红土镍矿回转窑还原焙烧的过程控制

摘 要：介绍了镁质红土镍矿还原焙烧试验的工艺流程和特点,分析了各工艺参数的主要影响因素并据此设计出试验的控制系统和过程控制方案,经摸索调整,在后续的试验过程中实现了回转窑的良好运行,窑况稳定,镍回收率大于90%.

关 键 词：红土镍矿；回转窑；模糊控制

中图分类号：TTF81文献标识码：A

1概述

镁质红土镍矿是氧化镍矿的一种,常采用回转窑干燥预还原-电炉熔炼法（RKEF）处理,但投资高、电耗大、生产成本高.回转窑金属化还原焙烧-球磨-磁选的新技术与RKEF法相比,流程短,投资少,而且不使用焦碳,仅使用低廉的煤进行加热和还原,是比较经济的镁质红土镍矿处理方法.本次连续扩大试验是对该新工艺的一次技术验证,由于还原条件的限制和低熔点硅酸铁的产生,容易出现物料粘结、窑壁结圈、回收率低等问题,所以在还原焙烧过程中温度、气氛等工艺参数的控制是试验能否顺利进行的关键.

2试验设备

本次试验所处理的物料为含镍1.45%,含铁16%的缅甸某镁质红土镍矿,所使用的回转窑规格为Φ450×7000mm,并配套有混料机、压球机、圆盘给料机、空压机、油、供油装置、收尘器、换热器、喷淋塔等设备.

设备连接示意如图1所示,红土镍矿经干燥、破碎后,按比例将煤粉、石灰石等一起加入混料机,混合均匀后送压球机制粒,再经圆盘给料机将粒料输送入回转窑进行还原焙烧.从回转窑内排出的还原焙砂经水淬、球磨、磁选后,分别分析焙砂、磁选精矿和尾矿成分含量,验证试验结果.回转窑加热用柴油通过雾化油喷入窑内,物料中混入的煤既提供部分所需热量又作还原之用.焙烧过程中产生的烟气经旋风收尘、布袋收尘和喷淋吸收塔吸收后排空.

3控制方案的设计

3.1控制内容

除去配矿因素,在焙烧环节中影响窑况和还原效果的最主要因素有三个：物料停留时间、窑内反应区温度和气体成分.如果温度不够或者停留时间过短,还原反应进行不充分；如果温度过高,不但对耐火材料是极大考验,而且随物料融化、团聚,会逐渐形成球状的固熔块,严重时熔融物料会直接粘在窑壁上,导致回转窑结圈；气体成分对影响主要在于CO含量,应保持一定的CO浓度,使整个焙烧过程在还原气氛下进行.

图2列出了影响焙烧温度、物料停留时间、窑内气氛的主要因素及其调整方法.其中单个条件的改变对工艺参数的影响并不是独立的.鉴于试验的多变量和探索特性,从开窑到窑况趋于稳定之前,采用手动控制并通过实践摸清经验数据,当相关指标达到工艺要求后,进入自动控制模式,只对作用于工艺最明显的几项关键参数进行微调,保证试验稳定进行.物料停留时间主要受内径等固定值和窑速等设定值影响,可在调整好后保持稳定；窑内气氛是通过取样和奥式气体分析仪来测试的,实践证明,缘于进出风量及燃烧情况,窑内的压力状况可间接反映出气体成分,而压力则可由烟道蝶阀开度来调节.另外,诸如布袋收尘吹扫、吸收塔pH值及喷淋泵、油泵等辅助设备也需接入控制系统.

3.2控制方式

3.2.1主要参数的采集

需接入中控系统并作为主要控制依据的采集对象有窑内温度、压力以及油鼓风、烟道出风和柴油流量.窑体温度的采集采用热电偶+滑环接触的传统测温方式,其优点是测温可靠,信号也无需复杂的后期处理.试验中选用的热电偶为S级的铂铑热电偶,可测1300℃以上高温,表头采用带输出的智能仪表,便于现场观察和集中控制.窑内压力信号的采集也采用压力变送器和智能表头的形式,需要注意的是由于窑内气体温度较高,一方面尽量延长引气管长度以降温,另一方面选用耐热等级较高的变送器.喷柴油和鼓风、出风流量分别选用专用的涡轮流量计、涡街空气流量计和靶式高温烟道流量计,将信号输送到PLC模拟量模块.

在检测点设置方面,温度共设6个采集点,窑体上有3个,分别监控前、中、尾部温度,其中位于窑头火焰附近的高温还原区温度为主要控制依据.另外三个温度采集点分别位于旋风收尘、布袋收尘器和吸收塔前部,前者反映尾气温度,后两者则为避免温度过高造成设备损伤.柴油、鼓风流量监测在喷进油口和送风口前端各设一个,烟气流量计设置在旋风收尘前端.压力监测在窑尾、布袋收尘前后共设3个采集点,分别反映窑内压力和布袋收尘工作状况.

3.2.2控制系统架构

系统提供现场和中控两种控制模式,在主要测控设备附近安装现场柜,并设置切换开关,方便就近观察和及时调整.整个控制系统采用传感器+可编程控制器+工业控制计算机+组态软件的架构,分别提供数据采集、控制核心、运行平台和人机界面的职能.

如图3所示,传感器信号经变送器和现场仪表后,以模拟量的形式输送入PLC的AI模块,经A/D转换后通过PPI串口电缆传入上位机实时显示.经统计,模拟量输入信号共计10点,来自温度、压力、流量及pH计；模拟量输出信号共计9点,分别驱动各变频电机、供油阀、鼓风阀和烟道蝶阀；数字量输入输出信号主要用于各电机、电动阀门的启停控制和状态显示,共计20余点.根据需求情况,选用两台西门子S7-200CPU224型PLC和匹配的模拟量模块,其单台CPU最多可扩展7个模块至32AI/32AO,其中一台主要负责传感器信号的采集和处理,另一台主要负责控制电路的运行和状态显示.

3.3控制策略

当窑况趋于稳定,主要工艺参数达到设定范围后,系统允许切换入自动控制模式.自动控制的测量参数两个：窑内温度和窑内压力,分别来自窑头热电偶和窑尾压力表；控制参数有三个：供油流量、配风流量和烟道出风流量,执行机构是各自调节阀,反馈来自流量计.在工况条件下,这些参数是相互耦合、相互影响的,某一个控制量的改变会同时影响多个工艺参数,直接利用传统的PID控制将会出现波动大、响应慢、抗干扰能力差等问题,难以取得满意的控制效果.为此,采用模糊控制和PID控制结合的串级控制系统.模糊控制的特点是不需要定量和精确的数学模型,特别适用于数据量大、耦合度高、被控对象复杂可变的非线性系统,其控制依据来自于操作者的经验,制定并优化控制规则是控制稳定性的关键.在回转窑实际操作中,燃烧油量与鼓风量的调整往往成比例关系,为简化过程模型,可用比例控制器来控制鼓风量,而窑转速、进料等其它影响因素则视为扰动的信号,其控制策略框图如图4所示.

首先确认输入输出的范围,窑头温度与目标值偏差T[-25,25]℃、窑尾压力与目标值偏差P[-30,30]Pa、供油流量Y[0.05,0.35]L/min、烟道出风流量F[2.5,6.5]m3/min.建立模糊控制要把对象模糊化,将具体值用相应的语言变量来表示,分别定义各参数模糊子集合如下：温度偏差XT{太低、低、稍低、正常、稍高、高、太高},标识为{XT1、XT2、XT3、XT4、XT5、XT6、XT7}；压力偏差XP{太低、低、正常、高、太高},标识为{XP1、XP2、XP3、XP4、XP5}；供油流量YY{多减、减、少减、保持、少加、加、多加},标识为{YY1、YY2、YY3、YY4、YY5、YY6、YY7}；烟道出风流量YF{多减、少减、保持、少加、多加},标识为{YF1、YF2、YF3、YF4、YF5}.根据实际经验,在matlab中分别建立YY、YF、XT、XP的三角隶属度函数,横坐标以偏差的形式限定论域各描述对象的具体范围,纵坐标用0～1间的数来描述隶属关系（见表1）.

模糊规则制定也依据试验数据和操作经验,先分别建立YY与XT+XP、YF与XT+XP的单输出双输入模糊推理规则,然后进行拟合,最后得出整个系统的模糊控制规则如表1所示.模糊规则的执行是通过if等then等else条件语句和and、or等逻辑语句来处理的,在Matlab的RuleEditor对话框中编辑即可.对三角隶属度函数,可采用面积重心法来解模糊（选择centroid）,即在论域YY和YF上将各自隶属度函数曲线与横坐标围成区域的面积平分为两部分的元素,作为确切的输出量,输出结果可在RuleViewer中查看.利用Matlab的Simulink仿真工具,将保存好的模糊控制器FIS文件通过readfis函数导入到基于in、out和FuzzyLogicController的仿真系统中,通过数据交换实现出风量、鼓风量和油量值的给定,进而利用S7-200的内部PID模块对调节阀分路进行精准控制.

3.4软件设计及通讯方式

上位机软件选用亚控科技的组态王kiniew工业组态软件,其集成了市面大多自控仪表和设备的接口驱动,通过配置可以方便快捷的与各设备建立连接,将工艺参数和设备运行状态以及报警情况实时显示出来并存档,以备查询和打印,同时还设置有软按钮并编写控制程序对设备进行远程控制.

数据通讯可分为三个层面,各变送器、就地仪表、开关与PLC间的通讯为4～20ma模拟量或开关量信号,PLC与上位机之间为PPI串口通信,而Matlab与组态王之间的数据交换则通过DDE（动态数据交换）技术来进行,两者均提供了DDE通信接口.首先在组态王中配置DDE设备并定义I/O变量,然后在Matlab中调用DDE客户函数编程进行通信处理.由于采集到的数据或Matlab仿真运算数据发生改变时均需实时向对方传输,所以两软件之间的采用热链连接.其具体数据交换通过Matlab的S函数来进行,分别用function函数定义DDE初始化、接收数据、发送数据的S函数,设置好通道和变量、采样周期、偏移量等参数,即可实现组态王与Matlab的即时通讯.

4控制效果及影响因素

试验经过摸索调整,在后续的过程中总体上运行良好,温度、压力状况稳定,焙砂磁选后在精矿品位和镍、铁回收率方面均达预期目标.

数据采集和模糊规则是影响控制效果的主要因素.如碳刷随滑环跳跃式接触时会产生脉冲干扰,在该点采样进行控制运算无疑将引起系统的大幅波动,所以应对采样数据进行滤波处理,温度值惯性较大,可采用限幅滤波法,对压力值,则使用算术平均滤波法.采样时间设置为90秒,避免周期太短导致的稳定性差和太长引起的超调.控制策略是基于大量样本和专家经验制定的,当试验设备或条件改变时,可能会变得不再适用.所以在试验时应做好记录,及时总结,制定合理的模糊控制规则,并不断优化,保证系统在设定范围内稳定运行.如果被控对象波动超出阈值,则立即执行报警动作,并自动切换为手动控制模式.

结语

文章介绍了镁质红土镍矿还原焙烧试验中各工艺参数的主要影响因素,并据此设计出试验的控制系统和过程控制方案,采用模糊控制与PID控制相结合的方法,有效解决了多变量耦合系统所带来的非线性和不确定性问题,在工业生产中具有一定的应用前景.