基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，采集富氧底吹炼铜过程的实时生产过程的关键参数，通过人机交互输入离线检测的关键过程参数，存储到数据存储平台上，确定在线估计模型的结构，基于实际生产过程的历史数据和实际操作经验，估算比例因子，确定实际生产过程中待定的参数，建立机理和经验混合的在线估计模型；运行在线估计模型，将模型求解的关键过程参数与实际生产数据进行比对，检验在线估计模型的结果。本发明所述基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法有助于掌握炉内生产状况、指导生产操作、辅助熔炼过程的产品预报与放渣、放冰铜操作预警，提升工业自动化水平、实现底吹炼铜过程的智能决策。
【专利说明】基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及底吹炼铜【技术领域】，具体地说是一种基于混合模型的富氧底吹炼铜过 程参数在线估计方法。
【背景技术】
[0002] 富氧底吹炼铜炉作为我国完全自主知识产权的"富氧底吹炼铜新工艺"和世界上 第一个工业规模底吹炉，具有原料适应性强、无碳造硫熔炼、C02零排放、低耗氧量等工艺特 点，受到了国内外冶金领域专家的高度评价。中国有色金属工业协会2009年11月26日在 中色协铜字[2009]252号文中明确指出：该工艺是我国自己研发的、具有自主知识产权，在 炼铜领域的重大技术创新成果，是世界先进的炼铜技术之一。该项技术已被列为国务院《关 于发挥科学技术支撑作用，促进经济平稳较快发展的意见》（国发[2009]9号）重点推广应 用技术。
[0003] 同其他的熔炼工艺相比，富氧底吹炼铜现场环境已经有了很大的提升。但是，作 为刚刚工业规模应用的炼铜工艺过程，过程动化水平偏低、炉内的恶劣的炉内环境导致炉 内的温度、液位、铜锍品位和烟气成分等关键工艺参数难以实时检测、只能采用离线检测手 段，时间滞后性严重，无法定量的确定当前的工作点，难以有效地保证铜冶炼生产的优化运 行等问题；同时对底吹炉运行的操控还没有相应的提高，基本还是依靠操作员的经验去实 现，受操作人员素质的影响，产品质量和品质波动较大，制约了该项工艺优势的发挥，严重 影响到该技术的推广和应用。
[0004] 所以，有必要采取先进的技术手段，掌握炉内生产状况、指导生产操作、辅助熔炼 过程的产品预报与放渣、放冰铜操作预警，提升工业自动化水平、实现底吹炼铜过程的智能 决策。
【发明内容】
[0005] 针对富氧底吹炼铜炉中很多关键参量不能实时测量，在底吹炉的运行中无法定量 的确定当前的工作点，造成产品质量的波动等问题，本发明提出一种基于混合模型的富氧 底吹炼铜过程参数在线估计方法，通过机理和经验建模混合的方式，以富氧量、铜精矿进料 量、进料配比等相关的可测变量在线估计炉内的液位、温度和铜锍品位等不可测变量。
[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于混合模型的富氧底吹炼铜 过程参数在线估计方法，步骤1 :实时采集富氧底吹炼铜生产过程的关键过程参数，存储到 位于DELL服务器的数据存储平台中，实现数据的趋势查询和调用；步骤2 :通过人机交互输 入离线检测的关键过程参数，存储到位于DELL-T620塔式服务器的数据存储平台上，实现 数据的趋势查询和调用；步骤3 :根据富氧底吹炼铜的反应动力学特性和热工特性，确定在 线估计模型的结构，基于实际生产过程的历史数据和实际操作经验，分别估算由反应区流 向沉淀区的流量与反应区内液相和固相化合物（FeS2、CuFeS2、CuS、Fe304、Fe0、Cu20、Si02、 2Fe0 · Si02、FeS、Cu2S)积量量的比例因子、沉淀区放出的铜锍和炉渣的流量与沉淀区内 铜锍和炉渣累积量的比例因子，确定过程中待定的反应活化能、指前因子、各个化合物的摩 尔焓值以及热损失量等参数，建立机理和经验混合的在线估计模型；步骤4 :运行在线估计 模型，将模型求解的关键过程参数如温度、液位以及产品的质量浓度等结果与实际生产数 据进行比对，检验在线估计模型的结果，如果误差满足要求，则将在线估计结果上传到位于 DELL-T620塔式服务器的数据存储平台，否则返回步骤3重新修正模型结构，校正比例因子 和待定参数。
[0007] 所述确定在线估计模型的结构包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :以某一次停炉时间为起点，测得炉内温度Ttl、渣层高度Lsl;(l、铜锍高度Lma;(l 以及炉内化合物i的质量浓度Ci;μ确定初始状态时炉内化合物的量mi;C1 ;
[0009] 步骤2 :基于经验公式计算反应区长度；
[0010] 步骤3 :建立反应区质量守恒方程、反应区能量衡算方程、沉淀区质量衡算方程和 沉淀区能量衡算方程。
[0011] 所述初始状态时炉内化合物的量％。如下：
【权利要求】
1. 一种基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特征在于： 步骤1:实时采集富氧底吹炼铜生产过程的关键过程参数，存储到数据存储平台中，实 现数据的趋势查询和调用； 步骤2 :通过人机交互输入离线检测的关键过程参数，存储到数据存储平台上，实现数 据的趋势查询和调用； 步骤3 :根据富氧底吹炼铜的反应动力学特性和热工特性，确定在线估计模型的结构， 基于实际生产过程的历史数据和实际操作经验，估算比例因子，确定实际生产过程中待定 的参数，建立机理和经验混合的在线估计模型； 步骤4 :运行在线估计模型，将模型求解的关键过程参数与实际生产数据进行比对，检 验在线估计模型的结果，如果误差满足要求，则将在线估计结果上传到数据存储平台，否则 返回步骤3,重新修正模型结构，校正比例因子和待定参数。
2. 根据权利要求1所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述确定在线估计模型的结构包括以下步骤： 步骤1 :以某一次停炉时间为起点，测得炉内温度Ttl、渣层高度Lsl;(l、铜锍高度Lma，^以及 炉内化合物i的质量浓度Ci;C1,确定初始状态时炉内化合物的量mi;C 1 ; 步骤2 :基于经验公式计算反应区长度； 步骤3 :建立反应区质量守恒方程、反应区能量衡算方程、沉淀区质量衡算方程和沉淀 区能量衡算方程。
3. 根据权利要求2所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述初始状态时炉内化合物的量mi;(l如下：
其中，mi;C1为底吹炉内初始状态时炉内化合物的量；Ci;C 1为底吹炉内化合物i的质量浓 度；Vf为底吹炉内熔体的体积；Lf为底吹炉内溶体长度；Stl为熔体截面积；r为底吹炉内半 径；Lsl;(l为底吹炉内渣层高度；L111M为底吹炉内铜锍高度。
4. 根据权利要求2所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述反应区长度Lra经验公式如下： Lrz = 26. 24NW (W/D〇r〇.619 (Fr,) ?.122 (H/D) ?.523 ( 3) Fr' = V2 P g/ (gD P x) (4) 其中：L"为反应区长度；N为氧枪个数,W为氧枪间距，Dtl为氧枪出口内径，H为液面高 度，D为液面直径，Fr'为弗劳德准数，V为气体速度，P g为气体密度，g为重力加速度，P 1 为熔体密度。
5. 根据权利要求2所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述反应区质量守恒方程建立如下：
其中：Hlyz为反应区内化合物i的累积质量；t为时间；为流入反应区的化合物 i的质量流量；为流出反应区的化合物i的质量流量；j为反应个数，j = (1、2…、 NoReac) ; ii i为化合物i在反应j内的化学计量数,对反应物为负，生成物为正；Y』为反应 j的反应速率为反应区的体积；.为反应区内化合物i的流量损失；A为指前因子； Ea为活化能；R为气体常数；T为温度；CT为化合物i的有效浓度；Coeffra为反应区内质量 流量与累积质量的比例因子，可通过历史数据和实际操作经验确定。
6.根据权利要求2所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述反应区能量衡算方程建立如下：
其中：氏,为反应区rz内混合物总焓值；t为时间；i为化合物的种类，i = (1、2…、 NoComp) ; 为流入反应区的化合物i的质量流量；为流入反应区的化合物i的单位 质量焓值；为流出反应区的化合物i的质量流量；为流出反应区的化合物i的单 位质量洽值；为反应区的体积；j为反应个数，j = (1、2…、NoReac) ; AHj为反应j的化 学反应热；Y j为反应j的反应速率；为反应区内的热损失；Nttrt为所有化合物的总质 量；h为化合物i的摩尔焓值；Xi为化合物i的质量分数；U i为化合物i在反应j内的化 学计量数，对反应物reactant为负，生成物product为正；AH29iu为物质i的标准生成热； T为温度；A1;iA5;i为化合物的特性常数。
7. 根据权利要求2所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述沉淀区质量衡算方程建立如下：
其中：II^sz为沉淀区sz内化合物i的累积质量；t为时间；为流入沉淀区的化合 物i的质量流量；F:为流出沉淀区的化合物i的质量流量；为沉淀区内化合物i的 流量损失；Coeffsz为沉淀区内质量流量与累积质量的比例因子，可通过历史数据和实际操 作经验确定。
8. 根据权利要求2所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：沉淀区能量衡算方程建立如下
其中：Hsz为沉淀区sz内混合物总焓值；t为时间；i为化合物的种类，i = (1、2…、 NoComp);为流入沉淀区的化合物i的质量流量；为流入沉淀区的化合物i的单位 质量焓值；为流出沉淀区的化合物i的质量流量；为流出沉淀区的化合物i的单 位质量焓值；为沉淀区内的热损失；Ntrt为所有化合物的总质量屯为化合物i的单位 质量焓值；Xi为化合物i的质量分数。
9. 根据权利要求1所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其特 征在于：所述在线估计模型包括以下建立过程： 计算任意时刻底吹炉反应区内铜锍中化合物i的质、沉淀区内铜锍中化合物i 质量、反应区内炉渣中化合物i的质量％31，"、沉淀区内炉渣中化合物i的质量mi;sl， sz以及底吹炉内部温度T ; 计算任意时刻的反应区内铜锍中化合物i的质量浓度、沉淀区内铜锍中化合物i 的质量浓度Ci;nia，sz、反应区内炉渣中化合物i的质量浓度Ci;sl，"以及沉淀区内炉渣中化合 物i的质量浓度Ci，sl，sz; 计算反应区内铜锍的液位高度Lma，"、沉淀区内铜锍的液位高度Lma，sz、反应区内炉渣的 液位高度Lsl，"以及沉淀区内炉渣的液位高度Lsl，sz。
10. 根据权利要求9所述的基于混合模型的富氧底吹炼铜过程参数在线估计方法，其 特征在于： 所述反应区内铜琉的质量％"，"为：
底吹炉反应区rz内铜锍ma中化合物i的质量；i为铜锍中的中化合物的种类，包括FeS、 Cu2S两种成分；tmd为当前估计时间；流入反应区的铜锍中化合物i的质量流量； -T--OUt 麵厂为流出反应区的铜琉中化合物i的质量流量；j为反应个数，j = (l、2*'NoReac); U i为化合物i在反应j内的化学计量数，对反应物为负，生成物为正；Y j为反应j的反应 loss 速率；为反应区的体积；^为反应区内铜锍中化合物i的流量损失；t为时间； 所述沉淀区内铜锍的质量为：
其中，sz为沉淀区SZ内铜锍中化合物i的质量；FH5r :为流入沉淀区的铜锍中 化合物i的质量流量；为流出沉淀区的铜锍中化合物i的质量流量；F=P.为沉 淀区内铜锍中化合物i的流量损失； 所述反应区内炉渔的质量: t JVoReac -F^ + E^rjK,-p!7^dt (18) j 其中，为底吹炉反应区rz内炉渣si中化合物i的质量；i为炉渣中的成分； TM Ottt :为流入反应区的炉渣中化合物i的质量流量；为流出反应区的炉渣中化合 物i的质量流量；尸^.__为反应区内炉渣中化合物i的流量损失； 所述沉淀区内炉渣的质量Hl^sz为： ( 1 9 ) 其中，mi;sl，sz为沉淀区sz内炉渣中化合物i的质量；:为流入沉淀区的炉渣中化 合物i的质量流量；为流出沉淀区的炉渣中化合物i的质量流量；为沉淀区 内炉渣中化合物i的流量损失； 所述底吹炉内部温度T为：
【文档编号】C22B15/00GK104328285SQ201410591967
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】王卓, 于海斌, 贾洋, 陈宜滨, 王斌 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所