CN101866188A - 一种烧结混合料水分自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烧结混合料水分自动控制系统，该系统通过测量烧结混合料的湿容量，根据湿容量来预测烧结混合料的适宜含水量，并依据适宜含水量预测值和在线检测的实际含水量去调节和控制制粒过程中的加水量，使烧结混合料的含水量最终稳定在适宜值，从而实现了制粒过程最佳配水量的自动化控制以及在线实时控制，有效改善了目前人工控制配水量精度难以保证的缺点，极大的降低了操作人员的劳动强度；同时，控制稳定时间短、波动小，有效改善了气候变化等客观因素导致配水量误差的缺点。

Description

一种烧结混合料水分自动控制系统

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，尤其涉及一种烧结混合料水分自动控制系统。

背景技术

钢铁冶金领域中，将铁矿粉、焦炭、熔剂等配水混合，通过圆筒混料机的制粒作用，获得具有一定粒度分布的混合料小球，然后在台车上通过抽风烧结最终获得高炉炼铁所需的烧结矿。该制粒过程中，配水量对混合料的造球行为，以及最终混合料小球的粒度分布有重要影响：随着水分的增大，混合料透气性增大，提高生产率；但若水分过大，将在烧结断面上形成过湿带，使料层阻力变大，同时使能源消耗上升；若水分过小，则影响混合料造球效果，直接影响烧结过程的透气性。因此，混合料水分控制的重要性是不言而喻的，适宜的配水量既能保证混合小球的强度和尺寸，又能最大程度上节约用水和减少烧结所需的配碳。

在烧结生产工艺中，混合料的水分稳定对改善料层透气性、减少返矿均有童要的实际意义。然而随着现代钢铁工业的不断发展，钢铁企业对铁矿石资源的需求持续增长。现在国内多数钢铁企业的原料现状是铁矿石种类繁多、成分波动大，混合料适宜含水量波动较大，人工控制制粒过程中的配水量难以保证精度，给烧结过程带来很大困难。同时气候的变化无常也会导致原料的水分发生很大的变化。然而在实际生产中，烧结混合料配水量往往是固定的，其改变滞后于原料变化，一旦烧结工序出现明显的质量问题时，才会考虑制粒工序的工艺参数。操作者对原料变化引起的混合制粒行为变化缺乏有效的评估。上述多种因素都导致烧结混合料的含水量难以稳定的控制在适宜值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种烧结混合料水分自动控制系统，该系统通过测量烧结混合料的湿容量，根据湿容量来预测烧结混合料的适宜含水量，并依据适宜含水量预测值和在线检测的实际含水量去调节和控制制粒过程中的加水量，使烧结混合料的含水量最终稳定在适宜值。

本发明目的是这样实现的：一种烧结混合料水分自动控制系统，用于控制供水管路向圆筒混料机内烧结混合料的实时供水流量，确保经圆筒混料机制粒处理后由混合料输送机输出的烧结混合料的含水量保持在适宜值；其特征在于：该烧结混合料水分自动控制系统包括湿容量检测装置、计算机、红外水分测量仪、PID控制器、流量计和调节阀；其中：

所述湿容量检测装置用于检测烧结混合料的湿容量v，并将检测结果输出到计算机；

所述计算机分别与湿容量检测装置和PID控制器通信连接，根据烧结混合料的湿容量v，通过如下关系式计算烧结混合料的适宜含水量w：

w＝k·v+n，并将计算结果输出到PID控制器；其中，k为比例系数，n为修正常数，k和n通过对圆筒混料机制粒实验的实验数据利用最小二乘法拟合得到；

所述红外水分测量仪设置在混合料输送机上，并与PID控制器通信连接，其探头朝向混合料输送机的传输带，用于在线检测经制粒处理后的烧结混合料的实际含水量x(t)，并将检测结果输出到PID控制器，其中t为时间；

所述PID控制器分别与设置在供水管路上的流量计和调节阀电连接，通过如下关系式计算供水管路的实时供水流量u(t)：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}],$

并根据计算结果向流量计和调节阀发送控制信息，调节供水管路的实时供水流量；其中，e(t)＝w-x(t)，t为时间；T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数；K_p为流量比例系数。

所选择的所述湿容量检测装置包括U形水槽、圆筒容器、以及相互电连接的电子天平和微型计算器；所述圆筒容器是一个竖直放置的透明圆筒其下开口端面平铺绷制有滤纸而形成的容器，圆筒容器的上方设有吊绳并使其在U形水槽的一端开口内上下移动；所述U形水槽水平搁置，U形水槽的两端开口等高，其中对应于圆筒容器的一端开口的侧壁设有刻度标记，另一端开口的上部设有储水箱，储水箱向U形水槽提供水源，使U形水槽两端开口的水位始终保持在最高处；所述圆筒容器的吊绳与电子天平的称重盘相连，电子天平的测量数据输出到微型计算器中，由微型计算器计算出湿容量。

作为优化选择，所述积分时间常数T_I的取值范围为50～200；所述微分时间常数T_D的取值范围为10～50；所述流量比例系数K_p的取值范围为1000～10000。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)实现了制粒过程最佳配水量的自动化控制，有效改善了目前人工控制配水量精度难以保证的缺点，同时极大的降低了操作人员的劳动强度。

2)实现了制粒过程最佳配水量的在线实时控制，控制稳定时间短、波动小，有效改善了气候变化等客观因素导致配水量误差的缺点。

附图说明

图1为本发明烧结混合料水分自动控制系统的结构示意图；

图2为本发明所采用的一种湿容量检测装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中制粒实验数据的线性回归拟合图；

图4为本发明实施例中进行水分自动控制的过程曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

参见图1。圆筒混料机1对烧结混合料进行制粒处理，供水管路2向圆筒混料机1内供水，以调节制粒过程中烧结混合料的含水量，制粒处理后的烧结混合料由混合料输送机3输出。本发明提供一种烧结混合料水分自动控制系统，用于控制供水管路2向圆筒混料机1内的实时供水流量，确保制粒处理后的烧结混合料的含水量保持在适宜值。该自动控制系统包括湿容量检测装置4、计算机5、红外水分测量仪6、PID控制器7、流量计8和调节阀9。湿容量检测装置4通过数据线与计算机5通信连接，用于检测烧结混合料的湿容量，并将检测结果输出到计算机5，计算机5则根据湿容量计算出烧结混合料的适宜含水量。红外水分测量仪6设置在混合料输送机3上，探头朝向混合料输送机的传输带，用于在线检测经制粒处理后的烧结混合料的实际含水量。计算机5和红外水分测量仪6都通过数据线或者无线信号传输方式与PID控制器7通信连接，分别把烧结混合料的适宜含水量和实际含水量传送至PID控制器7；PID控制器7则计算出供水管路2适宜的实时供水流量，并通过控制连接线，向设置在供水管路2上的流量计8和调节阀9发送控制信号，以流量计8的读数进行流量监控，相应地对调节阀9的开度进行调节，从而调节供水管路2的流量，确保制粒处理后的烧结混合料的实际含水量稳定在适宜值。本发明的烧结混合料水分自动控制系统工作过程如下：

1)测定适宜含水量：

测定烧结混合料的适宜含水量，分以下两步执行：

i)首先，用湿容量检测装置测定烧结混合料的湿容量。

所采用的湿容量检测装置如图2所示，包括U形水槽41、圆筒容器42、以及相互电连接的电子天平43和微型计算器44；所述圆筒容器42是一个竖直放置的透明圆筒其下开口端面平铺绷制有滤纸而形成的容器，圆筒容器42的上方设有吊绳并使其在U形水槽41的一端开口内上下移动；所述U形水槽41水平搁置，U形水槽41的两端开口等高，其中对应于圆筒容器的一端开口的侧壁设有刻度标记，另一端开口的上部设有储水箱45，储水箱45向U形水槽41提供水源，使U形水槽41两端开口的水位始终保持在最高处；所述圆筒容器42的吊绳与电子天平43的称重盘相连，电子天平43的测量数据输出到微型计算器44中，由微型计算器44计算出湿容量。

利用湿容量检测装置测定烧结混合料的湿容量，可按照如下步骤进行：先将圆筒容器底部的滤纸浸泡入水中，让滤纸吸水完全饱和。取出圆筒容器，称取经干燥处理后重量为M(一般为200g～300g)的烧结混合料样品装入圆筒容器内，使其自然堆积，并将数值M人工输入到微型计算器中；装好后将圆筒容器挂在电子天平上称量，待示数稳定后，将天平清零；再将圆筒容器浸入到水下h深度，使圆筒所受浮力与水-圆筒界面的张力达到平衡，天平重新回零。其中，圆筒容器浸入到水下的深度h与圆筒容器直径D的有关：

$h=\frac{4\·\cos \mathrm{\θ}\·\mathrm{\σ}}{\mathrm{\ρ}\·g\·D};$

σ为水的表面张力，θ为水和玻璃的接触角(与水和圆筒容器的材料有关，为常识数值，如水和玻璃的接触角固定为30度)，ρ为水的密度10³kg/m³，g为重力加速度9.8N/kg。随着时间变化，烧结混合料样品通过滤纸的浸透开始吸水，天平示数不断增加；当电子天平数据稳定时，电子天平最后的测量数据m即为烧结混合料样品的总吸水量。该测量数据被输出到微型计算器中，由微型计算器根据电子天平的测量数据m和此前输入的数值计算得到该烧结混合料的湿容量v：

$v=\frac{m}{M}\×100\%.$

烧结混合料的湿容量反映该烧结混合料的吸水能力和由于毛细作用力而存在于颗粒间的水含量。对于同一种烧结混合料，其湿容量v是固定值。

ii)然后，将微型计算器计算所得的烧结混合料湿容量结果输入计算机，由计算机根据湿容量与烧结混合料适宜含水量的关系预测最佳配水量，烧结混合料的适宜含水量与湿容量的关系式如式(1)所示：

w＝k·v+n                (1)

式(1)中，w为烧结混合料的适宜含水量，对于同一种烧结混合料，其湿容量v是固定值，因此其适宜含水量w的值也是固定的；k为比例系数，与圆筒混料机的转速、倾角、物料加入速率等参数有关，n为修正常数，其中，k和n是采用圆筒混料机进行制粒实验，再通过对其实验数据利用最小二乘法拟合得到的。需要说明的是，对于相同的圆筒混料机，其k和n的值是固定的。

2)在线检测经制粒处理后的烧结混合料的实际含水量：

红外水分测量仪设置在混合料输送机上，在线检测经制粒处理后由混合料输送机输出的烧结混合料的实际含水量。在特定波长范围内，水对红外光有较强的吸收特性；红外水分测量仪就是基于水分对特定波长的红外线具有选择特性和吸收特性而进行水分检测的。将红外水分测量仪的探头朝向混合料输送机输出的烧结混合料，用特定波长的红外光波对烧结混合料进行照射，烧结混合料中所含的水就会吸收部分红外光的能量，含水量越多吸收的红外光也越多，因此可通过测量反射光的减少量，就能够在线测量计算出烧结混合料的实际含水量。红外水分测量仪为现有的成熟产品，在此就不对其具体的光学、电路构造加以赘述。本发明中，红外水分测量仪的探头朝向混合料输送机的传输带，烧结混合料在圆筒混料机中进行制粒处理过后，经混合料输送机的传输带输出，红外水分测量仪则在线检测由传输带带动经过的烧结混合料，得到经行制粒处理过后烧结混合料的实际含水量x(t)，x(t)是时间t的函数。

3)监控、调节供水管路流量：

由计算机计算得到的烧结混合料湿容量w，以及由红外水分测量仪检测到的烧结混合料实际含水量x(t)，均被输出到PID控制器；利用这些数据，PID控制器通过式(2)计算得到供水管路的实时供水流量u(t)：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}]---\left(2\right);$

式(2)中，e(t)＝w-x(t)，e(t)是时间t的函数；T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数；K_p为流量比例系数。PID控制器再根据实时供水流量u(t)的计算结果向设置流量计和调节阀发送控制信号，以流量计的读数进行流量监控，相应地对调节阀的开度进行调节，让供水管路的供水流量与计算结果u(t)相吻合；经过一定的控制稳定时间后，制粒处理得到的烧结混合料的实际含水量便稳定在适宜值，从而实现了对烧结混合料水分的自动控制。其中，积分时间常数T_I、微分时间常数T_D和流量比例系数K_p的取值根据需要设定的控制稳定时间而定：T_I越小，控制稳定时间越长；T_D越小，控制稳定时间越短；K_p越小，控制稳定时间越长。通常，要将控制稳定时间设定在2～10s的适宜范围内，T_I的取值范围为50～200，T_D的取值范围为10～50，K_p的取值范围为1000～10000。

实施例：

下面以某种铁矿粉为例，用本发明的烧结混合料水分自动控制系统控制其制粒效果。

首先，用湿容量检测装置对该铁矿粉进行湿容量检测，其稳定后的湿容量检测结果v为13.6％。湿容量v确定后，需要利用计算机通过式(1)计算该铁矿粉的适宜含水量w。但在此之前，还必须通过制粒实验来确定式(1)中k和n的值。

在此，通过制粒实验研究烧结矿料的含水量对烧结制粒效果的影响，从而确定k和n的值。一般来说，在工业烧结过程中为保证烧结料层的透气性和烧结矿的质量，要求混合料制粒后粒度为3～8mm的颗粒越多越好。可选取4～10种工业中常用的烧结矿料进行制粒实验，制粒设备选用需要进行水分自动控制的圆筒混料机。

例如，在对第1种烧结矿料进行的一组实验中，先利用湿容量检测装置测得第1种烧结矿料的湿容量为11.17％；然后分别设定烧结矿料的含水量为6.5％、7％和7.5％，用圆筒混料机进行混合制粒，制粒时间设定为6分钟，制粒处理过后所得颗粒的粒度分布结果如表1所示；其中，除含水量以外的百分数表示在一定粒度范围内的颗粒数量占全部颗粒数量的百分比。

表1

从表1中的实验数据可知，相比之下，含水量在7％时第1种烧结矿料制粒后粒度为3～8mm的颗粒较多，占全部颗粒数量的65.87％，制粒效果较好，因此把7％视为第1种烧结矿料的适宜含水量。

用上述同样的方法，研究其他几种烧结矿料的湿容量与适宜加水量的关系。本例中对6种烧结矿料进行了制粒实验，所得实验数据如表2所示：

表2

利用所得的实验数据作图，对实验数据利用最小二乘法进行线性回归拟合，拟合结果如图4所示；由拟合结果得到其k和n的值分别为0.52和1.18％，即确定计算机中的烧结混合料的适宜含水量与湿容量的关系式为：

w＝0.52v+1.18％；

由此通过计算机计算，得到湿容量v为13.6％的铁矿粉其适宜含水量w约为8.25％。然后按常规方法对该铁矿粉进行制粒处理，由红外水分检测仪在线测得制粒处理过后的初始实际含水量x(0)为0.8％。随后，启动PID控制器，通过PID控制器根据上述计算和检测结果对该铁矿粉的含水量进行调整，分别选取K_p＝6000，T_I＝100，T_D＝10。水分自动控制的过程曲线图如图4所示，从图4中能够看到，仅经过4秒钟的调节，该铁矿粉经制粒过后的含水量便稳定在适宜值8.25％上。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种烧结混合料水分自动控制系统，其特征在于：包括湿容量检测装置(4)、计算机(5)、红外水分测量仪(6)、PID控制器(7)、流量计(8)和调节阀(9)；其中：

所述湿容量检测装置(4)用于检测烧结混合料的湿容量v，并将检测结果输出到计算机(5)；

所述计算机(5)分别与湿容量检测装置(4)和PID控制器(7)通信连接，根据烧结混合料的湿容量v，通过如下关系式计算烧结混合料的适宜含水量w：

w＝k·v+n，并将计算结果输出到PID控制器(7)；其中，k为比例系数，n为修正常数，k和n通过对圆筒混料机制粒实验的实验数据利用最小二乘法拟合得到；

所述红外水分测量仪(6)设置在混合料输送机(3)上，并与PID控制器(7)通信连接，其探头朝向混合料输送机的传输带，用于在线检测经制粒处理后的烧结混合料的实际含水量x(t)，并将检测结果输出到PID控制器(7)，其中t为时间；

所述PID控制器(7)分别与设置在供水管路(2)上的流量计(8)和调节阀(9)电连接，通过如下关系式计算供水管路的实时供水流量u(t)：

$u\left(t\right)=K_p[e\left(t\right)+\frac{1}{T_I}\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+T_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}}],$

并根据计算结果向流量计(8)和调节阀(9)发送控制信息，调节供水管路的实时供水流量；其中，e(t)＝w-x(t)，t为时间；T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数；K_p为流量比例系数。

2.根据权利要求1所述的烧结混合料水分自动控制系统，其特征在于：所述湿容量检测装置(4)包括U形水槽(41)、圆筒容器(42)、以及相互电连接的电子天平(43)和微型计算器(44)；

所述圆筒容器(42)是一个竖直放置的透明圆筒其下开口端面平铺绷制有滤纸而形成的容器，圆筒容器(42)的上方设有吊绳并使其在U形水槽(41)的一端开口内上下移动；

所述U形水槽(41)水平搁置，U形水槽(41)的两端开口等高，其中对应于圆筒容器的一端开口的侧壁设有刻度标记，另一端开口的上部设有储水箱(45)，储水箱(45)向U形水槽(41)提供水源，使U形水槽(41)两端开口的水位始终保持在最高处；

所述圆筒容器(42)的吊绳与电子天平(43)的称重盘相连，电子天平(43)的测量数据输出到微型计算器(44)中，由微型计算器(44)计算出湿容量。

3.根据权利要求1或2所述的烧结混合料水分自动控制系统，其特征在于：所述积分时间常数T_I的取值范围为50～200；所述微分时间常数T_D的取值范围为10～50；所述流量比例系数K_p的取值范围为1000～10000。

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