張官祥， 朱 榮

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038; 2.北京科技大學(xué),北京 100083)

0 引言

底吹熔池煉銅技術(shù)是我國自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煉銅工藝，生產(chǎn)實踐表明該工藝具有建設(shè)投資省、金屬回收率高、產(chǎn)品成本低、資源綜合利用水平高、綜合能耗低、作業(yè)環(huán)境優(yōu)良等優(yōu)點[1-2]。底吹造锍熔煉過程中，爐料在熔煉爐內(nèi)主要發(fā)生的反應(yīng)：高階硫化物分解反應(yīng)，硫化物的氧化反應(yīng)，造锍反應(yīng)，造渣反應(yīng)[3]。

目前，氧氣底吹銅熔煉生產(chǎn)過程控制大部分都是單純依靠PID自動化控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)基本操作、控制的自動化要求。但由于熔煉工序處理入爐原料復(fù)雜，伴生元素多，造锍熔煉反應(yīng)過程高溫多相耦合，存在工序流程協(xié)同困難、無法預(yù)測和自調(diào)節(jié)、調(diào)整粗放生產(chǎn)波動大、生產(chǎn)控制反應(yīng)滯后、受限于人的經(jīng)驗和操作等問題，冶煉過程控制的準確性、穩(wěn)定性、及時性、經(jīng)濟性皆不能滿足現(xiàn)代化先進冶煉的要求。

近年來，隨著國外專業(yè)軟件的引進和國內(nèi)專業(yè)軟件的不斷開發(fā)，采用專門的冶金流程計算軟件進行建模，完成物料平衡和熱平衡已成為當前國內(nèi)外底吹熔煉工藝設(shè)計和指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的普遍現(xiàn)象[5]。這類軟件的共同特點是具備完備的化合物冶金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫以及能夠?qū)崿F(xiàn)全流程的元素平衡和熱平衡計算。最具有代表性的是澳大利亞的METSIM軟件以及國內(nèi)自主開發(fā)的MetCal軟件[6]。但其都是面向設(shè)計研發(fā)單位開發(fā)，無法有效快速地部署至有色冶煉企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，為冶煉的日常生產(chǎn)過程控制提供在線指導(dǎo)作用。

本文以氧氣底吹銅熔煉過程為出發(fā)點，基于冶金反應(yīng)原理，輔以數(shù)據(jù)分析及實踐經(jīng)驗，建立冶金數(shù)學(xué)機理模型，研究在線優(yōu)化控制的方法。并借助現(xiàn)代化編程語言及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，利用面向?qū)ο蟮奶匦裕庋b參與反應(yīng)的物質(zhì)單元，面向有色冶煉企業(yè)生產(chǎn)實際需求，開發(fā)面向生產(chǎn)企業(yè)的冶金計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)入爐物料參數(shù)和工藝生產(chǎn)目標控制參數(shù)，利用系統(tǒng)內(nèi)置熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫及冶金反應(yīng)計算算法程序，完成全流程冶金過程的元素平衡及熱平衡在線計算，實際參與氧氣底吹銅熔煉生產(chǎn)的過程控制。

1 冶金數(shù)學(xué)建模方法

目前建立冶金數(shù)學(xué)模型的方法主要有以下三類。

1)基于冶金反應(yīng)原理，根據(jù)工藝流程及反應(yīng)理論過程，依賴熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫進行體系熱力學(xué)元素平衡、熱平衡計算，建立冶金過程的機理模型。

2)結(jié)合冶煉工藝專家知識及現(xiàn)場操作經(jīng)驗，深度挖掘生產(chǎn)大數(shù)據(jù)庫中的信息價值，利用統(tǒng)計分析、機器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，建立冶金過程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

3)在物理仿真實驗基礎(chǔ)上，利用CAE仿真模擬軟件，對冶金反應(yīng)爐窯進行流體力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)傳熱等多項模擬計算，建立冶金過程的仿真模型。

企業(yè)生產(chǎn)的在線過程控制的核心在熱力學(xué)模型的計算，需要匹配不同的工況得到相應(yīng)的生產(chǎn)操作指令，同時由于仿真模型建設(shè)難度大、準度差、耗時長，尚未有具備在線工業(yè)使用的條件，因此軟件系統(tǒng)核心冶金數(shù)學(xué)模型應(yīng)以機理模型為主，經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑檩o，兩者相互補充。

2 氧氣底吹銅熔煉過程建模

2.1 建設(shè)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫

根據(jù)《實用無機物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊(第2版)》，采用MongoDB文檔型數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計建立氧氣底吹銅熔煉過程中所涉及的96項純物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，整理收錄每種物質(zhì)不同溫度范圍內(nèi)的相態(tài)、比熱容的擬合系數(shù)等，同步補充物質(zhì)的元素構(gòu)成及摩爾分子質(zhì)量等基礎(chǔ)化學(xué)信息。軟件設(shè)計時將各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算提供封裝的API接口，輸入物質(zhì)分子式及溫度即可得到該溫度下物質(zhì)的標準摩爾生成焓。熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫設(shè)計結(jié)構(gòu)如下所示。

{

"forms": ["Cu2S"], //物質(zhì)分子式，因存在多種形式，故采用列表存儲

"hf": -79.498, //物質(zhì)標準摩爾生成焓(J/mol)

"elements": { "Cu": 2, "S": 1 }, //物質(zhì)的元素構(gòu)成，采用字典形式存儲

"mw": 159.152, //物質(zhì)摩爾分子質(zhì)量(g/mol)

"cps": [ //溫度區(qū)間(單位，K)內(nèi)比熱容擬合系數(shù)及物質(zhì)相態(tài)

{"tmin": 298.15, "tmax": 376.0, "status": "s", "hcp": 0.0,

"a": 53.439, "b": 76.461, "c": -0.117, "d": 2.456},

{"tmin": 376,"tmax": 717.0,"status": "s","hcp": 3.849,

"a": 112.142, "b": -30.974, "c": -0.046, "d": 0.147},

……

}]

}

2.2 確定目標控制參數(shù)

目標控制參數(shù)的選擇有兩個標準，首先參數(shù)能整體描述爐況特征，需要根據(jù)不同工藝特點選擇，其次參數(shù)能夠相對快速的獲取，為冶金模型的反饋修正提供依據(jù)。就氧氣底吹銅熔煉過程而言可選取銅锍品位、熔煉渣鐵硅比，以及熔煉渣溫度作為目標控制參數(shù)。具體要求如表1所示。

表1 氧氣底吹銅熔煉目標控制參數(shù)

2.3 確定假設(shè)條件及參數(shù)

為了獲取反應(yīng)體系無法測量的數(shù)據(jù)和建立平衡方程所需的雜質(zhì)元素分配比，需要依據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和冶煉工藝專家知識經(jīng)驗進行合理假設(shè)，并在運行過程中不斷修正調(diào)整。如熔煉渣中單質(zhì)銅、磁性鐵的質(zhì)量百分比，加料口漏風(fēng)量等。元素分配比是指某元素相對于銅精礦在熔煉產(chǎn)物銅锍、爐渣、煙氣三項中分配百分比，其和為100%。如假設(shè)砷元素在三相中的分配比分別為8%、12%、80%。

2.4 建立冶金平衡方程

2.4.1 元素平衡

構(gòu)建反應(yīng)過程的元素平衡方程是建立冶金平衡方程的基礎(chǔ)和首要任務(wù)，通常包含以下四個方面的條件。

1)對于單個元素，其投入量與產(chǎn)出量相等，同時滿足投入物總量與產(chǎn)出物總量相等。

2)對于單個投入物或產(chǎn)出物，其元素質(zhì)量分數(shù)之和為100%。

3)目標約束，即表1中所列目標控制參數(shù)三項。

4)其他約束，假設(shè)條件中產(chǎn)出物中元素或組分成分等約束，即2.3節(jié)所述假設(shè)參數(shù)及雜質(zhì)元素分配比。

2.4.2 熱量平衡

對于反應(yīng)體系而言，其熱收入包括投入物料顯熱及化學(xué)反應(yīng)熱兩項。

1)投入物料顯熱。投入物包括加入底吹熔煉爐內(nèi)的銅精礦、渣精礦、熔劑、燃料、返渣、返塵、冷料等，其顯熱計算根據(jù)物料中化合物的數(shù)量以及溫度，加和計算物料中所有化合物的顯熱。給定溫度T(K)下，每摩爾化合物的顯熱根據(jù)化合物的熱容系數(shù)從298 K至T(K)進行積分求出，若化合物在溫度區(qū)間范圍內(nèi)有相變熱產(chǎn)生，須對溫度區(qū)間進行分段積分并加上物質(zhì)的相變熱。

2)化學(xué)反應(yīng)熱。分別計算投入物和產(chǎn)物中的所有化合物生成焓H298并求和, 并用產(chǎn)物中的求和數(shù)值減去投入物中的求和數(shù)值，即是化學(xué)反應(yīng)熱的數(shù)值。燃燒熱也計入化學(xué)反應(yīng)熱[5]。

熱支出項包括產(chǎn)出物質(zhì)顯熱(即銅锍顯熱、爐渣顯熱、煙氣和煙塵)以及熱損失兩項，以往的熱平衡計算習(xí)慣把分解熱、蒸發(fā)熱等作為熱支出項，這些化學(xué)反應(yīng)熱中的一種，可以合并移入到熱收入中的化學(xué)反應(yīng)熱一項(添加負號)。熱損失包括爐體循環(huán)冷卻水帶走熱量，及爐體與環(huán)境對流換熱、輻射換熱損失的熱量。

2.5 求解方法及迭代計算

1)假定計算熱平衡調(diào)整項初始值(一般為燃料的量或燃料率)，利用高斯迭代法求解元素平衡多元線性一次方程組，得到滿足元素平衡條件的體系反應(yīng)物和生成物的各項物相組成百分比及質(zhì)量。

2)調(diào)用系統(tǒng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫查詢計算API接口，得到各組分物相化合物的標準摩爾生成焓及相應(yīng)溫度下的化合物顯熱。

3)依據(jù)上述熱平衡計算理論，得到各反應(yīng)物和生成物的顯熱及298 K下的化學(xué)反應(yīng)熱，并歸入熱收入或熱支出項。

4)依據(jù)爐體條件計算自然散熱，包含爐壁輻射散熱、爐口對流輻射散熱及其他自定義熱損失3項，并歸入熱支出項。

5)判斷反應(yīng)體系內(nèi)熱收入與熱支出差值，若不滿足收斂條件(設(shè)置為熱收入與支出的差值小于等于1 kJ)，修正熱平衡調(diào)整項，再次循環(huán)進入步驟1)。

6)迭代循環(huán)計算直到滿足設(shè)定收斂條件，得到滿足元素平衡和熱平衡的投入產(chǎn)出各物相成分及質(zhì)量，結(jié)束計算數(shù)據(jù)計算。

3 在線優(yōu)化控制方法

與現(xiàn)有的冶金計算軟件不同，該程序設(shè)計直接面向有色冶煉生產(chǎn)企業(yè)，需要與現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的控制系統(tǒng)、檢測分析系統(tǒng)通訊交互，使得系統(tǒng)具備在線優(yōu)化指導(dǎo)及反饋修正功能，才能逐步修正模型中假設(shè)參數(shù)，更加符合實踐經(jīng)驗，優(yōu)化工藝過程控制參數(shù)，從而最大程度上發(fā)揮冶金計算的直接作用。軟件系統(tǒng)與生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的交互關(guān)系如圖1所示。

3.1 與PID自動化控制系統(tǒng)通訊

利用開源SDK或者函數(shù)庫，可輕松實現(xiàn)與PID自動化控制系統(tǒng)的讀寫交互，以Python編程語言為例，第三方已提供開源函數(shù)庫OpenOPC，通過OPC協(xié)議實現(xiàn)生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場自動化控制系統(tǒng)的實時參數(shù)的讀寫操作，部分示例Python代碼如下所示(#為解釋語句)。

import OpenOPC # 引入第三方包

opc = OpenOPC.client() # 實例化客戶端

#從配置文件讀取OPC服務(wù)端信息

opc.connect(OPC_SERVER, OPC_HOST)

#讀取OPC標簽數(shù)據(jù)

Data = opc.read(tags="tag_name", include_error=True)

#寫入OPC標簽值，以二維元組構(gòu)成的列表作為參數(shù)

Data = opc.write([("tag_name","tag_value")], include_error=True)

圖1 冶金數(shù)模系統(tǒng)與生產(chǎn)環(huán)境信息交互關(guān)系圖

3.2 與檢測分析系統(tǒng)通訊

生產(chǎn)企業(yè)的原料成分及中間產(chǎn)物成分的化驗分析一般由獨立的化驗分析部門完成，經(jīng)過熒光分析儀等設(shè)備化驗分析得到送檢物料的元素質(zhì)量百分比，基于互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP或HTTP通訊協(xié)議，開發(fā)化驗分析數(shù)據(jù)的通訊，實現(xiàn)了分析結(jié)果的自動推送與數(shù)據(jù)存儲。因不同物料的化驗元素不同，同樣不宜采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，應(yīng)采用MongoDB文檔型數(shù)據(jù)庫存儲。

4 結(jié)論

本文所述系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)銅熔煉工藝流程的可視化及工藝冶金在線計算，有效解決單獨依賴PID自動化控制系統(tǒng)的諸多問題。以工藝過程分析和機理數(shù)學(xué)模型計算為核心，以工控網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)為信息載體(即實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和離散獲取化驗分析數(shù)據(jù))，準確快速地分析計算出不同爐料和工藝條件下的操作參數(shù)，并自動地將計算結(jié)果寫回PID自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)控制參數(shù)的自動計算和在線指導(dǎo)，提高生產(chǎn)作業(yè)率，提升生產(chǎn)工藝指

標，使冶煉生產(chǎn)過程達到穩(wěn)定控制和高效經(jīng)濟。