（模式识别与智能系统专业论文）ps转炉铜锍吹炼过程冷料添加操作优化的研究与应用.pdf

摘要 冷料添加操作是铜锍吹炼生产过程中的关键操作，其操作制度直 接影响粗铜的产量和质量。由于吹炼过程是一个大滞后、弱鲁棒性的 非线性系统，其机理十分复杂，传统的策略难以实现操作的优化。目 前冷料添加操作仅凭借人工观察熔体温度，结合个人经验进行，难以 实现合理添加操作。针对上述问题，设计操作优化模型，开发转炉操 作优化指导系统，以实现冷料添加操作的优化和指导。 论文介绍了铜锍吹炼过程机理和特点，分析了目前冷料添加操作 的现状和存在的问题。通过研究铜锍吹炼过程机理和剩余热经验计 算，结合生产历史数据，采用系统辨识方法，建立了剩余热计算的热 量衡算模型和经验回归模型。在此基础上，通过分析热量衡算模型和 经验回归模型的特点，采用组合预测思想，提出剩余热组合预测模型， 预测吹炼剩余热。 根据预测的剩余热，应用改进遗传算法获得整个吹炼过程的冷料 添加种类和添加量；在此基础上，结合吹炼过程机理知识和冷料添加 操作专家经验，建立前向推理专家系统，推理得到吹炼过程中当前时 刻是否需要添加冷料、冷料添加种类和添加量，从而实现冷料添加操 作指导。 最后，开发了转炉操作优化指导系统，实现冷料添加操作指导， 对生产过程进行实时状态监测，并建立生产数据库，对复杂的生产数 据进行综合管理。系统投入运行后，冷料平均处理量提高了9 9 8 ， 粗铜平均产量提高了6 0 ，工业运行结果证明了方法的有效性。 关键词：p s 转炉，冷料，操作优化，遗传算法，专家系统 n e o p e r a t i o no f a d d i n gc o l dc h a r g e si sap i v o t a lo p e r a t i o ni nc o p p e r m a t t ec o n v e r t i n gp r o c o s s 1 1 把c o l dc h a r g e si n c o m i n gs y s t e mi n f l u e n c e s t h eo u t p u ta n dq u a l i t yo fc o p p e rd i r e c t l y t r a d i t i o n a lm e t h o d sa n d s t r a t e g i e s c a nh a r d l yr e a l i z eo p t i m a lo p e r a t i o nb e c a u s et h ec o n v e r t i n g p r o c e s si san o n l i n e a rs y s t e mw i t hc o m p l e xm e c h a n i s m , g r e a tl a ga n d p o o rr o b u s t n e s s m o r e o v e r , c u r r e n to p e r a t i n gm o d eo fa d d i n gc o l d c h a r g e sw h i c hd e p e n d so no b s e r v i n gm e l tt e m p e r a t u r ea n dp e r s o n a l o p e r a t i n ge x p e r i e n c e sc f l n tr e a l i z eo p t i m a lo p e r a t i o n s oa no p e r a t i o n a l o p t i m i z a t i o nm o d e li sd e s i g n e d , a n da no p e r a t i o n a lo p t i m i z a t i o nd i 帕嘶o n s y s t e mi se x p l o i t e df o rd i r e c t i n gt h eo p e r a t i o no fa d d i n gc o l dc h a r g e s 耵他m e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fc o p p g ym a t t ec o n v e r t i n g p r o c e s sa 地i n t r o d u c e d , a n dt h ea c t u a l i t i e sa n de x i s t e n tp r o b l e m so f a d d i n gc o l dc h a r g e so p e r a t i o na r oa n a l y z e d b a s e do nt h em e c h a n i s mo f c o p p e rm a t t ec o n v e r t i n gp i d c e 鹳a n de x p e r i e n c eo fc o m p u t i n gr e s i d u a l h e a tr e s p e c t i v e l y , a d o p t i n gs y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sw i ma b u n d a n t h i s t o r i c a ld a t aa c c u m u l a t e di nt h ei n d u s t r i a lp r o c e s s ，t w om o d e l s ( i e h e a t i n gb a l a n c em o d e la n de x p e r i e n t i a lm o d e l ) a r cb u i l tt oc o m p u t e r e s i d u a lh e a t t h e n , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et w om o d e l s ， u s i n go p t i m a lc o m b i n a t i o na l g o r i t h m , an e wc o m b i n a t o r i a lf o r e c a s t i n g m o d e lo f r e s i d u a lh e a ti se s t a b l i s h e d b a s e do i lt h ef o r e c a s tv a l u eo fr e s i d u a lh e a t , t h eg l o b a lo p t i m a l c o m b i n a t i o n ( i e t h ek i n d sa n dt h ea d d i t i o no fc o l dc h a r g e si nt h ew h o l e c o n v e r t i n gp r o c e s s ) i so b t a i n e db ya ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m b a s e d o nt h eg l o b a lo p t i m a lc o m b i n a t i o n , t h em e c h a n i s ma n de x p e r te x p e r i e n c e o fc o n v e r t i n gp r o c e s s ，af o r w a r dr e a s o n i n ge x p e r ts y s t e mi se s t a b l i s h e dt o o b t a i nt h eo p e r a t i o n a lo p t i m i z a t i o ni n s t r u c t i o n l a s t l y , a no p e r a t i o n a lo p t i m i z a t i o nd i r c g 石o l ls y s t e mi se x p l o i t e d , w h i c hg u i d e st h eo p e r a t i o no fa d d i n gc o l dc h a r g e s ，a l s oi m p l e m e n t st h e f u n c t i o n ss u c ha sr o d - t i m ec o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dc o m p r e h e n s i v e m a n a g e m e n to fc o m p l i c a t e di n d u s t r i a ld a t a s i n c et h es y s t e mr u n si nt h e c o p p e rm a t t ec o n v e r t i n gp r o c e s s ，a v e r a g eq u a n t i t yo fc o o lc h a r g e st r e a t e d h a si n c r e a s e db ) r9 9 8 a n da v e r a g eo u t p u to fc o p p e rh a si n c r e a s e db y 6 0 1 1 圮p r a c t i c a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so f t h es c h e m e k e yw o r d s ：p sc o n v a 僦；c o l dc h a r g e s ，o p e r a t i o n a lo p t i m i z a t i o n , g e n e t i ca l g o r i t h m , c x p e as y s t e m 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。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其它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，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：邳锋 日期；垒生年月卫日 关于学位论文使用授权说明 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，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； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 作者签名：窭连导师签名： 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 铜作为我国国民经济和国防工业发展的重要基础原料和战略物资，广泛应用 于机械、电力、电子、建材、军工、化工、航天、航空等各个行业，而且也是许 多轻工产品的主要原材料，与日常生活息息相关，在国民经济发展中具有十分重 要的地位。 现代铜冶金的生产工艺分为两大类：湿法提取冶炼与火法熔炼。目前世界铜 生产工业主要采用火法冶炼，其产品产量约占精炼铜总产量的8 5 ，而湿法冶金 产品产量仅占世界铜总产量的1 5 左右。火法炼铜过程主要用于处理硫化铜矿石 或精矿，具体过程大致可以分为三个步骤：造锍熔炼铜锍( 也称为“冰铜”) 吹炼一火法精炼和电解精炼，其最终产品是纯度达9 9 9 5 以上电解铜。 闪速熔炼的造锍熔炼过程完成了铜与部分或绝大部分铁的分离，熔炼的产品 冰铜的主要成份仍是铜和铁的硫化物。为了进一步除去冰铜中的铁和硫以及 其它杂质，从而获得精度为9 8 - - 9 9 的粗铜，还需要将冰铜进行吹炼。铜锍吹炼 是硫化铜精矿火法冶炼工艺流程中的最后工序在吹炼过程中，金、银及铂族元 素等贵金属几乎全部富集于粗铜中，为后来方便、有效地回收提取这些金属创造 了良好的条件l l j 。 目前，铜锍的吹炼过程绝大多数是在卧式侧吹( p e i r 潞s m i t h , p s ) 转炉内进 行的。吹炼过程是间歇式的周期性作业，整个过程分为两个阶段。第一阶段称为 造渣麓( s 期) ，从风口向炉内熔体中鼓入空气或富氡空气，通过空气的搅拌， 冰铜中的f e s 被氧化，生成f e o 和s 0 2 ；f e o 再与添加的熔剂中的s i 0 2 进行造 渣反应。造渣反应一结束，暂时停止送风，把渣从炉口倒入包子中，再吊往铸渣 机，铸成渣块，冷却后，送往选矿车间，进行选矿处理，回收渣中的铜。第二阶 段称为造铜期( b 期) ，主要是留在炉内的白冰铜( 主要以c i l 2 s 的形式存在) 与 鼓入的空气中的氧反应，生成粗铜和s 0 2 。 冰铜的吹炼是铜冶炼过程中的一道重要工序，租铜的质量及炉渣的渣况对整 个冶炼过程有着重要的影响。首先，粗铜的精度以及粗铜的带渣情况将严重影响 后续的阳极精炼工序以至电解工序；其次，由于吹炼生成的炉渣要送回前面的闪 速熔炼炉重新熔炼，因此炉渣的质量将影响熔炼工序 转炉的吹炼过程化学反应放出大量的热，热量不仅能满足吹炼过程的需求， 而且有时存在热量过剩。为了避免高温作业，防止炉衬耐火材料因过度受热而加 快损耗，必须向炉内适当加入冷料以消耗反应生成的过剩热量，取得炉子的热平 硕士学位论文 第一章绪论 衡，借此保证吹炼温度，以提高粗铜质量，同时回收冷料中的铜，增加铜产量。 冷料的投入量、投入时机及种类取决于冷料的性能( 包括冷料品位、冷料形 状及大小等) 及p s 转炉的炉况等。然而，由于冷料品种较多，而p s 转炉熔体 具有高温、强腐蚀、反应剧烈、流速快等特点，因而反应炉况的关键参数熔 体温度难以准确测量，目前现场操作人员只能在恶劣环境下凭肉眼观察熔体的温 度，结合个人经验进行冷料量、冷料加入时机和种类的决策。显然，这种方式难 以实现冷料准确、及时地添加。 为了提高粗铜的精度，减少粗铜的带渣量和炉渣中铜的含量，同时提高吹炼 操作的科学性，尽量减少操作人员的主观因素对生产的影响，为生产提供辅助决 策手段。考虑到现有的检测手段有限，而且吹炼过程工艺机理极其复杂，传统的 策略难以实现优化操作。因此，以工艺机理为基础，结合人工经验，采用智能优 化方法，设计操作优化模型，开发p s 转炉的操作优化指导系统，实现冷料添加 制度的指导。 1 2 铜锍吹炼研究现状 转炉吹炼是间歇式作业过程，工艺技术相对复杂，是一个涉及到化学反应、 传热、传质、流体流动等众多作用的非线性、大滞后、弱鲁棒性的非线性系统。 其机理复杂，吹炼过程中物料变化范围大、影响因素多，故对其一直难以实现在 线控制。由于转炉吹炼过程是一个快速的自热过程，当检测和计量手段不能充分 配合时，系统模型不能及时获得准确的数据源熔锍和冷料的质量和成分、熔 体的温度等信息，这给系统的实现带来了极大的困难。尽管如此，国内外研究学 者从铜硫吹炼的物理化学研究、工艺研究、以人工智能方法和智能优化算法为代 表的新方法和新手段在冶金工业上进行了大量的研究与实践，取得了丰富成果。 1 2 1 铜锍吹炼工艺计算 冶金工业过程工艺计算的内容一般有三个部分，即配料计算、物料平衡计算 和热平衡计算，p s 转炉铜锍吹炼虽然是一个复杂的物理化学变化过程，但是它 和其他事物一样，遵从物质不灭和能量守恒定律，其作业平衡模型也是建立在质 量守恒、能量守恒及质量作用三个基本定律基础上的【2 l 。物料平衡和热平衡计算 可作为设计转炉及供氧设备和转炉车间的基础，同时还可作为在现有转炉上实现 冶炼工艺计算即静态控制的依据。这种方法是按己知原料条件，预定终点温度和 铜品位目标值计算转炉所使用的冷却剂量和吹氧量，然后按照计算值进行吹炼， 以达到简化操作，提高终点命中率和生产能力，降低原材料消耗和成本，提高质 量和经济效益，并为实现动态控制创造条件【3 】 2 磺士学位论文第一章绪论 由于转炉的温度与热量的收支密切相关，而热量的收支又与物料的收支密切 相关，因此把物料平衡和热平衡计算的一些问题放在一起研究。除了对温度调节 以外，这方面的研究也有助于全面掌握转炉的物料和能量的利用情况，了解转炉。 设备的工作能力和热效率，从而为改进工艺、实现转炉最佳操作探索途径，为降 低原材料的消耗及合理利用能源和节能提供方向【4 】。在追求生产优质低耗、寻求 节能降耗的今天，在冶炼工业过程的各个方面，如高炉炼铁嘲、氧化铝的生产i q 和转炉炼铜【_ 硼等等，物料平衡和热平衡计算具有极其重要意义 物料平衡计算即物料衡算，它是依据是质量守恒定律，反映过程中原料、产 物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于摔出的物料量和过程中的积累 量1 9 , 1 0 1 。铜锍吹炼过程物料平衡计算用于计算转炉铜锍吹炼过程加入炉内和参与 反应的全部物料( 冰铜、氧气、冷料) 和吹炼产物( 粗铜、炉渣、炉气) 之间的 平衡关系。同时物料平衡计算也是吹炼过程的热平衡计算的基础【l l 川习，在冶金 过程计算，一般都是先进行物料平衡计算，在此基础上再进行热平衡计算。 热平衡是指系统在运行过程中以热形式表现的输入量和输出量之间的数量 平衡。它是按照能量守恒定律并以物料平衡为基础来计算的。转炉热平衡的确定， 主要是针对转炉铜锍吹炼时能量的分配的问题，表现在过程温度和终点温度的调 节。温度对于转炉吹炼过程既是重要的热力学参数，又是重要的动力学参数它 既对各个化学反应的反应方向、反应程度和各元素之间的相对反应速度有重大影 响，又对熔池的传质和传熟速度有重大影响。同时确定吹炼过程剩余热，有助于 选择冷料的种类和加入量，提高转炉的技术经济指标。所以对于冷料添加操作的 优化，主要是要在物料平衡和热平衡的基础上对铜锍吹炼过程进行温度调节，这 就需要建立合理的热量衡算数学模型。 1 2 2 铜锍吹炼过程数学模型 现代工业过程控制都是以模型为基础的，即过程的数学模型及其算法的确定 及完善是过程控制的核心，它集成了工艺、设备、控制等多领域的诀窍，是现代 化企业极为重要的技术资源【1 4 1 。 由于铜锍吹炼过程的温度可达l l o 啦1 2 5 0 ，在此温度下，化学反应在短时 间内可能趋于平衡。因此，可以尝试应用物料平衡和热平衡计算得到各相中各组 元的行为，这对优化操作、改进工艺技术起重要作用。自2 0 世纪7 0 年代初以来， 有很多研究者致力于吹炼过程的数学模型的研究，而且主要集中在各种热力学平 衡计算模型上，主要有后藤( g o t o ) 模型【1 5 1 、永森( n a g a m o r i ) 模型【1 日和爱立 信( e r i k s s o n ) 模型1 7 1 后藤于1 9 7 4 年基于牛顿拉夫森( n c w t o n - r a p h s o n ) 【1 明法提出了一个计算造 3 硕士学位论文 第一章绪论 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。1 9 7 9 年，该 模型应用于直岛冶炼厂和佐贺关冶炼厂的转炉熔锍吹炼过程的研究【1 9 1 ，将热平 衡、化学平衡和物料平衡相结合，采用逐步计算法连续模拟出吹炼过程的造渣期 和造铜期体系的温度和化学组成的变化情况。随后，其他研究者分别对后藤模型 作了改进并将其应用于铜闪速熔炼 2 0 , 2 1 1 、镍闪速熔炼 2 2 , 2 3 和镍转炉吹炼等过 程，并取得了较好的效果。 后藤模型是把化学平衡和热平衡相结合，能动态模拟出体系温度、成分的变 化。目前后藤模型被广泛应用于各种体系中进行平衡计算。 永森和麦基( m a c k e y ) 1 1 6 提出了一个对铜锍吹炼过程进行热力学计算的模 型。该模型假设，在吹炼过程中，由于气体在熔池中的强烈搅拌作用，体系中各 相充分混合并同时处于化学平衡状态。该模型分为两个子模型：造渣期模型与造 铜期模型。该模型曾用于诺兰达过程各相化学成分计算，以及铜锍吹炼过程中铜、 熔锍、渣三相中微量元素的热力学计算圈，并取得了很好的计算结果。 爱立信应用最小自由能法对高温多相多组元平衡体系进行研究【1 7 , 2 6 , 2 7 1 。该模 型曾用于铜锍熔炼和吹炼过程模拟计算口”，给出了温度、渣中硅含量、富氧率、 铜锍的成分等变量对渣中铜含量和磁性氧化铁含量的影响。目前，该模型还未被 用于对实际工业操作数据进行模拟和比较的研究中。 对于这些用于冶金过程的模型研究，传统的方法主要是在对工艺机理深刻认 识的基础上，通过列写宏观和微观物料平衡、热平衡方程式、结合动力学、热力 学等理论建立的类似于方程式的机理模型阱】。g i p r o n i k e l 研究所和p e c h e n g a 镍冶 炼厂就【2 9 】从物料平衡和热平衡计算出发，建立机理模型，通过热计算结果决定 铜锍吹炼过程需要冷料的数量。机理建模是对过程的严格描述，在很大程度上依 赖于科研和工程开发人员对实际工业过程的理论和化学、物理过程原理的认识。 由于实际过程的复杂性和不确定性，对于工业过程的认知总是有限的，因此建立 严格机理模型十分困难，所花费的时间和资金很多。 由于铜锍吹炼过程可以从现场采集到大量的数据，而这些数据也包含了大量 的信息，可以采用基于数据驱动的建模方法建立热计算的数学模型。在冶金过程 的计算中，这种基于数据驱动建模的方法主要有采用线性回归方法刚、经验回 归方法【3 、统计回归方法【3 2 】等建立的回归模型，以及采用神经网络【埘、模糊逻 辑、模式识别等智能化技术和理论的建模方法f m 6 】。但是基于数据驱动的建模， 实质上都是从数据中寻找输入到输出的映射关系的方法，受到训练样本的分布、 质量以及数量的影响。 机理建模和基于数据驱动的模型都各有其优缺点：机理建模能从本质上反映 过程的规律，可靠性高，外推性好，具有可解释性，缺点是建模过程比较繁琐， 4 硕士学位论文 第一章绪论 而对复杂工业过程而言，能得到的机理模型一般也是经过若干简化后的模型。基 于数据驱动的模型直接根据输入输出数据直接建模，几乎不需要了解过程对象的 先验知识。缺点也是很明显的，例如神经网络，作为一种黑箱建模方法，学习速 度慢，外推性能差，模型具有不可解释性，难以确定合适的网络结构和学习终止 指标，容易造成过拟合现象，还可能把噪声拟合进来【3 7 】。 针对以上这些工业过程建模方法所存在的问题，控制晃和工业界采取各种手 段和措施进行解决。这其中最引人注目的研究有，针对这些建模方法的优缺点， 将各种方法有效结合，取长补短，克服单一建模方法本身存在的问题；另一种是 针对实际工业过程的具体情况将多种建模方法有机结合圆。于是引发了集成建 模思想，对于存在简化机理模型的过程，可将简化的机理模型和基于数据驱动的 模型相结合，互为补充。简化机理模型提供的先验知识，可为基于数据驱动的模 型节省训练样本，同时基于数据驱动的模型也补偿简化机理模型的未建模特性。 多年来，国内外许多学者在智能集成建模方面做了大量的研究工作，并取得 了显著的研究成果田椰州。文献【2 8 】将智能集成建模进行了详细的论述，提出 了基于经验机理模型和a s d n n 的烧结块铅锌成分智能集成模型，取得了理想的 效果；文献 3 4 】综合应用常规的物料平衡与热平衡模型、化学计量法、有限差分 法、超松弛迭代法、模式识别、人工神经网络与混沌遗传算法，开发出炼铜转炉 优化操作智能决策支持系统，对实际生产过程进行优化决策达到节能降耗、提 高产量的目的；文献【3 8 】将一种混合模糊建模方法用于希腊电力系统短期负荷预 报，该方法基于最小二乘法建立模糊模型，再利用约束优化算法进行参数学习， 实际数据验证了方法能达到满意的精度；文献【3 9 】比较了三种用于预测纸浆 k a p p a 值的模型：确定性模型、神经网络模型及综合两种模型的集成模型，结果 表明集成模型具有更高的预测精度并能缩短训练时间总之，智能集成建模是解 决复杂工业过程建模的最有效的方法之一 1 2 3 智能优化方法在铜锍吹炼过程的应用 自2 0 世纪4 0 年代美国科学家维纳创立控制论以来，控制理论获得了巨大的 发展，从经典的控制理论发展到了现代控制理论。但由于现代被控对象和过程的 高度复杂性( 复杂非线性、时变性、多变量、多参数间的强耦合、较大的随机干 扰、过程机理的复杂性等) 、测量数据的误差和滞后性、结构与系统动力学特性 的不确定性和对控制性能的高要求等原因，使得基于精确数学模型的经典和现代 控制理论无能为力，以仿人智能决策为核心、具有智能信息处理、智能反馈和智 能控制决策能力的智能控制应运而生。 面对铜锍吹炼的高度复杂过程，单纯的使用机理模型、数据驱动模型往往难 5 硕士学位论文第一章绪论 以满足实际的要求，所以对于冷料添加操作优化问题，在物料平衡和热平衡的基 础上，需要引入智能优化的方法，来实现铜锍吹炼过程的温度优化调节。 智能控制是驱动智能机器自主地实现其目标的过程，或者说智能控制是一类 无需人干预就能够独立自主地驱动智能机器实现其目标的自动控制。譬如模糊推 理和专家系统从行为上模拟人的逻辑思维、推理和决策过程：神经网络从机理上 模拟人的神经网络的抑制、兴奋和冲动过程。正是由于这种研究基点的准确，才 能使智能控制技术在众多领域和学科取得令世人瞩目的成绩。模糊系统基于模糊 语言描述的产生式规则。专家系统基于知识和经验产生启发式规则。神经网络控 制基于蕴涵某种函数关系的网路结构【4 ，这些非解析性方法使其在过程建模、 优化和控制中，表现出不同于传统控制的优势。 专家系统作为一种智能控制方法，具有专家水平的专门知识和知识获取能 力，能进行有效的推理，而且具有透明性、灵活性、交互性等特点，采用人的感 性经验和定理算法相结合，能够处理各种定性与定量的、精确与模糊的信息。鉴 于它所表现出来的在层次结构上、控制方法上知识表达上的灵活性，在冶金、冶 炼、化工等行业的复杂工业生产过程控制中，已得到了成功的应用l 协伽。 优化控制分为稳态优化控制和动态优化控制两种。稳态优化控制是指调整各 控制器的设定值，使某种与经济效益直接挂钩的目标函数为最优的控制方法；动 态优化控制是指调整控制规律及控制器参数，使得与过渡过程品质有关的目标函 数为最优的控制方法。目前工业生产过程最亟待解决的是生产过程的稳态优化控 制，这里简称优化控制。优化控制包括在线和离线两种。离线优化是指利用各种 建模、优化方法在约束条件下求解最优的工艺生产参数，提供操作指导，这是目 前用的最多的一类优化。在线优化则是利用计算机自动周期地完成模型计算、模 型修正和参数寻优，并将最优参数值直接送到控制器作为设定值，能以一种动态 的方法处理稳态优化问题，使参数优化得到及时的修正，可取得更好的效益。 铜锍吹炼过程的冷料添加操作实际上是一组合优化环节。传统的算法在解决 组合优化问题方面存在很大的局限性。面对相对复杂的组合优化问题，时间代价 是首要考虑与解决的问题，此外，容易陷入局部最优解等也是传统组合优化算法 的缺陷。在长期的实践中人们采用了多种求解策略，如启发式方法、模拟退火算 法及遗传算法( c - e n e t i ca l g o r i t h m ) 等，涉及到生物进化、人工智能、数学、物理 科学、神经系统和统计力学等科学概念 4 5 1 。遗传算法对于求解较大规模的组合 问题和n p 完全问题非常有效，能较为方便地求得其满意解嗍，有实践证明，遗 传算法是众多求解策略中非常有效的一种，其效果优于传统启发式方法 4 7 , 4 8 1 。 智能优化方法是利用人工智能、神经计算、进化计算、专家推理等一种或多 种先进的智能技术，自动求取工业生产过程中各控制器的最优设定值，以达到目 6 颈士学位论文第一章绪论 标最优的方法。在铜锍吹炼的优化控制中，智能优化方法已成功地应用于铜转炉 的优化操作跚 1 3 研究内容及论文结构 本论文针对p s 转炉冷料添加操作过程，基于铜锍吹炼过程的机理和经验数 据，建立了预测吹炼过程剩余热的数学模型，结合遗传算法和专家系统，提出了 冷料添加操作优化模型总体设计方案，开发适应于p s 转炉生产过程冷料添加操 作优化指导系统。课题受国家9 7 3 项目。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 2 0 0 ) ”的资助。 本论文共分为六章进行论述。 第一章绪论，介绍本课题的研究背景和意义，对铜锍吹炼过程的工艺计算做 了简要的介绍，综述了在铜锍吹炼过程的数学模型的研究状况和智能优化方法在 有色冶金、铜锍吹炼过程的应用现状 第二章吹炼过程机理分析，介绍了p s 转炉铜锍吹炼过程的基本情况和工艺， 并对吹炼过程的机理进行阐述，在此基础上提出了冷料添加操作优化指导系统的 总体设计方案。 第三章铜锍吹炼剩余热预测模型，这一章对吹炼过程剩余热预测模型进行了 研究。首先基于铜锍吹炼过程机理，进行冶金过程热力学模型的研究，在传统吹 炼过程物料平衡计算的基础上建立热量衡算模型，并结合历史数据，修正模型参 数以增强模型的适应性。然后，根据现场经验和历史数据，提出剩余热计算的经 验回归模型最后，针对基于机理和经验预测模型的不足，提出剩余热组合预测 模型，预测吹炼过程剩余热。 第四章转炉冷料添加操作优化，在吹炼过程剩余热预测值的基础上，分析冷 料添加的实际问题，提出改进的遗传算法，并应用于冷料添加的组合问题，得到 冷料添加的最优组合，进一步根据现场人工经验，建立专家系统知识库，设计操 作优化模型，实现冷料添加操作制度( 加入时机、加入冷料种类和加入冷料量) 的优化 第五章操作优化指导系统开发及应用，结合现场实际，介绍了基于v i c + 晰0 开发的冷料添加操作优化指导系统，以及现场运行效果。 结论与展望是全文的最后部分，对课题的研究工作进行了全面总结，并对后 续工作进行了探讨和展望。 7 硕士学位论文第二章吹炼过程机理分析 第二章吹炼过程机理分析 目前，铜锍吹炼的主要设备为卧式转炉，铜锍吹炼过程会产生大量剩余热量， 需要加入冷料以平衡剩余热，同时回收冷料中的铜，增加铜产量。针对目前铜锍 吹炼工艺和冷料添加操作存在的问题，建立冷料添加操作优化系统模型，实现冷 料添加操作的优化，为生产提供辅助决策。 2 1 铜锍吹炼基本原理 铜火法冶金的闪速熔炼工艺包括硫化铜精矿造锍熔炼、铜锍吹炼和粗铜精 炼。在闪速熔炼炼铜工艺中，闪速炉完成铜精矿的焙烧、造锍，其产品为含铜 5 0 - - 7 0 的铜锍；铜转炉完成铜锍的吹炼，除去铜锍中的铁和硫元素，其产品 为舍铜9 8 5 以上的粗铜；阳极炉一般为回转炉，对租铜进一步氧化精炼，其产 品为含铜9 9 5 以上的阳极铜，将其送入铜电解槽中进行电解，获得含铜9 9 9 9 阴极铜，阴极铜为铜冶炼的最终产品。闪速炉、转炉和阳极炉被称为铜闪速熔炼 工艺中的“三大炉”。其中，转炉铜锍吹炼的主要设备为卧式转炉，又称皮尔斯 ( w h p e i r c e ) 史密斯( e a c s m i t h ) 转炉【1 1 ，简称p s 转炉，全球矿产粗铜的 大约8 0 0 6 都是用这种p s 转炉吹炼而得，其工作过程示意如图2 1 。 图2 - 1 吹炼过程示意图 铜精矿熔炼获得的铜锍是一种中间产品，其组分主要是c u 2 s 、f e s 、f e 3 0 , ， 并含少量p b 、z n 、n i 、c o 、a s 、b i 、s b 等元素的硫化物以及金、银和铂族金属。 吹炼时通过向铜锍中鼓入空气将其中的铁、硫及其它有害杂质氧化除去以获得粗 铜，并将贵金属富集到粗铜中。 吹炼作业大都在卧式转炉中进行。加入转炉的铜锍温度通常约1 1 0 0 ，由 8 硕士学位论文第二章吹练过程机理分析 于吹炼时发生的主要是铁、硫及其它杂质的氧化反应和f e o 与熔剂的造渣反应， 放出的热足以抵偿操作过程中的热损耗并可使体系温度升至1 1 5 0 1 3 ，因 此整个吹炼过程是自热进行的。正常作业时，转炉风口埋入熔体2 0 0 7 0 0 m m ， 高压空气( o 0 8 o 1 5 m p a ) 由风口鼓入熔融铜锍，入口风速达1 2 0 1 6 0 m s 由 于受到熔体的阻力，气流喷入后分散为大量气泡，气液相接触面积大，反应速度 快，所以虽然空气在熔泡内停留的时间仅为o 1 o 1 3 s ，但氧利用率却达9 0 9 5 ，而且气流的喷入、热膨胀、分散以及上浮使熔体受到强烈搅动，传热传质 条件好，熔池温度基本均匀。 f e s 、c u 2 s 氧化热力学性质的差异使得吹炼时铜锍中的f e s 优先氧化，生成 的f e o 与加入的石英熔剂反应生成炉渣。由于铜锍与炉渣密度不同且两者的相 互溶解有限，因此熔体分为两层。随吹炼的进行。炉渣定期倒出，而铜锍逐渐为 铜所富集，当铜锍中f e s 氧化殆尽时，c u 2 s 开始氧化生成c u 2 0 并进而与未氧化 的c u 2 s 发生交互反应产出金属铜。 因此，铜锍的吹炼过程是分周期进行的，作业分为两个阶段，在吹炼的第一 阶段，冰铜中f e s 与鼓入空气中的氧发生强烈的氧化反应，生成f e o 和s 0 2 气 体，f e o 与加入的石英熔剂反应造渣，使冰铜中含铜量逐渐升高。由于冰铜与炉 渣相互溶解度很小且密度不同，所以在吹炼停风时，熔体分成两层，上层炉渣被 定期排出。这个阶段持续到锍中含c u 为7 5 以上、含f e 少于l 时结束，这时 的锍常被称为白冰铜。冰铜吹炼的第一阶段以产出大量炉渣为特征，故称为造渣 期，主要化学反应为 2 f e s + 3 0 z - - 2 f e o + 2 s 0 2t (2-i) 2 f e o + s i 0 2 - - 2 f e o s i q ( 2 - 2 ) 造渣期完成后，继续对进行白冰铜( 主要以c u 2 s 的形式存在) 吹炼，即进 入第二阶段在这个阶段，鼓入空气中的氧与c u 2 s 发生强烈的氧化反应，生成 c u 2 0 和s t h ，c u 2 0 又与未氧化的c u 2 s 反应生成金属铜和s 0 2 ，直到生成的粗 铜含锅9 8 5 以上时吹炼的第二阶段结束。这个阶段不加入熔荆、不造渣，以产 出粗铜为特征，故称为造铜期，主要化学反应为 2 c u 2 s + 3 0 2 = 2 c u 2 0 + 2 s 0 z 个( 2 - 3 ) 2 c u 2 0 + 0 1 2 s = 6 c u + s 0 2 个( 2 - 4 ) 在高温、剧烈的吹炼化学反应过程中，放出的热不仅能满足吹炼过程对热量 的需求，而且有时热量过剩，所以铜锍吹炼过程往往容易过热，过剩的热量不仅 对吹炼的生产有影响，同时也对炉衬有很大损害，所以在吹炼过程中需要添加冷 料以平衡过剩的热量，调节熔体温度，并回收冷料中的铜。 9 硕士学位论文第二章吹炼过程机理分析 2 2 铜锍吹炼工艺简介 1 铜锍吹炼设备 转炉按构造分为立式和卧式，按炉衬材料分为酸性和碱性两种。炼铜转炉一 般采用卧式碱性转炉，也称p s 转炉。卧式转炉吹炼自1 9 0 9 年以来，一直是铜 锍吹炼的主要设备嗍。但由于其为间断作业，易造成烟气量以及其中的s 0 2 含 量不稳定，而且烟罩密封不严造成吸风使烟气被稀释，另外物料的转运也使得烟 气逸散。因此，各国研制了一些新的吹炼设备，如虹吸式转炉、顶吹转炉、闪速 吹炼炉、特尼恩特转炉，这些大大促进了铜锍吹炼技术的发展，但国内外铜锍吹 炼绝大以卧式转炉作为吹炼设备，其基本结构如图2 2 所示。 困2 2 卧式转炉结构图 l 转炉炉壳；2 - 轮箍；3 u 型风管：4 - 集风管； 挡板；6 - 村砖 7 - 冠状齿轮：8 - 活动盏；卜石英喷枪： l o - 填辩盒；i l 一阔板；1 2 妒r - , ；l ，- 风嘴# l 托轮；l ，- 油槽l1 6 电动机；1 7 _ 变速箱；l g 一电磁制动器 p s 转炉形状为圆筒形，外壳用2 0 5 0 m m 厚的锅炉钢板铆接或焊接而成， 内衬铬镁砖，在风口区附近砖体厚度一般为4 0 0 5 2 0 m m 。转炉中间有一长方形 炉口，一侧下部有一排进风口。炉子两端各有一个大托圈，整个炉子的重量就通 过这两个大托圈支撑，固定于摇动支座的四个托轮上。在一端托豳旁有一个大齿 圈，它与一个传动小齿轮相啮合。小齿轮通过减速装置与马达相连。利用这套驱 动装置可使转炉前后转动，转速为0 4 o 6r p m 。转炉系统的主要部分为炉口、 风口、熔剂加入装置、烟罩、传动系统、送风系统、余热回收及排烟系统。 2 铜锍吹炼作业 转炉的吹炼作业制度有三种：单炉吹炼、炉交换吹炼和期交换吹炼。目前国 内多采用炉交换吹炼，仅有江西铜业集团贵溪冶炼厂采用期交换吹炼。采用期交 换吹炼的目的在于提高转炉送风时率，改善向制酸车间供给烟气的连续性，保证 闪速熔炼炉比较均匀地排放铜锍。 铜锍吹炼的造渣期在于获得足够数量的白铜锍( c u 2 s ) ，但并不是注入第一 1 0 磺士学位论文第二章吹炼过程机理分析 批铜锍后就能立即获得白铜锍，而是分批加入，逐渐富集。在吹炼操作时，把炉 子转到停风位置，装入第一批铜锍，其装入量视炉予大小而定，一般使风口浸入 液面下2 0 0 m m 左右为宣。然后，旋转炉体至吹风位置，边旋转边吹风，吹炼数 分钟后加石英熔剂当温度升高到1 2 0 0 1 2 5 0 c 以后，把炉子转到停风位置， 加入冷料。随后把炉子转到吹风位置，边旋转边吹风。再吹炼一段时间，当炉渣 造好后，旋转炉子，当风口离开液面后停风倒出炉渣。之后再加入铜镜，吹炼数 分钟后加入石英熔剂，并根据炉温加入冷料，国外冷料添加量约0 5 5 0 6 2 t t 铜 锍，国内因冷料品质差，其添加量仅为0 1 0 3 t t 铜锍当炉渣造好后倒渣，之 后再加铜锍。依此类推，反复进行进料、吹炼、放渣，直到炉内熔体所含铜量满 足造铜期要求时为止，此时一般是铜锍中含c u 7 5 、含f e 1 。 这时开始筛炉，即将铜锍中的残余铁除去以获得含铜7 8 7 9 的白铜锍， 此时不可避免地生成大量f e 3 0 4 ，为此在筛炉时加入稍过量的石英熔剂以破坏 f e 3 0 4 。同时，为了保证在筛炉时熔体能保持1 2 0 0 1 2 5 0 的高温，以便使第二 周期吹炼和粗铜浇铸不致发生困难，可在筛炉前向炉内加少量铜硫，同时加强鼓 风，使熔体充分过热。 判断白铜锍获得( 筛炉结束) 的时间，是造渣期操作的一个重要环节，它是 决定铜的直接回收率和造铜期是否能顺利进行的关键。过早或过迟进入造铜期都 是有害的，过早地进入造铜期的危害与石英熔剂量不足的危害相同，过迟进入造 铜期，会使f e o 进一步氧化成f e 3 0 4 ，使已造好的炉渣变粘，同时c u 2 s 氧化产 生大量的s 0 2 烟气使炉渣喷出。 筛炉后继续鼓风吹炼进入造铜期，这时不向炉内加铜锍，也不加熔剂。当炉 温高于工艺规定温度时，可向炉内加适量的冷料。生成的粗铜含铜9 8 5 以上时 造铜期结束。造铜期中最主要的是准确判断出铜时机在吹炼终点时烟气中的 s 0 2 会突然减少，所以可通过火焰颜色、测定炉气中s 0 2 的浓度变化或从风口取 钎样进行判断。在终点时熔体温度会突降，国内某厂使用了风口高温计，可以将 温度信号反馈给控制室，从而以此辅助判断造铜终点。 对于高品位的铜锍吹炼，由于为了减少吹炼时间，在转炉规格一定的情况下 提高产量、降低能耗，吹炼过程中往往使用富氧空气吹炼，而且吹炼余热也会随 富氧浓度增高而增大，冷料添加操作在铜锍吹炼过程中显得更加重要。通常的， 加入冷料的数量及种类与铜锍品位、炉温、转炉大小、吹炼周期等有关。铜锍品 位低、炉温高、转炉大需加入的冷料量就多。由于造渣期和造铜期吹炼的目的不 同，对所加的冷料种类要求也不同。造渣期的冷料可以是铜锍包子结块、转炉喷 溅物、粗铜火法精练炉渣、金银熔铸炉渣、溜槽结壳、烟尘结块以及富铜块矿等 造铜期如果温度超过1 2 0 0 ，也应加入冷料调节温度。不过造铜期对冷料要求 硕士学位论文第二章吹炼过程机理分析 较严格，即要求冷料含杂质要少。通常造铜期使用的冷料有粗铜块和电解残极等。 吹炼过程所用的冷料应保持干燥，块度禾宜大于4 0 0 5 0 0 m m ，但值得注意的是， 因为富氧吹炼缩短了周期送风时间，为保证加入炉内的冷料充分熔化并参与反 应，要求控制冷料的粒度在1 0 0 m m 以下。 2 3 冷料添加操作 1 操作现状 在冰铜吹炼过程中，冷料的选取一般考虑如下几个条件： 1 ) 铜品位。入炉冷料要求有一定的铜品位，接近于转炉渣那样铜品位( c u 4 5 ) 的物料，其使用意义就很小。对于b 期的冷料，为适应于炉况管理及粗 铜质量管理上的要求，其铜品位应在一定量以上，一般要求铜品位在白冰铜品位 ( c u 7 5 ) 以上。 2 ) 杂质含量。对铜冶炼来说，冷料杂质含量偏高将不合适，特别是杂质元 素a s 、s b 、b i 等，这些元素在铜冶炼中较难除去，会影响最终产品的质量。 3 ) 形状。一般情况下，块度在5 1 0 m m 的冷料最好。块度过小，从送风中 的炉口加入会被吹散；块度过大，在冷料装入设备各处易产生堵塞，且不易迅速 熔化、参与反应。 4 ) 含水量。由于多数场合下是直投冷料，为避免因熔体引起的水蒸汽爆炸， 冷料含水量应严格控制，对于潮气重的冷料只适宜于空炉直投，且要求反复摇炉 烘烤。 。 5 ) 危险物、可燃物的混入。冷料不宜含有可燃物，可燃物在一定程度上的 混合，虽然可以，但大量地一次性装入就很危险。对于危险物，严禁装入。 转炉冰铜吹炼的冷料常用的有：废热锅炉及球型烟道所产的烟尘块、床下物、 锢镀、残极、废阳极板、粗铜包壳、紫杂铜、精炼渣( r f 渣) 、黑铜等。 冷料的装入的时机主要依铜品位而定，一般情况下，高铜品位( 品位7 5 ) 的冷料在b 期加入炉内，而低铜品位( 品位 7 5 ) 的物料在s 期加入。在造渣 期所加的冷料，一般可能为：精矿、床下物、烟灰( 包括转炉锅炉产生的烟灰、 转炉电收尘产生的烟灰、转炉产生的烟灰) 、固铍、黑铜、焦碳：造铜期所加的 冷料，可能为：氧化渣、床下物、烟灰、残极、废铜、包壳、黑铜、紫杂铜。 造渣期的大部分冷料是在吹炼前就加入，