CN111650904A - 一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用 - Google Patents

一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，包括闪速炉、紫金FF数模、物相推算模块、前馈计算模块、反馈计算模块、数据库管理模块和OPC通讯模块，本发明与生产实际吻合度高，前馈计算误差小，冰铜品位平均偏差±1.6个百分点，冰铜温度平均偏差±28℃，铁硅比平均偏差±0.05；反馈修正控制效果良好，在前馈计算控制偏差超界时，仅需1～2次反馈修正就可保证三大目标参数满足精度要求，减小了控制变量的偏离与波动，使得冶金炉作业状况优化稳定，产品质量得到了有效保障。

Description

一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用
技术领域
本发明涉及闪速熔炼相关领域，具体是一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用。
背景技术
铜是国民经济发展的重要原材料，随着工业化进程的不断推进，铜在人们日用消费、电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域起着越来越重要的作用，对于中国铜工业来说，大力发展中国铜工业是全球经济一体化下的迫切需求，而闪速炉火法炼铜目前占据主导地位；在现有闪速炉炼铜技术面临更加复杂物料及更加复杂外界环境因素的情况下，对于系统的智能控制、精确控制需求更加渴望、迫切；原有计算控制系统存在计算效率低、操作复杂化、准确性不足等缺陷，已不能满足目前紫金铜业闪速炉的铜冶炼控要求。
闪速炉年处理100万吨铜精矿，通过多种铜物料配至要求成分组成进行闪速熔炼，其中在配料中涉及矿种种类多，成分复杂，杂质元素多；在生产过程中，铜精矿铜组成及粒度不同在反应中出现过氧和欠氧的情况，品位波动大，对转炉吹炼造成影响。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用。
本发明是这样实现的，构造一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，该装置包括闪速炉，所述闪速炉通过DCS控制系统与紫金FF数模相连接，所述紫金FF数模包括物相推算模块、前馈计算模块、反馈计算模块、数据库管理模块和OPC通讯模块，所述OPC通讯模块与DCS控制系统相连接，所述物相推算模块、前馈计算模块和反馈计算模块均与OPC通讯模块数据传输，所述物相推算模块、前馈计算模块和反馈计算模块均与数据库管理模块数据传输。
优选的，所述物相推算模块用于推算铜精矿、渣精矿、烟尘等物料的合理物相组成。
优选的，所述物相推算模块基于最小自由能原理，构建铜精矿(硫化矿)物相推算模型，并且采用优先生成法构建渣精矿、烟尘物相推算模型。
优选的，所述前馈计算模块用于计算反应所需的风氧量、熔剂量、辅助燃料量等工艺参数。
优选的，所述前馈计算模块共涉及17个元素(Cu、S、Fe、Ni、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Si、Ca、Mg、Al、O、N、C、H)的冶金行为及控制指标，构建了69元闪速熔炼过程数学模型。
优选的，所述前馈计算模块内部设置有熔炼数模方程和质量守恒方程，所述熔炼数模方程由元素分配方程、能量守恒方程和自定义方程组成。
优选的，所述反馈计算模块用于计算各调节参数(风量、氧量、熔剂量、辅助燃料量)的修正值。
优选的，所述反馈计算模块采用目标参数多因素互耦反馈修正算法。
本发明具有如下优点：本发明通过改进在此提供一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，与同类型设备相比，具有如下改进：
优点1：本发明所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，基于最小自由能原理，构建铜精矿(硫化矿)物相推算模型；采用优先生成法构建渣精矿、烟尘物相推算模型；提高了热效应计算精度。
优点2：本发明所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，前馈计算模块构建更为全面精细，共涉及17个元素(Cu、S、Fe、Ni、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Si、Ca、Mg、Al、O、N、C、H)的冶金行为及控制指标等，在此基础上构建了69元闪速熔炼过程数学模型，提高了数模计算与实际过程的吻合程度。
优点3：本发明所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，反馈计算模块的反馈修正采用目标参数多因素互耦反馈修正算法，提高了反馈修正效果，减小了由人为给定修正值造成的波动性与随意性，提高了反馈修正效果，规范了反馈修正操作。
优点4：本发明所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，实现了DCS组态界面与数模界面双向控制，操作方便灵活。
优点5：本发明所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，数模构建采用面向冶金工程师的METCAL语法体系，数模结构描述简单明了，可读性强，自行升级更新极为便利。
优点6：本发明所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，与生产实际吻合度高，前馈计算误差小，冰铜品位平均偏差±1.6个百分点，冰铜温度平均偏差±28℃，铁硅比平均偏差±0.05；反馈修正控制效果良好，在前馈计算控制偏差超界时，仅需1～2次反馈修正就可保证三大目标参数满足精度要求，减小了控制变量的偏离与波动，使得冶金炉作业状况优化稳定，产品质量得到了有效保障。
附图说明
图1是本发明紫金FF数模组成的结构框图；
图2是本发明各模块间的逻辑关系示意图。
其中：闪速炉-1、紫金FF数模-2、物相推算模块-3、前馈计算模块-4、反馈计算模块-5、数据库管理模块-6、OPC通讯模块-7。
具体实施方式
下面将结合附图1-2对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，包括闪速炉1，闪速炉1通过DCS控制系统与紫金FF数模2相连接，紫金FF数模2包括物相推算模块3、前馈计算模块4、反馈计算模块5、数据库管理模块6和OPC通讯模块7，OPC通讯模块7与DCS控制系统相连接，物相推算模块3、前馈计算模块4和反馈计算模块5均与OPC通讯模块7数据传输，物相推算模块3、前馈计算模块4和反馈计算模块5均与数据库管理模块6数据传输。
进一步的，物相推算模块3用于推算铜精矿、渣精矿、烟尘等物料的合理物相组成，为熔炼单元的热平衡计算做准备，物相推算模块3基于最小自由能原理，构建铜精矿(硫化矿)物相推算模型，并且采用优先生成法构建渣精矿、烟尘物相推算模型，提高了热效应计算精度。
进一步的，前馈计算模块4是根据给定参数、指标，如入炉物料成份、精矿投入量、冰铜品位、铁硅比及冰铜温度的目标值等，计算反应所需的风氧量、熔剂量、辅助燃料量等工艺参数，前馈计算模块4共涉及17个元素(Cu、S、Fe、Ni、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Si、Ca、Mg、Al、O、N、C、H)的冶金行为及控制指标，构建了69元闪速熔炼过程数学模型，提高了数模计算与实际过程的吻合程度，前馈计算模块4内部设置有熔炼数模方程和质量守恒方程，熔炼数模方程由元素分配方程、能量守恒方程和自定义方程组成。
进一步的，熔炼数模的投入物有7个：混合矿、石英砂、烟灰、空气、氧气、重油、天燃气；实际生产中，重油和天燃气为二选1，这里两者并存，是为了提高数模对辅助燃料种类的适用性；各投入物的数量均设为x，其组成含量均为已知；熔炼数模的产物有4个：冰铜、炉渣、烟气与烟尘。各产物数量及组成含量均为x；数模设定：冰铜含Cu2S、FeS等共10个组分；炉渣含SiO2、FeO等共14个组分；烟气含SO2、N2、O2等共14个组分；并假定烟尘是由部分飞溅的冰铜与炉渣形成，即烟尘含有冰铜和炉渣的所有组分，共20个；
由上可知，熔炼数模共有投入变量7个，产物变量62个，总变量数为69个；所以，熔炼数学模型是一个69元数学方程组，基于质量守恒方程，与熔炼数模方程联立，通过牛顿迭代求解，即可求得自定义约束中指定的热平衡调整量(与某个或某几个)的正确解。
进一步的，反馈计算模块5用于计算各调节参数(风量、氧量、熔剂量、辅助燃料量)的修正值，反馈计算模块5采用目标参数多因素互耦反馈修正算法，提高了反馈修正效果，减小了由人为给定修正值造成的波动性与随意性，提高了反馈修正效果，规范了反馈修正操作。
表1紫金FF数模前馈计算精度(铜品位偏差)
Figure BDA0002511063190000041
表2紫金FF数模前馈计算精度(冰铜温度偏差)
Figure BDA0002511063190000042
表3紫金FF数模前馈计算精度(铁硅比偏差)
Figure BDA0002511063190000051
表4紫金FF数模反馈控制效果
Figure BDA0002511063190000052
从表1～表3数据可知，当配料发生变更时，紫金FF数模前馈计算控制直接达到精度要求的案例约占30％(冰铜品位允许误差±0.05％、冰铜温度±10℃、炉渣铁硅比±0.03)，即无需反馈调整一次命中率约30％，其余约70％的案例需通过反馈修正来保证三大目标参数的精度要求；从表4数据可知，紫金FF数模反馈效果良好，在前馈计算控制偏差超界时，仅需1～2次反馈修正就可保证三大目标参数满足精度要求。
本发明通过改进提供一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其工作原理如下；
第一：物相推算模块3基于最小自由能原理，构建铜精矿(硫化矿)物相推算模型；采用优先生成法构建渣精矿、烟尘物相推算模型；提高了热效应计算精度。
第二：前馈计算模块4构建更为全面精细，共涉及17个元素(Cu、S、Fe、Ni、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Si、Ca、Mg、Al、O、N、C、H)的冶金行为及控制指标等；熔炼数模的投入物有7个：混合矿、石英砂、烟灰、空气、氧气、重油、天燃气；实际生产中，重油和天燃气为二选1，这里两者并存，是为了提高数模对辅助燃料种类的适用性；各投入物的数量均设为x，其组成含量均为已知；熔炼数模的产物有4个：冰铜、炉渣、烟气与烟尘。各产物数量及组成含量均为x；数模设定：冰铜含Cu2S、FeS等共10个组分；炉渣含SiO2、FeO等共14个组分；烟气含SO2、N2、O2等共14个组分；并假定烟尘是由部分飞溅的冰铜与炉渣形成，即烟尘含有冰铜和炉渣的所有组分，共20个；熔炼数模共有投入变量7个，产物变量62个，总变量数为69个；所以，熔炼数学模型是一个69元数学方程组，基于质量守恒方程，与熔炼数模方程联立，通过牛顿迭代求解，即可求得自定义约束中指定的热平衡调整量(与某个或某几个)的正确解，提高了数模计算与实际过程的吻合程度。
第三：反馈计算模块5的反馈修正采用目标参数多因素互耦反馈修正算法，提高了反馈修正效果，减小了由人为给定修正值造成的波动性与随意性，提高了反馈修正效果，规范了反馈修正操作。
第四：实现了DCS组态界面与数模界面双向控制，操作方便灵活。
第五：数模构建采用面向冶金工程师的METCAL语法体系，数模结构描述简单明了，可读性强，自行升级更新极为便利。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，并且本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，包括闪速炉(1)，其特征在于：所述闪速炉(1)通过DCS控制系统与紫金FF数模(2)相连接，所述紫金FF数模(2)包括物相推算模块(3)、前馈计算模块(4)、反馈计算模块(5)、数据库管理模块(6)和OPC通讯模块(7)，所述OPC通讯模块(7)与DCS控制系统相连接，所述物相推算模块(3)、前馈计算模块(4)和反馈计算模块(5)均与OPC通讯模块(7)数据传输，所述物相推算模块(3)、前馈计算模块(4)和反馈计算模块(5)均与数据库管理模块(6)数据传输。
2.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述物相推算模块(3)用于推算铜精矿、渣精矿、烟尘等物料的合理物相组成。
3.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述物相推算模块(3)基于最小自由能原理，构建铜精矿(硫化矿)物相推算模型，并且采用优先生成法构建渣精矿、烟尘物相推算模型。
4.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述前馈计算模块(4)用于计算反应所需的风氧量、熔剂量、辅助燃料量等工艺参数。
5.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述前馈计算模块(4)共涉及17个元素(Cu、S、Fe、Ni、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Si、Ca、Mg、Al、O、N、C、H)的冶金行为及控制指标，构建了69元闪速熔炼过程数学模型。
6.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述前馈计算模块(4)内部设置有熔炼数模方程和质量守恒方程，所述熔炼数模方程由元素分配方程、能量守恒方程和自定义方程组成。
7.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述反馈计算模块(5)用于计算各调节参数(风量、氧量、熔剂量、辅助燃料量)的修正值。
8.根据权利要求1所述一种紫金闪速炉数模控制系统构建与应用，其特征在于：所述反馈计算模块(5)采用目标参数多因素互耦反馈修正算法。
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