Молдахметов К.К.

Казахский Национальный Исследовательский Технический Университет имени К.И.Сатбаева, Казахстан, Алматы

Разработка системы управления процессом плавки меди в печи Ванюкова

Печь Ванюкова представляет собой прямоугольную шахту шириной 2,0-2,5 м, длиной 10 и высотой 6 м. В боковых продольных стенах печи на высоте 1,60-2,5 м от подины водоохлаждаемые фурмы для подачи дутья, а если необходимо и углеродистого топлива (природного газа, мазута или пылеугля). Экспериментально установлено, что ни один из известных огнеупоров не способен длительное время противостоять воздействию нагретого до 1500-1600 К шлака при энергичном его перемешивании.

Рис. 1. Схема печи Ванюкова

1 - шихта; 2 - дутье; 3 - штейн; 4 - шлак; 5 - газы; 6 - кладка печи; 7 -медные литые кессоны; 8 - фурмы; 9 - загрузочная воронка; 10 - аптейк; 11 - штейновый сифон; 12 - шлаковый сифон. Для надежного ограждения расплава потребовалось смонтировать боковые и торцевые стены шахты из массивных охлаждаемых водой медных кессонов, расположенных в зоне перемешивания шлака от уровня около 1 м ниже оси фурм, до уровня 3,5 м выше оси фурм. Горн шахты печи ниже кессонированного пояса выполнен из огнеупорного кирпича. В торцевых стенах горна созданы два переточных канала для вывода из него шлака и штейна. Снаружи к шахте печи у переточных каналов герметично примыкают емкости, сообщающиеся через них с внутренним пространством шахты, называемые шлаковым и штейновым сифонами. В стенах этих сифонов предусмотрены щелевидные окна, положение порога которых определяется соответствующим уровнем слива шлака и штейна. Объект управления – промышленная установка ПЖВ. Промышленная установка Ванюкова БГМК представляет собой двухзоннуюкессонированную печь с непрерывной сводовой загрузкой в зону плавления, боковым дутьем в расплав и непрерывным выводом продуктов плавки из реакционной зоны. Шихта составляется заранее на всю кампанию по расчетам режима плавки и данными о составе перерабатываемых материалов. Попадая в расплав шихта нагревается, растворяется, высшие сульфиды шихты диссоциируют, образуя простейшие сульфидные соединения и элементарную серу. Печные газы выводятся из каждой зоны по газоходам и направляются в систему, состоящую из циклонного фильтра, скруббера, камер дожигания СО и охлаждения, и поступают либо в дымоход, либо в систему получения элементарной серы. Из характеристики процесса переработки материалов в печи ПЖВ на БГМК можно заключить, что объект управления представляет собой технологический процесс со сложной взаимосвязью характеризующих его параметров. Среди особенностей печи ПЖВ БГМК следует выделить: – малую инерционность объекта по каналу: дутье - температура расплава и отходящих газов и относительно большую по каналу: дутье, состав входных продуктов - состав штейна и шлака; – объект можно отнести к классу непрерывных (непрерывная подача шихты, дутья, непрерывность основных преобразований (нагревание, плавление, окисление, восстановление материалов, массо- и теплообмен) и непрерывный выпуск шлака и периодический - штейна, непрерывный отсос отходящих газов); – многомерность технологического процесса, характеризующегося большим количеством входных и выходных переменных; – нестационарность параметров процесса в следствии колебаний значений входных переменных, из за недостаточного усреднения шихты; – неполноту информации (наличие периодически контролируемых параметров, а также запаздываний как на самом объекте, так и в каналах измерения, значительный уровень помех в последнем и т.д.); – узкий рабочий диапазон температуры расплава в плавильной зоне; – процессы переработки различных видов сырья, исследуемых на установке ПЖВ, имеют существенные отличия в характере протекания физико-химических явлений. Управление плавкой в ПВ на БГМК осуществляется в настоящее время мастером смены или оператором, на основе опыта и субъективного анализа показаний контрольно-измерительных приборов (КИП) (давление и расходы в системах воздухо-, кислородо- и газоснабжения, расходы и температура охлаждающих агентов и др.) данные визуальных наблюдений (уровень расплава, температура расплава, состояние системы загрузки и др.), результаты химических анализов, поступающих с большим опозданием и других сведений обслуживающего персонала о состоянии отдельных составляющих технологического процесса, а также на основе предварительных расчетов материального и теплового балансов. Имеются системы автоматического контроля некоторых переменных, как температура в отстойнике, раствора и газа в газоходе на выходе из скруббера и в других точках газохода, давления отходящих газов из печи в различных точках газохода, контроль влажности загружаемых веществ, измерение концентрации кислорода, подаваемого с дутьем, и концентрации SO₂ на выходе из печи, а также системы стабилизации важнейших режимных параметров процесса регулирования разряжения в печи, регулирования количества отходящих газов в различных точках газоходной сети, регулирования расхода.

Рис. 2. Структура системы управления процессом плавки в ПВ

Х₁ – скорость загрузки концентрата; Х₂ = Х₆/Х₁ – соотношение «дутье-загрузка»; Х₃ – обогащение дутья кислородом; Х₄ – влажность концентрата; Х₅ – разность температур воды на входе и выходе; Х₆ – расход дутья; Y – уточненная скорость загрузки концентрата; N – число оборотов газодувки; Р – разряжение под сводом ПВ. Необходимо отметить, что ни на одной установке ПВ до сих пор не существует системы оптимального управления процессом, что в первую очередь связано очевидно с отсутствием достаточно адекватных математических моделей данного процесса. Нами для реализации идеи оптимального управления предлагается структура системы управления процессом, включающей имеющиеся системы автоматической стабилизации входных (подсистема стабилизации входных переменных) и выходных переменных с обратными связями (подсистема стабилизации манометрического режима) с добавлением к ним подсистем оптимального управления и интеллектуальной подсистемы. При этом подсистема оптимального управления на основе данных о химсоставе исходной шихты с помощью математической модели и одного из методов поиска экстремума некоторой целевой функции F_ц рассчитывает оптимальные значения переменных Х₁^* – Х₆^*. В приведенной структуре предполагается использовать интеллектуальную подсистему, которая на основе полученной от подсистемы оптимизации данных Х₁, Х₂ и Х₃, а также входных переменных Х₄ и Х₅ рассчитывает уточненное значение скорости загрузки концентрата. Это связано с тем, что в случае, если классические методы построения математических моделей окажутся недостаточными для адекватного описания данного процесса необходимо задействовать современный математический аппарат теории нечетких множеств. Этот инструмент позволяет математически описывать не сам процесс, а строить модель управления им на основе знания, опыта и интуиции технологов-металлургов. Скорость загрузки концентрата является определяющей для всего процесса плавки, поэтому для ее расчета необходимо использовать знания, опыт и интуицию металлургов.

Литература:

1. Аверкин А.Н., Батыршин И.З., Блишун А.Ф. и др. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука.

2. Федоров А.Н., Павлов Р.А., Безрукова Ж.Н., Гидродинамическое моделирование ванны расплава печи в Ванюкова // Изд. Вузов.

3. Алиев Р.А., Захарова Э.Г., Ульянов С.В. Нечеткие регуляторы и интеллектуальные промышленные системы управления // М.: ВИНИТИ