煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺

張良力, 楊 怡, 王 斌, 劉 瓊, 梁 開, 楊大兵

(武漢科技大學 信息科學與工程學院, 湖北 武漢 430081)

煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺

張良力, 楊 怡, 王 斌, 劉 瓊, 梁 開, 楊大兵

(武漢科技大學 信息科學與工程學院, 湖北 武漢 430081)

介紹了煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺的系統結構與功能。從生產設備操作和工藝流程控制角度出發,設計了實驗臺人機信息交互接口及其數據采集方法,融合了工業物料成分在線檢測儀器運行狀態監測功能。實施效果表明,該實驗臺能夠反映煉鐵燒結生產工藝流程并顯示關鍵指標參數,能加強本科生專業實踐能力,提升實驗師資隊伍科研水平。

煉鐵燒結； 工藝流程； 教學實驗臺； 成分在線檢測

煉鐵燒結工業規模宏大,工藝流程復雜,現場環境惡劣[1]。在生產現場學習工藝流程、訓練設備操作都十分困難。已有技術手段中,對煉鐵燒結生產工藝流程的再現,多采用計算機仿真軟件實現,系統運行時使用顯示器或投影儀展示燒結現場情形并顯示狀態參數；對參數進行調整時,操作人員僅需通過鼠標、鍵盤等輸入指令即可實現[2-3]。在此條件下,操作人員遠離生產現場,無法親身感受工藝流程參數調整與控制對象狀態變化之間的關聯,無法達到熟練操控設備、積累現場經驗、提高業務水平的目的[4]。另外,操作人員長時間觀看計算機畫面,容易產生疲勞或分神,一旦錯失調整系統參數的最佳時機,造成的經濟損失很大。針對上述問題,本文設計了一種煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺,該實驗臺以仿真展示煉鐵燒結生產工藝流程中各環節狀態參數及其變化為主要目的,設置了多種形式的人機交互接口,以便操作人員與實驗臺展開廣泛的信息交互。該實驗臺可用于高等院校相關專業學生課程實驗以及相關科研活動,也可用于煉鐵燒結生產企業設備操作人員培訓。

1 系統結構與功能設計

煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺由模擬煉鐵燒結生產工藝的顯示屏、模擬調整煉鐵燒結生產工藝參數的操作面板、信號處理電路、計算機和數據無線傳送器等組成,實驗臺外觀見圖1。

圖1 實驗臺外觀

顯示屏含有觸摸顯示器、音箱等計算機標準外部設備,以及低壓指示燈、數字儀表等工控輸出設備。標準外部設備通過USB接口直接與計算機連接,工控輸出設備通過數據驅動總線與信號處理電路連接,信號處理電路主要完成電信號接收、處理、轉換、發送等任務,具有信號采樣、A/D轉換、通過RS232接口與計算機進行雙向通信、器件驅動等功能。

操作面板含有旋鈕開關、按鍵開關、滑動變阻器等主令控件,以及顯示參數調整的數字儀表。操作面板的各個主令控件通過指令傳輸總線向信號處理電路傳送人員操作指令,操作指令經信號處理電路數字化后,驅動數字儀表[5]。

計算機內部預裝有煉鐵燒結工藝仿真控制軟件,當信號處理電路將數字化的操作人員動作指令上傳,或無線數據傳送器接收到遠端生產設備狀態參數時,計算機將調用相應軟件功能模塊,運算并作出邏輯判斷,最終向信號處理電路或無線數據傳送器下發決策控制指令數據。另外,計算機還具有數據存儲、信息管理、軟件升級等功能。

無線數據傳送器與計算機直接連接,用來接收遠端生成設備發來的煉鐵燒結工藝狀態真實參數并作為輸入數據傳輸至計算機,計算機對遠端數據可進行運算、存儲、管理、VGA顯示等操作處理,也可經信號處理電路處理后由顯示屏上的數字儀表進行顯示[6]。另一方面,操作人員在操作面板上發出的指令,也可經由信號處理電路、計算機接收處理后,通過無線數據傳送器發送至遠端生產設備上,從而實現仿真平臺遠程操作功能。

煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺內部硬件系統結構如圖2所示。

圖2 實驗臺硬件系統結構

2 實驗臺人機信息交互與數據采集

可與操作人員進行信息交互的部件包括觸摸顯示器、音箱、指示燈和LED數字儀表。觸摸顯示器用于顯示操作系統下應用軟件界面,供操作人員直接點選操作[7]。音箱用于播放煉鐵燒結工藝流程中的警告、操作等音頻提示信息。LED數字儀表接收并顯示來自信號處理電路輸出的狀態值,包括料位、混料機轉速、閥門開度、水流量、水分含量、水壓、溫度、臺車速度、抽風速度等。指示燈的亮、滅指示顯示屏上不同煉鐵燒結生產設備的顯示狀態,當操作人員發出查看某監控對象參數值的動作指令(如旋轉旋鈕)時,對應指示燈就會點亮,觸摸顯示器、儀表自動切換至操作人員需要監控的對象上,并顯示其狀態參數。

操作面板用于接收操作人員發出的動作指令,控件包括旋鈕開關、按鍵開關、滑動變阻器等指令部件。另外,為了方便操作人員調整參數,操作面板上還含有LED數字儀表,用來顯示正在調整的參數變化情況,數據亦來自信號處理電路。旋鈕開關、按鍵開關接收操作人員發出的切換指令(切換對象包括1號/2號混料機狀態參數、煤氣/空氣/蒸汽配送狀態參數、1號/2號/3號成分在線檢測儀器狀態參數等)，使顯示屏上的觸摸顯示器、儀表,顯示操作人員需要監控的煉鐵燒結設備狀態參數。滑動變阻器接收操作人員發出的參數調整指令,變阻器滑動部分位置對應了不同的阻值,經信號處理電路A/D轉換后作為參數調整輸入值傳送至計算機進行運算；與此同時,滑動變阻器阻值經信號處理電路處理后,也可直接驅動操作面板上的LED數字儀表,直觀顯示正在調整參數的變化情況。

3 煉鐵燒結成分在線監測

基于瞬發伽馬射線中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis,PGNAA)的工業物料成分在線檢測儀器開發技術已日趨成熟,目前已應用于煤炭、水泥等大型工業企業物料成分監測環節中[8-10]。本次開發的教學實驗臺也對該儀器運行情況進行實時監測。煉鐵燒結物料成分檢測對象包括TFe(全鐵)、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、S及P,輸出指標數據為上述檢測對象在物料中的百分含量[11]。由于成分在線檢測儀器直接輸出數據為各元素在物料中的百分含量,因此需建立“元素-化合物轉換算法”實現煉鐵燒結物料化學指標數據實時輸出功能。此處只探討以下兩類檢測指標計算方法。

3.1 TFe、S、P含量檢測

TFe是指煉鐵燒結物料中各價態的Fe元素含量總和,記為ωTFe，通過成分在線檢測儀器可直接獲得其值,不同價態的Fe元素需根據其他關系式推算得出。Fe元素含量關系式可表示為ωTFe=ωFe+3+ωFe+2,式中ωFe+3和ωFe+2分別代表燒結物料中Fe+3和Fe+2百分含量。同理,S、P也可通過成分在線檢測儀器可直接獲得其含量值。

3.2 氧化物含量檢測與計算

首先，探討具有單一價態的Ca、Si、Mg、Al元素的氧化物含量檢測方法。

設待檢測的氧化物化學分子式為XmOn,通過成分在線檢測儀器可獲得X元素在煉鐵物料中的含量為ωX/W；而X元素在其氧化物XmOn中的質量占比ωX/XmOn可依據其分子式直接計算,有

(1)

式中,AX表示元素X的相對原子質量；AO表示元素O的相對原子質量(可取15.999)。

然后，根據求得的ωX、ωX/XmOn可計算得出氧化物XmOn在煉鐵燒結物料中的含量ωXmOn/W,計算式如下

(2)

具有多價態的Fe元素在煉鐵燒結物料中的氧化物主要以FeO、Fe2O3形式存在,其比例因燒結主要原料鐵礦石的產地不同而存在差異。對FeO含量的檢測,可按以下步驟實現:

(1) 利用成分在線檢測儀器獲得TFe、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、S、P等元素和氧化物的含量,推算得出Fe氧化物中O元素含量ωO；

(2) 設待測物料中FeO、Fe2O3分子個數比為α(初值為0)；

(3) 增大α,計算下式并判斷循環是否終止：

(3)

式中,ε為預設的循環終止閾值,AFe表示元素Fe的相對原子質量(可取55.845)；

(4) 不等式成立則退出循環,不成立則返回步驟(3)；

(5) 根據輸出的α值計算FeO在煉鐵燒結物料中的含量ωFeO。

3.3 煉鐵燒結物料化學成分監測軟件

位于物料傳送帶附近的成分在線檢測儀器,將采集到的煉鐵燒結物料元素百分含量值,通過無線數據傳送器送至教學實驗臺內的計算機。經計算機控制程序轉化計算后,煉鐵燒結物料中的TFe、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、S、P的百分比含量數據以可視化監測軟件界面形式傳至觸摸顯示器,如圖3所示。除化學指標百分含量實時顯示功能外,軟件還具有超限設置、超限警示等功能；當某化學物質含量超過預設上限或下限時,界面自動閃爍指示燈示警,并在提示框內顯示異常數據出現時間等信息。

圖3 煉鐵燒結成品礦化學成分監測軟件

4 實驗臺教學應用效果

(1) 再現燒結生產工藝流程,提高了學生專業認知與動手能力。燒結理論與工藝是礦物加工工程本科專業核心課程,一般采用燒結杯實驗加強學生對燒結成品礦形成原理的認知[12]。但燒結杯實驗操作流程與煉鐵企業流水線式生產流程差別較大,學生認知燒結工藝較困難。本教學實驗臺的開發與應用,解決了這一問題。設置有煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺的造塊成型(燒結)綜合實驗室,不僅能豐富“燒結理論與工藝”實驗課內容,還可為“燒結機械設備”“計算機在礦物加工中的應用”“熱工測量與控制”等專業選修課程提供實踐平臺,全面提高在校生動手操作煉鐵燒結設備的能力。

(2) 實現科研成果有效轉化,提升了實驗教師科學研究水平。本實驗臺的研發得益于本校實驗教師申報并獲批的國家重大科學儀器設備開發專項。經過科學研究、樣機試制、系統測試等研發過程,形成了功能齊全、性能穩定、安全可靠的可操作平臺。經試用,取得良好的實驗教學效果。將教師的科研成果轉化成實驗教學項目,不僅能促進學校人才培養、實踐基地建設,還能激發教師創新熱情,以及申報項目、研發裝備、成果轉化等的積極性。

5 結語

已投入使用的煉鐵燒結生產工藝流程教學實驗臺采用模塊化設計方案,其硬件系統包括計算機、觸摸顯示器等均用安全電壓DC 12V供電,確保使用者人身安全。實驗臺人機信息交互端口齊全、形式多樣,顯示屏從視覺、聽覺、觸覺等感官角度向操作人員傳遞煉鐵燒結工藝流程中各環節實時狀態,操作面板基本涵蓋各環節遠程操控輸入端。該實驗臺能對新興工業物料成分在線檢測儀器運行狀態進行實時監測,通過編制可視化監控系統軟件,實現煉鐵燒結成品礦化學指標參數實時顯示、示警以及數據日常管理等功能。應用效果表明,該實驗臺能夠反映煉鐵燒結生產工藝流程及關鍵指標參數顯示,能夠提高在校學生專業認知與實踐動手能力,其研發過程對實驗師資隊伍水平的提升也起到促進作用。

References)

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Teaching experimental platform for production technological process of iron-making and sintering

Zhang Liangli, Yang Yi, Wang Bin, Liu Qiong, Liang Kai, Yang Dabing

(School of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The system structure and functions of an experimental platform for production technological process of iron-making and sintering are introduced. From the perspectives of the production equipment operation and the technological process control, the man-machine interface and its data collecting method of the experimental platform are designed, and the state monitoring function of an industrial materials by the on-line detection instrument is also embedded into the platform. The results show that the experimental platform is able to reflect the production technological process of ironmaking and sintering and display the key index parameters. It can enhance the undergraduate students’ professional practical ability and improve the research level of the experimental teaching staff.

iron-making and sintering；technological process；teaching experimental platform； on-line detection of components

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.019

2017-01-05 修改日期：2017-03-08

國家重大科學儀器設備開發專項(2013YQ040861)；全國工程專業學位研究生教育自選研究課題(教改項目)(2016-ZX-321)；武漢科技大學研究生教育教學改革研究項目(YJG201517)

張良力(1981—),男,湖北武漢,博士,副教授,從事電力系統及其自動化系統仿真研究.E-mail：zhangliangli@wust.edu.cn

G484；TF046.4

B

1002-4956(2017)08-0074-04