氛中，直至高温 1 3 0 0 才急剧分解 硫化物、碳素及有机物的氧化 在一些矿物特别是粘土中，棠含有一定量的碳素、硫化物及有机物。在 煅烧低温阶段，矿物气孔率较高，表面易吸附烟气中的一氧化碳的分解产物 碳素碳素及有机物在6 0 0 ( 2 以上才开始氧化，一直进行到高温阶段 粘土中的夹杂硫化物的氧化反应一般在8 0 0 c 左右才基本结束。 ( 3 ) 分解熔融 辽宁工程技术大学硕士学位论竟6 某些硅酸盐矿物在高温下热解，转变成新的结晶矿物，同时产生具有补 充组分的液相。这些高温变化，高温液相的生成，对陶瓷、耐火材料、玻璃 等的制造过程或高温材料的使用等有时起着重要的作用。 ( 4 ) 熔融 熔融，是将固体矿物或岩石在熔点条件下转变为液相高温流体的工艺过 程。由于熔融方式、熔融炉和热源的不同，熔融产物及工艺方法差别很大。 2 i 3 烧成 烧成是在远高于矿物热分解温度下进行的高温煅烧，也称重烧目的是 为稳定氧化物或硅酸盐矿物的物理状态，变成稳定的圃相材料( 惰性材料) ( 1 ) 再结晶 氢氧化物和碳酸盐矿物由前述轻烧过程产生热分解，生成各种氧化物， 一般结晶度都较差，若要用作耐火材料、陶瓷或精细陶瓷材料以及惰性填料、 涂料等，则须要在更高温度下进行烧成，使之充分再结晶。 ( 2 ) 变体的稳定化 “ 、 不少氧化物和硅酸盐化合物存在有两种以上的结晶变体，天然矿物一般 是以低温型产出，经过加热后可转变为高温型。 ( 3 ) 高密度矿物的稳定化 在天然的变质作用下，由高压生成的矿物的特征是具有高配位数的结构 和高的密度。因此，在常压下将其加热，在一定温度下呈现有激烈的异常膨 胀，密度下降，同时发生热分解，变为常压下稳定的其他结晶相【 2 2 回转窑概述 2 2 1 回转窑的结构与特点 回转窑由窑筒体、传动装置，托轮支承装置，挡轮装置，窑头密封，窑 尾密封，窑头罩及喷煤管装置等部分组成，如图2 1 所示 窑简体是受热的回转部件，采用优质镇静钢板卷焊制成。简体通过轮带 支承在2 - - 7 挡滑动或滚动轴承的支承装置上，并在其中一挡或几挡支承装 置上装有机械或液压挡轮，以控制简体的轴向串动；传动装置通过装在简体 中部的齿圈使筒体按要求的转速旋转。传动系统除设置主传动外，还设置了 辅助传动，当主电源切断时仍能使窑简体以低速旋转，防止窑筒体弯曲变形； 辽宁工程技术大学硕士学位论之 7 为防止冷空气进入和烟气粉尘从简体内溢出，在简体的窑尾进料端和窑头出 料端安装了可靠的窑尾和窑头密封装置。回转窑的窑头罩上装有测压、测温 元件。 回转窑筒体内砌衬耐火材料一窑砖，窑砖上挂了一层厚厚的窑皮。窑简 体与水平呈一定的倾斜角度，预热后的生料从窑尾进入窑中，借助窑的转动 来促进物料在回转窑内搅拌，使物料互相混合、接触进行反应窑头喷煤管 喷煤燃烧产生大量的热热量以火焰的辐射、热气的对流、窑皮传导等方式 传给物科。物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向窑头运动i ，挪i 图2 。l 回转窑结构示意图 2 2 2 回转窑的用途 回转窑是冶金、建材、化工、环保和硅酸盐以及特殊废物焚烧等工业中 的重要的工艺设备，属予建材设备类回转窑按物料处理方式不同可分为水 泥窑、冶金化工窑和石灰窑d o 3 h 水泥窑主要用于锻烧水泥熟料，分干法生产水泥窑和湿法生产水泥窑 两大类。 冶金化工窑则主要用于冶金行业钢铁厂贫铁矿磁化焙烧；铬、镍铁矿 氧化焙烧； 耐火材料厂焙烧高铝钒土矿和铝厂焙烧熟料、氢氧化铝； 化工厂焙烧铬矿砂和铬矿粉等类矿物。 石灰窑则主要用于焙烧钢铁厂、铁合金厂用的活性石灰和轻烧白云 石 2 2 3 回转窑的热加工工艺过程 回转窑一般由干燥带、预热带、煅烧带( 或称为碳酸盐分解带) 、放热 反应带、烧成带、冷却带组成，物料在窑内锻烧时，一方面吸热升高温度， 辽宁工程技术大学硕士学位论文8 另一方面又发生了一系列的物理化学变化。各变化的热性质不同，使各带物 料温度升高速度也不同，回转窑内物科温度和气体温度变化及窑内各带划分 如图2 2 所示。 2 0 0 0 1 5 d 0 l j 甚1 0 0 0 赠 5 0 0 0 ， 。厂、 |毡 冬 i萄八 、 冷却带 烧成带放热 分解带 预热秸 干燥带 垮坪筒 反应带回转窑 燃烧带 i 。分解炉1 窑体分带 图2 2回转窑内物料温度和气体温度以及各带划分大致情况 了解回转窑的热加工工艺对步进窑的设计具有指导性作用，以湿法长窑 煅烧水泥熟料为例说明各带反应与热工特性。 ( 1 )干燥带 干燥带内物料温度2 0 2 0 0 ( 2 ，气体温度2 5 0 4 0 0 c 含水3 2 4 0 的料 浆喂入窑内被加热，温度逐渐升高水分不断被蒸发，由于料浆水分逐渐减少， 料浆由稀逐渐变稠，当水分减少到2 2 2 6 时料子可塑性最大，在此时最容 易形成泥巴圈，以后水分继续蒸发，物料从链条上脱落下来而成球。出链条 时水分波动在0 5 干燥带主要是自由水的蒸发，需要消耗大量的热，大约占总耗的 3 0 3 5 。 带料浆蒸发机的回转窑，大部分水在蒸发机内捧除，回转窑内只承担小 部分干燥任务，因此干燥带很短。干法窑由于入窑生料水分小于l ，几乎 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 没有干燥带半干法窑的干燥过程在加热机上进行，在回转窑内无干燥带。 ( 2 ) 预热带 预热带内物料温度在2 0 0 7 5 0 ，气体温度在4 0 0 8 0 0 1 3 。该带的反应 首先是物料中有机物质的分解，当温度升到4 0 0 5 5 0 c 时黏土开始脱水分解 出活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，当温度升到6 0 0 7 0 0 c ，m g c 0 3 进行分解。由于以上 反应使球粒状的物料逐渐粉化成黄色粉状物料。 该带是吸热反应，但吸收热量不多，因此物料温度逐渐升高，为c a c 0 3 的分解创造了条件，所以称为预热带。带悬浮预热器和加热机的窑，预热都 在预热器或加热机内进行，回转窑内预热带很短或者没有。 ( 3 ) 煅烧带( 或称碳酸盐分解带) 煅烧带内物料温度7 5 0 1 0 0 0 ，气体温度8 0 0 1 6 0 0 。在预热带未分 解完的m g c 0 3 在该带继续分解，但主要是c a c 0 3 的分解。由于分解出c 0 2 ， 物料中充填大量气体，使粉末物料里流态化，增加物料在窑内的运动速度， 因此物料在这一带内运动速度最快，扬尘也较多。 这一带的末端，分解物之间产生固相反应。生成低碱的铝酸盐、铁酸盐 等。 c a c 0 3 分解是吸热反应，而且需要反应热很大，因此分解带热负荷大， 对于干法窑该带需要的热约占总耗热4 0 左右。由于需要大量热，加上该带 物料流速快，因此要完成c a c 0 3 分解任务就需要很大的空间，所以分解带 是窑内最长的一个带。 带悬浮预热器和加热机的窑，分解反应有一部分在预热器或加热机中进 行，而带窑外分解炉的窑绝大部分的分解反应是在分解炉内进行。 ( 4 ) 放热反应带 。放热反应带内物料温度在1 0 0 01 3 0 0 之间，气体温度在1 6 0 0 1 7 0 0 在碳酸盐分解出的大量氧化钙和粘土分解出的s i 0 2 、a 1 2 0 3 等氧化物在该带 进行固相反应，并放出一定热量，故称“放热反应带”。由于固相反应放热， 物料温度迅速上升，使该带在窑内占的比例较小。放热反应对看火操作起很 重要作用，因为该带物料温度和碳酸盐分解带物料之间温度相差较大，物料 在高温下发光性较强，而低温物科发光性弱。由于碳酸盐分解带物料温度较 低，因此显得暗些，从窑头看火孔看去，就显示出明暗的界线，一般称“黑 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 影”。看火工根据“黑影”远近来判断窑内温度，一般的回转窑上用稳定“黑影” 位置的方法来稳定窑的热工制度。 ( 5 ) 烧成带 烧成带内物料温度为1 3 0 0 ( 2 1 4 5 0 c 一1 3 0 0 ( 2 。气体温度达1 7 0 0 。亦称 该带为“烧结带”这是根据物料部分熔融而粘结得来 从传热角度看，这一带占窑容积比例并不需要很大，但为使物料在该带 有一定的停留时间，也需要有一定长度。 ( 6 )冷却带 冷却带内物料温度1 3 0 0 1 0 0 0 ( 2 。在该带熟料冷凝成圆形颗粒，落入冷 却机中。 以上各带不是截然分开的，丽是互相交叉的，例如c a c 0 3 的分解温度 是9 0 0 ( 2 左右，但在放热反应带仍有剩余的c a c 0 3 在继续分解，同时随着原 科性质的不同，反应温度也有差异i i “ 2 2 4 实验用回转窑 实验用小型回转窑是为了满足大专院校、科研院所试验用的小型回转 窑。根据物料加热的工艺要求，实验回转窑的温度和转速应控制在一定的范 围之内，并且要求窑内保证一定的氧化( 还原) 气氛目前，国内外实验用回 转窑较少，一般是各实验室自产自用，方式主要是在工业用回转窑体积上缩 小，结构基本相同，它将不可避免的具有传统回转窑温度精度低、难控制等 缺点，直接导致被加工材料在制备过程中的重现性和产品品质的一致性问题 得不到有效解决。 2 3 本章小结 本章分别介绍了矿物热加工工艺理论和回转窑。 按照干燥脱水、热分解、烧成三部分阐述矿物热加工工艺。为步进窑内 部温度场的设计提供理论依据。第二部分介绍了回转窑分的结构、用途，并 以水泥熟料加工为例详细的分析了各带的热加工工艺，并在本章的最后介绍 了实验室用回转窑，并指出了它的温度精度低、难控制等缺点，不能满足实 验室要求的高精度温度控制的要求 辽宁工程技术大学硕士擘位论文 3 实验用步进窑 实验用步进窑( 步进式电加热炉) 是实验室用回转窑的一种替代方案， 它应该和回转窑具有相似的温度场，以及连续加工的特点，并且要解决传统 回转窑温度。温度精度底、难控制”等问题。 3 1 实验用步进窑的热工工艺设计 步进窑是由炉体、步进动力机构及喂料机构组成的循环加热装置。设计 总功率1 6 0 k w ，长度为7 m ，最高温度1 5 5 0 c 。参考回转窑生产工艺，设计步 迸窑内温度分四段，即干燥段、预熟段、恒温段和冷却段其中前三段安装 热电阻进行加热控制，其温度分布曲线如图3 i 所示。 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 61 0 0 0 ； 一8 0 0 越 赠6 0 0 4 0 0 2 0 0 o 7 ， 7 f 234567 炉长( l m ) 图3 1 炉内温度分布曲线 电热元件主要布置在炉膛侧墙上，测温元件( 热电偶) 布置在顶部 物料由喂料机构推入炉内，在炉内分别经预热处理，恒温锻烧及冷却， 最后输出成品，构成循环生产过程。 在整个生产过程，恒温精度是决定产品质量的关键。因此，对恒温段控 温提出较高要求。回转窑式电加热炉的干燥段、预热段、恒温段各为2 m ， 冷却段为2 m ，总长为7 m ，加热电热丝分布方式如图3 2 所示。由于热容量 较大，炉尾呈开口状态，有一定的对流条件，特别是预热段、恒温段呈现较 辽宁工程技术大学硕士学位论文 大的热惯性。根据加热工艺要求，开炉时干燥段、预热段和恒温段需采用线 性升温制度，以延长窑体寿命。 加热电阻组 图3 2 步进窑加热电热丝分布示意图 3 2 步进窑检测与控制项目 由于此窑的加热方式是电阻方式加热，故参照电阻炉，除了可以用作实 验室回转窑的替代产品，又可以作为干燥窑使用，窑体内可为一般氧化气氛， 也可按工艺要求通入各种可控气氛。它的控制方式与燃料炉相比，主要区别 有：是炉温控制方法分位式控制和连续性控制两类，连续性控制又分为变 压器调压式和晶体管调压和调功式；二是如何使用可控气氛。步进窑测控资 料如表3 - 1 所示。 表3 - 1步进窑溯控资科 项目数据备注 窑炉名称实验室用步进窑 窑炉用途矿物热加工 窑炉总功率 1 6 0 k w 熟功率1 5 7 5 k w 加热元件形式电辐射管，每根7 5 k w 、5 5 v 、共2 1 根 窑炉区段干燥段预热段恒温段 冷却段 各区辐射管根数 768o 各区功率 5 2 54 5 6 0 0 各区供电电压( v ) 3 8 03 8 03 8 0 o 程控电源 控温要求各区连续p i d 调温模糊自适应p i d 控温方式晶体管调功程控电源 炉内气氛一般氧化气氛 炉温检测元件 热电偶 3 3 实验室用步进窑的结构设计 3 3 1 步进窑内物料运动原理 步进窑箱体运动示意图如图3 3 所示，运动步骤分解为( 1 ) 一( 2 ) 一 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 3 。o 图3 3 步进窑内物料运动原理示意图 3 3 2 实验室用步进窑的箱体安装方式 在设计中考虑到步迸窑运动幅度较小，步迸频率较漫，可以采用钟摆方 式： 【d t ) 链 链 链 、， 。 步进窑的箱体 r 运琦方向 图3 4步进窑的箱体安装方式 3 3 3 步进窑摆动的动力机构的设计1 2 1 动力装置的作用是使步进窑箱体摆动，目的是使物料在步进窑箱体内 连续运动的。可以采用的机构按照驱动有如下方式 辽宁工程技术大学硕士擘位论文 1 4 ( 1 ) 气动机构 步进窑的步进摆动的气动机构工作原理如图3 5 所示气动机构的特点 是动作灵敏，结构简单，依靠气垫起缓冲、减振作用，能提高实验室用步进 窑的使用寿命。 慝位开关 图3 5 步进窑气动驱动系统图 ( 2 ) 机械( 凸轮) 机构 这种方式如图3 6 所示，一般采用凸轮和弹簧配合使用，结构较复杂， 效率没有气动高。 图3 6 凸轮驱动机构 1 凸轮；2 - 缓冲器；3 滚子从动杆；4 步迸窑箱体；5 连杆；d 摆杆；7 - 拉簧 ( 3 ) 电磁振动机构 其基本原理是利用电磁作用和连接炉底的弹簧产生共振而实现炉底连 续步进震动，使加工物料不断向前脉动，一般提供的动力较小 此外，还可以考虑液压缸与弹簧配合或者凸轮机构与气缸配合使用 辽宁工程技术大学硕士擘位论文 1 5 在此设计中综合考虑，选择气动机构。 3 3 4 步进窑整体结构 步进窑整体结构如图3 7 所示，被加工矿物储存在喂料机的料仓中，经 过拨料机构送入到步进窑进行热加工，步进窑在气缸提供的动力作用下，物 料在窑体内步进、到加工完成，加工过物料经过导料槽导入到产品仓。其中 喂料机是通过底座上的压力传感器测得喂料速度的 图3 7 步迸窑整体结构示意图 1 可调速喂料电机；2 料仓；3 - 喂料机构；4 - 步进窑箱体：5 连接链：6 - 导料槽；7 - 产 品仓；8 气源电机及气缸控制机构；9 气缸；l m 传料柔性管；1 1 一底座及压力传感器 3 4 本章小结 根据前章提供的热加工工艺、回转窑的加工过程及各带的温度分布情 况，设计出步迸窑内温度分布情况，并根据温度场要求确定了窑箱体内部的 加热电阻组的分布情况、检测控制项目在结构设计方面，创造性的使用步 迸窑箱体悬挂钟摆式结构。这样大大简化了机构的复杂性，在步进窑箱体摆 动动力机构方面采用气动机构，利用气缸的气垫缓冲作用增加窑体寿命。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 4 温度的测量与控制 步进窑的测控是基于p c 机的，测控软件采用美国n i 公司的l a b v i e w 步进窑测控系统框图如图4 1 所示 图4 1步进窑测控系统框图 4 1 测控软件l a b v i e w 介绍 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s t m , 简称n i ) 的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最 快、功能最强的图形化软件开发集成环境。 美国n i 公司开发的l a b v i e w 从用户角度出发，不仅内含各种仪器驱动 程序，而且提供大量实现数据处理的函数集和用户界面编程工具集。作为专 用的v i 软件开发工具，它隐含了对设计v i 时所面临多种困难的考虑，并鲜 明地体现着简化设计的过程，节省人力、物力，也提高了工作效率 有关l a b v i e w 的主要特点在4 3 1 介绍，下面简要介绍l a b v i e w 的程序( v 1 ) 结构。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 使用l a b v i e w 开发的v i 包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标 ，连接器。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表 的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为 显示( i n d i c a t o r s ) 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、 开关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。 每一个程序前面板都对应着一段框图程序，框图程序用l a b v i e w 图形 编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、 图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节 点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连 线则代表了程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 图标连接器是子程序被其它v i 调用的接口。图标是子程序在其他程序 框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入，输出口， 就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对 应。连接器一般情况下隐含不显示，除非用户选择打开观察它 l a b v i e w 的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的v i 程 序当作子程序调用，以创建更复杂的程序，而这种调用的层次是没有限制的。 下图表示了基于l a b v i e w 数据采集与控制的结构。在数据采集之前， 程序将对d a q 板卡初始化，板卡上和内存中的b u f f e r 是数据采集存储的中 问环节 图4 2 以l a b v i e w 为中心的测控系统结构 辽宁工程技术大学硕士擘位论文1 8 4 2 温度的检测 4 2 1 热电偶( 2 , 1 1 】 热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件其工作原理 是温差电效应。例如，由两种不同的导体材料构成的接点，在接点处可产生 电动势。这个电动势的大小和方向与该接点处两种不同的导体材料的性质和 两接点处的温差有关如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两个接头 处温度不同时，回路中即产生电流。这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。 构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。在结构上既可以是 线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄膜。实体 型的温差电偶多用于测温，薄膜型的温差电堆( 由许多个温差电偶串联而成) 多用于测量辐射，例如，用来标定各类光源，测量各种辐射量，作为红外分 光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。 目前国际标准化熟电偶共有8 种，由于三段温度测量范围不同，在进 行步进窑炉体设计时，根据需要选择合适的热电偶。 4 2 2 数据采集卡2 7 l 测试系统中常用的数据总线有g p i b 、p c i 、v x i 、p x i 四种。在此设计 中采用基于p c i 总线的板卡，所谓p c i 是p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ( 外设部件巨连标准) 的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛 的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽p c i 插槽也是主板带有最 多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，a t x 结构的主板一般带 有5 6 个p c i 插槽，而小一点的m a t x 主板也都带有2 3 个p c i 插槽， 可见其应用的广泛性p c i 是由i n t e l 公司1 9 9 1 年推出的一种局部总线 从结构上看，p c i 是在c p u 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体 由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的 传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持l o 种外设，并能在高时钟频率 下保持高性能，它为显卡，声卡，网卡，m o d e m 等设备提供了连接接口， 它的工作频率为3 3 m h z 6 6 m h z 。最早提出的p c i 总线工作在3 3 m h z 频率 之下。传输带宽达到了1 3 3 m b s ( 3 3 m h z x3 2 b i t 8 ) ，基本上满足了当时处理 器的发展需要。随着对更高性能的要求，1 9 9 3 年又提出了6 4 b i t 的p c i 总 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 线，后来又提出把p c i 总线的频率提升到6 6 m h z 完全可以满足步进窑 各种参数实时检测数据传输的需要 整个步进窑要测控的主要对象有：步进窑动力电机转速、给料机的喂料 速率、风机转速、简体内温度。这就要求实时的把测量数据读入计算机进行 分析而步进窑的核心是高精度温度控制，所以选择“n a t i o n a li n s t r u m e n t s p c i 4 3 5 1 ”，它是一款基予计算机的精密测量仪器，专为温度测量( 热电偶， r t d 和热敏电阻) 、色谱测量以及士1 5 v 范围内的低频模拟信号的测量而设 计 图4 3 n ip c i - 4 3 5 l 数据采集卡 1 6 路电压或1 4 路热电偶输入：读取速度高达6 0 次s 2 4 位a d c 分辨率 精度一一j 型热电偶o 4 2o c ，热电阻o 0 3 。c ，r t d0 1 2 。c 8 条t t l 数字i ，o 线 自动调零和冷连接补偿 4 3 温度的控制 采用l a b v i e w 通过程控电源控制提供给电热丝的有效电压大小，以达到 控制温度的目的控制的精度依赖于测控元件的精度和算法的合理性。在第 5 章将详细设计步进窑温度控制的算法。 辽宁工程技术大学硕士擘住论文 4 3 1 基于虚拟仪器的控制系统 虚拟仪器是相对于传统仪器而言的，从定义上看，它似乎只是新一代的 测量仪器，不过虚拟仪器所具有的诸多特点使其早已突破测试领域的范围， 在控制领域也得到越来越广泛的使用 随着计算机技术的快速发展，自动控制系统中的控制器功能越来越多的 通过计算机来实现，这就组成了典型的计算机控制系统。计算机控制系统的 控制过程可归纳为以下三个步骤： ( 1 ) 实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。 ( 2 ) 实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按己定 的控制规律，决定下一步的控制过程 ( 3 ) 实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制 任务。 如果把虚拟仪器的思想及软硬件模块应用到计算机控制系统中，即构成 了虚拟仪器的控制系统。对于上面的每一个步骤，虚拟仪器都可以出色的完 成。 虚拟仪器技术经过近二十年的发展，已经发布了一系列总线和软硬件规 范，只备了较为完善的体系，目前全世界有上百家厂商提供上千种虚拟仪器 的模块化产品。以该领域内最具代表性的美国n i 公司为例，该公司的产品 包括：各种数据采集卡、信号调理模块、机器视觉模块、运动控制模块、基 于p x i 总线的实时测量及控制模块、工业控制及分布式i o 模块，以及测量 及自动化软件平台和相关的工具包可以看出，有不少产品就是专门针对控 制应用的。使用这些软硬件模块，可以快速的组建满足各种需求的测控系统。 n i 公司的虚拟仪器开发平台l a b v i e w 提供了一个直观的软件开发环境， 它被设计成可以帮助开发可伸缩的、网络化的、包含任意测量、分析及算法 开发和i o 的控制系统，从简单的到复杂的应用。软件产品的l a b v i e w 平台， 包括l a b v i e w ，l a b v i e w 数据记录和监控模块、l a b v i e w 实时模块，为复杂的 监测、数据记录、监控、p i d 控制、逻辑控制、单点分析、控制模型工具、 机器视觉等提供强大的工具 ， 这个集成化软件平台使开发者能快速建立控制系统，并且当系统需求改 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 1 变时可以很容易的进行