[科普中国]-烧结混合料

简介

在我国, 90 %以上的高炉入炉炉料是靠烧结法提供的, 可以说, 烧结对于我国的钢铁工业起着举足轻重的作用。烧结混合料的水分含量及水分含量的稳定性对混合料的透气性影响非常大, 烧结混合料的透气性对烧结矿的质量和烧结生产率影响又很大, 所以, 实现混合料水分控制的自动化是提高烧结生产率和经济效益的关键。

长期以来, 烧结配水的过程在很大程度上是由操作工凭经验来控制的, 由于生产数据采集和检测中存在滞后与波动, 以及操作者存在操作知识的差异、判断能力的高低、环境等诸多因素的影响, 人工操作不可避免地导致操作控制的波动, 从而给生产带来不利的影响, 尤其是随着烧结机设备向大型化发展, 这种影响就更大。

工业现场运行证明, 采用常规的PID 控制, 难以满足运行控制指标的要求, 采用一般的自适应控制效果也不理想, 大多数工业现场仍采用人工手动的控制方式。因此, 设计有效的自动配水控制系统成为亟待解决的问题1。

烧结混合料的制备本方法包括将湿铁矿混合料发送到造球机工作腔内；采用滚动法造球，此时形成球团矿上升撤落层和下降撤落层；将湿混合料导向压缩气流上，从而形成气体湿混合料流，将气体湿混合料流引向球团矿上升层，此时便向球团矿表面喷撤湿混合料，用湿混合料处理球团矿。混合流对球团矿表面的压力构成诺浩。本发明可提高球团矿的强度12.6-18.2%，提高造球机生产效率8.2-14.4%。由于喷撤混合料，在造球过程中湿球团矿的质量增长速度提高了0.4-5.1倍，而硬化速度提高了0.15-0.32倍。向球团矿喷撒混合料时水分冲击强度提高了0.16-1.75倍，而球团矿水分在喷撒之后降低了10-40%，这样在烧结机中进行热处理时可降低燃烧5-10%，提高生产率2-4%。采用本方法不必停产,设备体积小,装备消耗低，而且便于管理。本发明可用于各种散装材料的烧结，造粒等工艺中。

烧结混合料的加工通过混合和接着的造粒加工烧结混合料，该烧结混合料包括具有细组分的矿石、至少一种助熔剂、来自后续烧结过程的烧结返料和必要时的粘合剂。为了实现高产量，其中避免装置部件的磨损和由此引起的运行故障，在矿石与助熔剂并与必要时配有的粘合剂混合以后添加烧结返料。

现场工艺及难点考虑烧结混合料水分的在线测量难的主要原因在于:从混合机出来的混合料下料不均匀, 料面起伏不定,有时还会发生堆料现象; 物料表面有大量蒸汽, 热返矿的多少对蒸汽多少的影响较大, 而且在冬季为提高料温而加入的预热蒸汽使蒸汽的影响更加严重。因此, 要实现烧结混合料水分的在线测量, 除需要在测量方法上完善测量技术外, 还必须要考虑各种干扰因素的影响, 并采取相应的工艺措施进行保护处理。

在烧结混合料的一混、二混两次配水过程中, 有多种因素会产生对过程的扰动, 要实现对配水的较好控制, 就必须对各干扰因素有充分的考虑, 对混合料进行自动配水控制的扰动因素有:

(1) 从配水调节到混合料含水量的检测需要经过3～5min 的延迟时间;

(2) 进入到一混(二混) 的混合料的流量及水分值的波动;

(3) 配料输送中产生断料、停料过程;

(4) 冷、热返矿的流量及温度变化;

(5) 生石灰消化过程中对水分的影响;

(6) 配水用水源压力的波动;

(7) 混合料在输送过程中环境对水分的影响;

(8) 给水调节阀门的阀门特性。

考虑到各种因素对过程的影响, 该过程可看作是一个多变量、大滞后的过程。由于数据测量的误差以及生产过程的大滞后性, 频繁的调整会造成生产上大的波动。

综上所述, 烧结混合料水分的在线测量问题和控制对象的大滞后问题, 是烧结混合料水分控制问题的两大主要难题。

自动配水控制系统的实现针对自动配水控制系统存在的问题, 北京金日新事业技术有限公司投入精力进行研究, 最终开发设计出解决存在大滞后的烧结混合料自动配水控制系统,并在鄂钢烧结厂进行了实际应用, 取得了显著的效果。

从自动配水系统结构框图可以看出, 整个系统可以分为五个部分: 现场数据采集部分、控制输出部分、配料数据传送部分、配水控制站和配水操作站。

现场数据的采集是应用研华数据采集模块, 通过RS485 通讯把现场信号传送到配水控制站; 配料数据的传送就是配料工控机把配料数据通过RS485 通讯传送到配水控制站; 控制输出是通过RS485 通讯把控制站计算出的控制值应用研华模块输出给执行器进行控制调节; 配水操作站作为人机交互的窗口, 显示系统的监控信息和便于用户查询历史的生产数据信息, 接受用户的设置和参数输入; 整个系统的核心是配水控制站, 在控制站内综合所有的数据信息, 并对数据信息进行处理, 通过控制器的控制算法进行处理, 实现最终的自动控制输出。操作站同控制站之间通过以太网实现信息的交换, 实现各自的任务。

1在线水分测量

在烧结混合料的水分测量方面应用最多的主要有两种方法: 中子在线测量和红外在线测量。这两种方法各有长处, 可以根据用户的实际需要进行选择, 因放射性产品存在放射性, 国家对放射性产品的使用要求比较严格, 在此主要介绍红外在线测量的方法。

红外水分仪的测量原理是: 水对一些特定波长的红外光表现出强烈的吸收特性, 当用这些特定波长的红外光照射物料时, 物料中所含的水就会吸收部分红外光的能量, 含水越多吸收也越多, 因此可以通过测量反射光的减少量来计算物料的水分。

在线红外水分仪的应用相对于中子在线水分仪来说比较成熟, 但其在烧结混合料的水分测量应用也刚起步, 对于烧结现场的特殊测量环境, 还需要采取许多的工艺措施来提高红外水分仪的测量精度和稳定性。通过在现场的应用及大量实验, 我们已经总结出使用红外水分仪的应用方法和保护措施, 确保了红外水分仪的测量精度和稳定性, 为系统的自动控制提供了基础。

2水分控制

由于烧结配水过程是一个典型的大滞后过程, 所以系统的控制器采用专用的J RPS 控制软件, 它可以随着过程对象的增益变化动态调整当前控制策略, 从而实现对于过程增益变化的自适应控制, 具有滞后时间变化时的抗滞后能力, 这种技术极大地提高了抗滞后控制的有效性和实用性, 可以有效地解决工程对控制的要求。

在控制回路的配置上, 采用水分—给水流量的串级控制回路, 前馈与反馈相结合的方法: 外环控制被控变量是水分值, 操作变量是给水流量, 即内环控制器回路给定值; 内环控制回路的被控变量为给水流量值, 操作变量为给水阀门开度。

其中, 总流量、冷返矿流量、热返矿流量为外环前馈量, 水压力为内环前馈量。

(1) 控制器

J RPS 控制软件的核心是相对独立的控制器, 分为专用抗滞后控制器和普通控制器。根据不同的现场工艺情况, 通过控制器的接口可以方便地实现组态。

J RPS 控制软件组态后同外界数据交互的方式也比较灵活, 可以通过DDE 的方式连接, 也可以通过OPC的方式进行连接。在本配水系统中采用的是OPC 连接方式, J RPS 控制软件作为OPC 的客户端,组态软件作为OPC 的服务器, 这样由J RPS 控制软件组态的控制回路就象一个子函数, 可以被系统调用, 完成系统的控制。

本系统中由控制软件组态实现的是串级控制回路, 外环选用专用抗滞后控制器, 可以解决控制对象存在的大滞后问题, 内环选用普通控制器, 实现内环水流量控制。

(2) 前馈考虑

在配水过程中对混合料水分会产生影响的因素主要有: 配料总流量的变化、生石灰流量的变化、冷热返矿的流量变化、进入混合机的混合料原始水分的变化; 在控制过程中给水的压力变化会影响给水流量的控制, 引起内环波动, 进而影响系统的水分波动。

综合考虑各干扰因素之间的关系, 在系统中需要考虑的前馈量有: 配料总流量、冷返矿流量、热返矿流量和水压力, 其中前三个量为外环前馈量, 后一个量为内环前馈量。在现场进行调试的过程中, 根据各前馈量的变化引起的干扰大小进行相应的前馈增益值的设定, 使得控制器能够在各前馈量变化时及时得到响应处理2。

总结最初的仿真实验及现场的实际生产应用都显示出了本自动配水系统的可行性和有效性。

系统实际应用时的控制曲线, 是在给定初始值偏大, 使得水分测量值高出目标值的前提下观察控制器的控制效果的控制曲线图。

目标值是指给定的目标水分值, 加水流量是控制输出的加水流量值, 水分值是实际测量的水分值。

由上面的仿真和实际应用可以看出:针对烧结混合料设计的自动配水系统是成功的, 而且在实际的生产过程中也显示出该系统的优越性。系统由于采用专用的控制器, 不但能够解决加水过程的大滞后, 而且系统本身设计了自学习功能, 可以在不具备投入全自动控制的条件下(例如在配水的启动过程中, 系统还没有检测到混合料的水分值) 接管系统的控制, 根据进入混合机的混合料的总流量查询以前生产过程中学习到的最佳控制值, 作为当前的控制输出, 当检测到混合料的水分值后, 再切换到控制器进行自动调节控制。这样, 使系统的启动停止全部由上位机自动切换完成, 无须人工对系统的启动过程进行干预, 不但为用户减轻了工作量, 而且提高了经济效益3。