（控制理论与控制工程专业论文）球团烧结过程智能控制方法及其应用研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 链篦机回转窑氧化球团烧结过程是一个涉及到传质、传热和复杂化学反应的工业 过程。从控制角度来看，球团烧结过程具有非线性、分布参数、慢时变和大时滞等特性， 属于典型的复杂被控对象。大量不确定信息、多样化海量数据使得传统控制方法难以对 其进行有效控制，而智能控制为解决这类复杂被控对象的控制问题提供了有效途径。 本文在查阅大量文献资料、广泛收集链篦机- 回转窑氧化球团烧结生产过程历史数 据、专家经验和操作规程和对现场工艺进行充分调研的基础上，综合运用球团烧结工艺、 计算机控制技术、现代控制理论和人工智能技术等多学科知识，提出了基于球磨机制粉 系统多变量解耦控制模型、回转窑温度控制模型和球团矿化学成分软测量模型的球团烧 结过程智能控制策略。论文的主要工作如下： ( 1 ) 针对煤基球团厂球磨机制粉系统的多变量强耦合特性，以球磨机的数学模型为 依据，提出一种新型的多变量p i d 解耦控制策略。它由比例因子a 模糊自整定单元、p i d 控制器和基于对角矩阵法的解耦补偿器组成，p i e ) 控制器参数由粒子群算法进行优化。 仿真研究表明所建模型和所提控制方法的有效性。 ( 2 ) 基于粗糙集理论的知识约简方法和t - s 模糊神经网络的非线性映射理论，建立 了回转窑自动喷煤系统。基于一种新的聚类有效性准则函数的模糊c 均值聚类算法对连 续属性进行最优离散化；采用粗糙集理论对球团烧结生产过程中一些代表性工艺参数所 构成的决策表进行知识约简分析；最后根据最小规则约简建立权值不完全连接的t s 模 糊神经网络模型。 ( 3 ) 结合球团烧结过程工艺机理，采用t - s 模糊神经网络建立了球团矿化学成分 ( f e o 含量和碱度r ) 软测量模型。模型采用灰色关联分析方法进行辅助变量选取，以对 软测量模型输入进行降维；粒子群优化算法和最小二乘法相结合的混合算法来调整t s 模型的前提参数和结论参数，该混合学习算法提高了网络参数辨识的收敛速度。然后基 于球团矿化学成分软测量模型建立了球团烧结过程状态粗糙集专家控制系统，实现链篦 机过程状态的优化控制。 ( 4 ) 将上述智能建模和优化控制方法在球团烧结过程进行了工业应用实验，结果表 明使用智能建模和优化控制方法提高了产品的产量和成品球团矿的质量，对提高球团企 业的整体经济效益具有推动作用，同时为复杂工业过程的优化控制提供了实用的方法。 关键词t 球圃烧结；智能控制；狙麓集；软测量；模糊神经网络；粒子群算法 a p p l i c a t i o ns t u d yo f i n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o do n p e l l e t ss i n t e r i n g p r o c e s s a b s t r a c t g r a t e - r o t a r y 姑l no x i d ep e l l e t ss i n t e r i n gp r o c e s si sad y n a m i cp r o c e s sw i t hm a t t e r t r a n s m i s s i o n ，h e a te x c h a n g ea n dc o m p l i c a t e dc h e m i c a lr e a c t i o n f r o mt h ec o n t r o lv i e w , t h e s i n t e r i n gp r o c e s si s ak i n do ft y p i c a lc o m p l e xo b j e c td u et oi t sn o n l i n e a r i t y ，d i s t r i b u t e d p a r a m 咖r s ，t i m e - v a r y i n ga n d m o d e lu n c e r t a i n t y ag r e a td e a lo fu n c e r t a i n t yi n f o r m a t i o na n d m u l t i p l e xm a g n a n i m i t yd a t u mm a k ei td i f f i c u l tt op e r f o r mt h ec o n t r o lt a s ko ft o t a ls i n t e r i n g p r o c e s se f f e c t i v e l yb yu s i n gc o n v e n t i o n a lc o n t r o lm e t h o & t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y p r o v i d e sa ne f f i c i e n ta p p r o a c ht or e a l i z et h ec o n t r o lo f t h i sk i n do f c o m p l e xs y s t e m s b a s e do nt h er e v i e wo ft h er e l a t e dr e s e a r c hr e f e r e n t s ，t h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o no nt h e m e c h a n i s ma n dt e c h n i q u ea n dt h ec o m p r e h e n s i v ec o l l e c t i o no fp r o d u c t i o nh i s t o r yd a t u m ， e x p e r te x p e r i e n c ea n dm a n i p u l a t i o nr e g u l a t i o n so fp e l l e t ss i n t e r i n gp r o c e s s ，a ni n t e l l i g e n t c o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e db yc o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f p e l l e t ss i n t e r i n gt h e o r y ，c o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g y ，m o d e mc o n 昀lt h e o r ya n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n tt e c h n i q u e t h es t r a t e g y i n c l u d e st h em u l t i v a r i a b l ep i dd e c o u p l i n gc o n t r o lm o d e lo f b a um i l l i n gp u l v e r i z i n gs y s t e m s ， t h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ro ft h er o t a r yl 【i l np r o c e s sa n dt h es o f ts e n s i n gm o d e lo fc h e m i c a l c o m p o s i t i o no ft h ef i n i s h e ds i n t e rm i n e r a l t h i sd i s s e r t a t i o nh a sc a r r i e do nt h ef o l l o w i n g r e s e a r c h ( 1 ) ab a l lm i l lc o a lp u l v e k z i n gs y s t e mo fp e l l e t i z i n gp l a n ti s ac o m p l e xn o n l i n e a r m u l t i v a r i a b l ep r o c e s sw i t hs t r o n g l yc o u p l i n ga n dt i m e - d e l a y an e wm u l t i v a r i a b l ep i d d e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri sp r o p o s e db a s e do nt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp u l v e r i z i n gs y s t e m ， w h i c hc o n s i s t so fd i a g o n a lm a t r i xm e t h o d - b a s e dd e c o m p o s i t i o nc o m p e n s a t o r yu n i t , p i d c o n t r o l l e ra n df u z z ys e l f - t u n i n gc o m p o n e n t su n i tw i t hs c a l i n gf a c t o r a p a r t i c l es w a l t f l o p t i m i z a t i o n 口s o ) a l g o r i t h mi sa d o p t e dt oo p t i m i z ep a r a m e t e r so ft h ep i dc o r l n d l l e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo f t h eo b t a i n e dm o d e la n dt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d ( 2 ) b a s e do nt h ei d e ao f t h ek n o w l e d g er e d u c t i o no f t h er o u g hs e t s ( i 峪) t h e o r ya n dt h e n o n l i n e a r i t ym a p p i n go ft a k a g i - s u g e n of u z z yn e u r a ln e t w o r k ( ，ak i n do fr s - f n n c o n t r o lm e t h o di sp r e s e n t e da n da p p l i e dt ot h er o t a r yk i l l ls i n t e t i n gp r o c e s s n ef u z z y c - m e a n s ( f c m ) c l u s t e r i n gm e t h o db a s e do nan e wc l u s t e rv a l i d i t yi n d e xf u n c t i o ni su s e dt o o b t a i nt h eo p t i m a ld i s c r e t ev a l u e so f t h ec o n t i n u o u sa t t r i b u t e s r st h e o r yi sa d o p t e dt oo b t a i n t h er e d u c t i v er u l e su s i n gi n d u s t r i a lh i s t o r yd a t u ma n dc o r r e s p o n d i n gt sf u z z ym o d e lh a s b e t t e rt o p o l o g yc o n f i g u r a t i o nr e f l e c t i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s 一i i 大连理工大学博士学位论文 ( 3 ) c o m p l i c a c ya n du n c e r t a i n t yo fs i n t e r l n gp r o c e s sb r i n gd i f f i c u l t y f o rm e a s u r i n g p r o c e s sv a r i a b l e s 。b a s e do nt h et e c h n i q u em e c h a n i s mo fs i n t e r i n gp r o c e s s ，as o f ts e n s i n g m o d e li sp r o p o s e db ya d o p t i n gt h et a k a g i - s u g e n of n nm o d e lt op r e d i c tt h eq u a l i t yi n d e x e s ( f e oc o n t e n ta n db a s i c i t yl no f t h ef i n i s h e ds i n t e rm i n e r a l t h eg r a yr e l a t i o na n a l y s i s ( g r a ) m e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ef a c t o r si n f l u e n c i n gf i n i s h e ds i n t e r 删时a n dr e d u c ei n p u t d i m e n s i o ni no r d e rt oa v o i dt h ed i m e n s i o ne x p l o s i o np r o b l e m t h ea n t e c e d e n ta n dc o n s e q u e n t p a r a m e t e r so ft h et s 昀m o d e la r et u n e db yt h eh y b r i da l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e st h e p s oa l g o r i t h mw i t ht h el e a s t = s q u a r em e t h o d t h en e wh y b r i da l g o r i t h mg r e a t l yi n c r e a s e st h e c o n v e r g e n c es p e e do fp a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o n b a s e do nt h es o r n s i n gm o d e lo fp e l l e t s c h e m i c a lc o m p o n e n t s ，t h er o u g hs e tb a s e de x p e r ts y s t e mo fs i n t e r i n gp r o c e s ss t a t e si s p r e s e n t e dt or e a l i z et h eo p t i m i z e dc o n t r o lo f g r a t ep r o c e s s ( 4 ) i n d u s t r ya p p l i c a t i o ne x p c r i m a n t sa r ec a r d e dt h r o u g hi np e l l e t ss i n t e d n gp r o c e s su s i n g t h ea f o r e m e n t i o n e di n t e l l i g e n tm o d e l i n ga n do p t i m i z e dc o n t r o lm e t h o d s t h ee x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d si m p r o v et h ep r o d u c t i o no u t p u t sa n dt h eq u a l i t yo f f i n i s h e dp e l l e t sm i n e r a l t h ec o m p o s i t i v ee c o n o m i cb e n e f i t so fp e l l e t sp l a n ta me n h a n c e d u s i gt h ea b o v ec o n t r o ls t r a t e g y a tt h es a l v et i m e ，i tp r o v i d e s 吼i m p l e m e n tm e t h o da su s e f o rr e f e r e n c e sf o ro p t i m i z a t i o nc e n t r e lo f c o m p l e xi n d n s a 7p r o c e s s k e yw o r d s ：p e l l e t ss i n t e r i n g li n t e l l i g e n tc o n t r o l sr o u g hs e 乜ls o f ts e n s i n g sf u z z y n e u r a ln e t w o r k lp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n - i i i - - 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：型选日期：垄：生盔 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 王竹应 ! ：年月盈日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 目前，钢铁企业的竞争日益激烈，高炉炼铁生产技术经济指标的改善和技术进步， 主要是依靠入炉原料性质的改善。我国炼铁界将高炉精料的要求概括为“高、熟、挣、 匀、小、稳”六个字【1 】，其含义是：铁矿石入炉品位高，使用烧结矿或球团矿等熟料， 尽可能筛除小于5 m m 的粉，粒度均匀、粒度小，化学成分稳定。在我国，高炉入炉炉料 的9 0 以上是靠烧结法提供的。球团烧结的任务就是将粉状物料( 如矿粉和精矿) 进行高 温加热，在不完全熔化的前提下烧结成块的方法。选矿选出的矿粉烧结成球后作为高炉 炼铁的主要原料，对烧结过程的控制是一项较为复杂的工作，其控制质量的好坏是烧结 产品质量和生产效益的关键，直接影响着下游产品的产量和质量。 年产1 0 0 0 万吨钢的鞍钢是个铁矿石需求大户，在取得了炼铁系统高炉现代化、大型 化改造的历史性突破后，鞍钢把年产1 6 0 0 万吨钢定为最大的发展目标，铁矿石的供应成 为了重要一环。球团矿被称为高炉的“精料”，具有品位高、碱度低、强度好、透气性强 等特点。为此鞍钢在进行多番论证后，决定在弓长岭矿业公司先后建立两条年产2 0 0 万 吨球团矿生产线。生产线建成后弓长岭矿业公司年产球团矿将达4 0 0 5 0 0 万吨，充足的 矿产资源使鞍钢年产1 6 0 0 万吨钢的目标不再遥远。两条球团矿生产线均采用链篦机回 转窑工艺，将生产出铁品位6 4 5 、二氧化硅含量6 左右的球团矿，其产品质量将达到 世界一流球团矿的技术标准，是鞍钢新。号高炉等当代大高炉炼铁生产的优质炉料。 钢铁工业对原料要求的日益提高和设备向大型化发展，对球团烧结过程控制提出了 更高的要求 2 1 。现代球团烧结过程的控制非常复杂，它涉及到温度、压力、速度、流量 等大量物理参数，包括物理变化、化学反应等复杂过程，以及气体在固体料层中的分布、 温度场分布等多方面的问题【孓4 】。从控制角度来看，球团烧结过程是典型的具有多变量、 分布参数、非线性、强耦合特征的复杂被控对象。传统的依靠人工“眼观一手动”的调 节方法已经无法满足球团烧结过程的控制要求，需要更加精确和稳定的自动控制。目前 新建的球团烧结厂都配备了集散控制系统，具备了基本检测和基础控制功能，为进一步 实现自动控制和智能控制提供了可能。本项目就是以鞍钢球团二厂作为项目背景，通过 对球团烧结过程数学模型与智能控制方法的研究与应用来达到提升球团矿质量的目的。 1 1 球团烧结过程概述 球团法是将细磨精矿制成能满足冶炼要求的块状物料的一个加工过程。其过程为： 将准备好的原料( 细磨精矿和添加剂等) ，按一定比例经过配料混匀，在造球机上经滚动 而造成一定大小的生球，然后采用干燥和焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化学变 王介生：球团烧结过程智能控制方法及其应用研究 化而硬化固结，这一过程叫作球团烧结过程，所得到的产品叫做球团矿。在球团矿制各 过程中，物料不仅由于粒子密集而发生物理性质( 密度、孔隙度、形状、大小和机械强 度等) 上的变化，而且也发生了化学和物理化学性质( 化学组成、还原性、膨胀性、高温 还原软化性能、熔滴性能等) 上的变化，从而使物料冶金性能得到改善。 1 1 1 链篦机一回转窑氧化球团烧结工艺 弓长岭矿业公司球团厂链篦机回转窑氧化球团烧结工艺流程如图1 1 所示阁： 铁穑矿膨掏堪煤 球团矿外运 图1 1 球团烧结生产工艺流程图 f i g 1 1 t h e p n x i u c i i o n p r o c e d u r e o f p e l l e ts i n t e r i r 培p l a n t 球团生产过程包括精矿的预处理( 精矿脱水、精矿再磨、精矿润磨、改善精矿松散 大连理工大学博士学位论文 性等) ：精矿的接受及溶剂、燃料的准备( 破碎、筛分) ；膨润土或冶金添加剂的配制； 配料、混合、造球；生球筛分；铺底、铺边与生球布料；生球的干燥、预热、焙烧、和 均热冷却；冷筛；成品球团矿储存和输出；返矿的储存、再加工及参与配料等工艺环节。 球团烧结生产过程由数个连续进行的工序所组成，主要包括链篦机、回转窑及环冷 机系统。从造球系统来的生球在链篦机上干燥预热；在回转窑中烧结；在环冷机中进行 冷却，冷却后球团进入成品系统。链篦机回转窑氧化球团热循环工艺流程如图1 2 所示： 图1 2 链篦机- 回转窑氧化球团热循环工艺流程 f i g 1 2t e c h n i q u ef l o wo f h e a tc i r c u l a t i o no f p e l l e ts i n t e r i n gp l a n t ( 1 ) 链篦机系统 链篦机由鼓风干燥段、抽风干燥段、预热1 段和预热2 段四部分组成。生球在鼓风 干燥段用6 0 2 0 0 的回收热气( 来自环冷机三段) 进行干燥，去除生球的附着水并减 少后道工序的水汽冷凝，避免篦床下部生球过湿，在抽风干燥段用近4 0 0 ( 2 回收热气( 来 自预热2 段) ，从料层上方往下抽风，使生球脱水干燥，以适应预热l 段7 0 0 ( 2 以上温 度，预热l 段7 0 0 热气( 来自环冷机二冷段) 通过料层使生球继续干燥，并开始氧化， 以保证球团在预热2 段可以经受l 0 0 0 以上的高温时进行的氧化，分解和加热，并完成 部分固结硬化，使球团有一定的强度，能经受由链篦机落到回转窑时的冲击，在回转窑 运动过程中不致破碎。 ( 2 ) 回转窑系统 球团矿的焙烧、固结过程在回转窑中完成。经过链篦机预热后的球团通过铲料板和 给料溜槽给入回转窑中，并在随回转窑沿周边翻滚的同时，沿轴向朝窑头方向移动。在 王介生：球团烧结过程智能控制方法及其应用研究 窑头装有专门设计的双调节伸缩式喷煤管，通过煤管伸缩和一次风量变化控制煤粉燃烧 的火焰形状和火焰长度。同时将环冷机一冷段l l o o 热废气引入窑头罩，作为补充二次 风。以保证窑内所需焙烧温度。球团在窑内主要受热辐射作用，边翻滚边焙烧，从而得 到均匀焙烧。回转窑内球团焙烧温度1 2 5 0 - - 1 3 0 0 ，球团在回转窑中停留时间约为 3 0 r a i n 。回转窑窑头和窑尾罩采用新型密封装置，并设有结构冷却风机。焙烧好的球团 通过回转窑窑头罩内溜槽和固定筛卸到环冷机受料斗内。 ( 3 1 环冷机系统 环冷机由回转部分、风箱、传动、机架和上罩组成。环冷机承担回转窑排出的温度 近1 2 5 0 1 3 0 0 的热球团矿，其粒度为8 o 1 6 m m ，f e 0 含量低于8 ，经过窑头罩 固定筛将大块筛出后，通过环冷机受料斗均匀布在环冷机台车上，料层厚度为8 0 0 m m 。 球团矿在环冷机上被冷却，同时球团矿中剩余f e o 得到进一步氧化。最终使球团矿中f e o 含量降到1 以下，温度降到1 5 0 以下。环冷机烟覃分四个区域，一冷段1 1 0 0 热气 通过受料斗上部窑头罩和平行管道直接回回转窑用于提高窑内气氛温度；二冷段7 6 0 热气流直接通过热风管道和沉降室返回链篦机预热l 段烟罩，用于球团的干燥和预热； 三冷段3 6 0 热风由风机引至链篦机鼓风干燥段兑入冷风，对链篦机链床上的生球进行 鼓风干燥：四冷段9 0 1 0 5 废气通过环冷机上烟筒直接排放。环冷机鼓风机通过风门 自动调节冷却风量，控制回热风温度。温度小于1 5 0 c 的球团通过卸料斗卸至胶带机上 运出。 1 1 2 球团烧结过程系统特性分析 从过程控制的角度看，可将烧结过程看作是一定原料参数和操作参数作用于设备参 数( 统称为工艺参数) ，有一定状态和指标参数与之相对应的系统，其模型如图1 3 所示1 6 】： l 工艺参数 图1 3 球团烧结过程模型图 f i g 1 3t h e m o d e l c h a r t o f p e l l e t ss i n t e r i n g p r o c e s s 大连理工大学博士学位论文 球团生产的且的就是通过调整原料参数、操作参数和设备参数使状态参数和指标参 数达到最优。其函数关系式为： ( 原料参数、设备参数和操作参数) 一( 状态参数) 一( 指标参数) ，式中： ( 1 ) 原料参数= 【含铁原料配比，熔剂配比，燃料配比，】 ( 2 ) 操作参数= 混合料加水量，料层厚度，链篦机速度，回转窑转速，1 ( 3 ) 设备参数= 【风机能力，抽风面积，漏风率，】 ( 4 ) 状态参数= 【风箱废气温度，主管负压，透气性，】 ( 5 ) 指标参数= 【球团矿化学成分，还原性，机械强度，产量，】 以上五类参数在总量上达到几十个，反映出了球团过程影响因素复杂。同时，这种 复杂性还体现在各种因素的密切相关。例如，状态参数球团烧结回转窑温度与球团矿质 量、透气性以及稳定球团过程有密切的关系，而透气性又与原料性质、原料水分、造球、 布料等许多因素有关；球团矿的质量指标之间有很大的相关性。状态参数反映了球团烧 结过程的状态，指标参数是指球团矿的产量和质量指标。质量指标包括球团矿化学成分、 物理性能和冶金性能三个方面，物理和冶金性能主要通过调整球团过程状态，减小中间 操作指标波动来控制。产量指标的影响因素主要有球团过程透气性、成品率和链篦机 回转窑速度，而这些参数与球团过程状态的控制有关。球团能耗主要与固体燃料的消耗 有关。因此球团过程控制在总体上可分解为球团矿化学成分的控制、球团过程状态的控 制和球团能耗的控制等【7 】。球团过程状态主要包括透气性状态和热状态( 也称温度状态) ， 同时由于球团烧结过程中返矿再次被用作球团原料，球团过程的状态还与其返矿量的变 化密切相关。球团烧结过程的控制具有如下特点嘲： ( 1 ) 由原料、燃料条件和高炉需求制定的生产计划是进行球团烧结过程控制的先决 条件，它一经确定，会在一段时间内相对稳定； ( 2 ) 球团烧结过程中许多环节的控制发生作用有很长的时间延迟，即存在大的时间 滞后性。从原料下料、经混合、造球、布料、干燥到烧结成球团矿，再经冷却到取样、 化验得出球团矿产、质量的量化指标，需要长达2 小时时间。其中，球团矿化学成分控 制和强度控制等环节都存在长的时间滞后； ( 3 ) 球团烧结过程机理复杂，整个烧结过程经过燃料燃烧反应、氧化物分解、固相 反应、液相形成与冷凝等，包括了熟力学、动力学、流体力学和结晶矿物学等理论； ( 4 ) 球团烧结过程影响因素众多，而且烧结过程的各种影响因素之间密切相关。 ( 5 ) 球团烧结过程是连续的动态时变过程，因而控制要求是连续的、实时有效的。 连续性和实时性要求决定了控制( 从信息采集、计算到决策) 要在很短时间内完成。 ( 6 ) 球团烧结过程控制的效果要从几个方面来评价：球团矿的产量、质量，烧结过 王介生：球团烧结过程智能控制方法及其应用研究 程能耗和烧结过程的稳定性。 球团烧结过程的滞后特点决定了对烧结过程的中间参数和指标参数实行提前预报 的必要性。球团烧结过程的复杂性决定了单纯依靠其数学模型进行控制难以取得令人满 意的效果，而必须借助于人工智能技术。在实验室进行的链篦机回转窑直接还原法的 试验研究也表明，还原产品铁收得率与入窑球团抗压强度、抗磨能力呈正相关关系；球 团抗压强度及抗磨能力取决于链篦机焙烧温度。提高链篦机焙烧温度是提高链篦机回 转窑直接还原法的铁收得率和杜绝结圈的重要途径。改善链篦机调控条件和手段，保证 链篦机布料均匀，料层透气性良好，操作稳定，是在相同设备材质条件下提高焙烧温度， 提高入窑球团强度的重要途径。总之，球团生产过程不论从整个还原反应的复杂性看， 还是从过程变量之间的非线性相关和强耦合性看都存在复杂的模型建立和优化问题。因 此球团烧结过程模型的正确建立对保证整个生产过程有效控制、实现生产优化以及获得 最大生产利润是非常重要和必要的。 1 1 3 球团烧结过程检测和自动控制 根据链篦机回转窑氧化球团烧结工艺流程的特点，将球团烧结过程划分为原料燃 料准备系统、配料混合系统、造球布料系统、链篦机干燥预热系统、回转窑氧化焙烧系 统、环冷机冷却系统、除尘和水处理系统和成品管理系统等若干个子系统分别实现分散 控制、集中管理。 ( 1 ) 原料燃料准备系统 球团烧结原料数量大，粒度及化学成分极不均一。原料特性的波动是造成球团烧结 生产不稳定的一个不可忽视的因素。在原料准备系统中，主要检测和控制项目有各料槽 料位的检测：膨润土仓料位选用超声波料位计检测；返料、贮料仓料位选用压头传感器 检测；湿精矿水分和干燥精矿水分的检测和控制；干燥机炉膛温度和压力的检测、排料 口废气温度检测、鼓风机出口风量和压力的检测；精矿干燥系统温度的检测和调节；球 磨机制粉系统的出力、出口温度和入口负压的检测和控制。检测信号送计算机，料位上 下限报警并送电气连锁。 ( 2 ) 配料混合系统 配矿料槽的料位自动检测和各种原料配矿方案的选取：配料矿槽采用称重式料位仪 和重锤式料位仪进行料位测量，将信号送计算机，并用电容式料位开关做料位极限检测、 报警和连锁；原料排料：用定量圆盘给料控制装置和皮带秤进行精矿、膨润土配比控制。 将各种原料以一定配合系数与综合给料量设定值相乘，再由控制单元输出操作信号驱动 执行装置，以实现定量给料自动控制；配料后的混合料的计算、积算和极限报警及控制； 大连理工大学博士学位论文 燃料、原料水分的自动测量、显示、记录、上下限报警，将信号送计算机和电气连锁。 混合系统检测和控制的项目主要是一、二次混合机加水量的检测和控制，水压低压 报警，将信号送计算机和电气连锁。水分的检测和控制是球团烧结操作中的一个难点， 严格控制混合料水分的标准值和误差范围，以提高造球后生球质量。 ( 3 ) 造球布料系统 造球操作由造球工按混合料的实际情况合理调整操作，以稳定生球料量和质量为原 则；在造球过程中添加适量的水，使混合料的水分控制在最佳值。合理布料则能保证链 篦机的料层厚度均匀，料层厚度控制在一定( 优化) 的范围内。筛分的目的是为了把粒度 不合格的生球重新破碎造球，进一步保证进入链蓖机生球的粒度。造球布料系统的主要 控制回路有造球机混合料定量给料控制、造球机混合料加水量控制和摆动胶带机、宽胶 带机和布料机联动比例调节。 造球室内设有8 个料仓，仓上设秤重传感器计量料位，造球控制室要求有连续料位 显示及高、低料位信号、报警。由球团焙烧控制系统反馈造球系统合格生球量和返料量， 由造球系统控制室计算造球量，自动调整圆盘造球机的造球量、转速和运转台数。圆盘 造球机的给料设备为圆盘给料机加皮带秤，圆盘给料机通过皮带秤计量调速，由皮带秤 量出实际给料量，与设定值进行比较，如有偏差发出信号，调节圆盘给料机电机的转速， 使其给料量满足生产要求。球团厂化验室每小时测定一次生球的强度、水分以及粒度组 成，检测结果及时反馈到主控室和配料集控室。 ( 4 ) 链篦机干燥预热系统 链篦机干燥预热系统的检测和控制的项目有链篦机速度、料层厚度的检测和控制： 链篦机一回转窑一环冷机速度联动比例控制；链篦机鼓风干燥段、抽风干燥段和预热段烟 罩温度及其压力的检测与调节；鼓风干燥段、抽风干燥段和预热段风箱温度及其压力的 检测；链篦机回水流量和进水压力的检测与显示。将检测信号送计算机和电气连锁。 ( 5 ) 回转窑氧化焙烧系统 回转窑氧化焙烧系统的检测和控制项耳有回转窑点火用煤粉量控制；回转窑点火烧 嘴用一、二次风量的检测与控制；回转窑窑位的检测及控制；回转窑窑内气体最高温度 的检测与控制；回转窑窑皮温度、窑头和窑尾密封罩温度、固定筛水冷回水流量和给水 压力的检测。 ( 6 ) 环冷机冷却系统 环冷机冷却系统检测和控制的项目有二冷段、三冷段回热风温度的检测和控制，二 冷段、三冷段回热风压力的检测、显示和报警；根据排矿温度信号自动控制环冷风机的 王介生：球团烧结过程智能控制方法及其应用研究 转速，改变风量，以调节排矿温度；环冷机机速、料厚、卸料斗料位的检测和控制。环 冷机冷却风机出口压力、冷却水进水压力和冷却水进水流量的检测显示。 ( 7 ) 除尘和水处理系统 球团厂大体上采用四种除尘方式：电除尘、多管出尘、布袋除尘和水除尘，共有8 3 个除尘点。部分除尘灰经仓式泵输送到原料车间重新参加配料。除尘系统检颡i 和控制的 项目有电除尘器的入口气体压力、温度、流量，出口气体含尘浓度、粉尘槽料位的自动 测量、显示和报警；布袋除尘的入口气体压力、流量，出口气体压力的检测、显示和报 警，将信号送计算机，粉尘槽料位报警。 生产用水主要消耗在造球机加水，精矿干燥室除尘用水和冷却用水等。水处理系统 检测和控制的项目有工业水压力、电导率、流量测量、显示，将流量信号送计算机，循 环水冷水池液位、冷却水电导率、冷却水温度的自动测量、显示和报警，根据冷却水温 度调节冷却风机转数，以控制冷水温度。 ( 8 ) 成品管理系统 成品管理系统检测和控制的项目有成品矿仓的自动布料和料位检测，成品分配料量 的自动计量、显示、积算、报警，将信号送计算机。 根据以上对链篦机回转窑氧化球团烧结生产过程各工序的检测和自动控制功能的 详细分析，得出其主要控制难点体现在以下几个方面：球磨机制粉系统的出力、出口温 度和入口负压控制回路；精矿、膨润土配比控制回路：造球机混合料加水量控制回路； 链篦机速度、料层厚度控制回路；链篦机烟罩温度及其压力的控制回路；回转窑点火用 煤粉量控制回路：回转窑点火烧嘴用一、二次风量控制回路；回转窑窑内气体最高温度 控制回路；环冷机二冷段、三冷段回热风温度控制回路。 球团烧结自动控制是检测技术、自动化技术、计算机技术与球团烧结工艺相结合的 产物。它的应用主要有两个目标：一是操作的稳定化，以生产化学成分稳定、粒度均匀 和强度好的球团矿作为高炉的含铁炉料；二是过程的最佳化，以最大限度降低生产成本 乃至整个炼铁厂的生产成本，提高劳动生产率、降低劳动强度。随着球团烧结设备的大 型化和高炉对球团矿质量要求的提高，球团过程计算机控制技术的作用和成效更为显 著，球团烧结自动控制水平已成为衡量球团烧结工艺水平的一个重要标志。 1 2 烧结过程数学模型的研究现状 烧结过程数学模型的研究是把烧结过程中发生的复杂现象用数学方程定量表达出 来，以便于烧结生产的操作控制。国外对烧结过程数学模型的研究始于七十年代，国内 始于八十年代，建立了大量数学模型，并从过程模拟、参数优化向过程控制方面发展1 8 】。 大连理工大学博士学位论文 1 2 1 过程模拟模型 早期的烧结数模都属于离线计算分析模型，大部分是基于烧结过程物理化学的机理 模型 9 - 1 2 1 ，用于对烧结过程的模拟和解析。至今最详尽的模型是由澳大利亚的 m j c u m m i n g 等人开发的铁矿石烧结模拟模型，它包括1 3 种物理变化、1 1 种化学反应 和2 6 个状态变量，其在计算机上计算一次需要7 个小时以上【9 】。a g 沃特斯等人通过 分析原料粒度分布与加水量、原料物理特性等变量之间的关系，基于细粒粘附在较粗的 颗粒表面上的制粒机理，建立了制粒模型。该模型可预测多组分烧结混合料的粒度分布， 定量地比较不同混合矿的制粒效果，也可以用来研究制粒作用对烧结混合料条件变化的 灵敏度【l o l 。f 帕蒂桑等人根据水分再冷凝机理和过湿带的形成机理建立了烧结水分迁移 数学模型。模型中将铁矿球粒的干燥分为恒速干燥阶段和降速干燥阶段。他们将数学模 型理论计算与烧结锅试验结果相结合，确定了烧结矿转鼓指数与液相量之间的关系l 】。 文 1 2 】研究并建立了一个以湿料带传热、传质机理为基础的烧结水分迁移全过程数学模 型，并进行了计算机仿真。烧结机理模型在分析烧结过程中起到了越来越重要的作用， 但由于以下原因，在工程应用上尚有限制【6 j ： ( 1 ) 为了使用简化，往往采用一些假设，与工业过程的实际情况有较大差距； ( 2 ) 模型中一些参数难以确定，因此其模拟精度不能满足工业过程控制的要求； ( 3 ) 模型求解时间过长； ( 4 ) 对系统的输出变量，即质量、产量指标与过程状态变量之间的定量关系尚未用 数学模型描述出来。 1 2 2 参数优化模型 用于参数优化的烧结数模从建模方法上分，又可分为统计模型【1 5 1 、机理模型 1 6 1 和时间序列模型 1 7 - 1 8 】等。统计模型是根据实验或生产数据用数理统计的方法建立的。意 大利冶金公司西尼加利亚烧结厂通过风箱废气样本的成分分析来预报烧结矿f e o 含量 和确定烧结终点的统计模型应用效果良好【1 ”。用于局部控制的机理模型，是根据烧结过 程物理现象、化学变化及物料平衡等推导出来的。日本神户钢铁公司n t a m u r a 等人建 立了估计烧结料层热状态的数学模型，研究了操作条件、热状态与烧结矿产量和质量的 关系。热状态是料层高度、台车速度、点火温度、料层密度、焦粉消耗、焦粉粒度、水 分和透气性指数等操作参数的线性表达式，通过调整操作参数，使实际热状态与目标热 状态一致，目标热状态定义为1 1 0 0 等温线之间的面积【1 6 1 。 文 1 7 - 1 8 开发了烧结生产过程控制专家指导系统，用系统辨识方法建立了多个时间 序列模型，用于烧结矿化学成分的预测，该系统应用于烧结生产的离线控制，使烧结矿 王介生：球团烧结：豳星智能控制方法及其应用研究 的化学成分合格率和一级品率分别提高了1 和3 。时间序列模型的优点是不需要探求 过程的深层机理，而是从事实和数据入手。视生产过程如同一个黑盒子，通过收集生产 数据，将工艺参数作为输入，生产效果作为输出，应用数学方法研究输入与输出信息的 关系，借以调整输入而达到最佳输出的效果。它可以通过自适应方法反映系统的动态特 性，通过时间序列预报解决烧结过程的长时滞问题。 t k a w a g u c h i 等人开发的烧结综合模拟模型由6 个子模型组成，即透气性模型、传 热模型、熔融模型、气孔形成模型、矿物组成模型和质量模型。1 9 8 4 年鹿岛烧结厂将此 综合模型用于操作工况最优化，取得烧结矿质量波动减少2 0 ，总能源费用降低5 5 的结果，随后这个指导系统在和歌山烧结厂、小仓烧结厂也都得到应用【1 9 j 。 1 2 3 过程控制模型 2 0 世纪8 0 年代，英国的p p k a n j i l a l 研究了自适应预报和控制模型，通过焦粉配 比和温度- 速度系数来预报烧结矿f e o 含量和强度指数，来控制焦比和台车速度。基于 此模型的控制系统应用于英国钢铁公司r c d c a r 烧结厂，取得令人满意的效果洌。g i n t h e r s t r a k a 开发了基于燃烧带模型的烧结终点控制模型，根据预先计算好的烧结时间和设定 的烧结终点来计算台车速度设定值团j 。文 2 2 】开发了烧结终点闭环控制模型，根据实际 生产情况，自动交换使用全自动和半自动两种控制模式来实现烧结终点的控制。 烧结过程是一个有较长时间滞后的多变量系统，定值控制难以取得满意的效果。所 以，建立烧结过程数学模型，由模型决定各控制回路的常数，是实现烧结过程优化控制 的重要一环。但是烧结过程的错综复杂性又使数学模型在实际应用中受到了限制，对于 复杂的烧结过程控制还需引入人工智能技术才能