Ps铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法及装置，根据投料计划以及在线采集的入炉物料数据，连续实时计算吹炼过程中每个给定时间微元段内的炉内各相组成以及炉内熔体温度；然后基于预设的吹炼终点判断条件进行吹炼终点判断和预测。本发明提供的预报方法及装置对整个吹炼过程进行时间离散，将其分为若干个充分小的时间微元段，对每个时间微元段进行多相反应解析和传热计算，求出不同微元段的炉内各相组成和温度，并基于此进行吹炼终点预报以及据此进行冷料添加、溶剂添加等优化策略的选择。
【专利说明】PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业自动控制【技术领域】，尤其是铜锍吹炼过程的智能控制，具体而言涉及一种PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法及装置。
【背景技术】
[0002]铜锍吹炼是铜冶炼过程中制取粗铜的重要工序。长期以来铜锍吹炼主要采用PS转炉吹炼技术，PS转炉是自1909年以来世界通用的铜锍吹炼设备，到上世纪末，差不多全球矿产粗铜的80%都是用采用PS转炉吹炼制取。尽管目前PS转炉面临多种吹炼新设备、新技术的挑战，但由于PS转炉吹炼具有工艺成熟、尤其是能灵活处理各种废铜物料(包括块状物料)等优点，所以该工艺在从铜锍制取粗铜的过程中仍将占有十分重要的地位。
[0003]PS转炉是卧式侧吹廻转炉，空气或富氧从炉体一侧的风眼吹入，采用间歇周期性作业过程，操作上分为两个阶段。
[0004]在第一阶段(造渣期)，为了使FeS顺利地形成硅酸铁炉渣，需要加入石英熔剂(SiO2),转炉造渣吹炼作业是在有石英熔剂存在的情况下，从风口向炉内熔体中鼓入富氧空气吹过炉内熔融的冰铜，吹炼过程是放热反应无需加热，通过空气的搅拌，冰铜中的硫化亚铁FeS与鼓入空气中的氧发生强烈氧化反应，生成氧化亚铁FeO和SO2气体，氧化亚铁FeS再与添加的二氧化硅熔剂进行造渣反应，这个阶段持续到锍含Cu为75%以上、含Fe< I %时结束，停风后排放上层炉渣。
[0005]造渣过程中FeS首先被氧化生成的氧化物FeO，造渣过程中FeO立即熔解于熔体内，并随着熔体的翻腾，而与SiO2溶剂接触进行造渣反应。上述两个反应所产生的热是造渣期的主要热量来源。
[0006]冰铜中FeS氧化造渣一结束，标志着吹炼的第二周期的开始，即造铜期。在第二周期中，主要是部分Cu2S氧化成Cu2O,生成的Cu2O再与Cu2S发生反应，得到金属铜。在造铜期，留在炉内的白冰铜(主要以Cu2S的形式存在)与鼓入的空气中的氧反应，生成粗铜和二氧化硫，直到粗铜含Cu98.5%以上结束。
[0007]尽管铜转炉吹炼工艺已问世百年，但其操作过程的决策控制一直依赖人工经验，由此带来以下主要问题:
[0008]1、各期终点判断误差波动大，增加作业成本与时间，产品质量得不到有效保证；
[0009]2、炉况不稳，由于对炉内温度变化趋势没有定量预判手段，风量调整、冷料加入时间数量等工艺参数的决策调整因人而异，难以及时准确把握，造成炉内温度波动幅度较大，炉况不稳，影响作业过程稳定性,加大对炉衬损害，降低炉寿命,增加炉体维护成本；
[0010]3、安全环保不易受控，人工取样终点判断不仅劳动强度大，而且存在一定的安全隐患，同时造成S02烟气外逸，加大低空污染，治理低空污染需要大量投资和运行成本。
[0011]4、能耗高，由于过程参数优化程度低，各期终点判断误差波动大，产品合格率难以提闻，造成冶炼周期长，设备能耗闻。
[0012]综上所述，转炉吹炼过程参数优化及终点判断智能决策自动控制技术的突破，是该领域的迫切需要，它的实现可提升铜冶炼行业综合技术水平，实现增加产能、节能降耗、安全生产的目标，提高企业社会经济效益。
【发明内容】
[0013]本发明要解决的技术问题是，对PS铜转炉吹炼过程的全程仿真，预测出吹炼的结束点，进一步地，还基于全程仿真结果进行冷料、溶剂的智能决策。
[0014]为此，本发明的目的在于提供一种PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法及装置，对吹炼过程进行时间离散，将其分为若干个充分小的时间微元段，对每个时间微元段进行多相反应解析和传热计算，求出不同微元段的炉内各相组成和温度，并基于此进行吹炼终点预报以及据此进行冷料添加、溶剂添加等优化策略选择。
[0015]本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0016]为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0017]一种PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，包括以下步骤:
[0018]根据投料计划以及在线采集的入炉物料数据，连续实时计算吹炼过程中每个给定时间微元段内的炉内各相组成以及炉内熔体温度；以及
[0019]基于预设的吹炼终点判断条件进行吹炼终点判断和预测。
[0020]进一步的实施例中，所述给定时间微元段均为I分钟。
[0021]进一步的实施例中，所述预设的吹炼终点判断条件包括造渣期和造铜期两个时期的判断条件:
[0022]I)造渣期:当炉内铜锍中以FeS形式存在的Fe含量下降到1%时，即为造渣期终
点[0023]2)造铜期:当炉内粗铜中的硫含量下降到0.04%时，即为造铜期终点。
[0024]进一步的实施例中，采用最小吉布斯自由能法计算所述每个给定时间微元段内的炉内各相组成，其实现包括以下过程:
[0025]每个给定时间微元段内的炉内各相体系达到平衡时，吉布斯自由能最小，总的吉布斯自由能可表示为:
[0026]
【权利要求】
1.一种PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，包括以下步骤: 根据投料计划以及在线采集的入炉物料数据，连续实时计算吹炼过程中每个给定时间微元段内的炉内各相组成以及炉内熔体温度；以及 基于预设的吹炼终点判断条件进行吹炼终点判断和预测。
2.根据权利要求1所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，所述给定时间微元段均为I分钟。
3.根据权利要求1所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，所述预设的吹炼终点判断条件包括造渣期和造铜期两个时期的判断条件: 1)造渣期:当炉内铜锍中以FeS形式存在的Fe含量下降到1%时，即为造渣期终点； 2)造铜期:当炉内粗铜中的硫含量下降到0.04%时，即为造铜期终点。
4.根据权利要求1所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，采用最小吉布斯自由能法计算所述每个给定时间微元段内的炉内各相组成，其实现包括以下过程: 每个给定时间微元段内的炉内各相体系达到平衡时，吉布斯自由能最小，总的吉布斯自由能可表示为:
5.根据权利要求4所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，所述吹炼过程属多相反应过程，基于权利要求4所述的计算方法，连续实时解析判断每个给定时间微元段的炉内锍相、粗铜相及Fe3O4相存在与否，以及各存在相的组成。
6.根据权利要求1所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，利用一维非稳态导热方程来计算所述每个给定时间微元段内的炉内熔体温度。
7.根据权利要求1所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，所述方法更包含以下步骤: 可选择地切换至优化决策模式，在该模式下，基于所述每个给定时间微元段内的炉内各相组成以及炉内熔体温度、即在不加冷料的情况下对吹炼过程的仿真计算，得到炉内熔体的温度变化曲线，结合预先给定的熔体温度控制值即最低温度IV和最高温度为Th，采用步进法进行冷料计算，获得冷料的加入与加入时间，使得温度变化曲线在温度控制值范围内。
8.根据权利要求7所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报方法，其特征在于，对于吹炼过程熔体允许最低温度IV，允许最高温度τΗ，在熔体温度上升段，如果熔体最高温度>TH，则在温度到达Th之前开始加入冷料，设熔体温度上升至> Tl所对应的时间为t1;达到Th的时间为t2，则冷料开始加入时间t满足A1 ( t〈t2，其中，可通过调整冷料加入量，并令熔体最高温度等于Th，由此确定冷料加入量。
9.一种PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，包括: OPC数据采集模块，用于采集吹炼过程的操作数据； 组成计算模块，用于根据投料计划以及在线采集的入炉物料数据计算给定时间微元段内的炉内各相组成； 温度计算模块，用于根据投料计划以及在线采集的入炉物料数据计算所述给定时间微元段内的炉内熔体温度； 吹炼终点预测模块，基于所述组成计算模块和温度计算模块在每一个时间微元段内所计算出的结果，根据造渣期和造铜期不同的终点判断条件进行吹炼终点判断和预测； 数据存储管理模块，用于各种数据的存储； 冷料计算模块，用于根据所述组成计算模块和温度计算模块在每一个时间微元段内所计算出的结果，计算冷料的加入量与加入时间； 系统总控模块，分别与所述吹炼终点预测模块、冷料计算模块连接，并且从外部可选择地控制切换下述模式: O吹炼终点预测模式，输出吹炼终点预测结果；或者切换至 2)优化决策模式，输出吹炼终点预测结果、冷料的加入量与加入时间。
10.根据权利要求9所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，所述给定时间微元段均为I分钟。
11.根据权利要求9所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，所述组成计算模块采用最小吉布斯自由能法计算所述每个给定时间微元段内的炉内各相组成，所述吹炼过程中所涉相包括气相、渣相、锍相、粗铜相及Fe3O4相，其组成计算包括以下过程: 每个给定时间微元段内的炉内各相体系达到平衡时，吉布斯自由能最小，总的吉布斯自由能可表示为:
12.根据权利要求9所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，所述温度计算模块利用一维非稳态导热方程来计算所述每个给定时间微元段内的炉内熔体温度。
13.根据权利要求12所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，在所述优化决策模式下，所述冷料计算模炔基于每个给定时间微元段内的炉内各相组成以及炉内熔体温度、即在不加冷料的情况下对吹炼过程的仿真计算，得到炉内熔体的温度变化曲线，结合预先给定的熔体温度控制值即最低温度I；和最高温度为ΤΗ，进行冷料计算，获得冷料的加入与加入时间，使得温度变化曲线在温度控制值范围内。
14.根据权利要求13所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，所述冷料计算模块的计算过程中，对于吹炼过程熔体允许最低温度IV，允许最高温度Th,在熔体温度上升段，如果熔体最高温度>TH，则在温度到达Th之前开始加入冷料，设熔体温度上升至> ?Υ所对应的时间为h，达到Th的时间为t2，则冷料开始加入时间t满足:ti ≤ t〈t2，其中，可通过调整冷料加入量，并令熔体最高温度等于TH，由此确定冷料加入量。
15.根据权利要求9所述的PS铜转炉吹炼过程智能决策与终点预报装置，其特征在于，所述装置还包括一溶剂计算模块，与所述系统总控模块连接，用于根据所述组成计算模块和温度计算模块在每一个 时间微元段内所计算出的结果，计算溶剂的加入量与加入时间。
【文档编号】C22B15/06GK103645694SQ201310618008
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】宋修明, 戴升弘, 童长仁, 盛放, 吴文明, 何建平, 黄永峰, 程宾 申请人:金隆铜业有限公司, 江西理工大学