（计算机应用技术专业论文）基于单位时间锌产量预测的密闭鼓风炉炉况研究.pdf

摘要 密闭鼓风炉铅锌熔炼过程冶金反应机理复杂，具有变量多、非线 性、时变、藕合严重的特点，难以用传统的数学模型描述熔炼生产过 程。维持炉况稳定是提高锌产量和质量的基本保证。将现有的炉况诊 断理论应用于鼓风炉熔炼过程，进行基于炉况诊断的研究，对做好密 闭鼓风炉熔炼优化控制是至关重要的，由此可以进一步提高密闭鼓风 炉的生产率，减少污染，增加企业的市场竞争力。 单位时间锌产量是反映密闭鼓风炉炉况稳定的主要指标，本文研 究了基于单位时间锌产量预测的密闭鼓风炉炉况诊断问题。通过对来 自生产现场监测参数的历史数据进行过滤处理，应用机理分析和粗糙 集方法选择建模变量，建立了基于b p 神经网络的单位时间锌产量预 测模型；在运用粗糙集方法数据进行处理的过程中，采用基于高斯混 合模型的连续数据离散化方法，用s p s s 统计软件验证了此离散化方 法是行之有效的；基于机理分析和可拓评价方法建立铅锌熔炼密闭鼓 风炉炉况诊断模型。 在理论研究的基础上，开发了铅锌熔炼密闭鼓风炉炉况诊断系 统。系统软件采用v i s u a lc + + 编程，实现了炉况主要参数在线监视、 炉况诊断、数据查询和帮助等功能。现场运行情况表明该系统具有较 高的故障诊断准确率和工作可靠性，具有很好的实用特性。 关键词：密闭鼓风炉，炉况诊断，粗糙集，高斯混合模型，b p 神经 网络，可拓评判 a b s t r a c t i m p e r i a ls m e l t i n gf u r n a c e ( i s f ) s m e l t i n gp r o c e s si sav e r yc o m p l e x s y s t e mw i t hn o n l i n e a r i t y , t i m ev a r i e t y , c o u p l i n ga n du n c e r t a i n t ya n dv e r y d i 街c u l tt od e s c r i b ew i t hc o n v e n t i o n a lm a t h e m a t i c sf u n c t i o n s m a i n t e n s t a b i l i t yo ft h ef u r n a c es t a t u si sb a s i cq u a r a n t e eo fi m p r o v i n gp r o d u c t i o n a n dq u a l i t yo ft h ez i n c t h ei s fs t a t u se v a l u a t i o nr e s e a r c hb a s e do n z n o u t p u tb ya p p l y i n ge x i s t i n ge v a l u a t i o nt h e o r yi n t o i s f s m e l t i n g p r o c e s si si m p o r t a n tf o rt h ef o l l o w i n gs m e l t i n go p t i m i z e dc o n t r o l l i n g ， m i c hc a ni m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y , r e d u c ep o l l u t i o na n dm a k ep l a n t s m o r ec o m p e t i t i v e u n i tt i m ez i n c o u t p u ti sc o n f i n e dt h ek e yi n d i c a t o r st or e f l e c tt h e s t a t u so ft h ei s f i nt h et h e s i s ，a ne v a l u a t i o na p p r o a c ho fi s fs t a t u sb a s e d o nu n i tt i m ez i n c o u t p u tf o r e c a s t i n gm o d e li su s e d o r i g i n a ls a m p l e sa r e n o r m a l i z e d ，n o i s es a m p l e sa r ef i l t r a t e d ，a n dt h em e c h a n i s ma n a l y s i sa n d r o u g hs e tt h e o r i e sa r ea p p l i e dt ot h eh i s t o r i c a ls a m p l ed a t at os e l e c t v a r i a b l e su s e df o rm o d e l i n g b pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kf o r e c a s t i n g m o d e li sf o r m e dt op r e d i c tt h eu n i tt i m ez i n co u t p u t i nr o u g hs e t t h e o r i e s ，an e wm e t h o df o rd i s c r e t i z a t i o no fc o n t i n u o u sa t t r i b u t e sb a s e d o ng a u s s i a nm i x t u r em o d e li s p r e s e n t e d a n o t h e rm e t h o d t h es p s s s t a t i s t i c a ls o f t w a r e ，i sa l s ou s e d ，w h i c hi m p r o v e dt h ed i s c r e t i z a t i o n m o t h e di se f f i c i e n t a p p l y i n gw i t he x t e n s i o nt h e o r y , a ne s t i m a t i o nm o d e l b a s e do ne x t e n s i o nt h e o r yo fi s fs t a t u si sb u i l t t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t t h ee x t e n s i o nm e t h o di sf e a s i b l e 一 b a s e do nt h et h e o r yr e s e a r c h ，as y s t e mo fi s fs m e l t i n gp r o c e s s s t a t u se v a l u a t i o nw a sd e v e l o p e d t h es o f t w a r ew a sd e v e l o p e dw i t hv c + + 。 r e a l i z e df u n c t i o n so fp a r a m e t e rm o n i t o r i n g ，i s fs t a t u sp r e d i c t i o n , d a t a q u e r ya n dh e l p d e b u g g e da n dt e s t e di nt h ep l a n t ，t h er e l i a b i l i t yo ff a u l t d i a g n o s i sa c c u r a c yo ft h es o f t w a r eh a v eb e e np r o v e d 一一 k e y w o r d s ：i m p e r i a ls m e l t i n gf u r n a c e ，f u r n a c es t a t u se v a l u a t i o n ， r o u g hs e t ，g a u s s i a n m i x t u r e m o d e l ，b pn e u r a l n e t w o r k , e x t e n s i o nt h e o r y 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：童摘蝎 日期： 立遨年月监e t 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。 作者签名毛蟊趣 导师签名i 基塾堡日期：互堕年上月鲨日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 金属铅和锌有着广泛的用途，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、精密器件及冶金工业 等领域，而且它们各自的化合物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。 密闭鼓风炉铅锌冶炼【1 1 ( 简写成i s p ) 工艺为英国帝国熔炼公司推出的专利技 术，i s p 过程包括烧结和熔炼两大工艺，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 韶关冶炼厂是岭南铅锌集团公司下属的国有大型有色金属冶炼生产企业。韶 关冶炼厂于1 9 7 8 年正式投产，至今己二十多年。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大提高。特别是在1 9 9 7 年完成技术改造项目以后，烧结、 鼓风两大主体生产车间均采用了集散型控制系统d c s ( d i s t d b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 和可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。其中一系统中 烧结车间采用日本横河的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 可编程控制器p l c ，完成了烧结全过程的顺序控制、 工艺检测及控制；熔炼车间采用y e w p a c k 的换代产品1 lx ld c s 系统实现对 鼓风炉的工艺检测与控制，并采用p c 9 8 4 6 8 0 完成了鼓风炉全自动上料。在二系 统，烧结和熔炼车间均采用u x l d c s 系统和p c 9 8 4 系统这些系统的采用与实 施，可为密闭鼓风炉烧结熔炼过程的建模与优化研究提供丰富的现场数据。两个 系统年产铅锌已分别由原设计的5 万吨和8 5 万吨增加到了1 0 万吨，总产量达 2 0 万吨，己经超过了原设计能力。这些系统的实施，为密闭鼓风炉铅锌熔炼过 程的建模研究提供了丰富的现场数据 3 1 i s p 工艺的优点【1 ： 一 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 了冶金工艺流程、建厂占地面积小、设备台数减小、投资较省。 2 ) 对原料具有广泛的适应性，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各种含锌铅的二次物料。 硕士学位论文 第章绪论 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 原料和生产成本比其它熔炼方法低。 4 ) 该方法直接加热，冶炼设备能力不受限制，可以在生产能力大的设备内 进行大规模的生产，有利于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，可用于预热空气和焦碳，干燥精矿 和发电。 6 ) 可有效地回收有价金属，如金、银、铜、锡等。 经过几十年的铅锌冶炼实践经验表明，密闭鼓风炉铅锌冶炼法具有对炉料的 适应性强，有较高的热效率及较好的可控性等优点，且可以在同一冶炼过程中冶 炼铅锌两种金属，所以密闭鼓风炉铅锌冶炼法逐渐成为当前我国乃至世界铅锌冶 炼的主要方法之一 密闭鼓风炉铅锌冶炼过程主要包括烧结与熔炼两个部分。前者以鼓风烧结机 为主体，后者以密闭鼓风炉为主体。 i s p 过程具有以下特点 4 1 ： 1 ) 工艺流程长，具有大滞后特性。 2 ) 过程机理反应复杂( 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) ，具有时变、非线性和强耦合特性， 建立基于物质、能量守恒的精确机理模型十分困难。 3 ) 生产用原料复杂，成分不稳定，生产边界条件变化剧烈，此问题在我国 尤为突出。 4 ) 生产过程中许多工艺参数，如化学反应的组分、反应温度等，难以实时 准确测量，影响过程控制效果。因此具有时变时滞性、多约束、多输入多输出等 特性。 5 ) i s p 过程的生产工艺条件和操作参数与生产目标的关系复杂，而产品中的 某些质量指标难以实时测量或直接控制，造成指标波动性较大。 由此，可以看出密闭鼓风炉熔炼过程是一个反应机理复杂，非线性、时变、 藕合严重，难以用传统的数学模型描述的复杂系统。目前韶关冶炼厂己采用集散 控制系统( d c s ) 实现了重要参数的单回路控制，对每一个单变量控制回路，基本 上能获得比较满意的控制性能。然而，d c s 的应用大多只是取代了原有的仪表控 制系统，只是解决了单个参数的稳定化问题，并没有将各个参数综合起来考虑， 没有考虑实际过程中的多变量藕合及相互影响，不能实现全面优化控制，无法确 保生产过程的质量、产量等目标的实现。由于熔炼过程的上述特点，整个密闭鼓 风炉内部反应很大程度上处于未知状态，难以机理建模，传统的优化控制策略也 不适用，许多工艺过程参数无法优化获取，d c s 仅靠操作人员的经验设定，人为 2 硕士学位论文第一章绪论 的主观性太大，这样容易造成鼓风炉炉况不稳，对鼓风炉生产造成波动，影响炉 龄。严重时导致停炉休风，直至大修，重新恢复需要很长的时间，对于连续生产 过程来讲，会造成巨大的经济效益损失。 1 1 1 炉况诊断的重要性 密闭鼓风炉炉况是指炉内当时各个参数所处状态的总体反应状况，炉况受多 种因素影响【l 】。如：炉况正常时一般有：热风压力在4 3 k p a - 4 7 k p a ，炉顶吃料均 匀，主风口风量稳定在3 6 k i n 3 h 上下，加料时风量、风压波动不大，风温在9 5 0 左右，风口明亮无挂渣现象，渣好放、好喷、易堵，炉顶温度在9 8 0 1 0 8 0 1 2 ， 透气性好等。炉况异常时一般有：热风压力大于4 8k p a - 4 9 k p a ，风口易挂渣， 风口发暗，风温不保，热风压力上升快，风量自动减小，加料少等。引起炉况异 常的主要问题有：结瘤、悬料、渣温过高或过低 4 1 。 炉况诊断，就是依据从d c s 系统上获取的检测数据，对密闭鼓风炉运行状 态以及其趋向进行诊断，密闭鼓风炉熔炼领域专家在长期的生产实践中积累起来 的经验是进行密闭鼓风炉炉况诊断的主要依据。依据前人的研究经验【3 4 1 ，将炉 况分为优、良、中、差四种运行状态【，1 。如果当时的炉况总体状态为优、良、中， 则继续保持目前的状态；如果为差，则需要及时有效的处理。 当炉况为差时，倘若依据不可靠的炉况诊断模型，诊断结果为其它状态，而 不采取任何有效措施进行弥补，在这种情况下，轻则会导致一些故障的进一步恶 化，如结瘤：漏水、悬料等故障；重则会直接影响产品的产量和质量。 当炉况为中、或者良时，也可以及时地采取一些调整策略，尽可能地使炉况 达到优的状态，从而保证产品的产量和质量。 由此可以看出： 1 ) 各种故障的及时处理，有赖于对炉况准确的诊断，拖延对故障的处理或 因判断失误而采取错误的处理方法，都将会产生意想不到的后果。 2 ) 炉况诊断是密闭鼓风炉熔炼过程智能优化控制的核心环节，直接影响到 最终产品的产量和质量指标。 炉况是一个模糊化的概念，需要采用有效的方法进行鼓风炉炉况的诊断。近 年发展起来的可拓综合评价方法把评价指标由单一确定值转变为区间值，更符合 实际应用的需要，而且在许多领域得到成功应用。 本文第四章引入可拓学思想，建立密闭鼓风炉炉况可拓综合诊断物元模型， 通过计算其关联度，给出定量的数值评定结果，利用综合关联度进行综合定量分 析，直观全面地衡量炉况的运行状态，从而提供客观公正、准确合理和科学的综 合分析结果。最后根据诊断结果及时调整熔炼炉的各个参数，来保证密闭鼓风炉 正常运行，从而取得更好的经济效益。 3 硕士学位论文 第章绪论 1 1 2 单位时间锌产量预测的意义 密闭鼓风炉熔炼过程炉内反应非常复杂，影响因素也很多，并且内部数据检 测困难，关键的可测可控过程变量并不很多，整个密闭鼓风炉内部反应基本上处 于未知状态。密闭鼓风炉熔炼过程最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【3 】。决定密闭鼓风炉特性的参数有些是无法 检测的，或者无法及时获得，这些参数又是至关重要。比如单位时间锌产量，当 密闭鼓风炉铅锌熔炼过程出现故障时，铅锌产量大幅度降低，因此要维持炉况的 稳定，保持产品的产量和质量，也就要稳定密闭鼓风炉单位时间锌产量。 单位时间锌产量能反映炉内是否发生故障，产量的突然或者渐进降低，都说 明密闭鼓风炉系统有故障了。但是单位时问锌产量不能在线连续测量，而是一炉 一炉的称重，严重滞后。从某种意义上说，能对单位时间锌产量进行在线预测， 也能够很好的预测密闭鼓风炉系统的故障f 5 2 l 。倘若预测值和目标值相差比较远， 则我们可以及时分析原因，找出发生故障的原因，再采取有效措施进行弥补。因 此，对单位时间锌产量建立预测模型具有实际意义。 利用软测量技术，建立关键特性参数密闭鼓风炉单位时间锌产量的预报模型 5 8 1 ，通过一些可直接测量的过程变量，在线估计这些无法直接测量的变量。本 文单位时间锌产量预测模型通过粗糙集 2 - 1 6 】与b p 神经网络来建立f 5 们。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 炉况诊断国内外研究现状 目前，关于密闭鼓风炉炉况诊断的研究还极不充分，主要以中南大学信息科 学与控制工程研究所桂卫华教授为首的课题小组在密闭鼓风炉熔炼过程炉况诊 断进行了一定酌研究和开发工作。如李瑞娟【3 l 、吴湘华【1 等，但都是以模糊综合 评判方法为基础，再结合其它方法如专家系统进行炉况诊断的，虽然取得了一些 成果，但有待进一步的改进。模糊综合评判法例本身就有可能获得伪优解，密 闭鼓风炉铅锌熔炼是一个多输入多输出的复杂系统，炉况受多种因素的共同影 响。当评价因素较多时，模糊综合评判法很容易出现灵敏度低等问题。它只适合 处理评价因素很少的情况，不太适合评价因素较多的情况。尽管再结合其它方法 来提高评价性能，但却会出现计算繁琐、工作量很大等问题。 有关密闭鼓风炉的炉况诊断研究，在国外的相关文献上很少见，因此在炉况 诊断问题的研究上有待深化完善。 1 2 2 可拓学国内外现状 可拓学【6 ，7 1 是我国学者蔡文教授于8 0 年代初创立的新学科，属数学、系统科 4 硕士学位论文 第一章绪论 学和思维科学的交叉学科。 1 9 8 3 年，科学探索学报发表了蔡文的文章“可拓集合和不相容问题 ，提 出了对形式化处理矛盾问题的研究，开拓了一个新的领域，形成了一门新的学科 一可拓学【7 l 。由于可拓学的研究对象矛盾问题极为普遍，从横向构成一个很大的 新领域。这个领域要研究一般化矛盾问题为不矛盾问题的理论与方法。也要研究 各专业领域中化矛盾问题为不矛盾问题的理论与方法。1 0 多年来，国家自然科学 基金委员会用了2 0 多个项目支持了这项研究。经过近3 0 年的探索，初步构建了可 拓学的轮廓。 2 0 0 4 年，科技部科技成果管理办公室发布可拓学研究成果“可拓论及其应用 研究 这个项目是一项原始性创新研究，在海内外同类研究中，处于领先和指导 的地位。由科技部、教育部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、中国工程 院、国防科工委和解放军总装备部组办的香山科学会议于2 0 0 5 年1 2 月6 7 日在北 京召开以“可拓学的科学意义与未来发展一为主题的学生讨论会，指出可拓学是 一门哲学数学和工程学交叉的学科。它是我国科学家自己建立的具有深远价值 的原创性学科。 可拓学研究队伍从一个人逐步发展为一支有一定水平的队伍，经历了困难的 历程。 1 ) 召开了1 1 届全国可拓学年会； 2 ) 组织了6 次专业学术研讨会，在台湾举办了3 期可拓工程研习班； 3 ) 建设了可拓学研究基地一广东工业大学可拓工程研究所； 4 ) 成立了中国人工智能学会可拓工程专业委员会，组织海内外可拓学研究 者进行研究； 5 ) 按照在2 0 0 6 年在哈尔滨工业大学召开的全国第l l 届可拓学年会，成立 了可拓学学术委员会，成立了中国人工智能学会可拓工程专业委员会青年部，开 展了可拓软件的研制； 。2 0 0 7 年，召开了一2 0 0 7 年可拓软件研制研讨会一和 可拓数据挖掘研讨 会一，促进了可拓软件研制工作的开展。出版了专著可拓工程，2 0 0 6 年出版 的专著可拓策略生成系统第2 次印刷本也于2 0 0 8 年1 月出版。2 0 0 7 年5 月， 香港科协、香港科技园、粤港科技产业促进会、香港生产力促进局、京港学术交 流中心在香港科学园联合召开“可拓学研讨会一，蔡文研究员应邀赴会作“开拓 新领域，研究新方法一新学科可拓学简介 的学术报告，并在香港大学作“可拓学 入门一讲座。此间，蔡文研究员还访问香港中文大学工程学院，与l e u n gh f 教 授等讨论了可拓学与计算机结合的有关问题。 5 硕士学位论文 第一章绪论 香港学者多次访问专业委员会，如2 0 0 7 年9 月1 0 月，香港科协萧仁杰副会 长多次访问可拓工程专业委员会和广东工业大学可拓工程研究所。访问期间，萧 副会长还旁听了杨春燕研究员主讲的“可拓工程”课程，参加了可拓学的学术讨 论。2 0 0 7 年1 1 月2 6 日，香港京港学术交流中心董事局董事、前总经理杨伟国博 士于访问了广东工业大学可拓工程研究所和可拓工程专业委员会。 专业委员会的很多会员也多次在国内外召开的国际学术会议上介绍可拓学。 2 0 0 7 年1 2 月，在中国人工智能学会第1 2 届学术年会期间，在哈尔滨工业 大学举行了可拓工程专业委员会学术研讨会，与台湾淡江大学的杨智旭教授共同 探讨了两岸可拓学研究进展。 正在筹备的“可拓软件研制研讨会一和“全国第1 2 届可拓学年会 既是检 阅可拓学研究工作和研究队伍的会议，也是开创可拓学新局面的新起点。 长江后浪推前浪，青出于蓝胜于蓝。近年来，一批年轻学者加入可拓学研究 队伍，以推动可拓学研究进入新的发展阶段。 可拓评价方法是可拓学的主要应用之一【3 7 挪l ，该方法理论上严谨，且计算方 法简单，评判结果合理，因而被广泛应用到产品质量评定、生态环境评价、分类 识别、电网规划和发展决策等各个领域，业已成为综合评价方法中的一个重要分 支 3 9 - 4 3 l 。 1 3 论文主要研究内容 论文以铅锌密闭鼓风炉熔炼过程为研究对象，深入进行过程机理及特性研 究，提出了结合粗糙集与神经网络的锌产量预测模型，并采用了基于可拓理论的 可拓评价方法，对密闭鼓风炉炉况进行了炉况诊断等问题。 论文的结构安排如下： 第一章绪论。阐述了课题研究的背景、意义和有关粗糙集和可拓评判方法 的国内外现状，以及论文的主要研究内容。 第二章i s p 熔炼过程机理分析。首先简单介绍了i s p t 艺流程，并重点介绍 了熔炼过程；然后详细分析了影响鼓风炉熔炼锌产量和炉况的主要因素。 第三章基于粗糙集与b p 神经网络的单位时间锌产量预测模型。首先介绍 粗糙集方法与原理，提出了基于高斯混合模型的数据离散化方法，并结合基于条 件信息熵的属性约简算法对现场数据进行降维处理，由此得到与锌产量最相关的 少数输入变量，此外，引进了另外一种常用数据处理方法一s p s s 统计分析软件， 并将结果进行了比较。其次介绍了b p 神经网络的相关概念，运用改进的b p 神经 网络一l e v e n b c r g m a r q u a r d t 算法，建立了锌产量的预测模型。 第四章基于可拓评价方法炉况诊断。首先介绍了可拓学的一些基本内容， 6 硕士学位论文第一章绪论 重点讲述了基于可拓学的可拓评价方法，并对目前比较常用的综合评价方法作了 介绍与比较，其次，建立了基于可拓评价方法的炉况诊断模型，最后与模糊综合 评价方法结果进行了比较，证明本文提出的方法是可行的。 。 第五章炉况诊断系统的软件实现：分析了炉况诊断系统软件结构，软件功 能设计，并对系统投入运行后的应用效果进行分析。 第六章总结与展望。对论文的主要研究内容和创新点进行总结，并提出了 下一步研究的方向。 7 硕士学位论文 第二章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 密闭鼓风炉炼铅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，是实现对鼓风炉炉况准确 评判的前提条件和重要基础。密闭鼓风炉铅锌熔炼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。 ： 本章首先介绍了i s p 工艺流程，包括烧结过程和熔炼过程，再详细分析了影 响熔炼过程的重要因素，得出了鼓风炉炉况诊断的主要影响因素以及影响锌产量 的一些主要变量。 2 1i s p 冶炼过程工艺 2 1 1i s p 工艺流程及熔炼过程 ( 1 ) i s p 工艺流程【9 1 i s p 工艺流程如图2 1 所示。 精锌精铅 图2 - 1 铅锌火法冶炼工艺流程 i s p 熔炼工艺过程在一个密闭的鼓风炉内进行，根据铅、锌的熔沸点不同， 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 8 硕士学位论文第二章i s p 熔炼过程机理分析 及脉石) 进厂后先进行干燥，去掉多余水分，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分均匀、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；不 合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，加入密闭鼓风炉熔炼。从密闭鼓风炉的 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 热前床放出的炉渣中还含有一定的锌，经烟化炉处理后可获得次氧化锌。鼓风炉 炉气( 亦称低值煤气) 经洗涤过滤后送余热电站做燃料使用。含硫的铅锌精矿在 烧结过程中产生的二氧化硫s c h 烟气送入制酸系统生产硫酸。 ( 2 ) 熔炼过程 i s p 冶炼的最终的目的是还原出一定质量的铅、锌，而熔炼过程最终的产品 是粗铅和粗锌，只有熔炼过程顺利进行，才能保证一定产量的粗铅和粗锌，因此 熔炼过程是否顺利进行，是能否提高整个铅锌火法冶炼生产产量和质量的关键所 在。 一 i s p 的熔炼过程【9 】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子里完成金属的还原反应，并且可 粗铅 图2 - 2 密闭鼓风炉结构图 9 硕士学位论文第二章i s p 熔炼过程机理分析 以同时还原两种主要的金属铅和锌，i s p 熔炼过程如图2 2 所示。 炉料中的氧化锌有4 0 是在固态中被还原，而6 0 是在液态炉渣中被还原 的，因此炉料中氧化锌被还原盼程度，最终取决于炉渣中氧化锌被还原的程度。 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 i j o ： 1 ) 炉料预热带 在风口水平面往上5 6 米处，是炉料的最上层。温度为4 0 0 。c 左右的烧结块加 入炉后，在此带大量吸收炉气中的热量，被迅速加热，而从料面逸出的炉气温度 为8 0 0 0 c 9 0 0 。炉气中的锌可发生再氧化而放出热量；烧结块中的氧化铅开始 还原，放出部分热量。 一 为了保证进入冷凝器的含锌炉气具有高于锌蒸气再氧化平衡温度2 0 度左右 的温度，在炉顶鼓入二次风，使得炉气中的部分c o 然烧放出热量，以补偿加热 炉料所消耗的热量。氧化反应产生的z n o 随固体炉料下降至高温时；又需要消耗 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量 后，进行碳的氧化，炉气中的部分蒸气也被氧化而放出热量，温度几乎维持不变， 在1 0 0 0 左右。在氧化带，炉料中的p b o 大量被还原。p b s o , 被c o 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，助长炉 身炉结的形成；一部分随固体炉料下行至高温带。 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 ，炉料中的z n o 大量被c o 还原，炉气中的锌的浓度达到最大值；少量的c o , 被固体碳还原，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 左右。 炉气中的p b 、p b s 和a s 的含量达到最大值。当达到上部低温区时，部分冷 凝在固体炉料上，又随炉料下行至此带时，又挥发上升。这些易挥发的物质在此 三带循环。大量被还原的铅在此带溶解其他被还原的物质，进入炉缸。 4 ) 炉渣熔化带 在风口水平面至水平面以上一米处的温度为1 2 5 0 c 。主要进行着焦碳的燃 烧，溶于熔渣中的z n o 的还原和脉石成分的造渣等过程。氧化锌的还原和炉渣的 熔化需要消耗大量的热量，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和过热，炉渣中的z n o 在此带被迅速还原。 鼓入熟风可以使过程获得高温和合适的还原气氛。 由于铅锌的沸点差异较大( 铅为1 5 2 5 ，锌为9 0 6 * ( 2 ) ，在熔炼过程中，铅成 1 0 硕士学位论文 第二章i s p 熔炼过程机理分析 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；锌成气体状态与炉气 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) ，使得炉气中的使c o 燃烧成为c d ，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。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。+ 2 2 2 熔炼过程机理分析 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。 密闭鼓风炉炼铅锌主要的炉料有烧结块、焦炭，另外有蓝粉及其他杂料压制 的团块、溶剂浮渣、块状炉结和返渣，它们质量的好坏直接关系到炉子的生产率， 冷凝效率和其它经济技术指标。为了保证鼓风炉生产的正常进行和提高其生产能 力，延长炉龄，对入炉料的化学成分，物理规格要求严格。 ( 1 ) 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，从而影响密闭鼓风炉的透气性；而化学性质( 如成分) 主要是影响烧结块的 还原和炉子结瘤。 1 ) 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 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。 粒度要合适，粒度范围要小。烧结块的粒度要求4 0 m m 1 0 0 m m ，最小为2 5 r a m ， 最大不超过1 2 5 r a m 。 具有良好的孔隙度，以保证炉内良好的透气性，要求孔隙度大于2 0 。 烧结块应采取良好的保温措施，保证入炉烧结块有较高的温度，以减少焦炭 硕士学位论文第二章i s p 熔炼过程机理分析 消耗，提高炉顶温度，减少入炉水份和强化熔炼过程。 2 ) 焦炭的要求 焦炭在熔炼过程中起三种作用：热源、还原剂和构成料柱。 要求焦炭含固定碳越高越好，一般大于8 3 。 焦炭中的残硫要求小于1 ，若含硫高于标准则助长炉结的形成和使炉内悬 料的可能性增加。 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。 焦炭的粒度要求合适、均匀，为烧结块的1 1 1 2 倍，焦炭块度要求 4 0 m m - 1 0 0 m m 之间。焦炭具有低反应性。焦炭的反应性指c 和c 0 2 还原为c o 的反应速度。若焦炭的反应性高，则焦炭在炉子上部与炉气中的c 0 2 剧烈反应， 而参加反应的这部分焦炭，既不能起还原剂的作用，又不能为炉内提供有效的热 量，增加了焦炭的消耗。同时，焦炭强度下降，影响炉内透气性。 ( 2 ) 料制 料制指的是密闭鼓风炉的加料制度，是炉料装入炉内方式的总称。包括加料 方式、批重、批次等，它对密闭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柱高度，导致不同气流和温度在炉内的分布， 以及炉内软融带的不同形状，从而影响到密闭鼓风炉的产量和炉况。 1 ) 加料方式 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。实践证明， 矿焦层厚度比值沿炉喉径向的分布对煤气流具有决定性的影响，其次是透气性 较差的矿焦混合层的厚度及其位置。 根据烧结块和焦碳的质量，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。 连续加料法：料罐下部装烧结块，上部装焦碳进行连续加料，此法称正向连 续加料法，正向连续加料烧结块、焦碳分布均匀，炉结较少，碳利用率好。反之 先焦碳后烧结块入罐的顺序称反向连续加料法。反向加料还原气氛较强，影响产 量，影响渣含锌和放渣，渣含锌高，锌的直收率低，但透气性改善，炉压下降。 分别加料法：焦碳和烧结块分别装罐，先后加入炉内，分别加料，料面波动 大。 混合加料法：向料罐同时排入焦碳和烧结块，两者在料罐内混合不分层次。 延时加料法：即将分别加料法一的烧结块或连续加料法一中的炉料给入 料钟并存留在料钟内，一直待到下一批料到来后，才加入炉内。此法适用于密闭 鼓风炉熔炼冷烧结块和物料偏湿的情况。 2 ) 料批重和批次 1 2 硕士学位论文第二章i s p 熔炼过程机理分析 在正常生产条件下，韶冶的批重是7 2 2 8 k g ，其中焦碳8 6 4 * 2 吨，烧结块 2 4 0 0 2 k g ，其它3 5 0 2 k g ，焦率为3 6 ，加料周期为一个小时6 到7 批料。采 用的加料方式是正向连续加料法。但是生产不正常时，料批重批次和加料方式都 要发生相应改变。料线一般为4 8 m 到4 9 m ，如果料线不够，则要赶料线，采用 大料批( 烧结块2 6 0 0 k g ) 或缩短加料周期。如果发生“偏料厣( 东西料面大于 3 0 0 m m ) 则采用向低侧单罐加料或采用反向连续加料，底焦多加一点。发生悬料 时应暂时停止加料。大料钟严重漏气时，采用“延时分别加料 。 ( 3 ) 风量与炉温调节 大风量操作时，焦炭的燃烧速度快，熔炼速度快，炉子的生产率高。但风量 不宜过大，否则会增加动力消耗，气流速度过大，随气流带出的粉量也增多，特 别是在料面过低，物料质量差，炉内结瘤严重的情况下，会使冷凝器内浮渣增加 此外，大风量操作还受物料质量，炉内结瘤所引起的高压所限制。综合以上因素， 韶冶主风口风量一般控制在3 4 0 0 0 3 8 0 0 0m 3 h ，顶部风量( 二次风) 为底部风口 风量8 - 1 2 ，料钟间空气每钟2 0 0 3 0 0m 3 h ，周边风每钟2 5 0 3 5 0m 3 h 。 鼓入密闭鼓风炉的热风温度一般控制在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。但是，风温调节只是在短时间内采取的应急措 施，如果炉况需要较长时间和较大幅度的调节，则应调整焦率，稳定风温在适宜 的操作范围内。 - ( 4 ) 放渣 密闭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，此时应打开 渣口放渣。根据放渣的情况，不断地检查渣温，可以作出对炉况的诊断，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 高炉子的混度，如提高风温，增加焦比等。 2 2 炉况诊断的主要评价指标 括： 通过以上的分析可知，影响密闭鼓风炉熔炼过程即反映炉况的主要因素包 ( 1 ) 进入炉内的物料条件 1 ) 烧结块成分、块度、强度和粒度等； 2 ) 焦炭成分、块度、反应性和粒度等； 3 ) 其它物料成分、块度和温度等； 4 ) 装料顺序、批重和批次等； ( 2 ) 操作技术条件 1 3 硕士学位论文第二章i s p 熔炼过程机理分析 1 ) 炉内温度分布； 2 ) 锌蒸汽在炉内的再氧化区； 3 ) 料柱高度： 4 ) 炉气成分及炉压； 5 ) 风温、风压、湿度及含氧量； 6 ) 放渣时间、渣型和渣温； 密闭鼓风炉熔炼过程是一个复杂工业过程，冶金化学反应在里面激烈进行， 给数据检测带来困难，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。而对于工作炉内的操作参数和运行参数，可测 量只有料柱高度、底部风量、底部风压、二次风量和风压、炉项温度、炉顶风量 和渣含锌以及人工可观察的渣型。可选择的操作参数有底部风量、底部风压、二 次风量、炉顶温度、炉顶风量、料钟风、热风压力和热风温度。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，从这一点来讲，对鼓 风炉熔炼过程的状态诊断是一个典型的“黑箱。 因此，由上述我们可以得出炉况诊断的主要评价指标为： ( 1 ) 透气性类别 密闭鼓风炉的透气性状况，反映了炉内料柱对气体的阻力大小以及均匀程 度。良好的透气性，能让炉气在炉内很好地通过，从而获 | 导较好的炉况，稳定熔 炼生产；另外，能保证炉气与炉料充分接触反应，增加炉床能力，从而增加熔炼 产量。可以说，透气性是熔炼过程中的最重要的参数之一。通过现场的实际情况 和理论分析，根据气体动力学c a r m a n 方程： k = q 1 7 ( 砰- p , 2 )( 2 - 1 ) 其中k 为鼓风炉的透气性，为q 底部风风量，弓为底部风风压，为顶部风 压。因为在韶冶的密闭鼓风炉中顶部风压是不变的，所以我们可以将公式简化为： k = q 弓( 2 - 2 ) 因此，我们可以根据鼓风炉的底部风量和底部风压就可以求出鼓风炉的透气性指 数。 透气性状况对熔炼过程有直接的影响：透气性好，气体容易通过料层，因而， 通过料层的风量增大，炉料反应完全；反之，透气性变差，料层阻力增大，风量 减少，炉料接触不充分。根据( 2 - 2 ) 式，用底部风量和底部风压来作为评判透气性 类别的参数。在实际生产过程中，底部风量和底部风压每分钟采集和处理一次， 采样值经过滤波后，计算出透气性值，作为炉况预测的输入数据。 1 4 硕士学位论文第二章i s p 熔炼过程机理分析 采样值经过滤波后，计算出透气性值，作为炉况预测的输入数据。 。 ， ( 2 ) 渣型类别 炉渣是鼓风炉中没有被还原的氧化物和少量金属硫化物形成的，主要成分为 f e o 、s i 0 2 等氧化物。炉渣的性质对熔炼过程有极大的影响。韶关冶炼厂根据原 料含铁含钙低的特点，采用高铁低钙渣。炉渣的主要成分为：历5 8 、研d 1 8 2 3 、c a 0 1 6 2 0 、f e 2 5 3 0 、c a o s i 0 2 0 7 1 0 。渣含锌的含量 体现了炉内锌的挥发率，