某湿法冶金流程运行状态的在线评价方法优化及仿真分析.pdf
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1、第4 2卷第4期(总第1 9 0期)2 0 2 3年8月湿法冶金H y d r o m e t a l l u r g yo fC h i n aV o l.4 2N o.4(S u m.1 9 0)A u g.2 0 2 3某湿法冶金流程运行状态的在线评价方法优化及仿真分析杨欣伟,赵雪娇(唐山工业职业技术学院 信息工程学院,河北 唐山 0 6 3 0 0 0)摘要:在分析某金氰化浸出工艺中浸出过程与置换两个工序的运行状态相关变量基础上,以综合经济效益为全流程的评价指标,选取了各工序运行状态的评价指标,提出了基于粗糙集的工业流程运行状态在线评价方法,建立了工序层模型与目标层模型,通过仿真分析验
2、证了模型的在线评价及非优追溯法的有效性。结果表明所建立模型具有一定的可靠性和有效性。关键词:金;氰化浸出;粗糙集;运行状态;评价;仿真;分析中图分类号:T F 8 0 3.2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 6 1 7(2 0 2 3)0 4-0 4 2 2-0 7 D O I:1 0.1 3 3 5 5/j.c n k i.s f y j.2 0 2 3.0 4.0 1 6收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 7第一作者简介:杨欣伟(1 9 8 4),女,硕士,讲师,主要研究方向为计算机应用技术。引用格式:杨欣伟,赵雪娇.某湿法冶金流程运行状态的在线评价方法优化及仿真分析J.湿
3、法冶金,2 0 2 3,4 2(4):4 2 2-4 2 8.在冶金行业中,最大限度地利用矿产资源获得更高的经济效益,是企业追求的目标。为了实时判断生产过程的运行状态以保证资源利用最大化,“运行状态评价”的概念被提出,是指生产过程处于正常状态时对其具体运行状态的优劣情况进一步的区分1-2。若判断运行状态处于非优状态,要及时追究原因并迅速调整生产操作,使其恢复到优状态。目前已有许多相关的研究3-6,其中过程运行状态在线评价7-8备受关注。其运行状态的评价方法大体可分为数据驱动9-1 0、机制分析与知识推理。但上述方法虽能实现过程状态在线评价,但无法处理定性变量与定量变量,并且对数据测量的准确性、
4、实时性要求较高,很大程度上影响评价准确度。因此,优化运行状态在线评价方法具有重要意义。试验针对某金氰化浸出工艺中浸出和置换2个工序,分析了影响运行状态的相关变量,并选取了全流程的运行状态评价指标,结合粗糙集理论1 1-1 2优点,提出了基于粗糙集的全流程运行状态评价方法,建立了相应的工序层运行状态评价模型及目标层运行状态评价模型,并通过仿真分析验证了所建立模型的在线评价法及非优追溯法的有效性和准确性。1 某湿法冶金过程运行状态分析及评价变量的选取1.1 运行状态影响因素分析1.1.1 金氰化浸出过程金的氰化浸出是利用N a C N溶液与经过预处理的矿浆反应得到含有金氰离子的溶液,化学反应方程式
5、为:4 A u+8 N a C N+2 H2O+O24 N a A u(C N)2+4 N a OH。金氰化浸出效果可以通过浸出过程的评价指标来判断,主要包括浸出率、浸出物耗与能耗。1)浸出率的影响因素:氰根离子浓度、金氰离子浓度和溶解氧浓度等。金氰离子浓度可直观反应金浸出效果。随氰根离子浓度升高,金溶解速度先升高后趋于平缓。平缓时只受溶液中的溶解氧浓度影响,溶解氧浓度越高,反应越充分,金溶解速度越快,金浸出率越高。2)浸出物耗的影响因素:矿石质量、调浆水流量、N a C N添加量、矿浆p H及矿浆浓度等。矿石质量越大,调浆水量越大,N a C N添加量越大,物耗也越大。由于N a C N易发
6、生水解反应产生有毒气体第4 2卷第4期 杨欣伟,等:某湿法冶金流程运行状态的在线评价方法优化及仿真分析H C N,需外加一定量的碱性物质来调节p H,改变反应方向。矿浆浓度过大,金浸出效果不好;矿浆浓度过低,会浪费N a C N溶液,增大物耗。3)能耗的影响因素:主风管压力及矿浆温度等。主风管压力越高,能耗越大。随矿浆温度升高,金溶解速度先加快后减慢。升温可加快反应速度,但会导致氰化物蒸发,且能耗增大。1.1.2 锌粉置换过程矿浆浸出及压滤洗涤后所得贵液经净化、脱氧,与锌粉发生置换反应得到金,化学反应方程式为:2 A u(C N)-2+Z n2 A u+Z n(C N)2-4。置换过程的评价指
7、标包括置换率、置换物耗和能耗。1)置换率的影响因素:锌粉添加量、贵液溶解氧浓度、压滤机出来的贵液量、金氰离子浓度。锌粉添加量可以决定置换过程效果的优劣。锌粉加入过量,会增加物耗与成本;锌粉加入不足,会导致贵液中金氰离子浓度过高,使得金置换率降低。在生产过程中,会根据实际情况控制锌粉添加量;脱氧与置换过程的消耗指标则由脱氧塔入口的贵液流量和贵液的浊度控制,而贵液中氧浓度过高,会使金氧化还原,导致已经析出的金溶解。所以实际生产中溶解氧浓度一般控制在0.5m g/L以下;压滤机出来的贵液量及贵液中金氰离子浓度则直接决定了金产量;置换反应速度随贵液中金氰离子浓度升高而加快,达到一定值时,析出金的聚合影
8、响了金氰离子与锌接触,导致反应速度加快放缓。2)置换物耗的影响因素:锌粉添加量及溶液p H等。溶液p H影响碱性物质添加量,实际生产中溶液p H一般保持在1 0.51 1.5范围内。3)能耗的影响因素:温度等。温度在一定的条件下会影响置换过程反应速度,温度越高,反应速度越快,实践表明实际生产中最适宜温度为1 52 5。1.2 运行状态评价变量的选取以综合经济效益为全流程评价指标,其运行状态评价变量的选取依据是对浸出与置换过程评价指标有影响的变量,并从质量指标和消耗指标两方面评价每一级工序的运行状态。结合实际生产情况及各变量的性质,选取状态评价变量,结果见表1。评价指标的选取规则见表2。表1 浸
9、出和置换工序运行状态的评价变量工序变量变量性质单位一次浸出二次浸出置换矿石原料量定性变量,4个状态k g/hN a C N添加量定性变量,5个状态k g/h调浆水流量定性变量,3个状态k g/h初始矿浆浓度定性变量,4个状态%氰根离子质量浓度定量变量m g/L溶解氧质量浓度定量变量m g/L主风管压力定量变量k P a金氰离子质量浓度定量变量m g/LN a C N添加量定性变量,5个状态k g/h调浆水流量定性变量,3个状态k g/h初始矿浆浓度定性变量,3个状态%矿浆流量定性变量,3个状态k g/h氰根离子质量浓度定量变量m g/L溶解氧质量浓度定量变量m g/L主风管压力定量变量k P
10、a金氰离子质量浓度定量变量m g/L锌粉添加量定性变量,4个状态k g/h脱氧塔入口的贵液流量定性变量,3个状态k g/h一次压滤机出来的贵液量定量变量k g/h两次压滤机出来的贵液量定量变量k g/h贵液浊度定量变量N TU贵液中金氰离子质量浓度定量变量m g/L表2 评价指标选取规则工序评价指标状态一次浸出二次浸出置换全流程浸出率4个状态物耗3个状态能耗3个状态浸出率4个状态物耗3个状态能耗3个状态置换率5个状态物耗3个状态能耗3个状态综合经济效益4个状态2 基于粗糙集的运行状态评价模型的建立2.1 离线模态划分生产过程的模态可以根据模态指示变量判断。由于模态指示变量中有定性变量和定量变量
11、混合的情况,所以将定量变量定性化,再利用定性变量的组合值及专家经验1 4进行模态划分。324 湿法冶金 2 0 2 3年8月结合浸出与置换过程的影响因素选取模态指示变量,结果见表3,定量变量的定性化规则见表4。将定量变量定性化后,对全部指示变量进行模态划分,得到模态规则库,结果见表5。表3 模态指示变量模态指示变量变量性质矿石初始金品位定性变量,3个状态矿石平均粒径定量变量,定性化为3个状态一浸矿浆浓度定性变量,2个状态二浸矿浆浓度定性变量,2个状态锌粉平均粒径定量变量,定性化为3个状态表4 定量变量的定性化规则模态指示变量粒径/m定性化值矿石平均粒径锌粉平均粒径7 535 07 517 51
12、 3 521 3 52 1 53表5 模态规则库模态指示变量模态矿石初始金品位1111233矿石平均粒径1222223一浸矿浆浓度1121122二浸矿浆浓度1112122锌粉平均粒径1122233模态11222332.2 工序层运行状态评价模型的建立根据表1选取工序层各子工序用于进行状态评价的工序变量。采用层次分析法1 5分别计算各工序的变量对子工序运行状态影响的权重,结果见表6。根据1.2节对各工序关键变量及评价指标的选取,将工序变量作为条件属性,评价指标作为决策属 性,建 立 相 应 的 决 策 表。再 根 据2.1节中的离线模态划分,将三类模态数据分别代入到对应的决策表中,并对全部决策表
13、依次应用粗糙集理论中的离散化算法、属性约简算法及值约简算法1 6,计算得相应的工序层评价规则库。基于粗糙集的工序层离线建模过程1 7如图1所示。表6 浸出和置换的工序变量权重工序变量权重一次浸出二次浸出置换矿石原料量0.0 2 5N a C N添加量0.2 7 5调浆水流量0.0 2 5初始矿浆浓度0.0 3 5氰根离子质量浓度0.1 3 5溶解氧质量浓度0.0 7 5主风管压力0.1 6 5金氰离子质量浓度0.2 6 5N a C N添加量0.2调浆水流量0.0 5初始矿浆浓度0.1 0矿浆流量0.1 9 5氰根离子质量浓度0.1 9 5溶解氧质量浓度0.1主风管压力0.1金氰离子质量浓度0
14、.2锌粉添加量0.2 0 05脱氧塔入口的贵液流量0.2 0 75一次压滤机出来的贵液量0.0 6 15两次压滤机出来的贵液量0.1 6 15贵液浊度0.1 5 35贵液中金氰离子质量浓度0.2 1 55图1 基于粗糙集的湿法冶金工序层离线建模过程2.3 目标层运行状态评价模型的建立以综合经济效益为全流程状态评价指标,将其划分为四个状态等级:优、良、中、差,具体含义见表7。目标层状态评价指标参照表2。424第4 2卷第4期 杨欣伟,等:某湿法冶金流程运行状态的在线评价方法优化及仿真分析表7 状态等级及含义状态等级含义优经济效益达到最高水平,最好长期保持良经济效益较高,相对较理想中经济效益较低,
15、需要进一步调整差经济效益低下,需要及时进行调整 为了保证评价结果的准确性,利用层次分析法计算各工序评价指标对全流程运行状态影响的权重,结果见表8。表8 各工序的评价指标及权重工序评价指标权重一次浸出二次浸出置换浸出率0.1 5物耗0.0 8能耗0.0 8浸出率0.1 5物耗0.0 8能耗0.0 8置换率0.2 4物耗0.0 8能耗0.0 8 以各子工序评价指标为条件属性,综合经济效益为决策属性,建立目标层决策表。依次将三类模态数据代入到目标层决策表中,得相应的目标层运行状态评价规则库。基于粗糙集的目标层建模过程1 7如图2所示。图2 基于粗糙集的湿法冶金目标层建模过程3 仿真分析3.1 在线模
16、态识别仿真分析模态识别是运行状态在线评价的基础,样本数据的模态识别1 8过程如图3所示。图3 样本数据的在线模态识别过程 选取1 6 0组样本数据运行模态1,每组样本数据包含表1中全部工序变量的取值,样本数据在线模态识别结果如图4所示。可以看出:设置前8 0组样本数据为优状态,后8 0组样本数据通过降低一次浸出N a C N添加量变为良状态。仿真分析结果表明,模态识别方法准确性较高。图4 样本数据的在线模态识别结果3.2 在线评价仿真分析基于已建立的运行状态评价模型,对3.1中经在线模态识别后的数据进行工序层的状态评价与规则匹配,获得样本数据全部工序评价指标的状态,再进行目标层的状态评价与规则
17、匹配,获得样本数据全流程运行状态。全流程在线评价仿真分析结果如图5所示,子工序评价指标状态变化结果如图6所示。524 湿法冶金 2 0 2 3年8月图5 全流程在线评价仿真分析结果 由图5、6看出:前8 0组样本数据,全流程评价指标及子工序的评价指标均处于最优状态;但由于N a C N添加量降低,后8 0组样本数据一次浸出工序的浸出率与物耗均降低,全流程在线评价也变为了良状态,说明在线评价法具有一定的有效性与准确性。3.3 非优追溯仿真分析采用基于计算差异度贡献率的非优追溯方法6,通过计算各工序变量对于差异度指标的贡献,找出差异度贡献率较大的工序变量即为非优变量。分层分块自上而下进行查找,先对
18、目标层非优原因进行追溯,通过目标层的规则匹配得到导致全流程非优的工序级原因;再对工序层非优原因进行追溯,由工序层的规则匹配得到导致工序非优的变量原因。根据以上仿真结果,选择第8 1组样本数据进行非优追溯。目标层非优追溯结果如图7所示。图6 子工序评价指标状态变化 图7 子工序评价指标状态匹配结果 由图7看出:一次浸出率及一次浸出物耗与匹配规则对应变量状态差异很大,而其他评价指标均能很好地匹配规则对应变量状态,这表明一次浸出率及一次浸出物耗是金浸出效果下降的主要原因,因此确定非优工序评价指标为一次浸出率及一次浸出物耗。对一次浸出工序层进行非优原因追溯,一次浸出工序层非优追溯的结果如图8所示。可以
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