（控制科学与工程专业论文）基于粗糙集的铅锌熔炼过程不完备信息智能处理方法及应用.pdf

摘要 铅锌密闭鼓风炉熔炼过程生产环境恶劣、反应机理复杂，具有多 变量、非线性、大滞后、强耦合的特点，使得熔炼过程信息存在一定 的不确定及不完整性，即存在信息的不完备性。本文在深入分析铅锌 熔炼过程信息特点及粗糙集理论的基础上，研究铅锌密闭鼓风炉熔炼 过程不完备信息智能处理方法。 针对熔炼过程信息系统存在的数据缺失现象，以及信息系统中属 性类型的多样化特点，分析了定性属性及定量属性下不同对象之间的 相似关系，在此基础上定义了一种扩展的多属性融合相似关系，并引 入相似度的概念来描述对象之间的相似程度。以扩展的多属性融合相 似关系和相似度概念为基础，提出了一种基于多属性的数据补全方 法，并通过算例及分析表明了方法的有效性及可行性。 针对铅锌熔炼过程信息系统存在的信息不确定性，采用基于粗糙 集的启发式约简方法进行不确定信息处理，并通过分析熔炼过程实际 中存在的不足，定义了一种基于专家经验和属性依赖度相结合的属性 重要度计算方法，将专家经验作为属性重要度的重要参考指标。以新 的属性重要度计算方法为基础，给出了一种改进的启发式约简算法， 算例验证及效果表明了算法的有效性及可行性。 将本文的不完备信息智能处理方法应用于铅锌熔炼过程故障诊 断，通过对铅锌熔炼过程的故障分析，提出了一种基于粗糙集神经 网络的密闭鼓风炉故障诊断方法。首先采用基于多属性的数据补全方 法对不完备信息系统进行缺失数据的补全，进而用改进的启发式约简 算法进行数据约简，并将得到的相对完备的精简决策表作为神经网络 的训练样本，进行神经网络故障诊断建模。实验仿真效果显示，采用 本文的不完备信息智能处理方法进行密闭鼓风炉故障诊断，使得神经 网络故障诊断模型的结构大大精简，故障诊断的效率得到了有效的提 高。 关键词：铅锌熔炼过程，不完备信息，粗糙集，启发式约简，故障诊 断 a bs t r a c t t h el e a d - z i n cs m e l t i n gp r o c e s so fi m p e r i a ls m e l t i n gf u m a c ei sa c o m p l i c a t e dp r o c e s s w i t h c o m p l e xm e c h a n i s m ，b a de n v i r o n m e n t ， m u l t i p a r a m e t e r s ，s t r o n gn o n l i n e a r , t i m ev a r y i n ga n dt i m e d e l a y , s t r o n g c o u p l i n g ，a n dt h e r ee x i s t si n c o m p l e t ea n du n c e r t a i ni n f o r m a t i o ni nt h e p r o c e s s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h ei n f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e i n t e l l i g e n tm e t h o d sb a s e do nr o u g hs e t i ss t u d i e dt od e a lw i t ht h e i n c o m p l e t ei n f o r m a t i o ni nt h es m e l t i n gp r o c e s s c o n s i d e r i n gt h ed a t a m i s s i n ga n dt h ev a r i o u st y p e so fa t t r i b u t e so f p r o c e s si n f o r m a t i o n ，t h es i m i l a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n to b j e c t si s d i s c u s s e du n d e r q u a l i t a t i v ea t t r i b u t eo r q u a n t i t a t i v e a t t r i b u t e a n e x p a n d e dm u l t i a t t r i b u t es i m i l a rr e l a t i o n s h i pi sd e f i n e du n d e rt h e s et w o a t t r i b u t e s ，a n dt h e s i m i l i t u d e d e g r e e i s i m p o r t e d t od e s c r i b e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i f f e r e n to b j e c t s b a s e do nt h ef u s e ds i m i l a r r e l a t i o n s h i pa n dt h es i m i l i t u d ed e g r e e ，an e wd a t ac o m p l e m e n tm e t h o di s p r o p o s e d ，a n dt h ee n s a m p l ev a l i d a t i n gp r o c e s s a n dr e s u l t ss h o wi t s v a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y c o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i nd a t ai nt h ep r o c e s si n f o r m a t i o ns y s t e m ， t h eh e u r i s t i cr e d u c t i o na l g o r i t h mb a s e do nr o u g hs e tt h e o r yi sp r e s e n t e dt o d e a lw i t ht h eu n c e r t a i ni n f o r m a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h e s h o r t a g e o f a l g o r i t h m i nr e a l a p p l i c a t i o n ，a n a d v a n c e d a t t r i b u t e i m p o r t a n c e c o m p u t i n gm e t h o di sp r o p o s e db a s e do ne x p e r te x p e r i e n c e s a n dt h e d e p e n d e n c eo fa t t r i b u t e s ，i nw h i c ht h ee x p e r te x p e r i e n c e si sa ni m p o r t a n t g u i d eo fa t t r i b u t ei m p o r t a n c e b a s e do nt h en e wc o m p u t i n gm e t h o d ，a n i m p r o v e dh e u r i s t i cr e d u c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n dt h ee n s a m p l e v a l i d a t i n gp r o c e s sa n dr e s u l t ss h o wi t sv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y t h ei n t e l l i g e n tm e t h o d sa r ea p p l i e dt ot h ef a u l td i a g n o s i so ft h e s m e l t i n gp r o c e s s ，a n daf a u l td i a g n o s i sm o d e lb a s e do nr o u g hs e ta n d n e u r a ln e t w o r k si sp r o p o s e db ya n a l y z i n gt h ef a u l ti nt h ep r o c e s s t h e m u l t i - a t t r i b u t eb a s e dd a t ac o m p l e m e n tm e t h o da b o v ei sf i r s t l yu s e dt o c o m p l e t et h em i s s i n gd a t ao ft h ei n c o m p l e t ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n dt h e a d v a n c e dh e u r i s t i cr e d u c t i o na l g o r i t h mi st h e nu s e dt or e d u c et h e r e d u n d a n ti n f o r m a t i o n t h e n ，t h eg a i n e dr e l a t i v ec o m p l e t ei n f o r m a t i o n s y s t e ms e r v e sa st h et r a i n i n gd a t ao f f a u l td i a g n o s i sn e u r a ln e t w o r k t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，b yu s i n gt h e i n t e l l i g e n t m e t h o dw h e n m o d e l i n g ，t h es t r u c t u r e o fn e u r a ln e t w o r km o d e li s o p t i m i z e da n d s i m p l i f i e d ，a n dt h ed i a g n o s i se f f i c i e n c yi si m p r o v e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：l e a d z i n cs m e l t i n gp r o c e s s ，i n c o m p l e t ei n f o r m a t i o n ， r o u g hs e t ，h e u r i s t i cr e d u c t i o n ，f a u l td i a g n o s i s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是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论文中作了明确的说明。 作者签名： 槲 日期： 进年卫月掣日 学位论文版权使用授权书 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 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：丑啦年卑月斗日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 有色金属铅和锌在国民经济中占有重要的地位。铅和锌不仅可以大量用于机 械制造、制造合金、镀锌工业、耐腐蚀零件、精密期间及冶金工业等领域，而且 它们各自的化合物也有着各种各样的用途。因此，随着铅、锌金属的应用领域不 断扩展，当今世界对铅、锌的需求量也日益增长。 1 1 铅锌熔炼过程工艺背景 密闭鼓风炉铅锌冶炼工艺【1 】即i s p ( i m p e r i a ls m e l tp r o c e s s ) 工艺，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一。自1 9 5 0 年第 一座密闭鼓风炉在英国阿旺茅斯正式投产以来，世界上共有1 5 座密闭鼓风炉， 其中两座在中国的韶关冶炼厂【2 1 。 铅锌火法冶炼过程主要包括烧结和熔炼两个部分。前者以鼓风烧结机为主 体，后者以密闭鼓风炉( i m p e r i a ls m e l tf u r n a c e ，i s f ) 为主体。密闭鼓风炉与高 炉相比的一个显著的特征是，它是在一个密闭的炉子里完成会属的还原反应，并 且可以同时还原两种主要的金属铅和锌。 密闭鼓风炉熔炼过程属于典型的复杂过程，其主要特点包括： 1 ) 工艺流程长，具有大滞后特性； 2 ) 炉内过程机理反应复杂； 3 ) 生产条件和生产环境十分恶劣和复杂； 4 ) 生产用原料复杂，成份不稳定，生产边界条件剧烈； 5 ) 生产工艺过程所要求的工艺目标如质量和产量，往往不易直接测量和控 制，造成生产指标波动性大。 铅锌熔炼过程生产环境恶劣、反应机理复杂，固、液、气三相共存，存在物 理化学反应、生化反应、相变反应及物质和能量的转化与传递过程，具有多变量、 非线性、大滞后、强耦合的特点。因此，尽管集散控制系统( d c s ) 的应用和现 场技术人员的长期实践，铅锌熔炼过程中保存了大量的实际生产数据，积累了许 多经验知识，但由于生产用料复杂、成分不稳定、边界条件变化剧烈、外部环境 变化莫测，再加上过程操作的人为主观因素，造成有色冶炼过程信息存在一定的 不确定性；并且，其物理化学反应发生在大型密闭设备中，且常常在高温、高压 或强腐蚀条件下进行，冶炼工艺和生产实际情况的限制使得生产过程中的一些对 优化目标或生产指标有重大影响的关键参数不可测或部分信息不可知，使得过程 优化控制所需信息存在一定的不完整性。 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 然而，过程的优化控制主要是以大量完备信息的处理为前提的，是针对信息 相对确定或者通过一定的数学处理转化为信息确定的工业过程进行的。信息的不 确定和不完整性( 统称信息的不完备性) 将造成基于精确信息条件下的过程优化 模型应用效果不理想，严重情况下模型根本无法应用，严重影响铅锌熔炼过程的 优化控制和经济运行。 1 2 国内外研究现状 信息的不完备性是一个有色冶炼过程中广泛存在的问题，在现实生产过程 中，大多数信息是非精确的、不完全的，而这种信息的不完备性又直接影响到有 色冶炼过程的优化控制效果和运行状态。 因此，国内外专家从不同角度出发，研究有色冶炼过程的智能化和自动化控 制： 1 ) 从改善有色冶炼过程工艺条件及先进的智能仪表方面着手，研究有色金 属过程的自动控制和生产管理； 2 ) 从对不完备信息的智能处理着手，研究不完备信息系统的知识发现和数 据挖掘的数学理论及方法。 1 2 1 有色金属熔炼过程的控制现状 目前，国外有色金属工业已采用先进的智能仪表和集散控制系统与管控一体 化，实现有色金属生产过程的自动控制和生产管理，在提高产量、质量，降低成 本、能耗，提高劳动生产率，改善环境污染等方面起到了重要的作用。在理论研 究方面，l gb e r g h 等人【3 j 应用智能传感、专家系统、模糊控制技术估计和控制 渣贫化电炉的喷煤速率，取得了降低贫化渣含铜和贫化过程颗粒污染的良好效 果；j o r g e n s o n 等人【4 】采用商业软件对铜闪速炉内的温度、浓度、压力分布进行数 值仿真，提出了中央精矿喷嘴结构优化和高富氧的应用，以改善其操作条件。在 应用方面，国外许多有色金属企业相继开发了许多生产过程优化控制系统和软件 【5 l ，大大提高了有色金属工业生产的自动化水平和企业的经济效益，改善了生产工 艺指标。如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1 周左右；瑞典l k a b 公司的k i r u n a ，墨西哥的m e x i c a n ad ec o b r e 等几家选矿厂采用基于模型的控制和基于模型的专家控制实现；法国谱耶尔高 督的密闭鼓风炉熔炼生产过程应用基于操作条件模型，实现密闭鼓j x l 炉铅锌冶炼 生产的规范化操作，使得密闭鼓风炉的产量增加了1 0 。 自上世纪8 0 年代以来，国内采用先进的智能仪表或集散控制系统来实现生 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 产过程的自动控制。如韶关冶炼厂的烧结车间采用日本横河的y e w p a c k m 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 np c 9 8 4 4 8 0 可编程 控制器，熔炼车间采用y e w p a c k 的换代产品叫l x ld c s 系统，实现对关键工 艺参数的自动检测与控制；江铜采用h o n e y w e l l 公司先进的t d c 3 0 0 0 集散控制 系统实现自动检测与控制。在理论研究方面，文献【6 】针对转炉炼钢过程脱磷度 与其过程条件间关系复杂问题，提出了一种用于预报转炉炼钢终点磷含量的多智 能集成方法；万维汉、万百五等人1 7 8 】将自适应模糊神经网络技术和模糊建模技 术应用于镍闪速熔炼的建模与控制，使生产的质量性能指标得到明显改善；彭小 奇等人【9 , 1 0 】成功建立了镍熔炼矿热电炉生产过程的模糊自适应优化决策模型和渣 贫化电炉生产过程的模糊神经网络自适应决策模型，在生产应用中达到了节能降 耗的目的；桂卫华等人【1 1 1 4 】提出了以神经网络为基础的智能集成建模方法，综合 几种计算智能算法的优点，且结合简单可靠的机理模型，实现复杂工业过程优化， 并在锌电解、铅锌烧结过程等有色金属冶炼过程中得到了应用。然而在实际应用 过程中，由于原料成分不断变化，边界条件和生产条件经常发生变化以及信息的 不确定和不完备，这些模型的使用效果不尽理想，有的系统运行一段时期后不能 完全适应现场。 与此同时，许多国内企业也尝试引进国外优化设定技术及相应的软件，但是 由于冶炼原料来源复杂和边界条件不稳定、操作水平低、关键工艺参数难以检测、 生产环境多变以及冶炼过程信息的不确定和不完整，引进的软件对过程优化控制 的效果也不是很理想。 1 2 2 不完备信息处理的研究现状 不完备信息系统的知识发现过程主要有三种实现途径：一是将带有不完备信 息的记录直接删除，这种方法以减少历史数据来换取信息的完备，会造成资源的 浪费，丢弃大量隐藏在这些对象中的信息，特别是当缺失数据较多时，会严重影 响到信息表中信息的客观性和结果的正确性；二是采用数据补齐算法对缺失值进 行填充，进而在完备化的信息系统上进行知识获取；三是在不改变不完备信息系 统情况下直接挖掘，以获取知识。 数据补齐方法是通过专门的方法，利用已有的值或经验值，对不完备信息系 统中的空值进行推导、填充，使不完备信息系统转化为完备信息系统。目前已有 的数据补齐方法可分为如下几类： 1 ) 人工填补法； 依据专家经验对缺失数据进行人工填补，该方法主要依赖专家经验以及人工 操作，不同的专家可能导致不同的填补结果，另外，当数据规模很大、空值很多 时，该方法的可行性和效率非常之低。 3 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 2 ) 特殊值填补法： 即将空值作为一种特殊的属性值来处理，它不同于其他任何的属性值。如所 有的空值都用“妒填充，一个不完备的信息表就成了完备的信息表，但是，当 缺失数据量过大时，该方法可能导致严重的数据偏离。 3 ) 从信息表中选取所有可能的值，或通过计算估计一个最可能的值来填充 空缺值。 该类补齐方法根据选取填充值方法的不同，包含的具体算法也分为多种。如： 基于统计学原理的概率法根据信息表中其余对象在该属性上取值的分布情况来 进行估值填充，( 条件) 均值填充法( m e a n m o d ec o m p l e t e r ) 取所有记录中或条件 记录中的平均值进行填充，( 条件) 组合完整化方法( c o m b i n a t o r i a lc o m p l e t e r ) 试探所有的可能值来进行筛选填充等等。这类方法不会影响信息表中包含的信息 量，但这些统计技术常常依赖于一些统计假设如概率分布等，由于数据集的状态 空问巨大，对这些分布假设的判定常常是困难的。另外，利用回归方法归纳确定 空值、利用贝叶斯模型( b a y e s i a nm o d e l ) 和证据理论( e v i d e n c et h e o r y ) 等等 1 5 - 1 7 】也是比较常见的数据补齐方法，不过，这些方法也都有各自的缺陷和不足。 在粗糙集理论中，t z u n g p e ih o n g 等人【1 8 】利用上下近似提出了一种填充空值 并同时提取规则的方法，但这种方法无法处理空值较多的信息系统。另一种基于 粗糙集理论的补齐方法是利用不可区分关系在信息表中选取一个与含有缺失值 对象最相似的对象，用这个最相似对象的值来对缺失值进行填充【1 9 , 2 0 l 。该方法利 用了基于相似类的概念来进行空值估计，符合客观规律，是一种填充效果较好的 数据补齐方法。 对不完备信息系统进行直接获取知识的方法包括贝叶斯网络【l6 。、证据理论 1 1 7 1 、人工神经网纠2 l 】和粗糙集方法等等。 1 ) 贝叶斯网络是用来表示变量间连接概率的图形模式，它提供了一种自然 的表示因果信息的方法，用来发现数据间的潜在关系。但该方法仅适合于对领域 知识具有一定了解，或至少对变量间的依赖关系较清楚的情况。 2 ) 证据理论利用置信函数和似然推理函数作为主要工具，对不确定性问题 进行处理，以区间的形式给出信任度，能够很好地应用到不完备信息系统的知识 发现上。但该理论非常依赖于先验知识的支持。 3 ) 人工神经网络是由具有可调节权值的阈值逻辑单元组成，通过不断调节 权值，直至动作计算表现令人满意来完成学习。但目前该技术应用于数据挖掘主 要存在学到的知识难于理解、学习时间太长两大障碍，不适于大型数据集。 4 ) 基于粗糙集理论的数据分析方法具有简单易行、逻辑严谨的优点。经典 粗糙集理论以完备信息系统为研究对象，针对不完备信息系统，需要进行一定的 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 理论拓展，使其能在不改变原信息系统的前提下直接对不完备信息系统进行处 理。 1 2 3 粗糙集理论的研究现状 粗糙集理论是1 9 8 2 年由波兰科学家z p a w l a k 提出一种不确定信息分析处理 理谢2 2 2 3 1 。该理论作为一种处理不精确( i m p r e c i s e ) 、不一致( i n c o n s i s t e n t ) 、不 完整( i n c o m p l e t e ) 等各种不完备的信息有效的工具，直接对数据进行分析和推 理，从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律。由于它具有数学基础成熟、不需要 先验知识等特点，受到了众多学者的重视。目前，该理论已成为信息科学最为活 跃的研究领域之一，取得了较大的发展。主要的研究热点集中于： 1 ) 连续属性离散化 现有的离散化方法主要分为非监督离散化和监督离散化。前者包括等宽度 ( 将连续值属性的值域等分) 和等频率离散化( 每个离散化区间所含的对象相 同) ，比较有代表性的方法有：基于统计检验方法，基于信息熵方法，粗糙集和 布尔推理方法，基于聚类的方法等【2 抛6 1 。非监督离散化方法简单，但因忽略了 对象的类别信息，也就难以获得较好的离散化效果，只能用在属性具有特殊分布 的情况。 2 ) 知识约简 知识约简是删除信息系统( 或决策表) 中冗余信息的过程，并保证所得的知 识与原信息系统( 或决策表) 的分类能力是相同的。知识约简包括属性约简和属 性值约简两种。不同的知识表示会产生不同的知识约简算法，目前比较成熟的有 x h h u 算法【2 4 】、基于p a w l a k 属性重要性的约简算法、基于区分矩阵的约简算 法【2 7 , 2 8 以及基于信息熵即s h a n n o n 熵的启发式【2 9 】算法。 3 ) 应用研究 目前粗糙集理论主要应用参数预测、数据挖掘、故障诊断以及过程控制等领 域。文献【2 5 】将粗糙集应用于阳离子反浮选控制，实现合理添加药剂量，王加成等 人【2 6 1 将粗糙集理论应用于生物发酵过程的补料时机的识别与控制，m r o z e ka 应 用r s 方法成功地提取出了水泥窑炉的控制规则【3 0 l 。这些研究对粗糙集在过程控 制方面的应用进行了有益的探索，取得了一定的成果。 1 3 课题的研究目的及意义 在不确定信息环境下，通过对有色冶炼过程数据进行有效的知识挖掘，实现 操作参数优化控制，是有色冶炼生产企业提高经济效益的一种有效方法，也是有 色冶炼过程优化控制研究中的一个热点。因此，根据我国的冶炼行业的特点，利 5 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 用先进的计算机技术和控制技术，研究铅锌熔炼过程的不完备信息智能处理方 法，实现熔炼过程的知识获取、参数预测、故障诊断等，对提高产量、保证质量、 降低设备故障率、提高劳动生产率等，都具有重大的意义。同时，对于国内外的 其他冶炼行业具有一定的推广意义。 本课题针对铅锌熔炼过程工艺存在的关键数据难以采集、采集到的数据具有 不确定性和不完整性等问题，从信息不完备性的基本表现形式入手，研究具有多 属性特征的不完备信息系统的数据补全方法等；利用粗糙集理论等不确定信息处 理方法，根据现场数据特点和现场的经验知识，研究基于粗糙集理论的知识获取 新方法和新技术，并应用于铅锌熔炼过程的智能故障诊断过程，为铅锌熔炼过程 优化控制中的不完备信息处理提供了解决方法，也为粗糙集理论在复杂工业过程 领域的具体应用进行有益的探索。 1 4 论文的主要研究内容 论文以铅锌熔炼过程为研究对象，研究不完备信息的智能处理及知识提取方 法，并应用于铅锌熔炼过程的故障诊断。 论文的结构安排如下： 第二章主要对铅锌熔炼过程进行了不完备信息分析。在对铅锌熔炼过程工艺 及特点分析的基础上，针对熔炼过程的复杂性和信息不完备性，确定了不完备信 息的智能处理的基本思路和方法； 第三章针对铅锌熔炼过程中的信息不完备性以及信息表中属性的多样性，研 究基于多属性数据补全的不完备信息预处理方法，并通过举例验证了算法的有效 性及可行性； 第四章对粗糙集理论进行简介的基础上，研究了基于粗糙集理论的启发式数 据约简算法，并重点提出了基于专家经验与粗糙集相结合的新的数据约简算法， 算例验证及效果表明了算法的有效性及可行性； 第五章将文中的不完备信息智能处理方法应用于密闭鼓风炉故障诊断，并建 立了基于粗糙集神经网络的故障诊断模型。实验仿真及效果表明了本文方法的 有效性及可行性； 第六章为结束语，对文中内容进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 6 中南大学硕士学位论文 第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 密闭鼓风炉铅锌熔炼工艺是当前火法炼铅锌的先进技术。深入研究熔炼过程 工艺及特点，是研究熔炼过程不完备信息智能处理方法的前提条件和重要基础。 本章首先介绍了熔炼过程工艺流程及特点，详细分析了影响熔炼过程的重要参 数，并重点分析了熔炼过程不完备信息的特点。 2 1 铅锌熔炼过程工艺及分析 铅锌火法冶炼过程主要包括铅锌烧结过程和密闭鼓风炉熔炼过程两部分。熔 炼过程是整个铅锌生产过程的主要过程，只有熔炼过程顺利进行，才能保证粗铅 和粗锌的正常生产，因此，熔炼过程是否顺利进行，是能否提高整体产品质量和 生产效率的关键所在。 2 1 1 铅锌熔炼过程工艺分析 密闭鼓风炉铅锌冶炼工艺( i m p e r i a ls m e l tp r o c e s s ，i s p ) 流程图如图2 1 所示。 铅锌混合精矿 精锌精铅 图2 1 铅锌火法冶炼过程工艺流程 7 中南大学硕七学位论文第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 当经过浮选的硫化铅、硫化锌或硫化铅锌混合精矿( 闪锌矿z n s 、方铅矿 p b s 及脉石) 进厂后先进行干燥，去掉多余的水分。然后与烧结机返粉( 不合格 的烧结块、蓝粉、浮渣及烟灰等) 、熔剂( 生石灰c a o 或石灰石c a c 0 3 、焦炭) 等物料按一定比例混合制粒为化学成份均匀、粒度适宜、透气性良好的烧结料后， 通过梭式布料机送入烧结机中进行氧化脱硫、固结造块，生成具有一定强度和透 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 ( i m p e r i a ls m e l t i n gf u r n a c e ，i s f ) ；不合格的烧结块再经冷却、破碎做为烧结配 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，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。铅与炉渣从炉子的底部排出进入电热前床进行分离，从排铅口直接得到粗 铅( p b 9 8 ) 。粗铅经电解而最后得到精铅( p b 9 9 9 ) 。鼓风炉产生的锌蒸汽， 从炉顶进入冷凝室，经铅雨冷凝后成为粗锌( z n 9 8 ) ，再经蒸馏精炼，最后得 到精锌( z n 9 9 9 6 ) 。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j x l 炉炉气( 办称低热值煤气) 经洗涤过滤后送余热电站做燃 料使用。 铅锌密闭鼓风炉熔炼是用冶金焦炭作为还原剂的还原过程，在熔炼过程中主 要发生的反应有： 2c + 0 2 = 2 c 0 z n o + c 0 = z n + c 0 2 p b o + c 0 = p b + c 0 2 c o + 0 2 = 2c 0 2 c 0 2 + c = 2c 0 z n o + c = z n + c 0 f e o + c = f e + c 0 z n o + f e = z n + f e 0 3f e 2 0 3 + c 0 = 2f e 3 0 4 + c 0 2 2f e 2 0 3 + c 0 = 4f e 0 + c 0 2 i s p 系统框图如图2 2 所示。直升烟道俗称为方箱，方箱内的压力在料钟加 料时其压力是否回零可以作为判断炉喉是否结瘤的一个标志。炉顶南北两探料杆 的信号采用人工采集的办法，通过电话传送到控制仪表室。 由于铅锌的沸点差异较大( 铅为1 5 2 5 。c ，锌为9 0 6 。c ) ，在熔炼过程中，铅 成液体状态与液态炉渣一起进入炉缸，由于炉缸很浅，熔融产物不在炉缸内分离， 而是定期排入电热前床，由于比重不同而分层，较重的铅沉在下层，由虹吸口放 出，产出粗铅，炉渣从渣口放出送烟化炉处理和直接水淬；锌呈气体状态与炉气 8 中南大学硕士学位论文第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 一起进入炉子顶部空间。为了尽可能减少锌从料面出来到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( 俗称二次风) ，使得炉气中的c o 燃烧 成为c 0 2 ，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再氧化反 应的平衡温度( 约1 0 0 0 ) 以上，以确保炉气中的低浓度的锌蒸汽( 约7 ) 顺 利到达冷凝器中。从热力学的观点来看，在这一过程中，锌的再氧化是不可避免 的，但从动力学的角度来看，把再氧化的过程减少到可以允许的程度也是能够做 到的。用铅雨作为冷凝介质具有很大的传热系数和很大的交换面积，它能够很好 地强化锌的物理凝聚过程，而把化学再氧化过程削弱到最小限度。在铅雨冷凝器 中，铅雨吸收了炉气中的锌和热量，使铅液温度升高( 5 1 0 5 3 0 ) ，同时熔解的 锌量也提高了。由于锌在铅液中的熔解度随温度的变化而变化，熔解了锌的铅液 用铅泵从铅池泵入到冷却分离系统，温度被降至4 3 0 4 4 5 ，这时部分锌从铅液 中析出，并因比重的差异而分离，铅液重新返回冷凝器中，而锌液则溢流到贮锌 槽中加热而成为产品粗锌。从铅锌混合液中分离锌，主要利用了液体锌在液体铅 中的溶解度随温度的变化而不同。 机 图2 - 2 铅锌密闭鼓风炉熔炼过程系统框图 此外，从冷凝器出来的炉气中含有一定量的铅锌，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。蓝粉与从分离系统和冷凝器几处取出的炉渣一起返回烧结 车间。炉渣送往烟化炉处理，烟化过程的实质是将熔融的炉渣用空气和粉煤的混 9 中南大学硕士学位论文 第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 合物进行吹炼，在高温下使游离的及化合物的金属氧化物还原成金属蒸汽。炉渣 经过烟化处理后，得到的氧化锌( 又称次氧化锌) ，返回烧结配料或作为生产硫 酸锌的一种原料。 2 1 2 影响熔炼过程的主要因素 鼓风炉熔炼过程中的化学反应并不复杂，影响鼓风炉生产的主要因素是炉料 的物理化学性质和炉料的加料制度( 料制) 以及炉子的工作条件，包括： 1 ) 进入炉内的物料条件 炉料( 烧结块和焦炭) 的物理性质，主要是指炉料的块度、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。 a ) 烧结块的成分、块度、强度和粒度等； 烧结块要求具有均匀的化学成分，铅含量不大于2 2 ，硫的含量小于1 ， 铅的含量为1 7 2 1 ，锌的含量为3 8 , - - 4 2 ，二氧化硅的含量低于4 ，c a o s i 0 2 为1 4 1 7 。否则，将会影响锌的冷凝效率、回收率，恶化鼓风炉的炉况，容易 生长炉结。 烧结块含锌太低，渣量大，单位锌的燃料耗量就大，炉气含锌也低，对锌的 冷凝效率及回收率有影响；含锌过高，受热时强度下降，容易生长炉结。烧结块 含有适量的铅，可以提高其冷强度，并减少烧结块中为此而添加的二氧化硅；含 铅过高，受热时强度下降，易生长炉结。烧结块含铜一般不超过2 5 ，但铜在 鼓风炉熔炼中与砷结合，生产稳定的砷化铜，可明显抑制砷的挥发，减少炉结的 生成及浮渣产量，因此，高铜炉料对炉结有清洗作用。烧结块含砷为0 3 左右， 含砷过高，恶化鼓风炉的炉况，不利于提高锌的直收率。烧结块含镉量高，则意 味着烧结快含有挥发性化合物，容易产生炉结。烧结块含硫越低越好。 烧结块要求具有足够的机械强度和热强度，机械强度必须保证烧结块在输送 及入炉过程中不破碎；烧结块的粒度要求4 0m m l o o m m ，粒度过小及粉料将使 透气性变坏，助长炉结，增大烟尘率和浮渣量，过大则会形成炉内串风现象，减 少接触面积和造成加料困难；烧结块要求其孔隙度大于2 0 ，以保证炉内良好的 透气性；烧结块的保温则可以保证入炉烧结块有较高的温度，以减少焦炭消耗， 提高炉顶稳定，减少入炉物料的水份和强化熔炼过程。 b ) 焦炭的成分、块度、强度和粒度等； 焦炭的固定炭含量为8 0 0 o , - , , 8 5 ，残硫小于l ，挥发物的含量小于1 。含 硫高则助长炉结的形成和悬料：挥发份的多少，标志着焦炭的成熟程度，太高或 太低，将恶化冷凝器条件和料柱的透气性，甚至影响炉渣的流动性。焦炭要有足 够的抗碎和抗磨强度，以减少输送过程中的破碎。同时要求粒度合适、均匀，具 1 0 中南大学硕士学位论文第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 有低反应性。 c ) 装料顺序、批重和批次等。 料制指鼓风炉的加料制度，是炉料装入炉内方式的总称。包括加料方式、批 重、批次等，它对鼓风炉熔炼过程的顺利进行影响巨大，因为不同的料制会形成 不同的炉料分布和料煮高度，导致不同气流和温度在炉内的分布，以及炉内软熔 带的不同形状，从而影响到鼓风炉的透气性状态和炉况。良好的料制可以使鼓风 炉有良好的透气性状况，从而可以保证鼓风炉熔炼顺利进行。 加料方式，加料设备的运行情况及炉料粒度都会影响炉料的分布。炉料分布 不均匀，将使炉料融化速度不均匀，破坏料层在不同高度的物理化学变化正常进 行，严重时会导致“悬料 ，促使炉结加快形成。因此，必须根据烧结块和焦炭 的质量、炉内下料情况、结瘤程度等情况，决定加料方式。选择合理的加料方式， 以保证炉料在炉内均匀分布。主要包括：连续加料法、分别加料法、混合加料法、 延时加料法。 生产中以两罐炉料作为一批炉料。每批炉料的重量称为料批重，正确确定料 批重对生产过程十分重要。若料批重过大，则使料面及炉顶温度波动大，也使炉 料中各组成部分不能很好接触；过小虽然使各组分接触改善，但由于增加了料批 数而过多地开启料钟，使炉气大量由料钟溢出，引起炉顶温度波动大。 2 ) 工作炉操作条件 工作炉的操作条件包括：炉内温度分布、锌蒸汽在炉内的再氧化区、料柱高 度、炉内成分及炉压、风温、风压、湿度及含氧量等。 正常生产过程中，鼓风炉的加料与熔炼的情况、炉体的特点、炉料的情况相 适应，要求做到准确、及时加料，使炉料在鼓风炉内均匀合理分布，以满足正常 需要和保持良好的炉况。加料的关键因素是料量准确，料量的准确直接影响料面 的稳定，炉内还原气氛的强弱和温度的高低及炉气在炉内的穿行情况等一系列过 程。料面不稳定，炉顶温度会出现大幅度的波动，从而影响锌的冷凝效率，对生 产不利。 鼓入鼓风炉的热风一般控制在8 0 0 1 0 0 0 ，调节风温可以改变炉内熔炼情 况，控制还原气氛和炉温。大风量操作时，焦炭的燃烧速度快，熔炼速度快，炉 子的生产效率高。但风量过大将增加动力消耗，气流速度过大，随气流带出的粉 料也增多，特别是在料面过低，物料质量差，炉内结瘤严重的情况下，会使冷凝 器内浮渣更大增加。 3 ) 放渣时间及类型 鼓风炉的炉渣和粗渣的混合熔体间断地从渣口放出。当熔渣接近风口线时， 热风压力明显升高，风量降低，可以从风口窥视孔看到渣跳动，此时应该打开渣 中南大学硕士学位论文第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 口放渣。根据放渣的情况可以做出对炉况的判断，通过看渣的外形、渣的颜色、 渣的流动性等判断出渣温高低、渣的酸碱度( 钙硅比) 、炉内还原气氛的强弱等。 在生产过程中，不断地检查渣温，如果渣温低，放渣困难，影响生产，现场操作 人员就要通知仪表室进行相应的调整来提高炉子的温度，如提高风温、增加焦比 等。 2 1 3 铅锌熔炼过程的信息特点 对于一个实际的复杂工业生产过程，特别是有色金属冶炼过程，过程反应机 理异常复杂、参数多且关联耦合严重，所包含的信息有定性、定量、半定性半定 量等多种模式。 密闭鼓风炉熔炼过程是一个复杂工业过程，其中发生激烈的冶金化学反应， 影响的因素也很多，并且内部检测困难，可测可控的过程参数并不多，整个密闭 鼓风炉内部反应基本上处于未知状态，给数据检测带来了困难。 目前熔炼过程可得到的参数不多，就入炉物料条件而言，目前可得到的参数 有烧结块成分、各物料的配比，装料次序和布料情况等，这些都在备料系统中以 料制形式完成，且其主要表现形式为定性信息或半定性半定量信息。而对于工作 炉内的操作参数和运行参数，可测量的定量信息只有料柱高度、底部风量、底部 风压、二次风量和风压、炉顶温度、炉顶风量和渣含锌等以及人工可观察的渣型。 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。 对于某些难以用测量工具准确测量的参数而言，操作人员一般采用人工观察 的形式进行参数的获取，根据现场的观察结果，并结合人工经验对当前的生产状 况进行一定的判断，进而指导生产。例如，对于渣型、渣温等的判断一般为人工 观察，现场工人通过对炉渣的流动性、明亮程度、色彩、凝固炉渣的渣样、是否 跳渣等的观察，结合自己的人工经验对炉况进行分析判断，从而决定是否需要放 渣、或者提高鼓风炉的温度等。 另外，由于熔炼过程现场环境复杂，高温、多尘、噪声等等，使得测量工具 的寿命和测量精度有所折扣，存在某一时刻或某段时刻的数据丢失或者测量得到 的数据为非正常数据；同时，噪声及干扰使得测量得到的数据与实际数据之间难 免存在一定的误差。而通过人工观察的形式对某些参数进行观察获取，由于不同 操作人员之间的经验不尽相同，且由于感官意识的偏差，难免存在一定的判断模 糊或误差。即，熔炼过程存在一定的数据丢失和数据噪声等问题。 针对以上情况分析，铅锌熔炼过程的信息具有以下特点： 1 ) 过程反应机理复杂，生产质量指标、工艺指标多，关联耦合严重： 2 ) 大量生产数据与操作经验同时存在，包括定性、定量、半定性半定量等 多种模式的信息，有知识描述型和数据表示型，数据形式包括连续型、离散型等 1 2 中南大学硕士学位论文第二章铅锌熔炼过程及不完备信息分析 特点： 3 ) 信息具有一定的不完备性，不确定和不完整信息共存，存在着噪声数据、 含糊的知识描述，也存在数据的丢失以及由于可测信息少造成的描述属性关系的 信息集合不完整等现象。 2 2 铅锌熔炼过程的不完备信息分析 密闭鼓风炉铅锌熔炼过程【3 l 】最关键的问题是维持炉况的稳定，并对当前炉内 运行状况做出判断，将故障消除在萌芽状态，以减少因故障而造成的巨大经济损 失。 虽然现场能够提供大量的生产数据，但是这些数据大多是鼓风炉外部的数 据，鼓风炉炉内检测参数较少，而且获取到的数据中也存在一定的不精确及缺失 问题，不能充分提供故障诊断的依据，从而加大了故障诊断的难度。如果能够通 过不完备信息的形式化描述，以及对大量生产运行数据的缺失补全、知识约简与 知识发现的研究，建立具有一定不确定度的相对完备和精简的信息集合，不仅能 够大大提高系统建模的精度、降低模型的复杂度，同时也在一定程度上弥补了因 数据缺失而带来的问题。 鉴于铅锌熔炼过程的复杂性及其不完备性众多专家在这方面做了大量的研 究。文 3 2 1 从数据补全方面着手，探讨了基于粗糙集( r o u g hs e t ，r s ) 理论的知 识获取方法