（控制理论与控制工程专业论文）密闭鼓风炉熔炼过程透气性预测智能集成建模研究.pdf

摘要 透气性指数是反映密闭鼓风炉生产状况的重要参数透气性的好坏直接影响到密闭鼓 风妒的产量由于遗气性的装动常常引起鼓风炉炉况的波动而每次炉况波动都会造成较大 的损失所以准确预测密闭鼓风炉的透气性对于提高密闭鼓风炉的产量具有重要意义 铅锌的熔炼过程是一个非常复杂的多元多相高温物理化学过程，其问存在很多难以定 量的因素井且赡以获棚皇适时的检测信息从而抉定了透气性的预测建模不能使用常规 的建模方法灰色模型是一种变参数而不变结构的自适应系统但灰色模型仍然为线性模型， 因变量和自变量之间存在着非线性关系或者说这种关系还来知在系统数据波动较大时可能 导致其发展系数较大，用其作预测时精度不高：人j ：神经网络作为一种智能化建模方法，具 有任意逼近非线性的能力、对复杂不定性闯题具有自适应和自学习能力和较高的精度等优 点但典型的b p 网络算法存在收敛速度慢，训练耗时因而不能跟上系统的参数的变化- 在实时性方面根能满足系统的要求。为了把各臼为战的方法积累的知识集中到一个基于知识 的智能集成系统之中本文在基于均方差最小的前提下将灰色预测法和肝神经同络预测法 有机结合起来提出了一种自适应并联集成模型通过采用数据的滚动以及多线程技术的应 用，实现了模型的在线修正编制的预测软件成功戍h 1 丁现场生产中应用的结果表明预测 的结果能够满足现场应用要求的精度，验证了所采_ l j 的建模型方法的有效性和实用性，预测 结果可以用来指导生产。 论文的第一章简略介绍了密闭鼓风炉铅锌熔炼过程的存在的问题：第二章介绍了l s p 熔炼过程的机理知识。重点讨论了影响透气性的关键因素及其现在的控制状态；第三章提出 了基于灰色理论的透气性预测模型；第四章提出了基于神经网络方法的透气性预测模型；第 五章建立了基于灰色理论和神经网络理论的透气性的综合模型：第八章介圣 了预测系统的实 现；文章最后进行了总结井给出了进一步的研究方向。 关键词：熔炼过程：灰色理论：多元线性同j n ：神经网络：集成建模：透气性预测： a b s t r a c t 1 1 臀弘婀n e 童m i i 啦j nl l l cz i n c - l _ 一s m c i t i n gp r o c e s so fl m p c a is m e | t i n gf u m a c e ( 1 s f ) i s 卸 i m 舯删啊i m 珊贯血- 酬i i - 坼曲e p | 喇峨t i 帅咖惦t h c n w m 砒i n g 雕椰洲i i l yo f k n 娜 u n 蛐出l cp | o d i _ c t i 肌，w h i c h l d s t oa g r t i o 豁t h ea c c u r 砒cp r e d i c t i o no f t h e p e m b i i j t y i n t l l e i m 咖i is m d 痂嗨f i 耵i _ i ss i g n 讯c 蚰t 幻i n c 瞎a t i l eo u t p u to f j s f t k 乃t 睁l e 辄d 岵鸭si s 坩l y 盯i p n 倒豫晴咖yu 眦甘嘶nf h 呻嘟c 帅tk p r e d i c t e d ni sd i f f k u nt og a i n 吐哺p r i i n f b m l a t i o no fm 髓s u r n g w h i c h 陀s u bj n 山越t h c g e n c m lm d m o d sa nu n mt op r e d 衙t l ep e m e a b i t y t h eg 化yt h e o r ym 0 d c l i sa 辩i f a d a p 协b l e s y 咖mw 曲t h ew 晡a b i ep 种e r 舯dt h ei n v a r i a b i es t 九j c t u r e b e j n gai i n e 盯m o d e l ，j li sn o t 麟u 雠b p f e d i c tw h 朝t | l e i a t i o nb c h v e c nt h ei n d e p e n d e n tv 撕a b l ea n dt h ed e p e n d e n tv a r i a b f e i s 帅k n o w n 蛐dt | l ed a b 玎u c “i m o u s i ya sa ni n 蚓l i g e n tm o d e i i n gm e t h o d ，t h en e u r a i n c 附o r kh 船t | i ea d v 锄t a g eo f9 0 0 da b i l i t yi os i m u l a t en o n l i n e 盯ly t h es c i f a d a p t a b i ea n d 辩l 仁妇m i n g 丑b i i i i y 幻m e m p i i c a t e d 卸du n c e 呦j np r o b i e m 狮t hs i o wc o n v e q 弘n c c ，t h c “擘。砌 mo fh j n i 唱i nt y p 髓lb pm o d e i i st i m ec o n s u m i n g w h i c hr 鹳u n s nt h 玳t 1 1 cn e u 刚 n 撕 m o d e i 咖t 硎s 母t h er e 叫t j m er 嘲u ；r e m e n fo 九h es y s l e m s o ，卸i n t e l i i g 翎ti n 嘲卿酣 m o d c l i se s t a b i i s h e db a s e do ng r e = yt h e o 叮m 0 d e la n dt 1 1 en e u r a in e l w o r km o d e l b yt h em e 卸so f 曲bu p d 砒i n g 粕dm u | t t h 嗍dt 睇h n i q u e ，t h ej n t e g m i e dm o d e l i s l f m o d m e do n - l j n e t h e s o r w a 陀p r 眦t i c a | l y n so nt h es t es u c c e s s f u l l hw 1 1 i c hp r o v e st h a tn o to n i yt h e 陀s u i lo ft h e p 同i c 6 0 n 咖s 缸i s 母t h ep 眦i s i o nw h j c hi s 忙q u i r e dt og u ；d et h eo p e r a t i o no nm es i t c ，b u ta i s o t i i ei 胀留随t e dm o d e i i n gm d h o di sp 眦t i c a i ，e 忭e c t i v et 0t 1 1 e 姗e i t i n gp 眦e s s 1 k 瞄卟o ft h e p n 。d i c 6 c 舶b eu s 酣沁斟i d e 曲ep 门虻t i ip r o d uc l j 咖 t h ep a p e ri so r g a n i 髓d 鹊f o i l o w s 1 nc h a p t e rit h ee x i s t e dp r o b i e ma r eb r i c n yi n t r o d u c e di n t h ep m s so fi s pz i n c l e a ds m e l t i n g i nc h a p l e r2n l em e c h a n i s mk n o w l e d g eo fl s ps m e n g p r o c e 豁w i t hc m p | i a s i so nt h ek e yf 缸t o r st 0t h ep e n n e a b i l i t ya n dt h ep r e s e n tc o n t m is t a t u sa r e s n i d 剐1 nc h 印时3t i i em o d e i 衙t h ep r c d 训o no fp e 肿e a b j i j l yb 柳do nt i l eg r c yt t i e o r yi s 嘲b s 嘲mc h p 鼢4t h en 叫r a jn d w o r km o d e i i sp p o s e d 1 nc h a p t e r5 加i 岫智t t e dt i m d e i s 畔e 删w h i c hi n i e g 哺地sw 柏l h em 0 d c i g 陀yt i h r y 舯dt h em 0 d e l - n e u m ln e i 、v o r k i n c 哪时6t i ed 船i 虮柚da 即i i c 舭i o no 九h ep r 酣c ts y s i e mi sp r c s c n i e d c h a p t e r7c o n c i u d e st h e 芦p e r l i i d 嚣嘲sm ef i i m 陀佗9 曲陀h 1 畸w o r d s ：姗e n gp 眦璐，g 陀yt 1 1 e o r yi n o d e i ，m v a r i a | ei i n e a rr e g r c s s i o n ，n e 啪in c t w o 一( ， n t e g r a t e dm d e l ，p e n 悯b i l i 哪p f l e d i c t i o n 中南大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1i s p 熔炼过程的特点和存在的控制问题 1 1 1i s p 铅锌冶炼方法 密闭鼓风炉铅锌冶炼工艺 1 2 即i s p ( 1 m p e r l a 】s m e l tp r o c e s s ) i 艺为英国帝国熔炼公司推 出的专利技术，是近代火法炼铅锌的先进方法之。这种方法的工艺优势在于在同一冶炼过程中冶 炼铅锌两种金属，现在已经为世界上f 多个国家所采胴，产量 世界锌总产量的2 0 9 6 左右。1 9 6 0 年第 一座密闭鼓风炉在英国阿旺茅斯正式投产以来，世界上1 2 个国家共有1 5 座密闭鼓风炉，其中两座在 我国的韶关冶炼厂。 1 1 2 韶关冶炼厂的i s p 过程生产概况 韶关冶炼厂是岭南铅锌集团公司r 属的国有人刑有色金属冶炼生产企业生产经验丰富，技术 力量雄厚。韶) 乏冶炼厂于1 9 7 5 年正式投产至今已二十多年。在第一座鼓风炉达到设计能力的基础 上韶关冶炼厂二系统又于1 9 9 6 年投产。其中经多次技术改造，装备水平和生产能力均有很人提高。 特别是在1 9 9 7 年完成技术改造项目以后，烧结、鼓风两大主体生产下问均采f j 了集散型控制系统 d c s 和可编程控制器p l c 。其中一系统中烧结车间采用日本横河的y e w p a c k l i a r ki i 集散型计算机控 制系统( d c s ) 和美国m o d i c o n p c 9 8 4 4 8 0 可编程控制器( p l c ) ，实现了烧结过程的自动控制和参数 的自动检测：熔炼车间采用y e l i p a c k 的换代产品一ux ld c s 系统实现对鼓风炉的工艺参数的自动 检测，并采用p c 9 8 4 6 8 0 完成了鼓风炉自动 料咀及风鼍等参数的自动控制。在：系统，烧结和熔 炼车间均采用ux ld c s 系统和p c 9 8 4 系统。这些系统的实施，为密闭鼓风炉烧结熔炼过稃的建模研 究提供了丰富的现场数据。 从韶关冶炼厂的生产实际来看，尽管其d c s 控制已有很好的基础但从控制的角度出发： ( 1 ) 现场检测仪表检测到了大量的数据，但是这些数据全是鼓风炉外部的数据，这些数据也只是 作为简单的生产统计和操作指导，并且这种指导是很粗略的和严重滞后的经常造成炉况 的波动，影响生产的正常进行。 ( 2 ) 已有的集散控制系统仅仅实现了各个参数的控制，并没有将各个参数综合起来考虑：加上冶 炼过程的复杂性难以用传统的数学模型描述人| 1 操作及参数的设定大多是凭经验实现， 无法实现生产等过程的优化控制。 ( 3 ) 鼓风炉内部的参数没有检测而鼓风炉其他部位的气体含量、温度分布、压力分布等重要 数据无从检测，整个密闭鼓风炉内部反麻很人群度i ：处丁未知状态。 由于上述问题的存在，虽有部分参数实现了独直的控制但是铅锌生产过程仍停留在初级自动 化阶段，自动化带来的效益很低阻鲥了铅锌产品的产量和质量的提高。 中南大学硕十论文 第一章绪论 l _ 1 3 熔炼过程控制中的控制问题和急需解决的问题 熔炼过程炉内反应非常复杂影响冈素也很多，并且内部数据榆测困难，可测可控的过程参数 并不很多，整个密闭鼓风炉内部反应基本卜处丁未知状态。熔炼过程晟关键的问题是如何维持炉况 稳定和透气性良好减少因为炉况波动而造成的损失。由于鼓风炉生产的特殊性和对它研究的不够 没有科学的模型供操作人员使用。操作人员一般根据现场的观察结果，凭经验指导生产- 缺乏科学 的指导依据控制具有盲目性、主观性和滞后性，冈此并不能很蚶的控制鼓风炉的生产。 由上面的分析可以得知鼓风炉熔炼过程急需解决的问题是： 1 鼓风炉炉内检测参数较少，不能实时跟踪鼓风炉熔炼状态； 2 熔炼过程反应的复杂性、强耦合性和严重的非线性，难以h | 传统的数学表达式描述冈而 对鼓风炉熔炼过程的控制，缺少科学的理论依据： 3 炉况调整操作的滞后性和盲日性不能保证炉况的真止稳定。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 国外研究的现状 有色金属冶炼过程自动化控制技术在8 0 年代有民足的进展。这一时期国外许多冶炼企业已采用 先进的智能仪表或集散控制系统来实现生产过程的白动控制。如澳火利弧的里斯登电锌厂采j j f 0 x b o r 0 的s p e c 2 0 0 过程装置，对炼锌过程的沸腾焙烧i ：艺进行控制采用k e n t 的智能单回路调h 器对锌浸出及过滤等】：艺进行自动控制；加拿人科明科一特雷乐电锌厂采川h o n e y 忱l l 的t d c 一2 0 0 0 集散系统和i 删1 8 0 0 上位机系统对焙烧、浸及制酸1 艺进行自动控制；意人利维斯姆港电锌厂采 用f i s h e r 的p r o v o x 集散系统与s l c m e n s 的s i m a t l c 系列p c 机对焙烧、浸山及制酸等上艺进行自 动控制，并用h p 3 0 0 0 计算机作为过程级的l f f 7 ：监控0 管理机。这些集散控制系统实现，有色金属冶 炼过程中过程参数的单回路稳定控制。 国外在i s p 工艺过程的模型和优化疗向做了很多l ：作同时已有一些通过优化控制鼓风炉增产 增效的例子。关于i s p 过程的数学模型研究进彳了j f1 0 多年，取得一定的成果。如日本八户在8 0 年 代探讨建立了i s p 生产过程各种参数模删，根据烧结机混合水分与透气性曲线，控制，烧结块的水 分。美国h h 凯洛特教授提供的数学模型曾对阿旺茅斯、杜依斯堡、靠纳罗砸三座i s p 炉的止常操 作条件做过预测达到了一定的精度。欧洲金属公司与金属矿产研究院合作研究了法国谱耶尔一高 督的i s p 炉的操作条件模型，按此操作条什对t s p 进行规范化操作，取得了显著的效益。 法国谱耶尔高督的密闭鼓风炉熔炼生产过程基于操作条件模型，实现密闭鼓风炉铅锌冶炼 生产的规范化操作使密闭鼓风炉的产茸增加了1 0 。日本八户根据铅锌鼓风烧结机内混合水分与 透气性的曲线自动控制烧结混台料的水分晟终使烧结块产耸增加l 2 。德国杜伊斯堡的密闭 鼓风炉铅锌冶炼生产厂家通过确定最佳的烧结块和焦炭粒级分布，改善了密闭鼓风炉的透气性，稳 定了鼓风炉的生产，可延长鼓风炉休风周期l 周芹n 。 目前，国外有色金属t 业过程自动化已达到一个较高的水平。事实说明：自动化技术科有色金 属生产过程中综合集成应用，对于提高产馘、质颦，降低成本、能耗提高劳动生产率，改善环境 污染等方面具有显著的作用。 中南大学硕士论文第一章绪论 1 z 2 国内研究现状 我国有色金属大中型骨干企业的生产i ：艺技术已达到或接近世界较高水平，然而在计算机过程 控制、自动化技术装备方面，则与世界先进水平差距较人。尽管我国某些大中型骨干企业已采用d c s 集散控制系统，但由于缺乏先进控制和优化技术的支持这些系统仅仅取代了原有i i i 型仪表，远 没有发挥集散控制系统的作用。 由于有色金属冶炼过程反应过程异常复杂，影响因素众多生产目标难以直接控制等特点国 内关于有色金属冶炼过程优化控制的研究i ：作尚在探索中，其中研究较早的是基于机理模型的离线 指导操作优化如由日本全套引进的贵溪冶炼厂铜闪速熔炼过程和自行开发的金川镍闪速熔炼过程 3 这种控制手段属于优化控制的初级阶段，研制周期长，移植性若。日前已有学者进行了基于 n n 的有色金属冶炼过程稳态优化控制研究 4 ，但这仅是对复杂过程描述的一些尝试离实际l ：业 过程优化控制的实现目标尚远。因为对丁一一个实际的复杂t 业生产过程，特别是有色金属冶炼过程 过程反应机理异常复杂、参数多且关联耦台严重，所包含的信息有定性、定每、f 定量等多种模态， 单一的n n 、专家知识、机理模型无法准确的描述一个实际1 业生产过程同时单一的传统优化方法、 进化优化方法或专家优化方法也无法完成任务，这需要多个技术的结合与集成。这在一些复杂生产 过程的控制系统中已经有了成功的应h 】。 就i s p 而言，由于国内开展t 作较晚。对丁鼓风炉各个运行参数之间，生产目标与i ：艺参数之 间的关系缺乏研究。尽管现场有了比较先进的计算机控制系统但缺少和先进的控制理论相结台。 例如韶关冶炼厂熔炼过程实现了： ( 1 ) 焦碳预热器、热风炉、鼓风炉1 艺参数的相互监视： ( 2 ) 热风温度控制： ( 3 ) 焦碳预热器燃烧室温度控制、排料口微止压控制、空气煤气比例燃烧； ( 4 ) 鼓风炉炉顶温度控制、料钟压力控制： 尽管每个控制回路都获得了较满意的控制性能，但由丁对铅锌冶炼过程全面系统的研究尚不够 充分，没有在整个系统范围内将这些单同路的控制有机地结合起来，不能使 i i 个系统运行丁晟佳状 态。 总而言之，我国在有色冶金尤其是i s p 的控制研究方面，落后r 发达国家水平。对l s pl ：艺而 言 5 我们要研究适应于我国i s pi 艺过科的控制模弛迫切需要实现炉内参数的软测茸、故障诊 断、信息决策与管理等一系列荚键技术的开发。这些关键技术有望提高有色金属企业的综合白动化 与信息化水平增加企业的市场竞争能力。 1 3 课题的提出及研究方法 1 3 1 课题的来源 目前国内大多数有色厂矿企业已采h jd c s 集散控制系统，包括韶冶在内的一些企业通过技术改 造已经达到较高的自动化水平t 但由丁有色金属冶炼过样反应机理异常复杂过科控制参数与生产 目标之间的关系难以确定，从而无法获得合适的优化控制策略d c s 系统的控制参数设定和调整仅 能依靠经验进行，这人人影响了先进的臼动化系统充分发挥其作。 中南大学硕士论文 第一章绪论 目前国外已出现了一些著名的实时控制与优化软件公司，如a s p e m e c h 公司蹦cp l u s 公司 h o n e y w l l 公司s 盱p o i 舸公司等，它们主要针对z i 油化7 ：行业设计了许多实用、有效的软件包。 但这些软件包都非常昂贵国内一些生产企业为实现生产过程优化，常常要花数十万以上美金引进 国外优化设定技术及相应的软件。同时我国企业中普遍存在生产原料、生产环境多变情况难丁 很好投用这种过程优化控制。为此我国的科技工作者在国家计委“九五”攻关支持下，针对石化 工业积撮开展了优化控制及相应软件的研究开发l ：作。而我国有色金属冶炼行业。相对于石化1 ：业 而言其优化控制及相应软件的研究开发1 ：作起步要晚规模较小为此进行复杂有色金属冶炼过 程的优化控制研究开发具有自主版权的专有技术的建模软件和优化软件，将有望解决我国有色金 属冶炼行业优化控制这一重大关键问题。节省人量外汇为有色金届冶炼行业带来显著的经济效益。 正是在这一前提下，受国家计委高技术产业化示范f ：程“岭南锚锌集团密闭鼓风炉故障诊断系统” 的资助，本课题进行透气性的智能集成建模方法及其在i s p 熔炼过程控制中的应用研究，实现透气 性的在线预测，为炉况的稳定提供指导依据，从而提高企业的产颦。 本课题以i s p 铅锌熔炼过程为背景，期望通过多学科理论与技术的集成融合。研究i s p 熔炼过 程的透气性指数的预测的模型探讨复杂j ：业过程的集成建模技术与方法，将先进的科学理论应剁 于生产实际为生产实际服务为企业带来经济效蔬，提高我国冶金行业的白动化生产水平。 1 3 2 课题的提出及意义 i s p 熔炼过程的最重要环节是要维持鼓风炉炉况的止常和稳定。鼓风炉透气性是影响炉况的最 重要因素它的好坏直接影响到鼓风炉的加科昔，从而影响到鼓风炉的产量从这一点来讲，要想 提高鼓风炉的产量，就必颁控制好鼓风炉熔炼的透气性。影响鼓风炉透气性的冈素很多肝且符个 因素之间存在严重的耦合，常规的预测方法不能有效地解决透气性地预测问题。例如，不同的加料 批重可以使炉料在鼓风炉内形成不同的分布，可以政变炉内的气体分布以及软融带的形状，软融带 的形状反过来又可以影响到鼓风炉的透气性和炉况，而透气性的好坏义影响加料的批重，可见它们 之间相互耦合的严重性。目前韶关冶炼厂对透气性的判断都是根据人i ：经验进行，调节鼓风炉透 气性的手段单一，也没有根据现在的炉况预测求来炉况的变化趋辨，这直接制约了生产水平的进一 步提商。只有建立鼓风炉透气性的预测摊刑克服操作的滞后性才能科学地控制蚶鼓风炉的透气 性，提高密闭鼓风炉的生产产量。 为此本文以“密闭鼓风炉熔炼过程透气性预测智能集成建模研究”作为课题进行研究。通过 建立透气性智能集成预测模型，根据现场的实际情况，在线预测透气性的变化趋势，为在线优化鼓 风炉透气性提供操作指导不但可以使鼓风炉加料姑增加稳定鼓风炉炉况，减少休风和停炉的时 间提高生产产量- 促进熔炼过程的白动化水平的提高而且可以延艮鼓风炉的寿命。 鼓风炉熔炼过程各运行参数与状态参数以及目标参数之间的关系十分复杂，是一个典型的强耦 合、大滞后的非线性过程。对于非线性过程，传统方法是围绕过程作川点将过程模型线性化。显然， 传统的方法对于工艺流程复杂、具有慢时变、分布参数、非线性、人时滞特性，难以精确描述数学 模型的对象难以获得满意的结果：如果采刚传统1 ：业过程建模方法即机理建模和基丁系统辨识的建 模方法- 也很难建立精度较高的模型。机理建模是对过程的严密描述在很人程度上依靠科研和i 程开发人员对实际工业过程的理论和化学、物理过程原理认识。由丁实际过程的复杂性和不确定性， 对于1 二业过程建立严格机理模型十分幽难所花费的时间和资金很多。系统辨识在确定模型类的情 况下根据输入输出数据直接得到模州建模过程容易但刚丁仆线性系统辨识的模型类无法满足 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 千变万化的非线性过程因此用于非线性一l ：业过程建模的精度不理想。 传统的预测方法有时间序列方法，同门分析方法等它们都取得了不同程度的成功。但是这些 方法都存在着一些缺陷，其中时问序列方法不易考虑进炉原料性质的影响回归分析方法存在如何 确定合适的回归方程的问题。长期以来，国内外学者在不断寻求更好的建模方法。直到人。r ：智能出 现后，复杂工业过程模型化研究才有所突破。人j ：智能经过四十多年的发展己开发出许多相关理 论和技术，如专家系统、神经网络、模糊技术币遗传算法等技术这些技术已渗透到其它各个领域 并获得成功的应用 单从实际的应用而言专家系统 7 8 存在知识获取的“瓶颈”，只能在相当窄的专业知识领域 内求解专家问题，推理能力弱、智能水平低。模糊技术也存在知识获取的“瓶颈”同时这种方法在 确定规则效、模糊隶属度函数等时需要有效数据的附加信息或先验知识而这些信息有时并不容易 得到。神经网络是一种黑箱模型，模型不具透明性不能揭示过程的机理，另外，神经网络对训练 样本的选择和需求量人当输入较多时网络结构复杂，网络训练耗时收敛速度慢。 1 9 8 2 年邓聚龙 6 提出灰色系统建模方法，将原始数据进行累加处理，使原来离乱的数列( 灰 色数列) 变得比较有规律然后建立系统的模型。灰色预测控制是通过系统行为数据，寻找系统发展 的规律按照规律预测系统未来行为根据系统朱米行为采取控制决策进行预控制。这样，能够控 制及时提高适应能力。灰色预溯控制具有以f 特点：1 ) 简单易行。只需很少的数据即可建摸模 型是一种变系数不变结构的模型，利丁微机实现；2 ) 鲁棒性好。当参数变化和系统大延迟以及对 象复杂时仍能收到较好较果。3 ) 灰色系统建模不需要人量的数据，计算量小，尤其适台各种预报， 因而得到了非常广泛的应h j 。但是，基i ：灰色理论的模型住系统参数波动较人的情况f 预测的精 度较低。 由上所述可知，人i ：神经网络能够建立任意1 r 线性的模刑井适1 ：解决时间序列预报问题( 尤其 是平稳随机过程的预报) 神经网络在处理非线性、不确定性方面具有优势可以j f | 来拟合复杂过科 中的非线性关系；而灰色理论是基】：事物发展的内部规律来进行建模它反映了事物发展的内在冈 素。对于存在非线性、不确定性、人时滞、参数分布性利时变性以及强耦合性等复杂内在机理的l 。 业过程但是这两种预测方法并存在定的缺点，预测的精度不高。为了弥补单个预测模刑对r 预 测问题的片面性充分利用各个模型的优点，本文提出了集成智能建模的方法，建立了基丁神经网 络理论和灰色理论的透气性集成预测模型。通过离线仿真和模删的现场运行结果表明了模型的实 用性和该建模方法的可行性。 冈此，针对鼓风炉熔炼过程是一个非线性、不确定性、人时滞、参数分布性和时变性等复杂内 在机理的1 ：业过程特点在本课题研究中首先通过过程机理分析确定熔炼生产过程的目标、操作 参数和状态参数和生产边界条件等要素。再根据冶金工艺知识、操作人员的经验和生产过程数据 采用包括神经网络、灰色理论在内的智能化集成建模技术建立透气性的预渊模型。并且能够根据新 的生产情况实现模型的在线修正。根据当前的生产条件和以前时刻的历史数据和已建立的透气性预 测模型我们可以预测。f 一时刻的透气性指数的人小，操作人员可以根据预测值的大小提前采取措 旌来控制炉况这样- 就可以克服原来的操作制度的滞后性，真止保持炉况的稳定，保证生产的止 常进行。 中南人学硕i 。论文 第一章i s p 熔炼过程机理分析 第二章i s p 熔炼过程机理分析 密闭鼓风炉炼铂锌工艺是当前火法炼铅锌的先进技术是铅锌冶炼的主要方法之一。深入研究 密闭鼓风炉炼铅锌熔炼过程的机理，是熔炼过程透气性预测及其控制的前提条件。本章主要介绍了 i s p 工艺、熔炼过程、影响熔炼过程的重要参数以及熔炼过程的控制现状。通过对熔炼过程机理的 研究，分析了影响透气性的主要因素 2 1 鼓风炉熔炼过程工艺介绍 熔炼过程是整个钳锌生产过程的土要过挫，只有熔炼过程顺利进行，才能保证相锚和扭锌的j l 常生产，因此熔炼过程是否顺利进行，是能否提高整个i s p 生产产龉的关键所在。 2 1 1i s p 工艺流程简介 铅锌混台精矿 图2 1 密闭鼓风炉铅锌冶炼i s p 过科l ：艺流桦 密闭鼓风炉铅锌冶炼生产过程( i s pl ：艺流程见幽2 1 ) 主要包括两个部分，即烧结与熔炼过样 前者以烧结机为主体。后者以鼓风炉为主体。i s p 过程的物理化学反应十分复杂，撵作条什比较严 格入炉物料的配比要求也非常精确，是典型杓复杂连续生产过程。 6 中南人学碗十论文第二章l s p 熔炼过程机理分析 i s p 工艺过程：当经过浮选的硫化铅、硫化锌精矿或硫化铅锌混合精矿进厂后先进行干燥，去 掉多余的水分。然后与烧结机返粉、撕灰t i 等物料按一定比例混合制粒送入烧结机进行烧结成 为具有一定强度和透气性的烧结块。烧结块经破碎筛分，筛选出一定大小的合格烧结块送密闭鼓风 炉。即i s f 炉( i m p e r i a ls m e l tf u r n a c e ) 进行熔炼：不台格的烧结块再经冷却、破碎作为烧结配料 的返料使用合格的烧结块需与预热到8 0 0 左右的热焦按一定的碳锌比遵循一定的加料方式加入 密闭鼓风炉熔炼。从鼓风炉的风口鼓入8 0 0 以上的热风，炉料在高温下进行反应。星熔体状态的铅 与炉渣定期从炉子的底部排出，进入电热前床进行分离，从捧铅口直接得到粗铅( p b 9 8 ) ，其中也 包含了金、银等贵金属粗铅经电解而虽后得到精铅( p b 9 9 9 9 5 ) 炉渣送烟化炉处理同收其中 的有价金属。鼓风炉还原产生的锌蒸汽从炉项进入冷凝室，经冷凝后得到租锌( z n 9 8 ) ，再经蒸 馏精炼最后得到精锌( z n 9 9 9 9 5 ) 。从电热前床放出的炉渣还含有一定的锌，经烟化炉处理可获 得次氧化锌。鼓风炉炉气( 亦称低热值煤气) 经过洗涤过滤后送余热电站做燃料使_ l f ；i 。含硫的铅锌 精矿在烧结过程中产生的s o ：烟气，送入制酸系统生产硫酸。 i s p 过程具有以下特点： ”：【艺流挫长，具有人滞后特性： 2 ) 过程机理反应复杂( 同、液、气二相共存，存在物理化学反应、生化反应、相变反应及物质1 f | j 能量的转化与传递过程) 具有时变、1 f 线性和强耦合特性建立基于物质、能量守恒的精确机 理模型十分凼难： 3 ) 生产用原料复杂，成分不稳定，生产边界条什变化剧烈，此问题在我国尤为突山： 4 ) 生产过程中许多l 艺参数，如化学反应的组分、反应温度等难以实时准确测培影响过程控 制效果： 5 ) i s p 过挫的生产j ：艺条什和操作参数与生产目标的芡系复杂，而产成品中的某些质姑指标( 如烧 结块成分、烧结终点、透气性等) 难以实时测量或直接控制。造成指标波动性较人。 i s p ：艺的优点： 1 ) 能同时冶炼铅锌以一个系统代替了一般的炼铅锌两个独立系统，简化了冶金l ：艺流徉，建厂 占地面积小，设备台数减小投资较省。 2 ) 对原料具有广泛的适应性，通过配料，烧结或h ；团，除能处理典型的铅锌精矿外，还能处理湿 法炼锌不能处理的锌钳混合精矿，湿法炼锌或传统炼铅法难以处理的不纯锌精矿平铅精矿低品 位复杂精矿以及各种含锌铅的二次物料。 3 ) 铅是在不额外消耗焦碳的条件下可以得到，因此生产每一吨金属消耗的燃料和生产成本比其它熔 炼方法低。 4 ) 该法直接加热冶炼设备能力不受限制，可以在生产能力人的设备内进行人规模的生产，有利j ： 实现机械化和自动化，提高劳动生产率和热效率。 5 ) 余热利用好鼓风炉煤气经洗涤后。可川丁预热空气和焦碳干燥精矿和发电。 6 ) 可有效地回收有价金属如金，银铜，镉等。 然而在生产实践中也显山些不足之处： 1 ) 需要消耗数量多质量高价格贵的冶金焦碳。 2 ) 对技术条件要求比较高。生产过穰中需要热焦，热风，热烧结块。且对烧结块的物理规格化学 成份要求都很严格，特别是烧结块的残硫要求低丁i1 使烧结过挫控制复杂。 3 ) 炉内和冷凝器内难以避免结瘤需要定明清理，劳动强度人。 4 ) 生产山的粗锌含铅比较高，含锌为9 8 7 9 9 5 必须进行精炼才能得到合格产u i 。 中南大学硕十论文 第二章l s p 熔炼过程机理分析 从i s p 的生产特点和现状可以得知为了实现增加产量、提高质量、减少能耗和改善环境等日 标，迫切需要运用先进控制技术实现自动化，从而获得最火的效益。 2 1 2 熔炼过程简介 粗钳 | 堇i2 2i s p 熔炼系统框图 机 i s p 的熔炼过程 2 是采h ji s f ( i m p e r i a ls m e l tf u r n a c e ) 作为熔炼炉，它与高炉相比有一个 显著的特征是它是在一个密闭的炉f 里完成金属的还原反应升且可以同时还原陌种土要的金属 铅和锌。i s p 系统框图如幽2 2 所示。直升烟道俗称为方箱方箱内的压力扫：料钟加料时其压力是 否同零的这种现象可以作为判断炉喉是否结瘤的一个标。占。炉顶南北两探料杆的信号没有采h j 计算 机自动采集，而采_ l l 】人：l ：采集的办法通过电话传送剑控制仪表室。 密c j j 鼓风炉熔炼：j ：艺图如下圈2 3 所示。 铅锌密闭鼓风炉熔炼是用冶金焦碳作为还原剂的还原过群它币f 锃 鼓风炉熔炼相似义与炼铁 高炉熔炼相似。为了使炉料中的锌尽量被还原义防i r 炉料中的铁被还原成金属铁，造成炉缸积铁 和放渣困难，整个熔炼过程中控制的还原气氛比炼锚鼓风炉强，比炼铁高炉弱，即炉料中的铁晟终 只能被还原成氧化亚铁( f e 0 ) 使其进入炉渣。 炉料中的氧化锌有4 帆是在固态中被还原，而6 0 是在液态炉渣中被还原的，阅此炉料中氧化 锌被还原的程度，晟终取决于炉渣中氧化锌被还原的程度。 炉内料层沿不同高度的物理化学变化： 炉料在鼓风炉内从上而下运动，产生一系列的物理化学变化，按炉子的高度可以划分为四个 带： 8 中南大学硕士论文 第二章i s p 熔烁过程目l 理分析 图2 3 密闭鼓风炉熔炼工艺流程 1 ) 炉料预热带 在风口水平面往上5 6 米处，为炉料的蛀上层。温度为4 0 0 度左右的烧结块加入后，在此带 吸收炉气中的热量被迅速加热，而从料面逸山的炉气温度为8 0 0 9 0 0 度。炉气中的锌可发生再氧 化而放山热量：烧结块中的氧化铅开始还原放出部分热量。为了保证进入冷凝器的含锌炉气具订 高于锌蒸气再氧化平衡温度2 0 左右的温度，住炉项鼓入- 二次风使得炉气中的c 0 燃烧，放山热 量，以补偿加热炉料所消耗的热量。 氧化反应产生的氧化锌随固体炉料f 降至高温时，义需要消耗焦碳来还原挥发，这部分的锌的 氧化还原只起着传递热量的作用。 2 ) 再氧化带 在风口水平面上4 5 米处，炉料与炉气的温度相近。炉料从炉气中吸收热晕后，进行碳的氧 化炉气中的部分蒸气也被氧化而放山热量，温度儿乎维持不变，在1 0 0 0 左右。 在氧化带。炉料中的氧化铅大量被还原。p b s 0 4 被c 0 还原成p b s 。p b s 与锌蒸气发生硫化反应 生成硫化锌和铅此z n s 一部分沉积在炉壁上助k 炉身炉结的形成；一部分随l 司体炉料f 行至高 温带。 3 ) 还原带 在风口水平面往上1 4 米处的温度为1 0 0 0 1 2 5 0 是炉料中的氧化锌与炉气中的c 0 和c 0 2 保持平衡的区域。炉料中的z n o 大量被c 0 还原炉气中的锌的含鲑选剑虽人值：少精的c 0 2 被i 州体 碳还原，此两个反应吸热所需的热量由炉气来提供，炉气通过此带后，温度降低3 0 0 度左也。希 望z n o 在此带以i 刮态还原愈多愈好。e q 为通过此带的炉料将熔化造渣z n o 会溶解于渣中这将使 z n o 的还原变得更加凼难，致使渣含锌增加。z n o 能否以l 耐态尽簧披还原，主要取决丁炉渣的熔点。 炉气中的p b 、p b s 和 s 的含量达到虽人值。当达到上部低温区时部分冷凝在州体炉料上， 义随炉料r 行至此带时。又挥发上升。这些易挥发的物质在此三带循环。人譬被还原的铅在此带溶 解其他被还原的物质进入炉缸。 9 ! 塑叁兰堡! ! 堡兰 苎三至! 些堡堡塾望塑苎! 坌塑 4 ) 炉渣熔化带 在风口水平面至水平面以上l 米处的温度为1 2 5 0 。主要进行着焦碳的燃烧，溶于熔渣中的 z n 0 的还原和脉石成分的造渣等过程。约有6 0 的z n 0 在此带从液态炉渣中被还原。 氧化锌的还原年i l 炉渣的熔化需要消耗人量的热这些热量主要依靠焦碳的燃烧乖i 热风供给。在 风口区造成1 4 0 0 的高温来保证炉渣的熔化羽i 过热炉渣中的氧化锌在此带被迅速还原a 鼓入热风 可以使过程获得高温和合适的还原气氛。 在熔炼过程中主要发生如下反应： 2 c + 啦= 2 c o z n 0 + c ( 声z n + c 嘎 p b o + c 0 = p b + c 0 2 2 c o + o = = 2 c 0 2 c 0 2 + c = 2 c 0 z n o + c = z n + c o f eo + c = f e + c o z n o + f e = z n + f e o 3f e 2o + c 0 = 2f e a o + c 仉 2f e 20 ，+ c o = 4f e o + c m 由丁铅痒的沸点筹异较大( 铅为1 5 2 5 锌为9 0 6 ) ，在熔炼过程中铅成液体状态与液态 炉渣起进入炉缸，由丁炉缸很浅。熔融产物不在炉缸内分离，而是定期排入电热前床由1 ：比重 不同而分层，较重的钳沉在一f 层，由虹吸口放出。产山粗铅，炉渣从渣口放山送烟化炉处理平直接 水淬：锌成气体状态与炉气一起进入炉f 项部空问。为r 尽可能减少锌从科面山米刮进入冷凝器之 前被氧化就要在炉子上部空间鼓入二次空气“符称二次风) ，使得炉气中的使c o 燃烧成为c 吼，以 补充加热炉料所损失的热量，使炉子温度迅速升高到锌的弭氧化反虑的平衡温度( 约1 0 0 0 ) 以上t 以确保炉气中的低浓度的锌蒸气( 约7 ) 顺利列选冷凝器中。从热力学的观点来看。在这一过科中。 锌的冉氧化是不可避免的但从动力学的角度来看，把雨氧化的过程减少刮可以允许的程度也是能 够做纠的。州铅雨作为冷凝介质具有很人的传热系数羽增人的交换面积，它能够很女r 地掘化锌的物 理凝聚过程而把化学再氧化过程削弱剑最小限度。在铅雨冷凝器中锚雨吸收了炉气中的锌和热 量，使钳液温度升高( 5 l o 5 3 0 ) 同时熔解的锌苗也提高了。由 i 锌在铅液中的熔解度l ；c f 温度的 变化而变化熔解了锌的钳液j ； j 铅泵从雠j 池泵入剑冷却分离系统温度被降至4 3 0 4 4 5 ，这时部 分锌从铅液中析出井冈比重的差异而分离，钳液重新返同冷凝器中而锌液则溢流剑贮锌槽中加 热而成为产品粗锌。从钳锌混台液中分离锌，土要利了液体锌住液体锚中的溶解度随温度的变化 而不同。为了保证良好的分离生产中采取如f 措施： 1 ) 持系统具有良好的玲却能力严格控制各槽的温度。 2 ) 往溶剂槽适当而均匀地加入氯化铵，其作用如卜f ： ( 1 ) 助溶作用它与浮渣混合以后可生成一种低熔点，含砷较高，流动性蚶的熔渣。 ( 2 ) 减少锌的氧化，熔剂浮渣覆盖在液体金属表面而形成一层保护层。 ( 3 ) 降低浮渣精和补充钳量提高分离效率。 氰化铵加进熔剂槽后，在高温_ 卜分解成n 。h c l 。与锌和砷韵化台物起作_ i j ，生成氯化锌和氯 化砷，它们一部分成气体挥发，一部分组成浮渣，因此，原来受氧化物薄膜包着的金属璩可 以暴露山新鲜的金属面并重新聚集在一起，从而降低了浮渣茸平| 】补充铅量。 1 0 生堕查兰堕! ：兰塞 里三皇! ! ! 竺堡苎里! ! 墨坌塑 3 ) 适当加长分离槽，增大槽的截面积，并保持锌层有一定的厚度，也可以使铅锌混合液体在槽内流 动缓慢，也有利于铅锌的分离。 在还原区内温度受到炉渣渣型的限制，一般要求炉渣为高熔点。因为炉渣一旦熔融到一定程度， 将使z n 0 流入渣池中增加了渣含锌量，降低了金属的回收率。同时，为了防i r 氧化锌蒸气在底料 钟上冷凝，还从料钟边鼓入周边风，以提高料钟的局部温度正常供给风量不人于1 7 0 m 3 ， 。为了 保持上下料钟之同的压力稍高于炉顶压力( 约高5 0 p a ) ，减少炉气的逸山料钟之间按5 0 3 ， 供给 常温空气。 为了防止铅锌混合物中的锌在流槽中避免被氧化，通常采_ i l j 了冷却管组的方法。当温度较高时 多放管组，当温度较低时。提升管组，将温度控制在4 3 0 度左右。温度的控制要求严格合适的温 度是保证产量和防止锌中出现氧化锌的关键因素。 此外从冷凝器出来的炉气中含有一定龉的铅锌，通过炉气冷却、洗涤塔和机械洗涤器等净化炉 气的方法以蓝粉泥浆的形式回收。净化后的炉气送焦炭和空气预热器的燃烧室中。监粉与从分离系 统和冷凝器儿处取出的炉渣一起返回烧结午间。炉渣送往烟化炉处理，烟化过样的实质是将熔融的 炉渣_ h j 空气和粉煤的混合物进行吹炼，在高温r 使游离的及化台物的金属氧化物还原成金属蒸气。 炉渣经过烟化处理后得到的氧化锌( 义称次氧化锌) ，返亓i 烧结配料或作为生产硫酸锌的一种原 料 2 1 3 影响鼓风炉炉况的因素 鼓风炉熔炼过程中的化学反应升不复杂影响鼓风炉生产的主要冈素是炉料的物理化学性质和 炉料的加料制度( 料制) 以及炉子的i 作条什。 l 、炉料的性质 炉料( 烧结块和焦炭) 的物理性质土要是指炉料的块度、强度、粒度这些因素关系到炉料 入炉后的空隙度分布，从而影响鼓风炉的透气性；而化学性质( 如成分) 主要是影响烧结块的还原 和结瘤。 1 ) 烧结块要求： ( 1 ) 具有均匀的化学成分铅含量不人二j ：2 2 硫的含鼙小于1 ，铅的含越为1 7 2 1 ，锌 的含量为3 8 4 2 二氧化硅的含量低丁4 ，c a 0 s i0 2 为1 4 1 7 。 烧结块含锌太低，渣量火。单位锌的燃料耗量就人，炉气含锌也低，对锌的冷凝效率及同 收率有影响。烧结块含锌过高，受热时强度卜降，窬易生长炉结。 烧结块含有适量的铅，可以提高其冷强度井磕少烧结块中为此而添加的二