Горенский Б.М., Кирякова О.В., Даныкина Г.Б. Информационные технологии в металлургии. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ЦИКЛУ ЛАБОРАТОРНЫХ

РАБОТ

Дисциплина «Информационные технологии в металлургии»

(наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом)

Укрупненная группа 150000 «Металлургия, машиностроение и материалооб-

работка»

(номер и наименование укрупненной группы)

Направление 150100 - «Металлургия»

(номер и наименование направления, специальности)

Факультет Фундаментального образования

Кафедра Прикладной математики и автоматизированных систем управления

Красноярск

2007

УДК681.3:669.02/.09

Информационные технологии в металлургии: учебное пособие по цик-

лу лабораторных работ.

Составители Б.М. Горенский, О.В. Кирякова, Г.Б. Даныкина / ФГОУ

ВПО “СФУ” ИЦМиЗ. – Красноярск, 2007. – 118 с.

Приведены общие принципы построения автоматизированных обу-

чающих систем - компьютерных тренажеров для исследования металлурги-

ческих процессов в цветной металлургии, а именно компьютерных тренаже-

ров для исследования и управления процессами вскрытия сырья жидкофаз-

ным хлорированием, процессами аффинажа палладия, платины и плавки

сульфидного медно-никелевого агломерата в рудно-термических печах,

электролиза алюминия, спекания нефелино-известняковой шихты и кон-

вертирования штейнов. Рассмотрены принципы однокритериальной и мно-

гокритериальной оптимизации при управлении технологическими процесса-

ми плавки в рудно-термических печах и электролиза алюминия.

Для студентов очной и заочной форм обучения металлургических спе-

циальностей при изучении курса «Информационные технологии в металлур-

гии» и спецкурсов, для студентов специальностей 230201 «Информационные

системы и технологии» и 220200 «Автоматизация технологических процес-

сов и производств», может быть использовано в отделах технического обу-

чения металлургических предприятий для обучения рабочих навыкам оп-

тимального управления процессами и для сдачи квалификационных экза-

менов на разряд.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие наукоемких производств и многостадийных технологических

процессов, в частности в цветной металлургии, требует повышения технико-

экономических показателей переработки сырья в металлургических агрегатах.

Особенно остро эта задача стоит при совершенствовании производства пиро-

металлургических процессов переработки сульфидных руд и гидрометаллур-

гических процессов аффинажа металлов платиновой группы. Для совершенст-

вования производства предлагается использовать как более совершенные ав-

томатизированные системы управления на базе вычислительной техники и

математических методов описания металлургических процессов, так и повы-

шение квалификации обслуживающего персонала.

Сложность создания современных автоматизированных систем управле-

ния и подготовки специалистов для предприятий цветной металлургии объяс-

няется тем, что технологические процессы протекают, как правило, в высоко-

температурных и химически агрессивных средах, в агрегатах большой еди-

ничной мощности, слабо оснащенных системами автоматического контроля

основных технологических параметров по ходу процесса, что не позволяет

оперативно контролировать изменение технологических параметров. Кроме

того, исследование технологических процессов и обучение оперативного пер-

сонала на действующих технологических агрегатах требует значительных за-

трат времени и капитальных средств и может привести к возникновению ава-

рийных ситуаций в случае применения недопустимых управляющих воздей-

ствий.

Свободными от этих недостатков являются новые информационные тех-

нологии исследования технологических процессов и обучения рабочих, по-

строенные на базе автоматизированных информационно-советующих систем

управления, реализованных на персональных ЭВМ (компьютерные тренаже-

ры). Следует отметить, что тренажеры нашли широкое применение для обуче-

ния специалистов на транспорте, в авиации и в военном деле. Эти тренажеры

реализованы по принципу физического моделирования, имитирующего реаль-

ный технологический агрегат или систему управления. Поэтому данный прин-

цип не может быть использован для обучения персонала металлургических це-

хов и тем более для исследования взаимосвязанных непрерывных технологиче-

ских процессов в цветной металлургии. Наиболее приемлемыми для этих целей

являются автоматизированные информационно-советующие системы управле-

ния, основой которых являются имитационные математические модели иссле-

дуемых процессов, работающие в диалоговом режиме в реальном масштабе

времени. Данные системы строятся на базе персональных компьютеров, у кото-

рых системный блок предназначен для хранения математической модели про-

цесса, монитор – для отображения информации, а клавиатура – для управления

процессом.

Для современного инженера использование персональных компьютеров

для моделирования и оптимизации технологических процессов является столь

же необходимым, как и знание основ металлургии. Теоретическая подготовка

и практические навыки в исследовании и управлении процессами являются

важной составной частью общеинженерной подготовки студентов металлурги-

ческих специальностей и студентов, обучающихся по специальностям «Авто-

матизация технологических процессов и производств», «Информационные сис-

темы».

В данном учебном пособии рассмотрены новые информационные техно-

логии, применяемые при обучении и управлении, процессами аффинажа ме-

таллов платиновой группы, вскрытия сырья жидкофазным хлорированием,

плавки сульфидных руд в рудно-термических печах, электролиза алюминия,

спекания нефелино-известняковой шихты и конвертирования штейнов.

При выполнении каждой лабораторной работы студенту необходимо изу-

чить теоретические сведения по данному технологическому процессу; ознако-

миться с описанием лабораторной установки и назначением основных органов

управления; получить у преподавателя индивидуальные задания на выполняе-

мую работу, в процессе которой он должен приобрести навыки оптимального

управления технологическим процессом.

По выполненной лабораторной работе студент оформляет индивидуальный

отчет, содержание которого соответствует требованиям стандарта. Во время

защиты работы он отвечает на контрольные вопросы к каждой работе, анали-

зирует ошибки, допущенные при исследовании процесса и управления им, и

результаты, полученные в ходе выполнения.

Авторы выражают благодарность рецензентам за замечания, сделанные

при рецензировании рукописи и учтенные в ходе работы над книгой.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ

ТРЕНЕРАЖЕРОВ

Повышение требований к управлению технологическими процессами по-

ставило перед высшей школой проблему совершенствования подготовки кад-

ров, как в рамках вузовского, так и послевузовского образования. Особенно

остро данная проблема стоит при подготовке кадров специалистов для пред-

приятий цветной металлургии и химической промышленности. Сложность

подготовки специалистов для предприятий данных отраслей промышленности

объясняется тем, что технологические процессы протекают, как правило, в вы-

сокотемпературных и химически агрессивных средах, в агрегатах большой

единичной мощности, слабо оснащенных системами технологических

параметров по ходу процесса, оперативно контролировать текущие измене-

ния логических параметров. Кроме того, обучение персонала на действую-

щих промышленных установках требует временных и капитальных затрат

и может привести к появлению аварийных режимов работы и нештатных

ситуаций.

Оснащение учебных заведений и промышленных предприятий совре-

менными средствами вычислительной техники, а именно, персональными

компьютерами (ПК), дало возможность использования новых информацион-

ных технологий подготовки студентов и специалистов промышленных пред-

приятий. Для организации подготовки студентов целесообразно использовать

компьютерные тренажерные и обучающие комплексы на базе ПК.

Для повышения качества подготовки специалистов предприятий цвет-

ной металлургии предложено применение обучающих систем на базе трена-

жерных компьютерных комплексов.

Компьютерные тренажеры для обучения студентов и специалистов

предприятии цветной металлургии строятся на базе ПК, у которых клавиа-

тура ПК (мышь) используется для управления процессом, отображение ин-

формации осуществляется на экране монитора, а системный блок предна-

значен для хранения математической модели и исходных данных, исполь-

зуемых для описания исследуемого процесса.

На экране монитора представлено головное меню, которое предлагает сту-

денту выбрать тип изучаемого или управляемого процесса. Меню также по-

зволяет выбрать один из возможных режимов работы компьютерного тренаже-

ра: обучения, контроля, советчика.

В режиме обучения на экран монитора выводятся подсказки и рекоменда-

ции по управлению процессом, после окончания сеанса обучения производится

анализ допущенных ошибок.

В режиме контроля тренажер используется при проверке знаний студен-

тов (защита лабораторных работ, сдача зачетов) и сдаче квалификационных

экзаменов техническим персоналом металлургических предприятий при сдаче

техминимума и сдаче квалификационных экзаменов на разряд. Данный режим

отличается от режима обучения тем, что в процессе управления не выводятся

на экран ошибки, допущенные студентом или мастером, они накапливаются

в памяти компьютера и выводятся на экран после окончания сеанса обуче-

ния. По окончании сеанса обучения на экран дисплея выводится суммарная

оценка, характеризующая эффективность усвоения материала по изучению

процесса студентом, или эффективность приобретения навыков по управле-

нию процессом технологическим и оперативным персоналом металлургиче-

ских цехов. При необходимости на экран дисплея также можно вывести

ошибки, допущенные студентом (мастером) в управлении процессом.

В режиме советчика тренажер применяется для коррекции хода реаль-

ного технологического процесса в условиях действующего производства.

Необходимость в такой коррекции может возникнуть как для многостадий-

ных процессов (процесс аффинажа), так и для процессов с непрерывным

технологическим режимом при отклонении основных регулируемых пара-

метров от оптимального значения. Для осуществления такой коррекции

технолог (мастер) должен с помощью компьютерного тренажера исследо-

вать различные режимы, позволяющие исключить возникшие отклонения от

технологического регламента и выбрать такие управляющие воздействия,

которые в данной производственной ситуации могут принести наибольший

эффект, т.е. позволят снова вывести процесс на заданный оптимальный ре-

жим работы. Использование компьютерных тренажеров в режиме советчика

позволяет улучшить основные технико-экономические показатели техноло-

гических процессов путем выбора оптимальных режимов работы.

Для реализации вышеперечисленных функций, компьютерный трена-

жер должен отвечать требованиям многофункциональности, наглядности и

информативности.

Для обеспечения наглядности на экран монитора должна быть выведе-

на мнемосхема исследуемого процесса или агрегата с имитацией основной

пускорегулирующей и контрольно-измерительной аппаратуры, применяе-

мой для управления данным процессом или агрегатом. Обозначение аппара-

туры должно соответствовать обозначению, применяемому на рабочем мес-

те.

Необходимо предусмотреть сигнализацию аварийных режимов и не-

штатных ситуаций с выводом на экран параметров, достигших аварийных

значений, с имитацией световой и звуковой сигнализации.

Требование информативности обеспечивается тем, что на монитор вы-

водится график изменения регулируемого параметра и значения основных

входных и управляющих параметров, оказывающих существенное влияние

на эффективность функционирования объекта и которые контролируются

автоматически.

Многофункциональность предполагает использование тренажера для

решения различных задач, предусматривает режим ускорения времени, его

целесообразно использовать для процессов, имеющих большую (десятки

минут) постоянную времени, для непрерывных процессов и для цикличе-

ских процессов, длительность цикла которых составляет несколько часов.

Основу функционирования компьютерного тренажера составляет ими-

тационная математическая модель исследуемого процесса и алгоритм функ-

ционирования. Имитационная модель – это формальное, то есть выполненное

на некотором формальном языке, описание логики функционирования иссле-

дуемой системы и взаимодействия отдельных ее элементов во времени, учи-

тывающее наиболее существенные причинно-следственные связи, присущие

системе и обеспечивающее проведение машинных экспериментов.

При разработке математического и программного обеспечения необхо-

димо, чтобы математическая модель была адекватной исследуемому процес-

су, а реакция математической модели и тренажёра в целом на управляющие

воздействия идентичной реакции реального объекта на аналогичное возму-

щение. Математическая модель исследуемого процесса должна допускать

возможность работы в диалоговом режиме и позволять вводить в нее по хо-

ду процесса необходимые управляющие воздействия, используемые при

управлении реальным процессом, а также учитывать запаздывание тренаже-

ра на управляющие воздействия, которые имеют место в реальных процес-

сах. При расчете управляющего воздействия нужно предусмотреть возмож-

ность прогноза регулируемой величины; математическая модель, являющая-

ся основой функционирования тренажера, должна содержать только пара-

метры, автоматически контролируемые на данном агрегате, должна быть от-

крытой и предусматривать возможность расширения модели за счет получе-

ния дополнительной информации и возможность управления в реальном

масштабе времени и в ускоренном режиме.

Лабораторная работа № 1

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВСКРЫ-

ТИЯ СЫРЬЯ ЖИДКОФАЗНЫМ ХЛОРИРОВАНИЕМ

Цель работы. Ознакомиться с технологией вскрытия сырья жидко фаз-

ным хлорированием, изучить влияние управляющих параметров на основ-

ные технико-экономические показатели, характеризующие процесс. Приоб-

рести навыки оптимального управления процессом хлорирования, опыт ис-

пользования ЭВМ и компьютерных тренажеров для коррекции хода техно-

логического процесса в случае отклонений значений контролируемого па-

раметра от оптимального значения.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА

Участок хлорирования включает следующие основные переделы:

 хлорирование концентратов и промпродуктов;

 фильтрация растворов;

 цементация золота;

 хлорирование платины и палладия для черни;

 отмывка нерастворимых остатков и получения палладия кека.

Среди множества методов вскрытия платино-палладиевого сырья на

аффинажных предприятиях России применяют метод жидкофазного хлори-

рования. Процесс хлорирования концентрата включает операции загрузки,

хлорирования, фильтрации пульпы, подготовки раствора к аффинажу.

Концентрат в виде мелкодисперсного порошка загружают в аппарат

хлорирования и туда же заливают раствор соляной кислоты. Пульпа пере-

мешивается мешалкой до однородной массы. На начальной стадии хлориро-

вания хлор подают небольшими порциями, постоянно увеличивая расход до

максимального значения.

Процесс жидкофазного хлорирования проводят при температуре

6070°С. Реакция хлорирования является экзотермической, поэтому по за-

вершении процесса хлорирования пульпу охлаждают и определяют плот-

ность раствора. Полученный раствор выгружают на нутч-фильтры для отде-

ления раствора от нерастворимого остатка. После завершения процесса

фильтрации нерастворимый осадок поступает на отмывку от растворенных

платины, палладия и золота. Полученный основной раствор после фильтра-

ции поступает на операцию восстановительного осаждения золота. После

осаждения золота пульпу отфильтровывают на нутч-фильтре. Осадок золото-

го концентрата отправляют на извлечение золота. Раствор после фильтрации

отправляют на аффинаж платины и палладия.

К достоинствам метода хлорирования относятся высокая технологич-

ность, низкая стоимость реагентов, возможность получения растворов ме-

таллов платиновой группы (МПГ) в химических формах, удобных для после-

дующего аффинажа и высокая производительность.

Недостатками метода хлорирования являются агрессивность среды,

токсичность газообразного хлора и связанные с этим затраты на охрану

труда и экологию.

В концентрате значительное количество палладия содержится в оксид-

ной форме, которая практически не переходит в раствор при жидкофазном

хлорировании. Поэтому разработаны методы перевода оксида палладия в

палладий металлический. При этом выполняются следующие операции:

1) прокаливание концентрата при температуре 10001050°С с термиче-

ским разложением оксида палладия до палладия металлического;

2) восстановление палладия в пульпе металлическим железом; прокалива-

ние проводят при температуре 10001050°С в течение 1,5 ч. При прокали-

вании осуществляют периодическое помешивание концентрата. После про-

каливания обожженный концентрат выгружают и охлаждают, затем загружа-

ют в бункер и далее в мельницу. После измельчения в шаровой мельнице

осуществляют просеивание на вибросите.

В течение обжига происходит интенсивное разложение оксидных соеди-

нений палладия с выделением его в металлической форме, а металлические

формы редких платиновых металлов частично окисляются кислородом воз-

духа до оксидов:

2PdO = 2Pd + O

(1.1)

4Rh + 2O

= 2Rh

(1.2)

+ O

= Ir

(1.3)

Ru + O

= RuO

(1.4)

При последующем жидкофазном хлорировании металлический палладий

практически полностью переходит в раствор, а оксидные формы родия, ири-

дия, рутения не растворяются. Полученный огарок концентрата отправляется

на участок жидкофазного хлорирования.

Огарок, поступивший на участок жидкофазного хлорирования, загру-

жают по 120140 кг в аппарат хлорирования, в который подают раствор хло-

рида водорода НСl , выполняющего роль комплексообразующей добавки. В

качестве среды хлорирования используют промышленные воды и маточные

растворы аффинажного производства, содержащие соляную кислоту. Про-

мышленные воды и маточные растворы составляют большую часть от необ-

ходимого объема, и лишь незначительная часть – раствор соляной кислоты с

плотностью 1,061,07 г/см

Хлорирование ведут при соотношении Ж: Т = 3:1. Пульпа после загрузки

перемешивается высокоскоростной мешалкой до однородности и подогрева-

ется до температуры 8085°С. После прогрева в течение двух часов при пе-

ремешивании пульпы ее охлаждают до температуры 6065°С и начинают по-

дачу хлора в хлоратор. Вначале хлор подают с небольшим расходом (1015),

постепенно увеличивая расход хлора до 4050. Так как реакция является эк-

зотермической, то оптимальную температуру поддерживают, регулируя рас-

ход хлора и оборотной воды. При более низкой температуре снижается ско-

рость реакции и, следовательно, производительность процесса, при увеличе-

нии температуры уменьшается растворимость хлора и наблюдается проскок

хлора, что может привести к выбросу пульпы из аппарата.

Хлорирование ведут до значения окислительно-восстановительного по-

тенциала (ОВП) 10201040 мВ.

При хлорировании протекают следующие реакции:

1) получаются водо-растворимые кислоты платиновых металлов и золота:

Pt+2Cl

+HCl = H

[PtCl

] (1.5)

Pd+Cl

+2РСl = H

[PdCl

] (1.6)

2Rh+3Cl

+6РСl = 2H

[PhCl

] (1.7)

2Au+3Cl

+2РСl = 2H[AuCl

] (1.8)

2) цветные металлы образуют простые хлориды, растворимые в воде:

Cu+Cl

= CuCl

(1.9)

+6РСl = 2FeCl

+3H

O (1.10)

NiO+2HCl = NiCl

O (1.11)

3) селен и теллур образуют соединения:

SeO

O = H

SeO

(1.12)

TeO

+6РСl = H

TeCl

+2H

O (1.13)

4) серебро выпадает в осадок в виде хлорида:

2Ag+Cl

=2AgCl (1.14)

Практика завершения процесса хлорирования такова: ОВП пульпы до-

водят до U=1100 мВ, подачу хлора прекращают при постоянном перемеши-

вании пульпы. Если при этом наблюдается падение ОВП, то вновь включают

подачу хлора и этот процесс ведут до тех пор, пока ОВП не стабилизируется (U

= 10201050 мВ).

После завершения процесса пульпу охлаждают и определяют плотность

раствора. Целью проведения процесса хлорирования является максимальный

перевод в раствор платины и палладия и максимальное отделение материалов

родия, иридия и рутения в нерастворимый остаток.

Материальный и тепловой балансы

Во всех металлургических агрегатах протекает сложный комплекс

взаимосвязанных физико-химических превращений: изменение агрегатного

состояния веществ, химические реакции, массо- и теплопереноса, механиче-

ское движение потоков (гидродинамика), смещение и вытеснение и так далее.

Математическое описание перечисленных выше физико-химических

процессов имеет значение при создании динамических моделей, воспроизво-

дящих поведение процесса во времени. Синтез моделей материального ба-

ланса основан на дифференциальных уравнениях мгновенных балансов ве-

ществ, принимающих участие в процессе, и балансов энергии (чаще всего те-

пловой).

Материальные балансы по основным элементам процесса хлориро-

вания могут быть представлены в следующем виде:

по платине:

/dt = G

KOH

 C

Pt (КОH)

– K  C

Cl2

 С

HCl

 S

– b(V

+ G

 G

Pt(HO)

);

(1.15)

по палладию и золоту:

/dt = C

KOH

 C

Pd(KOH)

– K  C

Cl2

 C

HCl

 S

– b(V

 C

Pd(p)

+ G

 C

Pd(HO)

);

(1.16)

/dt = G

KOH

 C

Au(KOH)

– K  C

Cl2

 C

HCl

 S

– b(V

– C

Au(p)

+ G

 С

Аи(HO)

)

(1.17)

пo хлору:

Cl2

/dt = G

Cl2

– B  S

Cl2

(V)

– C

Cl2

) – b  (V

 C

Cl2

(p)

+ C

 C

Cl2 (HO)

);

(1.18)

по соляной кислоте:

HCl

/dt = V

 С

HCl(1Р)

– К  C

Cl2

 C

HCl

 S

– b  V

 C

HCl (P);

(1.19)

где С

Pt(KOH)

, C

Pd(KOH)

, C

Au(KOH)

– концентрация платины, палладия и золота в кон-

центрате, поступающем на хлорирование; G

KOH

– поток концентрата; К – кон-

станта скорости реакции; С

Cl2

– концентрация хлора в пограничном слое,

%;С

HCl

– концентрация соляной кислоты в пограничном слое, г/л; So – вели-

чина активной поверхности, м

; b – коэффициент, зависимый от режима от-

вода реагентов на аппарате; V

– объем выходного раствора, л; C

Pd(P)

, C

Pt(P)

Au(P)

– концентрация палладия, платины, золота в растворе; G

– поток не-

растворимого остатка; V

– объем поступающего раствора, кг; С

HCl(1P)

– кон-

центрация хлорида водорода в поступающем растворе, г/л; С

HCL(P)

– концен-

трация соляной кислоты в выходном растворе. %; C

Cl2(P)

– концентрация хлора

в растворе, %; C

Cl2(HO)

– концентрация хлора в нерастворимом остатке. %;

Cl2(V)

– C

Cl2

) – разность концентраций; G

Cl2

– расход хлора, кг; В – коэффи-

циент массоотдачи.

Тепловой баланс процесса хлорирования может быть представлен в

следующем виде:

dQ/dt = G

KOH

– L

KOH

– T

KOH

+ G

Cl2

+ Gп – Fj – (Тп – Ткв) +

+g – U G

– Lp  Gp  Tp – L

 С

– Т

– j  F  (Tкв – Тв),

(1.20)

где G

KOH

, G

Cl2

, С

, Gp, Gп – поток концентрата, хлора, нерастворимого остат-

ка, выходного раствора и пара соответственно; L

KOH

, L

Cl2

. L

, Lp – теплоем-

кость концентрата, хлора, нерастворимого остатка и уходящего раствора со-

ответственно; Т

KOH

, T

Cl2

, T

, Tp, Тп – температура концентрата, хлора, нерас-

творимого остатка, выходного раствора и пара соответственно, С; Ткв – тем-

пература в аппарате, С; Тв – температура воды, С; g – тепловой эффект