（控制科学与工程专业论文）ps转炉铜锍吹炼过程建模与优化控制方法的研究及应用.pdfVIP

摘要 p i e r c e s m i t h ( p s ) 转炉铜锍吹炼是从含铁、硫等多种杂质的铜锍 中提取粗铜的常用冶金方法。吹炼过程是一个间歇式的高温、多相 熔池反应过程，具有强烈的动态变化特征，难以确定吹炼过程的稳 态工作点，从而使基于静态模型的操作优化方法不能对铜锍吹炼过 程进行有效的优化控制。同时，由于过程关键工艺参数难以实时检 测，造成基于检测信息的预测控制等方法也不再适用。 目前，吹炼过程的操作由工人依据自身经验进行，不仅容易造 成生产中工艺指标波动较大，而且难以保证吹炼过程的优化运行， 因此研究铜锍吹炼过程的动态优化控制方法，对于实现铜锍吹炼过 程的节能降耗、提高生产过程的技术经济指标，以及实现企业的可 持续发展具有重大意义。 论文在深入研究铜锍吹炼机理的基础上，依据冶金反应动力学 原理，建立了铜锍吹炼过程的非线性反应动力学模型，在此基础上 提出基于生产质量指标反馈校正的铜锍吹炼过程动态优化控制方 案，并将其应用于铜锍吹炼过程的优化控制指导决策系统中，取得 了明显的成效。论文主要研究工作及创新性成果如下： ( 1 ) 在对p s 转炉铜锍吹炼过程进行深入分析的基础上，提出 了基于生产质量指标反馈校正的铜锍吹炼过程动态优化控制方案。 该方案首先基于动态最优模型求得最优控制律。为消除生产过程中 的扰动，以及其它不确定因素所带来的影响，引入基于生产质量指 标的反馈调整机制，其中反馈信息由软测量模型根据进出转炉的物 料计算得到，智能控制单元根据反馈的质量信息和期望的质量目标 间的偏差对最优控制律进行补偿修正。而动态最优模型中状态变量 的初值、控制变量的边界，以及终端时间由参数初始化计算模型计 算获得。 ( 2 ) 通过研究铜锍吹炼过程的反应机理，根据冶金反应动力学 原理，建立了铜锍吹炼过程造渣期和造铜期的非线性反应动力学模 型，为铜锍吹炼过程的优化控制奠定了基础。论文采用现场生产数 据对建立的反应动力学模型进行了仿真实验，并与实际检测数据进 行对比分析，结果表明上述两组模型均能有效地描述吹炼过程中铜 锍组份及温度随时间变化的过程，计算结果准确可靠。 ( 3 ) 在参数初始化计算模型中，针对动态优化模型的终端时间 设置问题，提出了基于简约模糊最小二乘支持向量机的吹炼终点预 测方法，该方法通过对建模样本模糊化、核矩阵简约化，以及采用 核偏最小二乘法辨识最小二乘支持向量机回归参数的方法，有效地 提高了最小二乘支持向量机的抗噪性，从而使预测结果的相对均方 根误差保持在4 以下，符合生产操作的精度要求。另外，为计算动 态优化模型的状态初值和冷料加入量的调节范围，采用线性规划方 法建立了冷料添加总量的优化配比计算模型，从而可根据现场冷料 备料情况对冷料装入总量进行优化计算，与生产数据的对比表明该 配比模型计算准确有效。 ( 4 ) 利用滚动计算方法，在多相多组份平衡计算的基础上，建 立了铜锍硅铁比和温度的软测量模型。仿真实验表明软测量模型计 算准确，软测量结果的相对均方根误差低于1 ，符合优化控制系统 的要求。 ( 5 ) 提出了基于炉况综合判断模型的智能补偿控制方法。该方 法依据软测量模型提供的炉况信息，利用炉况综合判断模型计算生 产质量指标与期望目标之间的偏差，若偏差过大，由智能控制单元 根据建立的熔剂模糊调整规则和冷料专家控制规则，分别对熔剂和 冷料的添加率进行补偿调整。实际应用效果表明，该智能补偿控制 方法有效地提高了动态优化控制系统的鲁棒性。 ( 6 ) 设计并开发了铜锍吹炼过程的优化控制指导决策系统。该 系统建立在吹炼过程动态优化控制方案基础上，实现了铜锍吹炼过 程的优化。系统投入运行后，稳定了铜锍吹炼产品的质量，实现了 吹炼过程的节能降耗。吹炼过程中，转炉渣中硅含量被控制在2 1 左右，并且使平均每炉的冷料处理量增加了7 左右，而平均每炉的 富氧消耗总量节约9 左右。 现场应用效果表明，本文提出的动态优化控制方案具有较强的 实用性，易于在类似的冶金生产过程中推广。 关键词p s 转炉铜锍吹炼，非线性反应动力学模型，最小二乘支持 向量机，软测量，动态优化，智能控制 a b s t r a c t p sm a t t ec o n v e n i n gi saw i d e l yu s e dm e t a l l u r g yt e c h n i q u et o e x t r a c tb l i s t e rc o p p e rf r o mm a t t ec o n t a i n i n gi r o n ，s u l f u ra n do t h e r i m p u r i t i e s i ti sk n o w n a sar e p r e s e n t a t i v eb a t c hm u l t i p h a s em o l t e nb a t h r e a c t i o n p r o c e s s ，a n d t h ew h o l ep r o c e s sh a si n t e n s ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c h e n c e i ti sd i 伍c u l tt os e tu pt h es t e a d ys t a t ew o r k i n g p o ms ot h a tt h eo p e r a t i o no p t i m i z a t i o nb a s e do ns t a t i cm o d e l c a nn o tb e u s e dt oo p t i m i z ea n dc o n t r o lt h em a r ec o n v e n i n gp r o c e s s a tt h es a m e t i m e ，t h ef a c tt h a tt h ek e yp a r a m e t e r si nt h ec o n v e n i n gp r o c e s sc a nn o t b em e a s u r e dt i m e l yp o s ed i f f i c u l t yt oa p p l yt h ep r e d i c t i o nc o n t r o lo r o t h e rc o n t r o lt e c h n o l o g i e s a tp r e s e n t ，t h em a r ec o n v e n i n gp r o d u c t i o ni sm a n u a l l yo p e r a t e d b a s e do nh u m a no p e r a t o r s o w ne x p e r i e n c e ，w h i c hl e a d s t ot h e f l u c t u a t i o no fp r o c e s si n d e x e sa n dc a nn o tm a k et h em a r ec o n v e r t i n g r u n n i n gi no p t i m a lm o d e r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nc o n t r o l o fm a r e c o n v e r t i n g i s s i g n i f i c a n t t or e d u c e e n e r g yc o n s u m p t i o n ，i m p r o v e t e c h n i q u ea n de c o n o m yp r o f i t s o fp r o d u c t i o np r o c e s s ，i n c r e a s em e e f n c i e n c yo ft h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，a n dr e a l i z ee n t e r p r i s es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gt h et e c h n o l o g i c a lm e c h a n i s mo ft h e m a r ec o n v e n i n gp r o c e s s ，t h en o n l i n e a r i t yd y n a m i cm o d e li sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt om e t a l l u r g y k i n e t i c t h e o r y i na d d i t i o n ，t h ed y n a m i c o p t i m i z a t i o n c o n t r o ls c h e m eb a s e do nf e e d b a c ka d ju s t m e n t o f p r o d u c t i o nq u a l i t yi n d e x e si sp r o p o s e d i ti sf u r t h e ru s e di no p t i m i z a t i o n s u p e r v i s i n gd e c i s i o ns y s t e mo fp sm a r ec o n v e r t i n gp r o c e s s r e s u l t s p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e ds c h e m e t h em a j o ri n n o v a t i o n r e s e a r c ha c h i e v e m e n t si n c l u d e ： ( 1 ) a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h e p sm a r ec o n v e r t i n gp r o c e s s ，t h e d y n a m i co p t i m i z a t i o nc o n t r o ls c h e m eb a s e do nf e e d b a c ka d j u s t m e n tf o r p r o d u c t i o nq u a l i t yi n d e x e si sp r o p o s e d t h eo p t i m a l c o n t r o ll a w sa r e c a l c u l a t e db yd y n a m i co p t i m i z a t i o nm o d e l i no r d e rt o e l i m i n a t e d i s t u r b a n c e sa n do t h e ru n c e r t a i n t i e si nc o n v e r t i n gp r o c e s s ，f e e d b a c k a d j u s t m e n tm e t h o db a s e do np r o d u c t i o nq u a l i t yi n d e x e si su t i l i z e d t h e i i i f e e d b a c ki n f o r m a t i o ni so b t a i n e db yu s i n gs o f ts e n s o rm o d e la c c o r d i n g t ot h em a t e r i a l se n t e r i n ga n dl e a v i n gp sc o n v e a e r t h eo p t i m a lc o n t r o l l a w sa r ec o m p e n s m e da n da d ju s t e db yi n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i tu s i n gt h e e r r o r sb e t w e e nf e e d b a c kq u a l i t yi n d e x e sa n de x p e c t e dq u a l i t yo b j e c t s t h ei n i t i a lv a l u eo fs t a t ev a f f a b l e ，b o u n d a r yo fc o n t r o lv a f f a b l ea n d t e r m i n a lt i m e o f d y n a m i co p t i m i z a t i o n m o d e la r e c o m p u t e db y p a r a m e t e ri n i t i a l i z a t i o nc o m p u t a t i o nm o d e l s ( 2 ) b ym e a n so fr e s e a r c ho nt h em e t a l l u r g yr e a c t i o nk i n e t i co fp s m a r e c o n v e r t i n gp r o c e s s ，n o n l i n e a rr e a c t i o n k i n e t i cm o d e l sa r e e s t a b l i s h e d ，w h i c hi n c l u d et h ed y n a m i cm o d e l so fs l a g - m a k i n ga n d c o p p e r - m a k i n g t h em o d e l sl a yaf o u n d a t i o nf o ro p t i m i z i n ga n d c o n t r o l i n g t h em a r ec o n v e r t i n g p r o c e s s s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so f d y n a m i cm o d e l sa r ec a r r i e do u tw i t hp r o d u c t i o nd a t af r o mac o p p e r p l a n t ，a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta r ec o m p a r e dw i t ht h e o b s e r v e dd a t a r e s u l t ss h o wt h a tt w od y n a m i cm o d e l sc a ne f f e c t i v e l y d e s c r i b et h et i m ev a r y i n gt r a n s f o r m a t i o no fm a r e c o m p o n e n t sa n dm a r e t e m p e r a t u r e t h ec o m p u t i n gr e s u l t s a r ep r o v e dt ob ea c c u r a t ea n d c r e d i b l e ( 3 ) i np a r a m e t e ri n i t i a l i z a t i o nc o m p u t a t i o nm o d e l s ，t h ep r e d i c t i o n m e t h o do fc o n v e r t i n ge n dp o i n tb a s e do nr e d u c e df u z z yl e a s ts q u a r e s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( l s - s v m ) i sp r o p o s e dt os e tu pt h et e r m i n a l t i m eo fd y n a m i cm o d e l t h ea n t i n o i s e p r o p e r t yo fl s s v mi s i m p r o v e db ym e a n so fd a t af u z z yp r o c e s s i n g ，k e r n e lm a t r i xr e d u c i n g ， a n dk e r n e lp a r t i a ll e a s ts q u a r e si d e n t i f y i n gt h er e g r e s s i o np a r a m e t e r so f l s s v m t h er e l a t i v er o o tm e a ns q u a r ee r r o ro fc o n v e r t i n ge n dp o i n t p r e d i c t i o ni sc o n t r o l l e db e l o w4 ，a n dt h ea c c u r a c yo fr e s u l t sm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o no p e r m i o n i na d d i t i o n ，t oc o m p u t et h ei n i t i a l v a l u e so fs t a t ev a r i a b l ea n dt h ec o n t r o lr a n g eo fc o l dc h a r g ea m o u n t ，t h e o p t i m i z a t i o na d m e a s u r i n gc a l c u l a t i o nm o d e lo fc o l dc h a r g ea m o u n ti s e s t a b l i s h e db yu s i n gt h el i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o ds ot h a tt h ec o l d c h a r g ea m o u n ti ns l a g - m a k i n gp e r i o dc a nb ec o m p u t e da c c o r d i n gt o p r e p a r i n gc o l dc h a r g ei np r o d u c t i o nf i e l d t h ec o m p u t i n gr e s u l t so f o p t i m i z a t i o na d m e a s u r i n g c a l c u l a t i o nm o d e la r e c o m p a r e dw i t ht h e p r o d u c t i o nd a t a t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p u t i n gr e s u l t so f m o d e la r ea c c u r a t ea n de 恐c t i v e ( 4 ) w i t ht h er o l l i n gc o m p u t a t i o nm e t h o d ，t h es o f ts e n s o rm o d e lo f t h er a t i oo fs i l i c o nt oi r o na n dm a r et e m p e r a t u r ea r ee s t a b l i s h e do nt h e b a s i so fm u l t i p h a s ea n dm u l t i c o m p o n e n te q u i l i b r i u m c a l c u l a t i o n m e t h o d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec o m p u t i n gr e s u l t so fs o f t s e n s o rm o d e la r ep r e c i s e t h er e l a t i v er o o tm e a ns q u a r ee r r o ro f c o m p u t i n gr e s u l t s i sb e l o w1 ，a n di ta c h i e v e st h ed e m a n do f o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m ( 5 ) t h ei n t e l l i g e n tc o m p e n s a t i n gc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h e c o n v e r t e rr u n n i n gs t a t u sj u d g i n gm o d e li sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h e c o n v e r t e rr u n n i n gi n f o r m a t i o np r o v i d e db ys o f ts e n s o rm o d e l ，t h e c o n v e r t e rr u n n i n gs t a t u sj u d g i n gm o d e lc o m p u t e st h ee r r o r sb e t w e e n p r o d u c t i o nq u a l i t yi n d e x e sa n de x p e c t e dp r o d u c t i o nq u a l i t yo b j e c t s i f t h ee r r o r sa r el a r g e rt h a nt h et h r e s h o l d s ，t h ef u z z yr u l e sa r eu s e dt o a d j u s tt h ec o n t r o ll a wo ff l u xb yt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i t ，a n dt h e e x p e r tr e g u l a t i o n sa r eu s e dt oa d j u s tt h ec o n t r o ll a wo fc o l dc h a r g e t h e i n t e l l i g e n tc o m p e n s a t i n gc o n t r o lm e t h o di m p r o v e st h er o b u s t n e s so f o p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fp sc o n v e r t i n gp r o c e s s ( 6 ) t h eo p t i m i z a t i o ns u p e r v i s i n gd e c i s i o ns y s t e mi sd e s i g n e da n d d e v e l o p e do nt h eb a s i so fd y n a m i co p t i m i z a t i o nc o n t r o ls c h e m ef o rp s c o n v e r t i n gp r o c e s s e n e r g ys a v i n ga n dt h es t a b i l i z a t i o no fp r o d u c t i o n q u a l i t yo fp sc o n v e r t m gp r o c e s sa r ea c h i e v e db yt h eo p t i m i z a t i o n s u p e r v i s i n gd e c i s i o ns y s t e m t h ep e r c e n t a g ec o n t e n to fs i l i c o ni ns l a gi s c o n t r o l l e di n21 t h ea v e r a g ec o l dc h a r g i n ga m o u n tp e rf u m a c ei s i n c r e a s e db y7 t h ea v e r a g eo x y g e ne n r i c h m e n tc o n s u m p t i o np e r f u r n a c ei sd e c r e a s e db y9 t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t si np sc o n v e r t i n gp r o c e s sd e m o n s t r a t et h a t d y n a m i co p t i m i z a t i o nc o n t r o ls c h e m eh a sg o o da d a p t a b i l i t ya n dc a nb e p o p u l a r i z e di nt h es i m i l a rm e t a l l u r g yp r o c e s s k e yw o r d sp sm a t t ec o n v e n i n gp r o c e s s ，n o n l i n e a rr e a c t i o n k i n e t i c m o d e l ，l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，s o f ts e n s o r , d y n a m i co p t i m i z a t i o n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l v 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：毅鱼2 堡日期：三：蔓l 年月丑日 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。 日期：垃年月趁日 博士学位论文第一章绪论 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，被广泛应 用于机械、电力、电子、建材、军工、化工、航天、航空等各个行业。随着我国 经济的持续快速健康发展，2 0 0 7 年中国铜表观消费量增幅为1 8 - 2 6 ，从去年 的3 8 0 万吨增至4 5 0 万至4 8 0 万吨，为世界第一铜消费国。而2 0 0 7 年国内铜产 量将上升至3 3 0 万吨，为满足国内市场需求，估计今年中国可能会进口1 2 0 万吨 至1 5 0 万吨精炼铜，为此所耗外汇高达6 0 多亿美元，占全年有色金属进口总用 汇额的5 7 6 0 。由此可见，国内铜产品市场供需失衡由来已久，我国的铜生产 企业，今后相当长的时期内必然将肩负着扩大生产、增加品种、提高质量、降低 能源消耗的重任。 1 1 课题研究背景与意义 铜的火法生产流程主要由熔炼、吹炼和精炼等阶段组成，且均在高温下进行。 生产过程中除发生物料间相互的反应、相变外，还伴随有物质和热量的传递，是 一个非常复杂的高温、多相的物理化学过程。 目前在采用先进闪速炼铜法的工厂，对于闪速铜冶炼的前后两个工序，即冰 铜闪速熔炼及阳极炉精炼系统可实现过程的计算机在线控制。例如，日本东予工 厂在2 0 世纪7 0 年代针对闪速炉开发了静态数模，实现了在线控制，有效地实现 了冰铜品位，冰铜温度和渣中铁硅比三大闪速熔炼生产目标；而芬兰奥托昆普公 司，日本住友公司开发的火法精炼阳极板自动定量浇铸系统，确保了电解精炼阳 极板的精度；目前，只有转炉吹炼过程中还未实现计算机控制。 p s 转炉铜锍吹炼过程为间歇式熔池反应过程，涉及到化学反应、传热、传 质、流体流动等众多作用，是一个具有非线性、强耦合的非封闭系统。间歇式反 应过程从开始到结束，整个过程具有强烈的动态变化特征，使得传统的基于物、 热平衡关系的静态数学模型难以准确描述反应过程中组份和温度的变化情况，因 此难以应用在吹炼过程的优化控制中。 另外，吹炼过程中物料变化范围大、影响因素多、生产中存在着众多的不确 定性影响因素，吹炼过程中各组份问关联耦合严重。涉及的因素不仅有入炉物料 的品位和重量的波动，而且还包括生产操作中不断添加进转炉的新物料所带来的 干扰。这是因为每种进入转炉的物料包含了多种元素，其添加量是操作人员根据 经验随机给定，因此这些组份、重量时常波动的入料会对生产过程造成干扰。同 博士学位论文第一章绪论 时，生产过程中各工艺指标间相互关联，对一个指标进行的调整势必影响到其它 的指标，从而将影响最终产品的质量。 除此之外，由于生产环境恶劣，吹炼过程中铜锍组份难以在线检测，目前， 只能采用取样分析的方法，一般从取样到得到分析结果至少需要5 分钟，而在交 接班时间可能需要更长的时间，这造成了组份检测存在严重的滞后性。 由于上述原因，国内外p s 铜转炉铜锍吹炼生产仍停留在人工操作方式，这 使得吹炼过程中冷料处理量和粗铜产量很难提高，如果过量鼓入富氧还会使炉衬 寿命缩短。 为解决上述问题，在不改变现有生产设备和生产流程的前提下，论文将深入 研究转炉铜锍吹炼过程的优化控制方法，从而提高转炉生产效率、改进产品质量 和增加粗铜产量，并进一步实现节能降耗的目标。 本论文是在国家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 e b 3 1 2 0 0 ) 的子课题“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 c b 3 1 2 0 3 ) ，国家自然科学重点基金项目“面向节能降耗的有 色冶金过程控制若干理论与方法研究”( 6 0 6 3 4 0 2 0 ) ，以及国家发改委科研项目 “铜闪速冶炼过程综合自动化系统产业化示范工程 ( 发改高技 2 0 0 4 1 2 0 8 0 号) 的资助下开展研究。 论文将从研究吹炼过程的机理着手，进一步系统地研究相应的信息处理技 术、建模方法、优化控制理论。 1 2 铜锍吹炼的国内外研究现状 国内外学者针对铜锍吹炼过程开展了大量机理研究，并相应建立了一些数学 模型，同时也在其优化控制问题上进行了一些研究。 1 2 1铜锍吹炼过程机理研究的现状 为深入了解吹炼过程中铜锍物理化学性质发生的变化，以及吹炼过程中的流 体的运动情况，国内外学者开展了大量的研究工作。k u r o k a w a 等i lj 对转炉风眼 和炉口处的产物进行了分析，获得的实验结果表明p s 转炉的造铜期可分为三个 阶段：早先阶段，风眼处全是白铜锍；中间阶段，为白铜锍和泡铜共存，而风眼 处主要是为泡铜；造铜后期，白铜锍消失，另外，白铜锍也可能会过氧化生成氧 化亚铜。m o r i & k u r o k a w a 等1 2 j 又通过加入不同品位的铜锍和改变氧分压，并利 用一系列计算步骤( 其中每步都设系统为平衡状态) 对造渣期进行了物料平衡计 算，并将计算结果与转炉的试验数据进行对比，并提出一个铜转炉的两区域模型 2 博士学位论文 第一章绪论 ( 即磁铁形成区和磁铁减少区) ，假定了两个不同的平衡状态，根据此模型对造 渣期终点白铜锍中氧分压和转炉渣中氧分压的差异进行了解释。而m a t o u s e k 等 网则深入研究了铜锍组份间的相互关系，以及吹炼过程中铜锍的氧化程度。 转炉吹炼过程中需要通过风眼连续鼓入大量空气以完成氧化反应，为有效地 改善鼓风效果、提高氧化效率，v a l e n c i a 等【4 】利用装载了水的水槽作为铜转炉的 仿真试验装置，通过数值方法研究了浸没式风眼喷射中气体和液体的流动效果， 实验发现f r o u d e 指数随着风眼直径增加而增加，当其从1 0 8 增加到1 3 1 时，而 液体喷溅减少，但从1 5 7 变化到1 8 4 时，喷溅又加剧。b r i m a c o m b e 掣5 j 研究了 浸没式水平喷射时，气体与液体间的反应速率，测得s 0 2 的产生速度是雷诺指数 和喷射口直径的函数，而气相传输系数和喷射轨迹单位长度对应的界面面积的乘 积，随着雷诺指数的增加而线性增加，它也是喷口直径的函数。对于给定口直径 时，喷射轨迹单位长度的界面面积与气流体积速率之比与雷诺指数无关。 另外，a s h m a n 等【6 】研究了熔池内熔体运动与熔池温度，以及气泡与液体界 面间化学反应之间的关系，开发了基于d a v i d s o n 模型的数学模型，模型中的变 量包括气流速率、风眼直径、熔池流速，以及气体与熔池间的传质传热系数。 a v i m a n y u 等【7 】提出了用于描述转炉中气泡行为的数学模型。在轴对称势流状态 下，对独立球状气泡进行了数值计算。虽然该流为稳态流，但获得的能量方程和 对流扩散方程的耦合解，可用于非稳态的热和质量的传输过程。l i o w 等【8 j 通过 实验研究了p s 转炉的水模型的驻波的形成，研究显示驻波的产生由熔体的装量 和浸没风眼的深度所决定，而维持驻波必需的能量，每单位质量获得的实验值为 0 7 - 1 0w a t t k g 。 另外，针对铜转炉吹炼生产中出现的积瘤堵塞风眼的问题，学者们也进行了 相应的研究。b r i m a c o m b e 等【9 】测试了富氧鼓风时风眼破裂和耐火材料破损的情 况，其研究表明，富氧高压喷射时捅风眼工作可以免除。b u s t o s 和b r i m a c o m b e 等【l o 】又基于传质和传热原理，建立了用于预测风眼处积瘤尺寸和形状的数学模 型。研究表明积瘤的尺寸和形状是鼓风压力、鼓风流速、富氧率、吹炼周期状态， 以及熔体组份的函数。积瘤在渣吹快结束时，以及铜吹开始时生长十分明显。而 熔池温度过低将增加积瘤生长，但随着鼓风富氧率的增加而减少，积瘤在富氧率 达到3 6 时消失。 1 2 2 铜锍反应动力学的研究现状 转炉吹炼过程是一个具有强烈动态行为的熔池反应过程，为研究吹炼过程中 的反应动力学，国内外学者相继进行了大量研究。 铜锍吹炼过程中，f e s 和c u 2 s 的氧化动力学一直是各国学者的研究重点。 博士学位论文 第一章绪论 a s a k i 等【1 1 , 1 2 】研究了熔化的硫化亚铁的氧化动力学，研究表明熔化的硫化亚铁的 氧化反应率受到气相组份扩散率的控制。连续测量了实验过程中被氧化的样品的 重量变化。吹炼初始阶段，熔体吸收了部分氧，其组份接近于f e s 和f e o 的二 元系。而后，f e s 氧化产生f e o ，此时样品重量降低。当f e o 的摩尔分数增加时， 磁铁的活度急剧上升，并形成大量的磁铁，并给出了f e s 的反应动力学公式。 a s a k i 1 3 】于1 9 9 0 年进一步研究了1 2 2 0 。c 下固体石英熔剂和熔化铜锍间的造渣反 应。研究表明，渣形成的速率可以通过氧的传质表示，即该反应也可表示为关于 氧浓度的一级反应，因此，该动力学方程也可用氧的传质表示。 a j e r s c h 等【1 4 】研究了当熔体表面氧化气体的扩散速度受到控制的条件下，液 体铜和硫化亚铜的氧化动力学，并计算了l1 5 0 - 1 3 5 0 之间的s 0 2 和0 2 的扩散 系数。a l y a s e r 等【1 5 】研究了硫化亚铜的氧化动力学，研究表明氧气和氮气混合气 体顶吹时，熔化的c u 2 s 的氧化反应率是氧偏压、熔池温度、气流速率和熔池混 合物的函数，并通过图像照片观测了表面张力驱动的流。研究显示熔化的c u 2 s 的氧化经历了两个明显的过程，该动力学过程受到氧从气相到熔化物表面的传质 的限制。f u k u n a k a 等【1 6 j 也研究了c u 2 s 氧化过程中气相物质的动力学，指出由于 气体熔体界面处的化学反应速率相当快，使得脱硫速率受气液边界层处传质速 率的控制。 k a i u r a 等【1 7 】研究了磁铁和铜锍间的传质过程，研究表明f e 3 0 4 与f e s 反应时， 并测试了反应过程中f e 3 0 4 的消耗速率。而a s a k i 等l l8 】则利用磁铁试验杆测量了 f e s o 三元系中固体磁铁的溶解反应速率，研究表明反应速率由通过试验杆边 界层的氧的传质控制。 虽然，国外学者针对铜锍的化学反应进行了大量的动力学研究，但是上述这 些动力学研究成果均属于微观动力学范畴，无法建立面向优化控制的数学模型。 我国学者刘纯鹏，于2 0 世纪8 0 年代起进行了大量针对铜锍吹炼过程的宏观 反应动力学研究【1 9 2 3 】。在f e s 和c u 2 s 的氧化反应方面，刘纯鹏指出f e s 、c u 2 s 的脱硫速率，将随着空气中氧浓度的增加而增加，也随着空气流速的增加而增加， 但是当温度增加时其增加程度不明显( 这是因为温度对f e s 、c u 2 s 活度的影响 较小) ，并给出了氧化反应的反应系数和反应级数；随后也对吹炼过程的 f e 3 0 4 f e s f e o s i 0 2 反应体系中的造渣反应和还原反应进行了研究，确定了反应 级数，并给出了反应系数，从而为建立铜锍吹炼过程的动力学模型提供了基础条 件。 长期以来，冶金学者开展了大量针对铜锍吹炼过程的反应动力学研究，遗憾 的是这些研究成果没有被用于建立面向过程优化控制的数学模型。造成这一问题 的主要原因是，上述研究均是对铜锍吹炼过程中某一化学反应的研究，缺乏针对 4 博士学位论文第一章绪论 整个反应体系的研究，导致了描述吹炼过程反应变化的宏观动力学模型一直未能 建立。同时，由于缺乏面向过程优化控制的宏观反应动力学模型，使得优化控制 技术在铜锍吹炼过程中难以应用。 1 2 3 铜锍吹炼相关数学模型的研究现状 目前，国内外已有的关于铜锍吹炼的数学模型，均是基于热力学原理的静态 平衡计算模型，其中最成熟的是日本学者g o t o 基于b r i n k l y 平衡计算方法所建立 的锍、渣、气三相平衡计算模型 2 4 ；2 5 1 ，模型在给定平衡温度、总压、各元素摩尔 量的封闭体系中，利用牛顿拉夫桑法求解非线性方程组，从而得到该体系中各相 的成分，并且通过将吹炼周期分解为若干时间区间的方法，将该模型进一步引入 到非封闭的转炉过程，将其应用在直岛冶炼厂和佐贺关冶炼厂的转炉吹炼过程的 数值模拟中。t a n 等 2 6 , 2 7 】基于g o t o 模型开发了用于铜熔炼和吹炼过程的热力学 计算程序，用于预测c u , f e ，s ，o ，n i ，c o ，s n , p b ，z n , a s ，s b ，b i ，a ua n da g 的分布 行为。该计算程序可以用于多种熔炼或吹炼过程( 例如，艾沙炉、闪速炉、三菱 炉、p s 吹炼和诺兰达炉) 。 而c h e n 等【2 8 2 9 】基于吉布斯自由能最小热力学平衡计算方法，分别计算了六 个炉次的造渣期和造铜期内铜锍的温度变化，以及渣成分和泡铜中溶解的氧、硫 的质量分数、气相中0 2 ，s 2 ，s 0 2 的偏压，模型还预测了温度，鼓风时间，以及终 点时泡铜的质量。d e g t e r o v 等1 3 0 川则利用f a c t 软件的吉布斯自由能最小计算包 和热力学数据库计算系统，计算了渣、铜锍、液铜相的热力学数据库。 s o h n 和c h a u b a l 等【3 2 】基于反应进度计算方法，模拟了从较低品位的铜锍( 3 5 呦 中去除铅的挥发过程，研究表明造渣期中p b s 是最易挥发的，而造铜期内则为 金属铅气体。之后，c h a u b a l 等【3 3 】再次利用反应进度平衡计算法，计算了砷、锑、 铋的熵。而s o h n 和k i m 等p 4 j 又利用该方法，计算了平衡条件下转炉渣中微量元 素的分布行为，研究表明微量元素的分布行为受到温度和c o 势压的影响，但是 与其初始量或f e o 的活度无关。 为更加准确的模拟吹炼过程，在引入动力学传质系数后，r i c h a r d s 和k y l l o 等 3 5 , 3 6 l 基于g o t o 模型开发了一个考虑传质过程的p s 转炉计算模型，该模型考虑 了传质、传热和相间的反应。并通过工厂数据对模型进行了校验。模型能预测出 温度和组份的变化，但是模型未能描述出白冰铜和渣间的反应关系。随后，k y l l o 等p7 j 通过上述