Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние процесса производства чернового никеля 11
1.1 Добыча никелевого сырья 11
1.2 Переработка сульфидного никелевого сырья 12
1.3 Технология восстановительной плавки оксида никеля в электродуговых печах 16
1.4 Химические процессы в процессе восстановительной плавки монооксида никеля . 17
1.5 Характеристика сырья, продуктов плавки и оборудования. 21
1.6 Автоматические регуляторы мощности дуги 25
1.7 Общие сведения об электропечной дуге 31
1.8 Исследование гармонического состава фазного напряжения электродуговой печи. 36
1.9 Исследование постоянной составляющей переменного напряжения электропечной дуги 36
1.10 Выводы по главе 1 44
Глава 2 Лабораторные и промышленные исследования 45
2.1 Лабораторные исследования. 45
2.1.1 Описание оборудования и методики проведения эксперимента. 45
2.1.2 Изучение зависимости постоянной составляющей от длины дуги. 51
2.1.3 Изучение влияния температуры и интенсивности охлаждения электродов на постоянную составляющую. 54
2.2 Промышленные исследования 64
2.2.1 Оборудование, используемое для проведения производственных экспериментов. 64
2.2.2 Программа эксперимента. 65
2.2.3 Анализ графика загрузки компонентов шихты 66
2.2.4 Характер изменения фазного напряжения в течение плавки. 71
2.2.5 Анализ работы регулятора положения электрода. 76
2.2.6 Характер изменения постоянной составляющей переменного напряжения в течение плавки. 81
2.2.7 Характер изменения силы тока фазы в течение плавки 84
2.2.8 Анализ полученного аудиосигнала шума работающей печи. 85
2.3 Выводы по главе 2 98
Глава 3 Разработка модели процесса 100
3.1 Обобщенная модель процесса плавки оксида никеля в дуговой печи. 100
3.2 Постоянная составляющая напряжения в электрической дуге. 100
3.2.1 Постоянная составляющая напряжения в приэлектродных зонах 101
3.2.3 Плотность тока в столбе дуги. 103
3.2.3 Постоянная составляющая напряжения столба дуги. 105
3.3 Постоянная составляющая напряжения расплава. 106
3.4 Модель электрической цепи электродуговой печи. 107
3.5 Математическая модель регулятора положения электрода 109
3.6 Модель изменения вещественного состава реакционной массы . 114
3.7 Нелинейная модель уравнения измерений постоянной составляющей 120
3.8 Выводы по главе 3 126
Глава 4 Разработка системы управления загрузкой компонентов шихты 127
4.1 Система управления загрузкой шихты. 130
4.2 Метод оценки состава расплава с помощью акустического анализа шума печи. 136
4.3 Выводы по главе 4 141
Заключение 142
Список литературы
- Химические процессы в процессе восстановительной плавки монооксида никеля
- Изучение зависимости постоянной составляющей от длины дуги.
- Характер изменения силы тока фазы в течение плавки
- Модель изменения вещественного состава реакционной массы
Введение к работе
Актуальность работы.
Процесс восстановительной электроплавки закиси никеля в электродуговых печах проводится таким образом, чтобы состав металла в печи в течении всей плавки был близок по содержанию углерода к готовому, и чтобы операция доводки занимала незначительное время. При надежной системе дозировки компонентов шихты операция доводки чистой закисью может оказаться вообще излишней.
Внедрение автоматической дозировки и загрузки в электропечь шихты позволит иметь в печи на протяжении всей плавки готовый к розливу металл, содержащий заданное количество углерода. Переход на такой непрерывный режим плавки позволит резко увеличить время нахождения печи под нагрузкой, коэффициент использования мощности трансформатора и удлинить срок работы печи.
Высокая температура, агрессивная реакционная усложняют задачу автоматизации. Управление процессом восстановительной плавки осуществляется вручную, изменяя расход компонентов шихты по результатам периодического анализа отбираемых проб. Проба при этом проходит визуальный анализ. Такие методы не обеспечивают оперативность и оптимальность управляющих воздействий.
Создание и совершенствование электроплавки в дуговых печах и алгоритмов управления процессом были и остаются актуальным предметом научных исследований многих отечественных и зарубежных ученых. Существенный вклад в разработку данных вопросов внесли такие специалисты как Я.Б. Данцис, В.А. Ершов, Г.М. Жилов, Л.Е. Никольский, А.А. Педро, Г.А. Сисоян, Сергеев П.В., и др. Хорошо известны результаты работ в области изучения электрической печной дуги зарубежных авторов А. Энгеля, М. Штенбека, В. Финкельнбурга, которые можно использовать для решения широкого круга научных задач.
Одним из перспективных направлений в этой области является получение информации о протекании процесса в печи по изменению
характера электротермических преобразований внутри печи. Так, в зависимости от различных условий плавки, таких как температура, форма дуги, общее сопротивление шлака и металла, в напряжении дуги появляется постоянная составляющая разной величины. Указанная тема недостаточно разработана как в отечественных, так и зарубежных работах, а применительно к процессу восстановительной плавки никеля в электродуговой печи рассматривается впервые. Имеются только отдельные, довольно общие сведения, опубликованные в открытой литературе по другим отраслям металлургической промышленности. Информация об использовании систем управления на основе измерения постоянной составляющей печной дуги в современной научно-технической литературе практически отсутствует. Таким образом, решение поставленной задачи характеризуется актуальностью, новизной и практической значимостью.
Цель работы – повышение эффективности автоматического управления технологическим процессом восстановительной плавки оксида никеля в электродуговой печи.
Основные задачи исследований:
1. Научно-технический анализ современного состояния и пер
спектив развития технологии восстановительной плавки оксида ни
келя в электродуговой печи и систем автоматического управления
технологическим режимом печи;
2. Определение зависимости постоянной составляющей
фазного напряжения электродуговой печи от технологических пара
метров плавки, таких как состав расплава, фазного напряжения и
тока.
-
Разработка системы определения состояния расплава на основе спектрального анализа звукозаписи шума электродуговой печи.
-
Разработка модели процесса плавки, включающей описание химических процессов в расплаве печи, определяющих появление в напряжении дуги постоянной составляющей и алгоритма управления положением электрода.
-
Разработка экспериментальной установки для определения зависимости между параметрами электрической дуги и технологическими параметрами плавки.
-
Синтез системы управления с обратной связью по эталонному значению постоянной составляющей переменного фазного напряжения и апробация на основе архивных данных.
Методология и методы исследования. В работе были использованы экспериментальные (заводские) исследования процесса плавки, а именно, измерение фазного напряжения печи в течение плавки, выделение его постоянной составляющей, запись звука работы печи, а также данные, полученные при работе с лабораторной установкой. Синтез регулятора производился в программном продукте Matlab. Тестирование работы предложенной системы управления производится по архивным данным процесса плавки. Программа для сбора экспериментальных данных выполнена в программном пакете LabView.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:
-
Определена зависимость электрических параметров работы печи, а именно постоянной составляющей переменного напряжения печи, от технологических параметров плавки, таких как концентрация компонентов расплава.
-
Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать указанные технологические параметры на основе измеренных значений постоянной составляющей фазного напряжения, тока и контрольных значений постоянной составляющей и тока при прочих известных условиях.
3. Предложены принципиальные схемы автоматического
управления технологическим процессом на основе определения
концентрации компонентов расплава.
Практическая значимость работы:
1. Разработанная модель процесса плавки может быть использована для изучения различных режимов плавки, связи температур-
ного, электрического режима и параметров загрузки компонентов шихты.
-
Предложенная система управления с прогнозирующей моделью может быть реализована в отраслях промышленности, использующих плавку в электродуговых печах в технологическом процессе.
-
Научные результаты работы являются дополнением к материалам учебного процесса факультета переработки минерального сырья Национального минерально-сырьевого университета «Горный» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы путем экспериментальных исследований, сопоставления результатов численных расчетов разработанной модели и ранее опубликованных данных, тестирования работы системы управления на основе базы архивных данных о протекании технологического процесса.
Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горнодобывающих и перерабатывающих предприятий» в г. Санкт-Петербург в 2012 г.,
на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в минерально-сырьевом комплексе на базе научно-практических достижений, автоматизации и диспетчеризации предприятий» в г. Санкт-Петербург в 2013 г.,
на международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в минерально-сырьевом комплексе на базе научных достижений, автоматизации и диспетчеризации предприятий» в г. Санкт-Петербург в 2014 г.,
на XIII всероссийской научной конференции «Вузовская наука – региону» в г. Вологда 25 февраля 2015 г.,
на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2015 г.
Личный вклад автора состоит в анализе применяемых технологий восстановительной электроплавки оксида никеля, проведении заводских и лабораторных экспериментальных исследований, создании обобщенной модели процесса плавки и схемы управления процессом, обработке и обобщении результатов исследований, в апробации достигнутых результатов и подготовке публикаций.
Публикации. Тема диссертации освещена в 5 научных трудах, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, получено 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка. Содержит 151 страницу машинописного текста, 76 рисунков, 9 таблиц и список литературы из 89 наименований.
Химические процессы в процессе восстановительной плавки монооксида никеля
Мировые запасы никеля на январь 2015 года оцениваются в 81 млн т. Примерно 60% от этих запасов составляет доля окисленных (латеритных) руд, остальные 40% составляют запасы сульфидных медно-никелевых руд. Первое место по запасам занимает Австралия с 19 млн т. На втором и третьем - Новая Каледония с 12 млн т и Бразилия с 9,1 млн т соответственно. Россия располагается на четвертом месте по объему запасов никеля, он оценивается в 7,9 млн т. [1]
Качество руд российских месторождений никеля в целом высокое. Сырьевая база включает преимущественно месторождения сульфидного медно-никелевого геолого-промышленного типа. Основу российской сырьевой базы составляют пять месторождений Норильского рудного района, приуроченных к Норильско-Хараелахской металлогенической зоне на севере Красноярского края; они заключают две трети российских запасов никеля. Среди них выделяются Октябрьское (содержит 37% разведанных запасов страны) и Талнахское (25%) месторождения, руды которых характеризуются очень высоким качеством. Средние содержания никеля в сплошных сульфидных разностях руд достигают 3,21%, во вкрапленных рудах они колеблются от 0,52% до 1,07%. [2]
Медно-никелевые месторождения Печенгского рудного района Имандра-Варзугской металлогенической зоны (Мурманская область) существенно уступают норильским как по масштабу, так и по качеству руд. Преобладают бедные прожилково-вкрапленные разности, среднее содержание никеля в рудах – около 0,55%. Богатые сплошные сульфидные руды самого крупного Ждановского месторождения, запасы которого составляют около 8% российских, полностью отработаны. Высокими содержаниями никеля характеризуются массивные руды ме 12 сторождений Аллареченское (4,17%) и Восток (7,33%), однако количество их невелико. [2] Еще два крупных сульфидных медно-никелевых месторождения – Кингаш-ское и Верхнекингашское – разведаны в пределах Канской металлогенической зоны на юге Красноярского края. Руды этих объектов относятся к вкрапленным и уступают по качеству не только норильским, но и мурманским – в среднем они содержат 0,41% и 0,46% никеля соответственно. [1]
Сплошные руды сульфидного медно-никелевого месторождения Шануч, разведанного в Срединно-Камчатской металлогенической зоне (Камчатский край), очень богаты – в среднем они содержат 5,93% никеля. Однако этот объект по масштабу относится к мелким. [2, 3]
Определенный интерес представляет Эртельская металлогеническая зона в Воронежской области, где на Еланском рудопроявлении сульфидного медно-никелевого типа локализованы ресурсы категории Р1 в количестве 200 тыс. т. Среднее содержание в рудах оценено в 0,8%. [3]
Силикатные кобальт-никелевые латеритные месторождения играют в сырьевой базе никеля России подчиненную роль. Такие объекты распространены в Свердловской, Оренбургской и Челябинской областях и входят в единую Восточно-Уральскую провинцию, состоящую из ряда металлогенических зон. Месторождения невелики по масштабу; самым крупным является разрабатываемое Бу-руктальское, запасы которого составляют 5,5% российских. Качество руд этих месторождений значительно уступает зарубежным аналогам. [4]
Переработку никелевого сырья можно проводить с использованием пиро- и гидрометаллургических процессов. В промышленной практике металлурги имеют дело фактически с комбинированными технологическими схемами, включающими обе разновидности металлургических методов, как правило, с преобладанием одной из них, что и определяет в конечном итоге наименование технологии. [5] К числу пирометаллургических процессов, применяемых при производстве никеля, относятся окислительный обжиг, различные виды плавок (на штейн, восстановительные, рафинировочные), конвертирование штейнов. Типичными гидрометаллургическими процессами являются выщелачивание, очистка растворов от примесей, осаждение металлов из растворов (цементация, электролиз), а также электролитическое рафинирование никеля. [5]
Переработку никелевого сырья производят в основном пирометаллургиче-скими процессами.
Большую часть (60%) никеля получают из сульфидного медно-никелевого сырья, остальное (40%) – из латеритных никелевых руд. Причем из латеритных руд преимущественно извлекают ферроникель (огневой никель), используемый в черной металлургии. Из сульфидных и отдельных типов латеритных руд извлекается никель высокой степени частоты. [6]
Технологические схемы переработки окисленных (латеритных) никелевых и сульфидных медно-никелевых руд выглядят схожими, так как в них часто используются одни и те же процессы: плавка на штейн, конвертирование штейнов, окислительный обжиг никелевого файнштейна или богатого никелевого концентрата и восстановительная плавка оксида никеля на огневой металл. [7]
Переработка латеритных руд несколько проще и не требует обязательного разделения меди и никеля, как при переработке сульфидных руд. Принципиальная технологическая схема переработки сульфидного медно-никелевого сырья изображена на рисунке 1.1. [7]
Исходным сырьем при плавке на штейн при переработке сульфидного мед-но-никелевого сырья могут служить богатые руды, никелевые или медно-никелевые концентраты. В отечественной практике переработки сульфидных ни-келево-медных руд в основном используется плавка в рудно-термических печах. [8]
Медно-никелевый файнштейн представляет собой в основном сплав сульфидов Ni3S2 и Cu2S, содержащий кобальт, платиноиды и небольшое количество железа. Если такой файнштейн по аналогии с никелевым файнштейном сразу под 14 вергнуть окислительному обжигу с последующей восстановительной плавкой огарка на металл, то это приведет к получению очень сложного по составу сплава, разделение которые на самостоятельные металлы технически невозможно. Поэтому медно-никелевые файнштейны вначале направляют на разделение меди и никеля. [8]
Разделение меди и никеля можно осуществить несколькими методами. Наибольшее распространение получил флотационный метод, при котором никель концентрирует в богатом никелевом концентрате, а медь – в медном. [7]
Флотационные никелевые концентраты процесса разделения меди и никеля вначале подвергают одностадийному окислительному обжигу в печах кипящего слоя при 1100-1200С. Полученный при обжиге оксид никеля содержит до 0,5% S. После выпуска огарка из печи кипящего слоя ее восстанавливают в трубчатых вращающихся печах, что позволяет экономить электроэнергию при электроплавке. [9]
Восстановительную плавку оксида никеля проводят в дуговых электрических печах по технологии, близкой к переработке никелевого файнштейна на огневой никель. Различие заключается в том, что плавку ведут без наведения шлака, а готовый никель разливают на аноды. Полученный анодный никель подвергают электролитическому рафинированию с целью получения чистого никеля высших марок. [9]
Изучение зависимости постоянной составляющей от длины дуги.
Пользуясь этим выражением, можно установить связь между напряжением и длиной дуги как Unc = f(L). На основании этого утверждения был проведен следующий эксперимент. сверяясь с данными контрольных измерений длины межэлектродного промежутка в конце эксперимента после отключения установки.
Материалом обоих электродов являлся графит. В качестве верхнего электрода использовался электрод диаметром 8мм, в качестве нижнего - графитовая подложка. После зажигания дуги верхний электрод не перемещался. Межэлектродный промежуток медленно увеличивался за счет сгорания электрода, что обеспечивало равномерное увеличение длины дуги. После отключения трансформатора измерялся межэлектродный промежуток в конечном положении для определения скорости сгорания электрода. Так как это показано выше, зависимость напряжения дуги от ее длины носит линейный характер, то после зажигания дуги имеет место равномерное увеличение напряжения. Характер изменения напряжения, а также, что при этом вручную медленно увеличивалась длина дуги, можно сказать, что изменение напряжения дуги обусловлено, в большей степени, ростом длины дуги, а в меньшей – колебаниями напряжения питания.
На этом основании можно построить зависимость постоянной составляющей от длины дуги. Эта зависимость описывается полиномом первого порядка. (рисунок 2.4) Эту зависимость иллюстрирует один из графиков, представленных ниже. На графике видно, что постоянная составляющая переменного напряжения линейно растет с ростом длины дуги. Рисунок 2.4 - График зависимости постоянной составляющей напряжения, В от длины дуги, мм. Данная зависимость подчиняется уравнению: Unc = Aj3L + AU0 =0,1431-0,242 (2.13) А/? - постоянная составляющая градиента напряжения дуги, обусловлена разностью условий термоэлектронной эмиссии на разных электродах, В/мм, AU0 - постоянная составляющая напряжения при нулевой длине дуги, В. А/3 и A(/0 могут иметь разный знак. Электрод с меньшим потенциалом имеет большую плотность тока эмиссии, чем электрод с большим потенциалом ионизации. Плотность тока у анода при этом будет больше в тот полупериод, когда катодом является электрод с большой площадью катодного пятна, то есть нижний электрод. В условиях данного эксперимента А/3 0, AU0 0, при этом А/3 может менять знак в зависимости от условий горения дуги.
Величина AU0 не равна разнице суммы приэлектродных падений напряжения дуги AUAK, так как зависимость Unc = f(L) при малых L 0 перестает подчиняться выражению (2.13). Выражение (2.13) действительно для диапазона L є [1,10] мм.
Параметры U, I и L дуги тесно связаны между собой. Это позволяет описать постоянную составляющую как функцию как от длины дуги, так и от ее тока. Тогда эту зависимость можно описать известным выражением (1.24).
При ионизации газа в межэлектродном промежутке ионизации подвергается газ с наименьшим потенциалом ионизации. При горении дуги в воздухе таким газом является оксид азота (II) NO. Допустим, что вблизи большего электрода из-за большей концентрации образующегося оксида углерода ионизации подвергается углерод С. Разница потенциалов ионизации двух веществ AUi=Ui(C)-Ui(NO) = 11,26-9,25 = 2,01B, что соответствует найденному значению AUAK для данного случая.
Говоря об электрической дуге как об источнике излучения можно отметить введенное Окороковым Н.В. допущение об электрической дуге, как о точечном источнике излучения. Это справедливо, так как расстояние от дуги до расчётных точек многократно превышает длину дуги [27]. В то же время, изображая дугу в виде цилиндра, Окороков Н.В. рассматривает дугу как источник излучения бесконечно малых размеров шарообразной формы. А.Н. Макаров в [49] отмечает ошибочность данного утверждения и, ссылаясь на множество исследований, показы 55 вает, что электрическая дуга имеет геометрическую форму, близкую к цилиндрической. Примем последнее утверждение и рассмотрим далее природу в дуговой печи. Экспериментами по разделению лучистой и конвективной составляющих теплового потока на дуговой сталеплавильной печи обнаружено, что суммарные тепловые потоки, падающие на стены, свод, на 85-95 % состоят из потоков излучений. Таким образом, основным видом теплопередачи в дуговых печах является радиационный теплообмен. [41] Таким образом, можно считать QT « QmjI и соответственно: 1 = Оиш (2.16) иг Атмосфера печи в процессе плавки меняется от диатермической, лучепро-зрачной до запыленной, поглощающей-излучающей. При конструировании и расчете параметров теплообмена, обычно, атмосфера печи рассматривается как полностью лучепрозрачная.
Для изложения следующих соображений необходимо привести результаты следующего эксперимента.
Эксперимент проводился на описанной выше лабораторной установке. В качестве верхнего электрода был использован графитовый омедненный электрод диаметром 8мм, диаметр излучающей поверхности электрода 6±0,5мм.
В качестве нижнего электрода был использован графитовый широкий электрод, повернутой боковой цилиндрической стенкой. По сравнению с диаметром электродного пятна диаметр электрода достаточно велик, так что кривизной можно пренебречь и считать нижний электрод графитовый подложкой. Диаметр электродного пятна по данным измерения равен 10±1мм. Номинальная сила тока сети 1ном = 115А, номинальное напряжение (холостого хода) Uo = 47,5. В ходе опыта после соприкосновения электродов была зажжена дуга, затем верхний электроды был медленно поднят, дуга вытянулась. Далее длина дуги не контролировалась и не изменялась вручную. Можно считать, что она незначи 56 тельно изменялась вследствие дрожания электрода и сгорания материала электрода. На графике видно, что после через 3,5с после зажигания дуги напряжение стабилизируется. Идентифицировав коэффициенты a и b, выражения (2.12) можно определить, как изменялась длина дуги по ходу эксперимента.
Выберем промежуток времени от 3.5с до 25с, когда электроды находились в относительного спокойном состоянии и не подвергались перемещению. Характеристики напряжения, тока и постоянной составляющей переменного напряжения выглядят следующим образом.
На графике постоянной составляющей виден переходный процесс, который может быть связан с теплообменными процессами внутри столба дуги. При этом постоянная времени переходного процесса т « 5 с, что значительно больше постоянной времени аналогового фильтра. Постоянная времени однозвеньевого RC-фильтра с номиналами 2кОМ и 80мкОм, как это показано выше, равен г «0,16с. Это исключает предположение о том, что переходные процесс вызван прохождением сигнала через фильтр.
Характер изменения силы тока фазы в течение плавки
От плавильщика в это время требуется определить перекислен металл или нет для того, чтобы сделать вывод о необходимости загрузки дополнительного количества угля. Как правило, оценка производится плавильщиком на слух по характерному оттенку звука на фоне сильного шума электропечи. Отсутствие строгих критериев оценки делает процесс крайне зависимым от квалификации и опыта плавильщика.
Экспериментальные данные представлены двумя группами данных записи шума работающей электропечи: собранных при плавке в печи ДСП и при плавке в печах РКЗ
Рассмотрим первую группу данных. Наряду с записью шума велся график состояния металла, составленный по экспертной оценке плавильщика. Целью анализа спектров сигналов является сравнение шумов печи в моменты времени, соответствующие нормальному и повышенному содержанию оксида никеля в расплаве.
На рисунке 2.31 представлена совокупность АЧХ звуковых сигналов, взятых в различные моменты, по которым можно заметить разницу в спектрах сигналов в моменты времени с различным содержанием оксида никеля в расплаве. Различия наблюдаются в диапазоне частот от 0.8 до 2 кГц.
Для выделения звука нужной частоты рассчитан полосно-пропускающий фильтр с конечной импульсной характеристикой. Звукозаписывающее устройство может быть установлено на различном расстоянии от печи. При удалении или, наоборот, приближении его к электропечи, будет происходить ослабление (усиление) данного сигнала по отношению к эталонному, что может вносить помехи в работу алгоритма. Рисунок 2.31 – АЧХ шума печи для металла в разных состояниях
Чтобы избежать данного эффекта, необходимо определять состояние жидкого металла по отношениям их спектральных мощностей определённых диапазонов частот. С этой целью выбирается ещё один фильтр, аналогичный первому, но уже для другого отрезка частот. Амплитудные пики этого интервала должны соответствовать низким частотам и являются постоянными, т. е. не зависят от состояния металла в выбранный нами момент времени. Такой сигнал назовем опорным, а первый, в таком случае, полезным сигналом.
Алгоритм определения излишнего содержания закиси никеля в расплаве заключается в фильтрации сигналов и получение отношения полученных сигналов. На рисунках 2.32 показан результат обработки сигнала шума электропечи подобным алгоритмом и время сделанных плавильщиком показаний о повышение концентрации оксида никеля. Сопоставление графиков показывает, что пики сигнала совпадают с показаниями плавильщика. [73] Рисунок 2.32 –Зависимость отношений спектральных мощностей полезного и опорного сигнала; вертикальными линиями помечены моменты, когда плавильщик определял металл как содержащий излишнее количество закиси никеля.
Результаты работы данного алгоритма применимы к плавке на печи ДСП. При работе на печах РКЗ и ОКБ найдены другие зависимости.
При проведении промышленных исследований при плавке в печах РКЗ анализировалась амплитуда сигнала на частотах [0,10] кГц. Вначале сравнивались спектры аудиосигналов в конкретные промежутки времени. Определялись участки, на которых в каком-либо диапазоне частот присутствуют всплески амплитуды. Конечной целью анализа является поиск корреляции данных всплесков с другими параметрами: напряжением, током, движением и положением электрода, постоянной составляющей напряжения, высшими гармониками напряжения, проведением загрузки шихты, а также качественной характеристикой расплава, что позволило бы управлять загрузкой шихты на стадии науглероживания и стадией доводки.
Диапазон частот, на которых диагностировались изменения в отдельные промежутки времени, определялся как содержащий полезный сигнал. Определенный диапазон задавался в качестве параметра для цифрового фильтра. Полный сигнал проходил фильтрацию при помощи указанного фильтра. Полученное значение амплитуды диапазона частот проверялось на наличие корреляции с другими параметрами.
В качестве сравниваемых сигналов выбирались те, что были записаны до операции загрузки шихты, во время загрузки и после загрузки. Сравнение первой и второй кривой позволяет определить диапазон частот, на котором появляется шум, связанный с загрузкой шихты через питатели. Сравнение первых двух кривых спектра со спектром третьего выбранного промежутка, когда загрузка уже не производилась, позволяет установить всплески на спектре, не связанные с шумом падающей шихты (рисунок 2.33).
Как это видно на графике (рисунки 2.34, 2.35) при загрузке амплитуда шума значительно увеличивается на диапазоне [500Гц; 10кГц], то есть практически на все диапазоне исследуемых частот. Задача состоит в том, чтобы определить диапазон, всплески на котором будут максимально соответствовать моментам загрузки шихты, и сузить его таким образом, чтобы нивелировать влияние прочих фак 90 торов. Ниже будет приведено сравнение полученных с использованием различных фильтров сигналов. 12 3 4 5 6 RBW=14.67Hz Сравнение спектров аудиосигналов стадии науглероживания (прямая линия) и стадии доводки (линия с крестиками). На рисунке 2.36 показан вид окна для задания параметров фильтра. График на рисунке представляет собой ЛАЧХ полосового фильтра. Фильтры отличаются между собой диапазоном пропускаемых частот и порядком, который определяется кривизной его характеристики.
Модель изменения вещественного состава реакционной массы
На рисунке 3.6 изображена реакция контура печи и регулятора на постоянно присутствующее возмущение. Шум является аддитивным по отношению к напряжению и представляет собой суммарный сигнал двух случайных сигналов с равномерным распределением. Первый сигнал равномерно распределен в диапазон [-30; 30] В, имеет период 0,1с и имитирует возмущения, вносимые волнением расплава, неоднородностью нерасплавленной шихты и дрожанием электрода. Второй сигнал равномерно распределен в диапазон [-200;0], имеет период 3 минуты и имитирует возмущения, вызванные загрузкой в печь очередной порцией шихты.
Изменение концентраций компонентов реакционной массы рассчитано по известным значениям массового расхода компонентов шихты и уравнениям химических реакций, протекающих в реакционной массе: Уравнения (3.24), (3.25) и (3.26) описывают процесс растворения твердых загружаемых компонентов шихты в расплаве. Углерод ограниченно растворим в расплаве никеля, как это показано на рисунке 1.2. При температуре расплава в диапазоне от 1315 до 1600C углерод растворяется в никеле при концентрации от 2,2 до 2,7% по массе. [48]
Растворимость оксида никеля (3.25) изменяется в пределах от 0,94 до 3,75% при температурах от 1453 до 1600C. [62, 48] Скорость растворения твердого никеля в жидкой ванне пропорционально концентрации никеля (3.26). Уравнение (3.27) является суммарным уравнением реакций (1.4) и (1.5). Реакция Будуара (3.28) описывает процесс восстановления оксида углерода (II) до монооксида углерода. Образующийся в ходе реакции (3.27) газ вступает в реакцию с твердым материалом электрода Сэл. При температурах свыше 1000К реакция протекает в направлении продуктов реакции, то есть АО = АН + ТА8 = 172кДж-1000-176Дж/к 0. Вначале загружаемый материал попадает на поверхность расплава, по мере расплавления переходя в жидкую фазу и участвуя в химических реакциях. После того, как материал расплавлен, так как размеры твердой фазы по сравнению с размером всей реакционной массы очень малы, данную систему можно рассматривать как квазигомогенную. Согласно данному подходу можно считать, что реакция протекает во всем объеме реакционной массы.
При моделировании процесса принято допущение, что скорость химических превращений лимитируется скоростью загрузки компонентов шихты в печь, так как массовый расход шихты выбран из того расчета, что загружаемый материал должен достаточно быстро расходоваться в процессе реакций, а не накапливаться на поверхности расплава. Учет времени, необходимого на расплавление шихты по реакциям (3.24-3.26) вносит в модель инерционность. Поступивший материал сразу полностью расходуется по реакциям (3.27-3.29). Такой подход позволяет пренебречь расчетом скорости химических реакций, но при этом соблюсти материальный баланс. [63, 64]
Изменение концентрации веществ в расплаве описывается уравнениями, указанными ниже. Переменная весового расхода компонента шихты является внешним входным сигналом для модели. mx=mt(Cx)+mt {ИЮЖ )+mt (Мж) - текущая масса расплава (жидкой фазы); Где mp=m}K+mt(CTe)+mt(NiOTe)+mt(NiTe) - текущая масса реакционной массы; тг = mt (C02)+mt(CO)- текущая масса образующихся в процессе реакций (3.27) и (3.29) газов; ct - концентрация вещества в расплаве, С - массовая концентрация вещества / в компоненте шихты j, выраженная в долях. G - массовый расход компонента шихты у, кг/с. 117 С течением времени тр и тж, становятся равны, так как загружаемая шихты полностью растворяется в расплаве, но в моменты загрузки шихты тр тж. Скорость реакций (3.24-3.26) соответственно, кмоль/с:
Формулы (3.47) и (3.48) выражают скорость растворения твердого материала в расплаве никеля с учетом ограниченной растворимости в нем. Максимальная величина растворимости углерода в системе никель-углерод при температуре Т а максимальная концентрация оксида никеля - ctT {МО).
Алгоритм работы модели можно описать следующим образом. При загрузке ЧВЗН растет масса твердых компонентов расплава по реакциям (3.34-3.36). Углерод начинает переходить в растворенное состояние, если ct (Сж) г(с). Анало гично, растворяется в никеле оксид никеля, если ct (NiOx) cl{МО). Также постепенно растворяется металлический никель.
Растворенные углерод и оксид никеля вступают в реакцию (3.27). В соответствии с уравнением (3.50) количество прореагировавшего и образовавшегося вещества равно количеству моль того вещества, чье содержание в расплаве меньше. То есть, если углерода в расплаве больше, чем оксида никеля, то реакция (3.27) протекает до тех пор, пока не израсходуется весь оксид никеля. Образуется избыток углерода в расплаве. Если углерода в расплаве меньше, чем оксида никеля, углерод расходуется в результате реакции (3.27), происходит накопление NiO в расплаве.
При загрузке НЗН оксид никеля вступает в реакцию с углеродом, уменьшая его содержание в расплаве. Выделяется восстановленный никель и диоксид углерода. Последний частично удаляется из печи через негерметичный свод печи или систему газоотвода, частично может восстанавливаться до монооксида углерода, вступая в реакцию по формуле (3.28) с углеродом графитированного электрода. Часть CO участвует в восстановлении оксида никеля по формуле (3.29).
При загрузке кокса углерод, растворяясь в никеле, восстанавливает его из оксида никеля. При дальнейшей загрузке кокса происходит увеличение процентного содержания углерода в расплаве.