Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Bergbau
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Eisenerz, Eisen, Gießerei, Bergbau, Rio Tinto Group

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Simulation von Mischvorgängen für Schüttgüter

Mischbetten dienen der Homogenisierung und Mischung großer Mengen unterschiedlicher Schüttgüter, zum Beispiel in der Zementindustrie. Hierfür entwickeln wir spezielle Software zur Regelung und Simulation solcher Mischbetten.

In der untenstehenden Abbildung ist ein modernes Mischbett dargestellt. Die Rohstoffe gelangen aus getrennten Bunkern auf ein gemeinsames Förderband, werden in einem Brecher zerkleinert, online auf ihre chemische Zusammensetzung untersucht und anschließend von einem Absetzer im Mischbett aufgeschichtet. Der Mischeffekt entsteht dadurch, dass das Material quer zu den Aufhaldeschichten scheibenweise abgetragen wird.

Ziel der Regelung ist es, die Rohstoffzufuhr aus den Bunkern so zu steuern, dass die Zusammensetzung der abzutragenden Scheiben vorgegebene Anforderungen erfüllt, also zum Beispiel nur in engen Grenzen um Sollwerte für Kalkstandard und Silikatmodul schwankt. Die Mischbettsimulation berechnet dazu, wie sich das vorgemischte Material auf der Halde und schließlich in den abzutragenden Scheiben verteilt. Die Simulation ist daher ein fester Bestandteil des Regelungsprozesses.

Schema Regelung und Mischbettsimulation
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Schema Regelung und Mischbettsimulation.

Mathematische und algorithmische Grundlagen

In unseren vorangegangenen Projekten wurden bereits die mathematischen und algorithmischen Grundlagen für Regelung und Mischbettsimulation entwickelt.

Die Vormischregelung umfasst zwei wesentliche Aufgaben: 
Aus der gemessenen Zusammensetzung des vorgemischten Materials ist auf die Zusammensetzung der Rohstoffe in den Bunkern zu schließen. Dies geschieht mithilfe eines Kalman-Filters. Dabei ist die Rohstoffzufuhr so zu regeln, dass bestimmte Kenngrößen (Module) optimale Werte annehmen. Mathematisch führt dies auf ein quadratisches Optimierungsproblem mit linearen Nebenbedingungen.

Grundlage unserer Mischbettsimulation ist ein selbstentwickeltes, schnelles Lösungsverfahren für eine bekannte Variationsungleichung, die die Verteilung eines Granulats bei geringer Materialzufuhr beschreibt. Die Kernidee besteht darin, den Zustrom zu portionieren und jede Portion über einem festen Punkt abzuladen. Die neue Haldenform ergibt sich jeweils durch Aufsetzen eines Kegels geeigneter Höhe. Der dabei entstehende Diskretisierungsfehler lässt sich zuverlässig abschätzen.

Die numerische Umsetzung der Regelungs- und Simulationsalgorithmen erfolgt in MATLAB und in zeitkritischen Fällen in C. Die Software verfügt über eine einfache grafische Benutzeroberfläche und kann nicht nur im Leitstand einer Anlage eingesetzt werden, sondern auch zur Optimierung von Auf- und Abhaldeverfahren, zur gemeinsamen Anlagenplanung mit Unternehmen sowie zur Berechnung garantierbarer Mischungsgrade. Unsere Software zeichnet sich im Vergleich zu auf dem Markt erhältlichen Produkten durch eine hohe Präzision und schnelle Laufzeit aus. 

Strömungssimulation für Granulare Materialien

Die hier beschrieben Software fokussiert sich auf die Lagerungen von granularen Materialien auf großen Halden. Für die Stömungssimulation von granularen Materialien in Produktionsprozessen und komplexeren Lagerungsbedingungen wie beispielsweise Silos entwickeln wir unsere Software GRAIN.

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