基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法

D01:10.133741.ism100103x.2009.09.003 第31卷第9期 北京科技大学学报 Vol.31 No.9 2009年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sp.2009 基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法 吴胜利陈东峰赵成显薛 方 北京科技大学治金与生态工程学院。北京100083 摘要提出利用最小二乘法拟合烧结废气温度曲线，求曲线方程的二阶导数计算出烧结废气温度的四个拐点.结合烧结过 程各带的迁移情况计算得出拐点所对应的各带前沿到达料层底部的温度.根据拐点出现的时间，求出烧结过程中各带前沿 平均速度.利用多元线性回归法和F检验进一步考察烧结工艺参数对各带前沿平均速度的影响规律并给出了它们之间的 关系式。利用该关系式可以在节能和提高烧结矿平均粒度的原则下，定量地调整工艺参数以稳定烧结终点. 关键词烧结；烧结终点：废气：温度曲线 分类号TF124.5 Prediction method of the sinter burn-through point based on the migration law of each sintering zone WU Sheng-li.CHEN Dong-feng,ZHAO Cheng-xian.XUE Fang School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing Beijing 100083,China ABSTRACT The temperature curve of flue gas was fitted by the least square methods during the sintering process and then 4 flex- ions of the temperature curve were caloulated by solving a twoorder derivative of the temperature curve.Acoording to the migration law of each sintering zone the temperature at the flexions can be obtained which represents that the forefront of each sintering zone arrive at the sintering grate.As the arrival time of a flexion is known the average speed at the forefont can be calculated.Multiple linear regression and F-test were used to reveal the influence of sintering process parameters on the average speed at each forefont. and their relationships were proposed.Using these formulae the BTPis stabilized by quantitatively adjusting the process parameters under the principle of energy saving and improving the average size of the sinter. KEY WORDS sintering burrthrough point:flue gas temperature curve 烧结终点(BTP)状态是烧结过程非常重要的状 状况下的稳定烧结终点措施带有盲目性和不确定性 态参数之一，与烧结矿的质量、生产率和能源消耗有 等特征.本文从分析工艺参数对烧结各带前沿平均 着密切的关系.若烧结终点位置靠前则台车的利用 速度的影响规律入手，提出了基于各带迁移规律的 率低、影响产量；烧结终点的位置靠后，烧结成品率 烧结终点预报新方法. 下降习.然而，烧结工艺系统是一个过程机理复 杂的动态系统影响其烧结终点的因素繁多，故 1烧结终点预报的研究现状 烧结终点的研究一直是国内外研究的难点和热点. 烧结终点控制在国外己成为烧结过程控制的主 国内外很多研究者对烧结终点的预报进行了大 要项目之一，国内也对烧结终点预报开展了大量的 量的研究，并提出了很多烧结终点预报的方法，但由 研究工作.其研究主要经历了两个阶段：第1阶段 于没有从烧结内部各带的移动变化规律着手，故只 利用烧结机特定风箱的温度变化预报烧结终点：第 能定性地分析各工艺参数对烧结过程的影响，在此 2阶段利用工艺参数对特定风箱温度的影响变化预 收稿日期：200810-18 作者简介：吴胜利(1955一，男.教授，博士生导师，E-maik wushergli(@metall..usth.edu.m

基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法 吴胜利 陈东峰 赵成显 薛 方 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 提出利用最小二乘法拟合烧结废气温度曲线, 求曲线方程的二阶导数计算出烧结废气温度的四个拐点.结合烧结过 程各带的迁移情况, 计算得出拐点所对应的各带前沿到达料层底部的温度.根据拐点出现的时间, 求出烧结过程中各带前沿 平均速度.利用多元线性回归法和 F 检验进一步考察烧结工艺参数对各带前沿平均速度的影响规律, 并给出了它们之间的 关系式.利用该关系式, 可以在节能和提高烧结矿平均粒度的原则下, 定量地调整工艺参数以稳定烧结终点. 关键词 烧结;烧结终点;废气;温度曲线 分类号 TF124.5 Prediction method of the sinter burn-through point based on the migration law of each sintering zone WU Sheng-li , CHEN Dong-feng , ZHAO Cheng-xian , XUE Fang S chool of Metallurgical and Ecological Engineering , University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083 , C hina ABSTRACT The temperature curve of flue gas was fitted by the least square methods during the sintering process, and then 4 flex￾io ns of the temperature curve w ere calculated by solving a two-o rder deriv ative of the temperature curve.According to the migration law of each sintering zone , the temperature at the flexions can be obtained, w hich represents that the forefront of each sintering zone arrive at the sintering grate.As the arriv al time of a flexion is know n, the average speed at the forefro nt can be calculated.Multiple linear reg ression and F-test were used to reveal the influence o f sintering process parameters on the average speed at each forefro nt , and their relationships w ere proposed .Using these formulae, the BTP is stabilized by quantitatively adjusting the process parameters under the principle o f energ y saving and improving the average size of the sinter . KEY WORDS sintering;burn-throug h point ;flue gas;temperature curve 收稿日期:2008-10-18 作者简介:吴胜利(1955—), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:wushengli@metall.ustb.edu.cn 烧结终点(BTP)状态是烧结过程非常重要的状 态参数之一,与烧结矿的质量 、生产率和能源消耗有 着密切的关系.若烧结终点位置靠前则台车的利用 率低、影响产量;烧结终点的位置靠后, 烧结成品率 下降[ 1-2] .然而, 烧结工艺系统是一个过程机理复 杂的动态系统, 影响其烧结终点的因素繁多 [ 3-4] , 故 烧结终点的研究一直是国内外研究的难点和热点 . 国内外很多研究者对烧结终点的预报进行了大 量的研究 ,并提出了很多烧结终点预报的方法 ,但由 于没有从烧结内部各带的移动变化规律着手, 故只 能定性地分析各工艺参数对烧结过程的影响, 在此 状况下的稳定烧结终点措施带有盲目性和不确定性 等特征 .本文从分析工艺参数对烧结各带前沿平均 速度的影响规律入手 , 提出了基于各带迁移规律的 烧结终点预报新方法. 1 烧结终点预报的研究现状 烧结终点控制在国外已成为烧结过程控制的主 要项目之一, 国内也对烧结终点预报开展了大量的 研究工作 .其研究主要经历了两个阶段:第 1 阶段 利用烧结机特定风箱的温度变化预报烧结终点;第 2 阶段利用工艺参数对特定风箱温度的影响变化预 第 31 卷 第 9 期 2009 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.9 Sep.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.09.003

第9期 吴胜利等：基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法 。1107。 报烧结终点 在边沿效应，沿台车宽度方向的料层透气性不一 第1阶段烧结终点预报的依据是，在正常生产 致10，造成烧结料层沿台车宽度的温度也不一 条件下，当烧结终点稳定时，废气温度曲线的拐点稳 致，同时非均质的烧结混合料使得同一层烧结料的 定在一定的风箱位置，可以由该风箱位置所对应的 温度分布不均匀，因此用烧结混合料的温度指标预 废气温度来预报终点.操作人员依据烧结机中段特 报烧结终点并不可靠.然而，流过烧结料层的气体 定风箱的废气温度来估计未来的终点状态，调节机 流速不太高，进入风箱后的烧结废气温度较为均匀， 速，将终点控制在倒数第2个风箱位置. 故考察烧结气体的温度指标预报终点可信度较高. 例如，京滨扇岛1号烧结机使用了烧结料层温 近年来国内外的研究证实了上述观点.同时，由 度状况控制系统首次提出了废气温度上升点 于烧结废气温度曲线反映了烧结各个带出现时的热 (buming rising point,BRP)的概念，并以此控制烧结 状态，可以更全面地反映烧结过程.因此，研究废气 终点.住友小仓3号烧结机的烧结稳定化控制系 温度曲线有助于把握烧结过程各带迁移变化规律及 统.用火焰前沿点(flame front point,FFP)控制烧结 其对烧结终点的影响规律.烧结废气温度曲线与烧 系统，根据FFP状态调整机速以稳定烧结终点. 结料层各带迁移变化的联系情况如图1. 第2阶段：在第1阶段研究的基础上，开始考察 D(BTP) 工艺参数对特定风箱废气温度和烧结终点的影响规 律，建立一些定性的关系，具有鲜明的专家系统控制 T 特点. 例如，川崎钢铁公司水岛厂开发了烧结过程诊 A 断专家系统，由从独立风箱测得原料透气性确定终 X 时间/min 点的长期预报值，由温度上升点的风箱温度来确定 终点的短期预报值，实现了烧结终点的预报和诊 图1烧结废气温度曲线 断).奥钢联利用模糊逻辑控制方法对BTP进行 Fig.I Temperature curve of sintering glue gas 控制，改善了生产操作条件.中南大学的范晓慧等 曾在鞍钢三烧的烧结过程控制专家系统中探讨过用 大量的研究和理论分析表明，过湿带存在的情 正常拐点温度来定性预报终点的方法9.国内其他 况下，烧结废气温度很长一段时间内在一定范围内 一些研究者采用神经网络进行烧结终点的预报或 小幅度波动.过湿带下沿（过湿前沿）到达铺底料时 预测刀， 的特征是：①烧结废气温度开始上升：②此后烧结废 第1阶段的研究仅依据特定风箱的温度变化来 气温度持续上升，这是因为过湿带开始变薄而气流 考察烧结终点，没有分析产生的温度变化的原因，故 速度变快的缘故.因为仍有过湿带的存在，烧结废 烧结终点预报存在很大的盲目性.第2阶段的研究 气温度曲线的斜率较小，出现了理论意义上的烧结 以烧结工艺参数对烧结过程影响的定性分析为主， 废气温度曲线的第1个拐点（图1中的A点） 同时以考察特定风箱温度和烧结终点的联系为主要 当过湿带消失，干燥预热带下沿（传热前沿）到 手段开展烧结终点预报研究，有了很大进步，但由于 达铺底料层时，干燥预热带开始减薄，烧结废气温度 没有很好地结合烧结过程中各带产生、移动变化以 上升的速度加快烧结废气温度曲线的斜率变大，这 就是废气温度曲线的第2个拐点（图1中的B点）. 及消失的规律加以分析，因而也存在一定的不全面 性，故在烧结过程中需要借助大量参数的调整来实 当干燥预热带消失，燃烧带下沿（火焰前沿）到 现烧结终点的稳定.因此，本文提出基于烧结过程 达铺底料层时，废气温度开始大幅度上升，直到整个 各带迁移规律的烧结终点预报新方法，其根本目的 料层烧透到达烧结终点，废气温度最高，此区间烧结 是解析工艺参数对烧结过程各带迁移的影响规律， 废气温度曲线的斜率最大，这时出现了烧结废气温 建立工艺参数与烧结各带迁移情况的关系式，以此 度曲线的第3个拐点（图1中的C点） 烧结废气温度到达最高点以后，由于燃烧带的 确保烧结终点的稳定， 消失烧结矿成矿带下沿到达铺底料层，废气温度开 2新预报方法的理论基础 始下降，这时出现了烧结废气温度曲线的第4个拐 国内外烧结生产实践均表明，用超前于烧结终 点（图1中的D点），即烧结终点 点的温度指标预报终点是可行的.由于烧结过程存 由此可见，废气温度曲线拐点和烧结各带前沿

报烧结终点. 第 1 阶段烧结终点预报的依据是 , 在正常生产 条件下,当烧结终点稳定时,废气温度曲线的拐点稳 定在一定的风箱位置, 可以由该风箱位置所对应的 废气温度来预报终点 .操作人员依据烧结机中段特 定风箱的废气温度来估计未来的终点状态, 调节机 速,将终点控制在倒数第 2 个风箱位置 . 例如 ,京滨扇岛 1 号烧结机使用了烧结料层温 度状况控制系统, 首次提出了废气温度上升点 (burning rising point ,BRP)的概念 ,并以此控制烧结 终点.住友小仓 3 号烧结机的烧结稳定化控制系 统,用火焰前沿点(flame fro nt point , FFP)控制烧结 系统 ,根据 FFP 状态调整机速以稳定烧结终点. 第 2 阶段:在第 1 阶段研究的基础上,开始考察 工艺参数对特定风箱废气温度和烧结终点的影响规 律,建立一些定性的关系 ,具有鲜明的专家系统控制 特点 . 例如 ,川崎钢铁公司水岛厂开发了烧结过程诊 断专家系统 ,由从独立风箱测得原料透气性确定终 点的长期预报值 ,由温度上升点的风箱温度来确定 终点的短期预报值 , 实现了烧结终点的预报和诊 断[ 5] .奥钢联利用模糊逻辑控制方法对 BTP 进行 控制,改善了生产操作条件 .中南大学的范晓慧等 曾在鞍钢三烧的烧结过程控制专家系统中探讨过用 正常拐点温度来定性预报终点的方法 [ 6] .国内其他 一些研究者采用神经网络进行烧结终点的预报或 预测[ 7] . 第 1 阶段的研究仅依据特定风箱的温度变化来 考察烧结终点, 没有分析产生的温度变化的原因, 故 烧结终点预报存在很大的盲目性.第 2 阶段的研究 以烧结工艺参数对烧结过程影响的定性分析为主 , 同时以考察特定风箱温度和烧结终点的联系为主要 手段开展烧结终点预报研究, 有了很大进步, 但由于 没有很好地结合烧结过程中各带产生、移动变化以 及消失的规律加以分析, 因而也存在一定的不全面 性,故在烧结过程中需要借助大量参数的调整来实 现烧结终点的稳定.因此, 本文提出基于烧结过程 各带迁移规律的烧结终点预报新方法, 其根本目的 是解析工艺参数对烧结过程各带迁移的影响规律 , 建立工艺参数与烧结各带迁移情况的关系式, 以此 确保烧结终点的稳定 . 2 新预报方法的理论基础 国内外烧结生产实践均表明, 用超前于烧结终 点的温度指标预报终点是可行的 .由于烧结过程存 在边沿效应 , 沿台车宽度方向的料层透气性不一 致[ 8-10] , 造成烧结料层沿台车宽度的温度也不一 致 ,同时非均质的烧结混合料使得同一层烧结料的 温度分布不均匀, 因此用烧结混合料的温度指标预 报烧结终点并不可靠 .然而 ,流过烧结料层的气体 流速不太高 ,进入风箱后的烧结废气温度较为均匀, 故考察烧结气体的温度指标预报终点可信度较高. 近年来国内外的研究 [ 3] 证实了上述观点 .同时, 由 于烧结废气温度曲线反映了烧结各个带出现时的热 状态,可以更全面地反映烧结过程.因此 ,研究废气 温度曲线有助于把握烧结过程各带迁移变化规律及 其对烧结终点的影响规律.烧结废气温度曲线与烧 结料层各带迁移变化的联系情况如图 1 . 图 1 烧结废气温度曲线 Fig.1 Temperature curve of sint ering glue gas 大量的研究和理论分析表明 , 过湿带存在的情 况下 ,烧结废气温度很长一段时间内在一定范围内 小幅度波动.过湿带下沿(过湿前沿)到达铺底料时 的特征是:①烧结废气温度开始上升 ;②此后烧结废 气温度持续上升, 这是因为过湿带开始变薄而气流 速度变快的缘故 .因为仍有过湿带的存在, 烧结废 气温度曲线的斜率较小 , 出现了理论意义上的烧结 废气温度曲线的第 1 个拐点(图 1 中的 A 点). 当过湿带消失 ,干燥预热带下沿(传热前沿)到 达铺底料层时,干燥预热带开始减薄 ,烧结废气温度 上升的速度加快, 烧结废气温度曲线的斜率变大 ,这 就是废气温度曲线的第 2 个拐点(图 1 中的 B 点). 当干燥预热带消失, 燃烧带下沿(火焰前沿)到 达铺底料层时,废气温度开始大幅度上升 ,直到整个 料层烧透到达烧结终点 ,废气温度最高,此区间烧结 废气温度曲线的斜率最大 ,这时出现了烧结废气温 度曲线的第 3 个拐点(图 1 中的 C 点). 烧结废气温度到达最高点以后 ,由于燃烧带的 消失,烧结矿成矿带下沿到达铺底料层,废气温度开 始下降 ,这时出现了烧结废气温度曲线的第 4 个拐 点(图 1 中的 D 点),即烧结终点. 由此可见 ,废气温度曲线拐点和烧结各带前沿 第 9 期 吴胜利等:基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法 · 1107 ·

。1108 北京科技大学学报 第31卷 移动到料层底部相对应，烧结机从头部移动到拐点 算得出的各带前沿平均速度大小，进而估算各带的 对应风箱所用的时间，可认为是该带的前沿从料层 平均宽度 顶部移动到料层底部的时间，进而可考察工艺参数 (3)计算出各带的前沿移动所用时间.过湿前 对各带迁移变化的影响规律 沿从料层顶部移动到料层底部所用的时间： 3新预报方法的算法 4=6+ (5) 为了计算烧结工艺参数对烧结过程中各带迁移 传热前沿从料层顶部移动到料层底部所用的时间： 规律的影响情况，本论文提出的烧结终点预报新方 法的技术路线分为如下主要步骤. =o+光 (6) (1)采集烧结生产相关数据 鉴于点火的目的为在料层顶部初步形成燃烧带，故 (2)拟合废气温度曲线计算出曲线拐点.烧结 燃烧前沿从料层顶部移动到料层底部所用的时间： 废气温度与测温点距烧结机头的距离x关系，可以 133L (7) 拟合为如下的函数关系： 烧结时间为t4. T=A0十A1x十A2x2++Amxm (1) 上面各式中，to为点火时间，mim:V为台车速 通过对整个函数的二阶导的求解可以算出各个拐点 度，mmin；L为风箱宽度，m:x,为计算所得各拐 所对应的距烧结机头距离x,(带小数点的风箱号)， 点对应的风箱号 进而可以确定拐点的废气温度和各带前沿从台车顶 (4)求解烧结各带前沿平均速度.过湿前沿平 部移动到底部所用的时间. 均速度： 0Kx≤x1:过湿前沿逐渐移动到铺底料阶段； V1= 女 x<x≤x2:过湿带逐渐消失，干燥预热前沿移 (8) 动到铺底料阶段： 传热前沿平均速度： x<x≤x3:干燥预热带逐渐消失，燃烧前沿移 心及 (9) 动到铺底料阶段； t2 xx≤x4:燃烧带逐渐消失阶段，烧结矿带移 燃烧前沿平均速度： 动到铺底料阶段 H 3 (10) 13 式中，x1为烧结废气温度开始上升时台车行进的距 垂直烧结速度为v⊥. 离，也即是过湿前沿到达铺底料层时的位置。在实际 由于上述所介绍的流程关键是选取大量的数 生产中可用风箱号代替：x2为烧结料中过湿带结束 据，并对大量数据进行拟合求出多项式，通过对生产 时台车行进的距离，即传热前沿到达铺底料层时的 数据采用M at lab语言求解，在M at lab中采用最小 位置，在实际生产中可用传热前沿所到达的风箱号 二乘拟合Polyfit命令和误差分析Poly val命令，对 代替：x3为烧结料中干燥预热带结束时台车行进的 烧结过程各风箱的废气温度进行七次拟合，拟合出 距离，即火焰前沿到达铺底料层时的位置，在实际生 温度曲线多项式，利用M atlab求导命令求二阶导， 产中可用火焰前沿所到达的风箱号代替：x4为烧结 找出各前沿速度到达烧结铺底料所对应的废气 料中燃烧带结束、烧结矿开始冷凝时台车行进的距 温度. 离，在实际生产中的烧结终点，一般在倒数第2个 (5)建立烧结工艺参数与各前沿速度的关系模 风箱. 型.在实际生产中影响烧结废气温度曲线形状的有 T1=A0十A1x1十A2x1+十Amx" (2) 三类工艺参数：其一为与烧结气体流动状态有关的 T2=A0十A1x2十A2x3+十Amx (3) 工艺参数，其二为影响气体传热的工艺参数其三为 T3=A0十A1x3十A2x3+…十Amx (4) 烧结机速等影响温度曲线横坐标的参数.因各带的 通过确定x1、x2和x3(带小数点的风箱号)及T1、 前沿平均速度是根据烧结气体温度曲线计算所得， T2和T3,并结合点火时间t0、风箱宽度L、台车移 故上述对烧结废气温度曲线影响显著的参数，也会 动速度ⅴ和料层厚度H,能够准确的计算出烧结过 对烧结过程内部各带的前沿速度产生很大的影响. 程内部各反应带的平均移动速度及其宽度的大小， 这些参数包括料层高度、烧结料粒度、焦粉配比、焦 也就能够更进一步了解烧结过程内部规律.根据计 粉粒度、水分、成品烧结矿粒度、废气流量、烧结矿密

移动到料层底部相对应, 烧结机从头部移动到拐点 对应风箱所用的时间, 可认为是该带的前沿从料层 顶部移动到料层底部的时间, 进而可考察工艺参数 对各带迁移变化的影响规律. 3 新预报方法的算法 为了计算烧结工艺参数对烧结过程中各带迁移 规律的影响情况 ,本论文提出的烧结终点预报新方 法的技术路线分为如下主要步骤. (1)采集烧结生产相关数据 . (2)拟合废气温度曲线计算出曲线拐点 .烧结 废气温度与测温点距烧结机头的距离 x 关系, 可以 拟合为如下的函数关系: T =A0 +A 1 x +A 2 x 2 +…+Amx m (1) 通过对整个函数的二阶导的求解可以算出各个拐点 所对应的距烧结机头距离 x i(带小数点的风箱号), 进而可以确定拐点的废气温度和各带前沿从台车顶 部移动到底部所用的时间 . 0 <x ≤x 1 :过湿前沿逐渐移动到铺底料阶段 ; x 1 <x ≤x 2 :过湿带逐渐消失 ,干燥预热前沿移 动到铺底料阶段 ; x 2 <x ≤x 3 :干燥预热带逐渐消失 ,燃烧前沿移 动到铺底料阶段 ; x 3 <x ≤x 4 :燃烧带逐渐消失阶段 ,烧结矿带移 动到铺底料阶段 . 式中, x 1 为烧结废气温度开始上升时台车行进的距 离,也即是过湿前沿到达铺底料层时的位置, 在实际 生产中可用风箱号代替;x 2 为烧结料中过湿带结束 时台车行进的距离 ,即传热前沿到达铺底料层时的 位置, 在实际生产中可用传热前沿所到达的风箱号 代替;x 3 为烧结料中干燥预热带结束时台车行进的 距离 ,即火焰前沿到达铺底料层时的位置,在实际生 产中可用火焰前沿所到达的风箱号代替;x4 为烧结 料中燃烧带结束 、烧结矿开始冷凝时台车行进的距 离,在实际生产中的烧结终点, 一般在倒数第 2 个 风箱 . T 1 =A0 +A 1 x 1 +A 2 x 2 1 +…+Amx m 1 (2) T 2 =A0 +A 1 x 2 +A 2 x 2 2 +…+Amx m 2 (3) T 3 =A0 +A 1 x 3 +A 2 x 2 3 +…+Amx m 3 (4) 通过确定 x 1 、x 2 和 x 3(带小数点的风箱号)及 T1 、 T 2 和 T3 , 并结合点火时间 t 0 、风箱宽度 L 、台车移 动速度 v 和料层厚度 H , 能够准确的计算出烧结过 程内部各反应带的平均移动速度及其宽度的大小 , 也就能够更进一步了解烧结过程内部规律.根据计 算得出的各带前沿平均速度大小, 进而估算各带的 平均宽度. (3)计算出各带的前沿移动所用时间 .过湿前 沿从料层顶部移动到料层底部所用的时间 : t 1 =t 0 + x 1 L V (5) 传热前沿从料层顶部移动到料层底部所用的时间: t 2 =t 0 + x 2 L V (6) 鉴于点火的目的为在料层顶部初步形成燃烧带, 故 燃烧前沿从料层顶部移动到料层底部所用的时间: t 3 = x 3 L V (7) 烧结时间为 t 4 . 上面各式中, t 0 为点火时间, min ;V 为台车速 度 , m·min -1 ;L 为风箱宽度, m ;x i 为计算所得各拐 点对应的风箱号. (4)求解烧结各带前沿平均速度 .过湿前沿平 均速度 : v 1 = H t 1 (8) 传热前沿平均速度 : v 2 =H t 2 (9) 燃烧前沿平均速度 : v 3 = H t 3 (10) 垂直烧结速度为 v ⊥ . 由于上述所介绍的流程关键是选取大量的数 据 ,并对大量数据进行拟合求出多项式,通过对生产 数据采用 M atlab 语言求解, 在 M atlab 中采用最小 二乘拟合 Polyfit 命令和误差分析 Poly val 命令, 对 烧结过程各风箱的废气温度进行七次拟合 ,拟合出 温度曲线多项式, 利用 M atlab 求导命令求二阶导, 找出各前沿速度到达烧结铺底料所对应的废气 温度. (5)建立烧结工艺参数与各前沿速度的关系模 型 .在实际生产中影响烧结废气温度曲线形状的有 三类工艺参数 :其一为与烧结气体流动状态有关的 工艺参数,其二为影响气体传热的工艺参数,其三为 烧结机速等影响温度曲线横坐标的参数.因各带的 前沿平均速度是根据烧结气体温度曲线计算所得, 故上述对烧结废气温度曲线影响显著的参数 ,也会 对烧结过程内部各带的前沿速度产生很大的影响. 这些参数包括料层高度 、烧结料粒度 、焦粉配比、焦 粉粒度 、水分 、成品烧结矿粒度、废气流量 、烧结矿密 · 1108 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷

第9期 吴胜利等：基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法 。1109。 度、体积收缩率和烧结负压等.为了考察各工艺参 vI=ao+aXi+a2X2+...+anXn (11) 数对各前沿平均速度的影响情况，分清哪些参数对 V2=bo+b1X1+b2X2+..+bnXm (12) 所有的前沿速度均有影响，哪些参数对某一前沿平 v3=Co+c1X1+c2X2+..+cnXn (13) 均速度有影响，并分析其对烧结内部各带迁移的影 v4=do+dX1+d2X2+..+dnXn (14) 响规律，能够为调整烧结工艺参数提出更精确的指 (6)模型的验证.对回归系数的F检验山，要 导.各参数对各前沿速度及各带平均宽度的影响分 检验vi与X1,X2,X3,,Xm是否存在线性关系就 析如图2所示. 是要检验假设Ho”是否成立，“假设Ho”所表达的 料层高度X 意义为假设各回归系数均为0的情况.当“假设 料层密度X, H”成立时则无线性关系，否则认为有线性关系 烧结料粒度X 过湿前沿 检验是否有显著的线性关系，则应用统计量F值 烧结料粒度X 平均速度匕 过湿带的 传热前沿 平均宽度h 表示. 烧结矿密度X, 平均速度 焦粉平均粒度尤 干燥预热带的 4新预报方法的验证 燃烧前沿 平均宽度h 成品烧结矿粒度X, 平均速度， 燃烧带的 废气流量水 采集国内某烧结厂3#烧结机的405组实际生 垂直烧结 平均宽度 体积收缩率X, 速度匕 产数据，对前375组数据按照上述步骤进行分析处 烧结负压Xo 理，计算所得的烧结各带前沿平均速度和各工艺参 料层水分X 数之间的回归系数见表1.鉴于实际生产中烧结矿 和烧结混合料的堆比重变化不大，燃料粒度在所采 图2烧结工艺参数对各前沿速度及各带平均宽度的影响分析 集的数据中没有太大变化，废气流量与负压成正比 Fig.2 Influence of sintering process parameters on the average front speed and the width of each sintering zone 关系，所以这些参数在表1中没有出现.利用后30 组数据进行终点预测，预测时把每组数据中的工艺 各工艺参数对各前沿平均速度的关系模型可以 参数带入回归所得的垂直烧结速度计算公式，计算 通过多元线性回归得出，具体计算采用M at lab中的 出垂直烧结速度和烧结终点对应的风箱号，结合生 Regress命令. 产实测数据分析其可靠性. 表1烧结生产部分参数与各前沿平均速度关系的回归系数 Table I Regress of the melation betw een sintering process parameters and each averge front peed 工艺参数 速度 燃料配比 料层厚度 机速 负压 水分 烧结矿旷平均粒度 碱度 a=55617 a2=19.3084 a3=1.1809 a4=-1.6412 a=165279 a6=69227 a7=01457 V2 b=62045 b=21.5397 b=13174 b4=-1.8308 b=35.7081 b。=7.7227 b7=01625 V3 c=101373 c3=35.1932 c3=21525 C=-29913 c=21855 c。=12618 C=02656 v⊥ d=185324 d2=643379 d=3.935 d:=-5.4686 d=1.959 d=230674 d7=04855 注：因各参数的单位和数量级不同，必须对其进行标准化1处理，才能分清各影响参数的主、次关系.F检验结果为，R2=08437,F= 6.1861,概率p=0003005.模型成立. 表1中数据绝对值的大小代表对各带前沿速度 压、机速和碱度对传热前沿平均速度的影响依次逐 影响的强弱情况.从表1可以看出，烧结矿平均粒 渐减弱，同样，除负压外，这些参数的增加会减慢传 度对四种前沿速度均有较大的影响，但是烧结矿平 热前沿平均速度：料层厚度、燃料配比、负压、烧结料 均粒度与烧结的产物有关，为不可调整项，但在一定 水分含量、机速和碱度对燃烧前沿平均速度的影响 范围内变化.其他各参数在烧结生产的范围内变化 依次逐渐减弱，同样，除负压外，这些参数的增加会 时，对烧结各带影响情况为：料层厚度、烧结料水分 减慢燃烧前沿平均速度：料层厚度、燃料配比、负压、 含量、燃料配比、负压、机速和碱度对过湿前沿速度 烧结料水分含量、机速和碱度对垂直烧结速度的影 的影响依次逐渐减弱，除负压的升高会加快过湿前 响依次逐渐减弱，同样除负压外，这些参数的增加 沿平均速度外，其他参数的增加会减慢过湿前沿平 会减慢垂直烧结速度 均速度：烧结料水分含量、料层厚度、燃料配比、负 表2中数据为各工艺参数对相邻前沿速度回归

度、体积收缩率和烧结负压等 .为了考察各工艺参 数对各前沿平均速度的影响情况 ,分清哪些参数对 所有的前沿速度均有影响, 哪些参数对某一前沿平 均速度有影响, 并分析其对烧结内部各带迁移的影 响规律 ,能够为调整烧结工艺参数提出更精确的指 导.各参数对各前沿速度及各带平均宽度的影响分 析如图 2 所示. 图 2 烧结工艺参数对各前沿速度及各带平均宽度的影响分析 Fig.2 Influence of sintering process parameters on the average front speed and the w idth of each sintering zone 各工艺参数对各前沿平均速度的关系模型可以 通过多元线性回归得出, 具体计算采用 M atlab 中的 Reg ress 命令 . v 1 =a0 +a1X 1 +a2X 2 +…+anX n (11) v 2 =b0 +b1X 1 +b2X 2+…+bnXn (12) v 3 =c0 +c1X 1 +c2X 2 +…+cnX n (13) v 4 =d 0 +d 1X 1 +d 2X 2 +…+dnXn (14) (6)模型的验证 .对回归系数的 F 检验[ 11] ,要 检验 v i 与X 1 , X 2 , X 3 , …, Xn 是否存在线性关系就 是要检验“假设 H0”是否成立, “假设 H0”所表达的 意义为假设各回归系数均为 0 的情况.当“ 假设 H0”成立时则无线性关系 , 否则认为有线性关系. 检验是否有显著的线性关系 , 则应用统计量 F 值 表示. 4 新预报方法的验证 采集国内某烧结厂 3 #烧结机的 405 组实际生 产数据,对前 375 组数据按照上述步骤进行分析处 理 ,计算所得的烧结各带前沿平均速度和各工艺参 数之间的回归系数见表 1 .鉴于实际生产中烧结矿 和烧结混合料的堆比重变化不大, 燃料粒度在所采 集的数据中没有太大变化 ,废气流量与负压成正比 关系 ,所以这些参数在表 1 中没有出现 .利用后 30 组数据进行终点预测 , 预测时把每组数据中的工艺 参数带入回归所得的垂直烧结速度计算公式 ,计算 出垂直烧结速度和烧结终点对应的风箱号 ,结合生 产实测数据分析其可靠性. 表 1 烧结生产部分参数与各前沿平均速度关系的回归系数 Table 1 Regress of the relation betw een sint ering process parameters and each average front speed 速度 工艺参数 燃料配比 料层厚度 机速 负压 水分 烧结矿平均粒度 碱度 v 1 a 1 =5.561 7 a 2 =19.308 4 a3 =1.180 9 a 4 =-1.641 2 a 5=16.527 9 a6 =6.922 7 a 7 =0.145 7 v 2 b 1 =6.204 5 b 2=21.539 7 b3 =1.317 4 b 4 =-1.830 8 b5 =35.708 1 b6 =7.722 7 b 7 =0.162 5 v 3 c1=10.137 3 c2 =35.193 2 c3 =2.152 5 c4 =-2.991 3 c5 =2.185 5 c6 =12.618 c7 =0.265 6 v ⊥ d 1 =18.532 4 d 2 =64.337 9 d 3 =3.935 d 4 =-5.468 6 d5 =1.959 d 6=23.067 4 d 7 =0.485 5 注:因各参数的单位和数量级不同, 必须对其进行标准化[ 12] 处理, 才能分清各影响参数的主、次关系.F 检验结果为, R 2 =0.843 7 , F = 6.186 1 , 概率 p =0.003<0.05 , 模型成立. 表 1 中数据绝对值的大小代表对各带前沿速度 影响的强弱情况.从表 1 可以看出, 烧结矿平均粒 度对四种前沿速度均有较大的影响 ,但是烧结矿平 均粒度与烧结的产物有关 ,为不可调整项,但在一定 范围内变化.其他各参数在烧结生产的范围内变化 时,对烧结各带影响情况为 :料层厚度、烧结料水分 含量、燃料配比、负压、机速和碱度对过湿前沿速度 的影响依次逐渐减弱, 除负压的升高会加快过湿前 沿平均速度外, 其他参数的增加会减慢过湿前沿平 均速度;烧结料水分含量、料层厚度 、燃料配比 、负 压 、机速和碱度对传热前沿平均速度的影响依次逐 渐减弱,同样, 除负压外 , 这些参数的增加会减慢传 热前沿平均速度;料层厚度 、燃料配比 、负压、烧结料 水分含量 、机速和碱度对燃烧前沿平均速度的影响 依次逐渐减弱,同样 ,除负压外, 这些参数的增加会 减慢燃烧前沿平均速度 ;料层厚度、燃料配比、负压、 烧结料水分含量、机速和碱度对垂直烧结速度的影 响依次逐渐减弱, 同样, 除负压外, 这些参数的增加 会减慢垂直烧结速度. 表 2 中数据为各工艺参数对相邻前沿速度回归 第 9 期 吴胜利等:基于烧结过程各带迁移规律的烧结终点预报方法 · 1109 ·

。1110 北京科技大学学报 第31卷 系数之间的差值，差值的大小代表对各带宽度影响 为，烧结料水分含量、料层厚度、燃料配比、机速、碱 的强弱情况.考察表2中数据可以研究工艺参数对 度：②升高烧结负压和增加烧结料水分含量均会使 各带宽度变化情况：若某参数所在列的某一数据为 干燥预热带变窄，而料层厚度、燃料配比、机速、碱度 正，表明该参数的增加会使该数据所对应带的平均 的增大会导致干燥预热带变宽，且对干燥预热带影 宽度变宽：反之，表明该参数的增加会使所对应带的 响的主次顺序为，料层厚度、燃料配比、机速、碱度： 平均宽度变宽变窄.同时，研究分析各工艺参数的 ③升高烧结负压和增加烧结料含水量会使燃烧带宽 回归系数差值的大小，可以考察各工艺参数对该带 度变窄，而料层厚度、燃料配比、机速和碱度的增大 平均宽度影响的主、次关系.根据表2中数据可知： 造成燃烧带变宽，且料层厚度、燃料配比、机速和碱 ①除负压升高会使过湿带平均宽度变窄外，其他参 度对燃烧带宽度影响逐渐减弱 数的增大导致过湿带变宽，且影响的主、次关系排列 表2部分烧结工艺参数与各带宽度影响关系 Table 2 Relation betw een sintering process parameters and the width of each sintering zone 工艺参数 区域 燃料配比 料层厚度 机速 负压 水分 碱度 过湿带 06428 22313 01365 -01896 19.1802 00168 干燥预热带 39328 13.6535 08351 -1.1605 -33.5226 01031 燃烧带 83951 29.1447 1.7825 -24773 -02265 02199 图3中的上面部分显示了所预报的垂直烧结速 应用本方法可以对影响烧结终点的工艺参数进 度与实测的对比情况下面部分显示烧结终点的预 行定量化调整.根据烧结各带迁移规律确定具体烧 报与实测的比较.从图中可知预报与实测的吻合结 结工艺参数定量化调整步骤为：①根据前期375组 果较好. 生产数据的废气温度曲线，拟合分析的结果认为合 27 适的v1、v2、v3和v⊥见表3中调整后数据：②将合 适的v1、v2、v3和vL及表1中相对应的回归系数 -A 83068605g8390 分别代入式(11)至式(14)，建立由四个七元一次方 实测 ▣预报 程构成的方程组：③通过判断可知方程组的未知数 210 5 10 1520 30 35 的个数大于方程的个数，故方程组有无数个解但考 样本数 虑到烧结实际情况。可以设定烧结碱度和料层厚度 22.0 215-A 固定，将烧结碱度和料层厚度作为固定数带入上述 21.0 g20:68886 0 公式求解.计算时，选取375组生产数据燃料配比 0 实测 20.5 。预报 的最小值和烧结矿平均粒度的最大值分别设定为燃 20.0 料配比的下限和烧结矿平均粒度的上限，以实现降 10 15 20 25 30 35 样本数 低燃料配比和获得较高烧结矿平均粒度的目标，对 由四个五元一次方程构成的等式方程组进行规划求 图3预报结果准确性分析 Fig.3 Accuracy analy sis of forecast results 解，求解所得合适的调节烧结终点的工艺参数.具体 表3样本A的工艺参数定量化调整 Table 3 Quntitatively adjusting of sintering pmcess parameters for Sample A 工况 燃料配比/% 料层厚度/mm 机速/(m"min一) 负压/Pa 水分/% 碱度 调整前 4.00 74330 270 16698 9.40 184 调整后 3.87 743.30 270 16698 9.00 1.84 工况 v/(mm'min) vy (mm'min-1) vy(mm'min) v (mm'min-1) 烧结终点风箱号 调整前 79.04 43.23 2646 23.72 21.56 调整后 79.86 4410 2656 23.93 21.27

系数之间的差值 ,差值的大小代表对各带宽度影响 的强弱情况.考察表 2 中数据可以研究工艺参数对 各带宽度变化情况 :若某参数所在列的某一数据为 正,表明该参数的增加会使该数据所对应带的平均 宽度变宽 ;反之 ,表明该参数的增加会使所对应带的 平均宽度变宽变窄.同时, 研究分析各工艺参数的 回归系数差值的大小, 可以考察各工艺参数对该带 平均宽度影响的主、次关系.根据表 2 中数据可知 : ①除负压升高会使过湿带平均宽度变窄外, 其他参 数的增大导致过湿带变宽 ,且影响的主 、次关系排列 为 ,烧结料水分含量 、料层厚度、燃料配比 、机速 、碱 度 ;②升高烧结负压和增加烧结料水分含量均会使 干燥预热带变窄, 而料层厚度、燃料配比、机速、碱度 的增大会导致干燥预热带变宽, 且对干燥预热带影 响的主次顺序为 ,料层厚度、燃料配比 、机速 、碱度; ③升高烧结负压和增加烧结料含水量会使燃烧带宽 度变窄 ,而料层厚度 、燃料配比、机速和碱度的增大 造成燃烧带变宽, 且料层厚度、燃料配比 、机速和碱 度对燃烧带宽度影响逐渐减弱. 表 2 部分烧结工艺参数与各带宽度影响关系 Table 2 Relation betw een sintering process parameters and the width of each sintering zone 区域 工艺参数 燃料配比 料层厚度 机速 负压 水分 碱度 过湿带 0.642 8 2.231 3 0.136 5 -0.189 6 19.180 2 0.016 8 干燥预热带 3.932 8 13.653 5 0.835 1 -1.160 5 -33.522 6 0.103 1 燃烧带 8.395 1 29.144 7 1.782 5 -2.477 3 -0.226 5 0.219 9 图 3 中的上面部分显示了所预报的垂直烧结速 度与实测的对比情况, 下面部分显示烧结终点的预 报与实测的比较 .从图中可知预报与实测的吻合结 果较好. 图 3 预报结果准确性分析 Fig.3 Accu racy analysis of forecast results 应用本方法可以对影响烧结终点的工艺参数进 行定量化调整.根据烧结各带迁移规律确定具体烧 结工艺参数定量化调整步骤为:①根据前期 375 组 生产数据的废气温度曲线 ,拟合分析的结果认为合 适的 v 1 、v 2 、v 3 和 v ⊥见表 3 中调整后数据;②将合 适的 v 1 、v 2 、v 3 和 v ⊥及表 1 中相对应的回归系数 分别代入式(11)至式(14),建立由四个七元一次方 程构成的方程组;③通过判断可知方程组的未知数 的个数大于方程的个数 ,故方程组有无数个解, 但考 虑到烧结实际情况, 可以设定烧结碱度和料层厚度 固定 ,将烧结碱度和料层厚度作为固定数带入上述 公式求解 .计算时, 选取 375 组生产数据燃料配比 的最小值和烧结矿平均粒度的最大值分别设定为燃 料配比的下限和烧结矿平均粒度的上限 , 以实现降 低燃料配比和获得较高烧结矿平均粒度的目标, 对 由四个五元一次方程构成的等式方程组进行规划求 解 ,求解所得合适的调节烧结终点的工艺参数, 具体 表 3 样本 A 的工艺参数定量化调整 Table 3 Quantit atively adjusting of sintering process parameters f or Sample A 工况 燃料配比/ % 料层厚度/ mm 机速/(m·min -1) 负压/ Pa 水分/ % 碱度 调整前 4.00 743.30 2.70 16 698 9.40 1.84 调整后 3.87 743.30 2.70 16 698 9.00 1.84 工况 v1/(mm·min -1) v 2/(mm·min -1) v3/(mm·min -1) v ⊥ /(mm·min -1) 烧结终点风箱号 调整前 79.04 43.23 26.46 23.72 21.56 调整后 79.86 44.10 26.56 23.93 21.27 · 1110 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷