【畢業(yè)學(xué)位論文】燒結(jié)法氧化鋁生料漿質(zhì)量預(yù)測及應(yīng)用研究-交通信息工程及控制

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 中 南 大 學(xué) 士學(xué)位論文 論文題目 燒結(jié)法氧化鋁生料漿質(zhì)量預(yù)測及應(yīng)用研究 學(xué)科、專業(yè) 交通信息工程及控制 研究生姓名 孔 玲 爽 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職稱 李 劼 教授 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘 要 配料作為氧化鋁生產(chǎn)的第一道工序， 配制的生料漿指標(biāo)的好壞不僅直接關(guān)系到熟料質(zhì)量的高低， 而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的堿平衡和水平衡具有極大的影響。然而，目前生料漿成分檢測嚴(yán)重滯后且波動(dòng)范圍大，配比難于及時(shí)調(diào)整，從而導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)控制陷入被動(dòng)。為此，研究如何建立生料漿質(zhì)量預(yù)測模 型從而實(shí)現(xiàn)配比的實(shí)時(shí)調(diào)整，對(duì)實(shí)現(xiàn)氧化鋁生產(chǎn)過程的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、提高企業(yè)競爭力都具有重要意義。 本文以中鋁集團(tuán)中州分公司氧化鋁生產(chǎn)過程為背景， 著重研究了生料漿質(zhì)量預(yù)測模型的建立和應(yīng)用。首先，在分析氧化鋁配料過程的基礎(chǔ)上，確定了影響生料漿質(zhì)量的主要因素，提出了先建立硅渣成分含量預(yù)測模型和堿液成分含量預(yù)估模型， 然后再建立生料漿質(zhì)量預(yù)測模型的分步建模法；緊接著采用 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)硅渣成分含量進(jìn)行預(yù)測，同時(shí)根據(jù)堿液槽和堿液泵的工作情況，運(yùn)用流體力學(xué)知識(shí)簡化，建立了堿液預(yù)估模型，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出為預(yù)估模型的輸入；最后，在預(yù)估模型的基礎(chǔ)上，建立基于物料平衡的機(jī)理模型，并采用,1)對(duì)機(jī)理模型的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了生料漿質(zhì)量指標(biāo)的實(shí)時(shí)預(yù)測。 在此研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于模型的 生料漿配料優(yōu)化專家系統(tǒng)，論文描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 功能和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),著重介紹了數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫和報(bào)表打印幾個(gè)技術(shù)的軟件實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件采用 +現(xiàn)了配比監(jiān)控、配比優(yōu)化 、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)管理和幫助等功能。現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明模型滿足配比優(yōu)化計(jì)算的精度要求，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配比的實(shí)時(shí)控制，提高了生料漿質(zhì)量，穩(wěn)定了生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞 生料漿，配料，質(zhì)量預(yù)測模型， ,1)， 經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 I he of up by is to of on in at it is to of of it is to of of to of by of is of of On of of in of of of by of is to of is of be is P N). to of is by of is of Ns is of is on in to of ,1) is of On a on of is in of in as in C+, of 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 II An is of of of ,1), BP 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 錄 第一章 緒論.究背景及意義 .業(yè)過程建模的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .究內(nèi)容 .文結(jié)構(gòu) .第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出.料過程工藝流程 .料漿的質(zhì)量指標(biāo) .料過程存在的問題 .響生料漿質(zhì)量的因素分析 .步建模思路的提出 .渣成分含量預(yù)測 .液成分含量預(yù)估 .料漿質(zhì)量預(yù)測 .結(jié) .第三章 硅渣成分含量預(yù)測及堿液成分含量預(yù)估.渣成分含量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型 .渣成分含量的數(shù)據(jù)分析 .于關(guān)聯(lián)度分析的輸入變量選取 .經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練 .真結(jié)果 .液成分含量的預(yù)估 .液槽和堿液泵的工作情況 .渣和碳分母液混合比例推算 .液成分含量預(yù)估 .估結(jié)果驗(yàn)證 .結(jié) .第四章 生料漿質(zhì)量預(yù)測.于物料平衡的機(jī)理模型 .M(1,1)灰色補(bǔ)償模型.色模型及特點(diǎn) .中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 V M(1,1)建模步驟.理模型與 ,1)的集成.真結(jié)果.結(jié) .第五章 基于模型的配料專家優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).統(tǒng)概述 .統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .統(tǒng)硬件平臺(tái) .統(tǒng)軟件平臺(tái) .統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) .據(jù)通信技術(shù) .據(jù)庫技術(shù) .表打印 .件功能界面設(shè)計(jì) .比監(jiān)視 .據(jù)管理 .比輸出 .息輸入 .助 .業(yè)應(yīng)用效果與分析 .結(jié) .第六章 結(jié)論與展望.參考文獻(xiàn) . 致 謝. 68 攻讀學(xué)位期間主要研究成果 .中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒論 究背景及意義 在世界范圍內(nèi)，隨著市場經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，企業(yè)間的競爭愈來愈激烈，傳統(tǒng)的流程工業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行方式已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。因此，在現(xiàn)有工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備的情況下，利用過程信息，以生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，建立過程模型，實(shí)施生產(chǎn)過程最優(yōu)化，以提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少污染，是目前連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)極為關(guān)注同時(shí)亟待解決的問題。但由于工業(yè)過程的復(fù)雜性，穩(wěn)態(tài)優(yōu)化控制在實(shí)現(xiàn)中面臨的難點(diǎn)在于如何合理地建立復(fù)雜工業(yè)過程的模型1故本文針對(duì)燒結(jié)法氧化鋁生料漿配料過程， 重點(diǎn)對(duì)生料漿的質(zhì)量預(yù)測模型及其在優(yōu)化控制中的應(yīng)用問題進(jìn)行了研究。 燒結(jié)法氧化鋁的生產(chǎn)是一個(gè)長流程、大滯后、大慣性的復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過程，一般要經(jīng)過配料、燒結(jié)、溶出、脫硅、分解和煅燒六個(gè)工藝段。其實(shí)質(zhì)是：由含鋁原料與純堿、石灰石制備成的生料漿經(jīng)燒結(jié)后進(jìn)行溶解，所得的鋁酸鈉溶液脫硅后經(jīng)碳酸化分解得到氫氧化鋁，氫氧化鋁煅燒后得到氧化鋁。脫硅的泥渣和碳分的純堿返回到生料漿的配制過程，其基本原理如圖 1示。 在如圖 1料的 成分和質(zhì)量對(duì)于整個(gè)工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果有著十分重要的影響，其成分和質(zhì)量決定了氧化鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量；而配料作為燒結(jié)法氧化鋁生產(chǎn)的第一道工序， 配制的生料漿指標(biāo)的好壞直接關(guān)系到熟料質(zhì)量的高低。 “配料是基礎(chǔ)，燒結(jié)是關(guān)鍵”的思想已是廣大科技人員的共識(shí)4。生料漿的配制不僅僅是簡單幾種物料的混合，它直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的堿平衡和水平衡。配制指標(biāo)穩(wěn)定的高質(zhì)量生料漿不僅可以簡化工藝、節(jié)約能耗、提高熟料質(zhì)量，為企業(yè)帶來巨額的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)整個(gè)氧化鋁工業(yè)的穩(wěn)定高產(chǎn)具有重要意義。因此穩(wěn)定生料漿成分和質(zhì)量不容忽視。 目前，在中鋁集團(tuán)中州分公司氧化鋁生料漿配制過程中，往往原料的質(zhì)量或成分是無法改變的，但預(yù)先可確定，為了保證生料漿的質(zhì)量（或成分）滿足工藝要求，主要依靠調(diào)整各種原料的配比來達(dá)到。但由于在配制生料漿的原料中有從后續(xù)工藝返回的硅渣和碳分母液，它們的成分檢測具有大滯后性，而且硅渣的成分含量波動(dòng)非常大，本身結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。這種情況造成了配料算法公式無法正確使用，精確配比難以得到。現(xiàn)在，在燒結(jié)法氧化鋁配料過程中只能采用簡單的經(jīng)驗(yàn)算法得到一個(gè)非常粗略的配比，然后在根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，通過移動(dòng)平均值算法5，用工人的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，造成了下料配比不夠準(zhǔn)確、工藝流程中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 復(fù)雜，生料漿指標(biāo)波動(dòng)大，一次入槽合格率低的結(jié)果。從而導(dǎo)致原料的配比很難及時(shí)調(diào)整，產(chǎn)量和質(zhì)量波動(dòng)大，以致配制的生料漿必須經(jīng)過三次調(diào)配才能達(dá)標(biāo)，造成了人力物力的大量浪費(fèi)。因此，該公司急待通過過程優(yōu)化挖潛增效，以便達(dá)到簡化工藝、降低能耗、提高燒結(jié)法氧化鋁競爭能力的目的。 圖1結(jié)法氧化鋁工藝流程 因此，中州鋁廠和中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院合作，共同研究開發(fā)“氧化鋁生料漿優(yōu)化配料專家系統(tǒng)”項(xiàng)目。該課題旨在原有集散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專家知識(shí)，綜合冶煉機(jī)理分析及人工智能等方法，結(jié)合生料漿的指標(biāo)要求，建立質(zhì)量預(yù)測模型和規(guī)則模型；然后采用基于模型的專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)法氧化鋁生料漿優(yōu)化配料，即生料漿配比準(zhǔn)確計(jì)算，從而穩(wěn)定生產(chǎn)，甚至實(shí)現(xiàn)簡化配制工藝的目的。 在本課題的開發(fā)過程中，主要著重解決以下幾個(gè)方面的問題： (1)建立質(zhì)量預(yù)測模型。由于整個(gè)配比優(yōu) 化過程是基于預(yù)測模型的，預(yù)測模型的精度直接影響著配比的優(yōu)化結(jié)果，所以必須建立生料漿的質(zhì)量預(yù)測模型。但在配料的原料中，堿液的成分檢測存在嚴(yán)重的滯后性，且成分波動(dòng)很大，直接影響到生料漿的各個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，所以在建立生料漿質(zhì)量預(yù)測模型之前，必須先對(duì)堿鋁土礦、石灰等配 制 生 料漿燒 結(jié) 熟 料溶 出 泥渣分離及沉淀鋁酸鹽溶液 脫 硅 碳酸化分解 氫氧化鋁 煅 燒 氧化鋁 碳分母液碳分母液硅渣中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 液成分含量進(jìn)行預(yù)測。 (2)優(yōu)化配比。本課題的主要目的是給生 產(chǎn)提供各原料的最優(yōu)配比，從而提高氧化鋁生產(chǎn)的穩(wěn)定性，所以在給出了生料漿的質(zhì)量指標(biāo)后，根據(jù)各單種物料的質(zhì)量情況以及配料生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)和有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合生料漿質(zhì)量預(yù)測模型，優(yōu)化滿足質(zhì)量指標(biāo)的配比。 (3)數(shù)據(jù)通信。為了利用現(xiàn)有的 制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各物料配比的精確控制和監(jiān)視，解決優(yōu)化系統(tǒng)與 統(tǒng)的通信問題是必須的。 (4)綜合信息管理。提供每天的配料生產(chǎn) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的輸入、修改和顯示、計(jì)算以及打印操作，并提供生料漿質(zhì)量和熟料質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和曲線。此外，所有生料漿配制過程的數(shù)據(jù)和有關(guān)參數(shù)均以數(shù)據(jù)庫文件的形式存貯在專家優(yōu)化系統(tǒng)中。 本文的主要任務(wù)是通過建立生料質(zhì)量預(yù)測模型實(shí)現(xiàn)配比的優(yōu)化控制， 因此第(1)項(xiàng)是本文的研究重點(diǎn)，即建立生料漿質(zhì)量預(yù)測模型。 業(yè)過程建模的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 模型作為控制對(duì)象本質(zhì)特性的抽象化描述，是優(yōu)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其精度和應(yīng)用范圍直接影響到在線優(yōu)化的結(jié)果6。由于客觀世界中實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，建模的具體方法和模型的具體形式是千差萬別的。目前，國內(nèi)外關(guān)于工業(yè)過程建模的方法很多， 主要有傳統(tǒng)建模、 智能建模和一些新興的建模方法。 傳統(tǒng)的建模方法包括機(jī)理模型和系統(tǒng)辨識(shí)7,8。機(jī)理建模是在工藝機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)物料平衡、熱量平衡、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等理論建立的類似于方程式的模型。機(jī)理建模是對(duì)過程的嚴(yán)密描述，能反映系統(tǒng)的主要規(guī)律，是實(shí)際系統(tǒng)的近似。 但機(jī)理模型在很大程度上依賴于科研和工程開發(fā)人員對(duì)實(shí)際工業(yè)過程的理論和化學(xué)、物理過程原理認(rèn)識(shí)，而由于實(shí)際生產(chǎn)過程的復(fù)雜性和不確定性，對(duì)于工業(yè)過程的認(rèn)知總是有限的，因此建立嚴(yán)格的機(jī)理模型十分困難。系統(tǒng)辨識(shí)通過對(duì)所研究工業(yè)過程輸入與輸出關(guān)系的觀測，基于一組給定的模型類，用參數(shù)估計(jì)方法確定與所測過程等價(jià)的模型。 系統(tǒng)辨識(shí)的關(guān)鍵是模型類的確定以及參數(shù)估計(jì)方法，已成功應(yīng)用于系統(tǒng)辨識(shí)中的參數(shù)估計(jì)方法主要包括極大似然法、最小二乘法、輔助變量法和隨機(jī)逼近法等。然而由于有限的幾種非線性模型類無法滿足千變?nèi)f化的非線性過程，因此系統(tǒng)辨識(shí)用于非線性工業(yè)過程建模的精度不夠理想。 智能建模方法9，10是將人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、模式識(shí)別等智能化技術(shù)和理論用于工業(yè)過程建模的方法，它主要包括專家經(jīng)驗(yàn)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)11，12、中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 模糊邏輯13，14、模式識(shí)別等方法。專家經(jīng)驗(yàn)方法依靠專家系統(tǒng)獲取的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行描述，不僅可以處理定性和啟發(fā)式的知識(shí)信息，而且可以處理多變量、非線性、強(qiáng)耦合等復(fù)雜關(guān)系。專家系統(tǒng)具有較強(qiáng)的解釋功能，通過專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢院苋菀椎玫綄?duì)工業(yè)過程的機(jī)理與本質(zhì)的認(rèn)知。 模糊技術(shù)也根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)過程進(jìn)行描述， 采用模糊推理方法能很好地處理生產(chǎn)過程中存在的大量不確定性信息。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅可以任意逼近非線性函數(shù)， 且具有大規(guī)模并行處理、知識(shí)分布存儲(chǔ)、自學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、容錯(cuò)性好等特點(diǎn)，在復(fù)雜工業(yè)過程建模中倍受青睞1，6。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，智能建模方法在 工業(yè)過程建模中已被廣泛應(yīng)用，并取得不錯(cuò)的效果。然而智能建模方法尚不完善，在模型的預(yù)測精度、學(xué)習(xí)能力、模型的復(fù)雜度方面還存在問題。例如，專家系統(tǒng)存在知識(shí)獲取的瓶頸，由于知識(shí)不完備，加上專家經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶W(xué)習(xí)能力差，推理能力弱，所以模型的精度不高；模糊技術(shù)也存在知識(shí)獲取的瓶頸，該方法在確定規(guī)則數(shù)、模糊隸屬度函數(shù)時(shí)需要有效數(shù)據(jù)的附加信息或先驗(yàn)知識(shí)，而這些信息有時(shí)并不容易得到；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的黑箱模型，模型不具透明性，不能揭示過程的機(jī)理。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練樣本的選擇和需求量大，若網(wǎng)絡(luò)輸入較多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，訓(xùn)練耗時(shí)，且收斂速度慢。由于存在上述問題，對(duì)于存在非線性、不確定性、大時(shí)滯、參數(shù)分布性和時(shí)變性等復(fù)雜內(nèi)在機(jī)理的工業(yè)過程， 某一種智能建模方法都難以完全滿足綜合化、復(fù)雜化的工業(yè)過程控制要求。 為了解決上述工業(yè)過程建模方法所存在的問題， 近幾十年興起了一些新的建模方法，例如灰色建模和智能集成建模。 灰色系統(tǒng)理論15八十年代發(fā)展起來的一門新科學(xué)，其灰色模型 ,1)已應(yīng)用于工程技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境等各種系統(tǒng)的預(yù)測中。它主要通過對(duì)“部分”已知信息的生產(chǎn)、開發(fā)，提出有價(jià)值的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的正確描述和有效控制。灰色系統(tǒng)建模是針對(duì)系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)、內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行挖掘量化的方法，是內(nèi)涵外延、外延內(nèi)涵均取的一種以數(shù)找數(shù)的方法，從系統(tǒng)的一個(gè)或幾個(gè)離散數(shù)列中找出系統(tǒng)的變化關(guān)系，試圖建立系統(tǒng)的連續(xù)變化模型。這種建模方法最大的特點(diǎn)是建模所需數(shù)據(jù)少，辨識(shí)參數(shù)少，而且不存在誤差積累問題，能較好地反映系統(tǒng)的實(shí)際狀況，特別適合貧信息系統(tǒng)中的時(shí)間序列預(yù)測。 智能集成建模20，21是指將兩種或兩種以上的方法， 按一定的方式進(jìn)行集成后用于實(shí)際對(duì)象抽象描述的過程，其中，以上這些方法中至少有一種為人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家推理和遺傳算法等智能方法。智能集成建模方法針對(duì)實(shí)際工業(yè)過程的具體情況，將多種建模方法結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，克服單一建模方法本身存在的問題， 在處理復(fù)雜過程信息方面頗具優(yōu)勢。 目前， 包括專家系統(tǒng)，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的智能控制技術(shù)在處理多變量、非線性、定性和半定性中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 的信息方面已經(jīng)表現(xiàn)出諸多優(yōu)越性。 這些智能技術(shù)與傳統(tǒng)建模技術(shù)結(jié)合用于復(fù)雜工業(yè)過程的建模也在實(shí)際中取得了相當(dāng)?shù)某晒?。例如，萬維漢等人由基于生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和反映生產(chǎn)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的模糊模型共同建立了鎳閃速熔煉過程模型22； 徐國林等人對(duì)連鑄過程二次冷卻控制中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行了研究23； 4， 25等根據(jù)配煤過程機(jī)理和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)建立了配煤過程專家控制模型，取得了相當(dāng)好的效果。 由于復(fù)雜工業(yè)過程普遍具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變時(shí)滯及不確定性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)造成任何一種單一的方法都難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜過程的有效建模。所以，多種方法相結(jié)合成為解決復(fù)雜過程建模問題的一種有效方法。隨著建模理論的不斷完善，綜合多種建模方法在實(shí)際工業(yè)過程的建模中將發(fā)揮更大的優(yōu)勢。 究內(nèi)容 燒結(jié)法氧化鋁配料是一個(gè)存在諸多不確定性的復(fù)雜工業(yè)過程， 這些不確定性和復(fù)雜性給生料漿質(zhì)量預(yù)測模型的建立帶來了很大的困難， 用單一的任何一種方法都難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確建模，為此必須綜合多種建模方法，取長補(bǔ)短，才能建立生料漿質(zhì)量預(yù)測模型，進(jìn)行整個(gè)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，本文以燒結(jié)法氧化鋁生料漿配料過程為研究背景，以該過程中的生料漿質(zhì)量預(yù)測及工程應(yīng)用為研究重點(diǎn)，提出了“氧化鋁生料漿質(zhì)量預(yù)測及應(yīng)用研究”的碩士論文課題。課題研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： (1)生料漿質(zhì)量影響因素分析； (2)硅渣成分含量預(yù)測模型研究； (3)堿液成分含量預(yù)估模型研究； (4)生料漿質(zhì)量預(yù)測模研究； (5)質(zhì)量預(yù)測模型應(yīng)用研究及軟件設(shè)計(jì)； (6)用 +作為開發(fā)工具，在 境下，設(shè)計(jì)友好用戶界面，編寫優(yōu)化程序。 文結(jié)構(gòu) 根據(jù) 的課題研究內(nèi)容，本文主要從方法研究和應(yīng)用研究兩大方面介紹課題的研究成果，論文結(jié)構(gòu)安排如下： 本文首先介紹了生料漿配料在整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)中的重要意義及課題來源， 并中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6 結(jié)合當(dāng)前配料過程存在的問題，闡明了建立生料漿質(zhì)量預(yù)測模型的重要性；然后介紹了工業(yè)過程建模方法的研究現(xiàn)狀，概括了本文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，對(duì)全文有提綱挈領(lǐng)的作用。 第二章詳細(xì)介紹燒結(jié)法氧化鋁生料漿配料的工藝流程及質(zhì)量指標(biāo)； 然后結(jié)合中州分公司燒結(jié)法氧化鋁配料的生產(chǎn)情況， 分析在配料過程中生料漿質(zhì)量指標(biāo)的影響因素及存在的問題；最后提出分步建立質(zhì)量預(yù)測模型的建模思路。 第三章建立硅渣成分含量預(yù)測模型和堿液成分含量預(yù)估模型。首先，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黑箱特點(diǎn)，對(duì)堿液槽內(nèi)的返回硅渣成分含量建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型；然后將根據(jù)堿液槽和堿液泵的工作情況，結(jié)合流體力學(xué)的知識(shí)，通過機(jī)理分析，建立堿液的預(yù)估模型。 第四章主要是在堿液成分含量可預(yù)估的基礎(chǔ)上，建立了生料漿質(zhì)量預(yù)測模型。首先基于物料平衡原理建立機(jī)理模型；然后根據(jù)灰色模型具有計(jì)算量少，且可獲得較高的短期預(yù)測精度的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)理模型的偏差建立 ,1)模型，用來補(bǔ)償機(jī)理模型造成的偏差，最終將機(jī)理模型與 ,1)模型進(jìn)行并行求和，實(shí)現(xiàn)生料漿質(zhì)量的準(zhǔn)確預(yù)測。 第五章介紹質(zhì)量預(yù)測模型在燒結(jié)法氧化鋁生料漿優(yōu)化配料專家系統(tǒng)中的應(yīng)用方法及工業(yè)效果，并從軟件方面介紹數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)。 最后為結(jié)論與展望，對(duì)生料漿質(zhì)量預(yù)測模型的研究及應(yīng)用予以總結(jié)，并結(jié)合發(fā)展要求和趨勢，指出下一步的工作重點(diǎn)。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 7 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 在燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的過程中，配制生料漿是第一道工序。其主要目的是將鋁土礦和石灰等原料按一定的配比，通過濕磨配制成合格的生料漿，以保證熟料的燒結(jié)質(zhì)量。配料過程是一個(gè)存在大滯后，大慣性，強(qiáng)耦合，多變量的復(fù)雜工業(yè)過程，加上成分檢測滯后和返回堿液的影響，配比難以及時(shí)調(diào)整，料漿指標(biāo)波動(dòng)大，生產(chǎn)流程長。為了能夠建立合理的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)配比的優(yōu)化控制，首先必須對(duì)生產(chǎn)工藝有深刻的認(rèn)識(shí)。本章簡要介紹配料生產(chǎn)工藝及質(zhì)量指標(biāo)，詳細(xì)分析配料過程存在的問題及生料漿指標(biāo)的影響因素，并在此基礎(chǔ)上，提出分步建立質(zhì)量預(yù)測模型的新思路。 料過程工藝流程 在燒結(jié)法氧化鋁的配料過程中， 配制生料漿的原料主要有： 鋁土礦、 石灰(或石渣)、生料煤、堿粉(純堿 )、返回堿液以及生產(chǎn)過程中 進(jìn)入的污水等。其中鋁土礦包括普礦和高鋁礦、高鐵礦、低鋁礦三種調(diào)整礦；返回堿液是后續(xù)工藝返回的碳分母液和硅渣的混合漿液。 它們的化學(xué)成分主要是氧化鋁、 氧化硅、 氧化鐵、氧化鈣、氧化鈉和固定碳等。 目前，中鋁集團(tuán)中州分公司的配料工藝流程如圖 2示，配制合格生料漿主要分為調(diào)整配比和三次調(diào)配兩大過程，分別有四個(gè)工作崗位(飼料崗位、磨房崗位、槽上崗位、值班長崗位)完成。 (1)調(diào)整配比。調(diào)整配比有飼料崗位和磨 房崗位負(fù)責(zé)，飼料崗位主要負(fù)責(zé)固體物料的下料，磨房崗位主要負(fù)責(zé)堿液的流量和磨機(jī)的開停。在配制生料漿的過程中，飼料崗位工作人員根據(jù)槽上崗位下達(dá)的 C 指令（ C 指令指生料漿干物中百分含量）和入磨物料成分，確定各種固體物料下料量，并穩(wěn)定下料量，另還根據(jù)磨工通知及時(shí)調(diào)整和穩(wěn)定下料量，包括補(bǔ)充堿粉保證堿平衡；磨房崗位在 N 指令（ N 指令指生料漿干物中 百分含量）指標(biāo)下，調(diào)整堿液量或下達(dá)調(diào)整下料量通知來控制和穩(wěn)定生料漿水分，另還結(jié)合細(xì)度和磨機(jī)狀況，穩(wěn)定磨機(jī)產(chǎn)能。配比調(diào)整后，各原料按一定的配比送入管磨機(jī)進(jìn)行濕磨，然后經(jīng)溜槽混合,流入緩沖槽。緩沖槽共有六個(gè)，其中 1#、 2#、 3#管磨機(jī)磨制的生料漿混合后流入三個(gè)西緩沖槽，而 4#、 5#、 6#管磨機(jī)磨制的生料漿混合后流入三個(gè)東緩沖槽，準(zhǔn)備進(jìn)行生料漿的三次調(diào)配。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 8 (2)三次調(diào)配。由于配比調(diào)整的滯后，從 管磨機(jī)出來的生料漿往往難以滿足指標(biāo)要求，一般要進(jìn)行三次調(diào)配才能合格。生料漿的三次調(diào)配過程主要有槽上崗位負(fù)責(zé)，槽上崗位工作人員根據(jù)入磨物料成分及返回物料量不同，通過生、熟料指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析， 針對(duì)熟料指標(biāo)要求， 結(jié)合當(dāng)前生料漿成分情況， 確定入 A、B、 K 槽的料漿指標(biāo)，并向飼料、磨房崗位下達(dá) C 和 N 指令。三次調(diào)配的過程為：六個(gè)緩沖槽內(nèi)的生料漿通過緩沖泵打到 A 槽分料箱內(nèi)，進(jìn)行第一次調(diào)配，然后分配到 16 個(gè) A 槽中；若 A 槽中的生料漿質(zhì)量相互間有波動(dòng)，但通過相互混合可基本滿足質(zhì)量要求，則將幾個(gè) A 槽的生料漿相互混合后入 B 槽，進(jìn)行二次調(diào)配；對(duì)于 24 個(gè) B 槽的生料漿，通過三次調(diào)配進(jìn)行微調(diào)后可基本認(rèn)為合格，送往熟料窯燒結(jié)。 圖 2料工藝流程圖 一次調(diào)配4 個(gè)槽 鋁土礦 石灰 煤 皮帶輸送機(jī) 溜槽 管磨機(jī)緩沖槽堿粉 螺旋輸送機(jī) 堿液槽 緩沖泵A 槽分料箱 A 槽 A 槽倒槽泵 B 槽分料箱 B 槽倒槽泵 B 槽 K 槽 送料泵熟料窯 堿液泵 6 臺(tái)磨東西各 3 個(gè)，共 6 個(gè) 16 個(gè) A 槽 24 個(gè) B 槽 3 個(gè) K 槽二次調(diào)配三次調(diào)配中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 9 由此可見， 配制合格生料漿的過程是非常復(fù)雜的。 由于化學(xué)成分檢測的滯后，從管磨機(jī)出來的生料漿合格率低，所以必須進(jìn)行三次調(diào)配。這不僅使配料過程復(fù)雜，而且增加了生產(chǎn)能耗。為此，必須通過對(duì)配料過程的優(yōu)化，縮短工藝流程，降低能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。 料漿的質(zhì)量指標(biāo) 生料漿配制的質(zhì)量指標(biāo)主要有堿比 N/R、鈣比 C/S、鋁硅比 A/S、鐵鋁比F/A、水分 (、固定碳等。 1、 堿比 N/R 指生料漿中 摩爾比 )。堿比 是根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐確定和調(diào)整的，若生成飽和生料，則堿比應(yīng)為 1樣燒成后的熟料的堿比略微小于 1，從而可獲得最好的氧化鋁溶出率和最小的堿耗。堿比的計(jì)算公式如下： +=+=321601321021262132322/ (2式中 別表示 62、 102、160 分別為 2、 鈣比 C/S 指生料漿中 摩爾比 )。鈣比也是由生產(chǎn)情況確定的，一般應(yīng)保證生成熟料的鈣比為 右，這樣才能保證氧化鈣基本和原料中的二氧化硅相結(jié)合成不溶性硅酸二鈣。鈣比的計(jì)算公式如下： =26015612/ (2式中 別表示 56、 60 分別為 3、 鋁硅比 A/S 指生料漿中氧化鋁和氧化硅的重量之比。生料漿要保證燒結(jié)后熟料的鋁硅比在 右， 否則過高過低的生料漿會(huì)給燒結(jié)帶來困難， 另外，熟料溶出率隨熟料鋁硅比的降低而降低。鋁硅比的計(jì)算公式如下： =232/ (2式中 4、 鐵鋁比 F/A 指生料漿中 摩爾比 )。鐵鋁比是生料漿重要參考指標(biāo)之一，一般認(rèn)為控制在 右為宜。鐵鋁比的計(jì)算公式為： 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 10 =3210213216013232/ (2式中 別表示生料漿中 5、 水分 指生料漿中的水分與生料漿總重之 比。生料漿中水分的多少直接關(guān)系到燒結(jié)窯的操作及窯的產(chǎn)能和煤耗，水分從 41%降到 38%，可使大窯產(chǎn)量增加 10%，但降得太低，會(huì)造成輸送上的困難和使噴槍口阻塞，一般要求水分小于 40%。水分的計(jì)算公式如下： %100)(22=式中G 表示生料漿的總重量。 6、 固定碳 指生料漿中碳含量與干生料總重 的百分比。生料漿中固定碳的控制通過控制生料漿中煤的加入量實(shí)現(xiàn)， 主要為了在燒結(jié)窯中造成一氧化碳的還原氣氛，有利于硫酸鈉的還原，從而將有害的硫酸鹽轉(zhuǎn)化為二價(jià)硫化物在赤泥分離中排除。計(jì)算公式如下： %100干生料固定碳式中示生料漿中碳的重量，干生料G 表示生料漿中干物的重量。 在所有的指標(biāo)中，鋁硅比和鐵鋁比是非常重要的指標(biāo)，其數(shù)值有原礦品位所決定；水分、細(xì)度和固定碳含量三項(xiàng)指標(biāo)比較易于確定。堿比和鈣比為配料過程中需要確定的兩項(xiàng)最重要的指標(biāo)。堿比等于 1，鈣比等于 2 為飽和配方；高鈣配方和高堿低鈣配方，都是與飽和配方相比較而言的。從理論上講堿比等于 1，鈣比等于 2 的飽和配方具有最好的燒結(jié)效果。 以各種氧化物的化學(xué)試劑配料進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)室研究也證明了這一點(diǎn)26。但由于在生料漿燒結(jié)成熟料的過程中燃料(煤)的灰分大部分進(jìn)入熟料，并發(fā)生飛揚(yáng)等機(jī)械損失，所以生料的堿比、鈣比、鋁硅比以及鐵鋁比必須作出一定的修正。此外，由于熟料的實(shí)際組成復(fù)雜，在燒成過程中發(fā)生的反應(yīng)也十分復(fù)雜， 因此在生產(chǎn)實(shí)際中生料漿各指標(biāo)的最佳值是根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來確定的。料過程存在的問題 生料漿質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到熟料質(zhì)量的高低， 甚至?xí)绊懻麄€(gè)生產(chǎn)的平衡中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 11 和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。但生料漿的配制是一個(gè)復(fù)雜的過程，不確定性的影響因素很多，在現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，為了保證生料漿的質(zhì)量，必須采取如圖 2示的復(fù)雜的工藝流程。從節(jié)能優(yōu)化的角度來看，這種配料方式存在許多問題；同時(shí)配料過程本身也存在一些問題，可歸結(jié)如下: (1)成分檢測滯后。由于料漿成分的影響 ，對(duì)生料漿的檢測無法實(shí)現(xiàn)快速在線分析，只能采取先取樣再分析的慢方法。一般從取樣到得到分析結(jié)果大概需要90 分鐘，在交接班時(shí)間可能需要四個(gè)小時(shí)的時(shí)間，所以成分檢測存在嚴(yán)重的滯后性，難以實(shí)時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。 (2)硅渣和碳分母液的分析時(shí)間間隔長且波動(dòng)大。 硅渣是脫硅工藝產(chǎn)生的鈣、鈉硅渣和碳分工藝產(chǎn)生的碳分母液的混合漿液， 返回到配料工藝后存貯在硅渣槽內(nèi)。對(duì)槽內(nèi)的硅渣每隔 2 小時(shí)才取一次樣， 90 分鐘后才能得到分析結(jié)果，但該樣所代表的漿液 30 分鐘后就已經(jīng)流入管磨機(jī)參與配料了，所以檢測結(jié)果嚴(yán)重滯后，不能及時(shí)地指導(dǎo)生產(chǎn)。而且，硅渣中各種有效成分的百分含量波動(dòng)大、隨機(jī)性大，沒有一定的規(guī)律可循，給及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)整配比帶來很大的困難。 (3)堿液成分未知。 返回的硅渣和碳分母液分別存貯在硅渣槽內(nèi)和碳母槽內(nèi)，在進(jìn)入管磨機(jī)參與配料之前，它們還要進(jìn)行再次混合，在生產(chǎn)中混合后的漿液稱為堿液。 目前， 對(duì)于堿液的成分沒有檢測， 而且堿液中兩種液體的混合比例不知，堿液流量難以調(diào)整。 (4)配比調(diào)整滯后、調(diào)整幅度難以控制。各種原料按一定的配比送入管磨機(jī)，大約二十分鐘后才進(jìn)入 A 槽，灌滿一個(gè) A 槽大約需要一個(gè)小時(shí)；然后等到整點(diǎn)取樣， 90 分鐘以后得到分析結(jié)果， 即當(dāng)前 K 時(shí)刻得到的生料漿成分大約對(duì)應(yīng) 外，灌滿一個(gè) A 槽所需的時(shí)間和開磨臺(tái)數(shù)有關(guān)，一般開三臺(tái)磨以上一個(gè)小時(shí)就可以灌滿一個(gè)槽，否則需要更長的時(shí)間；而且在槽滿時(shí)，一般不會(huì)碰巧是整點(diǎn)，這兩種情況都會(huì)使整個(gè)配料過程具有更大的滯后性。在這種存在大滯后的配料過程中，配比的調(diào)整也必然是滯后的；而且由于沒有計(jì)算配比的精確的數(shù)學(xué)公式， 配比調(diào)整的幅度很難掌控， 操作工只能憑個(gè)人主觀經(jīng)驗(yàn)， 按照 “寧過勿欠”的原則，對(duì)配比進(jìn)行大幅度的調(diào)整，結(jié)果造成了 A 槽生料漿指標(biāo)忽高忽低，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。 (5)指標(biāo)耦合性強(qiáng)。從上 中指標(biāo)的計(jì)算公式可以看出，各工藝指標(biāo)間是相互關(guān)聯(lián)的，對(duì)一個(gè)指標(biāo)的調(diào)整勢必影響到其它的指標(biāo)，比如要提高堿比，可以調(diào)大堿液的流量，但同時(shí)會(huì)降低鋁硅比和鈣比，也會(huì)使提高生料漿的含水量，因此在根據(jù)指標(biāo)要求調(diào)整配比時(shí)， 必須對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮， 才能使配比合理。但由于在實(shí)際配料過程中存在許多未知因素和不確定性，調(diào)整配比時(shí)，很難對(duì)各個(gè)指標(biāo)的同時(shí)兼顧。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 生料漿配料工藝簡介及分步建模思路的提出 12 (6)流程復(fù)雜、能耗大。在現(xiàn)有的生產(chǎn)狀 況下，為了給熟料窯提供合格的生料漿，磨制的生料漿必須進(jìn)行三次調(diào)配。配制的生料漿在 16 個(gè) A 槽、 24 個(gè) 個(gè) K 槽之間不斷地進(jìn)行組合倒槽，最終送出合格的生料漿燒結(jié)成熟料。這樣長的流程及反復(fù)的選槽倒槽，必然會(huì)增加流程的復(fù)雜性和能量的消耗。 (7)工人計(jì)算量大。配料過程需要處理大 量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大已經(jīng)是配料的一個(gè)特點(diǎn)，工人除了要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析外，還要進(jìn)行大量的計(jì)算。首先每個(gè)槽 (16 個(gè) A 槽和 24 個(gè) B 槽 )的料漿成分檢測結(jié)果出來后，要把其代入公式計(jì)算各指標(biāo)值；還要根據(jù)所有 A 槽的成分，進(jìn)行選槽計(jì)算，也就是把所有的 A 槽進(jìn)行排列組合，然后計(jì)算出各個(gè)組合的平均指標(biāo)并進(jìn)行比較，從而找出最優(yōu)組合倒入B 槽，進(jìn)行生料漿的二次調(diào)配；同樣，對(duì)于 24 個(gè)槽也要進(jìn)行同樣的選槽計(jì)算，選擇最優(yōu)組合倒人 K 槽，進(jìn)行三次調(diào)配；另外，每倒一批槽 (一批 A 槽和一批 都要對(duì)其按體積進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，算出各成分含量的平均值及各指標(biāo)的平均值?？梢姡淞线^程的計(jì)算量是很大的，要改善這種情況，就必須對(duì)配比進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而簡化工藝。 針對(duì)配料工藝的實(shí)際情況，對(duì)每個(gè)問題進(jìn)行深入分析可知，要解決所有的問題，可行的方法就是建