МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІСЛАМ АБДЕЛЬХАМІД ЮСЕФ АЛЬ БОСТАНЖІ

УДК 621.926:534.16

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ АВТОМАТИЧНОГО КОНТРОЛЮ

І РЕГУЛЮВАННЯ МАСОВОЇ ЧАСТКИ ЗАЛІЗА В ПРОДУКТАХ

ЗБАГАЧЕННЯ МАГНЕТИТОВИХ РУД

Спеціальність:

05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі економічної кібернетики та інформаційних технологій (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кочура Євгеній Віталійович,

завідувач кафедри економічної кібернетики та інформаційних технологій Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Новицький Ігор Валерійович,

Національний гірничий університет (м. Дніпропетровськ), Міністерство освіти і науки України, професор кафедри системного аналізу і управління;

кандидат технічних наук

Назаренко Михайло Володимирович,

Криворізький технічний університет

Міністерство освіти і науки України,

доцент, кафедра інформатики, автоматики і систем управління

Провідна установа: Донецький національний технічний університет

Міністерство освіти і науки України,

кафедра автоматизованих систем управління

Захист відбудеться “_14_” _червня_ 2007 р. о _12_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 080.07 Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, ).

Автореферат розіслано “_12_” _травня_ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н. О.О. Азюковський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Основними показниками якості сировини для металургійних підприємств чорної металургії є очікування та дисперсія масової частки заліза у залізорудному концентраті.

Стабільність масової частки заліза у концентраті суттєво впливає не тільки на техніко-економічні показники роботи доменних печей, але і на експортну ціну залізорудного концентрату, що експортується за кордон.

Згідно з технологічною картою процесу збагачення на виході кожного технологічного комплексу збагачення необхідно підтримувати визначену масову частку як магнітного, так і загального заліза. Але цю задачу неможливо вирішити без автоматичного контролю та регулювання масової частки заліза на виході кожного технологічного комплексу збагачення. До теперішнього часу ця задача є невирішеною.

Відомі методи та системи автоматичного контролю та регулювання якості продуктів збагачення залізних руд є складними, ненадійними і недостатньо точними.

Тому підвищення точності автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення залізних магнетитових руд є актуальною задачею.

Рішення цієї задачі дозволяє на діючих збагачувальних фабриках суттєво підвищити якість залізорудного концентрату, підвищити його металургійну цінність та зменшити сумарні витрати на виробництво чавуну.

Зв’язок з державними програмами та планами науково-дослідних робіт. В основу дисертації покладені матеріали, які узагальнюють дослідження автора в межах реалізації науково-дослідних та інжинірингових робіт, державних і галузевих програм, що виконувались у Національному гірничому університеті та ВАТ „Проектний та проектно-конструкторський інститут Металургавтоматика”. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, проведених у Національному гірничому університеті за держбюджетною темою „Розробка програмно-технічного комплексу автоматизації гірничого виробництва (№ ДР0101U005688), в якій автор брав безпосередню участь як виконавець.

Мета й задачі дослідження. Метою дисертації є підвищення точності методів автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах мокрого магнітного збагачення залізних магнетитових руд на основі використання промислового магнітного сепаратора як технічного засоба автоматизації та статистичних методів регулювання якості.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

виконаний аналіз методів і систем автоматичного контролю й регулювання масової частки заліза з метою підвищення їх ефективності;

проведений статистичний аналіз технологічного процесу магнітного збагачення залізних руд для обгрунтування методів автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення;

теоретично обгунтувані методи підвищення точності автоматичного контролю масової частки заліза в продуктах збагачення за допомогою промислового магнітного сепаратора;

виконані експоненціальні дослідження в промислових умовах системи автоматичного контролю масової частки заліза за сигналом магнітної індукції магнітного поля у робочій зоні сепаратора;

розроблені методи автоматичного регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення;

обгрунтувані параметри налаштування системи автоматичного контролю масової частки заліза в продуктах збагачення методики імітаційного моделювання.

Об’єкт дослідження: технологічний процес мокрої магнітної сепарації магнетитових залізних руд.

Предмет дослідження: методи автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення і концентраті.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети були використані наступні методи дослідження: аналіз інформації, систематизація відомих методів і систем автоматичного контролю і регулювання якості залізорудного концентрату для постановки мети і задач і дослідження; теоретичні основи електротехніки, теорії магнітного поля, теорії магнітного збагачення залізних руд, методи електричних вимірювань неелектричних величин – для обґрунтування заходів підвищення точності методу автоматичного контролю масової частки заліза за сигналом магнітної індукції магнітного поля у робочій зоні магнітного сепаратору; методи теорії ймовірності математичної статистики, статистичної динаміки, теорії автоматичного регулювання – для обґрунтування методів і алгоритмів статистичного автоматичного регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення і концентраті; методи імітаційного моделювання систем – для обґрунтування параметрів налаштування та алгоритмів роботи систем автоматичного контролю та регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення і концентраті.

Ідея роботи полягає у використанні нових закономірностей формування сигналу магнітної індукції магнітного поля сепаратору вздовж його барабану від масової частки заліза на його поверхні та формування показника якості продуктів збагачення залізних руд на виході технологічних комплексах магніто збагачувальних фабрик, які у поєднанні із методами автоматичного регулювання якості продукції дозволяють підвищити точність автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза у залізорудному концентраті.

ОСНОВНІ НАУКОВІ ПОЛОЖЕННЯ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

ЇХ НОВИЗНА

Наукові положення

1. Час запізнення у технологічних комплексах мокрого магнітного збагачення магнетитових руд другої та третьої стадії по каналу управління масовою часткою магнітного заліза у продуктах збагачення значно менший ніж період високочастотних коливань масової частки магнітного заліза у сировині, що збагачується, це дозволяє розглядати технологічні комплекси другої та третьої стадії магнітозбагачувальних фабрик як статичні об’єкти та використовувати для автоматичного регулювання масової частки магнітного заліза у продуктах збагачення релейні трьохпозиційні алгоритми налаштування щільності пульпи, що живить магнітні сепаратори замість, відомих безперервних методів, що підвищує точність автоматичного контролю і регулювання якості залізорудного концентрату.

2. Підвищення точності автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення порівняно з відомим методом вимірювання нормальної складової напруженості магнітного поля сепаратора у точці на поверхні магнітної системи сепаратора забезпечується шляхом автоматичного контролю середньоарифметичного значення магнітної індукції магнітного поля вздовж поверхні барабана у робочій зоні сепаратора при забезпеченні рівномірного розподілу масової частки заліза вздовж барабана сепаратора.

Новизна отриманих результатів:

1. У результаті дослідження промислового магнітного сепаратору, як об’єкту автоматичного контролю, одержані нові аналітичні залежності магнітної індукції магнітного поля сепаратору, що відрізняються від відомих урахуванням комплексного впливу магнітної сприятливості шару концентрату, крупності частин у шарі та його товщини, співвідношення магнітних та немагнітних фракцій, від масової частки заліза у шарі концентрату на поверхні магнітної системи сепаратору, що дозволило сформулювати вимоги та шляхи підвищення точності автоматичного контролю масової частки заліза у продуктах збагачення та залізорудному концентраті за допомогою промислового магнітного сепаратору.

2. Основне використання застосовується в якості чутливого елемента системи автоматичного контролю масової частки заліза лінійний магнітний резистор, виконаний з вісмутовміщуючої проволоки, що розміщується на поверхні полюсів магнітної системи сепаратору, та електрично підключається на вхід автоматичного мосту постійного струму. Це, на відміну від використання датчику Холла, дозволяє усереднювати електричний сигнал пропорційно магнітній індукції уздовж поверхні барабану сепаратору і підвищити точність автоматичного контролю масової частки заліза у продуктах збагачення за сигналом магнітної індукції у робочій зоні магнітного сепаратору та підвищити точність автоматичного контролю.

3. Обґрунтована методика корекції статичної характеристики системи автоматичного контролю масової частки загального заліза у концентраті при збагаченні різних типів руд, що відрізняється використанням результатів хімічного аналізу контрольних технологічних проб концентрату та математичною обробкою результатів вимірювання магнітної індукції в робочій зоні сепаратору сумісно з результатами хімічного аналізу методом найменших квадратів, що підвищує точність системи автоматичного контролю.

4. Науково обґрунтовані технічні вимоги до меж регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення кожної стадії магнітного збагачення, що відрізняються від суто технологічного обґрунтування за бажаними величинами, урахуванням кореляційного зв’язку між щільностями зливу класифікаторів та масовими частками заліза в продуктах збагачення магнітних сепараторів, що підвищують якість залізорудного концентрату.

5. Розроблена система автоматичного контролю масової частки заліза на основі використання промислового магнітного сепаратору, що відрізняється від використання датчиків Холла лінійним магнітним резистором, що закріплюється на поверхні магнітної системи сепаратору уздовж всього барабану сепаратору, що включається у вимірювальне плече автоматичного мосту постійного струму.

6. Обґрунтовано алгоритм статистичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення, що відрізняється від безперервного регулювання за пропорційним законом релейним характером зміни керуючого впливу з використанням методу середнього арифметичного та середньоквадратичного відхилення показника якості від вказаних значень, що у сукупності підвищують питому вагу якісного концентрату у загальному об’єму його виробництва.

7. За допомогою імітаційного моделювання визначено оптимальні параметри налаштування системи автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза: попереджувальні межі регулювання та крок налаштування, що забезпечують максимально можливу питому вагу якісного концентрату у загальному об’ємі його виробництва.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується тим, що в роботі використані: фундаментальні положення теоретичних основ електротехніки, теорії поля, магнітного збагачення корисних копалин, теорії статистичного контролю та регулювання, апробовані методи імітаційного моделювання систем. Результати експериментальних досліджень системи автоматичного контролю масової частки заліза з використанням промислового магнітного сепаратора показали, що відносна похибка вимірювань складає менше ніж 5%, що підтверджує результати теоретичних досліджень.

Практичне значення отриманих результатів полягає в підвищені точності автоматичного контролю і регулювання якості концентрату при мокрому магнітному збагаченні магнетитових залізних руд на основі використання промислового магнітного сепаратора як технічного засобу автоматизації, що підвищує якість залізорудного концентрату та знижує капітальні та експлуатаційні витрати на автоматизацію технологічних процесів магніто збагачувальних фабрик.

Результати роботи прийняті для впровадження ВАТ „проектний та проектно-конструкторський інститут Металург автоматика” в проект АСУТП збагачувальної фабрики Криворізького гірничо-збагачувального комбінату окислених руд.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі дослідження, наукові положення і результати, виконав теоретичну і практичну частину роботи. Зміст дисертації викладений автором особисто.

Особистий внесок здобувача в роботу [1], написану в соавторстві – обґрунтування методу автоматичного контролю та статистичного регулювання якості продуктів збагачення, імітаційне моделювання системи регулювання масової частки заліза в концентраті.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертації доповідалися і одержали схвалення на науково-технічному семінарі у Національному гірничому університеті, міжнародній науково-технічній конференції „Інтегровані системи управління у гірничо-металургійному комплексі” (ІСУГМК – 2006, ІСУГМК – 2007) (м. Кривий ріг, 2006, 2007 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені у п’яти друкованих працях, фахових виданнях, затверджених ВАК України. Чотири наукові праці написані без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновків. Вона містить 171 сторінок друкованого тексту, у тому числі 149 сторінок основної частини з 68 рисунками та 3 таблицями, списку використаних джерел з 119 найменувань на 10 сторінках, додатки на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показана актуальність теми дисертації, сформульована мета та основні задачі дослідження. Викладені наукові положення та результати, показана їх наукова новизна та практична цінність роботи.

У першому розділі дисертації виконано аналіз сучасного стану автоматичного контролю і регулювання якості залізорудного концентрату та масової частки заліза у продуктах збагачення магнетитових руд. Залізні руди, що збагачуються, мають змінні фізико-механічні властивості. Показником якості продуктів магнітної сепарації та концентрату є значення масової частки заліза, яке повинно знаходитись у межах технологічних допусків. Ця проблема ще залишається невирішеною у зв’язку з відсутністю простих і надійних систем автоматичного контролю масової частки заліза, які б були спроможні працювати у важких умовах магнітозбагачувальних фабрик, та відсутність науково обґрунтованих вимог до систем автоматичного регулювання якості продуктів збагачення, які б ураховували особливості продукту магнітного збагачення залізних руд.

В кінці розділу зроблено постановку мети та задач дослідження.

У другому розділі дисертації виконані теоретичні та експериментальні дослідження стосовно підвищення точності автоматичного контролю масової частки заліза в продуктах збагачення за сигналом магнітної індукції у робочій зоні сепаратора.

Для розрахунку напруженості магнітного поля у робочій зоні сепаратору були використані формули Файнштейна – Федорова, які були модифіковані для розрахунку напруженості не у слою концентрату, а на поверхні полюсів магнітної системи у місці розташування чутливого елементу – магнітного резистору – вимірювальній зоні. Тому радіальна складова напруженості магнітного поля у вимірювальній зоні:

. (1)

Тангенціальна складова напруженості магнітного поля:

. (2)

Модуль напруженості магнітного поля у зоні встановлення датчика:

. (3)

У формулах (1) – (3) допоміжні змінні:

. (4)

Позначення у формулах (1) – (4):

– напруженість магнітного поля на поверхні магнітних полюсів; - радіус магнітної системи сепаратора; – відносна магнітна проникливість концентрату; - радіус барабану сепаратора; Р – число пар полюсів магнітної системи; - показник ступеню експоненційного закону розподілу вмісту магнітного заліза уздовж радіусу шару концентрату ; – магнітна проникливість магніту; – масова частка магнетиту у концентраті.

Розрахункова схема та графік напруженості магнітного поля на поверхні магнітної системи сепаратора наведені на рис. 1. Аналіз цього графіку дозволив вибрати місце розташування чутливого елементу системи автоматичного контролю масової частки заліза, виконаний з вісмутової проволоки, що змінює свій електричний опір в залежності від напруженості магнітного поля у якому вона розташована. Схема розміщення чутливого елементу наведена на рис. 2. Розміщення вісмутової проволоки вдовж барабану магнітного сепаратору дозволяє усереднювати сигнал вздовж фронту магнітної сепарації. Вимірювальна схема автоматичного мосту постійного струму включає магніторезистор з вісмутової проволоки, що розміщується на поверхні магнітної системи сепаратору. У робочій зоні виділення концентрату та опір температурної стабілізації, що також виконана з вісмутової проволоки, як і магніторезистор, пле розміщений у зоні відсутності любого магнітного поля у внутрішній частині барабану сепаратору.

Розглянуто процес формування щільності концентрату на поверхні барабану сепаратору у його вимірювальному просторі. Розрахункова схема вимірювального простору магнітного сепаратору наведена на рис. 3.

Згідно з законом діючих мас магнітної сепарації, згідно з яким щільність пульпи на поверхні барабану визначає масову частку заліза у шарі на поверхні барабану сепаратору та ефектом згладження диференційних функцій розподілу вишукових величин при складанні цих функцій відомого із математичної статистики, знайдено оптимальне значення інтервалу між секціями пульподелителю, що забезпечує найкраще наближення щільності до заданого значення :

, (5)

де S – шаг магнітних полюсів магнітної системи сепаратора.

Рис. 1. Розрахункова схема і графіки напруженості магнітного поля

на поверхні магнітної системи сепаратора:

1 — графік напруженості Н1 магнітного поля на поверхні магнітної системи сепаратора при відсутності шару концентрату на барабані; 2 — графік напруженості Н2 магнітного поля на поверхні магнітної системи з шаром концентрату на барабані; 3 — шар концентрату на барабані сепаратора; 4 — барабан сепаратора; 5 — магнітна система сепаратора; 6 — вісмутовміщуюча проволока; R1 — радіус барабана сепаратора; R0 — радіус магнітної системи сепаратора; R2 — радіус шару концентрату на поверхні барабана; — полярна координата точки М на поверхні магнітної системи сепаратора

Рис. 2. Схема розташування чутливого елементу з вісмутовміщуючої проволоки:

1 – барабан сепаратору; 2 – магнітна система; 3 – магнітні полюса; 4 – ванна сепаратору; 5 – шар концентрату; 6 – чутливий елемент з вісмутової проволоки; 7 – розгорнута поверхня магнітної системи сепаратора; 8 – автоматичний міст постійного струму

Рис. 3. Розрахункова схема вимірювального простору магнітного сепаратора:

1, 2, 3… N – криві розподілу щільності на поверхні барабана сепаратора під впливом конструкції пульподілителя; 4 – барабан магнітного сепаратора; 5 – постійні магніти; 6 – ярмо магнітної системи; 7 – пульподілитель; 8 –перегородки пульподілителя; 9 – секція пульподілителя; N – число міжполюсних максимумів напруженості магнітного поля сепаратора; R – лінійний магнітний резистор; rT – опір температурної компенсації; д(x) – розподіл щільності концентрату по довжині барабана Хi; д1(x) – первинний розподіл щільності концентрату; д2(x) – бажаний розподіл щільності концентрату; М – автоматичний міст постійного струму; S – шаг полюсів магнітної системи сепаратора; l – довжина лінійного резистора; * – оптимальна щільність шару концентрату на поверхні барабана сепаратора; а* – оптимальна ширина секції пульподілителя; Н – відстань між пульподілителем і поверхнею барабана сепаратора; ц – кут відхилення частинок твердої фази пульпи; Q – продуктивність живлення сепаратора

Встановлено, що для підвищення точності автоматичного контролю масової частки заліза в концентраті за допомогою магнітного сепаратора необхідно розділити пульподелителі живлення сепаратору на секції з інтервалом, що дорівнює подвійному шагу магнітних полюсів магнітної системи сепаратору. З метою підвищення точності автоматичного контролю масової частки загального заліза в концентраті при збагаченні руд зі змінними фізико-хімічними властивостями запропоновано метод корекції статичної характеристики системи автоматичного контролю масової частки загального заліза в залізорудному концентраті за результатами хімічного аналізу відібраних технологічних проб.

Статичні характеристики систем автоматичного контролю масової частки загального заліза в концентраті наведено на рис. 4.

Рис. 4. Визначення статичної характеристики системи у вигляді рівняння регресії:

1 – розрахункова статична характеристика; 2, 3 –статичні характеристики системи при збагаченні різних типів руд; 0 – масова частка загального заліза у концентраті; 0і – результат хімічного аналізу відібраної і-ї проби на масову частку загального заліза; rМ – ел208ектричний опір магнітного резистора у робочій зоні сепаратора;

Коефіцієнти рівняння статистичної характеристики системи а і b

, (6)

що являють собою характеристику системи, розраховуються методом найменших квадратів.

Коефіцієнти періодично уточнюються після кожного результату відбору і хімічного аналізу технологічної проби концентрату на загальне залізо. Перший результат аналізу виводиться з бази даних заміщується останнім результатом аналізу. Одночасно виводиться перший результат вимірювання і заміщується останнім результатом вимірювання, що відповідає моменту часу відбору проби. Звичайно проби концентрату відбираються кожні дві години цілодобово, тому обновлення бази даних для розрахунку статичної характеристики системи здійснюється кожні дві години.

Експериментальні дослідження проводились в умовах фабрики збагачення №3 Лебединського гірничо-збагачувального комбінату. Система автоматичного контролю масової частки заліза реалізована на базі промислового магнітного сепаратора ПБМ-ПП-2000. Під час експериментальних досліджень відбирались технологічні проби та робився їх хімічний аналіз на масову частку магнітного заліза та загального заліза . Одночасно записувались показання моста постійного струму, що вимірюють відносний опір магнітного резистора у робочій зоні сепаратору %. Експеримент проводився в три етапи при переробці трьох різних типів руд. На кожному типі руди проводилось по 28 дослідів.

На рис. 5 наведена експериментальна статична характеристика системи автоматичного контролю масової частки магнітного заліза у концентраті першої стадії магнітного збагачення трьох типів руд.

Рис. 5. Експериментальна статична характеристика системи автоматичного контролю масової частки магнітного заліза у концентраті першої стадії збагачення

Рис. 6. Експериментальна статична характеристика системи автоматичного контролю масової частки загального заліза у концентраті першої стадії збагачення

Приведена середньоквадратична похибка вимірювання масової частки магнітного заліза складає 2.85% відносних одиниць або 0.7% абсолютних одиниць, що відповідає технічним вимогам.

На рис. 6 наведена експериментальна статична характеристика системи автоматичного контролю масової частки загального заліза у концентраті першої стадії магнітного збагачення руди, що має середню обогатимість.

Приведена середньоквадратична похибка вимірювання масової частки загального заліза складає 3.08% або 0.9% абсолютних одиниць.

При введенні в базу даних результатів трьох експериментів для різних типів руд, то приведена середньоквадратична похибка вимірювання масової частки загального заліза складає 6.3%, що потребує впровадження запропонованого алгоритму корекції статичної характеристики системи. Результати експериментальних досліджень показали ефективність запропонованих методів підвищення точності автоматичного контролю масової частки магнітного заліза в продуктах магнітного збагачення що є важливим для регулювання процесу магнітного збагачення магнетитових руд.

У третьому розділі науково обґрунтовано методи автоматичного статистичного регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення різних технологічних комплексів мокрого магнітного збагачення магнетитових залізних руд. Експериментально досліджені автокореляційні та взаємокореляційні функції технологічних комплексів першої, другої та останньої стадії магнітного збагачення. Визначено, що період найбільшої частоти збурень значно більше ніж час еквівалентного запізнювання комплексів. Зроблено висновок, що технологічні комплекси магнітного збагачення, як об’єкти автоматичного управління масової частки магнітного заліза в продуктах збагачення і концентраті є статичними об’єктами. Для управління масовою часткою магнітного заліза у продуктах магнітного збагачення доречно використання статистичних методів автоматичного контролю і управління якістю продукції масової частки немагнітного заліза у продуктах збагачення розглядається як випадкове збурення.

Науково обґрунтовані технологічні допуски на масову частку заліза, що автоматично регулюється. Функціональна схема статистичного автоматичного регулювання якості залізорудного концентрату наведена на рис. 7.

Рис. 7. Функциональная схема статистического регулирования

качества концентрата:

ТКМЗ1, ТКМЗ2, ТКМЗ3 – технологічні комплекси магнітного збагачення відповідно першої, другої і третьої стадії збагачення; Q0 – продуктивність секції збагачення по переробленій руді; 0, 1, 2, 3, – масова частка заліза відповідно в руді, продукті збагачення першої, другої стадії і концентраті; 1, 2, 3 – щільність зливу класифікуючих апаратів першої, другої і третьої стадії; 1, 2, 3 – системи контролю масової частки заліза; САРД1, САРД2, САРД3 – статистичні автомати релейної дії для регулювання масової частки заліза на виході відповідно ТКМЗ1, ТКМЗ2, ТКМЗ3; – математичні очікування масової частки заліза в продуктах збагачення, задані за технічних умов; 1, 2, 3 – допуски на коливання масової частки заліза в продуктах збагачення, задані за технічних умов; R1, R2, R3 – коефіцієнти кореляції між регульованими змінними 1, 2, 3 і управляючими діями – 1, 2, 3

Критерієм регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення і концентраті буде максимальна питома вага гідного за технічними умовами продукту у загальному об’ємі його виробництва:

, (7)

де – диференційна функція розподілу масової частки заліза ; і=1, 2, 3 – номер технологічного комплексу.

Визначено допуски на масові частки магнітного заліза у продуктах збагачення:

, (8)

де – середньоквадратичне відхилення масової частки заліза у продуктах збагачення некерованого технологічного продукту; – коефіцієнт корекції між змінною та керуючим впливом і-го технологічного комплексу.

Виконано аналіз технологічних сепараційних характеристик магнітних сепараторів з позицій задач керування якості продуктів збагачення та сепараційних характеристик механічних класифікаторів та гідроциклонів з позицій задач вибору регулюючих впливів. На основі цього аналізу зроблено висновок, що при регулюванні масової частки заліза у концентраті регулюючим впливом на першу стадію магнітного збагачення є щільність зливу механічного класифікатору. На другу та третю стадії магнітного збагачення регулюючим впливом є діаметр піскового отвору гідроциклонів. На останню стадію магнітної сепарації регулюючим впливом є витрати додаткової води у ванну магнітного сепаратора.

Запропонований алгоритм статистичного регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення:

, (9)

де – середньоарифметичне значення масової частки заліза у виборці, – номінальне значення масової частки заліза; – попереджувальна мета регулювання; – крок корекції регулюючого впливу u; – відповідно експериментально визначено середньоквадратичне відхилення масової частки заліза у продукті збагачення.

Алгоритм (9) відповідає статичній характеристиці на рис. 8.

Визначено параметру аналітичного регулювання (9), які зв’язуються співвідношенням

, (10)

де -бажане значення питомої ваги якісного продукту збагачення згідно з критерієм (10).

За співвідношенням (10) визначено зону номінальних режимів роботи, що визначає параметри налаштування системи статистичного регулювання якості продуктів збагачення, наведену на рис. 10.

Рис. 8. Статична характеристика системи регулювання:

– мінімально та максимально допустимі значення масової частки заліза

у продуктах збагачення

Рис. 9. Зона номінальних режимів роботи системи

регулювання масової частки заліза

Методами статистичної теорії автоматичного регулювання якості одержано число вимірювань масової частки заліза у продуктах збагачення для визначення середньостатистичного значення .

На основі визначених досліджень розроблено функціональні схеми статистичних автоматів релейної дії (САРД) для регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення технологічних комплексів першої, другої та останньої стадії наприклад функціональна схема САРД першої стадії збагачення наведена на рис. 11.

Рис. 11. Функціональна схема САРД першої стадії збагачення

Позначення на рис. 11: СК – сигнальний класифікатор; МС – магнітний сепаратор; МР – магнітний резистор; ДЩ – датчик щільності; РЩ – регулятор щільності; РО – регулюючий орган; АМ – автоматичний міст постійного струму; ВП – вимірювальний пристрій; А – аналізатор; КЗ – коректор завдання; – щільність пульпи; - масова частка заліза у хвостах; -масова частка магнітного заліза в продуктах збагачення; R – величина електричного опору; І – електричний токовий сигнал.

Розглянемо роботу схеми рис. 11. Рудна пульпа зі щільністю подається на вхід магнітного сепаратора МС. Щільність пульпі визначає гранулометричний склад її твердої фази. Щільність вимірюється датчиком щільності ДЩ та стабілізується регулятором РП шляхом зміни витрат води у ванну класифікатору СК. Магнітний резистор МР змінює свій опір R при зміні масової частки заліза в продуктах збагачення. Магнітний резистор МР є плечем вимірювальної схеми автоматичного мосту постійного струму АМ, що дає на вході токовий сигнал І пропорційний . Вимірювальний пристрій виділяє регулярну складову показника якості , яка поступає на вхід аналізатора, що працює за алгоритмом (12). Якщо масова частка заліза стає менш ніж порогове значення САРД зменшує щільність класифікатора, крупніють частин твердої фази пульпи зменшується, розкриття руди покращується. Масова частка заліза у продукті збагачення відвирується. І навпаки при підвищенні масової частки заліза більш ніж порогове значення САРД підвищує завдання РЩ щільність зливу класифікатора підвищується, розкриття руди погіршується, масова частка заліза у продукті збагачення стабілізується.

У четвертому розділі виконано імітаційне моделювання трьох статистичних релейної дії для регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення першої, другої та останньої стадії збагачення.

Рис. 14. Функціональна схема імітаційного моделювання САРД

Позначення на рис. 14: ГВП – генератор випадкових чисел з рівномірним законом розподілу; випадкові числа, що мають той самий закон розподілу, що і реальні значення масової частки заліза у живленні сепаратора; Ф – формуючий фільтр; випадкові числа із заданою авто кореляційною функцією; ГРС – генератор регулярної складової зміни масової частки заліза; – суматор; – випадкові числа, що імітують процес зміни масової частки заліза у живленні сепаратора; МО – математична модель ТКМЗ, у вигляді рівняння регресії; ВП – моделі виконавчого пристрою; А- аналізатор; k – ключ, замкнений, коли досліджується керований процес та розімкнений, коли досліджується некерований процес збагачення; - випадкові числа, що імітують процес зміни масової частки заліза у продукті збагачення.

Кількість імітаційних експериментів розраховувалась по відомій методиці з урахуванням бажаної 5 % точності результатів та довірчої імовірності р=0.95 і дорівнювала N = 450.

Метою імітаційного моделювання було встановлення ефективності методів статистичного регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення в першій, другій та останній стадії збагачення, а також експериментальне визначення оптимального значення кроків корекції керуючих впливів згідно із алгоритмом (12) роботи САРД. З графіку рис. 14 оптимальний крок корекції щільності зливу класифікатора кг/м3, що згідно з гістограмами рис. 15 забезпечує підвищення точності процесу з Т1=41% до Т2=92.5%, тобто Т=51.5%.

Рис. 14. Графік залежності точності процсу збагачення від величини кроку корекції щільності зливу класифікатора 1

Рис. 15. Гістограма розподілу масової частки заліза в продукті

збагачення першої стадії:

1 – некерований процес; 2 – керований процес; f *(1) – відносні частоти появи масової

Рис. 16. Залежність точності процесу збагачення Т другої стадії від

кроку корекції діаметру піскової насадки ГЦ-500 d

Рис. 17. Гістограми розподілу показника якості продукту

збагачення другої стадії:

1 некерований процес; 2 керований процес

Рис. 18. Гістограми розподілу масової частки заліза в концентраті:

1 режим роботи без системи регулювання; 2 режим роботи з системою регулювання; f*() відносні частоти появи масової частки загального заліза

в концентраті в заданих інтервалах

Результати імітаційного моделювання САРД для регулювання масової частки магнітного заліза у продукті збагачення другої стадії наведено на рис. 16, 17. Оптимальній крок корекції діаметру піскової насадки гідроциклону d0 складає 8 мм, що підвищує точність процесу з Т1=57% до Т2=75%, тобто на Т=18%.

Регулювання імітаційного моделювання САРД для регулювання масової частки загального заліза в концентраті наведені на рис. 18. Підвищення питомої частки якісного концентрату у загальному об’ємі його виробництва за рахунок впровадження статистичного регулювання масової частки заліза в концентраті складає з Т1=55% до Т2=82.5%, тобто на Т=27.5%.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науковою роботою, в якій вирішена науково-практична задача підвищення точності методів автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах мокрого магнітного збагачення магнетитових руд, що дозволяє підвищити якість залізорудного концентрату та знизити собівартість доменного виробництва чавуну. Основні висновки і результати роботи полягають у наступному:

1. Встановлено, що технологічні комплекси магнітного збагачення магнетитових руд, як об’єкти автоматичного контролю і регулювання масової частки магнітного заліза в продуктах збагачення є статичними, що дає основу використовувати для автоматичного контролю і регулювання якості використати та статистичні методи.

2. Встановлено, що випадковий процес зміни масової частки заліза в продуктах збагачення має регулярну складову і випадкову складову. При тому регулярною складовою є масова частка немагнітного заліза. Це дає змогу автоматично регулювати процес магнітного збагачення за сигналом, що характеризує масову частку магнітного заліза. А статистичні характеристики масової частки немагнітного заліза визначаються властивостями залізної руди та усереднювальними можливостями технологічного обладнання.

3. Встановлено, що вимірювання магнітної індукції, що усереднюється вздовж поверхні барабану магнітного сепаратору у його робочій зоні за допомогою лінійного магнітного резистору порівняльно з вимірюванням напруженості магнітного поля в окремих точках за допомогою датчиків Холла забезпечують точність автоматичного контролю масової частки заліза в продуктах збагачення менш ніж 5%.

4. Секційний пульпорозділювач з шириною секції, що дорівнює двом крокам полюсної системи сепаратора, стабілізує щільність та товщину шару концентрату на поверхні барабану сепаратора стабілізує ці характеристики вимірювального об’єму та підвищує точність автоматичного контролю масової частки заліза за допомогою промислового магнітного сепаратора.

5. Встановлено технічні вимоги до меж регулювання та середньоквадратичним відхиленням масової частки заліза в продуктах збагачення та коефіцієнтом кореляції між керуючим впливом та масовою часткою заліза у концентраті, що дозволяє сформулювати вимоги до системи автоматичного контролю і регулювання якості залізорудного концентрату.

6. Встановлено, що магнітна індукція магнітного поля сепаратора як технічного засобу автоматичного контролю визначається не тільки масовою часткою заліза у шарі продукту збагачення на поверхні барабану, але й типом збагачуваної руди. Тобто зміна типу руди провокує дрейф статичних характеристик, що вимагає корегування статичних характеристик методом найменших квадратів з використанням результатів хімічного аналізу відібраних проб. Це дозволяє підвищити точність автоматичного контролю масової частки магнітного заліза за сигналом магнітної індукції в робочій зоні сепаратора.

7. Науково обґрунтовані технічні вимоги до систем автоматичного статистичного контролю масової частки заліза у продуктах збагачення: структури систем регулюючи впливи, параметри на лаштування, такі як попереджувальні межі регулювання кінцеві значення середньоквадратичного відхилення масової частки заліза, кроки корекції на лаштування.

8. Розроблено система автоматичного контролю масової частки магнітного заліза на основі застосування промислового магнітного сепаратора, що лінійний магніторезистор з вісмутової проволоки, що розміщена на поверхні полюсної системи сепаратора. Експериментальне дослідження цієї системи в промислових умовах показали її працездатність та точність автоматичного контролю масової частки магнітного заліза при збагачені різних типів руд 5% відносних одиниць.

9. Основні наукові положення і результати роботи прийняті для впровадження ВАТ “Проектний та проектно-конструкторський інститут Металургавтоматика” в проект АСУТП збагачувальної фабрики Криворізького гірничозбагачувального комбінату окислених руд (проект 04256-АСУ).

Основні наукові положення та результати дисертації опубліковано в наступних роботах:

1. Кочура Е.В., Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. Метод автоматического контроля массовой доли железа в концентрате магнитного сепаратора // Науковий вісник НГУ. – 2005. – №10. – С86-89.

2. Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. О повышении точности системы автоматического контроля массовой доли железа в концентрате на базе промышленного магнитного сепаратора // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні 2’ 2005. Науковий журнал. – Запоріжжя: ЗПТУ. – 2005. – С.113-115.

3. Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. Система автоматического контроля и регулирования качества концентрата на выходе секции обогащения магнетитовых руд // Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб.– 2005. – Вип. 24(65). – С.100-105.

4. Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. Автоматический контроль и прогнозирование качества железорудного концентрата с помощью промышленного магнитного сепаратора // Горная электромеханика и автоматика: Наук.-техн. зб.– 2005. – №75. – С.81-92.

5. Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. Автоматизация статистического контроля и регулирования качества железорудного концентрата // Науковий вісник НГУ. – 2006. – №2. – С84-88.

6. Кочура Е.В., Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. Автоматизация статистического контроля и регулирования качества железорудных концентратов с помощью промышленного магнитного сепаратора. // Материалы конференции / СУГМК-2006 // Академический вестник Криворожского территориального отделения Международной академии компьютерных наук и систем. – 2005. – № 15–16. – С. 41–44.

АНОТАЦІЯ

Іслам Абдельхамід Юсеф Аль Бостанжі. Підвищення точності автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза в продуктах збагачення магнетитових руд. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів. -Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертація присвячена розв’язанню актуальної наукової задачі підвищення точності і ефективності автоматичного контролю і регулювання масової частки заліза у концентраті шляхом використання промислового магнітного сепаратора як технічного засобу автоматизації та встановлення нових закономірностей формування магнітної індукції магнітного поля у робочій зоні сепаратора.

Науково обґрунтовано можливість використання статистичних методів регулювання якості продукції на магніто збагачувальних фабриках.

Розроблено технічні вимоги до системи автоматичного статистичного контролю і регулювання масової частки заліза у продуктах збагачення технологічних комплексів магніто збагачувальних фабрик.

Результати роботи впроваджені в проект і можуть бути використані на залізорудних збагачувальних фабриках гірничо-металургійної промисловості.

Ключові слова: збагачення руди, магнітні сепаратори, автоматичний контроль, системи автоматичного регулювання.

АННОТАЦИЯ

Ислам Абдельхамид Юсеф Аль Бостанжи. Повышение точности автоматического контроля и регуляции массовой доли железа в продуктах обогащения магнетитовых руд. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – Автоматизация технологических процессов. – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи повышения точности и эффективности автоматического контроля и регулирования массовой доли железа в концентрате путем применения промышленного магнитного сепаратора в качестве технического средства автоматизации и установления новых закономерностей формирования магнитной индукции магнитного поля в рабочей зоне сепаратора.

Научно обоснована возможность применения статистических методов регулирования качества продукции на магнитообогатительных фабриках.

Установлено, что технологические комплексы магнитного обогащения магнетитовых железных руд, как объекты автоматического контроля и регулирования массовой доли магнитного железа в продуктах обогащения, являются статическими, что дает основу использовать для автоматического контроля и регулирования качества концентрата использовать статистические методы.

Установлено, что случайный процесс изменения массовой доли железа в продуктах обогащения имеет регулярную и случайную составляющие. При том регулярной составляющей является массовая доля немагнитного железа. Это дает возможность автоматически регулировать процесс магнитного обогащения по сигналу, который характеризует массовую долю магнитного железа. Статистические характеристики массовой доли немагнитного железа определяются свойствами железной руды и усредняющими возможностями технологического оборудования.

Установлено, что измерение магнитной индукции, усредненной вдоль поверхности барабана магнитного сепаратора в его рабочей зоне с помощью линейного магнитного резистора по сравнению с измерением напряженности магнитного поля в отдельных точках с помощью датчиков Холла обеспечивает точность автоматического контроля массовой доли железа в продуктах обогащения менее чем 5%.

Секционный пульподелитель с шириной секции, которая равняется двум шагам полюсной системы сепаратора, стабилизирует плотность и толщину слоя концентрата на поверхности барабана сепаратора, стабилизирует характеристики измерительного объема и повышает точность автоматического контроля массовой доли железа с помощью промышленного магнитного сепаратора.

Установлены технические требования к границам регулирования и среднеквадратическим отклонением массовой доли железа в продуктах обогащения в зависимости от коэффициента корреляции между управляющим воздействием и массовой долей железа в концентрате, что позволяет сформулировать требования к системе автоматического контроля и регулирования качества железорудного концентрата.

Установлено, что магнитная индукция магнитного поля сепаратора, как технического средства автоматического контроля, определяется не только массовой долей железа в слое продукта обогащения на поверхности барабана, но и типом обогащаемой руды. То есть изменение типа руды