（化工过程机械专业论文）基于dmc的吹炼终点定值跟踪预报模型研究.pdf

摘要 摘要 造铜期吹炼终点控制就是利用过程特征信息，推断最佳出铜时机。它是转 炉吹炼的一项至关重要的操作，直接影响粗铜质量。当前工业实践仍靠人工判 断来定终点，这极其依赖经验水平，难以规范化、标准化，无法实现在线自动 控制，越来越满足不了工业现代化的生产要求。 针对现代铜冶金工业这一急待解决的铜锍吹炼定终点难的问题，本文以贵 溪冶炼厂p s 转炉的实际生产工况数据为基础，设计出一种基于动态矩阵控制 ( d m c ) 的铜锍吹炼终点定值跟踪预报模型，辅助判断铜锍吹炼终点。 1 在全面研究铜锍吹炼过程的基础上，推导了吹炼终点控制的预测模型、 反馈校正方程及最优控制律，建立了铜锍造铜期吹炼终点定值跟踪的动态矩阵 控制模型，对吹炼终点进行预报。经过模型仿真及抗干扰性能分析，证明了d m c 控制策略在铜锍吹炼终点预报上的实现带来了明显的精确性和快速性，具有较 好的动态性能，抗干扰能力强，满足实际生产工艺的要求。 2 在详细进行物料分析的基础上，考虑大量生产实际条件，运用冶金物料衡 算原理建立了转炉吹炼耗氧量及氧气利用率的统计模型，对模型输出结果进行 校验。通过仿真测试，本预报模型的预测命中率达到了8 5 2 ，可有效指导生产， 判断吹炼终点，避免欠吹、过吹误操作，减少生产事故，对于提高转炉整体操 作水平具有重要的理论意义和实用价值。 关键词：铜锍吹炼，终点控制，动态矩阵控制，预报模型，仿真 a b s t r a e t a b s t r a e t t h ee n d - p o i n te o n l z o lo fm a t t ec o n v e r t i n gp r o c e s sc a nb ed e 丘n e d 嬲u s i n g p r o c c f l $ c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o n st oi n f e rt h eb e s tc o p p e rv e n t i n go p p o r t u n i t y i ti sa v e r yi m p o r t a n to p e r a t i o ni nm a t t ec o n v e r t i n gp r o c e s s , a f f e c t i n g d a ec o p p e rq u a l i t y d i r e c t l y c u r r e n t l y , w es t i l ld e p e n do na r t i t i e i a lj u d g m e n tt od e c i d ee n d - p o i n ti n p t a c t i c l e 他m e t h o ds or e l i e so nc x p c i i e = n c cl e v e lt h a t i ti s d i t t i e u l t yt ob e s t a n d a r d i z e da n du n a b l et ob ec a r r i e do u to n l i n l ：b ya u t o m a t i cc o n t z 0 1 t h u s , i t b e c o m e sm o l ea n dm o l eu m a t i s f i e dw i l ht h el a o d u e t i o r e q u e s to f m o d e mi n d u s t r y i nv i e wo ft h i sd i t f i e u l t yt h a tm o d e i nc o p p e rm e t a l l u r g i c a li n d u s t r yu r g e n t l y n e e d i n gt or e s o l v e t h i sa r t i c l et o o kd a t a sw i t c hg a i n e df r o mp - sc o l l v c r l g l sp r a c t i c a l r , r o d u e to p e r a t i o ni ng u i x is m e l t i n gp l a n ta saf o u n d a t i o n , a n db a s e do nm o d e l p r e d i c t i v ec o n t r o l ( d m c ) a r i t h m e t i cd e s i g n e dak i n do fe n d - p o i n td e f i n i t ev a l u e i r a e kf o r e c a s tm o d e li nm a t t ec o n v e r t i n gp r o c e s s t h i sm o d e lc a nb eu s e dt oe a r l yo n a s s i s t a n t j u d g m e n ti nt h ee n d - p o i n tc o n t r 0 1 1 o nt h ef o u n d a t i o no f e o m p r e h e m i v er e s e a r c hi nm a t t ec o n v e r t i n gp l o c e s s , t h e a r t i c l ei n f e r r e dt h ef o r e c a s tm o d e l ，f e e d b a c ka , t j s t m c n te q u a t i o na n dt h eo p t i m u l n e o n l z o ll a wo fe n d - p o i n tc o n l r o l ，e s t a b l i s h e dt h ee n d - p o i n td e f i n i t ev a l u et r a c k f o r e c a s tm o d e li nm a t t ec o n v e r t i n gp r o c e s sw i t hd m ca r i t h m e t i c i tc 锄c a r r yo u t f o r e c a s tt o w a r d st h ee o n v e l t i n ge n d - p o i n tc o n t r 0 1 b ys i m u l a t i n ga n da n t i i n t e r f e r e n c e a a y z m g w cp r o v e dt h a tt h i sc o n t r o ls t m e g yb r o u g h to b v i o u sa c c u r a c ya n dr a p i d i t y i np r e d i c t i n gm a t t ec o n v e r t i n ge n d - p o i n t i th a dg o o dd y m m i ep e r f o r m a e c ，s l z o n g a n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y s oi ts a t i s f i e dt h er e q u e s to f a c t u a lp r o d u c te r a t t 2 o n t h e f o u n d a d o n o f d e t a i l y m a t e r i a l a n a l y s i s ，t h ea r t i c l ee o m i d e r e d i i m a s s o f a c t u a lp r o d u c tc o n d i t i o na n de s t a b l i s h e dt h es t a t i s t i c a lm o d e lo f o x y g e nc o n s u l n p t i o n c a p a c i t ya n do x y g e nu s a g em o d u l u sb yu s i n gm e t a l l u r g ym a t e r i a lb a l a n c ep r i n c i p l e i t a c t e d0 1 1v e r i f a go u t p u tr e s u l to f t h ef o r e c a s tm o d e l v a l i d a t eb ys i m u l a t i o nt e s t , t h e f o r e c a s tp r o b a b i l i t yo ft i f f sm o d e lb a da e l a i e v e d8 5 2 i tc o u l ds u p e r v i s et h e e n d - p o i n tj u d g m e n ta v a i l a b l y , a v o i d e di n a c c u r a t eo p e r a t i o no fs c a n tc o n v e r t i n g0 1 o v e rc o n v e r t i n ga n dr e d u c e di n d u s t r i a la c c i d e n t t h u si tc a l lb es a i dt h a tt h ee n d - p o i n t i l l a b s e a e t d e f i n i t ev a l u et r a c kf o r e c a s tm o d e lw i t hd m ca r i t h m e t i ch a di m p o r t a n tt h e o r y s i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ef o rr a i s i n gt h ew h o l eo p e r a t i o n a ll e v e li nm a t t e c o n v e r t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：m a t t ec o n v e r t i n g , e n d - p o i n tc o n t r o l ，m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ， f o r e c a s tm o d e l ，s i m u l a t i o n i v 学位论文独刨性声明 学位论文独创性声明 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。据我所知，除了文中特勇l j j n 以标注和致谢的地 方外，沦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 为获得直昌盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 黄，惠娟签字日期：洳矽年，2 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。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。 一 ( 保密的学位论文在解密后适 学位论文作者签名：董、曩娟 导师签名： 签字日期：z 一海，2 月o 日 签字日期：芦p c ，) 年，五月形回 、望i 一多 第i 章绪论 第1 章绪论 1 1 本研究的目的和意义 铜是与人类关系非常密切的有色金属，工业上广泛应用于电气、轻工、机 械制造、建筑、国防等领域；农业上铜可作微量元素肥料；国民生活中铜被用 来制造各式刀具、器皿和装饰品等。随着科学技术的日新跃益，铜的应用范围 不断拓宽，在医学、生物、超导及环境方面开始发挥作用。铜工业已成为带动 经济发展的战略产业，伴随着高新技术飞速发展，炼铜工业正经历着巨大的技 术变革。 近2 0 年来，国内外铜冶炼企业积极研究采用先进工艺技术装备、智能仪表 和集散控制系统来实现生产过程自动控制，并取得了丰硕的成果：全世界已建 成4 0 余座炼铜闪速炉，己采用d c s 系统、p l c 系统对火法炼铜各道工序进行 计算机监督和控制。造锍熔炼和电解精练这两道工序均己实现了较高程度的计 算机控制，铜锍吹炼技术方面也取得了诸多新进展l l 咽，如：( 1 ) 转炉送风系统的 计算机在线控制；( 2 ) 改进集气系统方面的发展；( 3 ) 采用浮选法回收固态转炉渣 小的铜；( 4 ) 实施富氧鼓风。通过技术改造，火法炼铜工艺实现了较高程度的自 动化，生产效率得到极大提高，但铜锍吹炼仍是火法炼铜工艺中最复杂且自动 控制水平较薄弱的环节。 铜锍吹炼大多在p s 转炉中进行，且p s 转炉仍将在今后较长时间内占据主 导地位【9 】。转炉吹炼属于多相、多变量、反应复杂的大系统，整个过程在高温下 进行，影响因素多而且复杂。国内炼铜企业，在铜锍吹炼工序中采用d c s 和p l c 系统在线检测风压、风量、温度、气体浓度等信息进行过程控制，实现鼓风机 开始到吹炼结束全过程的自动控制虽已初步成型并在逐步完善，但发展相对缓 慢。原因在于：一方面，转炉吹炼的间歇式操作特性致使烟气波动、炉口漏风、 s 0 2 泄漏等低空污染问题一直难以解决t 另一方面，转炉吹炼涉及复杂的物理化 学变化，很难用数学模型描述，尚未有成熟可靠的吹炼周期终点判断的在线控 制策略应用于实际生产【1 0 1 。这是约束铜锍吹炼自动化进程的最大难题。 目前，国内铜冶炼厂主要依靠人工经验进行铜锍吹炼终点判断控制。由于 操作人员素质不同，转炉工况条件复杂，检测手段受限制，使人工控制难以实 第1 章绪论 现规范化、标准化。随着世界铜需求量不断增加而铜矿资源却日益紧缺，炼铜企 业面临巨大的挑战，迫切希望通过改善薄弱环节铜锍吹炼过程的自动化水平 来提高铜产量。急需解决的首要问题就是如何实现铜锍吹炼终点的计算机在线 预报控制来取代人工判断。因此，继续深入研究转炉吹炼的终点控制具有重大 意义。鉴于此，本文研究如何应用先进控制技术实现铜锍吹炼造铜期终点预报 的计算机辅助控制以指导转炉生产，提高生产效率，降低原材料消耗和改善劳 动强度。 1 2 铜锍吹炼控制过程 随着科学技术特别是检测技术和控制理论的飞速发展，使得铜锍吹炼过程 的相关特征信息，如风量、风温、风压、烟气成分等信息的连续测量成为可能， 为对转炉实旋最优化控制奠定了基础。新型铜锍吹炼系统已经初步实现了采用 d c s 、p l c 进行数据的自动搜集与分析、配料的计算与控制、人机对话、控制 过程的动态修正等功能，并对转炉吹炼的局部系统进行计算机监督和控制。具 体来说，转炉吹炼的控制过程可分为以下三个控制阶段，如图1 1 所示： 送精练炉 图1 1 转炉吹炼控制过程 2 第i 章绪论 第一阶段：吹炼前的准备、装料。 吹炼前预热烘炉、检查风管密封情况之后联络各相关车间送料、送风。 第二阶段：造渣期吹炼过程控制。 采集造渣期吹炼过程信息，并对造渣期进行控制。主要任务是推断炉内的化 学反应速度和造渣情况，从而及时准确地判断造渣期终点。 第三阶段：造铜期吹炼过程控制。 造铜期吹炼过程控制的关键是准确定出出铜终点。所谓造铜期吹炼终点主 要是依据吹炼终点成分，严格控制铜水达到吹炼目标要求的时刻。 铜锍吹炼是复杂的高温物理化学反应过程，其间涉及气体、液体、固体在 白铜锍( 或铜液) 、炉渣、炉气三相间的流动、传热、传质、熔化、溶解和高温 化学等复杂现象。在整个铜锍吹炼的冶炼工艺过程，转炉的终点控制占据着极 其重要的地位。如果吹炼终点达不到目标要求就会造成许多不良后果： ( 1 ) 造铜期吹炼终点控制不准确直接影响粗铜质量； ( 2 )由于产生不良粗铜而降低铜的直收率； ( 3 ) 缩短炉衬耐火材料的寿命。 1 3 铜锍吹炼终点判断方法评述 粗铜质量的好坏取决于终点控制的准确度。实践中，转炉吹炼作业分成两 个间断周期：造渣期和造铜期。控制造渣期终点就是要求造渣要彻底，使铜锍 中的杂质尽量进入渣相，同时保证良好的渣型，使渣流动性好、比重小，易与 白冰铜澄清分离并排出。造渣过程，当白冰铜品位超过7 5 ，将导致大量的磁 性氧化铁生成而使渣型恶化。造好渣是造好铜的前提，造渣期要求准确判断倒 渣时机，严禁过吹。在造铜期，如果欠吹，则熔体中的c u ，s 未被彻底氧化成金 属铜：而过吹的话，金属铜过氧化生成c u ，0 ，使铜中含氧量增多，严重时将析 出并分层。欠吹或过吹都直接影响粗铜质量。所以，转炉吹炼工艺中严格控制 造铜终点，防止欠吹和过吹显得尤为重要。 p s 转炉铜锍吹炼终点判断就是对吹炼造渣期和造铜期的物料成分信息、化 学反应程度、传质、传热特征等进行分析，根据转炉生产工艺参数控制标准来 推断最佳倒渣时机和出铜时机。铜锍吹炼涉及多相、多变量，反应复杂，吹炼 终点是整个过程各种影响因素的综合体现，准确判断和控制铜锍吹炼终点是既 3 第1 章绪论 是整个吹炼过程的重点也是难点。一方面，这一过程包含复杂的物理化学变化 且影响因素众多，很难建立准确的终点预报数学模型；另一方面，吹炼过程常 会出现中间物料成份波动、喷溅现象，导致必须进行摇炉或捅风眼等非正常操 作，故无法采用一般冶金机理模型用计算机来预估吹炼终点。这些因素决定了 利用计算机进行铜锍吹炼终点判断决策难度很大。 1 3 1 现行的铜锍吹炼终点判断方法 铜锍吹炼终点判断是利用转炉吹炼过程的铜锍组分信息，识别最佳造渣期 的倒渣时机和造铜期的出铜时机。目前尚未有成熟可靠的铜锍终点预报、判断 控制策略应用于实际生产。现行实践中，铜锍吹炼终点主要依靠操作工经验进 行判断：观察炉膛火焰，取样检查熔体试样，依据凝结物颜色进行判断：“红钎” 表示转护中的白铜锍已消失；“灰钎”表示即将到达终点。“灰钎”出现后，用勺取 金属样，并仔细观察溢在固化金属表面的熔融金属的形状与数量。然后化验分 析试样的组分存在情况，若分析结果符合工艺要求立即出铜。 该方法劳动强度大，对操作者的技能要求高，极其依赖于操作工的经验， 难以达到规范化、标准化，无法利用计算机来取代人的判断过程；化学分析造 成了工作上的滞后，可能错过粗铜终点，导致过吹，或者导致多次开风停风操 作的现象。这些缺点造成实现计算机在线终点判断困难，极大地限制了铜锍吹 炼工序的自动化水平。所以，人工经验判断已很难适应生产发展的需要。 1 3 2 铜镜吹炼终点的辅助判断方法 为提高综合生产率，改善产品质量，国外炼铜企业纷纷探索新的铜锍吹炼终 点辅助判断方法，应用较成功的有：依据熔池氧势和温度的相互关系，采用氧 探针测量温度和电动势的方法进行吹炼终点判断【3 】；日本东予炼厂研究了利用计 算机来辅助断定造铜期吹炼终点【4 】：采用测量风口区和熔体温度的方法进行终点 判断嘲：分析s 0 2 烟气浓度变化特征，总结s 0 2 浓度变化趋势，据此判断造铜期 终点【l l l ； 近年来，国内学者在铜锍吹炼终点判断新方法的研究上也取得许多可喜的成 果：文献【1 1 】提出一种通过观测烟气温度的方法来进行终点判断：2 0 0 0 年，张云 生等人提出了应用信息集成并行地进行吹炼过程操作和终点控制【12 】；继张云生 之后，梅炽教授等致力于应用b p 神经网络开发转炉吹炼过程的智能决策与终点 4 第1 章绪论 预报系统 1 3 1 卅。 受限于铜锍吹炼过程的高度复杂性和多变性，上述铜锍吹炼终点判断的新方 法通常只是作为终点判断的辅助手段。但这些方法的理论基础为进一步研究先 进控制技术在铜锍吹炼终点判断的应用提供了重要参考，开启了铜锍吹炼终点 自动控制的新进程。 1 3 3 先进控制技术在铜铙吹炼终点判断中的应用 追求低能高效的现代工业生产中，采用先进控制技术来处理常规控制达不到 良好效果甚至无法控制的复杂工业过程控制问题已是发展趋势。先进控制技术 在冶金工业部门的应用已经有许多成功例子，但用于p - _ s 转炉铜锍吹炼终点的 预报和判断还处于一个逐步探索的试验阶段 随着控制理论和计算机技术的飞速发展，越来越多的学者致力于借用先进控 制技术来解决铜锍吹炼终点预报控制的难题。下面简要介绍相关的先进控制技 术，如人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 、模型预测控制( m o d e lp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 ) 等基本概念，并对文中提出的相应的吹炼终点判断方法进行评述，分 析它们在铜锍吹炼终点判断应用的特点及存在的主要问题。 1 ) 人工神经网络 基于知识和经验的智能控制正成为先进控制的一个重要发展方向【2 0 】。人工 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) 是模仿人脑神经系统进行传输、处 理信息的一种人工智能技术。它采用神经元及各神经元之间的有向权重连接来 隐含处理问题的知识，为复杂非线性过程的建模提供有效的方法，并进而可用 于过程控制系统的设计。a n n 的特点是：确定a n n 的基本结构后，运用学习 算法对训练样本进行训练，可实现知识的自我组织；学习完成之后，还具有一 定的泛化能力：容错能力强，即使输入信号带有一定的干扰噪声，仍能给出正 确的输出结果；神经元之间的计算具有相对独立性，便于并行处理”“2 ”。 b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网络因其易于编程处理，结构合理时可逼近任 意形式的函数，具有较强的非线性处理能力，成为目前应用最为广泛的一类神 经网络模型。b p 神经网络模型发展很快，国内外已有很多学者将b p 神经网络 技术应用于铜锍吹炼终点的判断和预报控制，国内研究较成熟的如中南大学的 梅炽教授等人建立了基于b p 神经网络的转炉吹炼终点预报模型1 1 3 0 们，但是仍 无法成功用于指导转炉生产。采用b p 神经网络模型进行铜锍吹炼终点预报存在 5 第l 章绪论 的主要问题表现在： ( 1 ) b p 神经网络学习算法的收敛速度慢。b p 神经网络在使用之前需要大量的、 有代表性的样本供其学习，学习算法的收敛速度慢。学习完成之后。如果系统 结构发生变化，则需要增加新样本重新学习。 ( 2 ) b p 神经网络的工作过程是一个黑箱。尽管b p 神经网络具有一定的容错能 力( 当存在较大的物料波动或不正常炉况等干扰情况时仍能给出正确的终点预报 结果) ，但是它不能提供信息帮助操作人员推断干扰的具体原因。 ( 3 ) b p 神经网络对未被网络学习的模式的泛化能力不强。b p 神经网络学习完 成之后具有较好的内插结果，但外推时误差较大，特别是当系统非线性较强或 具有病态特性时误差更为严重。 综上所述，如何设计适用于铜锍吹炼终点判断的b p 神经网络预报系统尚处 在实验研究阶段，作为应用模型指导实际生产仍有差距。 2 ) 模型预测控制 过程工业日趋大型化、连续化，基于精确数学模型的常规控制方案已无法 适应复杂多变的现代过程工业高要求的控制目标田】。在此背景下，对模型要求 低，在线计算方便且最大限度地结合了工业实际要求的新型计算机优化控制算 法模型预测控制( 预测控制) 应运而生，并迅速在石油、化工、机械、冶 金等部门的控制系统中得到成功的应用。其成功之处在于突破了传统的控制模 式 2 4 - - 2 6 1 ：以对象在典型输入信号作用下的时间响应为基础，通过采集对象的输 入、输出信号序列来确定控制量的时间序列，并预测系统未来输出，突破传统 控制中对模型结构的严格要求；采用滚动式的有限时域优化策略，将系统未来 输出与期望轨迹在线比较，反复优化局部目标，虽然得到的只是一个次优解， 却顾及了畸变、模型失配和干扰引起的不确定性；此外，滚动优化还能方便地 处理过程被控变量和操纵变量中的各种约束条件。 预测控制具有其它控制技术所无法比拟的诸多优点f 飞对模型结构要求低， 无需深入分析过程的内部机理，不要求掌握对象的精确参数模型。在算法实施 过程中计算比较容易，参数整定简单，具有灵活的约束处理能力，综合控制质 量较高，最大限度地结合了工业实际的要求，便于工程实现等。这些都使其成 为多变量难控过程的一种重要的先进控制技术，特别适用于处理有约束、大时 滞、不确定性、非线性和关联性的过程。目前，预测控制已成为工业控制领域 6 第1 章绪论 应用最多的一种先进控制策略，代表着过程控制的一个新方向。 1 3 4 终点判断方法综合评述 国内外学者在铜锍吹炼终点判断方面提出的各种辅助方法各有优缺点：借 助s 0 2 浓度和温度变化趋势曲线能有效预报吹炼终点但误差范围较大，精确度 低；采用测温法判断的准确度不稳定且对测温仪器要求很高，费用成本高；应 用信息集成和b p 神经网络进行吹炼终点预报是不错的计算机控制方法，但仍处 试验研究阶段，离实际应用尚存在很大差距。其中，b p 神经网络方法的前景被 业内看好。这是因为b p 神经网络不需要己知终点判断的动力学模型而直接用实 际生产数据样本计算得到控制模型，但b p 神经网络缺乏解释自身行为和输出结 果的能力，建模较复杂，推理速度不够快，需在庞大的解空间中搜索最优结果。 充分利用模型预测控制在处理多变量复杂过程工业控制问题上的优势，对 铜锍吹炼终点判断进行建模具有简单、直观、易懂和易用的优点，在终点判断 中仅用到简单的矩阵计算，而不需要在庞大的解空间中寻找最优解，免去繁琐 的推理匹配过程，大大提高了判断速度。所以模型预测控制可作为研究和模拟 铜锍吹炼终点的理想工具。 1 4 本文的主要研究工作 目前，国内大多数铜冶炼厂的自动控制水平低，主要原因在于吹炼过程终 点控制难。预测控制对描述和处理多变量复杂过程工业控制问题有它独到的优 越性，且已在石油、化工、机械、冶金等领域广泛应用。鉴于以上原因，本文 主要针对转炉的造铜期吹炼过程，提出一种基于预测控制的铜锍吹炼终点的预 报判断方法，建立造铜期吹炼终点的预报模型。并利用计算机仿真实验来验证 这种方法的可行性。本选题研究的主要工作如下： 1 ) 就p s 转炉吹炼铜锍过程终点控制的有关方法进行了回顾和总结。 2 ) 详细介绍了贵冶炼铜的技术工艺、冶金原理和工业实践，为建模研究奠 定了工艺理论基础。 3 ) 依据江西铜业集团贵溪冶炼厂的实际生产条件和生产工艺确定出转炉造 铜期吹炼终点控制模型的研究方向。 4 ) 建立了基于动态矩阵控制算法的终点定值跟踪预报模型，并利用m a t l a b 系统仿真软件依据实际生产数据对模型进行实验仿真。仿真结果证明该方法对 7 第1 章绪论 转炉吹炼终点有比较高的预报精度，对属于多变量复杂系统的p s 转炉终点控制 具有一定的应用价值。 5 ) 以冶金物料衡算理论为起点，结合贵冶大量生产数据和丰富生产经验， 通过理论推导和数据统计分析，找出吹炼过程变量之间的关系，建立氧气利用 率的检验方程并利用m a d a b 仿真，进一步对转炉终点控制模型进行校验。 8 第2 章p - s 转炉铜锍吹炼工艺 第2 章p s 转炉铜锍吹炼工艺 2 1 概述 火法冶炼是国内外普遍采用的炼铜技术，包括造锍熔炼、铜锍吹炼和电解 精炼三大工序【3 】：铜精矿经闪速炉造锍熔炼只除掉铜精矿中的脉石及部分f e 和 s ，铜仍以硫化物形式存在并与铁的硫化物组成铜锍。铜锍是炼铜过程的一个中 间产物，需经吹炼还原出租铜。吹炼的实质是氧化熔炼，就是将造锍熔炼所得 到的铜锍熔体，一般在转炉中借助鼓入空气中的氧( 或富氧空气) ，使锍中的铁、 硫和其它杂质氧化，或造渣或挥发与主体金属分离而得到粗金属。粗铜在阳极 炉进一步火法精炼后送电解车间电解精炼，得到最终产品电解铜。本文主 要研究铜锍吹炼问题。 铜锍吹炼在p s 转炉内进行。自1 9 0 5 年p e i r c e 和s m i t h 成功应用碱性耐火材 料内衬卧式吹炼转炉，使p s 转炉成功用于铜的吹炼后，经过百余年的实践和技 术改造，p - s 转炉不断朝大型化和配套设施机械化的方向发展，已成为世界上普 遍采用的吹炼技术。p - s 转炉吹炼工艺成熟，操作熟练，占据铜锍吹炼的主导地 位。但转炉吹炼仍存在一些急待解决的突出问剧孤2 9 1 ：( 1 ) 间断性的吹炼作业 使烟气量大幅度波动，不利于烟气制酸；( 2 ) 漏风量大，致使烟气处理设施庞 大；( 3 ) s 0 2 烟气泄漏污染环境；( 4 ) 高温熔池反应造成耐火材料的大量消耗； ( 5 ) 使用高鼓风压力，电力消耗高；( 6 ) 高温熔体倒运操作造成有害气体溢 出并产生冷料。 为解决上述传统p s 转炉吹炼工艺存在的矛盾，铜锍吹炼新工艺、新设备的 研究和开发正成为关注热点。各国在新建、改造铜冶炼厂时积极寻求处理能力 大、操作连续、投资和运行费用低、有利于环境保护的吹炼工艺。继2 0 世纪8 0 年代三菱法连续吹炼成功应用之后，不断有新的改良型转炉和新的吹炼技术投 入工业生产，如美国肯尼柯特公司和芬兰奥托昆普公司合作开发的闪速吹炼， 比利时的霍博肯虹吸转炉，加拿大的诺兰达转炉和氧气顶吹转炉等。开始改变 着p s 转炉的传统主导局面。其中，最具代表性的是1 9 9 5 年美国肯尼柯特公司 和芬兰奥托昆普公司合作开发的闪速吹炼技术，以全新的构思改革了转炉吹炼 工艺阁。闪速吹炼的基本流程是将各种熔炼炉处理铜精矿产出的铜锍水淬、干 9 第2 章p - s 转炉铜锍吹炼工艺 燥、磨细后送入较小规格的闪速炉中，用纯氧或高浓度富氧吹炼成粗铜。国外 闪速吹炼工艺的半工业试验结果显示，采用闪速吹炼技术各主要生产指标均超 过设计值。因此，闪速吹炼较p s 转炉吹炼技术有巨大的竞争优势，主要表现在 以下几个方面瞄2 9 1 ： 1 ) 建设投资少。由于取消了转炉、吊运系统等设施和与之配套的烟气冷却、 净化及制酸系统，所以在粗铜产量相同的情况下，闪速吹炼比p - s 转炉吹炼的设 备规模要小得多，因此建设投资较转炉吹炼低。 2 ) 生产率高、成本低。闪速吹炼是连续性的作业，易于实现自动化控制， 劳动生产率高；低压鼓风，烟气量大幅度减小且仍可实现吹炼过程的自热，生 产费用比转炉低1 0 - - 2 0 ，故具有显著的经济效益。 3 ) 污染小。避免了p s 转炉炉口s 0 ，烟气泄漏和倒运过程产生s o ，烟气的 问题，环保好。 基于上述原因，p - s 转炉吹炼难以适应日益提高的环保要求，闪速吹炼将是 今后各国新建或改造大型洁净铜冶炼厂值得特别关注的先进工艺，是铜锍吹炼 的一个重要发展方向。文献 2 8 1 n 时指出，虽然闪速吹炼工艺已完成5 t h 的半工 业试验且结果令人满意，但迄今尚未有工厂使用。另一方面，结合国内铜冶炼 厂的生产现状，在铜锍吹炼技术方面仍具有巨大的技术改造空间。通过研究改 造p s 转炉，改善铜锍吹炼过程的生产自动控制水平来增加冰铜处理量和粗铜产 量是目前最有效、可行的办法。鉴于此，本文提出基于预测控制的铜锍吹炼终 点判断方法，用于解决p s 转炉吹炼铜锍过程“定终点”难的问题。本章首先对 p - s 转炉吹炼铜锍的冶金原理、工业实践等基础理论进行分析。 2 2p s 转炉吹炼的冶金原理 ，一s 转炉吹炼是利用f e s 比c u 2 s 易于氧化的特点，往熔融铜锍中鼓入空气 或富氧空气( 0 ， 2 l ) ，使f e s 优先氧化成f e o 并与加入的石英熔剂造渣除去， 同时部分脱除其他杂质，而后继续鼓风，使口，s 中的硫氧化进入烟气，得到含 铜9 8 9 9 的粗铜，贵金属也进入粗铜中。 转炉吹炼作业过程，表压约为l k g f e m 2 的空气( 或富氧空气) 通过沿转炉长 度方向安设的一排风口鼓入熔池，入口风速达1 2 0 1 6 0 m s 。由于熔体阻力，高 速气流喷入后产生大量的小气泡。依靠鼓风造成熔池激烈搅动，使铜锍熔体与 1 0 第2 章p - s 转炉铜锍吹炼工艺 空气良好地混合接触，保证传质、传热、化学反应快速进行，且熔池温度基本 均匀。1 9 6 9 年，t h e m e l i s 和t a r a s s o f 模拟了侧吹转炉吹炼过程的物理模型蚓， 如图2 1 所示： 图2 1p s 转炉吹炼物理模型 2 2 1 转炉吹炼分期进行的热力学依据 铜锍组分主要有o ，s 、f e s 和如q ，并含少量p 6 、z n 、n i 、c o 、a s 、 b i 元素的硫化物以及a g ，a n 和铂族金属等。铜锍吹炼过程中，通过送风机向 熔体鼓入空气将发生激烈的金属硫化物氧化反应。在吹炼条件下发生的金属硫 化物氧化反应通式为： 2 m e s + 3 0 2 = 2 m e o + 2 s 0 2t ( 2 1 ) 根据硫化物氧化的热力学，查阅文献 3 】，1 2 7 3 - q 5 7 3 k 时各金属硫化物按式 ( 2 1 ) 氧化反应的标准自由焓a g o ( 参见表2 1 ) 可知，在吹炼温度下，空气和 铜锍作用时，f e s 、c u 2 s 、p b s 、2 心、 r f s 均可按式( 2 1 ) 反应，且f e s 氧 化反应的a g o 最负，所以在铜锍吹炼的初期它优先c u 2 s 被氧化，其氧化产物 f e o 进而与s o ，造渣生成铁橄榄石f e o s i o ，。造渣反应方程式如下： 2 f e o + s i o ，= 2 f e o s i 0 ， ( 2 2 ) a g o ：- 9 9 0 6 4 2 4 7 9 t 按式( 2 1 ) 反应后的熔融硫化物的氧化产物将与硫化物发生交互反应： f e s + 2 f e o = 3 f e + s o 个 ( 2 3 ) a g o = 2 5 8 8 6 4 6 9 3 2 t f c s + 2 c u 2 d u 2 s + f e o ( 2 4 ) a g o = 一1 0 5 4 3 7 8 5 4 8 t 1 1 第2 章p s 转炉铜锍吹炼工艺 c u ，s + 2 c u ，o = 6 c u + s o ，个 ( 2 5 ) a g o = 3 5 9 8 2 5 8 8 7 t 比较式( 2 2 ) ( 2 5 ) 的标准自由焓a g o 可得出如下结论： 1 ) 反应( 2 3 ) 的a g o 为最大的正值，反应( 2 2 ) 的a g o 为较大的负值，所 以f e o 能迅速地与石英石熔剂中的s i o ，发生造渣反应，使铜锍中的铁元素全部 进入渣相除去，而不会被还原为铁金属； 2 ) 反应( 2 3 ) 的a g o 为最大的正值，反应( 2 4 ) 的a g o 为最大的负值，表 明有f e s 存在时c u ，o 不可能稳定存在： 3 ) 随着f e s 氧化造渣的进行，它在铜锍中的浓度逐渐降低，而c u 2 s 的浓度 不断提高，二者同时氧化的趋势随之增长。文献【3 】指出，在吹炼条件下，只有 当熔体中c u 2 s 的浓度与f e s 的浓度之比约为1 0 时，也就是要等铜锍中的f e s 几 乎全部被氧化之后，c h ，s 才能与f e s 共同氧化或优先氧化。工业生产实践表明， 只有当白铜锍中的铁含量降到l 以下时，c u 2 s 才开始氧化。 上述分析的硫化物氧化顺序说明了铜锍吹炼过程分为两个周期间断作业的 依据。 表2 11 2 7 3 1 5 7 3 k 时各金属硫化物按式( 2 1 ) 氧化反应的伊( 咖0 1 ) 1 2 7 3 k 1 3 7 3 k 1 4 7 3 k 1 5 2 3 k1 5 7 3 k f e s一2 3 6 32 3 l- 2 2 5 72 2 3 12 2 0 5 c u ，s 1 5 3 61 4 5 51 3 7 31 3 3 31 2 9 2 p b s - 2 1 1 42 5 5 1 9 9 5 1 9 6 61 9 3 6 乃心2 3 9- 2 3 4 22 2 9 4- 2 2 70 2 2 4 6 n i 2 s - 2 1 7 52 0 8 1 1 9 8 7 - 1 9 41 8 9 3 2 2 2 转炉吹炼的主要化学反应 根据c u 2 s 和f e s 氧化顺序的差异性，将铜锍吹炼的整个过程划分成两个作 业周期：造渣期和造铜期。造渣期主要是吹氧造渣操作，目标是造出具有较强 脱除杂质能力的流动性良好的碱性渣，以使后续造铜期吹炼过程得以平稳进行。 造渣期一结束，暂时停风排渣得到白铜锍。造铜期继续鼓风氧化白铜锍，以获 得成分合格的粗铜。 1 ) 造渣期主要化学反应 1 2 第2 章p - s 转炉铜锍吹炼工艺 造渣期吹炼，通过送风机往高温熔体中鼓入空气或富氧空气，主要发生f e s 的氧化反应，及其生成物f e o 进一步与s i 0 2 的造渣反应： 2 f e s + 3 0 2 = 2 f e o + 2 s 0 2 个 ( 2 1 1 ) 2 f c o + s i 0 2 = 2 f e o s i 0 2 ( 2 2 ) 依据热力学原理，分析铁的化合物反应的标准自由焓g o 变化f 3 】，如表2 2 所示： 表2 2 铁的化合物反应的标准自由焓a g o 变化( 肜) 由表2 2 可以看出： ( 1 ) 式( 2 1 1 ) 和式( 2 6 ) 两个反应的热力学趋势相近，所以f e s 的氧化 产物可以是f e o ，也可以是如q ； ( 2 ) 由于f e o 溶解于铜锍中，而石英熔剂是以固体形式漂浮在熔体表面， 二者之间接触不良，一定程度上限制了式( 2 2 ) 造渣反应的快速进行，使一部分 未来得及造渣的凡d 进一步氧化生成凡j q 口5 1 ； ( 3 ) 无s o ：存在时，凡，0 4 很难被f e s 还原；当存在s o ：时，三者作用生 产2 r o s i o ，炉渣的趋势大大增加。 综上所述，转炉吹炼时，在造渣期吹炼条件下，除发生主要造渣反应式 ( 2 1 1 ) 和式( 2 2 ) 外，还存在式( 2 6 ) 式( 2 9 ) 的氧化反应。 2 ) 造铜期主要化学反应 第一周期的造渣反应一结束，停风倒渣。倒尽渣后继续鼓风进行造铜期吹 炼。在这个周期发生的主要反应是部分c k 2 s 被氧化成c u 2 0 ，c u ：o 进而与部分 未被氧化的s 进行交互反应，还原出金属铜： 2 c u 2 s + 3 0 2 = 2 c u 2 0 + 2 s 0 2t ( 2 1 2 ) 1 3 第2 章p s 转炉铜锍吹炼工艺 c u 2 s + 2 c u 2 0 = 6 c u + s 0 2 个 ( 2 1 0 ) 造铜期s 的氧化与粗铜的生成过程具体可通过。一c 也s c i _ ：o 体系状态 i l t n l ( 参见图2 2 ) 来说明： 图2 2c u c k s c u ，o 体系相图 分析图2 2 可知，造铜期的熔体组分变化趋势：造铜期初期( a b 段) ，反 应生成的金属c u 溶解于c k ，s 中，熔体仍呈均匀单一相。随着吹炼的进行，白 铜锍中溶解的c u 逐渐增多，吹炼进行至b 点时，c u 在c k ，s 中的溶解度达到饱 和，之后熔体出现两相平衡共存，由于两相互不相溶且比重不同而开始分层。 上层为溶解有少量c u 的白铜锍相，下层为溶解有少量o ，s 的粗铜相。在温度 恒定的情况下继续吹炼，上下两层溶液组成不变，但相对量不断变化：白铜锍 相逐渐减少，粗铜相逐渐增加。反应到达c 点时，白铜锍氧化殆尽，只剩单一 的粗铜相。当吹炼超过c 点位置，随着过程进一步进行，粗铜相中的硫进一步 除去，铜的纯度进一步提高，c - e 线为此时铜中含硫量与温度的关系曲线。直至 粗铜含铜9 8 5 立即停止吹炼。此后若继续鼓风，吹炼进入e d 段，则发生过 吹，造成c u 过氧化，c u 中含氧量增多，至d 点时开始析出c u ，o 并分层，产出 c u 2 0 稀渣。 3 ) 吹炼过程杂质的变化 铜锍除c k ，s 和f e s 的主体成分外，还含有少量，易、五、n j 、c o 、b i ，舡 等元素的硫化物以及a g ，a u 和铂族金属。在吹炼条件下，这些杂质发生不同的 化学反应，最终将以金属、金属硫化物蒸汽形态挥发进入烟尘，或以氧化物形 态与s i 0 2 造渣反应进入转炉渣中。实践表明，铜锍中的p b s 约有4 0 - - 5 0 氧化 进入渣相，其余以p 6 和p b s 蒸汽挥发进入烟尘，只有极少量铅留在粗铜中；z n s 经过氧化、挥发、造渣反应约有7 0 - 8 0 进入转炉渣，2 0 - 3 0 进入烟尘；吹炼 1 4 第2 章p - s 转炉铜锍吹炼工艺 温度下难于将n 3 s ：大量除去，粗铜中镍含量仍有0 5 0 7 ；c o s 在造渣期末发 生强烈的氧化造渣，致使后期转炉渣钴含量达0 4 加5 以上，可作为提取钴的 原料；b i ，s ，及吹炼反应生成的金属b i 均易挥发，所以有9 0 以上的b i 进入烟 尘，只有少量残留于粗铜；贵金属基本上以金属形态富集在粗铜相。 2 3p 蝎转炉吹炼实践 2 3 1 吹炼工艺过程概述 铜锍吹炼过程加入转炉的铜锍温度约为1 1 0 0 ，吹炼作业标准要求炉内温 度控制在1 1 5 0 1 2 5 0 的范围。由上节的分析可知，p - s 转炉吹炼整个过程发生 强烈的氧化反应和造渣反应，伴随大量的化学反应热生成，放出的热