炼铁烧结生产工艺流程教学实验台

张良力, 杨 怡, 王 斌, 刘 琼, 梁 开, 杨大兵

(武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)

炼铁烧结生产工艺流程教学实验台

张良力, 杨 怡, 王 斌, 刘 琼, 梁 开, 杨大兵

(武汉科技大学 信息科学与工程学院, 湖北 武汉 430081)

介绍了炼铁烧结生产工艺流程教学实验台的系统结构与功能。从生产设备操作和工艺流程控制角度出发,设计了实验台人机信息交互接口及其数据采集方法,融合了工业物料成分在线检测仪器运行状态监测功能。实施效果表明,该实验台能够反映炼铁烧结生产工艺流程并显示关键指标参数,能加强本科生专业实践能力,提升实验师资队伍科研水平。

炼铁烧结； 工艺流程； 教学实验台； 成分在线检测

炼铁烧结工业规模宏大,工艺流程复杂,现场环境恶劣[1]。在生产现场学习工艺流程、训练设备操作都十分困难。已有技术手段中,对炼铁烧结生产工艺流程的再现,多采用计算机仿真软件实现,系统运行时使用显示器或投影仪展示烧结现场情形并显示状态参数；对参数进行调整时,操作人员仅需通过鼠标、键盘等输入指令即可实现[2-3]。在此条件下,操作人员远离生产现场,无法亲身感受工艺流程参数调整与控制对象状态变化之间的关联,无法达到熟练操控设备、积累现场经验、提高业务水平的目的[4]。另外,操作人员长时间观看计算机画面,容易产生疲劳或分神,一旦错失调整系统参数的最佳时机,造成的经济损失很大。针对上述问题,本文设计了一种炼铁烧结生产工艺流程教学实验台,该实验台以仿真展示炼铁烧结生产工艺流程中各环节状态参数及其变化为主要目的,设置了多种形式的人机交互接口,以便操作人员与实验台展开广泛的信息交互。该实验台可用于高等院校相关专业学生课程实验以及相关科研活动,也可用于炼铁烧结生产企业设备操作人员培训。

1 系统结构与功能设计

炼铁烧结生产工艺流程教学实验台由模拟炼铁烧结生产工艺的显示屏、模拟调整炼铁烧结生产工艺参数的操作面板、信号处理电路、计算机和数据无线传送器等组成,实验台外观见图1。

图1 实验台外观

显示屏含有触摸显示器、音箱等计算机标准外部设备,以及低压指示灯、数字仪表等工控输出设备。标准外部设备通过USB接口直接与计算机连接,工控输出设备通过数据驱动总线与信号处理电路连接,信号处理电路主要完成电信号接收、处理、转换、发送等任务,具有信号采样、A/D转换、通过RS232接口与计算机进行双向通信、器件驱动等功能。

操作面板含有旋钮开关、按键开关、滑动变阻器等主令控件,以及显示参数调整的数字仪表。操作面板的各个主令控件通过指令传输总线向信号处理电路传送人员操作指令,操作指令经信号处理电路数字化后,驱动数字仪表[5]。

计算机内部预装有炼铁烧结工艺仿真控制软件,当信号处理电路将数字化的操作人员动作指令上传,或无线数据传送器接收到远端生产设备状态参数时,计算机将调用相应软件功能模块,运算并作出逻辑判断,最终向信号处理电路或无线数据传送器下发决策控制指令数据。另外,计算机还具有数据存储、信息管理、软件升级等功能。

无线数据传送器与计算机直接连接,用来接收远端生成设备发来的炼铁烧结工艺状态真实参数并作为输入数据传输至计算机,计算机对远端数据可进行运算、存储、管理、VGA显示等操作处理,也可经信号处理电路处理后由显示屏上的数字仪表进行显示[6]。另一方面,操作人员在操作面板上发出的指令,也可经由信号处理电路、计算机接收处理后,通过无线数据传送器发送至远端生产设备上,从而实现仿真平台远程操作功能。

炼铁烧结生产工艺流程教学实验台内部硬件系统结构如图2所示。

图2 实验台硬件系统结构

2 实验台人机信息交互与数据采集

可与操作人员进行信息交互的部件包括触摸显示器、音箱、指示灯和LED数字仪表。触摸显示器用于显示操作系统下应用软件界面,供操作人员直接点选操作[7]。音箱用于播放炼铁烧结工艺流程中的警告、操作等音频提示信息。LED数字仪表接收并显示来自信号处理电路输出的状态值,包括料位、混料机转速、阀门开度、水流量、水分含量、水压、温度、台车速度、抽风速度等。指示灯的亮、灭指示显示屏上不同炼铁烧结生产设备的显示状态,当操作人员发出查看某监控对象参数值的动作指令(如旋转旋钮)时,对应指示灯就会点亮,触摸显示器、仪表自动切换至操作人员需要监控的对象上,并显示其状态参数。

操作面板用于接收操作人员发出的动作指令,控件包括旋钮开关、按键开关、滑动变阻器等指令部件。另外,为了方便操作人员调整参数,操作面板上还含有LED数字仪表,用来显示正在调整的参数变化情况,数据亦来自信号处理电路。旋钮开关、按键开关接收操作人员发出的切换指令(切换对象包括1号/2号混料机状态参数、煤气/空气/蒸汽配送状态参数、1号/2号/3号成分在线检测仪器状态参数等)，使显示屏上的触摸显示器、仪表,显示操作人员需要监控的炼铁烧结设备状态参数。滑动变阻器接收操作人员发出的参数调整指令,变阻器滑动部分位置对应了不同的阻值,经信号处理电路A/D转换后作为参数调整输入值传送至计算机进行运算；与此同时,滑动变阻器阻值经信号处理电路处理后,也可直接驱动操作面板上的LED数字仪表,直观显示正在调整参数的变化情况。

3 炼铁烧结成分在线监测

基于瞬发伽马射线中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis,PGNAA)的工业物料成分在线检测仪器开发技术已日趋成熟,目前已应用于煤炭、水泥等大型工业企业物料成分监测环节中[8-10]。本次开发的教学实验台也对该仪器运行情况进行实时监测。炼铁烧结物料成分检测对象包括TFe(全铁)、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、S及P,输出指标数据为上述检测对象在物料中的百分含量[11]。由于成分在线检测仪器直接输出数据为各元素在物料中的百分含量,因此需建立“元素-化合物转换算法”实现炼铁烧结物料化学指标数据实时输出功能。此处只探讨以下两类检测指标计算方法。

3.1 TFe、S、P含量检测

TFe是指炼铁烧结物料中各价态的Fe元素含量总和,记为ωTFe，通过成分在线检测仪器可直接获得其值,不同价态的Fe元素需根据其他关系式推算得出。Fe元素含量关系式可表示为ωTFe=ωFe+3+ωFe+2,式中ωFe+3和ωFe+2分别代表烧结物料中Fe+3和Fe+2百分含量。同理,S、P也可通过成分在线检测仪器可直接获得其含量值。

3.2 氧化物含量检测与计算

首先，探讨具有单一价态的Ca、Si、Mg、Al元素的氧化物含量检测方法。

设待检测的氧化物化学分子式为XmOn,通过成分在线检测仪器可获得X元素在炼铁物料中的含量为ωX/W；而X元素在其氧化物XmOn中的质量占比ωX/XmOn可依据其分子式直接计算,有

(1)

式中,AX表示元素X的相对原子质量；AO表示元素O的相对原子质量(可取15.999)。

然后，根据求得的ωX、ωX/XmOn可计算得出氧化物XmOn在炼铁烧结物料中的含量ωXmOn/W,计算式如下

(2)

具有多价态的Fe元素在炼铁烧结物料中的氧化物主要以FeO、Fe2O3形式存在,其比例因烧结主要原料铁矿石的产地不同而存在差异。对FeO含量的检测,可按以下步骤实现:

(1) 利用成分在线检测仪器获得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) 设待测物料中FeO、Fe2O3分子个数比为α(初值为0)；

(3) 增大α,计算下式并判断循环是否终止：

(3)

式中,ε为预设的循环终止阈值,AFe表示元素Fe的相对原子质量(可取55.845)；

(4) 不等式成立则退出循环,不成立则返回步骤(3)；

(5) 根据输出的α值计算FeO在炼铁烧结物料中的含量ωFeO。

3.3 炼铁烧结物料化学成分监测软件

位于物料传送带附近的成分在线检测仪器,将采集到的炼铁烧结物料元素百分含量值,通过无线数据传送器送至教学实验台内的计算机。经计算机控制程序转化计算后,炼铁烧结物料中的TFe、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、S、P的百分比含量数据以可视化监测软件界面形式传至触摸显示器,如图3所示。除化学指标百分含量实时显示功能外,软件还具有超限设置、超限警示等功能；当某化学物质含量超过预设上限或下限时,界面自动闪烁指示灯示警,并在提示框内显示异常数据出现时间等信息。

图3 炼铁烧结成品矿化学成分监测软件

4 实验台教学应用效果

(1) 再现烧结生产工艺流程,提高了学生专业认知与动手能力。烧结理论与工艺是矿物加工工程本科专业核心课程,一般采用烧结杯实验加强学生对烧结成品矿形成原理的认知[12]。但烧结杯实验操作流程与炼铁企业流水线式生产流程差别较大,学生认知烧结工艺较困难。本教学实验台的开发与应用,解决了这一问题。设置有炼铁烧结生产工艺流程教学实验台的造块成型(烧结)综合实验室,不仅能丰富“烧结理论与工艺”实验课内容,还可为“烧结机械设备”“计算机在矿物加工中的应用”“热工测量与控制”等专业选修课程提供实践平台,全面提高在校生动手操作炼铁烧结设备的能力。

(2) 实现科研成果有效转化,提升了实验教师科学研究水平。本实验台的研发得益于本校实验教师申报并获批的国家重大科学仪器设备开发专项。经过科学研究、样机试制、系统测试等研发过程,形成了功能齐全、性能稳定、安全可靠的可操作平台。经试用,取得良好的实验教学效果。将教师的科研成果转化成实验教学项目,不仅能促进学校人才培养、实践基地建设,还能激发教师创新热情,以及申报项目、研发装备、成果转化等的积极性。

5 结语

已投入使用的炼铁烧结生产工艺流程教学实验台采用模块化设计方案,其硬件系统包括计算机、触摸显示器等均用安全电压DC 12V供电,确保使用者人身安全。实验台人机信息交互端口齐全、形式多样,显示屏从视觉、听觉、触觉等感官角度向操作人员传递炼铁烧结工艺流程中各环节实时状态,操作面板基本涵盖各环节远程操控输入端。该实验台能对新兴工业物料成分在线检测仪器运行状态进行实时监测,通过编制可视化监控系统软件,实现炼铁烧结成品矿化学指标参数实时显示、示警以及数据日常管理等功能。应用效果表明,该实验台能够反映炼铁烧结生产工艺流程及关键指标参数显示,能够提高在校学生专业认知与实践动手能力,其研发过程对实验师资队伍水平的提升也起到促进作用。

References)

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[3] 荆忠凯, 王柏洲, 宋建. 基于VPN的可视远程PLC实验平台构建[J]. 实验室研究与探索, 2015,34(12):129-131.

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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

国家重大科学仪器设备开发专项(2013YQ040861)；全国工程专业学位研究生教育自选研究课题(教改项目)(2016-ZX-321)；武汉科技大学研究生教育教学改革研究项目(YJG201517)

张良力(1981—),男,湖北武汉,博士,副教授,从事电力系统及其自动化系统仿真研究.E-mail：zhangliangli@wust.edu.cn

G484；TF046.4

B

1002-4956(2017)08-0074-04