Автоматичне управління процесом згущення суспензій рідкіснометалічних руд для підвищення якості вихідних продуктів радіального згущувача

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ШПИЛЬОВИЙ ЛЕОНІД ВІКТОРОВИЧ

УДК 622.794.7-52

АВТОМАТИЧНЕ УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ ЗГУЩЕННЯ СУСПЕНЗІЙ РІДКІСНОМЕТАЛІЧНИХ РУД ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ВИХІДНИХ ПРОДУКТІВ РАДІАЛЬНОГО ЗГУЩУВАЧА

Спеціальність 05.13.07 - автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кривий Ріг - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Донецькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

згущення суспензія руда дисперсний

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Білецький Володимир Стефанович,

Донецький національний технічний університет,

професор кафедри збагачення корисних копалин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Зубов Дмитро Анатолійович,

Східноукраїнський національний університет

імені Володимира Даля, м. Луганськ,

професор кафедри комп'ютеризованих систем;

кандидат технічних наук, доцент

Назаренко Михайло Володимирович,

Криворізький технічний університет,

доцент кафедри інформатики, автоматики

і систем управління.

Захист дисертації відбудеться “18” жовтня 2007 р. о 10³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.03 в Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37, ауд. 300.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий “13” вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н. доцент М. П. Тиханський

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зневоднення рудних суспензій кольорових і рідкісних металів є важливою складовою частиною технологічних схем переробки руди, а його частка в собівартості рудопереробки досить значна і досягає за різними оцінками 10…15 %. Залучення до переробки все бідніших руд з низьким вмістом корисних компонентів та дрібним зерном, що є особливо характерним для рідкіснометалічної галузі, призводить до зростання питомого навантаження на промислові апарати через необхідність збереження обсягів виробництва.

Радіальний згущувач є одним з основних апаратів для зневоднення рудних суспензій. Широке впровадження в практику збагачення згущувачів великого діаметру, удосконалення систем живлення їх суспензією, застосування синтетичних високополімерних флокулянтів значною мірою вичерпало технологічні можливості інтенсифікації процесу згущення рудних суспензій кольорових і рідкісних металів. Але практика згущення промислових суспензій показує, що техніко-економічні показники роботи радіальних згущувачів залишаються досить низькими: у зливах втрачається до 3-5 % концентрату, густина згущеного продукту є недостатньо високою та нестабільною, а витрати дорогих флокулянтів значні.

Інтенсифікація процесу згущення, подальше підвищення ефективності роботи радіальних згущувачів пов'язані з необхідністю створення й упровадження раціональних, більш досконалих методів автоматичного управління цим процесом. Останнім часом завдяки роботам вітчизняних та зарубіжних вчених, таких як В. М. Бадещенков, М. А. Бастунський, В. С. Білецький, Ю. Д. Говдя, Б. Ю. Головков, Д. А. Зубов, Г. Г. Колпіков, Л. Г. Мелькумов, Ю. Л. Папушин, В. А. Растяпін, Л. А. Рейбман, О. І. Савицький, А. І. Самойлов, В. В. Стальський, С. В. Стороженко, В. О. Ульшин, проведені дослідження процесу згущення з метою формалізації основних закономірностей та його автоматизації, що дозволило впровадити у виробництво локальні системи автоматичної стабілізації густини згущеного продукту, висоти зони проясненої рідини та ущільненого осаду, системи автоматичного дозування флокулянтів. Але ці системи не завжди дозволяють забезпечити високі техніко-економічні показники роботи промислових згущувачів, мінімізувати втрати концентрату зі зливами та витрати дорогих флокулянтів.

Удосконалення САУ, автоматична оптимізація роботи радіальних згущувачів при збагаченні рідкіснометалічних руд є актуальним для економіки України, оскільки дозволяє збільшити випуск концентратів та покращити якість вихідних продуктів згущувача, знизити енерговитрати на їх зневоднення, знизити шкідливе навантаження на навколишнє середовище на діючих підприємствах, а на проектованих - знизити капітальні витрати на спорудження згущувачів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрям досліджень зумовлений планами Кабінету Міністрів України та Мінпромполітики зі створення вітчизняної сировинної бази рідкіснометалічної галузі за рахунок освоєння Мазурівського рідкіснометалічного родовища цирконій-тантало-ніобієвих руд (Постанова № 33 від 28.11.98), програмою технічного переозброєння Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча, який веде будівництво гірничо-збагачувального комплексу з переробки відходів збагачення рідкіснометалічних руд Мазурівського родовища. Напрям відповідає “Національній програмі розвитку та реформування гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року” і “Загальнодержавній програмі розвитку мінерально-сировинної бази України на період до 2010 року”.

Метою дослідження є створення теоретичної бази для побудови системи автоматичного управління процесом згущення суспензій рідкіснометалічних руд на основі встановлення закономірностей осадження сфлокульованої суспензії в умовах зміни фізико-хімічних властивостей дисперсійного середовища і особливостей змішування осаду в розвантажувальній лійці для підвищення якості вихідних продуктів радіального згущувача.

Основна ідея роботи полягає у виділені в об'єкті управління окремих субпроцесів, розробці їх математичних моделей і синтезі на цій основі комплексної САУ процесом згущення суспензій рідкіснометалічних руд, яка складається з автономних підсистем і в якій поєднується комбіноване регулювання густини згущеного продукту та екстремальне управління субпроцесом осадження дисперсної фази.

Для реалізації ідеї та досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні основні задачі:

- здійснити аналіз технологічного процесу й розробити нову структуру моделі об'єкта управління - процесу згущення суспензії руд рідкісних металів, - яка враховує особливості радіального згущувача (існування субпроцесів транспортування ущільненого осаду до розвантажувальної лійки та його змішування в лійці із суспензією зони стиснення);

- з'ясувати характер залежності швидкості осадження дисперсної фази сфлокульованих суспензій рідкіснометалічних руд від основних технологічних параметрів процесу згущення в умовах їх комплексного впливу, розробити математичну модель і дослідити поведінку об'єкта управління за каналом управління “витрати флокулянту - швидкість осадження” та каналами основних збурень;

- вивчити закономірності ущільнення осаду на дні згущувача й змішування його із суспензією в розвантажувальній лійці, розробити і дослідити математичні моделі статики й динаміки процесу;

- обґрунтувати критерій управління процесом згущення;

- розробити концепцію автоматизації радіального згущувача, визначити ефективні регулюючі впливи та обґрунтувати принципи побудови й способи автоматичного управління процесом згущення, розробити алгоритми управління.

Об'єкт дослідження - технологічний процес згущення суспензій руд рідкісних металів і продуктів їх збагачення в радіальному згущувачі з периферійним приводом.

Предмет дослідження - система автоматичного управління процесом згущення суспензій руд рідкісних металів і продуктів їх збагачення.

Методи дослідження: методи математичної статистики і теорії ймовірності для обробки результатів експериментів; методи кореляційного й спектрального аналізу для визначення регулюючих і збурюючих впливів; методи регресійного і кореляційного аналізу, планування експериментів для визначення статистичних моделей; аналітичні та експериментальні методи при ідентифікації динамічних характеристик; методи аналітичного конструювання і комп'ютерного моделювання при синтезі та аналізі автоматичних систем; методи системного аналізу й методи оптимального управління при розробці алгоритмів управління процесом.

Наукові положення та новизна отриманих результатів:

- запропоновано нову структуру моделі об'єкта управління - процесу згущення суспензії рідкіснометалічних руд в радіальному згущувачі з периферійним приводом, - яка на відміну від відомих, що включають субпроцеси осадження дисперсної фази та консолідації осаду на дні згущувача, ґрунтується на гіпотезі про змішування ущільненого осаду із суспензією зони стиснення в розвантажувальній лійці радіального згущувача та враховує особливості розвантаження згущувача: існування в згущувачі субпроцесів транспортування ущільненого осаду і змішування його із суспензією зони стиснення, динамічна структурна схема першого з яких представлена послідовним, а другого - паралельним з'єднанням аперіодичної та запізню вальної ланок, що забезпечило вищу точність математичного опису безперервного процесу згущення, і розроблення досконалішої комплексної системи автоматичного управління радіальним згущувачем;

- уперше встановлені закономірності формування керуючого впливу для побудови системи екстремального управління швидкістю осадження сфлокульованих суспензій рідкіснометалічних руд, де, на відміну від існуючих, управління здійснюється шляхом зміни питомих витрат флокулянту на основі встановленої екстремальної залежності швидкості осадження від питомих витрат флокулянту і з урахуванням її дрейфу при зміні величини рН суспензії, що забезпечує зниження вмісту концентрату в зливі згущувача на 30-50 % та оптимізацію витрат флокулянту;

- уперше встановлені закономірності формування керуючого впливу, яким є об'ємні витрати згущеного продукту, у системі стабілізації густини згущеного продукту, де, на відміну від існуючих, керуючий вплив визначається за вимірюваним співвідношенням величини масових витрат ущільненого осаду й згущеного продукту та коригується за густиною згущеного продукту, що забезпечує зниження дисперсії вихідної величини системи у 1,6 разу.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректним використанням апробованих методик дослідження субпроцесів осадження дисперсної фази й консолідації осаду, використанням фундаментальних положень теорії автоматичного управління, методів математичної статистики і теорії імовірності для обробки результатів експериментів; методів планування експериментів для одержання статистичних моделей; аналітичних і експериментальних методів при встановленні динамічних характеристик, методів системного аналізу й оптимального управління при розробці алгоритмів управління; сучасних програмних пакетів комп'ютерного моделювання САУ; адекватністю розроблених моделей, збіжністю результатів аналітичних і експериментальних досліджень та позитивними результатами перевірки розроблених принципів і способів управління методом комп'ютерного моделювання, а окремих технічних рішень - у промислових умовах.

Наукове значення роботи полягає в подальшому розвитку теоретичної бази автоматизації процесу згущення суспензії в радіальному згущувачі на основі встановлення закономірностей осадження сфлокульованої суспензії в умовах зміни фізико-хімічних властивостей дисперсійного середовища, а саме існування екстремуму залежності швидкості осадження дисперсної фази від витрат флокулянту, який дрейфує при зміні величини рН, що обґрунтовує необхідність екстремального управління субпроцесом осадження; а також виявлених особливостей змішування ущільненого осаду із суспензією зони стиснення в розвантажувальній лійці згущувача, урахування яких необхідне для забезпечення автоматичної стабілізації заданої густини згущеного продукту.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці нових способів екстремального управління процесом осадження суспензії, способів автоматичної стабілізації густини згущеного продукту та висоти шару ущільненого осаду в радіальному згущувачі, які забезпечують високі якісні й кількісні показники процесу згущення: зниження втрат концентрату зі зливом згущувача, зростання густини та зниження дисперсії густини згущеного продукту, підвищення продуктивності радіального згущувача.

За результатами роботи підготовлені рекомендації щодо синтезу системи автоматичного управління процесом згущення суспензії рідкіснометалічних руд Мазурівського родовища та вихідні дані для технічного завдання, які передані “УкрНДІПпромтехнології” (м. Жовті Води) та використані в проекті АСУТП збагачувальної фабрики рідкіснометалічних руд ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча”. Очікуваний економічний ефект від упровадження систем на згущувачі польовошпатового концентрату - 194 тис. грн.

Розроблені технічні рішення способів автоматичного керування процесом згущення захищені чотирма патентами України і можуть бути застосовані при автоматизації радіальних згущувачів у різних галузях промисловості - вугільній, гірничо-хімічній, кольоровій та чорній металургії.

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати отримані здобувачем особисто. У дисертації викладений авторський підхід до вирішення наукового завдання. Авторові належить задум дослідження, самостійно запропонована ідея роботи, поставлена мета та задачі досліджень, одержані та сформульовані основні наукові положення і висновки. Автор брав безпосередню участь у виборі та вдосконаленні методів досліджень, проведенні лабораторних експериментів, експериментів на пілотній установці та в промислових умовах, комп'ютерному моделюванні роботи систем автоматизації. Авторові належить розробка й дослідження математичної моделі процесу, розробка алгоритмів управління, обґрунтування принципів і способів автоматичного управління процесом згущення, аналіз результатів моделювання роботи САУ процесом згущення. З наукових праць, що опубліковані в співавторстві, у дисертації використані тільки ті ідеї, положення й розрахунки, які є результатом особистих досліджень здобувача.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, висновки та результати досліджень, включені до дисертації, оприлюднені на наукових семінарах кафедри збагачення корисних копалин Донецького національного технічного університету, науково-технічних конференціях Запорізького гуманітарного університету (Запоріжжя, 2002), ДонНТУ (Донецьк, 2003-2004), Міжнародних науково-технічних конференціях “БРМ-2003” (Донецьк, 2003), “Сучасні економічні можливості розвитку та реалізації мінерально-сировинної бази України і Росії в умовах глобалізації ринку мінеральної сировини” (Київ, 2005), “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, 2004, 2006), V Конгресі збагачувальників країн СНД (Москва, 2005), на технічних нарадах Маріупольського металургійного комбінату ім. Ілліча (Маріуполь, 2003-2006) та “УкрНДІПпромтехнології” (Жовті Води, 2004-2006).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 13 статтях (6 одноосібних), з них 10 (5 одноосібних) у науково-технічних фахових виданнях, та чотирьох патентах України на винаходи (2 одноосібні).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 187 найменувань та 19 додатків на 200 сторінках, оформлених окремою частиною (книгою). Дисертація містить 173 рисунки (з них 133 в додатках), 46 таблиць (з них 33 в додатках). Загальний обсяг дисертації 196 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, визначена мета й задачі досліджень; коротко викладені структура й основні положення роботи; розкриті наукова новизна й практичне значення отриманих результатів; показана апробація результатів дисертації.

У першому розділі досліджена проблема підвищення ефективності автоматичного управління процесом згущення, проведено аналіз стану автоматизації процесу згущення суспензій руд кольорових і рідкісних металів; аналіз стану вивченості основних закономірностей і математичного опису процесу згущення суспензій у радіальному згущувачі.

Показано, що низькі техніко-економічні показники роботи радіальних згущувачів є наслідком зокрема недостатньо ефективного управління процесом згущення. Аналіз відомих методів автоматичного керування процесом згущення показав, що вони не дозволяють повною мірою скористатися перевагами інтенсифікації процесу за рахунок застосування флокулянтів і суттєво знизити витрати дорогих реагентів. Відомі результати теоретичних і експериментальних досліджень процесу згущення не можуть сповна служити науковим підґрунтям для розробки раціональних принципів і способів автоматичного управління радіальним згущувачем при автоматизації процесу згущення рудних суспензій рідкісних і кольорових металів у радіальному згущувачі.

Указані обставини характеризують актуальність проблеми і є обґрунтуванням теми дисертаційної роботи. Проведений аналіз дозволив визначити напрямки досліджень, сформулювати мету і задачі роботи.

У другому розділі на основі системного структурного аналізу проведено декомпозицію процесу згущення на більш прості для дослідження й моделювання субпроцеси. Розроблено нову структуру моделі об'єкта управління - процесу згущення суспензій руд рідкісних та кольорових металів в радіальному згущувачі, - яка на відміну від відомих, що включають субпроцеси осадження дисперсної фази та консолідації осаду на дні згущувача, ураховує існування субпроцесів транспортування ущільненого осаду до розвантажувальної лійки та його змішування в лійці із суспензією зони стиснення.

На підставі експериментального дослідження розподілу густини суспензії по висоті радіального згущувача для різних типів промислових концентратів обґрунтовано правомірність прийнятих при моделюванні припущень про поділ апарату за висотою на характерні зони та субпроцеси.

Дослідження субпроцесу осадження дисперсної фази та консолідації осаду на дні згущувача здійснювалося за відомою методикою активним експериментом у лабораторних умовах за програмою центрального композиційного ротатабельного плану другого порядку Бокса-Хантера. Об'єктом дослідження були штучні суспензії, приготовлені із сухих порошків нефелін-польовошпатових хвостів збагачення рідкіснометалічної руди Мазурівського родовища, польовошпатового, цирконового та піритного концентратів. У якості флокулянту застосовували 0,1 % водяний розчин поліакриламіду (ПАА). За цільову функцію приймали швидкість осадження дисперсної фази, яка визначалася згідно із загальноприйнятими рекомендацями.

Математична модель, яка адекватно описує процес осадження дисперсної фази польовошпатових хвостів основної флотації цирконій-тантал-ніобієвої руди, отримана обробкою результатів експерименту за допомогою модуля “Планування експерименту” статистичної програми Statgraphics 3.0 Plus у вигляді рівняння регресії (у нормованому вигляді):

Y = 7,286 + 0,579 X₁ ? 0,129 X₂ ? 0,588 X₃ ? 0,775 X₄ + 0,554 X₅ ?

? 0,571 X₁² + 0,681 X₁ X₂ ? 0,590 X₂², (1)

де Y - швидкість осадження дисперсної фази, мм/с; X₁ - питомі витрати флокулянту (ПАА); X₂ - концентрація іонів водню (величина рН); X₃ - вміст класу -0,063 мм в дисперсній фазі; X₄ - концентрація дисперсної фази в суспензії; X₅ - температура суспензії. Межі зміни X_і = -2…+2.

На рис. 1 наведено найбільш характерну тривимірну поверхню функції відгуку та її перетини, з яких видно, що поверхня відгуку Y = f (X₁, X₂) - це еліптичний параболоїд з екстремумом-максимумом в області Х₁ = 0,35; Х₂ = -0,1. Екстремальна залежність швидкості осадження від витрат флокулянту пояснюється тим, що при недостатніх витратах ПАА на поверхні частинок твердої фази утворюється плівка флокулянту замалої товщини, а при передозуванні флокулянту наступає стабілізація суспензії.

Аналіз моделі осадження показує, що координати екстремуму змінюються (дрейфують) при відхиленні величини рН середовища від оптимального як по осі ординат, так і по осі абсцис.

Перевірка моделі осадження дисперсної фази польовошпатових хвостів збагачення тантал-ніобій-цирконової руди Мазурівського родовища на дослідно-промисловій установці шляхом порівняння результатів спостережень за величиною швидкості осадження дисперсної фази суспензії в пілотному згущувачі з результатами розрахованих значень швидкості за моделлю (1), а також перевірка моделі осадження дисперсної фази піритного концентрату на промисловому згущувачі показала задовільну для вимог практики збіжність результатів

Дослідження процесів консолідації - стиснення і ущільнення - дисперсної фази суспензії рідкіснометалічних руд Мазурівського родовища в лабораторних умовах виконане як продовження дослідів з вивчення процесу осадження польовошпатового концентрату і дозволило отримати адекватні регресійні моделі:

Y_c = 1,61 - 0,037X₁ + 0,03 X₂ + 0,11 X₃ + 0,25 X₄ - 0,084 X₅ + 0,047X₁² -

- 0,04 X₁ X₂ + 0,052 X₂² - 0,044 X₃ X₄ - 0,066 X₄² + 0,032 X₄ X₅; (2)

с = 0,786 + 0,013 d , (3)

де Y_c - густина суспензії зони стиснення, кг/дм³; с - густина ущільненого осаду, кг/дм³; d - вміст класу -0,063 мм в дисперсній фазі, %.

Перевірка моделей стиснення та ущільнення флокул осаду польовошпатових хвостів збагачення рідкіснометалічної руди на пілотному та промисловому згущувачах підтвердила задовільну для вимог практики збіжність експериментальних і розрахункових даних.

Аналіз отриманих моделей показав, що при зміні параметрів суспензії живлення у встановлених регламентом межах густина стисненого осаду Y_c може змінюватися на ±45 % від середнього значення і є суттєвим збуренням, впливом якого на якість роботи системи автоматичного управління радіальним згущувачем знехтувати не можна. Густина ущільненого осаду с визначається для досліджуваного типу мінеральної сировини гранулометричним складом дисперсної фази й змінюється лише на ±6…7 % від середньої внаслідок руйнування флокул дисперсної фази під час транспортування осаду до розвантажувальної лійки.

Таким чином, зміна витрат флокулянту, що подається в згущувач для управління швидкістю осадження суспензії, не призводить до зниження густини згущеного продукту.

На підставі критичного аналізу відомих з досвіду експлуатації промислових згущувачів фактів висунуто гіпотезу, згідно з якою густина згущеного продукту, що вивантажується з радіального згущувача, визначається виключно результатами змішування ущільненого осаду із суспензією зони стиснення в розвантажувальній лійці згущувача. Для перевірки висунутої гіпотези й розробки математичної моделі, придатної для синтезу системи автоматичного керування процесом згущення, розвантажувальну лійку представлено як змішувач з неповним перемішуванням. Систему з неповним перемішуванням розглянуто як еквівалентну, складену з послідовно з'єднаних елементів повного перемішування і транспортного запізнювання, яка досить точно відтворює динамічні властивості регульованої дільниці.

Для кількісного аналізу такої системи модель динаміки субпроцесу змішування представлено у спрощеному вигляді передавальною функцією

.

Динамічні характеристики транспортуючого механізму - ферми згущувача, - розглянуті для випадку одночасної й незалежної зміни витрат дисперсної фази суспензії G_ос, що попадає в зону ущільнення, і швидкості транспортування осаду гребками ферми згущувача w. Передавальна функція системи транспортування осаду для цього випадку знайдена методом суперпозиції на основі аналітично виведених передавальних функцій каналами регулюючого впливу “частота обертання ферми - витрати осаду, що надходить до розвантажувальної лійки” та збурюючого впливу “витрати ущільненого осаду - витрати осаду, що надходить до розвантажувальної лійки”, і представлена у вигляді:

,

де _вх - наповнення гребків (маса осаду на одиниці довжини шляху гребків; _вх = /, де - середні витрати дисперсної фази суспензії, що попадає у зону ущільнення, та - середня швидкість транспортування осаду гребками ферми).

У третьому розділі проведено аналіз радіального згущувача як об'єкта оптимального управління і керованості параметрів процесу згущення суспензії; вивчено характер коливань і статистичні властивості основних змінних процесу; оцінено стаціонарність випадкового процесу; побудовано кореляційні функції та криві спектральної щільності основних збурюючих впливів.

Обґрунтовано застосування швидкості осадження дисперсної фази в якості технологічного критерію оптимальності процесу згущення суспензій руд рідкісних металів:

х(, рН, С_ж, d₀₀₆₃, T )> max_Qф , (4)

де - питомі витрати флокулянту, кг/10 м²; рН - величина рН, од.; С_ж - концентрація дисперсної фази, кг/дм³; d₀₀₆₃ - вміст класу -0,063 мм у дисперсній фазі, %; T - температура суспензії, єС. Необхідні обмеження за питомими витратами флокулянту:

,

де - максимально допустимі питомі витрати флокулянту.

Досліджено характер дрейфу екстремального значення функції цілі та основні фактори, що викликають дрейф, а також керованість процесу за вибраним критерієм. Показано, що цільова функція є унімодальною екстремальною функцією, екстремум-максимум якої дрейфує при зміні величини рН суспензії як по осі абсцис, так і осі ординат (рис. 2). Визначено чутливість дрейфу функції цілі до вхідних змінних в умовах перешкод і обґрунтовано економічну доцільність застосування системи автоматичної оптимізації режиму осадження. Для синтезу працездатних алгоритмів оптимізації досліджено спектральний склад параметрів суспензії живлення радіального згущувача.

рН= -2 (); рН= -1 (); рН= 0 (); рН= +1 (); рН=+2 ().

Для систем автоматичного регулювання густини згущеного продукту та висоти шару ущільненого осаду критерій оптимізації зводиться до оптимальної якості автоматичної стабілізації цих параметрів:

, (5)

, (6)

де с_с, с_рз - поточна та задана густина згущеного продукту; h, h_з - поточна та задана висота шару осаду; Т _с, Т _h - періоди інтегрування.

Необхідні обмеження за об'ємними витратами Q_min ? Q ? Q_max згущеного продукту і частотою обертання ферми n_min ? n ? n_max , де Q - об'ємні витрати згущеного продукту, м³/год; Q_min, Q_max - мінімальні та максимальні об'ємні витрати згущеного продукту, м³/год; n - частота обертання ферми, год^-1; n_min, n_max - мінімальна та максимальна частота обертання ферми, год^-1.

Показано, що кореляційні зв'язки між х, с_р та h слабкі, а тому часткові критерії (5) та (6) не суперечать загальному (4).

Визначено структуру процесу згущення, представлену послідовним з'єднанням двох ланок: вхідної лінійної та вихідної екстремальної нелінійної ланки, - яка виражає статичну характеристику об'єкта екстремального управління.

Розроблено концепцію автоматизації процесу згущення та принципи побудови системи автоматичного управління радіальним згущувачем. Обґрунтована можливість управління процесом згущення за допомогою трьох незалежних систем незв'язаного керування.

Четвертий розділ присвячено розробці й дослідженню комплексної системи автоматичного управління процесом згущення суспензії в радіальному згущувачі на базі аналізу одержаних математичних моделей і результатів дослідження згущувача як об'єкта оптимального управління.

Відповідно до висунутої концепції автоматизації процесу згущення суспензії рідкіснометалічних руд в радіальному згущувачі з периферійним приводом запропоновано загальну систему автоматичного управління, що складається з підсистеми оптимального управління режимом осадження дисперсної фази, підсистеми стабілізації густини вивантажуваного із згущувача згущеного продукту та підсистеми стабілізації висоти шару ущільненого осаду на дні згущувача, які реалізують розроблені принципи й способи управління.

Завдання системи автоматичної оптимізації полягає в підтримці максимального значення швидкості осадження шляхом зміни питомих витрат флокулянту при зміні величини рН суспензії. Це завдання вирішене за допомогою системи екстремального управління (СЕУ). Для згущувача польовошпатового концентрату, враховуючи можливість безперервного вимірювання збурення - величини рН, - яке зміщує точку екстремуму, і можливість встановлення залежності між значенням керуючого впливу та значенням цього збурення, запропоновано розімкнений функціональний зв'язок за збуренням, за допомогою якого робоча точка системи утримується поблизу екстремуму з відповідною точністю.

Для розробки алгоритму управління осадженням польовошпатового концентрату встановлено залежність оптимальних питомих витрат флокулянту від величини рН дисперсійного середовища у вигляді поліному (рН = -2...+2):

Q_ф^опт = 0,42 рН + 0,40, (7)

Залежність (7) дає можливість керувати процесом оптимальним, з огляду на вибраний критерій ефективності (4), способом, і з точністю, що відповідає долі участі контрольованого збурення рН у формуванні критерію ефективності. При управлінні в цьому випадку здійснюються лише найпростіші розрахунки за формулою (7).

Структурна схема системи екстремального управління, яка реалізує принцип регулювання за збуренням, для випадку, коли передавальна функція ланки виконавчих елементів системи W₁(р)=k₁= const, наведена на рис. 3, де F(рН) - нелінійна ланка (функціональний перетворювач), що реалізує залежність Q_ф^опт = F(рН), за якої досягається max f (Q_ф^пит, рН).

Для комп'ютерного моделювання роботи системи екстремального керування за збуренням імітували зміну параметрів суспензії живлення. Моделювання базувалося на результатах проведених у розділі 3 досліджень ймовірнісних характеристик параметрів суспензії живлення реального промислового згущувача за допомогою пакету “Аналіз даних” програми Microsoft Exсel. Згенеровані із заданим законом розподілу дані використовувалися для розрахунку швидкості осадження дисперсної фази за моделлю (1).

За даними імітаційного експерименту та результатами розрахунків вмісту концентрату в зливі, а також за значеннями об'ємних витрат флокулянту, що визначалися за алгоритмом (7), розраховувались математичне сподівання, стандартне відхилення вмісту концентрату в зливі, середні питомі витрати флокулянту; визначалася очікувана (прогнозна) ефективність розробленого алгоритму екстремального управління процесом згущення польовошпатового концентрату і проводилося його порівняння з іншими алгоритмами управління.

Показано, що реалізація алгоритму екстремального управління, який враховує зміну величини рН дисперсійного середовища, дозволяє на 52,1 % знизити втрати концентрату і на 19,8 % витрати флокулянту порівняно з ручним управлінням, і відповідно на 21,14 % та 7,88 % порівняно з управлінням за відомим алгоритмом, який не враховує зміну величини рН суспензії (див. табл. 1, 2).

Таблиця 1 Порівняння ефективності способів автоматичного управління процесом осадження польовошпатового концентрату (за результатами комп'ютерного моделювання)		Таблиця 2 Порівняння ефективності способів автоматичного управління процесом осадження піритного концентрату (за результатами промислових випробувань)
№	Варіанти управління	Вміст концентрату в зливі, кг/м3	Витрати флокулянту, л/год		№	Варіанти управління	Вміст концентрату в зливі, кг/м3	Витрати флокулянту, кг/т тв.
1	Базовий режим (ручне управління Qф = const)	15,61 (100 %)	95,6 (100 %)		1	Базовий режим (ручне управління Qф = const)	40,21 (100 %)	7,16 (100 %)
2	Дозування флоку-лянту відповідно до витрат дисперсної фази	9,46 (60,6 %)	83,19 (87,0 %)		2	Дозування флоку-лянту відповідно до витрат дисперсної фази	33,86 (84,2 %)	5,00 (69,9 %)
3	Екстремальне управління за збуренням (величина рН)	7,46 (47,8 %)	76,64 (80,2 %)		3	Екстремальне управління за збуренням (величина рН)	18,50 (46,0 %)	4,41 (61,6 %)

Для управління процесом осадження цирконового концентрату обгрунтовано доцільність застосування екстремальної системи пошукового типу. Враховуючи значну інерційність згущувача за каналом управління “витрати флокулянту - швидкість осадження” для скорочення часу пошуку й витрат на нього, а також для суттєвого підвищення якості екстремального управління процесом осадження дисперсної фази в згущувачі цирконового концентрату використано підхід, який полягає в тому, що пошук екстремального режиму здійснюється на фізичній моделі згущувача, інерційність якої в десятки разів нижча інерційності промислового апарату. 4). Пошук здійснюється за одним із відомих алгоритмів.

Робота СЕУ змодельована в середовищі Visual Basic 6.0. У результаті моделювання були визначені параметри налаштування СЕУ крокового типу та отримані перехідні процеси пошуку екстремуму при зміні збурень.

Установлено, що екстремальна система здійснює протягом 36…48 хв пошук на фізичній моделі оптимального значення вхідної координати об'єкту Q_ф до закінчення перехідних процесів в промисловому згущувачі, тобто здійснює пошук, близький до оптимального, при дії на об'єкт збурень стрибкоподібного та синусоїдного виду.

Час пошуку екстремуму в СЕУ має стійкий характер при дрейфі статичної характеристики в межах ±50 % від номінального значення, і досягається за 9_12 кроків. У випадку довільних та короткочасних змін статичних і динамічних характеристик об'єкта управління найкращі параметри пошуку, траєкторія якого практично незмінна, досягаються при відхиленні цих характеристик в межах ±25 %, що в повній мірі відповідає технологічним вимогам.

Середнє значення швидкості осадження при роботі СЕУ на фізичній моделі збільшувалося на 34 % порівняно із середнім значенням при ручному управлінні, що відповідає зниженню вмісту концентрату у зливі згущувача на 6,3 кг/м³.

Для стабілізації густини згущеного продукту запропоновано спосіб автоматичного управління, який реалізує комбінований принцип регулювання. Відповідно до цього способу зміною витрат згущеного продукту підтримується співвідношення витрат ущільненого осаду, що перегрібається до розвантажувальної лійки, та витрат згущеного продукту, який вивантажується із лійки згущувача. Розроблена САР забезпечує стабілізацію густини згущеного продукту з мінімальними відхиленнями від завдання за умови, якщо граничний ступінь ущільнення осаду та густина суспензії зони стиснення будуть залишатися незмінними. Коливання цих параметрів позначаються на густині згущеного продукту. Тому САР співвідношення доповнена контуром корекції заданого співвідношення за густиною згущеного продукту.

На основі аналізу розробленої аналітичної моделі транспортування осаду до розвантажувальної лійки запропоновано спосіб регулювання висоти шару осаду на дні згущувача, який забезпечує стабільність параметрів процесу змішування і тим самим надійну роботу системи стабілізації густини згущеного продукту. Розроблений спосіб включає безперервне контролювання фіктивної висоти шару осаду за величиною активної потужності, споживаної приводом ферми, та відповідну зміну частоти обертання ферми. Структурна схема САУ, яка реалізує розроблений спосіб управління.

Методом комп'ютерного моделювання за допомогою програмного пакету GenieDAQ проведено дослідження ефективності та точності синтезованих підсистем автоматичного управління. Показано їх працездатність та обґрунтовано вимоги щодо технічних засобів, необхідних для реалізації. За результатами моделювання в табл. 3 наведені дані для порівняння ефективності різних систем керування густиною згущеного продукту.

Таблиця 3

Порівняння ефективності систем стабілізації густини суспензії

Показники якості стабілізації густини	Базовий режим (ручне керування)	Система керування
		за відхиленням	за збуренням	комбінована
Математичне очікування, кг/м3	1590	1680	1725	1810
Дисперсія, (кг/м3)2	2320	820	640	400

Моделювання роботи системи стабілізації густини згущеного продукту комбінованого типу показало, що якість перехідних процесів в САР відповідає технологічним вимогам, дисперсія вихідного сигналу “густина згущеного продукту” знижується в 1,6 разу порівняно з керуванням за збуренням, або в 5,8 разу порівняно з базовим режимом (ручне керування); математичне очікування вихідної змінної зростає на 21 % порівняно з базовим режимом; система є стійкою при зміні параметрів процесу в межах ±20 % для G₁, ±10 % для G₂.

Результати моделювання підсистеми стабілізації висоти шару осаду на дні згущувача показали, що дисперсія вихідного сигналу “висота шару ущільненого осаду” при управлінні за ПІ-алгоритмом знижується в 2,3 разу порівняно з базовим режимом (ручного управління); математичне очікування вихідної змінної зростає на 16,5 %; якість перехідних процесів в САР відповідає технологічним вимогам; система є стійкою при зміні параметрів процесу в межах ±20 % для G₁, ±10 % для с_р. Для всіх досліджених режимів роботи САР висоти шару ущільненого осаду процес регулювання був слабоколивальним; амплітуда автоколивань не перевищувала 4...5 % від діапазону зміни вихідної величини. Статична похибка в усіх випадках не перевищувала 1,5...2,0 % (9...10 мм висоти шару осаду).

На підставі проведених досліджень видані рекомендації для практичної реалізації системи автоматизації процесу згущення суспензій руд рідкісних металів і продуктів їх переробки. Визначені основні джерела економічної ефективності автоматизації процесу згущення: збільшення об'ємів виробництва за рахунок зниження втрат концентрату в зливі, зниження витрат флокулянту, підвищення густини згущеного продукту, зниження вологості осаду фільтра, зниження витрат газу на сушіння концентрату. Обґрунтовані напрямки подальших досліджень, спрямованих на підвищення ефективності автоматизованого функціонування радіальних згущувачів.

У додатках наведені таблиці експериментальних даних, розрахунки, акт використання результатів дисертаційної роботи, опис програм моделювання, ілюстрації допоміжного характеру, аналіз статичних характеристик, результати моделювання систем автоматичного управління. Наведені результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень залежності активної потужності, споживаної електроприводом ферми згущувача, від основних параметрів процесу згущення: висоти шару ущільненого осаду, його густини та частоти обертання ферми. Проведена оцінка похибки вимірювання сигналу активної потужності та обґрунтована інформативність і переваги його використання для контролю висоти шару осаду або витрат ущільненого осаду в системах автоматичної стабілізації густини згущеного продукту та висоти шару осаду на дні згущувача.

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дано нове вирішення актуального наукового завдання підвищення ефективності автоматичного управління технологічним процесом згущення суспензій рідкіснометалічних руд та продуктів їх збагачення шляхом удосконалення системи автоматичного управління роботою радіального згущувача з периферійним приводом на основі встановлених закономірностей осадження сфлокульованої суспензії й консолідації осаду в умовах зміни фізико-хімічних властивостей дисперсійного середовища та особливостей змішування осаду в розвантажувальній лійці згущувача.

Найважливіші наукові та практичні результати роботи є такими.

1. Низькі техніко-економічні показники роботи радіальних згущувачів є наслідком зокрема недостатньо ефективного управління процесом згущення. Відомі методи автоматичного керування не дозволяють мінімізувати втрати концентрату зі зливом згущувача і дисперсію згущеного продукту, знизити витрати дорогих реагентів, оскільки розроблені без урахування екстремального характеру залежності швидкості осадження дисперсної фази від питомих витрат флокулянту та її дрейфу, а також примусової подачі ущільненого осаду і його змішування із суспензією в розвантажувальній лійці.

2. Розроблено нову структуру моделі об'єкта управління - процесу згущення суспензії рідкіснометалічних руд в радіальному згущувачі з периферійним приводом, - яка на відміну від відомих, що включають субпроцеси осадження дисперсної фази та консолідації осаду на дні згущувача, ґрунтується на гіпотезі про змішування ущільненого осаду із суспензією зони стиснення в розвантажувальній лійці радіального згущувача та враховує особливості розвантаження згущувача: існування в згущувачі субпроцесів транспортування ущільненого осаду і змішування його із суспензією зони стиснення, що забезпечило вищу точність математичного опису безперервного процесу згущення, і розроблення досконалішої комплексної системи автоматичного управління радіальним згущувачем.

3. Експериментально встановлено закономірності субпроцесів осадження сфлокульованої суспензії, стиснення й ущільнення осаду для різних типів концентратів і відходів збагачення кольорових та рідкіснометалічних руд в умовах одночасного комплексного впливу основних вхідних параметрів процесу. Уперше встановлено, що радіальний згущувач за каналами управління “витрати флокулянту - швидкість осадження дисперсної фази” та основного збурення “величина рН - швидкість осадження дисперсної фази” має екстремум швидкості осадження від питомих витрат флокулянту, який дрейфує при зміні величини рН. Визначені умови, за яких екстремальний характер залежностей і дрейф екстремуму має враховуватися при розробці алгоритмів ефективного управління радіальним згущувачем, уперше обґрунтована доцільність застосування екстремального управління процесом осадження дисперсної фази для підвищення ефективності автоматизованого управління процесом згущення сфлокульованої суспензії. Обґрунтовано вибір швидкості осадження дисперсної фази суспензії в якості цільової функції оптимізації процесу згущення.

4. Показано, що екстремальне управління процесом осадження польовошпатового концентрату можна реалізувати на базі принципу керування витратами флокулянту за основним збуренням - величиною рН суспензії живлення. Моделюванням встановлена залежність оптимальних керуючих впливів для польовошпатового концентрату від величини рН. Комп'ютерним моделюванням роботи системи екстремального управління встановлено, що реалізація розробленого способу управління за алгоритмом (7) дозволяє на 52,2 % знизити вміст концентрату в зливі та на 19,8 % витрати флокулянту (порівняно з ручним управлінням).

5. Розроблено спосіб екстремального управління режимом осадження цирконового концентрату за каналом “витрати флокулянту (ПАА) - швидкість осадження суспензії”, який реалізує принцип крокового пошуку екстремуму на фізичній моделі згущувача, що суттєво скорочує тривалість пошуку. Шляхом комп'ютерного моделювання роботи СЕУ в середовищі Visual Basic 6.0 установлено, що час пошуку екстремуму має стійкий характер при дрейфі статичної характеристики в межах ±50 % від номінального значення і досягається за 9-12 кроків. У випадку довільних та короткочасних змін статичних характеристик об'єкта управління час пошуку є мінімальним (36-48 хв) при відхиленні цих характеристик у межах ±25 %, що сповна відповідає технологічним вимогам. Реалізація алгоритму екстремального управління дозволяє на 34 % знизити втрати цирконового концентрату в зливі згущувача порівняно з ручним управлінням, а витрати флокулянту на 15,0 %.

6. Уперше розроблено аналітичну модель розвантаження радіального згущувача, яка, на відміну від існуючих уявлень про механізм ущільнення дисперсної фази, базується на гіпотезі про змішування ущільненого осаду із суспензією зони стиснення в розвантажувальній лійці й адекватно описує фізичні процеси в радіальному згущувачі. Еквівалентна схема субпроцесу змішування може бути представлена як складена з елементів транспортного запізнювання і повного перемішування. Аналіз моделі показав, що густина згущеного продукту, який вивантажується з лійки згущувача, визначається параметрами ущільненого осаду і суспензії зони стиснення та залежить від співвідношення витрат дисперсної фази в осаді й згущеному продукті. Мінімальна дисперсія заданої густини згущеного продукту досягається, як уперше встановлено, шляхом автоматичної підтримки заданого співвідношення масових витрат ущільненого осаду й згущеного продукту і коригування цього співвідношення за густиною згущеного продукту.

7. Уперше розроблено спосіб комбінованого автоматичного управління процесом згущення суспензій руд рідкісних і кольорових металів, який поєднує принципи автоматичного керування за збуренням і відхиленням. При цьому новизна контуру керування за збуренням полягає в тому, що керуючий вплив - зміна витрат згущеного продукту - формується за співвідношенням масових витрат ущільненого осаду і згущеного продукту, а новизна контуру регулювання за відхиленням полягає в корекції цього співвідношення за густиною згущеного продукту. Результати комп'ютерного моделювання роботи комбінованої системи стабілізації густини згущеного продукту показали, що якість перехідних процесів в САР відповідає технологічним вимогам; дисперсія вихідного сигналу “густина згущеного продукту” при управлінні за розробленим алгоритмом знижується в 1,6 разу порівняно з управлінням за збуренням.

8. Уперше у формі передавальної функції розроблено аналітичну модель субпроцесу транспортування ущільненого осаду до розвантажувальної лійки радіального згущувача з периферійним приводом, яка з достатньою точністю (похибка ±7…8 %) описує динаміку процеса. Модель зміни висоти шару ущільненого осаду для випадку одночасного впливу швидкості транспортування та витрат дисперсної фази на вході в зону ущільнення представлена у вигляді двох паралельно сполучених ланок: аперіодичної ланки та ланки запізнювання. Автоматична стабілізація висоти шару ущільненого осаду забезпечується розробленим новим способом, який реалізує принцип управління за відхиленням шляхом зміни частоти обертання ферми згущувача. Дослідження математичної моделі системи стабілізації, синтезованої за допомогою програмного пакету GenieDAQ, показало, що дисперсія вихідного сигналу “висота шару ущільненого осаду” при управлінні за розробленим алгоритмом знижується у 2,3 разу порівняно з базовим режимом (ручне управління); якість перехідних процесів в САР відповідає технологічним вимогам.

9. Алгоритми та програмне забезпечення систем автоматизації, що реалізують розроблені та захищені патентами на винаходи принципи і способи управління процесом згущення, використані в технічному проекті збагачувальної фабрики рідкіснометалічних руд ВАТ “ММК ім. Ілліча”, розробленому інститутом “УкрНДПІпромтехнології” (м. Жовті Води). Очікуваний економічний ефект від упровадження комплексної системи управління процесом згущення польовошпатового концентрату в умовах підприємства складає 194 тис. грн. на рік.