劉靜敏，滕順高，董桂華

(1.云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102；2.昆明冶金高等?？茖W(xué)校電氣與機(jī)械學(xué)院，云南 昆明 650031)

0 引言

銅陽(yáng)極泥處理系統(tǒng)無(wú)論是采用卡爾多爐工藝技術(shù)，還是采用其他新的工藝技術(shù)，都要進(jìn)行銅陽(yáng)極泥脫銅處理。而加壓浸出這種濕法冶金強(qiáng)化反應(yīng)技術(shù)以其脫銅率高、脫銅泥含銅低、生產(chǎn)流程短、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在國(guó)內(nèi)得到快速發(fā)展[1-3]。目前，國(guó)外的瑞典波立登隆斯卡爾冶煉廠[4]，國(guó)內(nèi)的安徽銅陵[5]、陽(yáng)谷祥光[6]等陽(yáng)極泥脫銅的處理均采用高壓反應(yīng)釜熱壓浸出工藝。同時(shí)，云銅也對(duì)高壓釜浸出銅陽(yáng)極泥工藝開展了小型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：從銅陽(yáng)極泥中加壓酸浸預(yù)處理回收銅的工藝方法，陽(yáng)極泥的銅回收率高，渣液分離的脫銅渣含銅很低，陽(yáng)極泥中其他有價(jià)金屬走向合理、集中,有利于綜合回收[7]。

本文以銅陽(yáng)極泥工藝改造(由常壓脫銅改造加壓釜熱壓浸出脫銅)為載體，開發(fā)了一套加壓釜內(nèi)溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅陽(yáng)極泥脫銅處理的重要參數(shù)的監(jiān)視和自動(dòng)控制，提高了脫銅效率，優(yōu)化了各項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

1 加壓釜通氧升溫曲線設(shè)計(jì)原則

1.1 銅陽(yáng)極泥加壓浸出脫銅工藝描述

銅陽(yáng)極泥在配料槽內(nèi)加入一定量的硫酸和水，進(jìn)行合理的配比后制成料漿，通過(guò)料漿泵送至加壓釜。然后，向加壓釜通入蒸汽加熱，待釜內(nèi)物料升溫升壓到60 ℃、0.7 MPa時(shí)，通入氧氣升溫升壓，利用氧化過(guò)程的放熱反應(yīng)，升溫、升壓到140 ℃、0.92 MPa，開始保溫?cái)嚢杞?，使釜?nèi)物料中的銅及銅的化合物充分與硫酸反應(yīng)生成硫酸銅，銅由渣相轉(zhuǎn)入液相。最后，物料經(jīng)緩冷槽冷卻后泵送至壓濾機(jī)進(jìn)行固液分離以及回收處理。

銅陽(yáng)極泥加壓浸出脫銅工藝的設(shè)備與儀表配置如圖1所示。

圖1 銅陽(yáng)極泥加壓浸出脫銅工藝的設(shè)備與儀表配置圖Fig.1 Equipment and instrument configuration diagram of copper anode mud pressure leaching and copper removal process

銅陽(yáng)極泥在加壓釜內(nèi)通氧時(shí)發(fā)生反應(yīng)，而反應(yīng)放出的熱量又會(huì)加劇反應(yīng)。因此，若不能及時(shí)地提前停止通氧，劇烈的反應(yīng)將使溫度、壓力超出設(shè)定范圍，引起安全閥起跳，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起安全事故。反之，若過(guò)早停止通氧，則不能達(dá)到生產(chǎn)保溫所需的溫度，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。而實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為避免通入氧氣造成加壓釜內(nèi)壓力過(guò)高，采取的措施是控制泄壓管道上的泄壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行恒壓調(diào)節(jié)，保證加壓釜內(nèi)壓力在設(shè)定壓力范圍內(nèi)。因此，如何保證通氧過(guò)程中加壓釜內(nèi)溫度的平穩(wěn)性以及目標(biāo)溫度控制的準(zhǔn)確性，是加壓浸出控制的要點(diǎn)、難點(diǎn)，也是系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，尋找一種適應(yīng)釜內(nèi)溫度大慣性、大時(shí)滯和非線性的控制方法，是實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制和安全控制的重要保證。

1.2 加壓釜通氧升溫控制設(shè)計(jì)原則

由加壓釜脫銅工藝要求可知，其通氧升溫過(guò)程中的溫度控制應(yīng)該滿足以下原則。

①能實(shí)現(xiàn)多工況過(guò)程中的溫度平穩(wěn)控制，將釜內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在工藝規(guī)定的控制目標(biāo)附近。

②能夠快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地跟隨系統(tǒng)給定，溫度動(dòng)態(tài)控制性能良好，不會(huì)出現(xiàn)超溫情況而讓生產(chǎn)處于危險(xiǎn)境況。

③能克服大時(shí)滯、大慣性和非線性工況，保證升溫效率。

④對(duì)給定擾動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。

實(shí)際生產(chǎn)中，在銅陽(yáng)極泥通氧升溫過(guò)程中，即使關(guān)閉氧氣閥門，由于其余熱作用及含氧余量的繼續(xù)氧化作用，加壓釜內(nèi)還會(huì)繼續(xù)升溫。繼續(xù)升溫的溫度增加值是一個(gè)不確定的量。它會(huì)因釜內(nèi)物料成分不同、濃度不同、反應(yīng)過(guò)程中的擾動(dòng)等而有所變化。因此，釜內(nèi)溫度是具有大慣性、大時(shí)滯和非線性的較復(fù)雜的被控對(duì)象，一般很難得到它的精確數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)控制方法難以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度。

前期手動(dòng)操作氧氣閥門對(duì)加壓釜溫度變化情況的影響：通氧升溫過(guò)程中雖然有溫度振蕩的情況，但整體來(lái)說(shuō)，溫度不會(huì)有大起大落的變化。只是因?yàn)楦鞣N因素的影響，導(dǎo)致溫度的升高值與氧氣加入量之間呈非線性關(guān)系。因此，可以依據(jù)溫度變化的機(jī)理,采用先進(jìn)控制系統(tǒng)完成其升溫溫度的精確控制。具體流程如下。

①對(duì)于單釜次加壓釜生產(chǎn)過(guò)程，根據(jù)前面的通氧升溫過(guò)程中各參數(shù)的變化，建立數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)后續(xù)的升溫過(guò)程中各參數(shù)的變化情況，對(duì)關(guān)閥后的溫升進(jìn)行計(jì)算與預(yù)判，確定該在哪個(gè)溫度段關(guān)閉氧氣閥門。

②多釜次的加壓釜生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)收集不同釜次的通氧升溫過(guò)程數(shù)據(jù)，如加壓釜內(nèi)料量、保溫時(shí)的溫度誤差、通氧量、氧氣閥門關(guān)閉時(shí)的溫度值、釜內(nèi)壓力值等，形成經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立迭代自學(xué)習(xí)控制模型，實(shí)現(xiàn)溫度差自動(dòng)修正，消除因升溫慣性對(duì)溫度控制的準(zhǔn)確性的影響。單釜次時(shí)采用預(yù)測(cè)控制方法和多釜次生產(chǎn)后采用迭代算法，配合使用多種控制方法，完成最終的溫度精確控制。

2 通氧升溫控制數(shù)學(xué)模型的建立

此次加壓釜通氧升溫控制，選擇了預(yù)測(cè)控制模型與迭代自學(xué)習(xí)控制模型[8-12]，對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。升溫控制的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)參數(shù)在整個(gè)控制過(guò)程中不斷變化，實(shí)際上就相當(dāng)于將非線性系統(tǒng)的特性分段線性化，然后用線性模型來(lái)逼近它。因此，它們既適用于線性系統(tǒng)控制，又適用于非線性系統(tǒng)控制。

2.1 單釜次通氧升溫控制預(yù)測(cè)模型

加壓釜生產(chǎn)操作時(shí)，最初用蒸汽加熱物料，待物料加熱到60 ℃時(shí)，開始通入氧氣。此時(shí)，對(duì)加壓釜既加熱升溫又加壓。因此，以60 ℃為升溫初始值，先統(tǒng)計(jì)從60 ℃升高到65 ℃時(shí)的氧氣消耗量Q；將該量作為迭代計(jì)算的初始值，再計(jì)算從65 ℃時(shí)開始計(jì)算通入氧氣量Q后，實(shí)際升溫值與預(yù)估升溫值之間的差值；修正升溫到目標(biāo)溫度值所需要的氧氣通入量，直至快到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，預(yù)測(cè)應(yīng)該提前在多少溫度時(shí)關(guān)閥門。其基本數(shù)學(xué)公式及其推導(dǎo)過(guò)程如下。

將通氧的初始溫度定為60 ℃。先計(jì)算60 ℃升溫至65 ℃時(shí)(即以每升高5 ℃為一個(gè)預(yù)估氧氣消耗量的溫度段)消耗的氧氣量Q，并以此作為以后每個(gè)溫度段的設(shè)定通氧量；再計(jì)算從65 ℃開始通入了Q的氧氣后，加壓釜內(nèi)溫度升高到了T1_real。而通入氧氣量Q時(shí)的預(yù)估目標(biāo)溫度是70 ℃，因此，就有一個(gè)實(shí)際溫度和預(yù)估目標(biāo)溫度之間的溫度差ΔTf1=T1_real-70 ℃。然后，以此T1_real為基礎(chǔ)，預(yù)估從T1_real開始升溫時(shí)，通入了Q后，可能會(huì)達(dá)到的溫度T2_targ=T1_real+5 ℃+a×ΔTf1(a是調(diào)節(jié)系數(shù))。但當(dāng)通入了Q后，實(shí)際溫度升到了T2_real。此時(shí)，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度間就有了一個(gè)誤差ΔTf2=T2_real-T2_targ。則以T2_real為基礎(chǔ)，預(yù)估從T2_real開始通入了Q后，可能會(huì)達(dá)到的溫度T3_targ=T2_real+5 ℃+a×ΔTf2。以此類推，得到通氧升溫到第n個(gè)溫度段的預(yù)估目標(biāo)溫度。通氧過(guò)程溫度預(yù)測(cè)算法如表1所示。

表1 通氧過(guò)程溫度預(yù)測(cè)算法

從以上推理過(guò)程可知：①計(jì)算出溫度段1的升溫的誤差ΔTf1；②以初始值和實(shí)際誤差的加權(quán)值之和作為下一個(gè)溫度段的升溫過(guò)程的補(bǔ)償量，確定溫度段2的預(yù)估目標(biāo)溫度T2_targ；③溫度段2升溫結(jié)束后，又計(jì)算出一個(gè)新的補(bǔ)償量，則該補(bǔ)償量實(shí)際上是考慮了上兩個(gè)升溫段的誤差后計(jì)算出來(lái)的。

經(jīng)過(guò)以上迭代計(jì)算過(guò)程，可得出：加壓釜從Tn_real開始升溫時(shí)，通入了氧氣量Q后，預(yù)估可能會(huì)達(dá)到的溫度為T(n+1)_set=5 ℃+a×Tfn。則氧氣閥關(guān)閥時(shí)的溫度值計(jì)算式可表述為：

Tn_close=T(n+1)_targ_Tn_set+Tn_real

(1)

式中:Tn_close為關(guān)閥時(shí)的溫度值;Tn_real為最后一個(gè)通氧段的起始溫度值;T(n+1)_targ為最后一個(gè)加熱段的預(yù)估能達(dá)到的溫度;Tn_set為想要達(dá)到的反應(yīng)溫度設(shè)定值。

2.2 多釜次升溫迭代算法模型

通過(guò)前面的單釜次升溫過(guò)程的預(yù)測(cè)算法可知，當(dāng)氧氣閥關(guān)閉后，系統(tǒng)就無(wú)法調(diào)節(jié)其后續(xù)因慣性而升高的溫度。因此，僅依靠每一釜生產(chǎn)時(shí)，對(duì)其單獨(dú)的通氧過(guò)程進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)控制，未必每一釜都能達(dá)到目標(biāo)溫度?；诖耍枰诙啻蔚募訅焊a(chǎn)過(guò)程中再進(jìn)行優(yōu)化，即將每一釜次的溫度偏差與相應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和統(tǒng)計(jì)(比如加壓釜內(nèi)料量、保溫時(shí)的溫度誤差、通氧量、氧氣閥門關(guān)閉時(shí)的溫度值、釜內(nèi)壓力值等)，形成經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立迭代自學(xué)習(xí)控制模型，實(shí)現(xiàn)溫度差自動(dòng)修正，消除因升溫慣性對(duì)溫度控制的準(zhǔn)確性的影響。通過(guò)這兩種控制方法的配合使用，完成最終的溫度精確控制。

該方法主要是對(duì)單釜次生產(chǎn)時(shí)的提前關(guān)閥的溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化和補(bǔ)償。當(dāng)加壓釜生產(chǎn)了多次并積累了一定的生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，即可通過(guò)這些數(shù)據(jù)獲知現(xiàn)場(chǎng)工況的特點(diǎn)，進(jìn)一步提高溫度控制精度。該控制方法的基本思路是：將第k釜的實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的偏差值，作為第(k+1)次提前關(guān)氧氣閥的依據(jù)。其迭代公式如下：

(2)

式中:T(k+1)×n_close為第(k+1)釜在氧氣閥關(guān)閥時(shí)的預(yù)估溫度值；Tk×n_close為第k釜在氧氣閥關(guān)閥時(shí)的預(yù)估溫度值；ΔTk×i為第k釜時(shí)的卷積溫度誤差。

2.3 數(shù)學(xué)模型整合

合并式(1)和式(2)后，可得到最終第(k+1)次生產(chǎn)時(shí)，加壓釜的升溫控制數(shù)學(xué)模型，如下所示：

T(k+1)×n_close=(Tk×(n+1)_targ-Tk×n_set)+Tk×n_real-

(3)

式中:T(k+1)×n_close為第(k+1)釜在氧氣閥關(guān)閥時(shí)的預(yù)估溫度值；Tk×(n+1)_targ為第k釜在第n個(gè)通氧段的預(yù)估能達(dá)到的溫度；Tk×n_set為第k釜想要達(dá)到的反應(yīng)溫度設(shè)定值；Tk×n_real為第k釜在第n個(gè)通氧段的實(shí)際升溫溫度值；ΔTk×i為第k釜時(shí)的卷積溫度誤差。

加壓釜溫度控制的預(yù)測(cè)原理如圖2所示。保溫溫度Tset一般為140 ℃，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的溫度值Tclose是提前關(guān)閉氧氣閥時(shí)的溫度值。

圖2 加壓釜溫度控制的預(yù)測(cè)原理Fig.2 Prediction principle of temperature controlfor autoclave

3 結(jié)論

基于迭代與預(yù)測(cè)控制方法相結(jié)合的補(bǔ)償量算法設(shè)計(jì)，對(duì)加壓釜升溫過(guò)程進(jìn)行了補(bǔ)償程序控制。該方法能夠克服不同干擾量所帶來(lái)的不可控性，提高了溫度控制精度，使得生產(chǎn)時(shí)脫銅效率提高、有價(jià)金屬銅等走向更為集中、后續(xù)燃輔料消耗降低等，優(yōu)化后的各項(xiàng)指標(biāo)滿足工藝和生產(chǎn)要求。同時(shí)，因?yàn)闇囟瓤刂频臏?zhǔn)確性，使得出現(xiàn)超溫的情況大大降低，保證了生產(chǎn)過(guò)程的安全性、穩(wěn)定性與持續(xù)性。