PS轉爐造渣過程的動態優化控制

陳展展

（1.大冶有色金屬有限責任公司，湖北 黃石 435005；2.有色金屬冶金與循環利用湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435005）

1 銅锍吹煉過程

PS轉爐造渣的過程一般是指含有鐵、硫等雜質的物質如銅锍在轉爐中經過一系列反應，最終去除雜質，得到較為純凈的銅的一種冶金方法。銅锍（冰銅）吹煉的過程一般都是在臥式PS轉爐中進行的。吹煉過程分為兩個周期，分別是造渣期和造銅期[1]。造渣期一般是使銅锍中的鐵氧化來造渣，一般會向轉爐中加入石英熔劑，并在加入石英熔劑的同時從風口向轉爐內鼓入富氧空氣，為的是使其中含有的硫化亞鐵能夠順利轉化成硅酸鐵爐渣。第二個周期就是造銅期，在這個階段主要是將硫化亞銅氧化成粗銅。在銅锍吹煉的過程中往往會因為其中發生的種種反應而產生大量的熱量，為了維持吹煉過程所需要的溫度，一般會在轉爐中不斷投入冷料來平衡反應所產生的多余熱量[2]。

2 轉爐造渣過程的優化問題

2.1 評價銅锍吹煉過程的好壞的主要經濟指標

一般來說，評價銅锍吹煉過程的好壞的主要經濟指標有五項，分別為空氣利用率、送風時率、轉爐生產率、銅的直接回收率和爐壽與耐火材料單耗。

空氣利用率是指實際參與反應的空氣量與通過鼓風口向轉爐中鼓入的空氣量，空氣利用率不僅和設備的密封制度有關，也與送風制度緊密相連。送風時率是用鼓風吹煉時間除以作業總時間，再乘百分之百后得出的結果，送風時率與作業制度以及車間配置的合理性關系很大。轉爐生產率有三種不同的表示方法，分別是每爐日產粗銅量、每生產出一噸粗銅所需要的時間以及每日每個轉爐所處理的銅锍數量。銅的直接回收率是用每爐所產生的粗銅含銅量除以每爐所加入的爐料的含銅量，再乘百分之百所得到的結果，銅的直接回收率受到渣量、渣含銅量的影響。爐壽與耐火材料單耗是衡量轉爐生產水平的重要方式，爐壽可以是每個轉爐作業的天數，也可以是每個轉爐進行吹煉的次數，轉爐吹煉產生的粗銅量也可以用來表示爐壽。耐火材料單耗則是指生產每噸粗銅所需要消耗的耐火材料。

2.2 轉爐造渣過程的優化

2.2.1 優化問題

轉爐吹煉過程的優化問題一般都是指如何在不對現有設備以工作制度做出改動的情況下，控制或者是改動一些相關的參數來改變吹煉過程，使現有設備與工作制度能夠得到更充分的利用，從而達到優化、改善各個經濟指標的過程。但上述的五個經濟指標是無法或者是很難去檢測的，所以在實際的操作過程中并不以這五個經濟指標為標準，而是以一些與這些經濟指標有著密切關系但卻更容易計算的變量作為優化目標量，例如吹煉過程中的溫度和物料組份等。

2.2.2 造渣期優化控制

吹煉的過程中，造渣期所產出的爐渣質量與造銅期所產出的產品質量密切相關。在除了對造銅期要著重控制外，造渣期更是要格外關注，并對其吹煉過程進行嚴格控制。造渣期主要有兩個優化控制目標。一個是合理控制爐渣的渣型，在控制爐渣的渣型時就需要關注爐渣中硅與鐵的比例，一般來說就是指渣中二氧化硅與氧化鐵的摩爾量之比。不過這個參數往往很難檢測，因此一般選擇控制爐渣中二氧化硅的含量。而二氧化硅的含量與加入轉爐中的石英熔劑密切相關，所以需要對石英熔劑的添加量格外注意。第二個需要優化的控制目標就是吹煉的溫度，需要在造渣期將溫度保持在1200攝氏度左右。

2.2.3 轉爐中熔體影響因素及其優化

轉爐中的熔體也對反應有著不小的影響，所以一些對熔體有影響的因素也是需要優化的控制目標。這些因素主要包括了如何鼓風、如何加入熔劑以及如何加入冷料等。對于如何進行優化，可從以下幾個方面入手：

（1）優化熔劑的加入量：在銅锍的數量和品位一定時，熔劑的加入數量以及投入的速率也是非常重要的。如果在造渣時，石英熔劑的投入量不足，那么硫化亞鐵所分解出的部分氧化亞鐵就無法與二氧化硅反應，就只能繼續氧化成為四氧化三鐵，生成磁鐵渣。但如果在造渣反應時加入了過多的石英熔劑，就會導致爐渣粘度增大，且在表面浮有一層絮狀物即游離態的石英，使氣體無法輕易排出而造成噴爐。所以在投放熔劑時一定要選擇最優的投放量。

（2）優化鼓風量：鼓風量的設定在造渣反應過程中也十分重要。如果在反應中所選擇的鼓風量過大，就會導致頻繁噴濺，使得轉爐的直收率降低。生產一定數量的產品時，鼓風量過大就會導致生產成本較高。此外，由于鼓風不當而噴濺出的物質可能會長期之后在轉爐的煙罩水套堆積、聚集，最終在達到一定重量之后脫落，很容易對轉爐后的通風眼機的軌道造成破壞，也容易引起爐體傾轉方面的故障。除此之外，鼓風量對爐壽和熔體溫度也有非常大的影響。所以在設定鼓風量時一定要選擇最佳的參數。

（3）優化冷料加入量：冷料是控制吹煉過程中爐內反應溫度的重要因素之一。通過加入冷料，可以平衡爐內因為反應而多出的熱量。但冷料的加入時機與加入數量都非常的重要，不僅是對轉爐，對后續的生產都有著重要的影響。當冷料加入過少時，就會導致爐內溫度過高，加大內襯磚的消耗。但如果冷料加入過多，又會使得爐內溫度低于所需溫度，導致熔體的流動性降低從而造成風口更大的壓力，延長反應所需要的時間。這樣一來不僅不能產出好的產品，在長期影響下可能還會造成事故，帶來無可挽回的影響。所以優化冷料的添加量與添加速率是一項不得不做的工作。

3 轉爐造渣過程優化控制系統

3.1 常用的兩種優化控制方法

銅锍吹煉的過程是間歇式熔池反應的過程，從銅锍吹煉開始，一直到銅锍吹煉結束都在一直不停地變化。由于在吹煉反應時的這種強動態變化，一般都只以吹煉反應的最終形式確定轉爐所生產的產品的質量。為了更高質量、更高效地完成吹煉過程，需要優化一定的控制目標。

對于間歇式的生產過程，目前主要有兩種常用的優化控制方法。一是最優控制法，它是由離線計算所得到的。在使用該方法時，需要給定初始狀態，再由機理模型按照一定的方法，嚴格計算出整個反應過程的最優控制率。第二個是預測控制法，使用預測控制法時可以使用模型來進行預測，同時還具有滾動優化的機制，還能夠在反應過程中進行反饋矯正。但是這兩種方法都有一定的缺點，比如最優控制法沒有辦法靈活應對因冶金過程中的眾多不確定因素所造成的爐況的變化；而在使用控制預測法時，常常會因為沒有有效的在線檢測設備而導致無法及時獲得爐內變化的信息，造成信息滯后的狀況。

3.2 動態優化控制方法

3.2.1 動態優化控制方案的提出

本套適用于銅锍吹煉過程的動態優化控制方案是以最優控制法為基礎，采用動態優化模型，利用初始值通過計算求的最優控制率。通過計算得到的最優控制率，可以很直觀地以數據的方式清楚地知道應該加入的熔劑的最優量。也能通過計算的方式準確地將爐內的溫度通過加入一定量冷料的方式調整到理想的狀態。甚至可以通過離線計算出的物料投入的最佳速率來調整鼓風率。為了彌補最優控制法的缺點，消除由于冶金過程中的不確定因素造成的爐內變化的影響，將會在本方案中加入預測控制法中的信息反饋機制。該反饋機制的反饋信息由軟測量模型對爐內物料進出的情況進行計算后得出。通過這樣一個反饋機制則可隨時了解到爐內的變化情況，并根據變化情況來隨時調整在熔劑、冷料或是鼓風量上的一個“最優率”。最優控制率也將采用分段恒值型，比如在造渣期每5分鐘就將會重新計算一次最優控制率。

3.2.2 動態優化計算模塊以及控制模塊

該動態優化控制方案主要包括動態優化計算模塊以及控制模塊，詳細如圖1所示。

圖1 PS銅轉爐銅锍吹煉過程示意圖

（1）動態優化計算模塊：動態優化計算模塊由參數初值計算模型和動態最優計算模型組成。參數初值計算模型中包含五個基于吹煉反應基本原理的模型，分別用來對吹煉反應終點進行預測、對添加冷料進行最優化計算、對熔劑添加總量進行計算、對底渣進行估算和對銅锍添加量進行計算，從而得到動態最優模型所需要的一些數據即終端時間、狀態初值等。參數計算模型中的參數還能夠通過人機接口由操作人員手動進行調整；動態最優計算模型則包含了非線性反應動力學模型，用來描述吹煉反應過程中爐內銅锍組份變化和溫度的改變。動態最優計算模型將使用參數計算模型所提供的數據，根據之前所設定的優化目標，采用動態優化數值求解法離線計算控制變量的最優控制率。在得到最優控制率后，將數據傳送到智能控制單元。

（2）控制模塊：控制模塊主要由爐況軟測量模型、爐況判斷模型和智能控制單元組成。控制模塊中的軟測量模型，為爐況判斷模型提供渣中硅鐵比和銅锍溫度的信息。軟測量模型基于多相多組份平衡計算方法和熱平衡計算方法，根據吹煉過程中入爐和出爐的物料變化情況，結合人工檢測得到的或者上一步計算得到的銅锍溫度信息，利用滾動計算方法算出下一個軟測量計算周期末的轉爐內銅锍組份變化情況，從而計算出渣中的硅鐵比和銅锍的溫度。而爐況判斷模型，依據軟測量模型提供的爐況信息，算得生產質量信息和動態優化模型計算出的期望質量目標之間的偏差，并根據偏差大小決策是否需要對最優計算率進行調整。若偏差較大，則由智能控制單元根據偏差量對最優控制率進行補償修正。智能控制單元將采用模糊規則對離線算得的熔劑最優添加速率進行補償調整，而采用專家規則對冷料最優添加率進行調整。調整后的新控制率將由操作人員確認后送至過程控制級[3]。

4 結語

通過分析銅锍吹煉過程好壞的主要經濟評價指標、轉爐中熔體影響因素及其優化常用的兩種優化控制方法，提出并設計了一種適用于銅锍吹煉過程的動態優化控制方案。對煉銅吹煉動態反應不僅具有一定的全局優化性，還能根據爐內的變化及時調整優化的控制系統，通過利用初始數據并通過離線計算的模式而得到之前所討論的熔劑、冷料以及鼓風量的最優率，從而達到優化效果。