（控制理论与控制工程专业论文）密闭鼓风炉熔炼过程烧结块软化点智能集成预测模型的研究.pdf

中南大学颂l 论文 摘玺 摘要 烧结块软化点是影响密闭鼓风炉熔炼过料的一个关键因素。烧结块软化温度不仅影响密“j 鼓风 炉熔炼过程中软熔带的分布和透气性指数而且还影响密f j 】鼓风炉的炉况利送风时间。 影响烧结块软化点因素的复杂性决定了常规单一的建模方法无法满足控制精度要求冈此本文 提山了智能集成综台建模的方法，通过一个晟优组合算法求得晟优加权系数使误筹平方和晟小。通 过智能集成建模方法将神经网络、多元线性同门方法结合，解决了神经网络模删对数据样本术覆薷 | j ( 域的预测效果较筹及线性规划模刑精度不高的缺憾。建立了烧结块的软化点平烧结块成分之问的 集成预洲模型及炉渣熔点和炉渣成分之间的芙系模型。仿直坌占果# j 实践表明该模掣的结聚能啦满 足现场的要求，同时表明该集成建模方法切实可行。 论文首先介圣f 了密闭鼓风炉熔炼过种中存扫：的些问题然后扫：基1 ：机理分析的基础 圳建 立了二种模型：烧结块软化点与烧结块成分之间的多元线性同门模型、人i 神经网络模刑和f 钾能集 成模型计给山了相应的仿真结果。最后介纠了系统软什的开发与戍川情况及课题的结论。 戈键词：智能集成，数学模型神经网络线性同1 集成建模 中南大学硕士论文 a b s i r a c l a b s t r a c t t h e n i n gp o i n to fs i i i 把r i sak e yf a c t o rt h a ta f f b c t st l l es m e l t i n gp r o c c s so f i m p c r i a ls m e l l l n g f u m a c e ( i s f ) t h e n 明i “gt e m 伴釉t i i 陀o f s i n t e r i n gi s 柚i m p o r t 柚c ep a 憎m e t e rt l l 耻i n n u e n c e st t i e 叫t p u t s o f t h ei s f ，w h i c ha 行酏n o t 咖l yt h ed j g t r i b u t i n go fs o 俳m e l t i n gz o n c 柚dp e 丌t l b i l i 妙i ni s f ，b u ta l s ot h e n i n l a c es 切f u sa n db l a s tt i m e t h ec m n p l e ) 【i t yo f m m i n gp o i mo fs i n t e rd e c i d e st t i a tt h ec l a s s i c a im o d e l sc a n n o tm e c tt h ec o n t m l p r e c i s i o n ，8 q u i r 啪e n t s s o a ni n t e j i i g 咖m o d e l i n t e g r a t e dw j t ht 1 1 cn nm o d e l 柚dt h el i n e 盯r e g r e s s i o n m o d e l i sp r e s e n t e di nt 1 1 i sp a 阿，w h i c hi sb 钙e do nt l el e a s is q i l a r eo p t i m a lw e i g h t s 盯i t h m e t i c t h i sm e t h o d r e s o l v e st h ed i s a d v a n t a g e so f n na f i dl i n e a rr 铝r e s s i o n ，a n d 聘b u “d sa 糟】a l i o nm o d e ib e t w e e nt h es o f k n i n g p o i n to f s i n t e ra n dt i l ei n g 刚i e n bo fs i n t e l1 1 1 es i m u l a t i o n 锄dp r a c t i c a im n n i n gr e s u 怄n o to n i ys h o wt h a t m er e s u bo f t l l em o d e ic 锄s 乱i s 毋t h er e q u i r e m e n t so f t h es i t e ，b u la i s op r o v ei h a tt 1 1 i si n i e l l i g c n ti n t e g r a t e d m o d e ii sf b b l e f i r s t i y ，t i l ep m b j e m so n h es i n k “gp r o c e s so fi s fa r eb r i e f l yd e s c n b e di nt i i i sp a p e r ，s e c o n d i y ，t h e l i n e 盯r e 蜩i 咖m o d e l ，t l l en nm o d e la r i dt 1 1 ei m e i i i g 蛐ti n 嘲卵地dm o d e i 枷帅gt h es o n e n i n gp o i n t 锄d t 1 1 ei n g r e d i e n t so fs j 眦ra 他p r e s 蛐t e db a s e do nt h e s t i l d yo f t h em e c h a n i s m 卸a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o n r e s u a 化舀v e n f i n a l l y i ii si n t r o d u c e dt h ec o n c i u s i o no r t h i sp r o j e c lt h ed e v e l o p m e n ta n d1 h e 印p l i c a t i o n o f t h es y s t e ms o m ”r e k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ti n t e g r a t i n 岛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 ，l i n e a rr e g r e s s i o n 主堕叁兰堡! 堕奎 兰二主堡嬖塑! 望垦丝! 些 第一章课题的来源及意义 韶关冶炼厂运用先进的计算机控制技术、先进的i s pl ：艺取得了和显著的效茄，但是对 丁鼓风炉熔炼过程这种典型的强耦台、人滞厉的非线性过程仍然人有潜力可挖。本章主要介 绍韶冶i s p 过程生产概况以及其国内外研究的现状最后说明本课题的意义及研究方法。 1 1 韶关冶炼厂i s p 过程生产概况 密闭鼓风炉铅锌冶炼工艺即i s p ( i m d e r i a ls m e ltp r o c e s s ) t 艺为英国帝国熔炼公 司推 n 的专利技术，是近代火法炼钳锌的先进方法之一。这种方法的l ：艺优势在r 能在同一 冶炼过程中冶炼出锚、锌两种金属( 根据铅、锌熔沸点的小伺) 。 韶笑冶炼厂是岭南铅锌集团公司下属的国有人型有色金属冶炼生产企业，生产经验 二 富，技术力量雄厚。韶关冶炼厂于1 9 7 5 年止式投产以来至今已二十多年历史。在第一座 密闭鼓风炉达到设计能力的基础上，韶关冶炼厂_ 二系统的第二庵密闭鼓风炉义丁1 9 9 6 年投 入生产。其中经多次技术改造装备水平乖i ，f 二产能力均有人幅提高。特别是在1 9 9 7 年完成 技术改造项目以后烧结、鼓风两人主体生产车间均采川了集散型控制系统( d c s ) 和可编 程控制器( p l c ) 。其中一系统中烧结车间采_ 【i j 了臼本横河的y e w p a c km 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 可编样挖制器( p l c ) ，完成，烧结全过程的顺 序控制、l 。艺检测及控制；熔炼车间采刚y 明p c k 的换代广品ux ld 鹋系统实现对鼓 风炉的l ：艺检测与控制，并采用p c 9 8 4 6 8 0 完成r 鼓风炉全自动上料。在一二系统，烧结和熔 炼卞问均采川x ld c s 系统和p c 9 8 4 6 8 0 系统。这! 系统的采川与实施可为密| = j j 鼓风炉 娆结熔炼过程的建模研究提供丰富的现场数据。 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l 有了长足的进展。这一时期国外许多冶炼 企业已采j i j 先进的智能仪表或集散控制系统来实现生产过程的臼动控制。如澳人利弧的里斯 登电锌厂采用f o x b o r o 的s p e c 2 0 0 过程装置，对炼锌过程的沸腾焙烧1 艺进行控制，采j i j k e 肌的智能单同路调节器对锌浸出及过滤等l 艺进行白动控制：加拿人科明科一特雷乐电 锌厂采埘h o n e w e 乙l 的t d c 一2 0 0 0 集散系统和i 蹦1 8 0 0 上位机系统对焙烧、浸出及制酸l 。艺 进行自动控制；意大乖j 雏斯姆港电锌厂采耀f i s i i e r 的p r o v o x 氯敖系统与s i a 崛幅的s i t i c 系列p c 机对焙烧、浸出及制酸等：r 艺进行自动控制并_ 【f jh p 3 0 0 0 计算机作为过程级的上位 监控与管理机。这些集放控制系统实现了有包金属冶炼过程中过拌参数的单同路稳定控制。 国外在i s p 工艺过程的模型和优化方面做了很多i ：作，同时已有些通过优化控制鼓风 炉增产增效的例子。关1 二i s p 过程的数学模型研究进行了l o 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型，根据烧结机混台水分与透气性曲 线控制了烧结块的水分。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、 箍纳罗弧三座i s p 炉的正常操作条件做过预测返到了一定的精度。欧洲金属公可与金属矿 中南大学硕 一论文 第一章课题的柬源驶意义 产研究院台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件对i 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：过程基丁操作条件模型，实现密闭鼓风炉铅 锌冶炼生产的规范化操作，使密闭鼓风炉的产鼙增加_ rl ( ) 。口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合料的水分，最终使烧结块产量增加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晟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k 鼓风炉休风周期l 周左右。 目前，国外有色金属t 业过程自动化已达到个较高的水平。事实说明：自动化技术在 有色金属生产过程中综合集成应用对1 ：提高产昔、质晕，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。 1 2 2 国内研究现状 我国有色金属人中型骨干企业的生产1 艺技术己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t i 界先进水下筹距较人。尽管我国某些人中型骨干 企业已采j ；i jd c s 集敬控制系统，但由j ：缺乏先进的控制和f 优化扳术的支持这些系统仅仅墩 代了原有i i l 型仪表远没有发挥集散控制系统的作用。 由丁有色金属冶炼过程内部情况异常复杂，影响冈索众多，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1 作尚在探索中其中研究较早的足基于机 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”。这种控制手段届1 ：优化控制的初级阶段，研制周期k ，移植性筹。 目前已有学者进行丁基j 。n n 的有色金属冶炼过程稳态优化控制研究”l ，但这仪是对复杂过 程过程描述的一些尝试，离实际r 业过群优化控制的实现目标尚远。冈为对丁一个实际的复 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、参数多且关联耦合严 重所包含的信息有定性、定量、卜定鼍等多种模态，单一的n n 、专家知识、机理模型无 法准确的描述一个实际i 业生产过程，同时单1 r 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。这一思想在一些文献中已初! l l 端倪 如文献”“”采h j 基于规则模型和稳态数学模型组合式模型的专家控制策略实现锌湿法过稗 的优化控制，文献将人一 智能、专家控制和i 神经模型控制相综合实现铝厂熟料窖温度控制。 就i s p 而言，由于国内开展工作较晚。对r 鼓风炉再个运行参数之间生产目标与r 艺 参数之问的关系缺乏研究。 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 ) 鼓风炉炉项温度控制、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，对丁生产目标( 提高产质量，增加s 如浓度。降低渣锌比) 与j ：艺参数问关系 堕叁兰堡：! 堡；! j ! ； 里二童堡璧塑查塑丝窒墨 的了解不够全面，目前这些单回路的跟踪调竹控制无法使整个系统远行于最佳状态a 综上所述对i s p 工艺而言我们要花人力气研究适应丁我国i s p _ 艺的过程的控制模 型，迫切需要实现炉内参数的软测量、炉况仿真、故障诊断、信息决策与管理等一一系列荚键 技术的开发。这些关键技术有望提高有色金属企业的综合自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 目前国内人多数有色厂矿企业己采朋o c s 集敌控制系统，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，但由1 仃乜金属冶炼过挫反廊机理异常复杂，过程控 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昭，d c s 系统的控 制参数设定仅能依靠经验获取这人人影响j 先进的自动化系统充分发扦其作用。 由丁密闭鼓风炉的内部冈素关系复杂，要全而及时地了解炉况，必须采州计算机进行信 息的采集、加1 和处理，建立相关模型进行计算机控制，才能达到良盘，的经济技术指标。 目前，韶天冶炼，的丁作a 员仅仅只考虑到烧缔块软化点对炉况的影响，进 ，一些跟踪实 验。对此，我们根据对实验数据的分析和研究，我们着重分析了烧结块成分与烧结块软化点 之间荚系，建立了烧结块软化点的综合预测模型。同时在此基础上分析了渣型熔点与炉渣成 分之间的关系模型。为操作人员提供了判断炉况及分析炉况的有力依据。在这一前提卜，受 国家计委高新技术产业化示范“熔炼过稃透气性动态仿真、炉况状态显示和故障诊断系统” 的资助，本课题进行烧结块软化点的智能集成建模方法及其在i s p 熔炼过程控制中的麻_ l j 研 究从而为实现炉况的稳定提供指导作川。 本课题以i s p 铅锌熔炼过程为背景，删望通过多学科理论j - 技术的集成融合，建证r i s p 熔炼过程中的烧结块软化点与烧结块符成分之间的预测的模型，来指导牛产政善密闭鼓 风炉的炉况，从而提高鼓风炉的产量。为生广实际服务给企业带来显著的经济效益，提高 我国冶金行业的生产水平。 1 3 ，2 课题的提出及意义 i s p 熔炼过程最重要环节是要保持密闭鼓风炉炉况的稳定性。冈为鼓风炉炉况直接影响 到鼓风炉生产能力的提高保持好的炉况不仅可以提高生产产量而且可以延长| 鼓风炉的使h 】 寿命。 然而，烧结块是密闭鼓风炉炼铅锌的主要妒料密闭鼓风炉的操作指标离不开烧结矿的 质量。烧结块的质量从总体上来说包括化学成分，物理性能和冶金性能三个部分，它们 三者之间的关系是：化学成分是基础物理性能是保证，冶金性能是关键。衡量烧结块质譬 盘f 坏的参数有物理特性参数和化学特性参数我1 f j i 哑过调奄烧练块物理、化学特性与鼓风炉 生产水平之间的相互关系来考察烧结块质量对鼓风妒生产的影响。就冶金性能而言，炉料的 软化点和软化区间是影响密闭鼓风炉熔炼的关键口 l 素而烧结块软化点是衡量烧结块质鼙的 项比较综台的物理参数，可以 ；i 来考察烧结块扫r 高湍r 的抗软化能力。田此我们希望通 过烧结块软化点的高低来人致判断鼓风炉炉况。在本文巾，我们通过研究烧结块软化点和烧 结块之间的成分之间的关系建立了烧结块软化点自i 成分之问的预测模型。把从网络上采集到 中南大学硕士论文 第。帝谩题的柬源及意义 的烧结块成分的数据代入到我们的预测模型中即u r 求预测的软化点数值，以此数值来人致 判断目前鼓风炉炉况的好坏。 妒料的软化开始温度和软化终了瀑度是炉魁的物理化学性能的一个关键参数，它影响密 闭鼓风炉内软熔带的分布和密闭鼓风炉的炉况。有资料表明，密闭鼓风炉锌的产量和烧结块 的软化点有近似的线性关系。荷重软化性能决定着密闭鼓风炉中部的透气性。在密闭鼓风炉 炉冶炼过程中由于烧结块的荷重软化性能不良往往会引起悬料和炉腰结厚。密闭鼓风炉 一般要求烧结矿的开始软化温度高于9 8 0 。软化| x 问为】5 0 左右。因此，研究和改善烧 结矿的荷重软化性能，对密闭鼓风炉冶炼有着重要的意义。 烧结块软化温度t ，( 烧结块体积收缩3 时的温度) 是影响密闭鼓风炉熔炼的一个天键 因素。烧结块软化温度不仅影响密闭鼓风炉熔炼过释中软熔带的分布和透气性指数，而且还 影响密闭鼓风炉的炉况和送风时间是影响密闭鼓风炉产茸的一个重要参数。目前，韶荚冶 炼厂的】：程技术人员已经注意到了烧结块软化点对士鑫炼过程的影响，进行了人量的实验，但 他们只是把实验结果作为判断炉况的一个因素，没有j h 来研究和建立烧结块的软化点模型。 我们通过分析影响烧结块软化点的主要因素来研究烧结块软化点的模型，本文提山“密l ：j 鼓风炉熔炼过程烧结块软化点集成预测模型的研究”作为课题迸ij ：研究。通过建芷烧绵块的 软化点集成预测关系模型，根据现场的实际情况在线预测软化点的变化趋势，为在线优化 鼓风炉软化点提供操作指导不但可以使鼓风炉加科量增加而且可以稳定鼓风炉炉况，减 少休风和停炉的时间提高生产产量，促进熔炼过样的自动化水平的提高。 1 3 3 课题解决方案 鼓风炉熔炼过样备运行参数与状态参数以及目标参数之间的芙系寸分复杂是个典删 的强耦台、人滞后的1 e 线性过程。对r 非线性过剃传统方法是闱绕过程作用点将过程模型 线性化。显然传统的方法对于上艺流徉复杂、j 有慢时变、分布参数、诈线性、人时滞特 性，难以精确描述数学模型的对象滩以获得满意的结果如果采埘传统r 业过程建模方法即 机理建模和基r 系统辨识的建模方法也很难建识精度较高的模弛。为了很好地解决以上的 问题在本文f t 我们提出了综_ 台预测模型。不仅很蚶地反映了事物内部的发展的内n 田素，而 且很好地解决了模即的非线性问题。 ( 一) 各种智能方法的比较分析 机理建模是对过程的严密描述，在很人程度i 依靠科研和样开发人员对实际l ：业过样 的理论和化学、物理过程原理认识由j 实际过稃的复杂性和不确定性，对丁l ：业过程建立 严格机理模型十分困难，所花费的时间和资金很多。系统辨识在确定模型类的情况f 根据 输入输山数据直接得到模型，建模过程容易，但川丁1 ：线性系统辨识的模弛类无法满足千变 万化的非线性过程，因此用丁非线性业过程建模的丰青度不理想。 一直以来，国内外学者在不断寻求更好的建模方法。直到人丁智能出现后复杂1 一业过 程模犁化研究才有所突破。人工智能经过四十多年的发展，已开发出许多相关理论和技术”1 如专家系统、神经网络、模糊技术和遗传算法等技术，这些技术己渗透剑其它各个领域。传 统的预测方法有时间序列方法。回归分析方法等，它们都取 导_ 不同程度的成功。但是这些 方法都存在着一些缺陷，其中时间序列方法不易考虑进炉原料性质的影响回归分析方法存 4 中南大学硕：i 论文第一章课题的来源艘意义 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。 专家系统”0 1 是一个具有人量专】知识与经验的智能计算机程序系统，它麻h 】人1 智能 技术，根据某个领域一个或多个人类专家提供的知识承j 经验进 j 推理和判断+ 摸拟人类专家 的决策过程，以解决那些需要专家决定的复杂问题。专家系统具有全面性、时空无限 i ；4 性、 稳定性和廉价性等优点但专家系统存在知识获墩的“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“是基于模糊集合理论的信息处理技术它通过定义模糊变苗、模糊集合 及相戍的隶属函数采用一些模糊条件句来描述输入与输出之阃的映射关系。闻而特别适合 处理过程中的不确定性信息不会产生朋传统专家系统进行推理所山现的问题，能很好地处 理生产过程中存在的大量不确定性信息。不过，模彻技术也存在知识获取的“瓶颈”，同时 这种方法在确定规则数、模糊隶属度甬数等时需要有救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1 ”“。是由人量与生物神经系统的神经细胞相类似的人l 神经元互连而组成的 网络。它基丁人脑的组织模式，将众多结构羽j 功能极其简单的神经元通过各种方式j 【) 接成一 个复杂的网络结构，咀实现复杂的智能行为。它依据从实际系统中采集到的数据建模，具有 大规模并行处理、知识分布存储、自学习能力强、容错性好等特点但神经网络是一种黑箱 模型模璎不具透明性，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皱 大，当输入较多时，网络结构复杂，网络训缘耗时，收敛速度慢。 ( 二二) 智能集成建模的必要性 山上所述可知，尽管各种建模方法都有其优缺点，但譬家系统能处理定性、启发式和j 不 确定的知识信息。可以根据复杂 ：业过拌中已有的二# 寓专家知识羊i 】操作经验对过程进行描 述：而回归分析方法能够描叙事物各要素之问的相互戈系，它反映了事物发展的内在因素； 另外，模糊技术能很好的处理过程中的不确定性信息乖1 人i 神经网络能够建立任意扑线性的 模型，f = 适丁解决时间序列预报问题( 尤其足平稳随机过程的预报) ，神经网络在处理1 l ：线性、 不确定性方面具有优势，可用来拟台复杂过挫中f f j f 线性芙系”“。但是，对丁存征伊线性、 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r 业过拌，这两种 预测方法并存住一定的缺点预测的精度不高。为r 弥补单个预测模型对丁预测问题的片面 性，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同归分析方法的软化点集 成预锲4 模型。针对鼓风炉熔炼过程是一个非线性、不确定性、大时滞、参数分布性和时变性 等复杂内在机理的工业过程特点。在这一课题研究中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平生广。边界条什等要素，再根据冶金1 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、同门分析方法在内的智能化集成建模技术建立：软 化点的预测模型，并且能够根据新的生产情况实现模型的在线修止。获得当前入炉烧结块的 化学成分t 输入已经建立的烧结块的软化点和化学成分之间的关系模型，得出预测的软化点 数值可以给操作人员提供参考以提前采取措施来控制炉况，克服了原来的操作制度的滞后 性，真正保持炉况的稳定，维持生产的止常进行。 中南人学硕l 论文 第二聋j s p 熔炼过程机理分析 第二章i s p 熔炼过程机理分析 密闭鼓风炉铅锌冶炼生产过程主要包括两个部分，即烧结与熔炼过程，前者以烧结机为 主体，后者以密闭鼓风炉为主体。i s p 过程的物理化学反应十分复杂，操作条件要求比较严 格入炉物料的配比要求也非常的精确，是典型的复杂连续生产过程。本章主要介绑密| = j ：i 鼓 风炉熔炼过程和工艺熔炼过程的重要参数以及熔炼过程控制中存在的问题。 2 1密闭鼓风炉熔炼过程工艺流程介绍 i s p i ：艺过程如f ( i s p 工艺流程图如图2 1 所示) ：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，左掉多余的水分。然后与烧结机返粉、i i 灰 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定强度和透气性的烧结块。烧结 块经破碎筛分筛选山一定人小的台格烧结块送密刚鼓风炉，即i s f 炉( i m p e r i a ls m e l t f u r n a c e ) 进行熔炼；不合格的烧结块再经冷却、破碎做为烧结配料的返料使川。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f 鼓入8 0 0 以上的热风炉科在高温f 进行反麻。早熔体状态的铅与炉 清定期从炉子的底部排出，进入电热前床进行分离从排铅口直接得到椒锚( p b 9 8 ) ，其 中也包含了金、银等贵金属。粗铅经电解币】晟后得剑精铅( 】b 9 9 9 9 5 ) 炉渣送烟化炉处 理，【n 】收其中的有价金属。鼓风炉还原产生的锌蒸汽从炉顶进入冷凝室，经冷凝后得到相 锌( z n 9 8 ) ，再经蒸馏精炼，最后得到精锌( z n 9 99 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玖氧化锌。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用。含硫的铅锌精矿订烧结过稃中，“生的s 吼烟气，送入制酸系统生 产硫酸。 i s pj ：艺的特点： 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+ 艺流 程，建厂占地面积小设备台数减小，投资较省。 2 ) 对原料具有r 泛的适应性，通过配料，烧结或压团，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铅混合精矿湿法炼锌或传统炼铅法难以处理的不纯锌精 矿和铅精矿低品位复杂精矿以及辑种含锌，锚的_ 二次物料。 3 ) 锻是在不额外消耗焦碳的条件下可以得到，网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 ) 该法商接加热，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r 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，可用r 预热空气和焦碳，干燥精矿和发电。 塑查兰塑笙兰 兰三皇j 竺兰塑翌苎塑塑 6 ) 可有效地回收有价金属，如金、银、铜、镉等。 铅锌混合辅矿 围2 1密仞】鼓风炉铅锌冶炼i s p 过程l ：艺流样 2 2 熔炼过程简介 i s p 的熔炼过程是采用i 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，扑且可以同时还原两种 主要的金属铅和锌。直升烟道俗称为方箱方箱内的乐力在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杯忠。炉顶南北两探料轩的信号没有采 h 训算机自 动采集，而采川人j ：采集的办法通过电话传送到控制仪表室。 i s pi ：艺“”晟终的目的是还原出一定质精的铅、锌而熔炼过程虽终的产品是粗钳和粗 锌，只有熔炼过程顺利进行，才能保证一定产龉的粗铅和粗锌因此，熔炼过程是否顺利进 行，是能否提高整个i s p 生产产量和质鼙的天键所在。 铅锌密闭鼓风炉熔炼是用冶金焦碳作为还隙剂的还原过程，它和铅鼓风炉熔炼相似又 与炼铁高炉熔炼相似。为了使炉料中的锌尽量被还原。又防j 卜炉料中的铁被还原成金属铁 造成炉缸积铁和放造困难整个熔蠛过程中控制的还原气氛比炼铅鼓风炉强，比炼铁高炉弱， 即炉料中的铁最终只能放还原成氧化距铁( f e 0 ) ，使其进入炉渣。 炉料中的氧化锌有4 0 是在固态中被还原，而6 0 是稿二液态炉渣t 被还原的，因此炉料 中氧化锌被还原的程度最终取决_ 丁二炉渣中氧化锌被还原的程度。 氧化锌的还原和炉渣的熔化需要消耗大最的热这些热量主要依靠焦碳的燃烧和热风供 给。在风口区造成1 4 0 0 的高温来保证炉渣的熔化平过热，炉渣中的氧化锌在此带披迅速 ! 堕叁兰堡! ：笙兰 兰= 翌! ! ! 竺竺整堡! 婴! ! 塑 还原。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 十魄= 2 c o z n 0 + c 0 = z n + c 0 2 p b o + c o = p b + c 0 2 2 c 0 + 0 2 = 2 c 仉+ q c 如+ c = 2 c 0 一q z n o + c = z n + c o f eo + c = f e + c o z n o + f e = z n + f e 0 3 f e 2 0 1 + c o = 2 f e ，o + c 0 2 2 f e 2 0 ，+ c = 4 f e 0 + c 0 2 由于铅锌的沸点差异较人( 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，由丁比重不同而分层，较重的铅沉在f 层，由女r 吸口放出，产出粗铅，炉渣从渣l 放山 送烟化炉处理和直接水淬；锌成气体状态与炉气一起进入炉，顶部空间。为了尽可能减少锌 从料面山来到进入冷凝器之前被氧化，就要住炉f 上部空问鼓入一次空气( 俗称二7 父风) ， 使得炉气中的使c 0 燃烧成为c o z ，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气( 约7 ) 顺 利到达冷凝器中。从熟力学的观点来看，在这过释中，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刮可以允许的程度也是能够做剑的。刚锚啊作为冷凝 介质具有很人的传热系数和很人的交换面积它能够很盘地强化锌的物理凝聚过稗而把化 学再氧化过程削弱到最小限度。在铅雨冷凝器t - 。箭 雨吸收了炉气中的锌年热量，使钳液温 度升高( 5 1 0 5 3 0 ) 同时熔解的锌量也提高了。由丁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剑冷却分离系统，温度被降至4 3 0 “5 这 时部分锌从铅液中析出并因比重的差异而分离，铅液重新返嗣冷凝器中，而锌液则溢流到 贮锌槽中加热而成为产品粗锌。从铅辞混合液r j ，分离锌，士要利川了液体锌舀：液体铅中的溶 解度随温度的变化而不同。 此外从冷凝器出来的炉气中含有一定苗的铅锌，通过炉气冷却、洗涤塔和i 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【i = i l 烧结车问。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合物进行吹炼，住高温f 使游离的及化合物的金 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) 返同饶 结配料或作为生产硫酸锌的一种原料。 2 3 熔炼过程的重要参数 密闭鼓风炉是一个封闭的空间，冶金化学反麻在里面激烈进行给数据检测带米困难 目前熔炼过程可得到的参数不多。就入炉物料条什而青，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。丽对r 作 炉l j | 的操作参数和运行参数，可测罱只有料托高度、底部风虽、底部风压、一次风龄和风压、 8 中南人学硕卜论j ： 第帝i s p 熔炼过理机理分折 炉顶温度、炉顶风量和渣含锌以及人1 ：可观察的漓驰。而鼓风炉其他部位的气体含鼍、温度 分布、压力分布等重要数据无从检测，从这一点来讲，对鼓风炉熔炼过程的状态判断是一个 典型的“黑箱”。 但从现场以有的检测数据结合鼓风炉熔炼的现场经验，我们从一些重要的参数中可以分 析剑熔炼过程的某些状态，从而为控制熔炼过程提供信息。通过理论分析结合现场的经验， 可以发现如f 的参数可以作为对鼓风炉熔炼状态的判断。 ( 1 ) 底部风量和底部风压； ( 2 ) 渣含锌： ( 3 ) 渣型。 底部风量和底部风压可以用来判断鼓风炉的透气性状况，如果底部风量较小，而风压值 较大则鼓风炉透气性较差。渣含锌如果 8 ，则炉内还原气氛较弱；如果渣禽锌( 5 ，则 炉内构还躁气氛较强。从渣型来看，如聚渣、温高，颜色偏黄，则还原气氛太弱：如果渣温高， 渣的颜色偏白，f l 【i i 炉内的还原气氛较强可以川柬判断炉内的还原气氛。 当然，仅仅凭借以上三个参数米判断鼓风炉熔炼的状态远远不够，在实际的操作和以后 的控制巾我们要凭借现场的实际生产经验来指导生产。 2 4 密闭鼓风炉熔炼过程中存在的一些问题 熔炼过程炉内反应也非常复杂，影响因素也很多但由于数据检测凼难，可测可控的过 程参数并不根多。整个密闭鼓风炉内部反应很人辑度 ：处于未知状态。熔炼过程最天键的问 题是如何维持炉况稳定例如炉内结瘤引起清炉休风将使企业损火上卣万元。由丁冶金界对 锚锌熔炼炉内部的研究远不如对炼铁高炉发腱得那样成熟，迄今为i r 对锚锌熔炼炉的操作条 件与过程参数之间、过程参数与生产目标之间咀及炉内并反应进鞋的极为复杂的制约哭系 无可靠的研究结果能够利用，因而使得鼓风炉的操作水平不高，操作方式不够完善，t 要表 现在以卜| 几个方面： 1 ) 鼓风炉的操作主要靠肉眼观察炉渣和凭风压风餐风温等简单的仪表数据判断炉况 这样容易造成炉况不稳鼓风炉的经济技术指标著。事实上，在韶冶的实际熔炼中，现场对 鼓风炉的操作大多都是凭借操作1 人的现场经验盎进行，每个1 人的实际经验剪不致， 并且人为的主观性太大，这样实际的揲作往往) f 不能使鼓风炉熔炼顺利进行u 容易对鼓风 炉生产造成波动影响炉龄。 2 ) 系统采集的数据，大部分仅作为生广：考核i l 匀指标，而没有把它们川来指导实际的生 产操作。例如，烧结块的成分，炉渣的成分等数据，仅j j 来考察铅锌的直收率，或者简单地 做炉况的主观判断没有用来建立起与炉况及操作的关系模型。 密闭鼓风炉( r s f ) 炼铅锌的熔炼过程是一个极其复杂的物理、化学反应过程是一个 典型的人滞后、时变、分布参数、非线性、多输入多输出系统。烧结块软化温度l ( 烧结块 体积收缩3 时的温度) 是影响密闭鼓风炉熔炼的一个关键因素。烧结块软化温度不仅影响 密闭鼓风炉熔炼过程中软熔带的分布和透气性指数而且还影响密闭鼓风炉的炉况干送风时 间。影响烧结块软化温度主要由烧结块的化学成分狄定的。所以本文提出预测密闭鼓风炉的 烧结块软化点有很人的实际意义建立烧结块软化点平烧结块成分之间的荚系模型。我仃j 可 以通过烧结块软化点的集成预测模型米指导实际生j “，改善炉况进而指导乍产捉商鼓风炉 产鼍。 9 中南人学硕i 论盅=第三章软化点集成预测模型 第三章软化点集成预测模型 烧结块软化点是判断炉况好坏的一项重要的性能，软化点的高低直接影响到软熔带在鼓 风炉内的分布，影响着鼓风炉的炉内气流分布和鼓风炉中部的透气性指数。因此。研究烧结 块软化点具有十分重要的意义。 影响烧结块软化点的因素很多主要包括烧结块的成分和烧结的一艺过程参数等。在本 文中我们主要研究烧结块成分和烧结块软化点之间的关系模型。 本章首先介绍研究烧结块软化点预测模型的必要性：然后在基丁机理分析的基础上分别 建立了多元线性回归方法和人j ：神经网络的软化点预测模型，最后介皇h 烧结块软化点与烧结 块成分之间的智能集成模型及仿真结果。 3 1 研究软化点集成预测模型的必要性 烧结块是密闭鼓风炉炼铅锌的主要炉料，密i = j 】鼓风炉的操作指标离不开烧结矿的质量。 烧结块的质量，从总体上来说包括化学成分，物理性能和冶金性能二个部分。 软熔带的位置和形状对密闭鼓风炉内的热交换、还原过程和透气性的影响很人。维持形 状合理、高度适当的软熔带，对提高炉内煤气的利h 】率，维持密闭鼓风炉炉况的稳定，实现 优质低耗和高产具有十分重要的意义。改善软熔带的空间的合理布置可以通过两种方法来 解决：改变炉料的物理化学性能和调整控制冶炼过鞋的1 艺方法。炉科的软化开始温度和软 化终r 温度是炉料的物理化学性能的个关键参数，它影响密闭鼓风炉内软熔带的分布和密 闭鼓风炉的炉况。一股地说，如果烧结块的软化点偏低进入密闭鼓风炉厉会在密闭鼓风炉 炉身上部软化，会引起密闭鼓风炉的上部结瘤，减少r 炉身的有效横截面积，缩短r 密闭鼓 风炉的运行周期影响密闭鼓风炉的生产水下，严重时会造成密闭鼓风炉的偏$ 4 、恳料以及 无法运转：软化区间过人，会使软熔带上移和加悖，使透气性变上1 、，使炉压升商影响鼓风 量- 影响密闭鼓风炉的产量。有资料表明，密闭鼓风炉锌的产量和烧结块的软化点有近似的 线性关系。 烧结矿的软化开始温度偏低。软化区问偏宽。前者与烧结块组成中有低熔点的玻璃相和j 孔隙结构相关，后者与矿物的高渣相熔点有关。要改善低温还原强度和荷重软化性能可通过 提高料层、降低点火温度和配碳量、采用低温均质烧结、保持较高的c a o s i o ：等来实现。 有试验研究证明烧结矿的软化开始温度低主要与炉料的高硅酸盐含量的多少有关。熔滴性 能是绕结矿屉重要的冶金性能之一，它不仅次定高炉卜部的透气性，还影响焦比。已有的研 究表明，开始熔融温度“s ) 取决于低熔点渣相的熔点开始滴落温度( t d ) 取决于渣相熔点和 金属渗碳反应。 软化开始温度偏低，造成荷重软化性能不良。影响密闭鼓风炉中部的透气性。烧结矿 的开始软化温度低于9 。0 ，软化区问宽丁2 5 0 。当碱度由1 提高到1 8 0 时，开始软 化温度提高；当碱度从1 8 0 提高到2 0 0 时，开始软化温度又有所卜降：在同碱度f ，开 始软化温度随c a o s i o z 的增加而提高，软化间变窄。国外的研究表明烧结矿的软化温 度取决丁其矿物组成和气孔结构强度，开始软化温度的变化往往是气孔结构强度起士导作刚 的结聚。一般说来、眚烧结块碱度在2 0 以卜时，随着碱度的提高软化开始温度和软化终 0 中南人学硕士论文第一章软化点黉成预测模型 了温度都是上升的，而软化温度区间则有变窄趋势。烧结块的荷重软化性能很大程度上取决 于其还原性矿物组成和空隙结构。 荷重软化性能决定着密闭鼓风炉中部的透气性，在密阳j 鼓风炉炉冶炼过程中，由丁烧结 块的荷重软化性能不良，往往会引起悬科和炉腰结厚。密闭鼓风炉一般要求烧结矿的开始软 化温度高1 ：9 8 0 ，软化区间为1 5 0 左右。因此研究和改善烧结矿的荷重软化性能，对 密闭鼓风炉冶炼有着重要的意义。 数学模型是采崩近1 以的方法。凭借数学、物理及冶金过程的有戈理论，对烧结过程所做 的近似描述而烧结过程是一个复杂、多变的体系数学模型不能实时跟踪这种变化故数 学模型对烧结过程的信息处理是不完善的和滞后的，只在稳定的条什f 才有较高的命中率， 同时这就决定了单纯依靠数学模型的不可靠性，人多数的情况f ，由丁实际的系统机理复 杂，系统结构朱知，边界条件难以确定，田此系统的参数难以求出，无法得m 准确的数学模 犁。 近几十年来，过程控制有了一定的进展，出现了1 i 少新的先进控制算法和高级控制系统， 并在实际过程中得到了较好的应用。由丁过程控制的复杂性、输山测量的不精确性以及系统 动力j 学的不确定性，羽此传统的基予数学模型的定量办法麻心受到了定的限制。按传统的 数学定量方法来分知识分为精确知识和非精确知识，前者可以心数学模型来描述后者不 能用数学模型来描述( 如一些经验规则、启发式知识、符号逻辑等) 。传统的数学定量方法 仅能处理精确知识对非精确知识无能为力。实际上任何一个有效的控制系统构造，都不 能由控制理论单独解决，其中隐含着人的直觉推理。j ：是人们将入l ：智能如知识l j 譬的理论 和方法应用丁白动控制，提出了智能控制方法。钾能挖制可以小依赖丁过拌的数学模型，可 以处理系统的不精确知识。 3 2 烧结块荷重软化实验 软熔带是炉内透气性阻力晟大的部分，软熔带的位置和形状决定了块状带和间接还原 带的体积和形状，软熔带的分布对炉内气流分布和炉料f 降等作为稳定操作的指标有重要的 影响。倒v 型软熔带中心的突出部分狭窄，这样块状带的体积最人，仅在炉子的中心开放 条狭窄的中心气流炉子外罔大面积的范| = l i 内气流分布较均匀煤气得到充分的利h j ，可获 得较低的燃料比。软熔带的体积分布合理是密c j 】鼓风炉得以经济! i ：，“的t 要因素之。 最小的软熔带厚度、形成与中心和边缘的倾角人以及软熔带的主要部分不在炉身内， 可以减少气流强度，从而使密闭鼓风炉冶炼技术经济指标得到改善。软熔带的厚度主要由炉 料的软化温度区间( 软化点一熔化点) 决定的合适的软化区间对形成合理的软熔带具有极 其重要的意义。烧结块软化温度t ，( 烧结块体积收缩3 时的温度) 是影响密闭鼓风炉熔炼 的一个关键因素。烧结块软化温度不仅影响密闭鼓风炉熔炼过程中软熔带的分布和透气性指 数而且还影响密闭鼓风炉的炉况和送风时间是影响密闭鼓风炉产譬的一个重要参数。影 响烧结块软化温度主要由烧结块的化学成分扶定的。为了研究烧结块软化温度和烧结块的化 学成分之问的关系，我们进行了烧结块荷重软化实验。试验方案的选择如r ： ( 1 ) 取样 为了使试样的罚试数据能够和生产过程中的数据进行结合、对比，我们进行了定时的取 主堕查兰堡! 二堡兰 兰三皇竺些皇叁些堡型堡型 样。根据 ：作的需要，我们将取样时间确定为e 午的9 ：0 0 和f 午的3 ：o o 。烧结块经过破 碎后编号，将试样一部分送科研所做软化点测试实验，另一部分送质检处化验室做化