（热能工程专业论文）基于数值模拟的烧结终点在线控制.pdf

s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 1 s c h o o lo fe n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p rc h i n a ! 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：瘩壤 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：蕉丝导师签名日期：二坐年三月鱼e l 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 烧结是个复杂的物理化学过程，其中主要包括碳的燃烧，矿石的 分解、还原和再氧化，液相的形成与冷凝。从控制的角度来看，它涉 及到温度、压力、速度、流量等大量物理参数，是典型的具有多变量、 多分布参数、非线性的复杂被控对象。而在工程实际中，烧结过程是 通过控制烧结终点来实现的。在国家倡导节能减排的大趋势下，传统 的烧结终点控制技术已经难以满足大型烧结设备的控制要求。因此， 为了实现更加精确和稳定的自动控制，有效提高烧结生产的产量和质 量，需要研究开发新的烧结终点判断及控制技术。 本文以国内某钢铁厂烧结机为研究对象，以流体计算软件 f l u e n t 6 3 为平台，模拟烧结矿与气体间的换热过程，得到了烧结矿和 烧结烟气的温度分布。利用数值模拟结果，准备判断烧结终点位置， 根据模糊控制理论对烧结终点实行在线控制，以提高烧结矿产量和质 量，充分发挥烧结机的利用效率。 本论文的主要结论有： ( 1 ) 利用内热源放热简化燃烧模型，采用用户自定义函数的u d s 构建多孔介质局部非热力学平衡的能量双方程模型，模拟烧结矿与气 体间的换热过程，计算了烧结机内部烧结矿和烧结烟气的温度分布。 ( 2 ) 对模型计算结果与现场测试结果相比较，发现模型计算的出 口烟气温度值高于现场测试的温度值，分析了误差以及误差产生的原 因。 ( 3 ) 模拟计算结果表明：随着烧结过程的进行，烧结矿的高温区 会下移，由于烧结矿的蓄热作用，烧结矿的最高温度逐渐升高，达到 一个最高点后开始下降，表明烧结过程结束，因此最高温度点即为烧 结终点。通过分析烧结矿的最高温度与台车运行距离，确定了烧结终 点的位置。 ( 4 ) 研究了烧结机进口风速、风温及烧结矿配碳量等主要参数对 烧结机烧结过程的影响规律。研究结果表明：适当增加风速，能降低 烧结矿的最高温度，能防止烧结矿的过烧，提高烧结矿的质量；适当 增加矿石的含碳量，能减少烧结时间，提高烧结机的产量。 l _ - 一 中南大学硕士学位论文 摘要 ( 5 ) 开发了基于数值模拟的烧结终点在线控制技术，实现了烧结 机台车速度的在线控制。通过对烧结终点控制技术的改进，台车利用 系数和烧结矿产量得到了有效提高，同时对烧结矿质量提供了保障。 关键词：烧结；多孔介质；数值仿真；烧结终点；模糊控制 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es i n t e r i n gi sc o m p l i c a t e dp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g e s ，w h e r e i n t h em a jo rp a r t sr e l a t et ot h ec o m b u s t i o no fc a r b o n ；t 1 1 ed e c o m p o s i t i o n ， r e d u c t i o na n dr e o x i d a t i o no fo r e s ；a n dt h ef o r m a t i o na n dc o n d e n s a t i o no f l i q u i dp h a s e i nv i e wo fc o n t r o l ，i tr e l a t e s t oc o n s i d e r a b l e p h y s i c a l p a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，s p e e d ，a n df l o wr a t e ，a n di ti sa t y p i c a ln o n - l i n e a rc o m p l i c a t e dc o n t r o l l e do b j e c tw i t hm u l t i p l ev a r i a b l e s a n d m u l t i p l ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s h o w e v e r , i nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， t h es i n t e r i n gp r o c e s si sa c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h es i n t e r i n gt e r m i n a l u n d e rt h et e n d e n c yo fe n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o no nt h e i n i t i a t i v eo ft h eg o v e r n m e n t ，t h et r a d i t i o n a ls i n t e r i n gt e r m i n a lc o n t r o l t e c h n o l o g yh a sd i f f i c u l t yi nm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s o fc o n t r o lo f l a r g e - s i z es i n t e r i n gd e v i c e s t h e r e f o r e ，i no r d e rt oa c h i e v em o r e a c c u r a t e a n ds t a b l ea u t o m a t i cc o n t r o la n de f f i c i e n t l yi m p r o v et h ey i e l da n dq u a l i t y 7 0 ft h es i n t e r i n gp r o d u c t i o n ，i ti sr e q u i r e dt or e s e a r c ha n dd e v e l o pn o v e l s i n t e r i n gt e r m i n a lj u d g e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i sp a p e rt o o kas i n t e r i n gm a c h i n eo fac e r t a i nn a t i o n a ls t e e l f a c t o r ya st h es t u d yo b j e c tt oi m i t a t et h eh e a te x c h a n g ep r o c e s sb e t w e e n s i n t e r i n go r ea n dg a sw i t ht h ef l u i dc a l c u l a t i o ns o f t w a r eo ff l u e n t6 3a s t h ep l a t f o r m ，o b t a i n i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h es i n t e r i n go r e a n ds i n t e r i n gs m o k e g a s m a k i n gu s eo ft h er e s u l to ft h en u m e r i c a lv a l u e a n a l o g ，t oa c c u r a t e l yj u d g et h es i n t e r i n gt e r m i n a ls i t e ，t h eb u r n i n gt h r o u g h p o mw a sc o n t r o l l e do n l i n ew i t hat h e o r yo fo n l i n ef u z z yc o n t r o lt o i n c r e a s et h ey i e l da n dq u a l i t yo ft h es i n t e r i n go r ea n dm a k ef u nu s eo fu s e e 伍c i e n c yo ft h es i n t e r i n gm a c h i n e t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ri n v o l v e ： ( 1 ) i m i t a t i n gt h eh e a te x c h a n g ep r o c e s sb e t w e e ns i n t e r i n go r ea n d g a sb ym e a n so fam o d e lo fs i m p l i f y i n gc o m b u s t i o nb yh e a te m i s s i o n 丘o mi n n e rh e a ts o u r c ea n da ne n e r g yd o u b l ee q u a t i o nm o d e lo fl o c a l n o n - t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u mo fp o r o u sm e d i u mc o n s t r u c t e db yu d s o fu s e r - d e f i n e df u n c t i o n ，t h e r e b yc a l c u l a t i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o ft h es i n t e r i n go r ea n d g a si nt h ei n t e r i o ro ft h es i n t e r i n gm a c h i n e ( 2 ) u p o nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h em o d e lc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dt h e o n 。s i t et e s tr e s u l t ，d i s c o v e r i n gt h a tt h et e m p e r a t u r eo ft h er u n i ci nt h ee x i t i s h i g h e ri nt h em o d e lc a l c u l a t i o nt h a ni nt h eo n - s i t e t e s t ，t h e r e b y a n a l y z i n gt h ee r r o ra n dt h er e a s o n sw h y t h ee r r o rg e n e r a t e s ( 3 ) 1 1 1 e r e s u l to ft h ei m i t a t i o n c a l c u l a t i o n s u g g e s t s ：t h e h l g h 。t e m p e r a t u r ea r e ag r a d u a l l ym o v e sd o w n w a r d l ya n dt h eh i g h e s t t e m p e r a t u r eo ft h es i n t e r i n go r eg r a d u a l l yr i s e sa n ds t a r t st od r o pa f t e r a c h i e v i n gt 1 1 eh i 曲e s tp o i l l td u et oh e a ts t o r a g ef u n c t i o no ft h es i n t e r i n g o r e ，i n d i c a t i v eo ft h ee n do ft h es i n t e r i n gp r o c e s s t h u st h eh i g h e s t t e m p e r a t u r ei sp r e c i s e l yt h es i n t e r i n gt e r m i n a lp o i n t d e t e r m i n i n gt h e p o s i t i o no ft h es i n t e r i n gt e r m i n a lb ya n a l y s i so ft h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo f t h es i n t e r i n go r ea n dt h er u n n i n gd i s t a n c eo f t h et r o l l e y ( 4 ) s t u d y i n gal a wo ft h ei n f l u e n c eo ft h ep r i m a r yp a r a m e t e r ss u c h a st h ew i n d s p e e da n dt e m p e r a t u r ei nt h ee n t r a n c eo ft h es i n t e r i n g m a c h i n ea n dc a r b o nc o n t e n ti nt h es i n t e r i n go r eo nt h es i n t e r i n gp r o c e s s o ft h es i n t e r i n gm a c h i n e t h es t u d ys u g g e s t s ：i ti sp o s s i b l et or e d u c et h e h i g h e s tt e m p e r a t u r eo ft h es i n t e r i n go r e s ，t op r e v e n tt h es i n t e r i n go r e s f r o mo v e r - s i n t e r i n ga n dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es i n t e r i n go r e sb y s u i t a b l yi n c r e a s i n gt h ew i n ds p e e d ；i ti sp o s s i b l et or e d u c es i n t e r i n gt i m e a n di m p r o v et h ey i e l do ft h es i n t e r i n gm a c h i n e ( 5 ) d e v e l o p i n gt h es i n t e r i n gt e r m i n a lo n l i n ec o n t r o lt e c h n o l o g y b a s e do nt h en u m e r i c a lv a l u ea n a l o g ，t h e r e b ya c h i e v i n go n l i n ec o n t r o lo f t h e s p e e do ft h et r o l l e yo ft h es i n t e r i n gm a c h i n e b ym e a n so ft h e i m p r o v e m e n to ft h es i n t e r i n gt e r m i n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y t h et r o l l e y u t i l i z a t i o nc o e f f i c i e n ta n d 廿1 ey i e l do fm es i n t e r i n go r ea r ee f f i c i e n t l v i n c r e a s e da n dm e a n w h i l et h eq u a l i t yo ft h es i n t e r i n go r ei sg u a r a n t e e d k e yw o r d s ：s i n t e r i n g ；p o r o u s m e d i u m ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； s i n t e r i n gt e r m i n a l ；f u z z yc o n t r o l 中南大学硕士学位论文 目录 摘要。 a b s t r a c t 1 | 录 符号说明 第一章文献综述。 1 1 铁矿石烧结发展现状及存在的问题l 1 2 烧结方法和工艺流程2 1 3 烧结过程数学模型及控制模型发展现状4 1 3 1 数学模型4 1 3 2 控制模型5 1 4 烧结终点的研究现状。6 1 5 论文的提出。8 第二章烧结机烧结过程数值仿真模型的建立1 0 2 1 物理模型1 0 2 1 1 烧结机烧结过程物理模型1 0 2 1 2 确定计算区域l1 2 1 3 离散化计算区域1 1 2 2 数学模型。1 4 2 2 1 丘t 双方程模型。1 4 2 2 2 湍流气相流动模型。1 6 2 2 3 湍流时均控制方程组2 1 2 3 本章小结2 3 第三章烧结机烧结过程的数值模拟及烧结终点判断。2 4 3 1 仿真数学模型及边界条件2 4 3 1 1 计算模型2 4 3 1 2 边界条件和初值条件2 4 3 2 内热源的计算2 6 3 3 温度场仿真结果及分析2 7 3 4 主要参数对烧结过程的影响3 0 3 4 1 进口风速3 0 3 4 2 进口风温3l 3 4 3 配碳量3 2 3 5 模拟结果的验证及误差分析3 4 3 6 烧结终点位置的确定3 6 3 7 本章小结3 6 第四章烧结终点的控制3 8 4 1 烧结终点位置的确定3 8 4 2 烧结终点模糊控制策略。3 8 中南大学硕士学位论文目录 4 3 模糊控制数学基础。3 8 4 4 模糊推理过程。3 9 4 4 1 确定模糊控制器的结构3 9 4 4 2 确定模糊变量的赋值表4 0 4 4 3 建立模糊控制表4 1 4 5 模糊控制算法流程图4 2 4 6 论域、量化因子、比例因子的选择4 4 4 6 1 论域4 4 4 6 2 量化因子及比例因子4 4 4 7 控制烧结机台车速度。4 5 4 8 本章小结4 5 第五章结论与展望。4 6 5 1 结论4 6 5 2 展望4 7 参考文献4 8 发表论文和参加科研情况5 2 致谢5 3 中南大学 k 一占方程中的常数 k 一占方程中的常数 表面力矢量，n 体积力，n 阻力，n 多孔介质的渗透性，m 2 惯性阻力因子，m 。1 多孔介质的平均直径，m 多孔介质孔隙率 固体介质导热系数，w m k 以 流体导热系数，w m k 。1 固体内热源项，w 1 1 1 3 流体内热源项，w m 。 单位体积的对流传热系数，w m 。3 k 4 温度，k 雷诺数 努赛尔数 普朗特数 湍流强度， 水力直径，m 坐标维数 湍动能，m 2 s 之 润湿周长，m 时间，s 速度矢量，m s 。1 坐标 k 一占方程中的常数 k 一占方程中的常数 密度，k g 1 3 3 。 1 1 1 c c e c e毋岛彳口q岛4吼缸瓦r胎m n j d七s f 甜x 气吒户 中南大学硕士学位论文符号说明 粘性系数，n s m 2 磊 单位张量 占湍能耗散率，m 2 s 4 r ， 湍流扩散系数 i v 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 钢铁工业是国家重要的基础产业，随着国民经济的高速发展，必然产生持 续增长的钢铁需求。而我国的钢铁工业在高速的发展阶段，只为了追求钢铁的 质量和品种已经不在适用市场经济。产业结构调整已经不可避免了，必需以市 场需求为目标，带动钢铁行业的技术进步，减少对环境的污染。在国外，高炉 更加的大型化、低渣量以及超长的寿命，对国内来说，有很大的借鉴作用。而 高炉的生产过程中，原料起到了至关重要的作用，因此提高烧结矿质量对钢铁 工业的发展具有重要的意义。 1 1 铁矿石烧结发展现状及存在的问题 我国的铁矿石大部分都是贫矿，从经济角度考虑贫矿不能入高炉【2 1 ，因此必 须将贫矿进行破碎、选出高品位的精矿后，再将精矿粉造块成为人造富矿才能 入高炉冶炼。所以，粉矿造块是充分合理利用贫矿的不可缺少的关控环节。烧 结是钢铁生产过程中的重要环节之一，是保证高炉获得优质技术指标的关键所 在团。在我国，烧结一直是铁矿石造块的主要方法，烧结矿占高炉炉料的7 0 以 上。 我国钢铁产量从1 9 9 6 年超过1 亿吨之后，铁矿石的烧结造块以及钢铁的产 量都得到了很快的发展。钢铁产量从2 0 0 3 年的2 2 2 亿吨到2 0 0 6 年的3 2 9 亿 吨直至2 0 0 9 年的3 1 5 亿吨，产量一直居高不下；而烧结球团产量从2 0 0 3 年的 2 1 9 亿吨到2 0 0 6 年的3 3 亿吨直至2 0 0 9 年的3 2 亿吨。由上面数据可知， 铁矿石的烧结技术的进步，必将带动钢铁行业的发展巧3 。 随着自动控制技术以及信息技术的快速发展，钢铁工业的发展更加自动化、 连续化以及高效化。其中烧结生产的发展主要特点体现在以下几个方面： ( 1 ) 烧结工艺技术不断进步 随着对烧结理论研究的深入，烧结生产工艺在不断改进，因此提高了烧结 机的产量和烧结矿的质量；另一方面努力探寻新的烧结工艺。加强了烧结生产 “三废 的综合利用处理，更加环保怕3 。 ( 2 ) 烧结设备更加大型化 国外烧结机的最大单机面积现在已达到了6 2 0 m 2 ；我国烧结机的最大单机面 积也从建国时期的5 0 m 2 发展到了现在的6 0 0 m 2 。设备大型化后，生产量随之增大， 而且单位面积的设备维修、管理费用的也大大下降，生产效益明显提高，是烧 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 结生产“降本增效 的有效途径之一盯，羽。 ( 3 ) 生产自动化水平不断提高。 工业自动化水平技术的快速发展给烧结生产自动化提供了技术支持，国内 外烧结厂自动化水平逐年提高，烧结矿的产量和质量都得到很大的提高，生产 环境也得到了改善。我国的计算机控制技术比较落后，在烧结方面也一直落后 西方发达国家。虽然今年来建造的大型烧结机都配备了计算机控制系统，但是 由于发展时间比别人短，和西方先进水平有不小的差距，主要体现在各个地区 发展不平衡、缺少精密性能优越寿命长的检测仪表，以及在烧结数学模型和智 能控制系统上有很大的不足四3 。 目前，烧结生产存在以下主要问题： ( 1 ) 能源消耗量大 我国钢铁企业的能耗约占全国能耗总量的1 0 左右，烧结作为钢铁生产重要 组成部分，其能量消耗约占钢铁生产总能耗的1 0 9 6 - 1 5 。烧结过程中能量消耗 主要包括电力消耗、固体燃料消耗、点火煤气消耗等。 ( 2 ) 铁矿石资源短缺 如今，中国已经成为世界上最大的钢铁生产国，国内铁矿石供求越来越不 能满足钢铁的生产，铁矿石的进口规模也越来越大，而价格也在上涨，给钢铁 企业带来巨大的经济压力，企业效益显著下降。由于矿源紧张，有些钢铁厂有 经常处于停产和半停产状态。 ( 3 ) 污染环境 钢铁生产过程工序繁多、工艺流程长、对环境污染严重。其中每炼一吨钢 需要耗水1 0 0 到3 0 0 吨，产生粉尘l o o k g 、废气a o o o o m 3 、废渣0 5 t 。烧结过程 中，主要的污染物是废气中的c 0 2 、s 0 2 、n o x 。由于烧结烟气含尘高、废气量大， 污染物相对浓度很低，而脱硫脱硝的装备非常昂贵，运行成本大，治理难度非 常大。 ( 4 ) 烧结过程控制问题 由于烧结过程很复杂，仅仅利用传统的数学模型进行局部控制无法满足要 求，必须利用人工智能技术。综合运用现代控制理论、烧结理论、人工智能理 论等多学科知识，对烧结过程及其控制的理论和方法进行深入研究，但是现在 的烧结过程控制都无法满足大型烧结机的控制要求，因此需要更加精确的稳定 的自动控制技术1o 1 u 。 1 2 烧结方法和工艺流程 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 l 悬浮烧结 图卜2 典型烧结工艺示意图 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 辖矿富矿粉石灰石白云石碎焦无烟煤，高炉灰轧钢皮 c 1 0 - omm lc - 0 m i n i ，( 2 5 - 0 m m )f 1 0 - o m m ) l l 崮 牛 ， r 1r 卧 3 - n m 几 配科 ； 混合 一水蒸汽 上 布料 煤气 ，0 点火一 上 烧结 i 冁尘l 尘l 陉圾砰： l ；主l i 土il “返矿 l 珀风ll 茹分i 上上 排出废气 l 冷却l 上 冷烧结矿 1 3 烧结过程数学模型及控制模型发展现状 1 3 1 数学模型 烧结过程是一个复杂的工业过程，具有强非线性、强耦合性、不确定性、 时变时滞性等特征。对烧结过程的理论分析以及实验仿真得到的结果对烧结过 程模型的建立和参数的优化有着很大的作用。在实际的生产过程中，通过不断 修正参数来确定最优的结果，通过得到的参数可以用来提高烧结模型的准确度 4 初始条件来找到烧结料层热曲线的变化。该模型得到了烧结料层高温区冷却时 间随着料层高度变化情况。 澳大利亚的r a r k i nwj a s j 等人通过改变未烧结块的物理性质、化学性质以 及状态来模拟铁矿石的烧结过程。参数通过现场测试得到，混合料性质通过实 验得到，并把这两者作为模型的输入量，通过监测烧结过程的变量来进行模型 计算。但是由于这个模型太过复杂，在当时的计算机上很难计算。 北京科技大学袁熙志教授u 剐对铁矿石烧结的基本理论知识做了非常深入的 研究。用传热学的理论知识来研究烧结过程中的蓄热现象以及温度分布情况， 用流体动力学的知识来分析料层的透气性。 1 3 2 控制模型 日本川崎钢铁公司开发了具有自我诊断功能的专家系统n7 ，这个系统包括 预报系统和反馈控制。预报系统是通过中部风箱出口烟气温度的上升点处的温 度来预报烧结终点，由烧结机机头的风箱的原料透气性来反馈烧结终点的位置。 使用该系统后，烧结机台车烧结终点的波动下降了很多，烧结过程更加稳定， 烧结矿的质量也得到了提高。 美国的r i c h a r dc 【l8 】提出通过模糊控制理论来预报烧结终点，烧结机中部风 箱的温度上升点的温度是关键因素，温度的高低决定烧结终点的超前和滞后。 奥钢安装了模糊控制系统，大致精确的控制烧结终点，基本解决了原系统反应 慢，烧结矿质量差和反矿率大的缺点。 中南大学使用人工神经网络的方法建立了烧结矿化学成分的预测模型，研 究开发了实际烧结生产过程的控制系统。基于某钢铁厂的生产实际情况，开发 了预测烧结矿化学成分的专家系统。并在离线状态下使用，发现该系统能够很 好的提高烧结矿的一级成品率，长时间的运行表明该系统的稳定性是非常好 1 9 2 1 o 神经网络、模糊控制和专家系统等智能控制的应用提高了烧结自动化水平， 极大程度上降低了操作人员的工作强度。但是工业上实际的应用以及模型的研 究都非常滞后，导致智能控制基本都停留在最初的简单的检测阶段，离世界先 进水平还有很大的差距，离全面实现烧结过程的多参数多状态的全局控制还有 非常的大差距。 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 4 烧结终点的研究现状 烧结终点作为烧结生产过程的主要操作参数，其具体的位置直接影响了烧 结矿的质量和产量。如果烧结终点超前，烧结矿过烧，烧结机的烧结面积不能 得到有效利用，产量随之下降、单位面积烧结机台车利用系数降低；烧如果结 终点滞后，料层欠烧，返矿率会增加，成品率下降，烧结质量变差。 烧结终点的在线判断方法主要分为以下几种： ( 1 ) 烧结机机尾断面图象法 烧结机卸料区断面图象的亮度、断面红火层的面积与厚度、断面的重心位 置以及灰尘量都直接反映烧结状态的重要信息【2 2 ，2 3 】，并一般被认为烧结料层热量 控制的主要因素。随着计算机技术的发展，对烧结机机尾图象的研究也越来越 多。通过对烧结机即尾图象的高温区分布的分析，可以得到燃烧带的大致位置 以及得到燃烧带的宽度，用来推算烧结终点的位置。 当然通过这种判断烧结生产状态以及烧结终点的方法，难点在于获得具有 代表性的真实的热状态烧结块的表面图象。这种方法只能够大致的推算出烧结 终点的大致位置，无法给出精确的定位。 ( 2 ) 分析风箱废气温度 通过风箱出口废气温度来计算烧结中带你位置r 2 4 2 卯。通过倒数几个风箱的 废气温度来拟合一个二次温度曲线，再通过计算温度曲线的最大值的位置作为 此时烧结终点的位置。但是由于烧结机存在漏风现象，拟合的温度曲线与实际 生产过程中的温度曲线有一定的差别，可以通过研究对这个曲线进行修正。 ( 3 ) 分析废气成分 在开始烧结的过程中，由于烧结矿中的碳粉剧烈燃烧，c 0 ：与c o 的比值会迅 速增大；在烧结过程的中期，由于c 0 氧化成c o ：以及成c o 的过程趋于平衡，所 以c o ：与c o 比值基本保持不变；在烧结过程的末期，由于碳粉基本燃烧完全， c o ：的还原速度大于c 0 的氧化速度，所以，c 0 。与c 0 的比值会下降。因此，我们 可以通过c 0 ：与c 0 的比值的最大值来确定此刻就是烧结终点嘶3 。 通过烧结过程中的化学变化，分析烟气成分。但是废气成分分析仪价格昂 贵，而且使用寿命不长，这样会造成企业的运行成本上升，所以全国的烧结厂 很少有使用废气成分检测设备的。 ( 4 ) 检测风箱压力法 烧结料层的透气性会随着烧结的进行先降低，后升高。当保存风量不变的 情况下，风箱的负压会随着透气性的变化而变化，当烧结完成后，风箱的负压 应该基本保持不变，可以用风箱负压保持不变的位置来确定烧结终点。 烧结过程的透气性决决定着风箱的负压，但是检测负压的设备比检测温度 6 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 的设备高。 通过在线判断烧结机烧结终点的位置后，可以对烧结过程进行控制，使烧 结终点停留在合适的位置。可以通过神经网络、专家系统和模糊控制的方法来 控制。根据控制策略的不同，有以下几种烧结控制的方法： ( 1 ) 根据烧结终点的判断进行控制( 反馈控制) 3 通过在线判断出烧结终点的位置，来调节烧结机台车的速度，最终实现烧 结终点的控制，使其稳定在一定的范围。但是，反馈控制都存在滞后的现象， 特别是在初始条件波动较大时，会引起烧结机机速的频繁和大幅度的调整，对 烧结生产过程反而产生了不利的影响。 ( 2 ) 通过预测烧结终点来控制啪3 首先需要建立与烧结终点之前相关的一些参数与烧结终点之间的模型，并 通过所建立的数学模型预测烧结终点的位置，然后通过预报值对烧结机的台车 进行控制。根据建模方法不同，可以分为三类： 分析机理建模法 燃烧带的垂直烧结速度和台车的水平移动速度是决定烧结终点的位置的两 个关键因素，而燃烧带的燃烧主要考虑的是透气性和烧结机内负压的大小，水 平移动速度由电脑控制。所以可以根据物料的透气性、烧结废气的流量、烧结 料层的高度等参数来预测烧结终点的位置3 。 这种方法是从烧结机理出发来研究烧结过程的变化，通过建立燃烧带自上 向下移动的模型，可以用来控制烧结终点。但是由于在线检测装置非常昂贵， 所以现在应用性不大。 分析数据建立预报模型法 智能控制技术的飞速发展，为以分析生产数据建立预报模型提供的基础。 所以现在的很多学者都通过用分析数据的方法来建立模型，用来预报烧结终点 的位置。 中南大学李桃b 0 3 根据实际的生产数据建立了风箱出口烟气温度的拐点与烧 结终点的关系的数学模型，通过结果预报烧结终点的位置。但是风箱出口温度 与烧结机篦条出口温度有一定的差别，在一定程度上影响了预报烧结终点位置 的准确性。 刘长青等人3 根据现场生产的数据选取了料层高度、点火温度、烧结机机 速和料层透气性做为输入值，大烟道平均压力和温度、烧结机机尾风箱的压力 和温度作为输出值，采用神经网络对烧结机的烧结过程进行了仿真和控制，并 且提前预报烧结终点的位置。但是由于输入量和输出量的变量太多，大大增加 了控制过程的难度。 7 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 数据分析+ 专家经验 中南大学王亦文等人眦1 针对烧结工艺过程，提出了集合数据分析与专家经 验的预报模型。首先具有自应能力的神经网络技术建立了烧结终点的预测模型； 然后利用专家知识和经验建立模糊逻辑规则的烧结终点预报模型；最后通过数 学中的最优组合算法集成两种不同的模型成烧结终点的预报模型。在线预报结 果表明：通过这种集成的预报模型能够比较准确的反映实际的烧结生产过程， 具有比较高的精度。 ( 3 ) 通过风箱废气温度值来控制烧结终点( 前馈控制) b 3 3 通常情况下，烧结终点都是通过烧结机风箱废气温度曲线来计算而来的。 但是由于烧结料层的收缩已经烧结机的漏风，影响了烧结终点判断的准确性。 所以，有的研究者通过其它状态参数来前馈控制烧结机的烧结终点，并且取到 了很好的效果。 日本钢铁公司提出了b r p ( b u r nr i s i n gp o s i t i o n ) 这一概念，取某个位置上 的烧结废气温度作为输入量，来提前控制烧结终点的位置b 4 】。这种方法必须是 在b r p 运行稳定一段时间后才能控制烧结终点的。如果在运行时间，调节烧结 机的台车速度的话，就会引起烧结终点的变化。 ( 4 ) 前馈控制+ 反馈控制嘶3 东北大学申燕等人提出了前馈控制一反馈模糊控制的方法来控制烧结终 点。反馈部分以温度和温度变化值作为参数，烧结终点的位置计算通过采用二 次曲线拟合法得到；而中部风箱废气温度的上升点的温度值作为前馈输入量， 通过模糊算法得到烧结机台车速度该变量。 1 5 论文的提出 随着我国钢铁行业迅猛发展，所需烧结矿的产量也日益增大，烧结矿的产 量和质量直接影响整个钢铁行业的效益。本文在计算机模拟烧结过程的基础上 准确判断的烧结终点位置，根据模糊控制理论对台车速度实行在线控制，以提 高烧结矿产量和质量，充分发挥烧结机的利用效率。 本文的主要内容及方法包括以下几个方面。 ( 1 ) 建立烧结机烧结过程的三维物理数学模型 通过某钢铁厂提供的烧结机尺寸数据，建立烧结机烧结过程三维物理模型。 利用有限容积法建立烧结机温度场，速度场，压力场非耦合的三维数学模型。 ( 2 ) 对烧结机烧结过程进行数值模拟并对模拟结果经行分析 采用内热源放热对烧结机烧结过程进行模拟，得到烧结机烧结过程固体以 及出口烟气温度分布情况，基于仿真结果，判断烧结终点位置。 9 中南大学硕士学位论文第二章烧结机烧结过程数值仿真模型的建立 第二章烧结机烧结过程数值仿真模型的建立 本章对烧结机烧结过程数值仿真的物理数学模型的建立进行详细叙述，为后 面章节的模拟提供理论依据。 2 1 物理模型 2 1 1 烧结机烧结过程物理模型 烧结机是大型烧结厂不可缺少的对黑色金属烧结的机器。整个烧结机由冷却 系统，抽风除尘系统，破碎筛分系统，烧结主机，煤气点火系统等部分组成。通 过烧结机，矿粉可以烧结成块并同时有效的消除矿石中的硫，磷等有害杂质。在 抽风烧结的过程中，料层随着台车从左至右缓慢的移动，空气垂直于料层表面从 上至下流动。如图2 1 所示。 空气进入 废气排至风机 图2 1 烧结过程示意图 带式烧结机的混合料层在抽风烧结的过程中，整个料层按其所处的阶段呈现 性质不同的5 个带，从上到下分别为烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带、过湿 带，如下图2 2 所示。 烧结矿带为已经烧结完成的烧结矿，此时进行的是冷却的过程；燃烧带主要 进行的是各种化学反应，包括碳粉的燃烧、石灰石的分解、铁矿石的烧结，燃烧 带放热量大、内热源多，因此温度最高；预热带与烧结矿带的传热过程相似，都 是纯粹的气固传热，干燥带和过湿带主要进行的是水分的蒸发和冷凝，后三个带 在整个台车的烧结过程中，其温度随着上层的热空气通过不断被加热【3 5 】。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章烧结机烧结过程数值仿真模型的建立 烧结矿带 燃烧带 预热带 干燥带 过湿带 空气 lliji ) 烧结矿带 未烧结矿带 i i i2 - 2料层各带示意图 根据已有文献资料p 6 】，可将烧结过程视为一维非稳态模型，据此将烧结台 车的物理模型简化为1 5 x 4 x 0 6 6 ( m 3 ) 的长方体，其尺寸为单个台车现场测定 值，单个台车在烧结机上移动以及气体流动示意图如下图2 3 。 气体v ，弓 jjl 物料二= l 乙二= 0 v ，巧 图2 - 3 气体与物料交叉流动示意图 扩固相流速c ，f 一固相初始和移动后温度 川相流速 乃，巧气相初始和移动后温度 2 1 2 确定计