补偿式烧结终点预报方案

李福进，王子兵，张涛

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山 063009)

0 引言

烧结终点位置是由料层厚度及垂直烧结速度决定的，由于烧结过程包括非常复杂的物理化学过程［1］，垂直烧结速度的影响因素甚至多达二十几项，所以直接建立烧结工艺因素与烧结终点位置的精确关联模型十分困难，从而导致烧结终点预报存在较大的现实困难。目前，工业上常采用以热状态为基础的废气温度法来预报烧结终点，但由于烧结料层热状态的迁移特征不适合对烧结终点进行前置性预报，所以预报结果存在较大的滞后性，从而导致烧结终点调节过程存在极大的震荡性［2］。本文通过烧结过程的研究，对烧结过程反应状态迁移特征与烧结终点位置的关联特性进行了探讨，提出了基础预报与应急预报相结合的补偿式预报方案。补偿式预报可以提高预报的前置度及精度，降低烧结终点调节的震荡性。

1 烧结料层的反应特点及反应状态描述

近代烧结过程是一种抽风式烧结过程，混合料(铁矿粉、燃料、溶剂及返矿)配以一定量的水分造球后，铺在烧结机的炉箅上在抽风机的负压下点火，使预先混合在原料中的燃料(焦粉)燃烧，燃烧热使矿粉进行熔融或半熔融反应。随着台车向前移动，混合料自上而下逐渐烧透形成烧结矿。处在烧结过程的料层自上而下分为五个反应带，表1是在烧结杯实验中，五个反应带在烧结过程中的反应状态的实测描述。

表1 五个反应带在烧结过程中反应状态的实测描述

2 废气温度与烧结终点的关联指向度分析

根据烧结机理，烧结料层物理化学过程决定各反应带的热状态，而反应带的热状态最终决定烧结废气温度值，由表1描述的各反应带的热状态情况，在预热带接触烧结机链排表面(预热带触底)以前，烧结废气温度基本维持在50～60℃不变，只有当干燥层下表面移动到烧结机链排表面以后，烧结废气温度才开始不断升高，直至燃烧层上表面移动到烧结机链排表面(燃烧带触底)时，烧结废气温度达到最高值，之后，由于化学过程结束，烧结废气温度不断下降。燃烧带触底点实际就是烧结终点。图1为某烧结机烧结废气温度分布曲线的实测及模拟结果。图中，拐点1即预热带下表面触底点位置，拐点2为烧结终点位置。

图1 烧结废气温度分布曲线

对实测及模拟结果进行分析，有如下结论:

1)在拐点1以前，烧结废气温度基本处于恒定值，烧结工艺因素的变化不影响烧结废气温度，即烧结废气温度对工艺因素波动无区别性特征，所以说拐点1前的烧结废气温度对烧结终点的关联指向度为零，拐点1前的废气温度不适宜作为预报指针。

2)影响垂直烧结速度的工艺因素发生变化时，预热带下表面触底点位置与燃烧带触底点位置会发生同方向变化，因此烧结废气温度曲线拐点1对烧结终点波动方向具有精确的方向关联指向度。但烧结终点波动量并不由曲线拐点1单独决定，还与拐点1后上升段曲线的斜率关联，所以拐点1可以作为烧结终点波动方向预报指针，但不能独立作为烧结终点波动量预报指针。

3)影响垂直烧结速度的工艺因素发生变化时，拐点1后上升段曲线各点的废气温度会发生变化，从而导致烧结终点的变化，因此拐点1后上升段曲线各点的废气温度对烧结终点存在关联指向度。应该注意的是，上升段曲线独立点的废气温度与烧结终点并不是单一映射的关系，因为烧结终点位置还与拐点1的位置及曲线的斜率分布有关。所以，上升段曲线独立点的废气温度对烧结终点的指向度呈发散性质。所以，目前烧结终点预报技术中，普遍采用的利用上升段曲线某一点废气温度来预报烧结终点的方法存在较大误差，甚至有时会产生方向性错误。

4)通过分析，烧结终点的预报指针参数为曲线拐点1位置及拐点1后上升段曲线斜率，必须同时测得上述两个指针参数值才能准确预报烧结终点。

5)在烧结废气温度曲线上，对烧结终点具有指向功能的废气温度基本处于烧结机尾部，所以，利用烧结废气温度预报烧结终点具有较大的滞后性，即只能实现应急预报，无法实现前置预报。

工业上普遍采用的烧结废气温度预报法，多以废气温度上升区段内某一点温度为预报指针参数判断烧结终点的波动方向及波动量并进行模糊调节。实践证明，上述预报方法存在滞后性并导致调节的震荡性，其根本原因有以下几点:

1)根据前面分析，具有终点预报指针特征的烧结废气温度区段一般占整个烧结时间1/5左右，利用该区段废气温度升降预报终点偏移情况的提前度只有20%左右，滞后性过大，前置度太低。

2)由于上升段曲线某一点的废气温度对烧结终点的指向度呈发散性质，所以通过某一点废气温度变化预报烧结终点波动方向及具体数值都会出现较大误差，势必导致震荡调节，不利于稳定生产。

3 烧结料层透气性与烧结终点的关联指向度分析

烧结料层的五个反应带对气体流动的阻力特性不同，成矿带气体流阻主要与料层孔隙率有关，燃烧带及预热带气体流阻主要取决于物理化学反应情况，干燥带及过湿带气体流阻主要取决于颗粒润湿状态。对于一定的生产条件而言，各反应带的厚度发生如下变化:燃烧带及预热带厚度在点火期逐渐变厚，正常着火后，二者厚度在一定范围内基本维持不变，预热带触底以后，二者的厚度又逐渐减小直至消失。在烧结过程中，随着燃烧带的下移，成矿带厚度是持续增加，在烧结终点位置成矿层厚度等于料层总厚度，达到最大;而过湿带厚度持续变薄，在预热带触底点位置消失。研究表明，工艺因素发生波动时，料层的总阻力损失值在点火阶段及预热带触底后的变化规律较难描述，而在中间阶段呈现出稳定的、可统计描述的变化规律，由于中间阶段料层总阻力损失值的变化只取决于燃烧带下移速度(垂直烧结速度)，所以中间阶段料层总阻力损失值的变化对预热带触底点有非常好的指向度。由于成矿带孔隙率高于过湿带，且过湿带湿度较高，相同厚度时过湿带的阻力高于成矿带阻力，所以随着烧结过程的进行料层总阻力损失值在该区段呈近似线性下降趋势，料层总阻力损失曲线的斜率反应了垂直烧结速率的大小。生产条件改变时，燃烧带下移速度(垂直烧结速度)随之改变，中间料层总阻力损失曲线的斜率也发生变化。图2为某烧结机底部废气负压的实测及模拟曲线:0-1区段:该区段为烧结点火阶段，料层透气性取决于两个相反方向变化，即成矿带变厚及过湿带变薄导致料层透气性变好，而燃烧带、预热带及干燥带变厚使料层透气性变差，由于后者影响大于前者，所以料层透气性总体呈变差趋势，负压升高。1-2区段:该区段为烧结主要反应阶段，燃烧带、预热带及干燥带厚度基本恒定，但成矿带持续变厚及过湿带持续变薄，所以透气性变好，负压下降。2-3区段:化学反应带破坏阶段;拐点3以后区段:该区段为烧结矿冷却段，燃烧带以下的反应带消失，料层全部为烧结成矿，料层透气性达到最好且基本稳定，废气负压基本恒定，拐点3对应的位置即烧结终点位置。

图2 烧结废气负压分布曲线

对实测及模拟结果进行分析，有如下结论:

1)1-2区段料层总阻力损失值的变化对预热带触底点有非常好的指向度，利用该区段烧结废气负压的变化率可以比较准确的预报预热带触底点位置。

2)预热带触底点位置后，化学反应带破坏阶段的烧结废气负压随影响因素的变化十分复杂，对烧结终点位置的指向不十分明确，不适宜作为烧结终点预报指针。

4 补偿式烧结终点预报法模型

烧结生产过程对烧结终点预报的基本要求有三点:一是预报需要有较高的前置度，以避免调节滞后;二是预报要有较高的精度，以避免震荡调节;三是预报指针要映射明确、易于直接测定。通过上面分析，废气温度法(热状态法)或废气负压法(透气性状态法)均无法独立满足上述三项要求，废气温度法由于预报指针位置距烧结终点的位置太近，预报结果的前置度太低，其实质只能是应急预报，其指导的调节只能是应急调节，且由于废气温度指针参数与烧结终点的映射关系不确定性较大，预报精度也较低，所以废气温度预报法总是导致大振幅的振荡调节。废气负压法可以大幅度提高预报的前置度，前置度最高可达70%，但由于预热带触底后料层的阻力特性较难描述，所以单纯的废气负压法也存在预报精度较低的问题。

补偿式烧结终补点预报法是利用透气性状态法与热状态法在前置度及预报精度方面能够相互补偿的特点，采用废气压力曲线及废气温度曲线联合预报烧结终点的方法。补偿式烧结终点预报法的具体方案如下:

1)补偿式烧结终点预报法采用前置预报与应急预报相结合的方法，前置预报以废气负压曲线为预报指针，但预报的直接目标不再是烧结终点位置，而是预热带触底点位置，其预报结果指导基础性调节(调节项目主要为配料、粒度、料层厚度等)。应急预报以预热带触底点位置为预报基准点，以废气温度曲线为预报指针，其实质是通过预热带触底点位置的传递对烧结终点进行补偿性预报。应急预报的结果指导应急调节(调节项目主要为机速)。

2)为了提高预报精度，无论前置预报还是应急预报，映射函数均不采用利用绝对参数拟合标准曲线的方法，而是以上一时段实测曲线为基准，利用差比转换的方法生成无因次预报指针，在再利用神经网络法对目标进行预报。预报指针的无因次化可以剔除非变工艺因素对指针参数绝对数值的影响，使波动工艺参数与预报指针之间的映射更明确，从而将多元问题降元化处理。下面以烧结废气负压曲线为例说明无因次预报指针的生成方法:

⑴某一时刻，确定烧结机下第一风室位置的料层为预报控制对象，利用机速值计算该控制对象到达后续诸风室的时间;

⑵依次跟踪测定控制对象经过各风室时的废气温度及负压;

⑶当废气负压出现峰值后，记录峰值点后四个风室的负压值，设废气负压出现峰值的风箱号为i，即预报对象在第i风室出现负压峰值，其值记为Pi，其后四个风室负压分别为Pi+1、Pi+2、Pi+3、Pi+4，则烧结废气负压曲线无因次预报指针按表2方法生成，表2为前置预报指针的无因次指针生成模型。

表2 前置预报指针的无因次指针生成模型

由表2，废气负压指针的平均值为:R=(R1+R2+R3)/3，设预热带触底点的风箱号为N，则N满足下式:

式中

PN—预热带触底点处所在风室的废气负压预报值。

上式与垂直烧结速度的定义式联立，可以预报出研究对象预热带触底点的位置。应急预报的无因次化指针的生成方式类同。

补偿式烧结终点预报法的优点如下:

1)补偿式预报法采用中间目标传递法替代单一目标法，即一级预报目标为预热带触底点，二级目标才是烧结终点。该方法对烧结终点波动方向的预报十分准确，因而可以大幅度降低调节的震荡性

2)补偿式预报法的预报指针位置提前，预报的前置度大幅度提高。

3)补偿式预报法采用基础预报与应急预报相互补偿的预报方法，由于基础预报的预报目标提前至预热带触底点，所以基础预报具有对预报模型进行中间校验的功能，利用校验结果指导对应急模型的修正。所以该预报方法可以大幅度提高预报模型精度。

4)补偿式预报法采用无因次指针，对映射关系进行降元处理，预报模型的科学性提高。

5 结论

1)以单个风箱废气温度为预报指针预报烧结终点时，由于废气温度与烧结终点的映射关系呈发散特性，所以将导致调节的振荡性。

2)利用烧结料层透气性状态预报烧结终点可以使预报前置度提高50%左右。

3)采用无因次预报指针，对波动变量进行降元处理，可提高预报的精确度。

4)以透气性状态法作为前置性预报、以热状态法作为补偿性预报的补偿式烧结终点预报法，既能提高预报精度，又能提高预报的前置度，大幅度降低调节的滞后性，减轻调节的震荡性。

［1］范晓慧，黄天正等.烧结过程专家控制系统［J］，中南工业大学学报，2000，29(6):535-537.

［2］甘辉.烧结终点预测的应用研究［J］，安徽工业大学学报，2010，27(3):299-304.