竖炉还原焙烧过程动态模型软件的设计与开发

摘要

竖炉还原焙烧过程的主要任务是将弱磁性的赤铁矿在高温、还原性氛围下转化成强磁性的磁铁矿。还原焙烧效果的好坏直接影响着选矿过程的评价指标—金属回收率、精矿品味。由于该过程具有强耦合、强非线性、关键工艺参数难以连续在线测量及工况变化大等复杂特性，对控制策略、控制算法的要求更高。各种控制策略、控制算法在实际应用前必须经过实验验证。但是真实的设备不仅昂贵而且难以在实验室内完全复现。为此，需要开发针对还原焙烧过程的动态模型软件。
　　本文依托东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室973计划项目“复杂生产制造过程一体化控制理论与技术基础研究”，针对竖炉还原焙烧过程，建立了其动态机理模型。在一体化对象仿真平台基础上设计并开发了竖炉还原焙烧过程动态模型软件，以便于过程控制层、运行控制层实验人员验证控制策略与算法。本文的工作主要体现在以下几个方面:
　　(1)建立了描述竖炉还原焙烧过程的完整机理模型。本文首先分析了竖炉还原焙烧过程中的物理化学过程，主要有燃烧过程、换热过程、还原反应过程。按照这些典型物理化学过程在空间上的分布将炉体分为燃烧室、预热带、加热带和还原带。在这些物理化学过程的机理基础上分别建立了燃烧室动态机理模型，预热带动态机理模型，加热带动态机理模型，还原带动态机理模型。同时，为完成对整个竖炉工艺过程的仿真，还建立了简化的执行机构模型。
　　(2)在竖炉还原焙烧过程动态机理模型基础上设计并开发了竖炉还原焙烧过程动态模型软件。软件由模型库及可视化模型组件库、人机交互界面和变量库三部分组成。具有竖炉还原焙烧过程动态仿真、工艺过程监控、边界条件在线修改、实时曲线以及运行指标及回路信息监控等功能。
　　(3)多组实验的测试结果表明，竖炉还原焙烧过程动态模型软件达到了设计要求，具有实际应用价值。利用竖炉还原焙烧过程动态机理模型进行了多组改变控制量的稳态实验。在动态模型软上进行了多组改变控制量的动态实验。稳态实验的试验数据与实际数据基本一致;动态实验的过渡过程时间和响应曲线的趋势与实际过程基本一致。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 竖炉还原焙烧过程建模及模型软件研究现状

1．2．1 竖炉还原焙烧过程建模现状

1．2．2 竖炉还原过程动态模型软件的研究现状

1．3 存在的问题及本文的主要工作

第2章 竖炉还原焙烧过程描述

2．1 竖炉还原焙烧过程工艺描述

2．2 竖炉还原焙烧过程机理分析

2．2．1 燃烧过程机理分析

2．2．2 换热过程机理分析

2．2．3 还原过程机理分析

2．3 竖炉还原焙烧过程建模目的与难点分析

2．4 本章小结

第3章 竖炉还原焙烧过程动态机理模型

3．1 动态机理模型的结构

3．2 燃烧室动态机理模型

3．2．1 模型基本假设的提出

3．2．2 燃烧速率方程

3．2．3 燃烧室质量平衡方程

3．2．4 燃烧室能量平衡方程

3．2．5 燃烧室机理模型小结

3．3 预热带、加热带动态机理模型

3．3．1 模型基本假设的提出

3．3．2 预热带、加热带控制体的划分

3．3．3 预热带、加热带质量平衡方程

3．3．4 预热带、加热带的能量平衡方程

3．3．5 预热带、加热带机理模型小结

3．4 还原带动态机理模型

3．4．1 模型基本假设的提出

3．4．2 还原带矿石还原速率方程

3．4．3 还原带质量平衡方程

3．4．4 还原带能量平衡方程

3．4．5 磁选管回收率的计算

3．4．6 还原带机理模型小结

3．5 气体、固体物料的流量过程模型

3．6 本章小结

第4章 动态模型软件的设计与开发

4．1 动态模型软件的需求分析

4．2 动态模型软件开发环境介绍

4．3 动态模型软件的设计

4．3．1 动态模型软件的总体设计

4．3．2 动态模型软件的功能设计

4．3．3 动态机理模型的求解

4．4 动态模型软件的开发

4．4．1 模型库的开发

4．4．2 可视化模型组件的开发

4．4．3 动态模型软件人机界面的开发

4．4．4 变量库的开发

4．5 本章小结

第5章 动态模型软件实验研究

5．1 动态模型软件功能测试

5．1．1 模型数据显示、设置相关功能测试

5．1．2 运行指标与回路信息监控功能测试

5．1．3 通讯连接功能测试

5．2 稳态特性分析

5．2．1 燃烧室稳态特性分析

5．2．2 预热带、加热带稳态特性分析

5．2．3 还原带稳态特性分析

5．3 动态特性分析

5．3．1 助燃空气变频器频率跃变化的开环仿真实验及结果分析

5．3．2 燃烧煤气阀门开度阶跃变化的开环仿真实验及结果分析

5．3．3 还原煤气阀门开度阶跃变化的开环实验及结果分析

5．3．4 搬出时间阶跃变化开环仿真实验及结果分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要工作