شماره ركورد
34922
پديد آورنده
شايان گودرزي
عنوان
شبيه سازي احياي سنگ آهن با استفاده از يادگيري ماشين و روش سطح پاسخ
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/07/30
استاد راهنما
نورالله كثيري
استاد مشاور
ندارم
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
فرآيند احيا مستقيم نقش كليدي و راهبردي در توليد آهن اسفنجي براي كورههاي قوس الكتريكي و صنعت فولاد دارد و به همين دليل، توسعه و بهينهسازي آن همواره اهميت ويژهاي دارد. امروزه، هوش مصنوعي به عنوان ابزاري قدرتمند، امكان مدلسازي و پيشبيني رفتار سيستمهاي پيچيده اين حوزه را براي مهندسان فراهم كرده است. الگوريتمهاي مختلف در يادگيري ماشين تا به امروز معرفي شده است كه ميتوانند با شناسايي الگوي رفتاري بين دادههاي يك سيستم، توسعه يابند. احياي سنگآهن يك نوع واكنش غيركاتاليستي گاز-جامد است كه در صنعت داخل كوره شفت رخ ميدهد. براي بررسي و آناليز رفتار احيا در مقياس آزمايشگاهي مكانيسم و رفتار واكنشهاي داخل كوره شفت، گندلههاي اكسيد آهن داخل يك ترموگراويمتري مورد آزمايش قرار ميگيرند و بر اساس تغييرات وزني، ميزان واكنش انجامشده بدست ميآيد. در اين رساله دو بانك اطلاعاتي مختلف در دو مطالعه مختلف مورداستفاده قرارگرفتهاند. در مطالعه اول يك ديتا بانك جديد براي يادگيري ماشين مورداستفاده قرارگرفته است تا تاثير وزن اوليه گندله سنگآهن بررسي شود. دو مدل MLP و RBF توسعه يافتند و با مقايسه پارامترهاي ارزيابي مدل RBF با دقت تست R2= 0/9923 و MSE = 0/0014 بهعنوان مدل بهينه بدست آمد. همچنين با متدولوژي سطح پاسخ نتايج نشان داد در اين مطالعه درجه متاليزاسيون با وزن اوليه با دقت 9657/0 R2= به صورت خطي ارتباط دارد و با افزايش وزن اوليه گندله سرعت واكنش كاهش ميابد. در مطالعه دوم يك بانك اطلاعاتي جامعتر استفاده شد كه قبلا مورد مطالعه قرار گرفته بوده است و يك مدل بهينه MLP با دقت دادههاي تست 9828/0R2= براي آن توسعه داده شده است. در اين مطالعه، عملكرد مدلهاي پيشرفته يادگيري ماشين شامل CatBoost، XGBoost و LightGBM براي پيشبيني درجه متاليزاسيون سنگ آهن در فرآيند احيا بررسي شد. مدل XGBoost با مقدار0008/0MSE= و ضريب 9905/0=R² براي دادههاي تست بالاترين دقت را در ميان مدلها كسب كرد. تحليل توضيحپذيري مدلها با كمك مقادير SHAP نشان داد كه متغير زمان و دماي واكنش، بيشترين تأثير را بر پيشبيني مدل دارند؛ بهگونهاي كه افزايش دما و زمان منجر به افزايش قابل توجه درجه متاليزاسيون ميشود، در حاليكه متغير اندازه گندله كمترين نقش را ايفا ميكند. در انتها نمودارهاي مختلفي به صورت سه بعدي براي بررسي تاثير پارامترهاي مختلف رسم شد. نتايج نشان داد كه دما رفتار به شدت غيرخطي را بر روي درجه متاليزاسيون دارد و با افزايش دما، نرخ احيا سريع تر مي شود. از سوي ديگر نشان داده شد با افزايش گاز هيدروژن و كاهش گاز كربن مونوكسيد سرعت احياي سنگ آهن افزايش پيدا ميكند.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/04
عنوان به انگليسي
Simulation of iron oxide reduction using machine learning and response surface methodology
تاريخ بهره برداري
10/28/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
شايان گودرزي
چكيده به لاتين
The direct reduction (DR) process plays a pivotal and strategic role in the production of sponge iron for electric arc furnaces and the steel industry. Consequently, its development and optimization have always been of special significance. In recent years, AI has emerged as a powerful tool, enabling engineers to model and predict the behavior of complex systems in this field. Various machine learning (ML) algorithms have been introduced to date, capable of identifying behavioral patterns among system data and supporting process development. Iron ore reduction is a type of non-catalytic gas-solid reaction that takes place industrially inside shaft furnaces. To investigate and analyze the reduction behavior and reaction mechanisms on a laboratory scale, pellets are tested in a TGA, and the extent of the reaction is determined based on weight changes. In this thesis, two distinct databases from two separate studies were utilized. In the first study, a new dataset was employed for ML to examine the effect of the initial weight of iron ore pellets. Two models, MLP and RBF, were developed; comparison of performance metrics identified the RBF model as optimal, with a test accuracy of R² = 0.9923. Additionally, RSM revealed that in this study, the metallization degree was linearly related to initial pellet weight (R² = 0.9657), and with an increase in initial pellet weight, the reaction rate decreased. In the second study, a more comprehensive database—previously investigated—was used, for which an optimized MLP model with test accuracy of R² = 0.9828 was developed. This study evaluated the performance of advanced ML models, including CatBoost, XGBoost, and LightGBM, for predicting the metallization degree of iron ore during DR. The XGBoost model demonstrated the highest accuracy among the models (R² = 0.9905 on test data). Interpretability analysis using SHAP values indicated that reaction time and temperature are the most influential variables for predicting the metallization degree; increased temperature and reaction time lead to a significant improvement in metallization, while pellet size plays a minimal role. Additionally, a variety of three-dimensional plots were generated to assess the influence of different parameters. The results showed that temperature has a highly non-linear impact on metallization degree, and as temperature increases, the reduction rate accelerates. Conversely, increased hydrogen and decreased carbon monoxide concentrations in the reducing gas mixture also enhance the iron ore reduction rate. Keywords: Direct reduction, iron ore, iron oxide, machine learning, simulation
كليدواژه هاي فارسي
احيا مستقيم , شبكه عصبي
كليدواژه هاي لاتين
direct reduction , neural network
Author
Shayan Goudarzi
SuperVisor
Norollah Kasiri