闪速冶炼设备的布料系统及其控制系统和专家控制策略

权利要求书： 1.一种闪速冶炼设备的布料系统，其特征在于：它包括机械运动单元和动力驱动单元；

机械运动单元包括内管、外管、主传动轴、拉力轴承装置和布料盘；

内管和外管同心内外套置伸入炉膛中，其中内管为工艺风通道，外管与内管之间的空腔为物料进入炉膛的通道；

主传动轴位于内管的轴向中心位置处，拉力轴承装置可上下滑动的连接于主传动轴上，布料盘的尾部铰接于主传动轴的下端，布料盘的侧壁与拉力轴承装置之间铰接有拉杆；

动力驱动单元包括水平运动驱动单元和竖直运动驱动单元，水平运动驱动单元与主传动轴连接实现主传动轴的旋转运动，竖直运动单元与拉力轴承装置连接实现拉力轴承装置沿主传动轴的上下滑动，拉力轴承装置通过拉杆向上拉或者向下推布料盘，使布料盘在随主传动轴旋转的同时改变其在水平方向的俯仰角度；

所述内管的下端伸出于外管的下端外；所述布料盘有多个，沿所述主传动轴的周向均布，布料盘的横截面形状为L型，其水平边的尾部和所述主传动轴的下端之间通过防尘铰链铰接；

所述拉力轴承装置包括法兰式的直线轴承、高强度耐磨滚珠和倒置的U型罩，直线轴承以法兰位于下端布置，其上端从U型罩的顶板中心位置处穿过，U型罩的底面与直线轴承的法兰底面平齐，高强度耐磨滚珠嵌装于直线轴承的法兰和U型罩的顶板之间，使U型罩可稳定的转动；

所述拉力轴承装置还包括锥形导流罩，以大径端位于下端布置，通过轴向中心孔套于所述直线轴承外，大径端与所述U型罩的顶板外侧连接，使导流罩可随U型罩转动；

所述拉杆的上端与所述U型罩的外壁铰接，下端与所述布料盘的竖直边近尾部处铰接。

2.如权利要求1所述的闪速冶炼设备的布料系统，其特征在于：所述水平运动驱动单元包括交流电机和齿轮减速器，交流电机的输出轴与齿轮减速器的输入轴通过联轴器连接，齿轮减速器的输出轴通过联轴器与所述主传动轴连接。

3.如权利要求2所述的闪速冶炼设备的布料系统，其特征在于：所述竖直运动驱动单元包括液压杆和套管，套管套于所述主传动轴上，下端与所述直线轴承的上端连接，套管的上端与液压杆连接，液压杆伸缩通过套管带动直线轴承沿主传动轴上下滑动。

4.一种权利要求3所述布料系统的控制系统，其特征在于：它包括PLC、输入输出卡件、触摸屏和交换机，模糊控制逻辑应用ST语言写入PLC中，并将系统运行情况远传给上位机，实现远程/就地、自动/人工的实时切换，其中PLC、输入输出卡件和触摸屏通过交换机实现通讯；所述交流电机连接有变频器，变频器和所述液压杆接受触摸屏和PLC的双重指令，正常调节逻辑存储在PLC中，手动指令由触摸屏给出，紧急停机指令可由触摸屏在输入最高级密码后给出。

5.一种权利要求4所述控制系统的专家控制策略，包括以下步骤：

S1）确定系统变量间的关系

选取炉内温度场变化作为表征系统运行状态的依据，以其为中介建立系统运行品质和耐高温布料板旋转速度与水平方向俯仰角度即调节量的关系，由此形成闭环控制系统，控制器形式选取基于专家经验的模糊控制系统；

S2）针对不同批次原料精矿颗粒大小、焦炭颗粒与精矿混合均匀性存在差异的情况，在多次实验的基础上将上述两项折算加权前馈至S1步骤的闭环控制系统，用以补偿原料特性变化带来的系统外部扰动。

6.如权利要求5所述的专家控制策略，其特征在于，

所述S1）的具体步骤为：

S1.1）选择秒为单位，调用安装优化布料系统前的目标闪速炼铅炉历史数据，选取符合理想运行品质的一炉数据，整理冶炼炉固定热电偶温度记录，采集对应时刻点物料进入炉膛的流量和送风压力；

S1.2）进行冷态模拟实验

将S1.1）步骤所得流量及压力用作冷模输入条件，得到与温度数据对应的物料散布情况；

S1.3）多次重复步骤S1.1）和步骤S1.2），得到多组与系统运行温度对应的物料散布关系，人工筛选出温度变化与物料散布的最佳匹配关系及调节方向，形成多套“If?Then”关系，并将所选工作点的流量和风压换算成料盘的转速与角度，即完成专家系统的设计；

所述S2）的具体步骤为：

分别以精矿颗粒大小、料焦混合情况为条件，多次重复步骤S1），得到对应条件下的最佳转速和角度设定值，用以修正S1）步骤所得专家系统。

说明书： 闪速冶炼设备的布料系统及其控制系统和专家控制策略技术领域[0001] 本发明涉及一种金属闪速冶炼设备，具体为一种闪速冶炼设备的布料系统及其控制系统和专家控制策略。背景技术[0002] 金属铅闪速冶炼过程中，焦炭颗粒在熔渣表面的均匀分布对系统运行品质有着重要作用。物料在参与反应前，焦炭颗粒总量已经完成定量配比，即一旦出现分布不均的情况，将会导致局部焦滤层过薄甚至熔体裸露的情况，使得部分氧化铅未经还原即进入熔渣，从而造成能源浪费及金属资源流失；散布不均形成的料锥限制了焦炭颗粒的还原作用，同样形成资源浪费。为使喷入炉内的物料尽可能做到均匀散布，炼铅用闪速炉经历了从单喷头到多喷头再到大口径单喷头的转变；喷头结构也经过三代升级，由最初的文丘里型喷头升级为静态环式中央精矿喷嘴，到目前普遍使用的套筒式中央精矿喷嘴。新型设计在一定程度上改善了物料散布情况，但由于精矿和焦炭颗粒的大小与质量相差较大，在应用目前技术条件下，焦炭颗粒形成的料锥仍然十分明显，1：1冷模实验表明料锥顶点的高度达到最低位置厚度的7倍，在连续生产过程中，这一倍率必然继续增加。[0003] 为了改善物料散布情况，近年来国内外学者围绕高精度建模、新机理开发、流场模拟等方面开展了大量理论研究、技术开发与工程应用的工作。特别是有关喷头设计的研究，成果及专利较多，然而目前市场上的闪速铅冶炼设备产品多为静态器件，这就意味着当冶炼系统运行工况与设计零件所假设的静态工作点重合时，系统处于最优运行状态，其余情况只能处于次优条件运行；目前主流的第三代喷头虽然设计了意在分散物料的横向分散风，但为使物料喷洒流畅，喷头中心的梭形锥直径只能小于等于同心套管的内侧管道，相当最外侧的工艺风形成了风环，势必减弱横向分散风的效果，强行加大风机负荷还要受到设备及能耗的限制，总体运行效果有限。发明内容[0004] 本发明的主要目的在于提供一种可使金属闪速冶炼物料均匀散布的布料系统及其控制系统和专家控制策略。[0005] 本发明提供的这种闪速冶炼设备的布料系统，包括机械运动单元和动力驱动单元；机械运动单元包括内管、外管、主传动轴、拉力轴承装置和布料盘；内管和外管同心内外套置伸入炉膛中，其中内管为工艺风通道，外管与内管之间的空腔为物料进入炉膛的通道；主传动轴位于内管的轴向中心位置处，拉力轴承装置可上下滑动的连接于主传动轴上，布料盘的尾部铰接于主传动轴的下端，布料盘的侧壁与拉力轴承装置之间铰接有拉杆；动力驱动单元包括水平运动驱动单元和竖直运动驱动单元，水平运动驱动单元与主传动轴连接实现主传动轴的旋转运动，竖直运动单元与拉力轴承装置连接实现拉力轴承装置沿主传动轴的上下滑动，拉力轴承装置通过拉杆向上拉或者向下推布料盘，使布料盘在随主传动轴旋转的同时改变其在水平方向的俯仰角度。

[0006] 上述技术方案的一种实施方式中，所述内管的下端伸出于外管的下端外；所述布料盘有多个，沿所述主传动轴的周向均布，布料盘的横截面形状为L型，其水平边的尾部和所述主传动轴的下端之间通过防尘铰链铰接。[0007] 上述技术方案的一种实施方式中，所述拉力轴承装置包括法兰式的直线轴承、高强度耐磨滚珠和倒置的U型罩，直线轴承以法兰位于下端布置，其上端从U型罩的顶板中心位置处穿过，U型罩的底面与直线轴承的法兰底面平齐，高强度耐磨滚珠嵌装于直线轴承的法兰和U型罩的顶板之间，使U型罩可稳定的转动。[0008] 上述技术方案的一种实施方式中，所述拉力轴承装置还包括锥形导流罩，以大径端位于下端布置，通过轴向中心孔套于所述直线轴承外，大径端与所述U型罩的顶板外侧连接，使导流罩可随U型罩转动。[0009] 上述技术方案的一种实施方式中，所述拉杆的上端与所述U型罩的外壁铰接，下端与所述布料盘的竖直边近尾部处铰接。[0010] 上述技术方案的一种实施方式中，所述水平运动驱动单元包括交流电机和齿轮减速器，交流电机的输出轴与齿轮减速器的输入轴通过联轴器连接，齿轮减速器的输出轴通过联轴器与所述主传动轴连接。[0011] 上述技术方案的一种实施方式中，所述竖直运动驱动单元包括液压杆和套管，套管套于所述主传动轴上，下端与所述直线轴承的上端连接，套管的上端与液压杆连接，液压杆伸缩通过套管带动直线轴承沿主传动轴上下滑动。[0012] 本发明提供的上述布料系统的控制系统，包括PLC、输入输出卡件、触摸屏和交换机，模糊控制逻辑应用ST语言写入PLC中，并将系统运行情况远传给上位机，实现远程/就地、自动/人工的实时切换，其中PLC、输入输出卡件和触摸屏通过交换机实现通讯；所述交流电机连接有变频器，变频器和所述液压杆接受触摸屏和PLC的双重指令，正常调节逻辑存储在PLC中，手动指令由触摸屏给出，紧急停机指令可由触摸屏在输入最高级密码后给出。[0013] 本发明提供的上述控制系统的专家控制策略，包括以下步骤：[0014] S1)确定系统变量间的关系[0015] 选取炉内温度场变化作为表征系统运行状态的依据，以其为中介建立系统运行品质和耐高温布料板旋转速度与水平方向俯仰角度即调节量的关系，由此形成闭环控制系统，控制器形式选取基于专家经验的模糊控制系统。[0016] S2)针对不同批次原料精矿颗粒大小、焦炭颗粒与精矿混合均匀性存在差异的情况，在多次实验的基础上将上述两项折算加权前馈至S1步骤的闭环控制系统，用以补偿原料特性变化带来的系统外部扰动。[0017] 上述专家控制策略中，所述S1)的具体步骤为：[0018] S1.1)选择秒为单位，调用安装优化布料系统前的目标闪速炼铅炉历史数据，选取符合理想运行品质的一炉数据，整理冶炼炉固定热电偶温度记录，采集对应时刻点物料进入炉膛的流量和送风压力；[0019] S1.2)进行冷态模拟实验[0020] 将S1.1)步骤所得流量及压力用作冷模输入条件，得到与温度数据对应的物料散布情况；[0021] S1.3)多次重复步骤S1.1)和步骤S1.2)，得到多组与系统运行温度对应的物料散布关系，人工筛选出温度变化与物料散布的最佳匹配关系及调节方向，形成多套“If?Then”关系，并将所选工作点的流量和风压换算成料盘的转速与角度，即完成专家系统的设计；[0022] 所述S2)的具体步骤为：[0023] 分别以精矿颗粒大小、料焦混合情况为条件，多次重复步骤S1)，得到对应条件下的最佳转速和角度设定值，用以修正S1)步骤所得专家系统。[0024] 本布料系统的机械运动单元的主传动轴设置于内管的轴向中心位置，主传动轴上了滑动的连接有拉力轴承装置，多个布料盘沿主传动轴的周向铰接于其下端，且布料盘和拉力装置之间铰接有拉杆，动力驱动单元的水平运动驱动单元使主传动轴旋转时，布料盘随主传动轴旋转。同时动力驱动单元的竖直运动驱动单元使拉力轴承装置沿主传动轴上下滑动，拉力轴承装置通过拉杆向上拉或者向下推布料盘改变其水平位置。所以布料盘在随主传动轴旋转的同时改变其在水平方向的俯仰角度。布料系统布料盘的告诉旋转使物料颗粒受到了离心力，布料盘旋转的同时改变其俯仰角度，进一步优化了物料颗粒的散布轨迹，同时高速旋转所产生的气体流场变化也有助于物料的均匀散布。内管作为工艺风通道，布料系统的机械运动单元设置于内管中，所遭受炉膛的热辐射小，且管内压力大于炉膛中压力，有效阻止了粉尘倒灌导致的机械腐蚀与堵塞，设备核心部分寿命长，较常规方案降低了损耗成本。控制系统控制动力驱动单元的最佳旋转速度和布料盘的最佳俯仰角度。控制系统配套的专家控制策略能够根据生产状况包括物料颗粒大小，系统已投产时间等进行单独设计，针对性强；系统控制架构可以直接移植使用，适应性好。整体系统融合了物理层、控制层等多层面，实现了闭环优化，且系统为未来新型变送器的投产预留了接口，具备自我升级的空间。附图说明[0025] 图1为本发明一个实施例的系统原理及控制示意图。[0026] 图2为图1中拉力轴承装置的纵剖放大示意图。[0027] 图3为图2中的Ⅰ?Ⅰ剖视示意图。[0028] 图4?1传统方案炼铅闪速炉物料分布冷模试验结果。[0029] 图4?2改进方案炼铅闪速炉物料分布冷模试验结果。[0030] 图5?1传统方案炼铅闪速炉物料分布冷模试验云图。[0031] 图5?2改进方案炼铅闪速炉物料分布冷模试验云图。具体实施方式[0032] 结合图1至图3所示，本实施例公开的这种闪速冶炼设备的布料系统，用于金属铅的冶炼，包括机械运动单元A和动力驱动单元B。[0033] 机械运动单元A包括内管A1、外管A2、主传动轴A3、拉力轴承装置A4和布料盘A5。[0034] 内管A1和外管A2同心内外套置伸入炉膛中，其中内管为工艺风通道，外管与内管之间的空腔为物料进入炉膛的通道。[0035] 主传动轴A3穿过内管A1的水平段侧壁插入内管的竖直段轴向中心位置处。内管竖直段的下端伸出于外管A2竖直段的下端端面外。[0036] 主传动轴上对应穿过内管水平段侧壁的位置处连接有滚动轴承，滚动轴承的外圈与内管侧壁焊接固定。[0037] 拉力轴承装置A4包括法兰式的直线轴承A41、高强度耐磨滚珠A42、倒置的U型罩A43和锥形导流罩A44。[0038] 直线轴承A41以法兰位于下端布置，其上端连接有直径略大于滚动轴承外圈直径的套管A45。[0039] 直线轴承A41的上端从U型罩A43的顶板中心位置处穿过，U型罩的底面与直线轴承的法兰底面平齐，高强度耐磨滚珠A42嵌装于直线轴承的法兰和U型罩的顶板之间，使U型罩可稳定的转动。[0040] 锥形导流罩A44有轴向中心孔，以大径端位于下端布置，通过轴向中心孔套于直线轴承A41外，大径端与U型罩A43的顶板外侧连接，使锥形导流罩A44可随U型罩A43转动。[0041] 锥形导流罩32可减少内管中工艺风对U型罩的冲击。[0042] 动力驱动单元B包括交流电机B1和其驱动的齿轮减速器B2，包括液压杆B3，交流电机B1连接有变频器B4，变频器连接三相电源B5。[0043] 齿轮减速器的输出轴通过联轴器与主传动轴的上端连接，交流电机B1工作实现主传动轴A3的旋转运动。[0044] 交流电机和齿轮减速器加装温度测点，以保证在过负荷情况下及时报警处理。[0045] 主传动轴A3从套管A45和直线轴承A41中穿过，套管A45的上端与液压杆B3的伸缩头通过过渡传动件如抱箍等连接。[0046] 液压杆B3的伸缩运动通过套管A45使直线轴承A41带着U型罩A43一起沿主传动轴A3上下滑动。[0047] 变频器B4的工作及液压杆B3的伸缩运动均由控制系统K决定。[0048] 主传动轴A3通过其上部连接的滚动轴承和下部连接的直线轴承保证其高速旋转时的稳定性。[0049] 布料盘A5的横截面形状为L型，以竖直边朝上布置。本实施例采用三个布料盘A5绕主传动轴A3的周向依次均布。布料盘采用耐高温材料制作。[0050] 各布料盘A5的水平边尾部和主传动轴A3的下端之间通过防尘铰链连接，防尘铰链的两侧分别与主传动轴和布料盘的水平边尾部焊接。[0051] 各布料盘A5的竖直边靠近尾部处铰接有拉杆A46，优选距尾部约40mm。[0052] 拉杆A46的上端与U型罩A43的外壁铰接。[0053] 拉杆作为纵向传动件，可将直线轴承沿主传动轴的上下滑动传递给布料盘，使布料盘在随主传动轴旋转的同时还能改变水平方向的俯仰角度。[0054] 控制系统K包括PLCK1、交换机K2，模拟量输入卡件K3、模拟量输出卡件K4、开关量输出卡件K5、开关量输入卡件K6、触摸屏K7。[0055] 专家控制程序存储于PLC中，PLC直接与交换机(Switch)相连接，并以交换机作为核心节点完成控制系统硬件集成。触摸屏具备存储调试数据的功能，采用ModbusTCP/IP协议与PLC进行通讯，完成显示与设置功能；同时触摸屏端还设置了报警与保护逻辑，通过开关量输入卡件和开关量输出卡件与变频器B4通讯，并设置为最高权限，保证系统的安全性。交换机还连接了模拟量输入卡件和模拟量输出卡件，用于读取液压杆B3的状态并给出动作指令。

[0056] 其中，变频器B4与液压杆B3接受触摸屏与PLC的双重指令，正常调节逻辑存储在PLC中，手动指令由触摸屏给出，紧急停机指令可由触摸屏在输入最高级密码后给出。[0057] 控制系统K对动力驱动单元进行调控，确保系统运行在最佳状态。[0058] 控制系统配套的专家控制策略以实现系统智能化运行，具体实施包括以下步骤：[0059] S1)建立系统反馈量与控制品质的线性联系。[0060] 其中S1.1)通过汇总比对历史运行数据，得到炉内温度测点K8反馈信号与系统运行品质的关系，由温度变化趋势与运行品质改变趋势确定反馈正负属性及反馈增益数值大小，数值可在触摸屏设置，存储于PLC中。[0061] S1.2)根据历史最优运行数据，得到单次铅冶炼流全程温度变化曲线，即作为设定值，实现冶炼动态优化控制。[0062] S2)建立调节量与反馈量的关系。新型优化布料系统以耐高温布料盘的旋转速度和水平方向的俯仰角度作为调节手段，即调节量。以目标冶炼炉改造前情况为基础，提取历史数据中以目标品质状态运行下的时序数据，即工艺风量和物料流量，得到其料流轨迹及分布情况；在1：1冷态模型下调节耐高温布料盘的旋转速度与水平俯仰角度，使料流轨迹与前述最佳状态对应，即得到调节量与反馈量的对应关系，通过“If?Then”语句形成多套模糊控制规则，即形成闭环优化控制系统基础。[0063] S3)对于不同批次矿石原料成分、颗粒直径等现实情况，多次重复S1)和S2)步骤，将影响以前馈加权形式送给控制系统，从而减外部扰动。[0064] 实施例：[0065] 以国内某金属铅冶炼炉为对象，建立1：1冶炼炉冷态模型，测量物料的散布情况。模型炉高7米，炉膛底面为面积25平方米的不锈钢网格。其中网格将炉底均匀划分为400个小矩形区域，即每个区域为边长25厘米的正方形，并于每个网格下方安装一个塑胶袋，用以装载喷入冶炼炉内部的物料。

[0066] 为尽可能还原实际生产情况，物料为精矿与焦碳颗粒的混合物，配比按实际生产要求进行，最终通过称重方式折算出物料分布高度。[0067] 为便于比较，对所得数据进行标幺化处理，并引入颗粒分散均匀性指标，定义特征指标xi有：[0068][0069] 其中 为第i区域物料比面密度；[0070] 表示第i区域物料质量分数；[0071] 表示第i区域物料面积分数；[0072] mi、si分别为第i区域颗粒质量和面积，设定喷嘴正下方区域网格i＝1,n＝400为网格总数。因而可知xi＝0则均匀分布，其数值越大则分布越不均匀。[0073] 通过多次实验以确定改进方案的设定参数，得到布料盘转速与角度最佳条件下的物料分布情况，整理计算得到xi，并建立冷模试验物料分布结果三维图像如图4?1和图4?2所示。[0074] 其中图4?1是基于传统方案的炼铅闪速炉物料分布情况；图4?2是本基于优化布料系统的炼铅闪速炉物料分布情况。[0075] 不难看出传统布料方式在炉膛底部中心形成了明显的料锥，相比优化布料系统方案，后者虽然在炉膛底部中心位置也存在一定程度的物料堆积，但其物料表面的梯度明显小于传统方案，即物料散布更加均匀。[0076] 图5?1和图5?2分别是图4?1和图4?2的俯视云图，不难看出料锥顶点远离底面中心位置，在正式生产过程中势必存在高温物料冲涮炉墙，缩短维修时间降低冶炼炉实用寿命的问题；相比之下所述优化布料系统使物料散布最高点基本与底面中心重合，再次验证了本方案的优越性，证实了设计的实用意义。