KR102487540B1 - Matte grade optimization control system in cupper smelting process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%) 최적제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체류시간이 긴 구리 제련공장의 특성을 고려하여 종래의 제어 방식인 운전자가 매트 구리성분비(Cu%) 실험치를 보고 제어하는 피드백(feed-back) 방식 대신에 매트 구리성분비(Cu%)를 예측하여 제어하는 피드포워드(Feed-forward) 방식을 적용하여 매트 구리성분비(Cu%)의 편차를 줄이도록 산소 공급량을 결정하여 제공하는 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an optimal control system for the copper component ratio (Cu%) of a copper smelting plant. ) To reduce the deviation of the mat copper component ratio (Cu%) by applying the feed-forward method that predicts and controls the mat copper component ratio (Cu%) instead of the feedback method that controls the experimental value. It relates to a system that determines and provides oxygen supply.
일반적으로 구리 제련공장은 동광석에서 구리를 회수하는 공장이다.In general, a copper smelting plant is a plant that recovers copper from copper ore.
구리 제련공장에서, 구리, 철, 알루미나, 실리카 등의 황화합물로 구성된 동광석을 공기(또는 산소)와 함께 용융로(Smeling Furnace)에 투입하면 동광석에 포함된 황이 연소하여 구리 매트(Cu Matte, 이하 매트로 칭함)와 슬래그(Slag)를 생성하고, 황 성분은 연소하여 아황산가스로 전환한다. In a copper smelting plant, when copper ore composed of sulfur compounds such as copper, iron, alumina, and silica is put into a melting furnace along with air (or oxygen), the sulfur contained in the copper ore is burned to form a copper mat (Cu Matte, hereinafter referred to as Cu Matte). referred to as mat) and slag, and the sulfur component is burned and converted into sulfurous acid gas.
고온 상태에서 매트와 슬래그는 액체 상태로 각각 분리되어 두 개 층을 형성하는데, 동광석에 포함된 구리는 대부분 매트에 존재하지만 1% 정도가 슬래그에 포함된다. At high temperatures, the mat and slag are separated in a liquid state to form two layers. Most of the copper contained in the copper ore is present in the mat, but about 1% is included in the slag.
매트에 포함된 구리는 후속 공장에서 정제되어 순수 구리 제품으로 생산되지만, 슬래그에 포함된 구리는 별도의 가치를 인정받지 못하고 슬래그와 함께 싼값에 판매되거나 폐기된다. The copper contained in the mat is refined in a subsequent plant and produced as a pure copper product, but the copper contained in the slag is not recognized for its separate value and is sold at a low price or discarded together with the slag.
따라서 슬래그에 포함된 구리의 함량을 최소로 하는 것이 구리 제련공장의 가장 중요한 운전목표 중 하나이다. Therefore, minimizing the copper content in slag is one of the most important operating goals of copper smelting plants.
매트와 슬래그는 물리적인 평형관계를 이루는데 매트의 구리 성분비(이하 매트 구리성분비(Cu%)로 표현)가 70%를 상회하면 슬래그의 구리성분비(Cu%)가 급격하게 증가한다. Mat and slag form a physical equilibrium relationship, and when the copper component ratio of the mat (hereinafter expressed as the mat copper component ratio (Cu%)) exceeds 70%, the copper component ratio (Cu%) of the slag increases rapidly.
따라서 매트 구리성분비(Cu%)를 70%보다 낮게 유지해야 슬래그로 폐기되는 구리 손실을 줄일 수 있지만 무작정 낮추어 운전할 수는 없는데, 그 이유는 매트 구리성분비(Cu%)가 낮을수록 석탄이나 석회 등의 사용량이 많아져 운전비용이 증가하기 때문이다. Therefore, it is necessary to keep the copper content ratio (Cu%) lower than 70% to reduce the loss of copper discarded as slag, but it is impossible to operate with a lowered level. The reason is that the lower the copper content ratio (Cu%), the more This is because the operating cost increases as the usage increases.
따라서 구리성분비(Cu%)를 안정적으로 운전하여 편차를 줄이는 방법이 필요하며, 편차가 줄어들면 슬래그를 통해 폐기되는 구리 손실을 줄일 수 있고, 뿐만 아니라 운전목표를 높게 설정할 수 있어서 석탄이나 석회 등의 사용량을 절감할 수 있다. Therefore, a method to reduce the deviation by stably operating the copper component ratio (Cu%) is needed, and if the deviation is reduced, the loss of copper discarded through slag can be reduced. consumption can be reduced.
그러나 매트와 슬래그는 비중차를 이용하여 분리되기 때문에 5 ~ 8 시간의 체류시간을 갖도록 설비의 체적을 크게 제작한다. However, since the mat and slag are separated using the difference in specific gravity, the volume of the equipment is manufactured to be large to have a residence time of 5 to 8 hours.
설비의 체적이 클수록 제어하기 어렵다는 것은 잘 알려진 사실로 구리 제련공장과 같이 체류시간 5 ~ 8 시간을 갖는 연속공장은 좀처럼 보기 힘든 경우로 매트 구리성분비(Cu%)의 편차를 줄이는 것은 어려운 문제이다. It is a well-known fact that the larger the volume of the facility, the more difficult it is to control. It is rare to see a continuous plant with a residence time of 5 to 8 hours, such as a copper smelting plant, and reducing the variation in the copper component ratio (Cu%) of the mat is a difficult problem.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제를 개선하기 위한 것으로, 구리 제련공장에서 폐기되는 슬래그의 구리 함량을 줄여서 구리 손실을 줄이고, 매트 구리성분비(Cu%)의 평균을 높여서 석탄이나 석회 등의 운전비용을 절감하는 기술을 제공하기 위한 것으로, The technical problem to be achieved by the present invention is to improve the conventional problems, reduce the copper loss by reducing the copper content of the slag discarded from the copper smelting plant, and increase the average of the copper component ratio (Cu%) of the mat to reduce coal, lime, etc. It is intended to provide technology that reduces operating costs,
이를 위해서는 용융로의 매트 구리성분비(Cu%) 편차를 줄여야 하지만, 구리 제련공장은 체류시간이 길기 때문에 종래의 제어 방식인 운전자가 실험치를 보고 제어하는 피드백(feed-back) 방식으로는 한계가 있어서, To this end, it is necessary to reduce the deviation of the copper component ratio (Cu%) of the melting furnace, but since the residence time of the copper smelting plant is long, the conventional control method, the feedback method in which the operator sees and controls the experimental value, has limitations,
동광석 재료(원재료)의 산화반응과 긴 체류시간에 따른 동특성을 이론적으로 해석하여 구리성분비(Cu%)의 변화를 예측할 수 있고, 이를 통해 미래의 매트 구리성분비(Cu%)를 예측하여 제어하는, 즉 피드포워드(Feed-forward) 제어를 통해 매트 구리성분비(Cu%)의 편차를 줄일 수 있는 시스템을 제공하는 것이다. The oxidation reaction of the copper ore material (raw material) and the dynamic characteristics according to the long residence time can be theoretically analyzed to predict the change in the copper component ratio (Cu%), and through this, the future mat copper component ratio (Cu%) can be predicted and controlled. , That is, to provide a system capable of reducing the deviation of the mat copper component ratio (Cu%) through feed-forward control.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%)를 예측하는 이론적인 모델 식에 피드포워드 제어 기술을 적용하여 산소 공급량을 결정하는, 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%) 최적제어 시스템으로서,In order to solve this problem, the present invention determines the amount of oxygen supply by applying a feedforward control technology to a theoretical model formula that predicts the mat copper component ratio (Cu%) of a copper smelting plant. %) As an optimal control system,
구리 제련공장의 데이터 저장장치(1)로부터 데이터를 제공 받는 수신부(10); A receiving
상기 수신부(10)에서 수신한 데이터의 잡음을 제거하는 전처리 모듈(20); a
매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 원재료의 S 성분비를 보정하는 원료보정 모듈(30); A raw
원재료가 연소하여 매트, 슬래그, 아황산가스가 생성되는 현상을 설명하는 산화반응 모듈(40);
단위 시간 동안 생성된 매트가 용융로 용탕의 매트와 혼합하고 생성량만큼 용융로에서 출탕하는 현상을 설명하는 물질수지 모듈(50); a
매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 최대한 근접하도록 산소 공급량을 결정하는 산소 공급 최적화 모듈(60); An oxygen
상기 결과를 송신하는 송신부(70); Transmitting
상기 결과를 출력하는 단말기(80)를 포함한다.and a
상기의 원료보정 모듈(30)은 매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 일종의 원료식별(Feed Identification) 방법을 적용하여, 수신부(10)에서 제공받은 원재료의 성분 Cu, Fe, S 중에서 매트 구리성분비(Cu%)에 대해 민감도(Sensitivity)가 가장 큰 S의 성분비를 보정하는 것을 특징으로 한다. The raw
상기의 산화반응 모듈(40)은 원재료에 포함된 구리, 철, 알루미나, 실리카 등의 황화합물이 용융로에서 공기(또는 산소)와 반응하는 화학양론식을 이용하여, 매트 생성량과 구리성분비(Cu%)를 계산하는 것을 특징으로 한다.The
상기의 물질수지 모듈(50)은 상기의 산화반응 모듈(40)에서 생성된 매트가 용융로에 차 있는 매트와 섞이고 부피를 초과하는 양만큼 출탕하는 동적인 현상을 1차미분방정식으로 표현하고, 이를 수치해석적인 방법으로 풀어서 용융로에서 출탕하는 매트의 구리성분비(Cu%)를 계산하는 것을 특징으로 한다. The
상기의 산소 공급 최적화 모듈(60)은 매트 구리성분비(Cu%) 예측치가 될 수 있으면 운전목표에 근접하도록 매트 구리성분비(Cu%) 예측치와 운전목표의 차이가 최소가 되도록 최적화 문제를 구성하고 비선형 최적화 기법을 이용하여 산소 공급량을 구하는 피드포워드 제어 기술을 적용하여 매트 구리성분비(Cu%)의 편차를 줄이도록 하는 것을 특징으로 한다. The oxygen
본 발명에 의하면, 구리 제련공장의 컴퓨터 네트워크에 설치된 데이터 저장장치로부터 데이터를 제공받고, 수신한 데이터의 잡음을 제거하고, S 성분비를 보정한 원재료의 데이터를 기준으로 산화반응식을 이용하여 매트 생성량과 구리성분비(Cu%)를 계산하는 모델 식과 생성된 매트가 용융로에서 혼합 및 출탕하는 동적인 현상을 물질수지로 계산하는 모델 식을 이용하여, 모델 예측의 피드포워드 제어 기술을 통해 산소 공급량을 결정하여 송신부를 거쳐 단말기로 출력하여 운전자가 가이드에 따라 산소 공급량을 조절하여 용융로에서 생산하는 매트 구리성분비(Cu%) 편차를 줄임으로써 다음의 효과를 기대할 수 있다.According to the present invention, data is received from a data storage device installed in a computer network of a copper smelting plant, noise of the received data is removed, and the mat generation amount and mat generation amount and Using a model formula that calculates the copper component ratio (Cu%) and a model formula that calculates the dynamic phenomenon of mixing and tapping the generated mat in a melting furnace as a material balance, oxygen supply is determined through the feedforward control technology of model prediction. The following effects can be expected by reducing the deviation of the copper component ratio (Cu%) of the mat produced in the melting furnace by outputting it to the terminal through the transmitter and adjusting the oxygen supply amount according to the guide.
첫째, 폐기하는 슬래그의 구리 함량을 줄여서 구리 손실을 줄일 수 있다.First, copper loss can be reduced by reducing the copper content of the discarded slag.
둘째, 매트 구리성분비(Cu%)의 운전목표를 높게 설정하여 석탄이나, 석회와 같은 유틸리티 사용량을 줄여서 운전비용을 절감할 수 있다. Second, it is possible to reduce operating costs by reducing utility usage such as coal and lime by setting a high operating target for the copper component ratio (Cu%) of the mat.
셋째, 공장을 안정적으로 운전하여 로의 브릭 손상을 억제하여, 공장의 비계획 운전정지를 방지할 수 있다. Third, it is possible to stably operate the factory to suppress damage to bricks of the furnace, thereby preventing unplanned shutdown of the factory.
도 1은 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%) 최적제어 시스템의 구성도이다.
도 2는 원재료에 포함된 구리, 철, 알루미나, 실리카 등의 황화합물이 용융로에서 공기(또는 산소)와 반응하여 매트, 슬래그, 아황산가스가 생성되는 현상을 설명하는 개념도이다.
도 3는 매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 원료식별(Feed Identification) 방법을 적용하는 예시도로, 원재료의 성분 중에서 매트 구리성분비(Cu%)에 대해 민감도(Sensitivity)가 가장 큰 S의 성분비를 보정하는 개념을 설명하는 그림이다.
도 4는 용융로에서 생산하는 매트 구리성분비(Cu%) 예측치와 운전목표의 차이가 최소가 되도록 비선형 최적화 기법을 이용하여 최적의 산소 공급량을 결정하는 피드포워드 기술을 설명하는 개념도이다.1 is a block diagram of a system for optimal control of copper composition ratio (Cu%) in a copper smelting plant.
2 is a conceptual diagram illustrating a phenomenon in which a sulfur compound such as copper, iron, alumina, or silica contained in raw materials reacts with air (or oxygen) in a melting furnace to generate mat, slag, or sulfurous acid gas.
Figure 3 is an exemplary view of applying the feed identification method to improve the accuracy of mat copper component ratio (Cu%) prediction, S having the highest sensitivity to the mat copper component ratio (Cu%) among the components of the raw material It is a figure explaining the concept of correcting the component ratio of
4 is a conceptual diagram illustrating a feedforward technology for determining an optimal oxygen supply amount using a nonlinear optimization technique so that the difference between the predicted copper component ratio (Cu%) of the mat produced in the melting furnace and the operation target is minimized.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the examples described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
도 1은 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%) 최적제어 시스템의 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 1 is a block diagram of a system for optimal control of copper component ratio (Cu%) in a copper smelting plant, as shown therein.
구리제련 공장의 데이터 저장장치(1)로부터 데이터를 제공 받는 수신부(10); A receiving
상기 수신부에서 수신한 데이터의 잡음을 제거하는 전처리 모듈(20); a
매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 원재료의 S 성분비를 보정하는 원료보정 모듈(30); A raw
원재료가 연소하여 매트, 슬래그, 아황산가스가 생성되는 현상을 설명하는 산화반응 모듈(40);
단위 시간 동안 생성된 매트가 용융로 용탕의 매트와 혼합하고 생성량만큼 용융로에서 출탕하는 현상을 설명하는 물질수지 모듈(50); a
매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 최대한 근접하도록 산소 공급량을 결정하는 산소 공급 최적화 모듈(60); An oxygen
상기 결과를 송신하는 송신부(70); Transmitting
상기 결과를 출력하는 단말기(80)를 포함한다.and a
도 2는 원재료에 포함된 황이 연소하여 매트, 슬래그, 기체로 분리되는 현상을 설명하는 그림으로 매트와 슬래그는 두 개의 액체 층을 형성하고, 황이 연소하여 생긴 SO2(아황산가스)는 N2(질소)와 CO2(이산화탄소) 등과 함께 기체를 형성한다. Figure 2 is a picture explaining a phenomenon in which sulfur contained in raw materials is burned and separated into mat, slag, and gas. and CO2 (carbon dioxide) together to form a gas.
비중이 더 큰 매트는 아래층에 위치하며, 위층에 위치한 슬래그보다 점도가 더 크고, 용융로에 머무를 체적이 커서 슬래그보다 체류시간이 더 길다. Mats with higher specific gravity are located on the lower layer, have higher viscosity than slag located on the upper layer, and have a larger volume to stay in the melting furnace, so they have a longer residence time than slag.
SO2 가스는 다음 공장에서 황산으로 전환된다. SO2 gas is converted to sulfuric acid in the next plant.
투입한 원재료와 산소(또는 공기)는 산화반응에 의해 매트, 슬래그, 가스를 구성할 분자가 생성된다. The input raw materials and oxygen (or air) are oxidized to create molecules that make up mat, slag, and gas.
원재료인 CuFeS2가 O2(산소)와 반응하여 CU2S, FeS, SO2가 생성되고, 잉여 산소는 FeS와 반응하여 FeO와 SO2를 생성한다. CuFeS2, the raw material, reacts with O2 (oxygen) to produce CUS2S, FeS, and SO2, and excess oxygen reacts with FeS to produce FeO and SO2.
전자의 산화반응을 화학양론식으로 표현하면 수학식 1과 같고, 후자의 산화반응을 화학양론식으로 표현하면 수학식 2와 같다. When the former oxidation reaction is expressed in a stoichiometric formula, it is equal to
여기서 Cu2S와 FeS는 매트를 생성하며, FeO는 실리카, 알루미늄의 황화합물과 함께 슬래그를 생성한다. 원재료에는 수학식 1과 수학식 2에 포함되지 않은 다양한 성분들이 존재하고, 산화반응에 의해 여러 형태의 분자가 생성되지만, 매트 구리성분비(Cu%)를 예측하는 데는 수학식 1과 수학식 2로 충분하기 때문에 이 외의 성분과 반응은 포함하지 않는다. Here, Cu2S and FeS form mat, and FeO forms slag with silica and aluminum sulfur compounds. Various components not included in
원재료의 성분비는 실험에 의해서 사전에 분석되어 알고 있으므로, 수학식 1과 수학식 2를 이용하면 주어진 산소 공급량에 대해 매트, 슬래그, SO2의 생성량과 매트와 슬래그의 성분비를 예측할 수 있다. Since the component ratio of the raw material is analyzed and known in advance by the experiment, using
본 발명의 대상인 매트는 Cu, Fe, S로 구성되며, Cu2S와 FeS의 분자로 존재한다. The mat, which is the object of the present invention, is composed of Cu, Fe, and S, and exists as molecules of Cu2S and FeS.
Cu2S는 수학식 1로 계산되며, FeS는 수학식 1에서 생성한 양에서 수학식 2에서 FeO와 SO2로 전환되고 남는 양으로 계산된다. Cu2S is calculated by
FeO는 슬래그로 이동하고, SO2는 기체로 질소 등 공기에 포함된 다른 기체와 함께 황산공장으로 이송된다. 남아 있는 Cu2S와 FeS를 기준으로 매트 양과 성분을 계산한다. 보통 매트 생성량은 시간당 톤(ton/hr)으로, 성분비는 백분율(%)로 표시한다.FeO moves as slag, and SO2 is transported as a gas to the sulfuric acid plant together with other gases in the air such as nitrogen. Calculate the amount and composition of the mat based on the remaining Cu2S and FeS. Usually, the amount of mat production is expressed in tons per hour (ton/hr), and the component ratio is expressed in percentage (%).
물질수지 모듈에서는 상기의 산화반응 모듈에서 생성된 매트가 용융로에 차 있는 매트에 섞이고 부피를 초과하는 양만큼 출탕하는 동적인 현상을 설명하며, 용융로에 차 있는 매트에 새로 생성되는 매트가 섞여서 매트 구리성분비(Cu%)가 되는 개념을 1차미분방정식으로 표현하고, 이를 풀어서 용융로 매트의 Cu 성분비를 계산한다. 출탕하는 매트의 양은 상기의 산화반응에서 생성된 매트 양과 같다. 용융로 매트의 Cu 성분비의 변화를 수식으로 표현하면 수학식 3과 같다.The material balance module explains the dynamic phenomenon in which the mat generated in the oxidation reaction module is mixed with the mat filled in the melting furnace and tapped in an amount exceeding the volume, and the newly created mat is mixed with the mat filled in the melting furnace to make the mat copper. The concept of component ratio (Cu%) is expressed as a first-order differential equation, and the Cu component ratio of the melting furnace mat is calculated by solving it. The amount of mat to be tapped is the same as the amount of mat produced in the above oxidation reaction. The change in the Cu component ratio of the melting furnace mat is expressed as Equation 3.
여기서, M은 용융로에 차 있는 매트의 양을 말하며, X는 용융로 매트의 Cu 농도를, m은 단위 시간 동안 생성된 매트를, x는 단위 시간 동안 생성되는 매트 중의 Cu 농도를 말한다. 이 때 용융로에서 생성되는 매트 m 중의 Cu 양은 단위 시간 동안 생성되는 매트 중의 Cu 농도 x를 곱하여 m x로 구하고, 출탕하는 매트 m 중의 Cu 양은 m X 이므로 그 차이 m x - m X 만큼 매트 중의 Cu가 변한다. 따라서 용융로의 Cu 양의 잔류량의 변화를 M dX/dt = m x - m X로 표현할 수 있다. 여기서 용융로에 차 있는 매트의 양 M은 실제 크기를 측정할 수 없으므로 설계사가 제공하는 용융로의 크기와 매트 부피 분율%의 설계 데이터로 추정하고, X는 1시간에 1회 매트의 시료를 채취하여 XRF 분석기(X선형광분석기)로 측정한다. 본 발명에서 m은 1분마다 생성된 매트 양으로 정의하고, 원료 공급량에 대해 수학식 1과 수학식 2의 산화반응식으로 계산한다. 그런데 m과 x가 상수가 아니고 시간에 따라서 변하므로 수학식 3의 해를 해석적으로 구하기 어려워 수치해석적 방법으로 구한다. 본 발명에서는 수학식 3의 초기값 문제의 해를 구하는 수치해석 방법에 대해서는 별도로 명시하지 않으며, 단 해를 근사하다면 어떠한 방법을 적용하여도 본 발명의 적용이 가능하다. Here, M refers to the amount of mat in the melting furnace, X is the Cu concentration of the melting furnace mat, m is the mat produced per unit time, and x is the Cu concentration in the mat produced per unit time. At this time, the amount of Cu in the mat m produced in the melting furnace is obtained as m x by multiplying the Cu concentration x in the mat produced for a unit time, and the amount of Cu in the mat m tapped is m X, so the difference m x - m X Cu in the mat changes. Therefore, the change in the residual amount of Cu in the melting furnace can be expressed as M dX/dt = m x - m X. Here, since the actual size cannot be measured for the amount M of the mat filled in the melting furnace, it is estimated with the design data of the size of the melting furnace and the volume fraction of the mat provided by the designer, and X is XRF by taking a sample of the mat once an hour. Measure with an analyzer (X-ray fluorescence analyzer). In the present invention, m is defined as the amount of mat produced per minute, and is calculated by the oxidation reaction formulas of
도 3은 매트 구리성분비(Cu%) 실험치를 이용하여 예측치의 오차를 보정하는 원리를 설명하는 그림으로 수학식 1부터 수학식 3으로 예측한 매트 구리성분비(Cu%)가 실험치에 근접하도록 원재료의 S 성분비를 보정하는 것을 설명하는 개념도이다. 3 is a picture explaining the principle of correcting the error of the predicted value using the mat copper component ratio (Cu%) experimental value, and the mat copper component ratio (Cu%) predicted by
참고로 제품의 품질 예측치는 다양한 원인에 의한 오차를 포함하는데, 오차를 보정하는 과정이 필요하며, 대개 실험치를 이용한다. 보통 품질 실험은 공장의 특성에 따른 시간주기로 정기적으로 실시하는데, 구리제련 공장은 보통 1시간 주기로 실시한다. 오차 보정에 가장 흔히 사용하는 방법으로 실험치와 예측치의 차이의 일부 또는 전부를 예측치에 가감하는 편차갱신(Bias Update) 방법이 있지만, 본 발명에서는 원재료의 황 성분비를 조정하여 오차를 보정하는 일종의 원료식별(Feed Identification) 방법을 사용한다. 실제 공장에서도 동일 광석 조합의 원재료가 공급되더라도 성분비가 항상 일정하지는 않기 때문에 본 발명에서 사용하는 원재료의 성분비 조정의 타당성을 확보할 수 있다. For reference, the predicted quality of a product includes errors caused by various causes, and a process of correcting the errors is required, and experimental values are usually used. Usually, quality tests are conducted regularly at a time period according to the characteristics of the factory, but copper smelting plants are usually conducted at an hourly period. The most commonly used method for error correction is a bias update method in which some or all of the difference between the experimental value and the predicted value is added to or subtracted from the predicted value, but in the present invention, a kind of raw material identification (Feed Identification) method is used. Even if raw materials of the same ore combination are supplied in an actual factory, since the component ratio is not always constant, it is possible to secure the validity of adjusting the component ratio of the raw materials used in the present invention.
예측치의 오차 보정에 사용할 성분으로 원재료의 Cu, Fe, S 중에서 어느 것을 선택해도 크게 다르지 않지만 S를 조정 성분으로 선택하는데, 그 이유는 S의 변화가 매트 구리성분비(Cu%)에 미치는 민감도(Sensitivity)가 Cu나 Fe보다 2.5에서 3.5배 커서 원래의 성분비의 변화를 작게 유지하면서 원료식별법을 적용할 수 있기 때문이다. There is not much difference between Cu, Fe, and S in the raw material as the component to be used for error correction of the predicted value, but S is selected as the adjustment component. The reason for this is the sensitivity ) is 2.5 to 3.5 times larger than Cu or Fe, so the raw material identification method can be applied while keeping the change in the original composition ratio small.
도 4는 매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 근접하도록 산소 공급량을 결정하는 최적화의 개념도로 사전에 설정한 시간(예 8시간) 동안 매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 근접하도록 현재 시점부터 사전에 설정한 시간 동안 일정한 시간 간격(예 1시간)으로 산소 공급량을 결정하는 최적화를 설명하며, 피드포워드 제어 기법을 구현한다. 본 예시에서는 1시간에 1차례 산소 공급량을 조절하여 사전에 설정한 시간(예 8시간) 동안의 매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 근접하도록 최적화를 실시한다. Figure 4 is a conceptual diagram of optimization for determining the oxygen supply amount to bring the mat copper component ratio (Cu%) closer to the operating target. Optimization of determining the oxygen supply amount at regular time intervals (eg, 1 hour) for a pre-set time from the starting point is described, and a feedforward control technique is implemented. In this example, the oxygen supply amount is adjusted once per hour to optimize the copper component ratio (Cu%) of the mat for a pre-set time (e.g., 8 hours) to approach the operating target.
용융로에서의 매트의 시간상수(Time Constant)는 대개 5 ~ 8시간이므로 현재의 매트 구리성분비(Cu%)는 최소한 과거 5 ~ 8 시간 동안 공급한 산소량에 의해 결정된다. 이 원리를 역으로 표현하면, 현재 시점에서 공급한 산소량은 최소한 앞으로 5 ~ 8시간 동안 매트 구리성분비(Cu%)에 영향을 미친다. Since the time constant of the mat in the melting furnace is usually 5 to 8 hours, the current mat copper component ratio (Cu%) is determined at least by the amount of oxygen supplied for the past 5 to 8 hours. Expressing this principle inversely, the amount of oxygen supplied at the present time affects the copper composition ratio (Cu%) of the mat for at least the next 5 to 8 hours.
따라서 매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 근접시키려면, 현재 시점의 정보만을 이용하여 산소 공급량을 결정하는 방식으로는 불가능하며, 최소한 앞으로 5 ~ 8시간 동안 매트 구리성분비(Cu%)를 예측하고, 동 기간 동안 운전목표와의 차이가 최소가 되도록 현재 시점을 포함하여 미래의 산소 공급량을 결정하는 피드포워드 제어를 실시한다.Therefore, in order to bring the mat copper composition ratio (Cu%) closer to the operating target, it is impossible to determine the oxygen supply amount using only the current information, and to predict the mat copper composition ratio (Cu%) for at least the next 5 to 8 hours. and, during the same period, feed-forward control is performed to determine the amount of oxygen supply in the future, including the current time, so that the difference from the operating target is minimized.
본 발명에서는 도 3과 같이 매트 구리성분비(Cu%) 오차 보정을 위해 보정한 원재료의 성분비를 미래의 원재료 성분비를 기준으로, 도 2와 같이 산화반응식과 물질수지식을 적용하여 미래의 시간 범위에서의 매트 구리성분비(Cu%)를 예측하고, 도 4와 같이 매트 구리성분비(Cu%) 예측치가 운전목표에 전체적으로 근접하도록 현재 시점을 포함하여 미래의 주어진 시간 범위에서의 산소 공급량을 최적화한다. In the present invention, as shown in FIG. 3, the component ratio of the raw material corrected for the error correction of the mat copper component ratio (Cu%) is based on the future raw material component ratio, and the oxidation reaction equation and the mass balance equation are applied as shown in FIG. The mat copper component ratio (Cu%) of is predicted, and as shown in FIG. 4, the oxygen supply amount is optimized in a given time range in the future, including the present time, so that the predicted mat copper component ratio (Cu%) approaches the operating target as a whole.
최적화의 목적함수는 미래의 시간 범위에서의 매트 구리성분비(Cu%) 예측치와 운전목표의 차이의 합이며, 최적화 변수는 현재 시점과 미래의 시간 범위에서 주어진 시간 간격의 산소 공급량이고, 최적화의 등식제약조건은 미래의 시간 범위에서의 매트 구리성분비(Cu%) 예측 식이며, 최적화의 부등식제약조건은 산소 공급량의 최대 변화량으로 주어진 값이다. 본 최적화 문제는 비선형최적화 형태를 띠므로 이에 적합한 기법을 적용하여 해를 구한다. The objective function of optimization is the sum of the differences between the predicted copper component ratio (Cu%) of the mat and the operating target in the future time range, the optimization variable is the oxygen supply amount at a given time interval between the current time and the future time range, and the optimization equation The constraint is a mat copper component ratio (Cu%) prediction formula in the future time range, and the inequality constraint of optimization is a value given as the maximum change in oxygen supply. Since this optimization problem is in the form of non-linear optimization, a suitable technique is applied to obtain a solution.
본 발명에서는 별도의 최적화 기법을 명시하지 않으며, SQP(Successive Quadratic Programming)이나 GRG2(Generalized Reduced Gradient2) 등이 가능하다.In the present invention, a separate optimization technique is not specified, and SQP (Successive Quadratic Programming) or GRG2 (Generalized Reduced Gradient 2) is possible.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다. The embodiments of the present invention described above are not implemented only through devices and methods, and may be implemented through a program that realizes functions corresponding to the configuration of the embodiments of the present invention or a recording medium on which the program is recorded. Implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs based on the description of the above-described embodiment.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also included in the scope of the present invention. that fall within the scope of the right.
Claims (6)
상기 데이터 저장장치(1)로부터 상기 운전 데이터를 제공 받는 수신부(10);
상기 수신부에서 수신한 운전 데이터의 잡음을 제거하는 전처리 모듈(20);
원재료의 S 성분이 매트 Cu%를 결정하므로 매트 Cu% 측정값과 예측값이 같아지도록 원재료의 S 성분비를 보정하는 원료보정 모듈(30);
상기 원료보정 모듈(30)에서 출력되는 원재료가 연소하여 매트, 슬래그, 아황산가스가 생성되는 산화반응 모듈(40);
상기 산화반응모듈(40)에서 단위 시간 동안 생성된 매트가 용융로 용탕의 매트와 혼합하고 생성량만큼 용융로에서 출탕하는 물질수지 모듈(50);
매트 구리성분비(Cu%)를 운전목표에 도달하도록 산소 공급량을 결정하는 산소 공급량 결정 모듈(60);
상기 산소 공급량 결정 모듈(60)에서 결정된 산소 공급량 결과를 외부로 송신하는 송신부(70)를 포함하고,
매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 상기 원재료의 S 성분비를 보정하는 상기 원료보정 모듈은 상기 원재료의 Cu, Fe, S 중에서 매트 구리성분비(Cu%)에 미치는 민감도(Sensitivity)가 가장 큰 S 성분비를 보정하는 방법을 적용하여, 매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성을 향상하는 것을 특징으로 하고,
상기 산화반응 모듈은 원재료에 포함된 구리, 철, 알루미나, 실리카 를 포함한 황화합물이 용융로에서 산소와 산화반응하여 매트 구성 성분인 CU2S와 FeS가 생성되고, FeS와 산소가 반응하여 슬래그 구성 성분인 FeO가 생성되는 화학양론식
2CuFeS2 + O2 = Cu2S + 2FeS + SO2
FeS + O2 = FeO + SO2
을 이용하여, 원재료의 주입량과 성분비, 그리고 산소 공급량이 주어지면 매트의 생성량과 구리성분비(Cu%)를 계산하는 것을 특징으로 하고,
상기 물질수지 모듈은 상기 산화반응 모듈에서 생성된 매트가 용융로에 차 있는 매트와 섞이고 부피를 초과하는 양만큼 출탕하는 현상을
M dX/dt = m (x - X) 의 1차미분방정식으로 표현하고,
(여기서, M은 용융로에 차 있는 매트의 양을 말하며, X는 용융로 매트의 Cu 농도를, m은 단위 시간 동안 생성된 매트를, x는 단위 시간 동안 생성되는 매트 중의 Cu 농도를 말한다. 이때 용융로에서 생성되는 매트 m 중의 Cu 양은 단위 시간 동안 생성되는 매트 중의 Cu 농도 x를 곱하여 m x로 구하고, 출탕하는 매트 m 중의 Cu 양은 m X 이므로 그 차이 m x - m X 만큼 매트 중의 Cu가 변한다. 따라서 용융로의 Cu 양의 잔류량의 변화를 M dX/dt = m x - m X로 표현할 수 있다.)
이를 풀어서 용융로에서 출탕하는 매트 구리성분비(Cu%)를 계산하는 것을 특징으로 하는 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%) 제어 시스템.
In order to reduce the loss of copper by lowering the copper content in the slag discarded from the copper smelting plant by receiving operation data including the composition ratio and supply amount of Cu, Fe, S, which are components of raw materials, from the real-time data storage device installed in the factory computer network. A model-based feed-forward system that analyzes the oxidation reaction of raw materials and a predetermined time delay to predict the future mat copper component ratio (Cu%) in advance to determine the oxygen supply amount,
a receiving unit 10 receiving the driving data from the data storage device 1;
a pre-processing module 20 for removing noise from the driving data received by the receiving unit;
Since the S component of the raw material determines the mat Cu%, the raw material correction module 30 corrects the S component ratio of the raw material so that the measured value and the predicted value of the mat Cu% are the same;
an oxidation reaction module 40 in which the raw material output from the raw material correction module 30 is combusted to generate mat, slag, and sulfurous acid gas;
a material balance module 50 that mixes the mat generated for a unit time in the oxidation reaction module 40 with the mat of the molten metal in the melting furnace and taps out the melting furnace as much as the produced amount;
An oxygen supply amount determination module 60 that determines an oxygen supply amount so that the mat copper component ratio (Cu%) reaches an operating target;
And a transmission unit 70 for transmitting the result of the oxygen supply amount determined by the oxygen supply amount determination module 60 to the outside,
In order to improve the accuracy of mat copper component ratio (Cu%) prediction, the raw material correction module for correcting the S component ratio of the raw material has the highest sensitivity to the mat copper component ratio (Cu%) among Cu, Fe, and S of the raw material. It is characterized by improving the accuracy of predicting the mat copper component ratio (Cu%) by applying a method of correcting the large S component ratio,
In the oxidation reaction module, sulfur compounds including copper, iron, alumina, and silica included in raw materials are oxidized with oxygen in a melting furnace to produce C2S and FeS, which are mat components, and FeS and oxygen react to form FeO, which is a slag component. stoichiometric formula generated
2CuFeS2 + O2 = Cu2S + 2FeS + SO2
FeS + O2 = FeO + SO2
It is characterized in that the amount of mat production and the copper component ratio (Cu%) are calculated given the injection amount and component ratio of the raw material and the oxygen supply amount,
The material balance module prevents a phenomenon in which the mat generated in the oxidation reaction module is mixed with the mat filled in the melting furnace and tapped in an amount exceeding the volume.
Expressed as a first order differential equation of M dX/dt = m (x - X),
(Where M refers to the amount of mat in the melting furnace, X is the Cu concentration of the melting furnace mat, m is the mat produced per unit time, and x is the Cu concentration in the mat produced per unit time. At this time, the melting furnace The amount of Cu in the mat m produced in is obtained as mx by multiplying the concentration x of Cu in the mat produced in unit time, and since the amount of Cu in the mat m to be tapped is m X, the Cu in the mat changes as much as the difference mx - m X. Therefore, the melting furnace The change in the residual amount of Cu can be expressed as M dX/dt = mx - m X.)
A matte copper component ratio (Cu%) control system of a copper smelting plant, characterized in that it calculates the matte copper component ratio (Cu%) that is released and tapped in the melting furnace.
상기 매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 원재료의 S 성분비를 보정하는 원료보정 모듈, 원재료가 연소하여 매트, 슬래그, 아황산가스가 생성되는 산화반응 모듈, 단위 시간 동안 생성된 매트가 용융로 매트와 혼합하고 생성량만큼 용융로에서 출탕하는 물질수지 모듈은 상기의 산화반응 모듈이 연속적으로 실행되어 용융로에서 출탕하는 매트 구리성분비(Cu%)를 계산하는 것을 특징으로 하되,
매트 구리성분비(Cu%) 예측의 정확성 향상을 위해 원재료의 S 성분비를 보정하는 원료보정 모듈을 통해 원재료의 성분비를 보정하고, 이를 원재료가 연소하여 매트, 슬래그, 아황산가스가 생성되는 산화반응 모듈에 입력하여 원재료의 주입량과 성분비, 그리고 매트 생성량과 구리성분비(Cu%)를 계산하고, 이를 단위 시간 동안 생성된 매트가 용융로의 매트와 혼합하고 생성량만큼 용융로에서 출탕하는 매트 구리성분비(Cu%)를 계산하는 것을 특징으로 하는 구리 제련공장의 매트 구리성분비(Cu%) 제어 시스템.
According to claim 1,
A raw material correction module for correcting the S component ratio of the raw material to improve the accuracy of the prediction of the copper component ratio (Cu%) of the mat, an oxidation reaction module for generating mat, slag, and sulfurous acid gas by burning the raw material, and a mat generated during unit time in a melting furnace. The material balance module for mixing with the mat and tapping from the melting furnace as much as the amount produced is characterized in that the oxidation reaction module is continuously executed to calculate the copper component ratio (Cu%) of the mat that is tapped from the melting furnace,
In order to improve the accuracy of mat copper component ratio (Cu%) prediction, the component ratio of the raw material is corrected through a raw material correction module that corrects the S component ratio of the raw material, and the raw material is burned to produce mat, slag, and sulfurous acid gas. input to calculate the injection amount and component ratio of the raw material, the amount of mat production and the copper component ratio (Cu%), and the mat produced during unit time is mixed with the mat of the melting furnace and the copper component ratio (Cu%) of the mat that is tapped from the melting furnace as much as the amount produced Mat copper composition ratio (Cu%) control system of a copper smelting plant, characterized in that for calculating.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2000129367A (en) * | 1998-10-29 | 2000-05-09 | Mitsubishi Materials Corp | Operation of smelting furnace and smelting furnace |
| KR20200118200A (en) * | 2018-03-19 | 2020-10-14 | 제이에프이 스틸 가부시키가이샤 | Molten metal component estimation device, molten metal component estimation method, and molten metal manufacturing method |
| KR102224152B1 (en) * | 2020-02-06 | 2021-03-08 | (주)테크다스 | Air supply guide system for combustion optimization using flue gas virtual sensors |
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- 2021-09-03 KR KR1020210117340A patent/KR102487540B1/en active IP Right Grant
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