（控制理论与控制工程专业论文）基于成分预测的烧结配料专家优化方法研究.pdf

摘要 在我国，烧结矿足高炉炼铁的主要原料之一，其成本相对较低，对 我围的钢铁工业意义重大。烧结厂将不同成分的含铁原料、溶剂和燃料 等按一定比例混合进行配料形成烧结混合矿。配料的准确性足决定烧结 矿质量最重要的因素，并进而影响高炉炼铁的进行。 烧结配料的优化控制目标足保证配料的准确性和烧结矿成分的稳定 性。本文针对该过程中存在的成分检测h 寸间间隔过长、配料调整手段缺 乏理论指导、烧结矿成分波动较大等问题提出一种基于成分预测的专家 控制策略，该策略将烧结配料的过程分为中和配料、混合配料和烧结矿 形成过程，建立了中和矿、混合矿和烧结矿成分预测模型，通过数学模 型和神经网络的方法进行成分预测；在配料比的确定和调整方面，则采 用专家推理的方法，根据机理分析和专家经验建立专家规则来调整配料 比；在成本控制方面，采用线性规划的方法，最优化烧结矿成本。通过 数学模型、神经网络、专家规则的有机结合，实现烧结配料的优化控制。 本文利用韶关钢铁烧结厂1 0 5 m 2 烧结机的实际生产数据，对提出的 三个成分预测模型和专家规则进行仿真检验。结果表明，成分预测模型 能够比较准确地描述烧结过程；专家规则确定的调整方法是正确的。本 文提出的方法完全适合应用于实际生产。 关键词：烧结配料，成分预测，神经网络，专家规则，线性规划 a b s t r a c t t h es i n t e rm i n ei so n eo ft h em a i nm a t e r i a l so ft h eb l a s tf u r n a c e t h e m e t h o do fs i n t e ri sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sc o m p a r a b l yl o wc o s t i ti sv e r y i m p o r t a n tt ot h ei r o na n ds t e e l i n d u s t r y i nt h ef o r m e rp r o c e s so fs i n t e gs e v e r a l k i n d so fs t e e lm i n e s ，s o l v e n t sa n df u e l sw e r em i x e dt o g e t h e rw i t hac e r t a i n r a t i o t h ev e r a c i t yo f t h em i x i n gr a t i oa f f e c t st h eq u a l i t yo ft h es i n t e rm i n e i t w i l la l s oh a v ee f f e c t so nt h ep r o c e s so fs m e l ti nt h eb l a s tf u r n a c e t h eo p t i m i z e dc o n t r o lt a r g e to ft h em i x i n gi st oe n s u r et h ev e r a c i t ya n d s t a b i l i t yo ft h es i n t e rm i n e t os o l v ep r o b l e m so ft h el o n gt i m ei n t e r v a lo f d e t e c t i o na n d1 a c ko f t h e o r yg u i d a n c eo f a d j u s t m e n ta n dt h ec o m p o n e n to f t h e m i n ef l u c t u a t et o om u c h ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa l le x p e r tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o ni n g r e d i e n tp r e d i c t i o n t h ep r o c e s so fm i x i n gi sd i v i d e di n t on e u t r a l i z i n g m i x i n g ，b l e n d i n gm i x i n ga n df o r mo f t h es i n t e rm i n e t h r e ep r e d i c t i n gm o d e l s w e r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h es t r a t e g y m a t h e m a t i cm o d e la n dn e u r a l n e t w o r k sw e r ea d o p t e d o nt h ea s p e c to ft h ea d j u s t m e n t ，e x p e r tr u l e sw e r e e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s ma n a l y s i sa n dk n o w l e d g eo fe x p e r t t h er u l e sc a l lb eu s e dt oa d j u s tt h em i x i n gr a t i oo ft h em i n e s i no r d e rt o d e c r e a s et h ec o s to ft h es i n t e rm i n e 1 i n e a rp r o g r a m m i n gw e r eu s e d t h e o p t i m i z e dc o n t r o lo fs i n t e r i n gc a r l b ei m p l e m e n t e db yt h ec o m b i n a t i o no f m a t h e m a t i c a lm o d e l ，n e u r a ln e t w o r k sa n de x p e r tr u l e s t ov e r i f yt h ea p p l i c a b l eo ft h es t r a t e g y , t h i sp a p e ru s e st h er e a ld a t ao f t h e1 0 5 m 2s i n t e rm a c h i n eo fs h a o g u a ni r o na n ds t e e lp l a n t t h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep r e d i c t i o nm o d e l sc a nd e s c r i b et h ep r o c e s so fs i n t e r p r o p e r l ya n dt h ee x p e r tr u l e sd o e sw o r k s t h es t r a t e g yp r o p o s e db yt h ep a p e r c a nb ep u ti n t oa p p l i c a t i o nw i t hn od o u b t k e yw o r d s ：s i n t e r m i x i n g ，i n g r e d i e n tp r e d i c t i o n ，n e u r a ln e t w o r k s ，e x p e r t r u l e s ，l i n e a rp r o g r a m m i n g 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 玺鱼日期：垫堕年月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储獬：盟翩绋坪 硕t 学位论支 第一章绪论 高炉炼铁是一个逆流还原过程，固体炉料逆着上升的煤气流下降，因此含铁 炉料必须足块状的。而烧结法或球团法能够达到这种造块效果。球团法通常在选 贫矿的地区采用，尤其足北荚地区。而在有天然富矿可以丁f 采使用的地方，烧结 法则是一种成本较低的方法，在世界的其它地区被广泛采用。虽然新的炼铁方法 会不断出现，但是烧结矿的需求在很长一段时间内仍将保持在较高的水平。在我 国，高炉入炉的炉料9 0 以上都是铭烧结法提供的。因此，铁矿石烧结对我国的 钢铁工业有重大的意义。 1 1 研究背景及意义 目前，随着市场竞争的加剧，钢铁工业设备向大型化发展，对原料的要求日 益提高，而高炉炼铁生产技术指标的提高，主要依靠入炉原料性质的改善，烧结 矿足我因高炉的主要入炉料，因此，保证和提高烧结矿的质量，是保证钢铁工业 稳定发展的重要手段。 铁矿石烧结本身足一个复杂的工业过程，涉及温度、速度、压力等众多物理 参数，包括物理、化学、液相等反应。烧结过程具有j 乍线性、强耦合、大时滞的 特点，精确的数学模型难以建立，采用传统的控制方式，无法达到良好的控制效 果。目前，大量采用的是智能控制的方式。 烧结配料是烧结的首道工序，它分两步获得烧结所用的混合料。第一步将各 种铁矿石按一定比例混合，形成中和矿；第二步将中和矿、烧结后的返矿、溶剂 和固体燃料按一定比例混合，形成混合矿；混合矿经过烧结得到烧结矿。配料水 平的高低，会直接影响烧结矿的质量和产量，并进而影响高炉炼铁的顺利进行。 实践表明，燃料的波动会影响烧结矿的还原性和强度；烧结矿含铁量和碱度的波 动会引起高炉炉温和造渣制度波动，导致焦比升高，生铁产量下降。因此，对烧 结配料的要求就是矿种配比要准确，并耍保证烧结矿化学成分的稳定。 韶钢烧结厂对于烧结的自动控s f j l e 常重视，目前整个配料烧结生产线都采用 荩于工业以太网的计算机两级控制系统，控制级采用西门子的s 7 4 0 0 大型p l c 实现信号采集和处理，监控级采用w i n c c 实现整体自动控制。相比于生产线的 高度自动化，1 0 5 m 2 烧结机的配料比的设定则显得很落后，主要依靠经验试算法 完成，配比一经采用，在一段时问内就不再进行计算。若足烧结矿成分发生波动， 需要操作人员根据经验对配比作出调整。对于成分波动，对应该调哪一种原料， 硕七学p 论上绪论 应该调多少，足否会造成成本升高等则块! 多相应的调整理论指导，对操作人员的 经验要求很高。而且同样是熟练的操作工，完全有可能作出不同的削断，从而可 能造成新的波动。这样的配料方法具育很大的随意性，足严重不足的。因此有必 要建立一种智能化的、准确性高、简惟易行的优化配料控制方法，用f 获得准确 配比，稳定烧结矿化学成分，配合商度自动化的生产线，提高整体生产水平。因 此，本文提出了成分模型预测、配比等家规则以及成本最优化的智能控制方法， 用于优化控制烧结配料比。 1 2 国内外烧结技术发展现状 a s d w i g h t 和r l l l o y d 首先建议采用抽风烧结，并发明了连续作业的带 式烧结机，一般称为d l 式烧结机，1 9 1 1 年这种设备获得专利，并在芙囡投产 了第一台带式烧结机【1 1 。在2 0 年代，随着钢铁工业的发展需要进行烧结入炉的 粉矿、精矿和其它含铁粉料的增加，以及劳动保护和自动化程度的提高，带式烧 结机逐渐变为主要的烧结设备，在大型钢铁企业中几乎足唯一的烧结设备。 抽风烧结的过程足把铁矿粉、溶剂和燃料按一定比例混合，并加入一定含量 的返矿以改善透气性，配好的原料按一定配比混合加水，送到料槽，然后到烧结 机，由点火炉点火，混合半 中固体燃料被点燃，烟气由抽风机抽走，在台车移动 过程中，烧结自上而下进行。当台乍移动到未端时，烧结终了。烧结完了的烧结 矿从机尾落下，经破碎、筛分、冷却，筛上物送上高炉，筛下物作为返矿和铺底 料重新烧结。 理论和实践都表明，大型化的生产设备，不但单位产品投资低，技术经济指 标好，劳动生产卒高，由此带柬的是明显的经济效益口l 。在激烈的市场竞争下， 必将取代小型的、落后的烧结设备。因此，带式烧结机的面积正在不断增大，台 车宽度也在不断增大。f j 本的烧结机，从4 0 0 m 2 、5 0 0m 2 、5 5 0 m 2 发展到6 0 0 m s 以上，台车宽度从4 米增加到5 米。我国的烧结设备在7 0 年代以后也有了较快 的发展，目前最大的是宝钢引进的4 5 0 m 2 烧结机。但足我四烧结机的乎均面积还 只有6 9 m 2 ，还远远低于日本的3 1 8 m 2 。 在过去几年中，铁矿石烧结工艺有了很大发展，这主要足受以下几个方面囡 索的影响。 ( 1 ) 自7 0 年代以束，能源成本不断上涨，要求降低生产能耗。除了降低生 产能耗以外，还要求烧结厂改进烧结矿质量以便于高炉节能。如日本的烧结焦粉 单耗以从5 5 k g t 下降到4 5 k g t ，有些烧结厂的点火能耗以从1 9 0 m j t 下降到 3 0 m j ! t 。而且燃料比和焦比在不断下降。 ( 2 ) 不断要求现有的烧结厂提高生产率，而低效的烧结厂则被关闭。仅从 硕十学位沧支 1 9 8 3 年纠1 9 8 7 年，只本就关闭了5 座烧结厂，但足日怔的烧结矿产量并未下降， 这足因为其他厂家提高了烧结产率的缘故。 ( 3 ) 不断要求降低烧结矿成本。其中，铁矿石占烧结矿成本的主要部分。因 此，许多烧结厂增加了廉价铁矿石的购入量。而二次含饮原料( 铁粉尘，炉灰等) 的利用也成了一大课题。 ( 4 ) 环境保护的要求。随着社会环保意识的加强，烧结厂必须安装除尘设备， 达到环保的要求。在许多因家，烧结厂都安装了电除尘器，何的厂家甚至安装了 脱硫和脱氮装咒。 从作业率，点火热耗、烧结矿品位和碱度束比较，我固的烧结技术水平与日 本和西欧国家仍有不小的差距，综合烧结发展的趋势，今后应注意以下几个方面 问题： ( 1 ) 提高烧结矿的质量要放在首要位置来考虑。 ( 2 ) 有条件的钢铁企业，要实现烧结设备的大型化。 ( 3 ) 抓紧推广原丰 混匀技术，提高烧结精料水平。 ( 4 ) 要努力降低烧结矿的成本。 1 3 配料的数学模型研究 囡外从6 0 年代，国内从8 0 年代开始对烧结工业的数学模型进行研究，数学 模型的发展，经历了离线 p 算分析、参数优化、多目标综合模拟三个阶段1 3 。6 1 ， 目前针对烧结工业的各个阶段已建立大量的数学模型。 烧结配料的数学计算，就足根据已有原料的物理化学特性、供应量及规定的 烧结矿含铁量、碱度和其它成分的要求，确定合适的配料比例。数学模型的建立， 主要依据的是“物质守衡”的原理。按照校型的难易程度，配料数学模型可以分 为如下几类： ( 1 ) 经验配料计算法 经验配料计算法足根据多年的烧结经验总结出束的最简单的配料计算方法。 这种模型把烧结配料中所有主要原料如铁矿石、溶剂等的配比计算用经验公式表 达出柬，公式中的一些参数则采用经验数据。由于模型采用了大量经验数据，不 可避免地会影响到计算精度。但是因为配比计算有具体公式可循，目前还有不少 的烧结厂使用这种方法。 化) 理沦计算法 理论计算法提出了生产唯位重量的烧结矿所需各种原科的比例，并通过计算 各种原料的组分( 元素或氧化物) 进入烧结矿中的绝对重跫，最后求得烧结矿成 分。已知单位烧结矿中燃料用量，根据原料条件及烧结矿的要求，建立一组平衡 耐一学伊论文 方程式求得未知数。理论计算法的精度比经验计算法有了一定程度提高。 ( 3 ) 线性规划方法 自线性规划方法诞生以束，已经在多种工业应用中找到了用武之地，几乎在 所有的配科领域如烧结配料、水泥生羊 配料，化肥配料等中都能找到它的影子。 在烧结配料的线性规划模型中，一股会以成本作为目标函数，成分和其它要求作 为约束条件。正因为其考虑因素周全，用e x c e l 或m a t l a b 等工具求解容易，被 称之为“一步计算法”。如文献 3 9 1 中的线性规划方法应用于腐钢、文献 4 2 1 中的 线性规划方法应用于菜钢后，降低了生产成本，性能仃所提高，取行了不锚的效 果。 不可否认，配科数学模型足求解配比的重要工具。但是配料作为烧结的前道 工序，配比的求解，与烧结过程息息相关。烧结足一个多变量、非线陛、强偶合 的工业过程，其中包括了大量的不确定性信息，所以椎纯的数学模型无法将过于 复杂的环节描述出柬，因此数学模型的结果部只足短暂有效的，一旦烧结矿发生 成分波动，还足要依赖人工经验进行调节，因此适应性不好。但足数学模型是目 前广泛采用的智能建模的基础和组成部分之一，仍然具存重要的研究意义。 1 4 配料智能控制研究 智能控制主要足针对控制对象及其环境，目标和任务的不确定性和复杂性而 提出东的。由于工业的发展对控制的要求越来越高，任何单一的配料数学模型都 有其不足，因此人们自z 强了对智能控制应用的研究1 7 - 2 3 1 。著名的控制理论专家 a u s t o r m 指出：模糊逻辑控制、神经网络和专家系统足典型的智能控制方式【m i ， 它们的特点如下： ( 1 ) 模糊控制 它足把操作人员经过长期积累得到的知识，用包含有模糊集合的规则进行记 录，并通过模糊推理来确定控制量的种智能控制方法。模糊控制方法能有效的 处理大蘑的不确定性信息，效果好于一般的控制方式。 ( 2 ) 专家控制 它足从号家和熟练员工处获得知识进行推理控制的一种方式。主要适于机理 复杂，变量较多的过程控制。只有知识全面性、无时空限制性和稳定性等优点。 ( 3 ) 神经网络控制 人工神经网络足由大链神经元相互连接而成的自适应 f 线性动力系统，具有 大规模并行处理、知识分布式存储、自学习能力强的特点，适合于实时控制系统。 在确定网络结构，功能函数和学习算法以后，对于给定样本的学习，知识就表示 为鲻值和杈藿，分布于整个网络之中了。能够超过设计者的知以水、乎，足其突出 4 硕f 学位诊文绪论 优点。 在配料预缄，模糊控制、神经网络和号家系统的研究和应用部有具体的实例。 f 1 本的钢管公司稻山t 阿铁厂将使糊逻辑引入到返矿量控制，控制效果超过最熟练 的操作肯，返矿槽位的偏蔗大大降低【 1 。吴敏等人丌发了配煤过程基于神经网 络和数学模型的争家系纠 州】，在涟源钢铁厂得到成功应用，文中基于神经网络 和数学模型的预测摸型，具有很高的预测精度，建立的专家规则能够有效地调整 配煤比。：证钢研制了基于神经网络的配矿系统【2 。1 ，能准确有效地确定配料比。 文献 1 5 e e 烧结过程专家控制系统，提出了已碱度为中心的化学成分专家控制系 统和已透气性为中心的烧结过程状态家控制系统，提高了烧结矿一等品率，改 善了料层透气性，稳定了烧结终点。日本的川崎钢铁公司千口p 厂根掘碳燃烧量和 炽热区面积比两个变量来剡断烧结热量波动，从而自动控制焦粉配比，对降低烧 结矿质量波动和提高成品牢取得很好的作用。文献 2 4 1 提出采用自适应算法，综 合运用家系统与模糊控制理论求解烧结配料比，提出了一种处理非线性方程的 途径，算法经过仿真验证有较好的效果。此外文献 1 7 1 使用b p 神经网络，根据 烧结混合矿成分预测烧结矿的化学成分，预测效果彳亍相当的可信度。 1 5 本论文研究内容 目前国内外对烧结过程的研究主要集中f 状态参数的控制，如烧穿点控制、 能耗控制，产量控制等。而针对烧结配料的研究，上要局限丁数学上的线性规划 法，对烧结配料的智能控制的研究，则鲜有报道。线性规划法是采用一步到位求 解配料比的数学方法。优点是操作简单，对于矿源稳定的清况比较可靠。但足这 种方法本身并不包含控制思想，对丁矿种变化、成分波动等情况就缺乏及时处理 能力。国内的烧结厂大多还是采用经验配料的方法，精确度低，适应性茇。因此， 有必要根据烧结配料的实际过程，结合对烧结矿化学成分的要求，采用数学方法 和智能控制相结合的方法建立起烧结配料各个阶段的成分预测模型，并根据模型 预测结果，提出相应的控制策略。因此本文的研究重点如下： ( 1 ) 根扼烧结配料的两个阶段，建立三个成分预测模型：由各种铁矿石到中 和矿的成分预测模型；由中和矿、返矿、溶剂苜到混合矿的成分预测模型；由混 合矿到烧结矿的成分预测模型。 ( 2 ) 根据烧结配料的专家经验和过程统计的经验数掘，引入专家规则，并结 合成分预测模型的结果，指导配比的调整。 ( 3 ) 引入线性规划算法，最优化烧结矿的价格。 ( 4 ) 将成分预测模型和配料专家规则运用到韶钢烧结厂的烧结机上，根掘实 验结果对本文提出的控制策略作出评价。 锄卜乍p 诊 针对烧结配半 这一复杂的工业过程，本文提出了一种集成智能优化算法。通 过数学模型、神经网络预测模型、号家系统推理规则、线性规划方法，从准确性 和成本着手，解决烧结配料的优化问题。研究衷明，这样的方法足有效的。本文 后续章节安排如下： 第二章主要通过配料和烧结过程的机理分析。找出烧结配半 中存在的问题并 提出相应解决方法，并勾画出基于成分预测的烧结配科专家优化控制方法的总体 设计思路。该方法主要有两部分组成：成分预测模型和配料争家规则。 第三章主要根掘烧结配料的两个阶段，运用数学和神经网络相结合的方法， 建立起中和矿、混合矿和烧结矿三个成分预测模型。并采用烧结机的实际运行数 据，对模型的有效性及精度进行枪验。 第四章主要根据烧结配料的专家经验和统计数据，并根据成分预测模型的预 测结果，给出定| 生定量的用于调整配料比的专家规则。引入线性规划算法，最优 化矿石成本。 第五章对本文提出的培f 成分预测的烧结配 专家优化方法进行总结，并从 各方面作出评价。 6 硕 学t a 论支生 【理分折j 毗# + 优化方r 粲 第二章过程机理分析与配料优化方案 配车i 足烧结的6 u 一道工序，配料的好坏，直接影响到烧结矿的化学成分及稳 定性，并影响到原料使用成本。要解决好配料比的问题，不仅要对配料的工序和 参与配料的矿种的情况十分清楚，还必须了解原料在烧结过程中所发生的变化以 及其对烧结矿成品的定性和定量的影响。冈此，本章将对简要介绍烧结工艺及配 料工序，并提出求解配 4 比方法的总体设计思路。 2 1 配料过程 烧结和高炉炼铁都需耍精料，因为精料是生产优质烧结矿的甚础。为此，烧 结所用的原料必须精心准备后j 能 j c 给烧结生产使用。烧结原料的准备一般可以 分为以下几个方面： ( 1 ) 原料的接受 按照烧结厂的原料柬源和生产规模的不同，原料的接受可以分为沿海大型烧 结厂、内陆大型烧结厂、中型烧结厂和小型烧结厂四种，它们采用不同的方式与 设备接受原料。 ( 2 ) 原料的贮存与中和 烧结厂用料量大，品种多，而且很多都离原料产地较远。为了获得预定的产 品和保证烧结过程持续稳定地进行，烧结厂一般设有原料场或原料仓库存贮原 料。日前，国内外部很重视烧结前原料的贮存和中和，并一致认为设霞原芈 场是 便于实现自动控制和实现高产优质的有效措施。 ( 3 ) 溶剂的破碎与筛分 烧结用的石灰石一般要求0 - - 3 m m 的含量大t - 9 0 ，而入厂的石灰石柁度上 限为4 0 r a m ，有的甚至有8 0 r a m ，囡此必须进行破砰和筛分处理，使其粒度达到 ! v - 产上的要求。 ( 4 ) 燃料的破砰与筛分 烧结所用的固体燃料有碎焦和无烟煤，入厂的粒度一般为0 2 5 m m ，而生产 要求o - - 3 m m 的应占9 0 以上，因此必须进行破碎和筛分处理。 完成以上步骤后的精料，和返矿、碱性原料和焦粉一起，按照一定的比例加 入到混合配料槽，经过混匀后形成混合矿，再送入烧结机( 如图2 1 和2 2 所示) 。 现在大多数的烧结厂采用重量配料的自动控制方式。重量配 4 法按原科的重量进 行配料，通常足指连续重量的配料法。借助电予皮带秤和调速圆盘及自动控制调 硕上_ 学位论文过砟柯：理分析型謇4 伲化方窠 节系统束实现自动配料。电子皮带秤给出称复皮带的瞬时送料量信弓而后输入凋 速圆盘自动调节系统，其调节部分根掘给定值和电子皮带秆测量值的偏差自动调 节圆盘转速以达到给定的料量。重量配 法相对于早期的容积配卡 法具有较高的 精度，当负衙在5 0 以上时，配料精度在1 5 以内。 8 m 图2 - 1 原料混匀及配料流程 图2 - 2 形成烧结混合抖的配料过程 硕 学p 论支过秤虮理分圻配 优化方鬟 2 2 烧结过程与抽风烧结 烧结足将粉状 ( 如粉矿) 和细粒科( 如精矿) 进行高温加热，在不完全融 化的情况下烧结成块( 烧结矿) 的过程。物料的圈结e 要靠固相反应，以及颗粒 表面软化、局部熔化和淹相生成。在粉未冶金中，物料粘结成型足靠固相反应。 这一过年廿也称为烧结( s i n t e r i n g ) 。烧结所需的热能，由混合料中添加的炭或( 或 其中所含的硫) ，与通入过剩的空。e 燃烧而产生的，因此又称为氧化烧结。 贫矿经过选矿后所得到的细粒精矿，天然富矿在丌采过程中和破碎分离过程 中所产生的粉矿，都必须经过烧结成块才能进入高炉。含碳酸盐和结晶水教多的 矿石，经过破碎后进行烧结，可以除去挥发分而使铁富集。某些难还原的矿石， 或还原期问容易破碎、或体积膨胀的矿石，经过烧结后变成还原性良好和热稳定 性高的矿石。铁矿石中的有害元素，特别足硫，可以在烧结过程中大部分脱除。 在高炉炼铁时，为了保证料粒透气性良好，要求炉料粒度均匀，粉术少、机 械强度高( 冷强度和热强度) 。为了降低高炉焦化，要求炉料含钦品位高、有害 杂质少，且具有自熔性和良好的还原性能。采取烧结法后基本能达到上述所有要 求。 钢铁厂的含铁废料，各种含铁尘、泥、渣的综合利用，足国内外钢铁厂都关 心解决的一个问题，不妥葺处理好不仅会造成有用金属的浪费，更严重的足会造 成环境污染。采用烧结法后，可以把大部分这种废料作为高炉炉料。 烧结生产工艺流程通常由以下几个部分组成：含铁原料、燃料和溶剂的接受 和储存；原料、燃料和溶剂的破碎筛分：烧结原料的配科；一次混合粗加水。二 次混合加水制粒：御科、点火和烧结：烧结矿的破碎、筛分、冷却和制柁。根据 原科的条件、工厂生产条件和对产品的要求不同，烧结流程也会不同，仃更简啦 的，也有更复杂的。( 见图2 3 ) 囤内外烧结生产中，广泛采用连续式带式抽风烧结，这类方法具有生产牢高、 原料适应性强，劳动条件好，便于实现大型化和自动化的特点。问歇式抽风烧结 盘，具有投资省，建设快和易掌握的优点，但生产率低，劳动条件差，一般只在 地方小型钢铁企业中应用。鼓风烧结法，特点是炉蓖不粘结，不易烧损，风机寿 命较长，适合于含硫较高的粉矿和精矿的烧结，但劳动条件比抽风烧结差。 在配料室，烧结原料按一定比例配合后，经混合和制粒后再加到烧结机的台 车上，台车上的点火器在烧结料的表面进行点火，于足烧结反应便丌始。点火时 和点火后，由于下部风箱强制抽风，通过料层的空气和烧结料中焦碳燃烧产生的 热量，使烧结混合料发生物理和化学变化，生成烧结矿。到达排料端于，烧结科 层中进行的烧结反应便完成了。 9 硕 举p 诊乏 过砰机理分昕j 配f ：慢化方赛 ；矿富矿粉石灰石f 1 云f i碎焦无煅煤蕾炉灰轧钢皮 l jl f i l 破碎1 0 l 破碎l l 筛分i l ，上l ， 1 配 q , - 一次混合卜i 一水 j 二次混合卜一水蒸汽 j rj r 厂煤气与空气 旧，ii 点火i kk-蹿， 烧绐 1 il 、 申 燃道灰l 竺尘li 笔碎l i l上 烟尘 i 抽风ii 筛分i 返矿 上j 排出废气 ；夸却 上上 热烧结矿冷烧结矿 图2 - 3 烧结生产工艺的一般流程 0 硕十学位论文 过程机珲分析j 鱼! 4 优化方案 2 3 烧结配料原料 韶钢烧结厂所用的烧结原料分为如下几类： ( 1 ) 饮矿石 铁矿石主要由一种或几种含铁矿物和脉石组成。根掘含铁矿物的性质，钦矿 石又可以分为磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿和菱铁矿等四种，对铁矿石的评价又可以 从含铁量、脉石成分、有害杂质含量，强度和冶金性能五个方面进行。烧结厂的 铁矿石来自不同的产地，品位和价格麓异比较大，采购时要综合考虑。如韶钢烧 结厂所用的铁矿石就有好几十种。 ( 2 ) 溶剂 溶剂在钢铁冶金中被广泛采用。烧结料中加入碱性溶剂，可使烧结矿溶剂化， 把炼铁过程中必须加入的部分溶剂及其在高炉中进行的化学反应迁移到烧结过 程中进行。这有利于改善原料的烧结性能，强化烧结过程，提高烧结矿的产量和 质量。韶钢烧结厂所用的足碱性溶剂，又称碱性原料，一般用石灰石和生石灰两 种，c a o 的理论含量分别为5 6 和8 5 。 ( 3 ) 烧结燃料 燃料的基本特性足具有可燃性，并放出一定热量。燃料在烧结中主要起发热 剂和还原剂的作用。从燃判的物理形态可以分为固体和液体两种，烧结中主要采 用固体燃料。韶钢烧结厂采用的燃料足焦粉。 ( 4 ) 返矿 返矿足颗粒大小不合格的烧结矿，需要霞新进行烧结使其颗粒达标，烧结厂 根据生产要求确定返矿的用量，很少调整。 2 4 影响烧结矿矿物组成和结构的因素 在烧结时，烧结料中矿石原料的组成是决定烧结矿中不同矿物组成的内在因 素；而配加溶剂和燃料的品种和用量，其它少量添加物的品种及用量以及烧结的 工艺条件，则属于决定烧结矿物组成的外在因素。 ( 1 ) 烧结料配碳量的影响 烧结料中配碳量决定烧结温度、烧结速度及气氛条件。鞍山精矿烧结研究表 明：当烧结矿碱度固定在1 5 ，烧结料含碳量变化时。当含碳硅由3 o 升高到4 5 时，烧结矿中饮氧化物含量变化不大明显，而对枯结相的形态及矿物的结品程度 影响很大。当烧结料中含碳低时，磁铁矿结晶程度差，主要粘结相足玻璃质，还 原性较好而强度较差。反之则相反，但碳过多时烧结产鞋低，还原性差，强度也 不好。 硕i j 位论文 童程骶理分析0 配社优化方案 ( 2 ) 烧结矿碱度的影响 烧结矿的碱度与其组成矿物订很大关系。 碱度基1 0 的低碱度烧结矿：主要矿物为磁铁矿，少鞋浮土体和赤铁矿。枯 结相矿物主要为饮橄榄石，钙铁橄榄石，玻璃质和少量钙铁灰石等。 碱度为1 0 5 2 4 2 问的自溶性烧结矿：主要钦矿物与上一种基本相同。粘结 相矿物主要为钙铁橄榄石及少董的砬酸一钙、硅酸二钙和玻璃质等。随着碱度升 高，硅酸二钙、硅灰石及铁骏钙均有明显的增加，而钙铁橄榄石和玻璃质明显减 少。 碱度在3 以上的高碱度烧结矿：烧结矿中几乎不含钙铁橄榄石及玻璃质。矿 物组成比较简单，主要有c a o f e 2 0 3 ，2 c a o f e 2 0 3 ，其次为2 c a o s i 0 2 、 3 c a o s i 0 2 和磁铁矿。这类烧结矿机械强度和还原性较好，而且不粉化，主耍 足过量的c a o 的作用。 ( 3 ) 烧结料化学成分的影响 铁矿石中s i 0 2 的影响：烧结料中s i 0 2 和含铁黾对矿相影响最为明显。s i 0 2 含量低，生成的液相量少，可能导致烧结强度不好和粉未多。 m g o 的影响：添加白云石代替石灰石作溶剂，或者添加蛇纹石补充铁矿石 含s i 0 2 量，烧结矿随着m g o 含量增加而粉化率下降，烧结矿强度有所改善。 a 1 2 0 3 的影响：烧结矿中a 1 2 0 3 太多会引起烧结矿还原粉化性能恶化，使高 炉透气性变差，炉淹粘度增加，放渣困难，故应控制a 1 2 0 3 的含量。 ( 4 ) 操作工艺制度的影响：烧结过程的温度、气氛对烧结有很大影响，这除 了与燃料的用量有关外，它还与烧结时点火温度，冷却速度和 层高度部有关系。 2 5 目前烧结配料过程存在的问题及解决办法 烧结厂处理的原料量大，种类多，物理化学性质差异很大。为使烧结矿的物 理、化学性能稳定，合乎高炉炼铁的要求，同时要求烧结料具有良好的透气性以 便获得较i 铒的烧结生产率，必须把不同的含钦原料、溶剂和燃料等，根据烧结过 程的要求束进彳了精确的配料。生产实践表明，配料的偏差会影响烧结过程的正常 进行和烧结矿产质量，并进而影响高炉冶炼的顺利进行。 以日烧结厂大多采用一步法，既把所有的矿种一次混合，形成烧结混合料。 长期实践证明采用这样的方法容易造成烧结矿成分值不稳定。现在普遍采用的是 两步配料的方法。酋先将各种不【 】产地、不同品位的铁矿石按一定比例混合，形 成彳彳合指标要求的中和矿。然后将中和矿、返矿、溶剂和燃料等按一定比例混合， 形成符合指标要求的烧结混合车 f 2 ”。在中和配料巾，_ t 要配烧结混合羊i 中的铁， 而混合配料则要调整混合料c a o s i 0 2 的值使烧纥矿的碱度达到成分要求。 硕 付仑艾过程e 珲分忻j 配 1 优化方皇 配料的依据来自对烧结矿质量的要求，质毽包括二二个方面： ( 1 ) 物理性能：如粒度和粒度组成( 粉末含量) ，气孔度、机械强度。 ( 2 ) 化学成分：如含铁品位、碱度、f e o 、m g o 等。 ( 3 ) 冶金性能：如还原性、低温还原粉化率、荷匿软化性、熔融滴下性等。 以上指标之凸j 并i f 完全独立，它们之间有很强的偶合关系，如碱度对冶金性 能有较大影响。如果把所有的质晷指标全部考虑到配料优化的过程中，势必导致 过程复杂，难以突出重点，甚至产生矛盾的结果。大跫实践表明，烧结矿的化学 成分波动很小时，对物理性能及冶金性能影q ：! | j f p d ，甚至可以忽略不记。当烧结 厂把烧结矿的化学成分指际定在比较合理的范田内时，可以起到间接优化其他指 标的作用。因此。烧结配料优化的首要目的就是根掘给定的化学成分指标，采用 合理的控制方式，使得烧结矿的实际成分尽可能的接近给定指标。基于这样一种 思想，我国大多数烧结厂提出烧结矿的考核指标为品位和碱度，配料的工作就是 确保烧结矿的成分处于考核指标容许范围之内。当然，由于烧结厂的原料种类和 生产条件不同，考核指标由烧结厂自己确定。 虽然目前烧结厂普遍采用了两步配料的方法，在一定程度上抑制了成分波 动，但是由丁二烧结过程的复杂性，仍然有许多问题需要解决。 ( 1 ) 目前烧结厂广泛采用经验试算法获取配料比，在非常理想的外部条件下 能够得到合格的烧结矿，但在很多时候会受到成分波动的影响，需要对原始配比 进行调节，此时的调常过程缺乏理论指导，而要根掘操作人员的经验作出判断。 由于个人水平的不同，会采取不同的调节方式，从而更有可能导致产品的出恪。 而且烧结厂的矿种会仃变动，这时需要采用计算法获得配料比，费时费力，且容 易出错。 ( 2 ) 由于烧结过程是一个大滞后环节，从配料歼始到得到烧结矿需要大约2 个小时，经过成分化验分析后，此时的烧结矿成分检测数据已经足严重滞后的数 据，对实时生产的指导意义已经不大。 ( 3 ) 矿石的配比，没有和价格因素紧密挂钩，因此成本竞争力不足很高，在 矿源变化时尤为显著。 对以上三个问题，拟采用如下的优化控制的方法解决。 ( 1 ) 建立从各种铁矿石到中和矿，从中和矿、返矿、溶刺等到混合矿，从混 合矿到烧结矿的成分预测摸型，选择适当的成分作为模型输入变量、得到相应的 成分预测输出用于作为实际生产的指导，而检测到的数掘则用束修正模型，提高 预测的精度。 ( 2 ) 根据机理分析和号家经验建立用于求解和凋整配料比的专家规则砹型， 采用判断的方法求解和调整配料比。 硕 学f 论史 过理帆评分 斤0 艇机优化方案 ( 3 ) 以成本为目标，建立最优化的数学模型求解配料比。 2 6 烧结配料优化设计思想 经过对配料烧结过程以及存在的主要问题的分析，烧绐配料的优化控制，上 耍分为两个步骤完成，即建立化学成分预测模型肝建立调整配比的家舰则，对 于各个成分预测模型，都有相应的专家规则进行调整。 ( 1 ) 成分预测模型 烧结矿的化学成分是用饮品位7 n 和碱度r 束表示的，其成分取决于混合 料的铁品位、s i 0 2 和c a o 的含量；混合矿的化学成分取决丁中和矿、返矿、溶 剂、圆体燃料的相应成分与配比；中和矿的成分取决于各种铁矿石的成分与配比。 因此，成分预测模型分为以下二个： 1 ) 中和矿成分预测模型 用单种铁矿石的成分指标与配料比，建立中和矿的成分预测模型，预测中和 矿相应成分指标。意义在于枪验采用一定的铁矿石配比后，中和矿成分指标足否 满足要求。中和矿的成分指标足根据混合料的成分要求和矿石价格因素足6 d 决定 的。 2 ) 混合矿成分预测模型 用中和矿、返矿、溶剂和固体燃料的成分指标和配料比建立混合矿成，jj 、；： 预测混合矿的成分指标。意义在于 验将返矿、溶剂和固体燃料和中和矿按一定 比例混合后，混合矿足否满足成分要求。混合矿的成分要求足根据烧结矿的指标 确定的。 3 ) 烧结矿成分预测模型 将混合矿的成分指标输入烧结矿成分预测模型，用于预测烧结矿的成分指标 铁品位t f e 和碱度r 足否满足烧结矿的要求。烧结矿的成分要求足厂家根据后 续生产需要来制定的，一般是不会作出改变的。 ( 2 ) 专家优化配比方法 成分预测模型的功能在于检验指标足否恰当，配比足否合理。若是合理，则 表明配比足可取的；若足不合理，则应找至u 到底是中和矿或足混合矿的成分指标 制定得不合理，应该怎样调整参与配料的原料。因此，配车、 亡家规则也要分为二 个部分。 1 ) 单种铁矿石配比调整专家规则 根据争家经验和单种铁矿石对中和矿成分的影响的定性分析，建立雏种钦矿 石配比调整专家规则，并给出定量调整公式。蔚足中和矿的成分不能满足混合矿 的耍求，就按照规则调整铁矿石的配比。 硕i 学 奇沦z过程符l 珲分忻0 吣优化方案 2 1 中和矿和作饮原料配比调整专家规则 根据号家经验和中和矿、非铁原料对烧结矿成分的影响的定性分析，建立中 和矿和1 e 铁原车 配比调整专家规则，并给出定量调整公式。若是烧结矿的成分不 能满足要求，就按照规则调整中和矿和1 e 铁原料配比。 3 1 优化铁矿石成本 由_ 烧结矿的成本大多束自于铁矿石，因此以成本为目标，成分为约束，建 立线性规划算法，最优化烧结矿成本。 厂 l 成分扎标 焉烧结矿成分 。惑l j i 图2 4 基于成分预测的配料专家优化方法设计图 经过以上分析，建立如图2 4 所示的鉴于成分预测的配料专家优化方法设计 框图。它的工作原理为：根扼要求的成分指标，利用配比调整专家规则，结合优 化算法束设定配料比；将设定的配比输入成分预测模型，将模型的输出与期望指 标进行比较后再与家规则进行对照，看配比是否满足要求，如果满足则输出配 l 匕，否则利用专家规则修改配比，直到配比满足规定的要求。图中，成分预测模 型足可以进行修正的，修j f 的依掘足预：4 值与检测值之麓。 2 7 小结 本章通过对配料烧结过程的机理分折，指出了现有配料过程所存在的问题， 为从准确性和稳定性两方面解决配料优化问题，提出了建立基了：成分预测模型和 配比优化专家规则的智能算法。 舀 唇蓄 冒 1 ： 圆 1 ： 峄l l l 硕p 学位论芷化学成分盱矾筷掣 第三章化学成分预测模型 烧结过程足一个复杂的，高度 线性的物理化学反应过程。f i j 丁检测手段的 限制，化验烧结矿的化学成分，加上烧结过程的时问，大约需耍两个小时。这样 k 的检测时间，使得检测得到的数据失去了实h ，指导! 】三产的意义。因此，建立，f 效的化学成分预测模型，使得预测数据与实际数据尽可能的一致，则可以使用预 测值代替实际数据，用于实际生产的指导。而用实际的数据不断修正预测摸型的 参数，提高预测模型的精度。烧结矿的化学成分足用铁品位t f e 和碱度r 来表 示的，其成分取决f 混合料的t f e 和s i 0 2 和c a o 的含量；混合矿的化学成分则 取决f 中和矿、返矿、溶剂和燃料的成分和配合比；中和矿的化学成分决定f 单 种铁矿石的成分和配比。因此，预测模型可以分为三个部分：酋先足从尊种铁矿 到中和矿的成分预测，然后从中和矿和溶剂等到混合料的成分预测，最后足从混 合料到烧结矿的成分预测。 3 1 中和矿成分预测模型 烧结厂采用的铁矿石品炎很多，束自因内和国外。铁矿石的价格会随着产量 和储量波动而变化，而随着铁矿石的价格冈索的影蚋，近年束许多烧结厂减少了 国产精矿的使用，而大壁采用进口矿。将不同产地，不同品位的铁矿石按一定比 例涩合就形成了中和矿。为了满足后续尘，r 的要求，剐于中和矿的成分也必然会 有一定的要求。因此彳必要对中和矿的成分进行预测。 预测成分变量的选择：单矿的成分很多，主耍成分足铁，微黾成分如硫，磷 等。烧结矿的品位t f e 主要束自中和矿的铁，中和矿的碱度( c a o s i 0 2 ) 会影响到 烧结矿的碱度，中和矿的m g o 对烧结矿的冶金性能有一定影响。由f 微星元素 含量很小，而且部分会在烧结过程中除去。因此选择四个变量作预测变量：f e ， c a o ，s i 0 2 ，m g o 。 设置是各种原料的配比。用7 r ，r v 表示中和矿的铁品位和碱度，而t f e 。、 s f 0 2 v 、c a o 、m g o 表示预测值。t f e ，s i 0 2 , ，c a o , ，m g o , ( i = l ，2 。m ) 表示各铁矿石中的成分百分含键。从铁矿石到中和矿的过程，只有物理，叟化，各 化学成分指标具f 可加性，则中和矿的预测成分可以表示为： 旦 t f e = t t f e + a t f e ( 3 - 1 ) 硕 学位论文化学成分预测模掣 + a s i 0 2 v = c a o , + a c a o