（控制科学与工程专业论文）基于透气性预测的铅锌烧结配料过程优化研究.pdf

摘要 铅锌烧结过程是密闭鼓风炉还原熔炼的原料准备过程，其目的是 为还原熔炼提供成分合适、具有一定机械强度和还原性的烧结块。烧 结配料过程是铅锌烧结生产的首道工序，是烧结炉料的准备过程。 烧结配料过程优化是针对配料过程的两个操作参数，二配配比和 混合料水分值的优化设定问题而提出的。二配配比和混合料水分值同 烧结过程的状态参数透气性具有密切联系。而透气性是烧结过程的一 个重要状态参数，影响着烧结生产的产量和质量。因此优化烧结配料 过程对烧结生产具有重要的意义。针对烧结配料过程的二配配比和混 合料水分人工调节的滞后性和盲目性的问题，探讨了基于集成预测模 型与遍历优化搜索算法的配料过程优化操作方法。 首先，从烧结过程工艺出发，详细地分析了烧结配料过程同烧结 料层透气性之间的关系，同时分析了影响烧结过程透气性的一些重要 因素。然后，针对烧结过程大滞后特性，采用加权组合优化方法，将 基于工艺参数的b p 神经网络预测模型与基于时间序列的灰色系统理 论预测模型集成，建立了综合透气性集成预测模型，有效地提高了透 气性状态的预测精度，为烧结配料优化奠定基础。 在铅锌烧结配料优化过程中，直接的优化目标是烧结过程透气 性，采取的优化措施是调整二配配比与混合料水分设定值。由于烧结 过程透气性的优劣单由透气性预测值无法准确的表达，因此结合能够 判断透气性优劣的其它一些烧结过程状态参数，利用模糊综合评判方 法，来定量评价当前透气性的优劣。然后通过遍历优化搜索算法，获 取最优的透气性状况评判值，进而间接获得二配配比和混合料水分优 化设定值。通过仿真实验表明，该方法能够对烧结配料过程起到优化 作用，同时也为铅锌烧结生产全流程协调与优化控制奠定基础。 关键字：铅锌烧结过程，综合透气性指数，集成预测模型，模糊综合 评判，遍历搜索算法 a b s t r a c t l e a d z i n cs i n t e r i n gp r o c e s si sar a wm a t e r i a lp r e p a r a t i o np r o c e s sf o r t h er e d u c t i o ns m e l t i n go fi m p e r i a ls m e l t i n gf u m a c e ，a n di t sp u r p o s ei st o p r o v i d es i n t e rl u m p sw h i c hh a v es u i t a b l ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，c e r t a i n m e c h a n i c a ls t r e n g t ha n dr e d u c i b i l i t yf o rr e d u c t i o ns m e l t i n g t h es i n t e r i n g p r o p o r t i o n i n gp r o c e s si st h ef i r s tw o r k i n gp r o c e d u r eo f l e a d - z i n cs i n t e r i n g p r o d u c t i o n ，a n da l s oi st h ep r e p a r a t i o np r o c e s sf o rs i n t e r i n gm a t e r i a l t h eo p t i m i z a t i o nf o rl e a d z i n cs i n t e r i n gp r o p o r t i o n i n gp r o c e s si s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r , a n di t sp u r p o s ei st o s o l v et h eo p t i m i z a t i o n s e t t i n g si s s u ea b o u tt w oo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，w h i c ha r ev a l u e so ft h e s e c o n dp r o p o r t i o na n dt h ew a t e rc o n t e n to fm i x t u r ei nt h ep r o p o r t i o n i n g p r o c e s s t h ev a l u e so ft h es e c o n dp r o p o r t i o na n dt h ew a t e rc o n t e n to f m i x t u r ea r ec l o s er e l a t e dt op e r m e a b i l i t y - 一t h es t a t ep a r a m e t e ro fs i n t e r i n g p r o c e s s ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt o a f f e c tt h eo u t p u ta n dq u a l i t yo f p r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o n f o r s i n t e d n gp r o p o r t i o n i n g p r o c e s si so fv i t a ls i g n i f i c a n c e t ot h es i n t e r i n gp r o d u c t i o n b e c a u s ev a l u e s o ft h es e c o n dp r o p o r t i o na n dt h ew a t e rc o n t e n to fm i x t u r ei n p r o p o r t i o n i n gp r o c e s sa r er e g u l a t e db ym a n u a lw o r k , h a v et h ec h a r a c t e r s o ft i m e d e l a ya n db l i n d n e s s ，s oa no p t i m a lo p e r a t i n gm e t h o do ft h e s i n t e r i n gp r o p o r t i o n i n gp r o c e s sb a s e do ni n t e g r a t e dp r e d i c t i v em o d e l a n d t r a v e r s i n gs e a r c ha l g o r i t h mi sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r f r o mt h eb e g i n n i n go fs i n t e r i n gp r o c e s sc r a f t ，t h ep a p e rh a sa n a l y z e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i n t e r i n gp r o p o r t i o n i n gp r o c e s sa n dp e r m e a b i l i t y o fs i n t e r i n gp r o c e s si nd e t a i l ，a n ds o m em a jo rf a c t o r sf o ra f f e c t i n g p e r m e a b i l i t y a i m e d a tt h ec h a r a c t e ro fl o n gt i m e d e l a y , w i t ht h e w e i g h t e dc o m b i n a t i o no p t i m a lm e t h o d ，t h ei n t e g r a t e dp r e d i c t i v em o d e lo f s y n t h e t i c a lp e r m e a b i l i t yi se s t a b l i s h e dw i t hc o m b i n a t i o no ft h eb p n e u r a l n e t w o r kp r e d i c t i v em o d e lo ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa n dt h eg r e yt h e o r y p r e d i c t i v em o d e l o f t i m es e r i e s ，w h i c he f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ep r e c i s i o n o fp r e d i c t i v em o d e la n dl a y saf o u n d a t i o nf o rp r o p o r t i o n i n gp r o c e s s a i m i n g a tt h ep e r m e a b i l i t y o p t i m i z a t i o n f o rs i n t e r i n g p r o c e s s d i r e c t l y , t h em e a s u r eo fa d j u s t i n gt h ev a l u e so ft h es e c o n dp r o p o r t i o na n d t h ew a t e rc o n t e n to fm i x t u r ei st a k e ni nt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s sf o r l e a d z i n cs i n t e r i n gp r o p o r t i o n i n gp r o c e s s w h e t h e rt h ep e r m e a b i l i t yo f s i n t e r i n gp r o c e s si so p t i m a lo ri n f e r i o rc a nn o tb ep r e c i s e l ye x p r e s s e db y t h ep r e d i c t i v ev a l u e s ，a sar e s u l t ，c o m b i n i n gw i t ho t h e rs t a t ep a r a m e t e r s o fs i n t e r i n gp r o c e s sw h i c ha r ea b l et oj u d g ep e r m e a b i l i t y , u s i n gf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，t h ep a p e re s t i m a t e dt h e c u r r e n t p e r m e a b i l i t yq u a n t i t a t i v e l y t h e nb yt r a v e r s i n go p t i m i z a t i o n s e a r c h a l g o r i t h m ，t h eb e s tp e r m e a b i l i t ye v a l u a t i o nv a l u ei s o b t a i n e da n dt h e o p t i m i z a t i o ne n a c t m e n tv a l u e so ft h es e c o n dp r o p o r t i o na n dt h ew a t e r c o n t e n to fm i x t u r ea r eo b t a i n e di n d i r e c t l y t h er e s u l to fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es i n t e r i n gp r o p o r t i o n i n gp r o c e s sa r ea b l et ob e o p t i m i z e db yt h em e t h o d ，s i m u l t a n e o u s l yi th a sp r e p a r e df o rc o o r d i n a t i o n a n do p t i m i z a t i o nc o n t r o lf o rt h eo v e r a l l l e a d z i n cs i n t e r i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：l e a d z i n cs i n t e r i n gp r o c e s s ，s y n t h e t i c a lp e r m e a b i l i t y , i n t e g r a t e d p r e d i c t i v em o d e l ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ， t r a v e r s i n gs e a r c ha l g o r i t h m i i i 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：塑：丝：丕日期：二竺l 年月日 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。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 下匕 我国是世界上主要的铅锌生产国与出口国，近年来通过引进、消化和吸收国 外先进技术，进行自主研究与开发，铅锌冶炼的技术和装备水平都得到了较大幅 度的提高，但与国外先进技术水平相比还有较大的差距，主要表现在劳动生产率 低、生产成本和能耗高、环境污染严重等方面。这些差距导致我国生产企业的竞 争力不强，在参与国际市小竞争中需要付出更大的代价。因此，如何在现有工艺 流程、生产设备的情况仿，果用现有的信息，在以生产经济效益和节能减排为目 标的情况下，通过调节生产过程参数，使整个生产过程运行在较优状态下，是目 前铅锌工业控制中急需解决的关键问题。 铅锌烧结过程是密闭鼓风炉铅锌熔炼工艺i s p ( i m p e r i a ls m e l t i n gp r o c e s s ) 的 一个重要流程【1 7 】，是密闭鼓风炉还原熔炼的原料准备过程。铅锌烧结的主要原 料包括硫化铅、硫化锌或硫化铅锌混合精矿、实粉、熔剂等，通过复杂的物理化 学反应，最终生产出成分符合要求、具有一定机械强度和还原性，满足鼓风炉还 原熔炼的要求的烧结块。 铅锌烧结配料过程则是铅锌烧结过程的首道工序，是烧结过程的原料准备过 程，包括混合精矿的一次配料过程，烧结混合料的二次配料过程和混合料的加水 混合制粒过程等三个子过程。 本文以铅锌冶炼工业中典型的密闭鼓风烧结过程为研究背景，针对烧结配料 过程的二次配料过程，加水混合制粒过程，提出了基于透气性预测的烧结配料优 化控制技术，为实现铅锌烧结过程的全流程优化控制奠定基础。 1 1 研究背景及意义 在当前，真着能源的消耗，单一的原料矿源日益减少，烧结生产所用的原料 呈现出多品种，成分差异大，价格不一等特点。在这种特点下，为保证烧结块的 产量和质量的情况，如何合理地选择和有效利用现有的国内外矿产资源，降低烧 结生产的成本，提高企业的生产效率，增强企业的竞争力就成为企业必须面对和 急需解决的战略课题。落实到生产过程中，就是怎样合理搭配矿产资源来有效利 用多种矿源之间的相互作用，即烧结配料过程的优化问题。 作为铅锌烧结生产的首要环节，目前烧结配料优化在我国冶炼企业中的作用 尚未得到充分发挥，如配比的确定仍然由人工计算获得，计算量大且自动化水平 低，配比的确定没有直接与烧结块质量挂钩，且化学成分人工分析造成成分检测 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 滞后，无法很好地实现烧结块成分的稳定控制等。概括起来就是配料准确性不高， 没有充分优化生产成本。因此，通过充分地挖掘，可以有效促进企业的经济效益。 铅锌烧结配料质量的高低从本质上决定了烧结混合料的烧结性能，其一次配 料过程决定了烧结块的主要化学成分铅和锌的百分比含量；二次配料过程的二配 配比用于调节混合精矿和返粉的加料量，是铅锌烧结过程的一个重要操作参数， 对烧结过程状态参数有较大影响，特别是对透气性的有重要影响，并最终影响到 烧结生产的产量、质量等指标参数；加水混合制粒也是铅锌烧结过程的一个重要 操作参数，对烧结过程状态尤其是透气性具有重大影响，并最终影响到烧结生产 的整个过程。所以对烧结配料过程进行优化具有非常重要的意义。 当前，我国铅锌烧结配料操作还处于手工调节方式，为此，本文研究烧结配 料过程的二次配料过程和加水混合制粒过程同烧结状态参数透气性的相互关系， 提出了基于透气性预测的烧结配料优化控制方法，通过有目的地控制配料过程， 使得烧结生产过程的状态参数透气性得到优化，进而间接地优化烧结生产全过 程。通过本文的研究，可以提高烧结生产工艺流程的稳定性，解决烧结配料过程 对烧结生产的滞后性和盲目性，还为铅锌烧结过程的全流程协调优化奠定一定的 基础。 1 2 国内外研究现状 烧结生产所用的原料来源广，品种多，成分差异大，价格不一。在这种情况 下，如何合理地选择和利用现有的矿源，保证烧结块的产量和质量，降低烧结生 产的成本，提高企业的生产效率，增强企业的竞争力就成为企业必须面对和急需 解决的战略课题。国内外对此做了大量的研究与开发工作，并取得了一系列研究 成果。 在烧结块配料优化控制研究方面，针对烧结块化学成分预测与控制问题，日 本住友金属公司开发了烧结矿化学成分控制系统【g j ，根据物料平衡原理建立了烧 结矿化学成分( c a o ，s i 0 2 ，m g o ) 的预报模型，可预报供给原料2 个小时后的烧 结矿化学成分，根据预报成分和目标成分的偏差，计算混合料最佳配比，达到稳 定成分的目的。为了稳定控制烧结矿化学成分，提高成分一级品率，文献【9 ，1 0 】 结合烧结球团理论、人工智能理论和现代控制理论，提出了以碱度为中心的控制 策略，开发了烧结矿化学成分控制专家系统。文献【1 1 】提出了一种既可保证预测 精度又可满足配料配比计算对数据完备性要求的铅锌烧结块成分智能集成预测 模型。针对宝钢烧结生产的实际情况，文献【1 2 】开发了基于b p 神经网络的烧结 矿化学成分预报模型，将模型的预报结果作为控制系统的前提条件，结合现场专 家的经验知识，推理计算出最佳的原料配比，供配料系统使用。文献 1 3 】采用基 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 于改进b p 算法的人工神经两络模型，提前预报烧结矿的r 、t f e 和s i 0 2 等成分 含量，将模型的预测结果转化为规则的输入，设计了基于经验规则的专家系统， 结合r 、t f e 的变化趋势和配料配眈计算提前调整原料的配比，解决了配比计算 对烧结生产滞后性的特点。 针对配眈优化闯题，文献 1 4 1 提出了剥用灰色线赣规划对烧结配毙进行优化 的方法，提高了烧结矿质量，减少了能耗，比较好的解决了烧结配料无法受到返 矿量约束的闯题。文献【1 5 】根据系统论的方法，应用线性规划优化配料数学模型， 对烧结所用铁矿粉进行优化配料，在提高配合矿含铁品位的前提下，将配合矿的 有害元素s 、p 及a 1 2 0 3 、s i 0 2 、m g o 、c a o 等的含量控制在允许范围内，解决 了配矿中搭配不合理的问题。针对巢钢铁企业烧结配料的实际情况，文献 1 6 1 建 立了基于数学模型和神经网络的烧结矿化学成分预测模型，构筑了用于配比调整 的专家规则，提出了配眈优亿与计算算法，并用于生产实践，取得了较好的效果。 文献 1 7 1 将不同品位的烧结矿成本按某一品位折算为可比成本，建立了线性规划 模型，以成本最小为露标对烧结配料进行了优化，求蹴了在现有资源条件下的最 优配比。 一些研究人员从技术要求和经济效益两方面综合考虑烧结配料的最优经济 性问题h 嚣】，根据线性规划的思想，建立了爵标函数，确定了约束条件，对烧结 所用铁矿粉进行优化配料。文献【1 9 】提出了一种确定合理配矿结构的仿型方法， 该方法通过数据挖掘技术中的关联规则分析方法对配矿结构进行优化。文献 2 0 】 建立了一种多矿种铁矿粉最优配矿组合数学模型，可输出满足烧结矿成分要求、 相对该种配矿缀合价格最低的铁矿粉配矿组合。文献 2 1 1 开发了烧结矿配料铙纯 计算机系统，有效解决了烧结矿配料问题。 随着人工智能控捌技术的发展和智能优化算法的深入研究，人们在配料优化 控制过程中相继应用了神经网络、专家系统以及智能优化算法等智能技术，用于 配料过程的优化控制，取得了显著成效。 由予神经网络具有很强的自学习和自适应能力，为非线性对象建模闻题提供 了一种有效途径，因此，神经网络技术在烧结配料优化控制过程中得到了广泛应 用。文献【2 2 】运黑神经网络对混匀配料进行优化计算，计算结果表嚼比传统的计 算方法速度快、精确度高，为混匀配料提供了必要的定量依据，同时也为其它类 似闫题的优化计算提供了新的途径和方法。文献 2 3 1 针对烧结配矿的复杂性，建 立了综合神经网络模拟模型，用以仿真烧结配矿与烧结矿产质量指标间的关系， 并利用生产数据对模型进行了检验。文献 2 4 1 应用误差反向传播方式建立了烧结 矿性能指标预测的神经网络模型，并用实际烧结生产数据对模型进行了训练，训 练后的模型可以对烧结过程进行分析，并可对烧结矿的f e o 含量和烧结转鼓指数 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 进行预测，并用于指导配矿计算。文献【2 5 】采用遗传算法与b p 神经网络相结合的 方法，建立了烧结矿f e o 含量预测模型，该方法为实现烧结矿f e o 含量的在线预 测提供了一种有效的方法。文献 2 6 将多层前向人工神经网络应用于烧结矿化学 成分预报，开发了基于神经网络的烧结矿化学成分自适应预报系统，实现了烧结 矿化学成分的准确、快速预报。宝钢研制了基于神经网络的配矿系统【2 7 】，该系 统基于神经网络建立配矿模型，能准确预测烧结矿质量，并能根据对质量的要求 产生优化的配矿方案。系统的实际应用已产生显著的经济效益、能准确有效地确 定配料比。 专家系统是从专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与优化。因其具有知识全面性、无时空限制性 和稳定性等优点，而在配料优化控制过程中得到了广泛应用。针对配煤过程的优 化控制问题，文献 2 8 】基于实际统计数据和经验知识分别构造神经网络、数学模 型和规则模型，在此基础上，提出了基于模型的专家控制策略，以准确计算并跟 踪目标配合比，实际运行结果表明所提出的专家控制策略是一种有效的配煤过程 控制方法。文献 2 9 】开发了配煤过程基于神经网络和数学模型的专家系统，文中 基于神经网络和数学模型的预测模型，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，在涟源钢铁厂得到成功应用。文献 3 0 1 针对复杂的焦炉配 煤炼焦过程，根据焦化理论和生产所获上业数据构造数学模型，以群体专家经验 得到的定性知识构成规则模型，将解析的数学模型与基于知识的规则模型相结 合，采用定性定量综合集成方法，建立焦炭质量预测模型，提出了配煤比计算的 实用算法，实际运行结果证明了方法的有效性。为了准确计算出烧结配料的配比， 文献 3h 设计了烧结配料专家控制系统。根据烧结理论和工业所获实际数据构造 数学模型，以群体专家经验得到的定性知识构造规则模型，将解析的数学模型和 规则模型相结合，采用自适应算法确定配料比。 近年来，人们在对智能优化算法进行深入研究的基础上，将智能优化算法运 用到配料过程优化中。文献 3 2 】在建立混匀配料模型的基础上，运用模拟退火算 法对武钢混匀配料进行优化计算，该方法比传统的计算方法速度快、精确度高。 为钢铁企业的混匀配料提供了定量依据。文献【3 3 】运用免疫遗传算法和m a t l a b 语言，编制了烧结矿配料优化计算仿真程序，仿真结果表明该算法是一种有效的 优化方法，为配料问题的优化求解提供了新的思路和方法。文献 3 4 1 将粒子群优 化算法运用到烧结配料优化计算中，取得了满意的效果。文献 3 5 】运用遗传算法 和逐步回归分析的方法建立烧结配料优化模型，对重钢烧结配料优化。结果表明： 优化配料后的烧结矿化学成分和物理性能均满足生产的要求，在稳定各项指标的 前提下，应用遗传算法，可以解决线性规划等方法所不能处理的问题，实现更快、 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 更全而的优化烧结配料。另外，智能优化方法也在其它领域配料优化过程中也得 到了成功应用1 3 6 。3 引。 以上方法对于铅锌烧结配料过程优化研究具有较大的借鉴作用，但是由于铅 锌烧结配料过程有其自身特点，其二配配比和混合料水分对料层透气性具有决定 性影响作用，而烧结料层透气性对料层燃烧有重要影响，是烧结生产顺利进行的 基础，同时也是指导烧结配料过程操作的重要依据。 针对料层透气性问题，在意大利钢铁公司和日本新日铁公司，点火前的透气 性采用在线连续监测，监测系统直接安装在点火器前的风箱上，透气性指数采用 在恒定负压下通过料层的空气流量来标定【3 9 1 。日本住友金属公司鹿岛厂开发了 铁矿石综合模拟模型，利用原料的粒度组成、制粒水分和料层中的视密度等数据 来预测烧结前的料层透气性【4 0 。奥地利g u n t h e rs t r a k a 在开发的烧结机速过程控 制模型中，混合料透气性用点火罩内的废气流量、料层厚度和压差的测量结果来 计算，也可以根据进入料层内空气流量的测定值来确定【4 1 1 。文献 4 2 1 开发了以透 气性为中心的烧结过程状态控制专家系统，根据垂直烧结速度、烧结终点预报值 和主管负压判断透气性的状况。文献 4 3 1 在分析烧结过程各变量影响关系基础 上，确定了以透气性为中心，指导含水量的优化设定；文献 4 4 针对铅锌烧结过 程的强非线性、时变等特点，运用智能集成建模的思想，提出一种模糊分类变系 数透气性状态预测方法，使得在工况波动严重的情况下，仍然具有较好的预测效 果。 综上所述，国内外对配料优化方面和烧结透气性方面进行了大量的研究，为 铅锌烧结配料过程的优化研究提供了重要的方法和思路。但是由于铅锌烧结配料 过程同烧结生产本体过程存在着密切的联系，不能将两者孤立研究，需要将两者 结合，进行综合考虑，而这方面国内外研究欠缺，因此需要在这方面进行深入研 究。 1 3 研究目标与研究内容 本文将通过对铅锌烧结生产过程的分析与研究，完成烧结配料过程优化研究 的以下几个方面： 1 ) 铅锌烧结过程透气性的集成预测模型 透气性集成预测模型是二配配比、混合料水分同透气性之间进行联系的关系 模型，它是二配配比和混合料水分优化设定的基础。为此，在对铅锌烧结过程进 行机理分析的基础上，提出一种有效的建模方法，保证预测精度，符合实际生产。 本文采用组合优化算法，将基于b p 神经网络的透气性预测方法同基于灰色理论 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的透气性预测方法进行并联集成，建立透气性集成预测模型。 2 ) 透气性优劣的模糊综合评判模型 透气性状况的模糊综合评判的目的是判断在当前透气性是否处于最优状况。 为此，通过分析烧结过程的一些状态参数，建立透气性的评判模型，对当前的透 气性进行综合评价。 3 ) 二配配比和混合料水分的优化设定方法 根据二配配比和混合料水分值同透气性之间的关系模型，遍历搜索二配配比 和混合料水分值，获取最优的透气性模糊综合评判值，以此间接获取二配配比和 混合料水分的优化设定值。 1 4 论文构成 论文以铅锌密闭鼓风烧结配料过程为研究对象，进行过程机理及特性研究， 提出了基于综合透气性智能集成预测模型的烧结配料优化方法，解决了烧结配料 过程中的二配配比和混合料水分的优化设定问题。 论文的章节安排如下： 第二章介绍了铅锌烧结焙烧工业流程，进而分析配料过程和目的以及混合料 水分的作用，指出了烧结过程透气性的主要影响因素，最后得出烧结配料优化的 基本思想及其设计的主要内容。 第三章详细介绍了综合透气性集成预测模型。首先从铅锌烧结过程机理分析 出发，建立了综合透气性指数计算模型。然后根据b p 神经网络方法建立铅锌烧 结过程工艺参数综合透气性预测模型和根据灰色系统理论建立铅锌烧结过程综 合透气性预测模型，最后采用组合优化算法将两个模型进行并联集成，建立烧结 过程综合透气性集成预测模型。 第四章首先建立透气性状况模糊综合评判模型，来定量评价当前透气性的优 劣。然后给出了优化遍历搜索算法，通过该算法获取最优的透气性模糊综合评判 值，进而间接获得二配配比和混合料水分优化设定值。 第五章对本文进行了总结，简要地说明了本论文的研究成果，并对进一步的 研究工作进行了展望。 6 中南大学硕士学位论文 第二章烧结过程机理分析 第二章烧结过程机理分析 铅锌烧结配料过程优化方法是针对二次配料过程中的二配配比和加水混合 制粒过程的混合料水分值的优化设定问题而提出的一种优化设定方法。二配配比 和混合料水分值同烧结过程中的状态参数烧结过程透气性具有密切联系，而透气 性则是烧结过程的一个重要状态参数，影响着烧结生产的产量和质量。因此优化 烧结配料过程对烧结生产具有重要的意义。 本章首先介绍了铅锌烧结焙烧工艺流程，进而分析烧结配料过程中各个子过 程的目的和意义，并指出了影响烧结过程透气性的主要因素。最后给出了烧结配 料过程优化方法的基本思想及其总体结构方案。 2 1 铅锌烧结工艺流程 密闭鼓风炉铅锌冶炼工艺即i s p ( i m p e r i a ls m e l t i n gp r o c e s s ) i 艺最早是由英 国帝国熔炼公司推出的，i s p 过程包括烧结和熔炼两大工艺流程，是近代火法炼 铅锌的先进方法之一，在铅冶炼和铅锌冶炼中广泛被采用。 铅锌烧结过程是鼓风炉还原冶炼前的一个炉料准备过程，通过焙烧过程的氧 化脱硫作用，使硫化物燃烧氧化成为氧化物，同时又使部分氧化生成物与熔剂结 合，发生部分熔融，经冷却固结，形成具有较大机械强度、孔隙度和还原性且能 满足鼓风还原熔炼条件的块状物料。 2 1 1 烧结焙烧目的 密闭鼓风炉冶炼铅锌的主要原料是经过浮选后的硫化铅锌精矿，这些精矿的 含硫量一般在2 5 31 之间，粒度在2 0 0 目左右( o 0 7 4 m m ) 。要从硫化铅锌精矿中 直接还原出金属是十分困难的，只有铅锌的金属氧化物才比较容易被还原出来。 另一方面，粉状的物料加入密闭鼓风炉内，不仅使透气性变差，导致空气难以送 入，而且容易使得粉状物料被炉气带走，形成资源浪费。因此，必须将粉状物料 烧结成具有一定冷热强度、孔隙度的块状物料。 硫化铅锌精矿的烧结焙烧，是在鼓入大量空气和在高温( 1 0 0 0 1 2 0 0 。c ) 条件 下的燃烧氧化过程，烧结的主要目的是： 1 ) 氧化脱硫，使金属硫化物转变成氧化物以适应还原熔炼； 2 ) 将粉状物料烧结成具有一定孔隙度和一定强度的烧结块状物料； 3 ) 将精矿中的硫转化成为二氧化硫烟气并用于制酸； 7 中南大学硕士学位论文 第二章烧结过程机理分析 4 ) 使精矿中的易挥发有价金属富集以便进一步回收利用。 2 1 2 烧结焙烧工艺流程 烧结过程是铅锌密闭鼓风炉的炉料准备过程，为密闭鼓风炉生产提供满足熔 炼要求的烧结块，并为制酸系统提供合格浓度的二氧化硫烟气。一般对于烧结块 的要求是残硫量小于1 ，铅、锌等化学成分稳定予熔炼生产要求的范围，具有 一定的大小和硬度，且孔隙度高、透气性好。 目前，工业生产所用的烧结设备有烧结锅，烧结盘和带式烧结机等，目前广 泛采用的是带式烧结机。带式烧结机又分为抽风和鼓风两种，空气从料面吸入的 是抽风烧结，空气从料层底部往上鼓风的叫鼓风烧结。一般对于烧结的研究多以 钢铁冶炼过程的抽风烧结为对象，与铅锌冶炼的鼓风烧结过程有所不同。鼓风烧 结是五十年代后期发展起来的铅锌烧结方法新技术，比抽风烧结方法的优点多， 所以国内外i s p 炼铅锌的工厂都采用鼓风烧结的方法。 铅锌密闭鼓风烧结过程通常在d l ( d w i g h t l l o y d ) 型移动带式烧结机中进行， 如图2 1 所示。烧结机有5 台风机：0 拌风机，用于点火仓的吸风点火；l 群、2 群新 鲜风机和3 样、4 拌返烟风机，用于鼓风烧结。 图2 1d l 型移动带式鼓风烧结机 烧结的工艺流程主要包括烧结炉料的准备和烧结焙烧两个部分，如图2 2 所 示。烧结的原料包括来自矿山经过选矿后的铅锌混合精矿( 主要是闪锌矿z n s 、 方铅矿p b s 及脉石) 、熔剂( 生石灰c a o 或石灰石c a c 0 3 ) 和后量返粉( 不合格 的烧结块、蓝粉、浮渣及烟灰等) 。这些原料通过吊车配料按一定比例配制成含 硫量3 5 5 5 的混合物料，加入合适水分混合制粒为化学成分均匀、粒度适宜、 中南大学硕士学位论文 第二章烧结过程机理分析 透气性思好的烧结混合料后，通过布料装置送入烧结机中进行鼓风烧结。 闪锌矿z n s 、方铅矿p b s 及脉石、兰粉、浮渣等 合格烧结块 图2 - 2 铅锌烧结工艺流程 铅锌烧结原料首先经过搜式一次配料，初步获得具有合适化学成分混合料， 其中一次配料过程主要考虑含铅量、含锌量和二氧化硅含量等配比。然后通过皮 带秤二次配料，调整精矿流量和返粉流量的比例来获得合适含硫量的混合料。 经过一次配料和二次配料以后，粉状混合料经过混料圆筒和制粒圆筒进行制 粒，成为具有合适粒度的混合料料球。混合料通过布料装置分别送入点火仓和主 料仓，点火仓的混合料布到烧结机的台车上形成约4 5 c m 厚的薄层矿料，称为点 火层。通过调节煤气流量控制合适的点火温度，对点火层混合料进行点火( 一次 点火) 。点火后的混合料跟随台车一起移动，在烧结机机头后部主料仓再布上混 合料，形成约4 5 - 5 0 c m 厚的总料层。由于混合料含硫较高，硫化物氧化反应放 出的热量足以使反应扩展到整个料层，无需添加额外燃料即可保证整个烧结焙烧 过程( 二次点火) 。 混合料随台车一起移动，经过干燥、加热、反应、烧结等四个过程，烧结成 为具有一定结构的烧结块料，并在烧结机尾产出。四台鼓风风机提供脱硫氧化反 应中所需要的氧气和进行必要的热循环。烧结块料经过两级破碎，大小合适的烧 9 中南大学硕士学位论文 第二章烧结过程机理分析 结块料成为烧结块作为熔炼流程的原料；不合适的烧结块料再经过两级破碎成为 返粉，重新进入二次配料流程。生成的烟气则由密闭烟罩导出，送制酸系统制酸。 为了综合利用硫资源减轻环境污染，同时有效利用返烟中的热量，在铅锌密闭鼓 风烧结工艺中引入返烟烧结工艺：将铅锌精矿鼓风烧结时机头、机尾产生的低浓 度s 0 2 烟气作为部分气体返回使用。 铅锌烧结过程是一个复杂的物理化学过程，包括水分的蒸发与冷凝、燃烧反 应、化学水的分解、碳酸盐的分解、氧化还原反应、固相反应以及化学物的熔化 与冷凝等，涉及热力学、动力学、传热学、流体力学及结晶矿物学等学科知识【4 5 】。 若把烧结物料由下往上按烧结区、反应区、加热区和干燥区分层，这些物理化学 反应分别在这四层中进行，并随着向上鼓风以薄层状评次上移，同时各区的厚度 也随之发生变化，干燥区不断变小，烧结区不断增大，在烧结结束时，烧结炉料 全部生成烧结矿。从上分析可知，烧结机台时产量与物料的垂直烧结速度和台车 移动速度有直接的关系，在结块率不变的情况下，两个速度的提高必将增加产量。 物料垂直烧结速度与气流流速成正比，若料层的透气性好，风量就容易鼓入， 因此料层的气体流速就会增加，这必定会提高料层的垂直烧结速度。在同一截断 面的料层中既包括有烧结矿，也包括未发生反应的物料，由于两种情况下的透气 性不尽相同，其中原料的透气性由原料的物理化学性质、水分含量、混合制粒以 及布料方法等情况决定，而烧结矿的透气性随烧结过程的进行会发生变化，各层 阻力不同，透气性也相应发生变化。 2 1 3 烧结焙烧基本原理 铅锌硫化精矿含有多种矿物：z n s 、p b s 、f e s 2 、c u f e s 2 、c d s 、c a c 0 3 、s i 0 2 、 a 1 2 0 3 等，其烧结焙烧过程是非常复杂的。但基本原理是：将制备好的炉料( 混合 料) 送入烧结设备中，点火加热到1 0 5 0 1 1 5 0 ，鼓入大量空气条件下，炉料中 的金属硫化物便发生氧化，生成金属氧化物和二氧化硫，其反应可用下式表示 ( m e 表示金属元素) ： 2 m e s + 3 0 2 = 2 m e o + 2 s 0 2 + q 该反应是放热反应，产生的热量足够使烧结过程的一切反应继续进行，不需 要添加其它燃料。各种金属氧化物相互反应时生成各种盐类，如硅酸盐、亚铁酸 盐、铝酸盐、砷酸盐等，其中铅的硅酸盐和亚铁酸盐熔点较低，在烧结中起粘结 作用，将炉料粘结成坚实的块状物即烧结块。 在某一温度下硫化物氧化放出的热，能使氧化过程自发地扩展到全部物料并 使反应加速进行，此温度就叫着火温度。各种金属硫化物的着火温度一般决定于 该物料本身的物理性质，如热容量、导热率、粒度、致密度等。在化学上，影响 1 0 中南大学硕士学位论文第二章烧结过程机理分析 硫化物着火温度的是化学结构和氧化反应的热效应。此外外界因素如催化作用和 强化过程等也很有影响。硫化物的着火温度决定了焙烧的最低温度。一般硫化锌 和硫化铅的着火温度较高，因此，在低温下氧化迟缓。为了除掉全部硫，在焙烧 过程中必须有过剩的空气，较长的焙烧时间，控制较高的温度。 任何硫化物的氧化过程都是气固相的多相反应过程( 如图2 3 所示) ，可分 为若干阶段： 1 ) 气流中的氧分子扩散至硫化物表面上； 2 ) 氧分子在固体表面上吸附； 3 ) 固体表面上进行化学反应； 4 ) 化学反应的气体产物从固相表面解吸； 5 ) 气体产物从固相表面向气流中扩散。 qq s c h + qq 图2 3 硫化物固体被氧化示意图 其中最缓慢的阶段往往决定整个过程的速度。影响硫化物焙烧反应速度的决 定因素是： 1 ) 炉料的物理性质：即精矿颗粒的大小和制粒炉料颗粒的大小。因为多相 反应过程发生在两相接触的界面上，因此粒度小，表面积大，与空气接触良好， 容易着火燃烧，有利于氧化反应进行。精矿粒度越细，氧化反应越快。但精矿必 须与返粉进行混合制粒，才能保持透气性，制粒后的粒度3 - - - 6 m m 的越多，氧化 反应越快。若制粒后的粒度大于l o m m 或小于l m m 的颗粒越多，则氧化反应越 慢。 2 ) 硫化物的性质：硫化物着火温度高则氧化慢，着火温度低则氧化快。某 些硫化物( 如黄铁矿和黄铜矿) 在焙烧温度下，离解放出硫，同时粒度变小，孔 隙度增加，呈疏松多孔状，所以容易焙烧。反之，某些硫化物( 如硫化锌) 在焙 烧时，不离解也不崩裂，而且在表面生成一层较致密的氧化膜，故较难焙烧。 中南大学硕士学位论文第二章烧结过程机理分析 3 ) 烧结过程的温度：一般随温度升高，硫化物的氧化过程会加快，而且生 成的硫酸盐容易分解成氧化物。为了加快硫化物氧化反应的进行，焙烧过程应维 持在最大允许温度。 4 ) 空气向硫化物表面运动的速度和过剩空气量：空气向硫化物表面运动速 度越大，氧化越快，反之则慢。因为气流速度大，所以生成的s 0 2 ，及少量s 0 3 气体产物，从料粒表面排除的速度越快，因此氧化快。过剩空气多，氧化越快， 但过剩空气太多，则会降低焙烧烟气8 0 2 的浓度，造成烟气扩散污染，所以一般 不采用降低二氧化硫浓度的方法来加快反应的进行。 2 1 4 烧结块的质量指标 密闭鼓风炉熔炼对烧结块的质量要求较高，主要由烧结块的化学成分、机械 强度( 转鼓率) 、孔隙度和残硫量来衡量。其中化学成分对强度有直接的影响。 1 ) 烧结块要求具有均匀的化学成分，有关国内外的典型烧结块的成分如表 2 1 所示。其中最重要的几种化学成分是p b ，z n ，s ，c a o ，s i 0 2 和f e o 。因为 p b 和z n 是密闭鼓风炉熔炼的最终产品，而且由于铅的熔点低，还影响到熔炼过 程中的固体软熔带和反应的透气性。c a o 和s i 0 2 决定了鼓风炉造渣的碱度，影 响到反应的还原性、渣含锌量和锌直收率。由于矿石形成的原因，烧结块中不可 避免地含铁，在密闭鼓风炉中应尽量避免铁的还原，否则造成出渣困难，影响生 产顺利进行。 表2 - 1国内外典型烧结矿成分 2 ) 烧结块的强度( 也叫硬度) 要大。烧结块的强度是用转鼓试验测定的。 方法是称取2 5 k g 的烧结块齿破后取样，通过51 m m 的筛网并大于1 2 7 m m ，即 原始粒度为1 2 7 5 1 m m 。然后置于直径( 内径) 为4 0 6 m m ，长4 0 6 m m 转速为 5 4 转秒的转鼓器内，转动9 3 秒。卸出后用1 2 7 m m 筛网过筛，并称其筛上和筛 下两种