Математическая модель прогнозирования технико-экономических потерь в процессе агломерации железных руд

Актуальность работы. Вопрос развития техники и технологии агломерации для России является особенно актуальным потому, что отечественные предприятия в настоящее время имеют 63 агломерационные машины с общей площадью спекания 6700 кв. м и производственной мощностью (при 70% концентрата в железорудной части шихты) 62,5 млн. т агломерата в год.

Агломерационный процесс наиболее эффективен при получении офлюсованного (высокоосновного) агломерата из шихты с высокой газопроницаемостью на базе богатых по железу гематитовых руд с низким содержанием кремнезема.

Большинство агломерационных фабрик России и стран СНГ находятся в неудовлетворительном состоянии с точки зрения требований, предъявляемых в промышленно развитых странах к агломерационному процессу.

Агломерационные фабрики характеризуются:

— крайней изношенностью основных фондов;

— противоречием между свойствами шихты, значительную долю которых составляют концентраты, и технологиями, разработанными более сорока лет назад для агломерации рудной мелочи;

— несоответствием свойств агломерата требованиям доменного передела;

— большими расходами энергоносителей на производство агломерата;

— ухудшением качества твердого топлива;

— отсутствием современных автоматизированных систем управления и, следовательно, недостаточной оперативностью в принятии решений по управлению технологическим процессом;

— тяжелыми условиями труда обслуживающего персонала и т. д.

Строительство новых агломерационных фабрик требует больших инвестиций, часто превышающих возможности металлургических предприятий.

В связи с этим актуальной является задача построения математической модели, позволяющей минимизировать прогнозируемые технико-экономические потери при производстве агломерата.

Объект исследования. Технологический комплекс производства агломерата (ТКПА) с позиции математического моделирования его функционирования и развития.

Предмет исследования. Алгоритмы моделирования технико-экономических потерь, возникающих в процессе эксплуатации технологического комплекса производства агломерата.

Идея работы. Построение математической модели функционирования и развития технологического комплекса производства агломерата, позволяющей минимизировать прогнозируемые технико-экономические потери, обусловленные нестабильностью характеристик агломерата.

Цели и задачи исследования. Снижение технико-экономических потерь, обусловленных нестабильностью качества агломерата, путем использования созданной математической модели.

Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие задачи:

— разработана концепция построения комплекса математических моделей, позволяющих в темпе с процессом прогнозировать качество агломерата с учетом шихтовых условий и состояния технологического оборудования, а также на низких частотах прогнозировать потери в доменном переделе, обусловленные нестабильностью качества агломерата;

— исследована зависимость качества агломерата от структуры и параметров ТКПА, а также от состояния технологического оборудования с учетом наличия нелинейных преобразователей в цепи технологической обратной связи;

— разработан алгоритм управления развитием ТКПА как конфликтно-управляемой системы, в которой роль игрока-противника играет совокупность трех факторов: изменения качества компонентов шихты, состояния технологического оборудования и требований доменного передела, определяющих конфигурацию целевого множестваразработан макет электронного полигона, позволяющего машиностроительной инжиниринговой фирме формировать для металлургических предприятий конкурентоспособные предложения по совершенствованию и замене поставляемого технологического оборудования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы вычислительного эксперимента, математической статистики, методы системного анализа, объектно-ориентированного анализа и проектирования, математического моделирования.

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем.

1. Предложена концепция построения модели, прогнозирующей качество агломерата с учетом ограничений, определяемых уравнениями материального и теплового балансов процесса агломерации, шихтовых условий, наличия цепи технологической обратной связи, содержащей нелинейные преобразователи и влияющей на спектральные характеристики процесса, а также состояния оборудования.

Уравнения материального баланса учитывают потери массы шихты в процессе спекания за счет разложения гидратов и карбонатов, выгорания углерода и серы, а также изменения массы шихты за счет протекания процессов восстановления — окисления оксидов железа при спекании.

2. Предложена концепция управления развитием ТКПА, направленная на минимизацию потерь в агломерационном и доменном переделах, обусловленных нестабильностью качества агломерата.

3. Выполнена формализация задачи управления развитием ТКПА как конфликтно-управляемой системы, в которой роль игрока-противника играет совокупность трех факторов: изменения качества компонентов шихты, состояния технологического оборудования и требований доменного передела, определяющих конфигурацию целевого множества. Разработан алгоритм формирования мероприятий, минимизирующих потери, обусловленные нестабильностью качества агломерата.

4. Разработан макетный образец электронного полигона, позволяющего машиностроительной инжиниринговой фирме формировать для металлургических предприятий конкурентоспособные предложения по совершенствованию и замене поставляемого технологического оборудования.

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов обеспечивается использованием аппарата системного анализа, математического программирования и оптимизации, численных методов, балансовых соотношений, математической статистики, сопоставлением результатов моделирования и экспериментальных данных, сопоставлением полученных результатов с известными результатами, содержащимися в научной и справочной литературе, а также успешным промышленным внедрением выполненных разработок.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Прогноз качества агломерата строится с использованием адаптивной комбинированной модели «передаточная функция-шум», приспосабливающейся к изменению шихтовых условий, состоянию оборудования, а также к изменениям качества твердого топлива и флюсов.

2. Разработана стратегия минимизации технико-экономических потерь, обусловленных нестабильностью качества агломерата, отличающаяся процедурой оценки с использованием имитационной модели эффективности конкретного мероприятия, направленного на снижение потерь, и рационального периода реализации этого мероприятия.

3. Вид и время реализации мероприятий, направленных на снижение прогнозируемых потерь, обусловленных нестабильностью качества агломерата, определяются путем решения задачи, использующей математический аппарат конфликтно-управляемых систем.

4. Оценка спектра колебаний качественных характеристик агломерата получена путем представления агломерационной машины, охваченной технологической обратной связью, суммой параллельных ветвей, каждая из которых содержит нелинейный преобразователь, соответствующий разделительной операции, причем параметры нелинейного преобразователя зависят от состояния грохотов.

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволяет прогнозировать технико-экономические потери с использованием математических моделей преобразования закономерных и случайных составляющих характеристик агломерационной шихты и предупреждать их возникновение путем реализации стратегии управления функционированием и развитием АМ в конкретных производственных условиях.

Личный вклад автора состоит в разработке и исследовании модели прогнозирования технико-экономических потерь в процессе агломерации с использованием информации о свойствах компонентов шихты и состоянии технологического оборудования, а также в разработке информационного и алгоритмического обеспечения системы.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы в форме макета электронного полигона ТКПА внедрены на предприятии «Уралмаш-Металлургическое оборудование». Материалы диссертации включены в учебные курсы для студентов специальности.

Автоматизированные системы обработки информации и управления" направления 654 600 — «Информатика и вычислительная техника» Уральского государственного горного университета г. Екатеринбург.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Ремонт и техническое обслуживание металлургического оборудования» (г. Москва, 2005), на Ш-ей Международной научно-практической конференции РУО АИН «На передовых рубежах науки и инженерного творчества» (г. Екатеринбург, 2005), на Ш-ей Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» «Нетрадиционные технологии и оборудование для разработки сложно структурных МПИ» (Екатеринбург, 2005), на Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование методов поиска и разведки, технологий добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Красноярск, 2006), на 1У-ой Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» — Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности «Горное оборудование и электромеханника» (Екатеринбург, 2006), на Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» в в рамках Ш-го евро-азиатского форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2006» (г. Екатеринбург, 2006), на технических советах горно-обогатительного производства ОАО «ММК» (г. Магнитогорск) и ООО «УралмашМашиностроительное оборудование».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 174 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков, 5 таблиц, и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 источников отечественных и зарубежных авторов, пяти приложений.

2. Бандурин А. Управление качеством http://www.klubok.net. Исследование и выбор рациональных нараметров тяжелых шихты: Отчет, но научно-исследовательской [Electronic Resource]. грохотов с неоднородным вибрационным полем для калибровки рудной части металлургической -123 с.

3. Вютрих Х. А., Филлип А. Ф. Виртуализация как возможный путь развития управления Проблемы теории и нрактики управления. 2000. 6. http://www.osp.m. [Electronic Resource]. 5. 6. 7. 80−83 8. и Анализ обогатительных фабрик ВАЦ с позиций стратегической оптимизации управления рудоподготовительным Волков Д. Победители Формулы Открытые системы. 2.

4. Захарченко В. И. Проблемы украинского станкостроения на Кононенко И. Метод экспресс-анализа уровня 2 12. http://www.osp.ru. [Electronic Resource]. Г российском рынке Экономика Украины. 1994. № 9. 99−101 конкурентоспособности продукции Экономика Украины. 1998. № 2. работе. Батуров Е. Г., Бренер Л. Ю. и др. Днепропетровск: ДМетИ, 1.

5. Братухин А. Г., Давыдов Ю. В., Елисеев Ю. С. CALS (Continuous and Life Cycle Support) непрерывная информационная ноддержка жизненного цикла изделия http://www.osp.ru. [Electronic тактической комплексом: Отчет по научно-исследовательской работе. Куркин В. М., Зобнин Б. Б. и др. Санкт-Петербург: ОАО «Высокогорский ГОК», 2002. 131с.

6. Сырье для черной металлургии. Т.

7. Сырьевая база и производство окусковонного сырья (сырье, технологии, оборудование): Справочное издание в 2-х томах Ладыгичев Машиностроение-1, 2001. 896 с. М.Г. и др. М.: 135.

8. Левин А., Судов Е. CALS сопровождение жизненного цикла [Electronic Открытые системы. 2001. 12. http://www.osp.m. Агломерация. Высокоэкономичная технология, надежное и высокопроизводительное оборудование: Тезисы докладов международной научно-практической конференции (4.04.2001;6.04.2001). Екатеринбург: ОАО «Уралмаш», 2001. 63 с. 12.

9. Способ управления магнитного обогащения железных руд Зобнин Б. Б., Богданова И. П., Казаков Ю. М. (СССР) 4 016 997/ 22−03 Заявл. 19.11.

10. Опубл. 07.11.87. Бюл. 41. 20.

11. Дробление, обогащение сырья, производство агломерата и дунита в Лебяжинском аглоцехе. Технологическая обожженного инструкция ТИ 592−3 -95. Н. Тагил, 1995. 82 с. 19. решений Зобнин Б. Б., Боровков В. А., на основе анализа Головырин С. Принятие в горном технологических ситуаций производстве Компьютерные технологии в горном деле. Екатеринбург: УГГГА, 1996. 122−125 136.

12. Зобнин Б. Б., Нестеров Г. С. Математическое обогатительных Производство фабрик Автоматизация агломерата. Технология, обеснечение технологических оборудование, процессов на горнорудных предприятиях. М.: Недра, 1984. 157−162 автоматизация Жилкин В. П., Доронин Д. Н.: под общей редакцией Г. А. Шалаева. Екатеринбург: Уральский центр HP и рекламы, 2004. 292 с. 22.

13. Волков Ю. Н., Шпарбер Л. Я., Гусаров А. К. Технологнелинейных доменщик. М.: Металлургия, 1986. 263 с. Первозванский А. А. Случайные процессы в автоматических системах,.

14. Коннолли Т., М.: Государственное издательство физикоБегг К. Базы данных. Нроектирование, математической литературы, 1962. 352 с. реализация и сопровождение. Теория и практика. М.: Вильяме, 2003. 3е изд. 1440 с. ISBN 5−8459−0527−3.

15. Доменное производство: Справочное издание. В 2-х томах. Т.

16. Подготовка руд и доменный процесс Под ред. Вегмана Е. Ф. М.:Металлургия, 1983. 208 с. 32. процессом Hamada Katsushige. Прогрессивная АСУТП агломерационным Hamada Katsushige, Murai Tatsunori, Jyoko Tadatsugu, Nakamura Yuji, Morioki Keiji Сумитомо киндзоку Sumitomo Metals. 1992. 1 С 151−160.

17. Iwada Kunihiro. Применение экспертной системы на аглофабрике 3 в Тобата Iwada Kunihiro Дзайре то пуросэсу Curr. Adv. Mater, and Proc. 1.

18. Jvfel. С 123 34. Г. С. Викулов, A.E. Вилков, Ю. А. Кабанов, П. Л. Татаркин Производство агломерата заданного химического состава Металлург. 2002. 6. 47−49 138.

19. Matsuda Kouichi. Моделирование системы контроля в процессе спекания на основе теории сетей и нечетких множеств Matsuda Kouichi, Tamura Naoki, Nose Kazuo, Noda Takashi, Okata Tashihito, Osuzu Katsuji// Tetsu to Nagane J. Iron and Steel Inst. Jap. 1992. № 7. C. 1045−1052.

20. Экспертная система управления химическим составом агломерата, основанная на применении адаптивного прогноза. Expert system for sinter chemical composition control based on adaptive prediction/ Fan Xiaohui, Wang Haidong, Chen Jin, Huang Tianzheng, Yang Shinong, Wang Yueli, Zheng Tianzhong Trans. Nonferrous Metals Soc. China. 1996. № 1. С 47−50.

21. Oprescu I. Researches concerning the mathematical modeling of iron ore agglomeration process. Part. II Particularization of the model and complex installation control. [Text] Oprescu I., Vircolacu I., Mirea V., Palade A., Cosor E. Polytechn. Inst. Bucharest. 1991. 1−2 С 121−128.

22. Колесов Ю. Б. Сениченков Ю.Б. Визуальное моделирование сложных динамических систем. СПб.: Мир и семья и Интерлайн, 2.

23. Шанот М. Интеллектуальный анализ данных в системах принятия решений Открытые системы. 2001. Ш.

24. Пасько В. Т. ACCESS ХР для пользователя. Киев: BHV, 2.

25. Праг К., Ирвин М. Access 2.

26. Библия нользователя. М.: Издательский дом «Вильяме», 2001. 1040 с. 32 с. краткого снравочника: ил. Иарал. тит. англ. 48.

27. Агломерационное и обжиговое оборудование. Отраслевой Малыгин, А. В. Актуальные задачи развития агломерационного и высоконроизводительное оборудование: Материалы каталог 18−1-86. М.: Мин. тяж. и транс, мат., 1986. 396 с. производства в России Агломерация. Высокоэкономичная технология, международной научно-практической конференции. Екатеринбург, 2001.

28. Автоматизированные сырья и системы домепным управления переделом подготовкой под ред. металлургического Шумилова К. А. М Металлургия, 1979. -184 с. 140.

29. Лисиенко, В. Г. Принцины построения трехуровневых АСУ ТП объектов с распределенными параметрами на примере АСУ нагревом металлом: Учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ, 1999. 73 с. ISBN 5230−6 544−3. 59. -240 с. 60. 61. 0017−1. 62.

30. Райордан Р. Основы реляционных баз данных. М. Русская Коннолли Т., Бегг, К. Базы данных. Проектирование, [3-е изд.]. М.: редакция, 2001. 384 с. ISBN 5−7502−0150−3. реализация и сопровождение. Теория и практика. Вильяме, 2003. 1440 с. ISBN 5−8459−0527−3. 64.

31. Татаркин Б. Н., Вилков А. Е., Кабанов Ю. А. и др. Влияние на показатели аглопроцесса и качество крупности дробления руд 74. агломерата. //М.: Бюллетень «Черная металлургия». 2005. -№ 9. 19−21 Кучин В. Ю. Аналитическая записка. Анализ показателей качества и затрат производства агломерата в первом полугодии 2003 года относительно 2002 года. Череновец, ОАО «Северсталь», 2003. 52 с. 75.

32. Русаков Н. Г., Русанов Н. Ф., Морозов В.Г.// Изв. Вузов. Черная Техническое задание № 50 081 Реконструкция грохота ГСТ-81 производства. Череповец: ОАО «Северсталь», металлургия. -1985. № 6. 15−19 агломерационного.

33. Агломерационное производство, АГЦ-3, 2003. 42 с. Куркин В. М., Зобнин Б. Б. и др. Отчет по НИР. Анализ обогатительных фабрик ВАЦ с позиций стратегической и тактической оптимизации управления рудоподготовительным комплексом. СНб.: ОАО «Высокогорский ГОК», 2002. 174 с.

34. Ладыгичев сырья М.Г. и др. Сырье для черной (сырье, технологии, металлургии: М.: Справочное издание: В 2-х т. Т.

35. Сырьевая база и производство окусковонного оборудование). Машиностроение-1, 2001. 896 с. 142.

36. Левин А., Судов Е., CALS сопровождение жизненного цикла Открытые системы. 2001. 3. http://www.ops.ru [Electronic Металлургия чугуна Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев Спирин Н. А., Швыдкий B.C., Лобанов В. И., Лавров В. В. А.Н., Юсфин Ю. С. М.: Академкнига, 2004. -774 с.

Введение

.

37. Дынкин Е. Б., Юшкевич А. А. Управляемые марковские процессы и их приложения. М.: Наука, 1975. 335 с. Зобнин Б. Б., Морина СИ. Об одной задаче управления с ограничением на число переключений Известия Академии наук. Теория и системы управления. 2000. JV22. 72−77.

38. Малыгин А. В. О методе технологического анализа физических свойств агломерата. Екатеринбург: Институт метрологии. Уро РАИ, 2001. 78 с. 85. аглоспеков 86.

39. Малыгин при А.В., Шумаков И. С. Динамика Изв. разругпения Черная механической обработке. Вузов. металлургия. -1997. № 9. 9−12 Калиткин И. И. Численные методы. М.: Иаука, 1978. 512 с. Киреев В. А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. Издание второе исправленное и дополненное. М.: Химия, 1975. 537 с. 88.

40. Идентификация и оптимизация нелинейных стохастических Доронин Д. Н. Развитие стратегии совершенствования систем. М.: Энергия, 1976. 240 с. агломерационного оборудования: Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук. Екатеринбург, 2005. 63 с. 90. 91. www. tst-spb.ru [Electronic Resource]. Клейн В. И., Майзель Г. М., Ярошенко Ю. Г., Авдеенко А. В. Теплотехнические методы анализа агломерационного процесса. Иод 143.

41. Теория и практика автоматизации агломерациониого производства: сборник научных статей под ред. Н. Ф. Федоровского. Киев, 1971.-265 с. 93. 94. 95. -400 с.

42. Каплун, Л. И. Анализ процессов формирования агломерата и технологии его производства: Автореферат совершенствование 4 9 с.

43. Зобнин Б. Б. Синтез управляемого технологического комплекса магнитного обогащения железных руд. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.13.

44. Свердловск, 1987. 301 с. 98. 99. 374 с.

45. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учебное пособие для вузов. Изд. 6-е, стер. М.: Высшая школа, 1998. 479 с. ISBN 5−06−3 464-Х.

46. Компьютер и задачи выбора Автор предил. Ю. И. Журавлев. М.: Паука, 1989. 208 с. ISBN 5−02−7 152−8.

47. Сурин А. А. Разработка АСУТП стабилизации химического состава агломерата: Диссертация па соискание ученой степени кандидата технических наук 05.13.

48. Екатеринбург, 2005. 165 с. Рей У. Методы управления технологическими процессами. М.: http:/www.math.ru [Electronic Resource]. Мир, 1997.-368 с.

49. Полак Э. Численные методы онтимизации. М.: Мир, 1.

50. Вегман, Е.Ф., Деткова, Т.В., Дубе Ндабезинхле Изв. вуз. Базилевич, СВ., Вегман Е. Ф. Агломерация. М.: Металлургия, Коротич, В.И., Фролов, Ю.А., Бездежский, Г. Н. Агломерация Черная металлургия. -1992. № 1. 8−12 1967.-368 с. рудных материалов. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2003. диссертации доктора технических наук: 05.16.

51. Екатеринбург, 2000. 144.

53. Прием, усреднение и выдача железорудного сырья и извести на участке усреднения концентратов аглоцеха: Технологическая инструкция ТИ 101-ГОП-4;

54. Магнитогорск, 1999. 89 с.

55. Попков Ю. С., Киселев О. П., Петров Н. П., Шмульян В. Л. Идентификация и оптимизация нелинейных стохастических систем. М.: Энергия, 1976. 404 с.

57. Спекание офлюсованного агломерата на аглофабрике N4 ГОП: Технологическая инструкция ТП 101-ГОП-10−2.

58. Магнитогорск, 2005. 129 с.

59. Зобнин Б. Б., Куркин В. М., Боровков В. А., Головырин С. Устройство № 3.

60. Гроп Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. 301с.

61. Красовский П. Н., Субботин А. И. Позиционные дифференциальные игры. М.: Паука, 1974. 456 с. автоматического унравления процессом агломерации. Патент на изобретение N2222614 МПК С22 В 1/16, опубл. 27.01.04, бюл. Ю.П., Шпарбер Л. Я., Гусаров А. К. Техпологдоменщик. Справочное и методическое руководство. М.: Металлургия, 145.