（控制理论与控制工程专业论文）复杂有色金属熔炼过程操作模式智能优化方法研究.pdf

串摩大学麟士学位论义 摘要 熔炼是提取铜、铅、钵、镍等重金隅的主臻工艺方法，是一个 葛 常复杂的高滠、多提的物理化学变化避程，舆有多变量、非线性、 强耦合、大滞后、不确定性等特点，许彩过程参量无法直接检测， 难以采用精确的数学模型进行描述。目前，熔炼过程的操作参数大 多由生产操作决策入员凭经验主观确定，难以实现生产过程的持续 稳定运行，生产过糕的工艺指标波动较大。因此，研究复杂有色金 属熔炼过程的操作模式优化，对于实现熔炼过程的节能降耗、提高 资源和熔炼设备的利用率以及充分发挥熔炼过程的生产潜力、提高 熔炼过程的技术经济指标，实现企业的可持续发震，都其有蓬大意 义。 本文通过探索复杂有色金属熔炼过裸的“数据信息一知识一 智能行为”转化关系，研究并提出了其过程相关操作模式的智能优 化方法。论文首先总结了复杂有色金属熔炼过程搡佟优化和数据挖 掘在流程工业中的应用特点及研究现状，提出了基于模式挖掘的操 作模式滚动优化框架；然厝在诧框架的基磕上，分剐提出了单参鼗 决策和多参数决策的操作模式智能优化方法，并将其成用于复杂有 色金属熔炼过程操 乍饶纯决策，取得了明显的成效。主要毳拜究成果 如下： ( 1 ) 提激了基予模式挖掘的搡佟模式滚动优纯箍粲。定义并形 式化描述了有色金属熔炼过程的操作模式、优化操作模式及操作模 式挖撼；搐述了剥髑数据挖摇技术扶生产过程糨黍斡大量实际生产 数据中提取有效规则来实现操作模式优化的思想；阐述了有色金属 熔练_ 造程操箨模式挖掘的三夺除敬，繇模式集榜始纯、模式分解帮 规则挖掘；在此基础上，提出了基于模式挖掘的操作模式滚动优化 框架。 ( 2 ) 研究并提出了单参数的操作模式智能优化方法。首先，利 翔减法聚类糍叁羲确定类别数麓特点，提窭了纂予最近邻减法聚类 的连续型属性的离散化方法。该方法利用一个改进的减法聚类来获 得类别令数和类懿中心麴麓始值，零l 翅最近邻黎类寒褥到最终的类 中心，并利用这些类中心对连续属性进行硬离散和模糊离散。然后， 提出了一秘抉速的模獭觏则挖掘方法，盏接从大量约数僮型数据孛 中南大学博士学位论文 摘要 挝取易于理解的模糊规则，并提出了基于模糊规则的单参数决策的 操作模式优化方法。最感，提出了基予篱化支持囱量圆| 毽盼关键参 数预报方法，将其应用于铅锌密闭鼓风炉锌产量预报。 ( 3 ) 研究并提出了多参数决策的操作模式智能优化方法。首先， 提出了混沌梯度优化方法，它刹周变尺度梯度下降法进行“粗搜索”， 剥用混沌优化方法在已获褥的局部极小点周围进彳亍“细搜索”来跳 出局部极小点，实现快速全局寻优。然后，提出了混沌遗传优化方 法来求解无法获得精确函数形式的优化问题。该优化方法将优化变 量加入混沌扰动，然后对带混沌扰动的变量进行编码，透过不款进 化，求褥闯题的最伐解。最后，提嵌了一种基予混沌遗传算法和神 经网络游多参数决策的操作模式优化方法，获得可理解性强的优化 操作模式。 ( 4 ) 分绍了复杂有色金属熔炼过程操作模式智嚣皂优化方法鹩应 用。提如了一种炉况的综合评判方法来评估生产过程的运彳予状态， 以便能及时调整铬锌密闭鼓风炉的操作参数。将该方法应用予铅锌 密闭鼓风炉优化操作和故障诊断系统，该系统一直在稳定运行。开 发了铜转炉操作优化智能决镶支持系统，该系统以钢转炉操作参数 的滚动优化模型为基础，实现全过耧操作参数豹滚动优化决策。将 其应用于生产实践，使粗铜产量提高了6 ，冷料处理量提高了 7 8 ，炉衬寿命由原来的2 1 3 炉提高到2 3 5 炉，造镳期终点范围预 报成功率在8 5 以上。 现场研究和应用效果表明，本文提出的技术路线和操作模式智 能优化方法具有较强的实用性，易予在类似的复杂有色金属熔炼过 程中推广。 关键谲：数据挖掘，搽作模式，智能优化，有色金属熔炼过程 中辩太学媾奎学控论文 a b s t r a c t s m e l t i n gi s t h em a i nm e t a l l m g yt e c h n i q u et os m e l ts u c hh e a v y n o n f e r r o u sm e t a l sa sc o p p e r , l e a d ，z i n ca n dm c k e l i ti sav e r yc o m p l e x p r o c e s s 、) i ，i t l lp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r ea n d m u l t i c o m p o s i t i o n ，w h i c hh a ss u c h c h a r a c t e r i s t i c sa sm u l t i v a r i a b l e ， n o n l i n e a r i t y , s t r o n gc o u p l i n g ，l a r g ei n e r t i a ，t i m ev a r y i n ga n du n c e r t a i n t y , a n dm a n yp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s so fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e r i n g c a n n o tb em e a s u r e d 。i ti sa l m o s ti m p o s s i b l e t ob u i l dm a t h e m a t i c a l m o d e lt oo p t i m i z et h ep r o c e s so fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n g a t p r e s e n t ，i ti sd i f f i c u l tt om a k et e c h n i q u ei n d e x e so ft h ep r o c e s so f n o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n gs t e a d ya n do p t i m a li nal o n gt i m e b e c a u s em o s to f o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e dt h r o u g hh u m a n e x p e r i e n c e s ot h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d sf o r o p e r a t i o n a lp a t t e r n si nt h ep r o c e s so f n o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n gf o r r e d u c i n ge n e r g ya n dm a t e r i a lc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n gt h eu s a g e e f f i c i e n c yo fr e s o u r c ea n de q u i p m e n ti so fv e r yg r a n ds i g n i f i c a n c ef o r i m 秘o v m gp r o d u c t i o na b i l i t y a n dt e c h n i q u ei n d e x e s ，a n dr e a l i z i n g c o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs m e l t i n ge n t e r p r i s e nt h i sp a p e r , i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d so f o p e r a t i o n n l 燎t t e r n s i nt h ep r o c e s so fc o m p l e xn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n ga r ep r e s e n t e d b ye x p l o r i n g t h et r a n s l a t i o nr e l a t i o no f d a t a ，i n f o r m a t i o n ，k n o w l e d g ea n d i n t e l l i g e n tb e h a v i o ri nt h ep r o c e s so fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n g f i r s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c ha c t u a l i t i e so ft h ep r o c e s so f c o m p l e xn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n ga n da p p l i c a t i o n so f d a t am i n i n g i nt h ec o n t i n u o u si n d u s t r ya r ed i s c u s s e da n da n a l y z e da td e t a i l 。s e c o n d l y , af r a m e w o r ko fr o l l i n go p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o n a lp a t t e r n sb a s e do n p a t t e mm i n i n g i s s u g g e s t e d 。曩商啭l y , t h ei n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n m e t h o d so fo p e r a t i o n a lp a t t e r n sf o rs i n g l ep a r a m e t e r sd e c i s i o n - m a k i n g a n dm u l t i - p a r a m e t e r sd e c i s i o n - m a k i n gb a s e do nt h ef r a m e w o r ka r e s u g g e s t e d t h e s em e t h o d sw e r ea p p l i e di n t h ep r o c e s so fc o m p l e x n o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n gs u c c e s s f u l l y , a n dt h a ts o m ee x c e l l e n t r e s u l t sw e r ea c h i e v e ds h o w st h a tt h er e s e a r c hi se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l i nt h i sp a p e r , m a i nr e s u l t sa l ea sf o l l o w s 。 i i i 孛瘫丈学媾圭学位论文 a l 嫡- a e t ( 1 ) f r a m e w o r ko f r o l l i n go p t i m i z a t i o no f o p e r a t i o n a lp a t t e r n s o p e r a t i o n a lp a t t e r n s ，o p t i m a lo p e r a t i o n a lp a t t e r n sa n dp a t t e rm i n i n g i nt h ep r o c e s so f n o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n ga r ef o r m a ld e f i n e d t h e i d e at h a tt h et e c h n i q u er o u t eo f o p e r a t i o n a lp a t t e r so p t i m i z a t i o nt h r o u g h e f f e c t i v er o l e se x t r a c t e df r o ml o t so fr e a lt e c h n i c a ld a t aa c c u m u l a t e di n t h e p r o c e s s o fc o m p l e xn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n gu s i n gd a t a m i n i n gt e c h n o l o g yi ss u g g e s t e d af i 猫n e w o r ko fr o l l i n go p t i m i z a t i o no f o p e r a t i o n a lp a t t e r n sb a s e do np a t t e r nm i n i n gi ss u g g e s t e da f t e rs i j c h t h r e ep h a s e so fp a t t e r nm i n i n gi nt h ep r o c e s s o fc o m p l e xn o n f e r r o u s m e t a l l u r g ys m e l t i n ga sp a t t e r ns e ti n i t i a l i z a t i o n ，p a t t e r nd e c o m p o s i t i o n a n dr u l eg e n e r a t i o na r ed e s c r i b e d ( 2 ) i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n o fo p e r a t i o n a l p a r e m s f o r s i n g l e p a r a m e t e rd e c i s i o n - m a k i n g f i r s t l y , ad i s c r e t i z a t i o nm e t h o db a s e do nn e a rs u b c l u s t e r i n gi sp u t f o r w a r dt od i s c r e t i z ec o n t i n u o u sa t t r i b u t e su s i n gt h em e d tt h a tt h e s u b c l u s t e r i n gm e t h o dc a l lo b t a i nt h ec l u s t e rn u m b e ra u t o m a t i c a l l y t h e c l u s t e rn u m b e ra n dt h ei n i t i a lc e n t e r sa r eo b t a i n e db ya l li m p r o v e d s u b c l u s t e r i n gm e t h o d ，t h ec e n t e r so fc l u s t e r sa r ed e t e r m i n e db yn e a r c l u s t e r i n g , a n dc r i s pd i s c r e t i z a t i o na n df u z z yd i s c r e t i z a t i o na r ec a r r i e d o u tb yt h e s ec e n t e r so fc l u s t e r s 。s e c o n d l y , af a s tg e n e r a t i o nm e t h o do f f u z z yr u l e si sp r e s e n t e di no r d e rt o e x t r a c tt h el i n g u i s t i cr u l e sf r o m n t m a e r i c a ld a t a , a n da l lo p t i m i z a t i o nm e t h o df o ro p e r a t i o n a lp a t t e r n so f s i n g l ep a r a m e t e rd e c i s i o n m a k i n gb a s e do nf u z z y r u l e si ss u g g e s t e d a t l a s t , a no n - l i n ef o r e c a s t i n gm e t h o db a s e do ns e l f - t u n i n gs u p p o r tv e c t o r s r e g r e s s i o nf o rk e yp a r a m e t e r si sp u tf o r w a r d ，a n di ti sa p p l i e d t of o r e c a s t z i n co u t p u ti no r d e rt oe v a l u a t er u n n i n gs t a t u so fi m p e r i a ls m e l t i n g f u r n a c e ( i s f ) ( 3 )i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n o f o p e r a t i o n a l p a t t e r n s f o r m u l t i - p a r a m e t e r sd e c i s i o n m a k i n g f i r s t l y , c h a o t i cg r a d i e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d 奴s i n g l eo b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n i sp r e s e n t e d al o c a lm i n i m u mi so b t a i n e db y “r o u g h s e a r c h ”u s i n ga l li m p r o v e dm u t a t i v e - s t e pg r a d i e n td e s c e n d i n gm e t h o d ， a n dam o r eo p t i m a lm i n i m u mi so b t a i n e dt or e p l a c et h el o c a lm i n i m u m b y e l a b o r a t es e a r c h ”u s i n gam u t a t i v e - s c a l ec h a o t i cs e a r c ha l g o r i t h m 申塞夫学游士学靛论文a b s w a g t w h o s es c a l e sa r em a g n i f i e dg r a d u a l l yf i - o mas m a l ls c a l ei no r d e rt o e s c a p el o c a l m i n i m a g l o b a lo p t i m a ls o l u t i o nw i l lb ea t t a i n e d b y r e p e a t e d l yi t e r a t i n g s e c o n d l y , c h a o t i cg e n e t i co p t i m i z a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e d t o o p t i m i z e t h e o p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t h o u ts p e c i f i c f u n c t i o nf o r m 。i t sp r i n c i p l ei st h a tas m a l ld i s t u r b a n c ei sa d d e dt o o p t i m i z a t i o nv a r i a b l e su s i n gt h ec h a o t i cv a r i a b l e s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o n v a r i a b l e sw i t hl i t t l ed i s t u r b a n c ei sc o d e da n de v o l v e dg e n e r a t i o nb y g e n e r a t i o nu n t i lo p t i m a ls o l u t i o ni so b t a i n e d a tl a s t ，a ni n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do nc h a o t i cg e n e t i ca l g o r i t h ma n dn e u r a l n e t w o r ki s p r e s e n t e dt oo p t i m i z ea c c e s s i b l eo p e r a t i o n a lp a t t e r n sf o r m u l t i p a r a m e t e r s 。 ( 4 ) a p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d so fo p e r a t i o n a l p a t t e r n si nt h ep r o c e s so fc o m p l e xn o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n g a s y n t h e t i c a le v a l u a t i o nm e t h o do f t h er u n n i n gs t a t u so f l s fi sp u tu p i no r d e rt oa d j u s tp a r a m e t e r so ft h es m e l t i n gp r o c e s si nt i m ew h e nt h e s t a t u si sn o tg o o d i tw a sa p p l i e ds u c c e s s f u l l yt oa no p t i m a lo p e r a t i o n a n df a u l t d i a g n o s i ss y s t e m f o r i m p e r i a ls m e l t i n g f u r n a c e 。a d e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mf o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o ni nt h ep r o c e s so f m a t t e rc o n v e r t i n gi sd e v e l o p e dt h r o u g ht h em a i nr e s u l t si nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sb a s e do nar o l l i n go p t i m i z a t i o nd e c i s i o n - m a k i n gm o d e li n o r d e rt oo p t i m i z ea l lo fo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r si nt h ew h o l ep r o c e s s t h e a p p l i c a t i o nr e s u l t si nt h ep r o c e s so f c o p p e rc o n v e r t i n gf u l t t a c es h o wt h a t t h eo u t p u to fc o n v e r t e ri n c r e a s e sb y6 ，t h ea m o u n to ft h et r e a t e dc o o l m a t e r i a l sr i s e sb y7 8 。t h el i f es p a no ff u r n a c el i n e rr i s e sf r o m2 1 3 f u r n a c e st o215f u m a c e s ，a n dt h ea c c u r a c yo fp r e d i c t i o no fe n d p o i n t r a n g e i s u p t o8 5 。 i naw o r d ，t h e s er e s u l t ss h o wt h a tt h et e c h n o l o g yr o u t ea n di n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o nm e t h o d sa r es op r a c t i c a la n dp r o m i s i n gt h a ti t c a nb e p o p u l a r i z e di nt h es i m i l a ri n d u s t r i a lp r o c e s so fn o n f e r r o u sm e t a l l u r g y s m e l t i n g 。 k e yw o r d ：d a t am i n i n g ，o p e r a t i o n a lp a t t e m ，i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n ，t h e p r o c e s so f n o n f e r r o u sm e t a l l u r g ys m e l t i n g v 中南大学博士学位论文 研究背景与意义 商色金属在能源、航空、潦金、枫械、石油、化工、电器、医疗卫生等王 鼗部门中有着重要的应用，是民用工业、军事工业和高技术发展必不可少的基 破材料。邀年来，我髫有戗金属工业得到了持续快速的发展，形成了比较完善 的工业体系。2 0 0 2 年，我国1 0 静有色金属总产量首次突破1 0 0 0 万吨大关，达 到1 0 1 2 万缱，越过美鬣，跃麟徵界第一位。其中，阳极铜冶炼能力越过1 3 0 万吨每，羼世界第三位；矿产锻、锌的冶炼能力均屠世界第一位l l j 。有色金 属工业已成为支撑我国国民经济发展的支柱产业。 有色金属冶金方法一般分为灾法冶金和瀛法冶金两类。由予火法冶金具有 对原赳适应性较强、产量离、滚程篾单等特点，已成为青色金属，特别是重有 色金属冶炼的主要方法。例如，铜、镍、锻、镑、锡、汞等的生产都以全火法 流程为主，其提取过程由焙烧、熔炼、精炼等阶段组成，且均在商温下进行。 熔炼过程作为火法冶金的重要环节，除发生物料阕相互的反应、相交外，还伴 随有物质和热量的传递，是一个非常复杂的高温、多楣的物理化学过程。舅翦， 熔炼过程的操佟参数大多出生产搡作决策入员凭经验主蕊确定，这使得熔炼过 程的技术经济指标波动较大，单位产品的能耗和原材料消耗较高，有价金属蘧 渣损失较大，熔炼设备的生产潜力难以充分发挥。相当多的有色金属冶金企业 基本完成了决策管理层的信怠系统、网络系统的建设，过程控制级也大多采用 集数控制系统、p l c 系绕来实现底层自动化的参数稳定控制。在这些企业中， 如何在不增加和改变工艺流程和生产设备的前提下，通过操作参数的傀化设定， 使整个熔炼过程运行予最经济状态，达到节能降耗、减少有价金属随渣损失、 提高寅色金属矿产资源利用率的目的，已成为有色金属冶金行业广泛关注静闷 趣l 。 2 0 0 2 年，涵关澄院士、柴天佑院士牵头，联合清华大学、东北大学、浙江大 学、中南大学等众多舞校的过程控制领域麴知名专家学者组成课题组，邀露了冒 家9 7 3 项蹭“复杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法研究” ( 2 0 0 2 c b 3 1 2 0 0 ) 的研究。其中，浙江大学、中南大学负责予谍鼷“复杂生产制 造过程实时智能操作优化理论与方法研究”( 2 0 0 2 e b 3 1 2 0 3 ) ，圭要磅究复杂生产 过程的操作优化，阻提高设备的使用水平、增加产量、降低能耗等。2 0 0 3 年，为 了提高有色金属熔炼生产过程翡优化决策承平，国家自然科学基金委开始资韵了 “基于数据挖掘的铜镍熔炼过程智能决策理论与应用研究”( 5 0 3 7 钧7 9 ) 课题， 中南太学博士学位论文 这掰个漩题是本文磅宠工据黪蒸礁。 根据课题分工，本文以探索复杂工业生产过程的“数据信患知识麓 穗稃为9 转亿美系为技术鼯线，歼震了有色金耩熔炼j 童程操作穰蔽静餐能优纯 方法懿磷究工终。论文激象产邋程瓣稳定魏纯魏嚣标，在深入分褥有魁金属络 炼道程嗣特点的基础上，将数搬挖掘瓣总想弓l 入复杂衡色会震熔炼过稷的操作 优化研究中，研究并提出了基于数据挖掘技术的复杂有色金属熔炼过稷的操作 摸式撬纯方法。瘦弱效暴凌竣，采建零文爨出黪方法，霹以这墅g 提毫设备熬使 用永平、增艇产鬣、降 氐缝耗靛霆躲。 研究成粜 本文提出了一个鏊。芋模式挖箍豹搽侔模式滚薅傀能毽絮，然鬃在就槿絮懿基 础上，分别提如了单参数决策和多参数决熊的操作模式锷能优化穷法，井将其应 爝予复杂有色盒属熔炼过濮搡佟优讫决策，取褥了明敛的成效。童要磷究成果如 下； ( 1 ) 在形式貔撰述了骞色焱屡熔炼避獠黪搽俸摸式、稳纯搡捧搂焱及搽终 模式挖掘的基础上，撮出了一个基于模式挖掘的操作模式滚动优化框架，形成了 鏊警数据挖掘煞搽俸伉健技术鼹线。 ( 2 ) 提出了基予最邋邻减法聚类豹遗续黧藤性离教纯方法、模凝艇劐黪抉 速摭搦方法和基于模糊嫂则挖掘的单参数撵俸模斌优化方法，并提出了藻于简纯 支持向爨回归酌密闭皴飙妒关键参数预报方法以及炉况的综合评价方法。 ( 3 提出混淹襟瘦德纯方法、瀵涟遗传筑绲方法，势撬出蒸予潺淹遥筵俊 化方法和神经网络的多参数决策的操作模式优化方法。 9 8 ) ，还包含金、锻等贵金属。粗锚经电解而最后得到精铅( p b 9 9 9 9 5 ) ， 妒渣送麓纯炉处臻，回狡疑中酌肖价金属。密蓠焱风炉还原产玺酾锌蒸汽，默炉 顶进入冷凝室，缀冷凝聪得到粗锌( z n 9 8 ) ，再经蒸馏精炼，最后得到精锌 ( z n 9 9 。9 9 5 ) 。筑亳熬翁床敖滋静炉渣还含有一定瓣锌，经爝纯炉楚毽霹获得 次氧化锌。密闭鼓风炉炉气( 亦称低热值煤气) 缀过洗涤过滤后送余热电站做燃 瓣捷强。含硫静锸锌稽矿猩烧结邋程孛产震豹s 。2 濯气，邀入杀l 酸系统生产硫酸。 1 1 3 锯转炉镶镰吹练工艺过程 锔火法冶金的闪速熔炼工艺媳括硫化铜精矿造锍熔炼、锕毓吹炼_ j 鼬粳铜糙 烁。在闵遮熔炼练铜工艺中，闲速炉完成铜精矿豹焙烧、造锍，其产鼎黼位为 5 0 到7 0 的铜锍# 铜转炉完成铖锍的吹炼，除去铜锍中的铁和硫元素，其产最 为含铜9 8 5 以上豹粗锅；阳极炉一般为阐转炉，对粗铜进一步畿纯精练，其产 品为含铜9 9 。5 以上的阳极铜，然后送入铜电解槽中进行鼹解，获得含铜9 9 9 9 鞠极镉，弼辍铜为铜冶炼静最终产品。闵速炉、转炉和阳极妒被称秀销阗速熔 炼正艺中的“三大炉”。其中，转炉铜锍吹炼的主票设备为卧式转炉，又称皮尔 搿( w h p e i r c e ) 。史密斯( e a c s m i t h ) 转炉强】，简称p s 转妒，是1 9 0 9 年戳 来世界通用的铜锍吹炼设铸，全球矿产粗铜的大约8 0 都是用这种p s 转炉吹 练稍得的，其王 繁过程示意翔图1 2 鞠。 2 中辩太学诲士学蕴论文第一章绪论 ( 喜 图1 2 转炉工诈示意嘲 镭毓( 珠钢) 缀分主要是c u 2 s 、f e s 、f e 3 0 4 ，并禽少量鳓、动、n i 、c o 、 a s 、b i 、s b 等惩素豹蕊纯戆戬及金、镶弱锚族衾震。欧炼辩淘镧锍串鞭入空气 或富氧空气，将其中的铁、硫及其它商害杂质氧化除狡以获得粗铜，菸将贵众 属富集到粗铜中。铜锍的妖炼过程分为造渣期( 造渣一期s 。和造满二期s ：) 和造 镄麓( 8 麓，迄窍戆将其分荛造镪1 麓“1 3 1 耀”耧造铜2 期“b 2 麓”) 薄令除裁。 转炉姨练是一个阏歇戏分除段进静斡避程，从第一批锅镳麴入到最嚣一撼 粗铜排除为一个周期( 也称为炉次) ，f e s 、c u 2 s 氧化热力学性质的差髯是铜锍 分阶毅欢炼熬鬈论羧据。在s l 期翱入透爨豹漏锍和络裁鼓风狡炼，铜锍串豹f e s 优先氧化，生成f e o 并与加入的石英熔剂艇应生成炉浚。出于铡镳与炉渣密度 不同照两者的相互溶躺有限，因此熔体分为两层。当铜锍中f e s 氧化豫尽时， s l 麓缭寨，餐爨炉渣，稷疆密瀵垂帮转炉熬容欷再次热入镄镳，歼始第二个造 渣期s 2 期数咬燎。在b | 秘鹣期，c u 2 s 开始畿德生菠c 魄0 势避夏冬未被鬣 化的c u 2 s 发生交互殿应产出金属铜。未通过造漆脱除的f e 及遗铜期加入的冷 料串所含f e 被氧亿生成f e 3 0 , ，f e 3 0 4 与c u z o 等形成底渣，由予底渣含镉高， 敞吹炼结束后该炉次的底渣并誉排除，恧怒磐待下一| 妒次继续欧炼。欧炼过撩 发生豹主簧是铁、硫及其宅杂质麴氧化反应j 疆f e o 与炼剂的造瀵反应，反应放 出躬热足以抵偿操作避程巾的熟损耗并可使体系温度升至1 1 5 0 1 3 0 0 1 2 ，并艇 在热蕊富余戆壤况下嚣癸投入冷孝毒戳避免熔体瀵发过巍，爨就整令欢烁过程蔗 自热：i 行的。 造渣避程的主要化学殿应为： 2 f e s + 3 0 2 = 2 f e o + 2 s 0 2l ( 1 - 1 ) 2 f e o 十s i 0 2 = 2 f e o s i 0 2 ( 1 2 ) 在遣锯蘩，鬣在炉内豹自镶锍( 主簧戳c 。u 2 s 豹形式存在) 与鼓入炉癌静氧爱 中糍大学麟士学垃论文第一攀缝豫 应，生成糨钢和二氧化藏。其主要化学反暾先 2 c u ，s + 3 0 , = 2 c u ，0 + 2 s 0 2 个 ( 1 3 ) 2 c u ，o + c u ，s ：6 c u + s 0 2 幸 ( i - 4 ) 转炉产出的鞭镊由包予吊车送入阳极炉，遴一步进行火法糙炼后，铸造成 阳极板( 禽铜9 9 5 以上) ，送往融解车间进行电解精炼。欢炼产生的烟气经废 热锅炉回收余热联，进入球形烟邋，经沉尘室和呶收尘器进行处理后，送硫酸 车间制酸。其中废热锅炉和球型翻道收集的烟尘经破碎憝理后，作为闪遮炉的 烟袋，通过风动输送管道送入闪遴炉烟尘中闻仓。沉尘室翻转炉电收尘收集的 自烟尘迸彳予制粒处理。 1 1 3 滔稃薅练过程豹铙纯蠢舔 有色金属熔炼楚把含蠢侩金麟熬毖瓣( 糖矿、镜或渣) 和反旋裁( 畿德裁、 还原剂、硫化剂、燃料) 喷入强烈搅动的炉内，然后发生复杂的物理化学变化， 焉来提取满足一寇质量要求靛有价金属的过程。 铜转炉铜锍吹炼和密闭鼓风炉铅锌熔炼过程优化的日标主要脊 4 1 ： ( 1 ) 撼高产量。熔炼过程的产暴均为满是一定质量熬围的粗鑫属，如粗锶、 粗锌、粗锚及粗镍等。因此，在一定的质鬃范围内，熔炼缴产的目标是挖掘生产 潜力，提嶷产量。 ( 2 ) 降低渣中有价金属的含鬣。由予采用了高品位、高燃料等强化熔炼方 法，导致了熔炼炉渣中的露价金属( 如铜转炉的炉渣中含锕、铅镑密闭鼓风炉中 的炉渣中禽铅和含锌) 含爨偏高，降低了肖价金属豹直收率，从而间接减少了产 量戏增加能耗。因此，熔炼过程必须优化溅型，降低有价众属在渣中的熔解度， 提搿有价盒属的损失。 ( 3 ) 优化熔炼环境。熔炼过稳都是在糍温条彳牛下强烈搅拌熔体、冲刷炉顶、 炉巍耐火车季料，炉内会逐渐结疤、结瘤及耐火材料损耗，静致炉内有些地方炉体 要么变厚( 结疤、结瘤) ，耍么有螋地方炉体变薄，恶化熔炼环境。 因此，为了达弼班上弱的，熔炼过程希望能保持一个较好的稳定状态，如熔 体的温度要合适、稳定，不出现过热或过冷状态；熔体的流动均匀，不发生喷溅； 纯举反应均匀稳定，不出璃局部过反应或欠反应。这些必须在熔炼生产过程之前 确定合适的操作参数，或者在熔炼过程中出现不合适的扰动时调熬操作参数，以 利于实现熔炼过程优讫。 铅锌密闭鼓风炉熔炼过程是一种连续忒生产过程，铜转炉熔炼过程则是一 静警淘歌式生产过程。密闭鼓风妒熔炼邋程在熔练过程露要连续进行中游行热 毒 串南j 天学舔圭学链论空 第一章媾论 料，且熟风温发、底郝风压等绦作参数由于上游工序的原因产擞波动，导致生 产蠡巷不稳定。鞭诧，髂练过程矮关键酌溺蹶是如何评价生产过程获况，维持炉 况的稳患，减少因为炉况波动丽造成灼损失。耨铜转炉铜镳欢燎过程是一个闻 歇斌过稷，它的主要扰动来自予主要原料铜锍成分的波动，而铜锍是在每 次逡渣期嚣始靛裁热入了。霾鼗，在吹炼籍，麓定合逶浆搽捧参数，毅裸逶获 练过程熊稳定运行，是镄锍欧炼操终谯纯瓣主要 壬务。然后在整个唆炼过程孛， 只受维持系统的各种工慧参数不变既阿保持系统的稳淼优化。 1 2 有色金属冶龛过程操作优化研究现状 接爨广义静理瑟，互藏过稳往纯囊要毯括裁纯控制、搡佟优偬、皇声诗翔岛 谖度往诧三方甏救内容。程铁狻义上谫f 7 嘲，工数过程优纯黪摄搽传钱他。逶豢， 操作优化包括操作工序的优化和操作参数的优化。在未特别说明的情况下，本文 鼢臻律後纯捂搽佟参数静优纯。操作傀亿本质上楚稳定优纯，帮谯不修敬工蓉流 程、不增加生产设备的情况下，以提离技术经济效益等为目标，幂u 用过程信息， 通道监视系统翁运行，当祭统的环境交慧( 包括受萄、迸料成分辆进辩爨等) 发 生交纯对，谲整z 艺参数，或者为一些关键豹翅环控割系统串的菜整被控靠l 耋蘧 敷设定一令垅化瓣设定氆，镬系绞仍然处予德纯遴霉状态。葵浮徐椽壤爨俸瑷缝 济效菔的菜些指标，如产嫩最高、成本最低、能耗最小等。其应用系统般采用 递阶系统结构，操作傀纯滋位予矗接撩锖鼷之上，由上经梳秘用傀化模黧褥豺优 他的搽住参数，然爱以开黪或者耀蓼筑方式将筑饯熬操终参数转送绘臻麓豹控涮 系统。 操作优化本质是一个优化决策问题。一般来说，决策是通过表征系统特性的 模燮来实瑗熬。模婆l 遴豢霹分必数学模銎稻l # 数学攘鳖甄类；数学模鍪怒来源乎 人们对过稷与对象机理的认识而采用的精确的数学形式；非数学模裂是从人的经 验和生产数据中辨识幽过程与对象的状态以及操作参数与目标之阚的关系。非数 学摸麓煞建立鬟要两个稠麓菝存戆条传翻：一是皎集靛系统获态稻环境数蕹，= 是模型建宠者的概念、知识和经骏。圜此，可以将有色金属潦金过程操终优化方 法分为两类；一熊是基于机理模艘( 精确数学摸溅) 的优化方法，一类怒基于智 缝撰篷( 精确数学摸鳖) 靛优凭方法。嚣莲子麓能模爨静傀纯露法毽掰疆分凳 鼹类：一类是采月神经鼹终、遗传算法簿诗爨智靛方法建立的鏊予大量蜜际生产 数据的优化方法，一类是采用专家规则、模糊逻辑等方法建戴的基于领域专家长 潮穰鬃的知识酌优纯方法。 ( 1 ) 基于桃理建摸的操作优化方淡 基于机理建模的操作参数在线优化一般通过在某一个时间段的简他的物料 中南大学博士学位论文第一章绪论 平衡计算、能量平衡计算，或某个环节的机理比较简单的过程模型，建立以生产 质量或产量为目标的多约束、多变量的线性或非线性规划，求得优化的操作参数， 为有色金属冶金过程的闭环控制提供设定值。j o r g c n s o n 等人【lo 】采用商业软件 c f x 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。梅炽等人【“】采用数值计算方法 求解在不同操作条件下铝电解槽内的热传递方程、动量传递方程( n a v i s t o c k 方 程) 和质量传递方程，得到在不同操作条件下电解槽内的温度分布、流速分布和 浓度分布，为工艺设计提供优化方案，并为操作提供原则性的指导。g o t d l 2 基 于布利克林牛顿拉夫森( b r i n k l y - n e w t o n r a p h s o n ) 法，于1 9 7 4 年提出了一个 计算造锍熔炼过程中熔锍、渣和气三相化学平衡的模型，简称后藤模型。t a n p e n g f u 等人i