范晓慧-烧结球团生产过程优化模型与人工智能(XXXX)

烧结球团生产过程优化模型与人工智能中南大学范晓慧第一阶段（70年代以前）第二阶段（70-80年代）第三阶段（80-90年代）第四阶段（90年代后）第五阶段（21世纪后）控制要求单回路控制多回路控制与先进控制过程优化与先进控制过程优化与信息化全厂信息化控制理论经典控制理论现代控制理论智能控制等先进控制多学科交叉多学科交叉控制装备常规仪表PLC、DCS过程计算机计算机网络PLC、DCS、FCS、IPC更新型装备控制系统多为单回路控制ELC系统多级自动化系统CIPS与综合自动化BPS/MES/PCS控制水平简单多为增强型基础自动化优化与管理自动化准无人化无人化或准无人化世界钢铁工业自动化进展我国烧结生产过程的控制水平介于第二～第三阶段之间球团生产过程控制水平介于第一～第二阶段之间工业生产过程控制策略：软测量技术＋预测模型＋智能控制原料参数设备参数操作参数工艺参数指标参数状态参数工业过程控制简化模型烧结过程异常诊断系统有异常异常处理烧结矿化学成分控制烧结过程状态控制烧结能耗优化控制其它辅助控制无异常生产数据控制指导或措施控制指导或措施烧结优化配矿系统配矿方案及工艺参数检测数据异常烧结过程控制方案专题一烧结优化配矿技术经济系统专题四链篦机-回转窑过程模拟与控制提纲专题二烧结矿化学成分控制专家系统专题三烧结过程状态控制智能系统专题一烧结优化配矿技术经济系统1.1优化配矿内涵1.4优化配矿技术1.2铁矿制粒行为1.3铁矿成矿行为1.1优化配矿内涵（1）混匀矿化学成分的要求（2）混合料制粒性能良好（3）混合料成矿性能良好（1）烧结矿化学成分（TFe、SiO2、Al2O3、MgO、P、S等）的要求（2）烧结矿转鼓强度、成品率、利用系数的要求（3）烧结矿冶金性能的要求基于铁矿性能互补原理，实现矿种合理搭配使用。成本最低制粒小球模型：成核粒子（+0.5mm）和粘附粒子（-0.5mm）组成1.2铁矿制粒行为1020304050607080400500600700粘附粉含量/%压力降/Pa-0.5mm适宜量：40%~50%40080012001600200024000246810制粒后混合料-1mm含量/%比表面积/cm2·g-140080012001600200024000.750.800.850.900.951.00形状系数压力降比表面积/cm2·g-1形状系数20040060080010001200压力降/Pa粘附粉比表面积对制粒后混合料性质及透气性的影响当粘附粉比表面积达到1000cm2/g时，制粒小球粉末含量（-1mm)5%以下，形状系数0.85以上，此时混合料的透气性较好。1.2铁矿制粒行为粘附粉（-0.5mm）比表面积对透气性的影响3mm熔融区未熔矿石未熔矿石熔融区0.5mm（a）宏观结构（b）微观结构烧结矿的结构烧结矿结构模型：未熔矿石+熔融区熔剂与细颗粒铁矿（-0.5mm）反应形成熔融区+0.5mm的铁矿石残存下来成为未熔矿石烧结矿强度主要取决于熔融区的液相量以及微观结构1.3铁矿成矿行为不同形态铁酸钙的成分和强度铁酸钙形态典型结构式断裂韧性/Mpa·m-0.5化学组成/%CaOFe2O3SiO2Al2O3MgO板状Ca3.44Si1.30(Fe0.92Al0.08)21.62O360.859.1~10.682.5~89.02.6~4.052.8~4.20.5~1.9片状Ca4.15Si1.23(Fe0.92Al0.08)21.20O360.9110.8~12.571.8~85.73.7~6.73.0~4.10.9~2.3柱状Ca4.58Si2.18(Fe0.91Al0.09)19.24O361.3313.3~15.468.1~78.97.1~9.33.4~4.40.4~1.4针状Ca4.72Si2.30(Fe0.91Al0.09)16.54O361.3914.0~17.070.6~75.46.6~10.03.2~4.20.6~0.81.3铁矿成矿行为板状铁酸钙片状铁酸钙柱状铁酸钙针状铁酸钙0.40.50.60.70.80.91.01.1255075100液相生成量针柱状铁酸钙生成量molCaO/Fe2O3液相生成量/%01020304050针柱状铁酸钙生成量/%熔融区CaO/Fe2O3对成矿性能的影响熔融区CaO/Fe2O3摩尔比的适宜值0.63～0.81熔融区SiO2的适宜值：～5.0％1.3铁矿成矿行为4.04.55.05.56.06.5406080100液相生成量针柱状铁酸钙生成量SiO2含量/%液相生成量/%010203040针柱状铁酸钙生成量/%熔融区SiO2对成矿性能的影响熔融区Al2O3对成矿性能的影响熔融区Al2O3的适宜值：1.8％熔融区MgO应尽量低1.01.52.02.53.0406080100液相生成量针柱状铁酸钙生成量Al2O3含量/%液相生成量/%010203040针柱状铁酸钙生成量/%1.3铁矿成矿行为1234567406080100液相生成量针柱状铁酸钙生成量MgO含量/%液相生成量/%010203040针柱状铁酸钙生成量/%熔融区MgO对成矿性能的影响通过混匀矿粒度、铁矿石种类、混匀矿化学成分影响烧结的研究，得到以下配矿和配料的准则。混匀矿配矿准则项目-0.5mm含量/%-0.5mm比表面积/cm2·g-1未熔矿石中赤铁矿比例/%标准40~50%左右≥100050%熔融区化学成分准则项目CaO/Fe2O3SiO2/%MgO/%Al2O3/%标准0.63~0.81~5.0尽量低~1.81.4优化配矿技术1.4优化配矿技术优化配矿模型原料供应条件、成本烧结矿成分要求原料物化性能初始配矿方案组烧结矿产、质量指标预测模型烧结适宜工艺参数预测模型适宜工艺参数预测值产量、质量指标预测值配矿方案综合评价模型优化配矿方案组产量、质量指标要求1.4优化配矿技术专题二烧结矿化学成分控制专家系统烧结矿化学成分主要包括碱度（R）、TFe、SiO2、CaO、MgO、FeO、P和S等。控制烧结矿化学成分，主要是控制其稳定性。国内外生产实践表明，烧结矿化学成分的波动对高炉影响很大。烧结矿TFe含量波动值由±1.0%降至±0.5%时，高炉一般增产1%~3%。碱度波动值由±0.1降至±0.075时，高炉增产1.5%，焦比降低0.8%。烧结矿化学成分控制具有如下特点：①主要受原料参数的影响，与状态参数关系不大；②存在相当长的时间滞后；③工艺过程具有动态复杂性和时变特性；④烧结矿化学成分之间有很大的相关性；⑤控制烧结矿化学成分相当复杂，一种成分不能满足要求，并不一定是由于该成分本身变化引起的，由这方面原因引起的成分变化，可能要从另一个方面去解决。1烧结优化配矿2.1烧结矿化学成分预报2.2烧结矿化学成分控制多输入单输出（MISO）的CAR（n）模型表示为:式中:2.1烧结矿化学成分预报—基于时间序列的预报模型“灰箱”u2(t)u1(t)un(t)y1(t)y2(t)yn(t)输入数据……输出数据预报模型的输出预报值为:式中：2.1烧结矿化学成分预报—基于时间序列的预报模型yi(k)—系统输出；Uij(k)—系统输入；ei(k)—零均值高斯白躁声；d—时滞；ail,bijl—模型参数；ni,ni—模型阶数；mi—输入变量个数；i=1~5，分别代表R，TFe，SiO2，MgO，CaO。BP（BackPropagation，即误差反向传播）神经网络，是一种多层前馈网络，使用有监督学习算法。分为输入层、中间层(隐含层)和输出层，层与层之间采用权值互连方式，同一层单元之间不存在相互连接。各神经元采用的激励函数：Sigmoid函数2.1烧结矿化学成分预报—基于人工神经网络的预报模型+--1-AGOGM映射1-IAGO数据选择x(0)x(1)x(1)(t)+2.1烧结矿化学成分预报—基于灰色系统的预报模型可行区间优化区间最优点异常区间+2+10-1-2参数区间划分图边界点可变2.2烧结矿化学成分控制—区间优化控制策略区间代号+2+10-1-2状态描述太高较高适宜较低太低TFe区间范围+0.75+0.75~+0.5+0.5~-0.5-0.5~-0.75-0.75各成分“同步优化”的控制策略几乎不可能实现。由于各成分之间存在很大的相关性，而且各种成分的变化也是随机的。所以，必须有所侧重，突出重点。2.2烧结矿化学成分控制—烧结矿化学成分的优化策略以R和TFe为中心。以R和TFe状态及其变化趋势（由过去值、现在值和将来值决定）为调整依据以“保证合格品，力争一级品”为调整原则。①当R太高（或太低），TFe太高（或太低）时，无论其它成分状态如何，R和TFe都要进行调整。②当R太高（或太低），TFe较高（或较低）时，重点考虑调整R，TFe根据变化趋势决定调整与否，当TFe的预报值、现在值和过去值变化趋势一致时，调整TFe，当变化趋势不一致时，暂不做调整。③当R太高（或太低），TFe适宜时，重点考虑R的调整。④当R较高（或较低），TFe太高（或太低）时，重点考虑调整TFe，而R根据变化趋势决定调整与否。⑤当R较高（或较低），TFe较高（或较低）时，分别根据R和TFe的变化趋势决定它们是否调整。⑥当R较高（或较低），TFe适宜时，根据R的变化趋势决定它是否调整。⑦当R适宜，TFe太高（或太低）时，重点考虑TFe的调整。⑧当R适宜，TFe较高（或较低）时，根据TFe的变化趋势决定它是否调整。⑨当R适宜，TFe适宜时，无论其它成分状态如何，都不做任何调整。2.2烧结矿化学成分控制—烧结矿化学成分的优化策略2.2烧结矿化学成分控制2.2烧结矿化学成分控制2.2烧结矿化学成分控制专题三烧结过程状态控制原料参数设备参数操作参数工艺参数指标参数状态参数烧结过程状态主要包括烧结料层的热状态和透气性状态。热状态主要指料层温度的分布状态和变化情况，反映了烧结过程的物理化学变化情况；透气性状态则是指烧结过程中料层透气性的变化情况，主要反映了气体在料层中的流动状态。在烧结过程中，料层的透气性状态和热状态相互影响。3.1烧结过程状态检测3.2烧结过程状态预报3.3烧结过程状态控制在意大利钢铁公司和日本新日铁公司，采用在线连续监测点火前透气性的方法，监测系统直接安装在点火器前的风箱上，透气性指数采用在恒定负压下通过料层的空气流量来标定。3.1烧结过程状态检测—原始料层透气性美国伯利恒钢铁公司烧结厂料层透气性测量仪安装在圆辊布料器矿槽内。其工作原理是往混合料中喷入一定量的空气，测定空气的反压力来确定透气性的大小。据此来调节混合料水分。透气性好时，通过料层的气体流量就大，带走的热量相对就多，在点火煤气流量和压力一定的情况下，反映在点火炉的温度就低，相应的保温炉的温度也会低，而下部风箱的废气温度会高，在抽风量一定的情况下，风箱负压就低。点火、保温段对应的风箱温度、负压以及保温炉温度作为评判因子，采用模糊综合评判的方法对透气性进行了评判。3.1烧结过程状态检测—料层透气性的软测量通过点火罩处，计算原始料层透气性Pe＝nphFQ点火罩处风箱所对应的面积、h以及Δp为1＃风箱处在线检测数据韩国浦项钢铁公司光明厂热状态识别系统。在25个风箱中15、16、19、20、22、23（2套）、24（2套）和25风箱内安装有10套热电偶。每套热电偶正对5个分道闸门。3.1烧结过程状态检测—烧结废气温度特征点沿烧结机方向上的废气温度曲线段设为遵循三次多项式函数，即15和16号风箱处于升温区，19和20号风箱处于拐点区域，而22、23、24、25号风箱处于温度最高点。评判烧结料层热状态。韩国浦项钢铁公司光阳厂根据烧结机卸料区烧结饼横断面的热像反映料层状态和料层内热量水平。在热像信息中，宽度方向上一定热量水平的分布可用于控制分道闸板的开度，一定热量水平的积分面积可用于炭含量和台车速度控制。3.1烧结过程状态检测—基于卸料区热像的热状态识别%100计算面积内所含的像素热带中所含的像素红热带比率红热带的分界点定为1000℃。3.1烧结过程状态检测—基于侧板测温