烧结混合料水分控制系统设计.doc

蒙兴雷:烧结混合料水分控制系统设计 5烧结混合料水分控制系统设计摘 要:本文首先介绍了烧结料水分检测和控制的研究现状，然后介绍了与水分控制有关的混合过程的工艺特点以及水分对烧结生产的影响，最后确定水分检测的方法和水分控制的方案，设计烧结混合料水分控制系统。关 键 词:烧结；混合料水分；控制1 概述1.1选题背景由于中国矿产资源贫矿多富矿少的原因，随着钢铁工业的发展，目前天然富矿越来越少，不得不使用贫矿，但贫矿直接入炉，在经济上和操作上都适宜，因此铁矿石必须经过选矿加工。但贫矿富选后得到的精矿粉,由于其是粉末状不利于冶炼，还不能直接入炉冶炼， 必须经过造块处理，得到人造富矿后才能供高炉使用。目前生产人造富矿的方法主要是烧结法和球团法，其中利用烧结法生产的人造富矿叫做烧结矿。烧结就是在粉状铁物料中配入适当数量的熔剂和燃料，加水混合均匀后在烧结机上点火燃烧，借助燃料燃烧的高温作用产生一定数量的液相,把其他未熔化的烧结料颗粒粘结起来，冷却后将铁矿粉烧结成多孔质块矿，作为炼铁原料1。在我国，高炉入炉的炉料90%以上是靠烧结法提供的。烧结生产的经济及技术指标在很大程度上取决于混合料水分、含碳量和操作控制手段,而水分在三者关系中起着先导作用。烧结矿质量是保证高炉合理布料及获得良好料柱透气性的重要条件。烧结料中的水分含量会影响混合制粒的效果，从而影响烧结过程中料层的透气性，从而影响烧结生产的效率，影响烧结矿的产量和质量，最终会影响高炉炼铁的生产经济指标，影响生铁的质量2。生产操作中,往往由于烧结混合料水分过高引起点火料层点火不好,新鲜风鼓不透料层而引起烧结机频繁调整。所以制粒出料水分含量的恒定（在允许的误差之内）对整个冶炼质量以及经济效益有着决定性的作用。由于现在人工成本的上升以及由操作工人凭经验来控制烧结混合料加水过程的方法的劳动强度大,而且很难及时准确地调节加水量。因此,设计行之有效的自动加水控制系统是降低生产成本，提高企业利润行之有效的方法。1.2烧结料水分检测与控制的研究现状混合料水分检测是水分控制不可缺少的重要环节。水分测定的目的是掌握和控制混合料水分,使其达到工艺上最佳水分含量的要求3。随着自动化检测技术的不断发展，在粉状物料的测水领域出现了多种新的方法、装置和仪器设备。其大体上可分为两类：一类为直接测量，另一类为间接测量。前者是指通过干燥或化学反应直接测出物质中绝对水分含量，精度高，一般作为间接测试法的标定手段，但因其费时而不用于在线测量，如热干燥法；后者是指测量与水分含量相关的物理性质的变化而得到水分含量，应用面广，多用于在线测量，如电导法和红外线测定法。目前应用较多的还是电导法和红外线测定法。配混过程的水分控制主要采用串级控制系统，但是控制效果不理想。随着集散控制系统和人工智能技术的出现和发展,烧结混合过程自动化水平逐渐得到提高，特别是专家系统、模糊控制、人工神经网络智能技术的应用。我国烧结厂的烧结料水分控制应用起步较晚，国内已有的混合料水分控制水平与国外相比还存在一定的差距,有着很大的提高空间。但随着上述技术的不断发展,设计适合我国烧结工艺特点的水分控制系统已经势在必行。2 烧结混合工艺分析与控制要求首先对烧结的混合过程的生产工艺进行简要的介绍，然后在此基础上，确定水分控制的检测和控制方案。2.1混合过程工艺及特点混合工艺的目的一是使原料各组分仔细混匀，从而得到质量较均勾的烧结矿；二是加水润湿和制粒，得到粒度适宜，具有良好透气性的烧结混合料，促使烧结顺利进行。混合料从配料工序出来之后直接进入一次混合、二次混合。混合料的水分含量直接影响烧结矿的产量和质量。混合料加水分为一次混合加水和二次混合加水。下图为混合工艺图。从工艺流程图中可以看出，整个过程是一个复杂的工业过程，具有时滞性、复杂性、有连续性、非线性、时变性和不确定性的特点。2.2水分的来源及作用根据烧结混合料中的水分的来源，水分可分为两类。一类是物料自身带入的水分，这部分水分不仅包括铁矿石、溶剂、燃料本身含有的水分，还包括在转运和处理过程中渗入的吸湿水（例如下雨，下雪等）；另一类是为了混合制粒而在一次混合和二次混合时加入的水。水分是影响烧结过程中的一个重要的因素。水分的作用有以下几个方面4：1、制粒作用:烧结混合料加入适当的水分,通过水的表面张力,在混合料的混合过程中物料相互接触并集聚成团,促使细粒烧结料造成小粒或小球,从而改善烧结机料层的透气性,提高烧结生产率2、减少阻力:水分子覆盖在矿粉颗粒表面,矿物颗粒被湿润,表面变得光滑,从而减少了气体通过料层的阻力3、导热作用:由于水的导热系数比矿石高得多,水分的存在改善了烧结料的导热性,料层中良好的热交换条件有利于将燃烧带限制在较窄的区间内。在比较少的燃料消耗的情况下,容易达到烧结料软化和熔化所需的高温4、助燃作用:固体燃料在完全干燥的混合料中燃烧缓慢,需要在混合料中加入适当的水分。因为和的链式燃烧机理要求火焰中有一定含量的和根,类似锅炉燃煤中掺水助燃。2.3烧结料水分的检测目前常用的粉状物料的水分检测方法主要有以下几种：热干燥测定法、快速失重测定法、电导法、中子测定法、红外线测定法。 红外线水分仪测量的特点5：可以尽量靠近安装点安装；技术成熟，为国外大多数厂所采用；无放射性危害；与物料的流量和料层厚度无关；对物料成分及配比的变化不敏感；响应速度快,测量结果精确度高,有利于实现混合料水分的自动控制。因为红外线水分仪测量具有以上优点，且应用较广、应用效果较好，因此本文选用的红外测定法作为水分测量的方法。具体设备拟定为红外三波长水分仪水。分仪利用水分对特定波长的红外光具有强烈吸收作用这一原理,根据照射到被测物料中的能量损失来测量其水分含量。水分仪测量原理如下图:水分仪的光原发出红外光,经透镜、滤光片和反射镜将平行光反射到被测物体上。其中一部分红外光被吸收,另一部分红外光散射后经凹面镜聚焦到光电转换元件上,受光元件将光信号转换成电信号。二次仪表对这一电信号进行处理、显示并轴出对应于水分值的两路标准模拟信号。其中一路用于水分侧量值的记录;另一路用于智能调节器的测量输入信号6。2.4烧结料的水分控制由于配混过程中间存在着较大的纯滞后，影响水分的因素较多，因此一混和二混均采用前馈-反馈控制系统，调节器的调节规律采用比例、积分和微分作用取长补短、互相配合，适应性较强的比例积分微分（PID）调节，调节器为数字PID调节器。一次加水前馈-反馈系统：原料的输送量和含水量与原料设定含水量比较，计算出加水量，作为一次加水流量设定值前馈作用；由一次混合料的水分计测得的实际水分值，与一次水分设定值的偏差进行反馈校正。二次加水前馈-反馈系统：二次混合机的实际混合料输送量和含水量与目标含水量比较，计算出加水量，作为二次加水流量设定值前馈作用；由给料槽内的水分计测得的实际水分值，与二次水分设定值的偏差进行反馈校正。 3 烧结混合料水分控制系统设计水分检测前馈补偿 原料 一次混合机机调节阀副PID调节器主PID调节器一混水分 实际水分值 一次混合料 设定值公式计算水分检测 水分检测前馈补偿主PID调节器调节阀副PID调节器二次混合机二混水分实际水分值设定值公式计算水分检测烧结混合料水分控制流程图4 结论与展望通过查阅资料以及本学期的课程学习，设计了烧结混合料水分的前馈反馈控制系统，说明了工业自动化的可行性。本文采用的是常规的水分控制PID控制，虽然PID控制适应性较强，但对于大滞后系统，控制仍然很难适应，因此滞后性较大的水分系统应考虑釆用采样控制方案或Smith预估补偿方案。同时本文只是针对烧结混合水分独立的控制，与烧结过程的其他控制缺乏联系性，但随着工业自动化，无人化的发展，专家控制系统、模糊控制 、神经网络控制等智能控制的应用将成为必然。参考文献1王海东等.烧结控制技术的发展,矿冶工程,1999,17（3）:3-6.2张锋.烧结混合料水分控制系统的设计与应用. 辽宁: 东北大学信息科学与工程学院硕士论文,2011.3傅菊英,姜涛.烧结球团学.湖南:中南大学出版