李福進(jìn)，王子兵，張濤

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063009)

0 引言

燒結(jié)終點(diǎn)位置是由料層厚度及垂直燒結(jié)速度決定的，由于燒結(jié)過程包括非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程［1］，垂直燒結(jié)速度的影響因素甚至多達(dá)二十幾項(xiàng)，所以直接建立燒結(jié)工藝因素與燒結(jié)終點(diǎn)位置的精確關(guān)聯(lián)模型十分困難，從而導(dǎo)致燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)存在較大的現(xiàn)實(shí)困難。目前，工業(yè)上常采用以熱狀態(tài)為基礎(chǔ)的廢氣溫度法來預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)，但由于燒結(jié)料層熱狀態(tài)的遷移特征不適合對燒結(jié)終點(diǎn)進(jìn)行前置性預(yù)報(bào)，所以預(yù)報(bào)結(jié)果存在較大的滯后性，從而導(dǎo)致燒結(jié)終點(diǎn)調(diào)節(jié)過程存在極大的震蕩性［2］。本文通過燒結(jié)過程的研究，對燒結(jié)過程反應(yīng)狀態(tài)遷移特征與燒結(jié)終點(diǎn)位置的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行了探討，提出了基礎(chǔ)預(yù)報(bào)與應(yīng)急預(yù)報(bào)相結(jié)合的補(bǔ)償式預(yù)報(bào)方案。補(bǔ)償式預(yù)報(bào)可以提高預(yù)報(bào)的前置度及精度，降低燒結(jié)終點(diǎn)調(diào)節(jié)的震蕩性。

1 燒結(jié)料層的反應(yīng)特點(diǎn)及反應(yīng)狀態(tài)描述

近代燒結(jié)過程是一種抽風(fēng)式燒結(jié)過程，混合料(鐵礦粉、燃料、溶劑及返礦)配以一定量的水分造球后，鋪在燒結(jié)機(jī)的爐箅上在抽風(fēng)機(jī)的負(fù)壓下點(diǎn)火，使預(yù)先混合在原料中的燃料(焦粉)燃燒，燃燒熱使礦粉進(jìn)行熔融或半熔融反應(yīng)。隨著臺車向前移動，混合料自上而下逐漸燒透形成燒結(jié)礦。處在燒結(jié)過程的料層自上而下分為五個(gè)反應(yīng)帶，表1是在燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)中，五個(gè)反應(yīng)帶在燒結(jié)過程中的反應(yīng)狀態(tài)的實(shí)測描述。

表1 五個(gè)反應(yīng)帶在燒結(jié)過程中反應(yīng)狀態(tài)的實(shí)測描述

2 廢氣溫度與燒結(jié)終點(diǎn)的關(guān)聯(lián)指向度分析

根據(jù)燒結(jié)機(jī)理，燒結(jié)料層物理化學(xué)過程決定各反應(yīng)帶的熱狀態(tài)，而反應(yīng)帶的熱狀態(tài)最終決定燒結(jié)廢氣溫度值，由表1描述的各反應(yīng)帶的熱狀態(tài)情況，在預(yù)熱帶接觸燒結(jié)機(jī)鏈排表面(預(yù)熱帶觸底)以前，燒結(jié)廢氣溫度基本維持在50～60℃不變，只有當(dāng)干燥層下表面移動到燒結(jié)機(jī)鏈排表面以后，燒結(jié)廢氣溫度才開始不斷升高，直至燃燒層上表面移動到燒結(jié)機(jī)鏈排表面(燃燒帶觸底)時(shí)，燒結(jié)廢氣溫度達(dá)到最高值，之后，由于化學(xué)過程結(jié)束，燒結(jié)廢氣溫度不斷下降。燃燒帶觸底點(diǎn)實(shí)際就是燒結(jié)終點(diǎn)。圖1為某燒結(jié)機(jī)燒結(jié)廢氣溫度分布曲線的實(shí)測及模擬結(jié)果。圖中，拐點(diǎn)1即預(yù)熱帶下表面觸底點(diǎn)位置，拐點(diǎn)2為燒結(jié)終點(diǎn)位置。

圖1 燒結(jié)廢氣溫度分布曲線

對實(shí)測及模擬結(jié)果進(jìn)行分析，有如下結(jié)論:

1)在拐點(diǎn)1以前，燒結(jié)廢氣溫度基本處于恒定值，燒結(jié)工藝因素的變化不影響燒結(jié)廢氣溫度，即燒結(jié)廢氣溫度對工藝因素波動無區(qū)別性特征，所以說拐點(diǎn)1前的燒結(jié)廢氣溫度對燒結(jié)終點(diǎn)的關(guān)聯(lián)指向度為零，拐點(diǎn)1前的廢氣溫度不適宜作為預(yù)報(bào)指針。

2)影響垂直燒結(jié)速度的工藝因素發(fā)生變化時(shí)，預(yù)熱帶下表面觸底點(diǎn)位置與燃燒帶觸底點(diǎn)位置會發(fā)生同方向變化，因此燒結(jié)廢氣溫度曲線拐點(diǎn)1對燒結(jié)終點(diǎn)波動方向具有精確的方向關(guān)聯(lián)指向度。但燒結(jié)終點(diǎn)波動量并不由曲線拐點(diǎn)1單獨(dú)決定，還與拐點(diǎn)1后上升段曲線的斜率關(guān)聯(lián)，所以拐點(diǎn)1可以作為燒結(jié)終點(diǎn)波動方向預(yù)報(bào)指針，但不能獨(dú)立作為燒結(jié)終點(diǎn)波動量預(yù)報(bào)指針。

3)影響垂直燒結(jié)速度的工藝因素發(fā)生變化時(shí)，拐點(diǎn)1后上升段曲線各點(diǎn)的廢氣溫度會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致燒結(jié)終點(diǎn)的變化，因此拐點(diǎn)1后上升段曲線各點(diǎn)的廢氣溫度對燒結(jié)終點(diǎn)存在關(guān)聯(lián)指向度。應(yīng)該注意的是，上升段曲線獨(dú)立點(diǎn)的廢氣溫度與燒結(jié)終點(diǎn)并不是單一映射的關(guān)系，因?yàn)闊Y(jié)終點(diǎn)位置還與拐點(diǎn)1的位置及曲線的斜率分布有關(guān)。所以，上升段曲線獨(dú)立點(diǎn)的廢氣溫度對燒結(jié)終點(diǎn)的指向度呈發(fā)散性質(zhì)。所以，目前燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)技術(shù)中，普遍采用的利用上升段曲線某一點(diǎn)廢氣溫度來預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)的方法存在較大誤差，甚至有時(shí)會產(chǎn)生方向性錯(cuò)誤。

4)通過分析，燒結(jié)終點(diǎn)的預(yù)報(bào)指針參數(shù)為曲線拐點(diǎn)1位置及拐點(diǎn)1后上升段曲線斜率，必須同時(shí)測得上述兩個(gè)指針參數(shù)值才能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)。

5)在燒結(jié)廢氣溫度曲線上，對燒結(jié)終點(diǎn)具有指向功能的廢氣溫度基本處于燒結(jié)機(jī)尾部，所以，利用燒結(jié)廢氣溫度預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)具有較大的滯后性，即只能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)報(bào)，無法實(shí)現(xiàn)前置預(yù)報(bào)。

工業(yè)上普遍采用的燒結(jié)廢氣溫度預(yù)報(bào)法，多以廢氣溫度上升區(qū)段內(nèi)某一點(diǎn)溫度為預(yù)報(bào)指針參數(shù)判斷燒結(jié)終點(diǎn)的波動方向及波動量并進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)。實(shí)踐證明，上述預(yù)報(bào)方法存在滯后性并導(dǎo)致調(diào)節(jié)的震蕩性，其根本原因有以下幾點(diǎn):

1)根據(jù)前面分析，具有終點(diǎn)預(yù)報(bào)指針特征的燒結(jié)廢氣溫度區(qū)段一般占整個(gè)燒結(jié)時(shí)間1/5左右，利用該區(qū)段廢氣溫度升降預(yù)報(bào)終點(diǎn)偏移情況的提前度只有20%左右，滯后性過大，前置度太低。

2)由于上升段曲線某一點(diǎn)的廢氣溫度對燒結(jié)終點(diǎn)的指向度呈發(fā)散性質(zhì)，所以通過某一點(diǎn)廢氣溫度變化預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)波動方向及具體數(shù)值都會出現(xiàn)較大誤差，勢必導(dǎo)致震蕩調(diào)節(jié)，不利于穩(wěn)定生產(chǎn)。

3 燒結(jié)料層透氣性與燒結(jié)終點(diǎn)的關(guān)聯(lián)指向度分析

燒結(jié)料層的五個(gè)反應(yīng)帶對氣體流動的阻力特性不同，成礦帶氣體流阻主要與料層孔隙率有關(guān)，燃燒帶及預(yù)熱帶氣體流阻主要取決于物理化學(xué)反應(yīng)情況，干燥帶及過濕帶氣體流阻主要取決于顆粒潤濕狀態(tài)。對于一定的生產(chǎn)條件而言，各反應(yīng)帶的厚度發(fā)生如下變化:燃燒帶及預(yù)熱帶厚度在點(diǎn)火期逐漸變厚，正常著火后，二者厚度在一定范圍內(nèi)基本維持不變，預(yù)熱帶觸底以后，二者的厚度又逐漸減小直至消失。在燒結(jié)過程中，隨著燃燒帶的下移，成礦帶厚度是持續(xù)增加，在燒結(jié)終點(diǎn)位置成礦層厚度等于料層總厚度，達(dá)到最大;而過濕帶厚度持續(xù)變薄，在預(yù)熱帶觸底點(diǎn)位置消失。研究表明，工藝因素發(fā)生波動時(shí)，料層的總阻力損失值在點(diǎn)火階段及預(yù)熱帶觸底后的變化規(guī)律較難描述，而在中間階段呈現(xiàn)出穩(wěn)定的、可統(tǒng)計(jì)描述的變化規(guī)律，由于中間階段料層總阻力損失值的變化只取決于燃燒帶下移速度(垂直燒結(jié)速度)，所以中間階段料層總阻力損失值的變化對預(yù)熱帶觸底點(diǎn)有非常好的指向度。由于成礦帶孔隙率高于過濕帶，且過濕帶濕度較高，相同厚度時(shí)過濕帶的阻力高于成礦帶阻力，所以隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行料層總阻力損失值在該區(qū)段呈近似線性下降趨勢，料層總阻力損失曲線的斜率反應(yīng)了垂直燒結(jié)速率的大小。生產(chǎn)條件改變時(shí)，燃燒帶下移速度(垂直燒結(jié)速度)隨之改變，中間料層總阻力損失曲線的斜率也發(fā)生變化。圖2為某燒結(jié)機(jī)底部廢氣負(fù)壓的實(shí)測及模擬曲線:0-1區(qū)段:該區(qū)段為燒結(jié)點(diǎn)火階段，料層透氣性取決于兩個(gè)相反方向變化，即成礦帶變厚及過濕帶變薄導(dǎo)致料層透氣性變好，而燃燒帶、預(yù)熱帶及干燥帶變厚使料層透氣性變差，由于后者影響大于前者，所以料層透氣性總體呈變差趨勢，負(fù)壓升高。1-2區(qū)段:該區(qū)段為燒結(jié)主要反應(yīng)階段，燃燒帶、預(yù)熱帶及干燥帶厚度基本恒定，但成礦帶持續(xù)變厚及過濕帶持續(xù)變薄，所以透氣性變好，負(fù)壓下降。2-3區(qū)段:化學(xué)反應(yīng)帶破壞階段;拐點(diǎn)3以后區(qū)段:該區(qū)段為燒結(jié)礦冷卻段，燃燒帶以下的反應(yīng)帶消失，料層全部為燒結(jié)成礦，料層透氣性達(dá)到最好且基本穩(wěn)定，廢氣負(fù)壓基本恒定，拐點(diǎn)3對應(yīng)的位置即燒結(jié)終點(diǎn)位置。

圖2 燒結(jié)廢氣負(fù)壓分布曲線

對實(shí)測及模擬結(jié)果進(jìn)行分析，有如下結(jié)論:

1)1-2區(qū)段料層總阻力損失值的變化對預(yù)熱帶觸底點(diǎn)有非常好的指向度，利用該區(qū)段燒結(jié)廢氣負(fù)壓的變化率可以比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)熱帶觸底點(diǎn)位置。

2)預(yù)熱帶觸底點(diǎn)位置后，化學(xué)反應(yīng)帶破壞階段的燒結(jié)廢氣負(fù)壓隨影響因素的變化十分復(fù)雜，對燒結(jié)終點(diǎn)位置的指向不十分明確，不適宜作為燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)指針。

4 補(bǔ)償式燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)法模型

燒結(jié)生產(chǎn)過程對燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)的基本要求有三點(diǎn):一是預(yù)報(bào)需要有較高的前置度，以避免調(diào)節(jié)滯后;二是預(yù)報(bào)要有較高的精度，以避免震蕩調(diào)節(jié);三是預(yù)報(bào)指針要映射明確、易于直接測定。通過上面分析，廢氣溫度法(熱狀態(tài)法)或廢氣負(fù)壓法(透氣性狀態(tài)法)均無法獨(dú)立滿足上述三項(xiàng)要求，廢氣溫度法由于預(yù)報(bào)指針位置距燒結(jié)終點(diǎn)的位置太近，預(yù)報(bào)結(jié)果的前置度太低，其實(shí)質(zhì)只能是應(yīng)急預(yù)報(bào)，其指導(dǎo)的調(diào)節(jié)只能是應(yīng)急調(diào)節(jié)，且由于廢氣溫度指針參數(shù)與燒結(jié)終點(diǎn)的映射關(guān)系不確定性較大，預(yù)報(bào)精度也較低，所以廢氣溫度預(yù)報(bào)法總是導(dǎo)致大振幅的振蕩調(diào)節(jié)。廢氣負(fù)壓法可以大幅度提高預(yù)報(bào)的前置度，前置度最高可達(dá)70%，但由于預(yù)熱帶觸底后料層的阻力特性較難描述，所以單純的廢氣負(fù)壓法也存在預(yù)報(bào)精度較低的問題。

補(bǔ)償式燒結(jié)終補(bǔ)點(diǎn)預(yù)報(bào)法是利用透氣性狀態(tài)法與熱狀態(tài)法在前置度及預(yù)報(bào)精度方面能夠相互補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，采用廢氣壓力曲線及廢氣溫度曲線聯(lián)合預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)的方法。補(bǔ)償式燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)法的具體方案如下:

1)補(bǔ)償式燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)法采用前置預(yù)報(bào)與應(yīng)急預(yù)報(bào)相結(jié)合的方法，前置預(yù)報(bào)以廢氣負(fù)壓曲線為預(yù)報(bào)指針，但預(yù)報(bào)的直接目標(biāo)不再是燒結(jié)終點(diǎn)位置，而是預(yù)熱帶觸底點(diǎn)位置，其預(yù)報(bào)結(jié)果指導(dǎo)基礎(chǔ)性調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)項(xiàng)目主要為配料、粒度、料層厚度等)。應(yīng)急預(yù)報(bào)以預(yù)熱帶觸底點(diǎn)位置為預(yù)報(bào)基準(zhǔn)點(diǎn)，以廢氣溫度曲線為預(yù)報(bào)指針，其實(shí)質(zhì)是通過預(yù)熱帶觸底點(diǎn)位置的傳遞對燒結(jié)終點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償性預(yù)報(bào)。應(yīng)急預(yù)報(bào)的結(jié)果指導(dǎo)應(yīng)急調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)項(xiàng)目主要為機(jī)速)。

2)為了提高預(yù)報(bào)精度，無論前置預(yù)報(bào)還是應(yīng)急預(yù)報(bào)，映射函數(shù)均不采用利用絕對參數(shù)擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法，而是以上一時(shí)段實(shí)測曲線為基準(zhǔn)，利用差比轉(zhuǎn)換的方法生成無因次預(yù)報(bào)指針，在再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對目標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)指針的無因次化可以剔除非變工藝因素對指針參數(shù)絕對數(shù)值的影響，使波動工藝參數(shù)與預(yù)報(bào)指針之間的映射更明確，從而將多元問題降元化處理。下面以燒結(jié)廢氣負(fù)壓曲線為例說明無因次預(yù)報(bào)指針的生成方法:

⑴某一時(shí)刻，確定燒結(jié)機(jī)下第一風(fēng)室位置的料層為預(yù)報(bào)控制對象，利用機(jī)速值計(jì)算該控制對象到達(dá)后續(xù)諸風(fēng)室的時(shí)間;

⑵依次跟蹤測定控制對象經(jīng)過各風(fēng)室時(shí)的廢氣溫度及負(fù)壓;

⑶當(dāng)廢氣負(fù)壓出現(xiàn)峰值后，記錄峰值點(diǎn)后四個(gè)風(fēng)室的負(fù)壓值，設(shè)廢氣負(fù)壓出現(xiàn)峰值的風(fēng)箱號為i，即預(yù)報(bào)對象在第i風(fēng)室出現(xiàn)負(fù)壓峰值，其值記為Pi，其后四個(gè)風(fēng)室負(fù)壓分別為Pi+1、Pi+2、Pi+3、Pi+4，則燒結(jié)廢氣負(fù)壓曲線無因次預(yù)報(bào)指針按表2方法生成，表2為前置預(yù)報(bào)指針的無因次指針生成模型。

表2 前置預(yù)報(bào)指針的無因次指針生成模型

由表2，廢氣負(fù)壓指針的平均值為:R=(R1+R2+R3)/3，設(shè)預(yù)熱帶觸底點(diǎn)的風(fēng)箱號為N，則N滿足下式:

式中

PN—預(yù)熱帶觸底點(diǎn)處所在風(fēng)室的廢氣負(fù)壓預(yù)報(bào)值。

上式與垂直燒結(jié)速度的定義式聯(lián)立，可以預(yù)報(bào)出研究對象預(yù)熱帶觸底點(diǎn)的位置。應(yīng)急預(yù)報(bào)的無因次化指針的生成方式類同。

補(bǔ)償式燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)法的優(yōu)點(diǎn)如下:

1)補(bǔ)償式預(yù)報(bào)法采用中間目標(biāo)傳遞法替代單一目標(biāo)法，即一級預(yù)報(bào)目標(biāo)為預(yù)熱帶觸底點(diǎn)，二級目標(biāo)才是燒結(jié)終點(diǎn)。該方法對燒結(jié)終點(diǎn)波動方向的預(yù)報(bào)十分準(zhǔn)確，因而可以大幅度降低調(diào)節(jié)的震蕩性

2)補(bǔ)償式預(yù)報(bào)法的預(yù)報(bào)指針位置提前，預(yù)報(bào)的前置度大幅度提高。

3)補(bǔ)償式預(yù)報(bào)法采用基礎(chǔ)預(yù)報(bào)與應(yīng)急預(yù)報(bào)相互補(bǔ)償?shù)念A(yù)報(bào)方法，由于基礎(chǔ)預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)目標(biāo)提前至預(yù)熱帶觸底點(diǎn)，所以基礎(chǔ)預(yù)報(bào)具有對預(yù)報(bào)模型進(jìn)行中間校驗(yàn)的功能，利用校驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)對應(yīng)急模型的修正。所以該預(yù)報(bào)方法可以大幅度提高預(yù)報(bào)模型精度。

4)補(bǔ)償式預(yù)報(bào)法采用無因次指針，對映射關(guān)系進(jìn)行降元處理，預(yù)報(bào)模型的科學(xué)性提高。

5 結(jié)論

1)以單個(gè)風(fēng)箱廢氣溫度為預(yù)報(bào)指針預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)時(shí)，由于廢氣溫度與燒結(jié)終點(diǎn)的映射關(guān)系呈發(fā)散特性，所以將導(dǎo)致調(diào)節(jié)的振蕩性。

2)利用燒結(jié)料層透氣性狀態(tài)預(yù)報(bào)燒結(jié)終點(diǎn)可以使預(yù)報(bào)前置度提高50%左右。

3)采用無因次預(yù)報(bào)指針，對波動變量進(jìn)行降元處理，可提高預(yù)報(bào)的精確度。

4)以透氣性狀態(tài)法作為前置性預(yù)報(bào)、以熱狀態(tài)法作為補(bǔ)償性預(yù)報(bào)的補(bǔ)償式燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)法，既能提高預(yù)報(bào)精度，又能提高預(yù)報(bào)的前置度，大幅度降低調(diào)節(jié)的滯后性，減輕調(diào)節(jié)的震蕩性。

［1］范曉慧，黃天正等.燒結(jié)過程專家控制系統(tǒng)［J］，中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29(6):535-537.

［2］甘輝.燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)測的應(yīng)用研究［J］，安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(3):299-304.