摘要：針對豎爐焙燒過程的工藝特點及技術要求，基于Rockwell自動化技術和智能控制方法提出了實現磁選管回收率優化的豎爐焙燒過程綜合自動化系統，介紹了Rockwell自動化技術的主要性能特點，討論了由智能優化、過程控制和過程管理三層結構組成的綜合自動化系統的結構、功能和以磁選管回收率為目標的控制策略。所提出的系統成功應用于某鋼鐵公司選礦廠豎爐焙燒生產過程，實現了豎爐焙燒生產過程的優化控制、優化運行和優化管理，取得了明顯的應用成效，同時說明了Rockwell自動化技術在工礦企業自動化應用方面的先進性與可靠性。
關鍵詞：豎爐焙燒；磁選管回收率(MTRR)；Rockwell自動化；綜合自動化系統；智能優化

1 引 言

選礦生產是鋼鐵工業的基礎，雖然我國的鐵礦資源豐富，但大多為品位較低的赤鐵礦等難選礦石，其品位一般為33％左右，利用常規的磁選方法難以從這些原料中提取出高品位的鐵質成分。為了改善對弱磁性赤鐵礦礦石的分選效果，采用豎爐預先對礦石進行高溫還原磁化焙燒，使弱磁性礦物變成強磁性礦物，然后再用磁選方法既可以得到鐵精礦。于是，豎爐磁化焙燒過程直接關系到選礦的金屬回收率與精礦品味等生產指標。控制好豎爐磁化焙燒過程是提高選礦過程金屬回收率與精礦品味的關鍵。

豎爐是將弱磁性鐵礦石（主要成分Fe2O-3）在加熱帶進行加熱，然后落入還原帶，在一定濃度還原劑、一定溫度下，使Fe2O-3還原成強磁性的磁鐵礦Fe3O-4的熱工設備，工藝過程俗稱磁化焙燒。豎爐于1926年世界始建。我國首次于1966年由鞍山黑色冶金礦山設計院設計豎爐[1]。

豎爐焙燒是我國目前處理弱磁性礦物的有效途徑之一。其生產現狀是自動化程度低，生產成本高，資源消耗大，環境污染嚴重。豎爐焙燒過程具有機理復雜，多變量強耦合，過程中不確定因素多，磁選管回收率等關鍵工藝參數難以在線連續測量。因此采用傳統的控制結構難以對其進行有效的控制。歐洲鋼鐵工業技術發展指南指出：“對于降低生產成本、提高產品質量、減少環境污染和資源消耗只能通過全流程自動控制系統的優化設計來實現[2]”。采用計算機控制系統是對豎爐焙燒過程實現成功控制的關鍵，采用新的合適的控制結構的過程綜合自動化系統是解決上述問題的關鍵。文[3]提出了采用過程控制、過程優化、生產調度、企業管理和經濟決策五層結構的綜合自動化系統。文[4]提出了由過程穩定化、過程優化、過程管理三層結構組成的選礦生產過程自動化系統。文[5]提出了基于企業資源計劃（ERP）/制造執行系統（MES）/過程控制系統（PCS）三層結構的金礦企業綜合自動化系統，并成功應用于中國排山樓金礦，取得了顯著成效。

本文結合某選礦廠的實際，針對豎爐焙燒過程的特點，采用智能優化、過程控制和過程管理三層結構的綜合自動化系統體系架構，提出了基于Rockwell自動化技術和智能控制方法的豎爐焙燒過程綜合自動化系統，并成功應用于該選礦廠豎爐焙燒過程，取得了顯著的成效，為選礦廠綜合自動化系統[6]的成功實施奠定了基礎。

2 工藝描述

豎爐的焙燒過程是將礦石在加熱帶加熱到700-800℃，然后通過自重落入還原帶，在一定濃度還原劑存在下，保持一定溫度（550-600℃），使鐵礦石的主要成分Fe2O-3還原成強磁性的磁鐵礦Fe3O4。

焙燒過程包括預熱，加熱，還原，冷卻等幾個環節，其中加熱、還原是主要的工藝過程。和豎爐有關的機電設備包括抽煙機、鼓風機、搬出機和排礦機等。爐膛上部是預熱帶，中部為加熱帶，下部為還原帶，爐膛中部有一狹窄的爐腰（寬1米），爐腰下部有導火孔，與爐兩側的燃燒室相通，燃燒室有煤氣燒嘴與加熱煤氣相連，并配一臺鼓風機，一臺抽煙機，爐底有兩個承重梁（即水箱梁）來支托整個爐壁的重量。在還原帶下部的爐底上有煤氣噴出塔，每個塔有獨立的管道與爐外還原煤氣主管相接。爐子下部兩側各有用來排出礦渣用的排渣漏斗。爐子兩側設有排出焙燒產品用的兩臺輥式排礦機。每臺排礦機有兩節排礦輥組成。輥式排礦機軸中心線以下全部淹沒在水封池水中，水封池中設有兩臺斗式搬出機，用來搬出爐中的焙燒礦。為了延長抽煙機葉輪的使用壽命，設有兩臺旋風除塵器，用來減少廢氣中的粉塵，整個爐子是在負壓下工作的。如圖1所示，主要過程描述如下：

給礦：原礦通過爐頂貯礦槽，經由下料口落入爐膛內。

預熱：當礦石進入預熱帶，在廢氣的預熱下，礦石的平均溫度一般為150-200℃。

加熱：礦石通過自重下落進入加熱帶，加熱煤氣與加熱空氣在燃燒室混合燃燒時放出的熱量通過對流、輻射以及傳導的方式使礦石溫度達到700-850℃。礦石溫度高低不僅取決于搬出的快慢，還取決于燃燒室內煤氣和空氣的配比，配比適當，煤氣燃燒充分。燃燒室溫度一般控制在1050-1150℃，其熱量由導火孔傳導給礦石。

還原：加熱礦石進入還原帶，在570℃左右時與供給的還原煤氣發生還原反應。

冷卻：焙燒礦進入水封池冷卻到400℃以下，必須保持水溫在40-45℃，否則，焙燒礦不能有效冷卻，礦石反而被氧化，達不到還原的目的。

搬出：搬出制度決定礦石在豎爐內焙燒的時間，為了保證焙燒質量，必須有一個合理的搬出制度，一般以一個周期的時間來表示。

豎爐操作者主要依據經驗知識進行判斷，在此基礎上進行各種手工操作，自動化程度非常低。加上豎爐焙燒過程中包括多種內外因素的交叉變化，不確定性普遍，設備眾多，使得焙燒過程控制變得復雜起來，表現在如下幾個方面：

1) 過程本身具有多變量強耦合的特點，輸入輸出眾多。輸入有空氣量，加熱煤氣量，還原煤氣量等，輸出量有燃燒室溫度，加熱帶溫度，還原帶溫度等，任何一個輸入的變化都可能引起所有的輸出發生波動；2）機理復雜，有物料的進出、熱量的傳遞，還有化學反應，難以對燃燒室的溫度對象建立準確的數學模型，使得基于模型的精確控制理論難以發揮其長處；3）不確定性因素多，如礦石的性質改變，加熱煤氣成分的波動以及操作工水平參差不齊等，這些不確定因素均會影響關鍵工藝參數的穩定性；4) 焙燒過程中往往伴隨著一些故障的發生，一旦操作不當，將會引發生產故障，影響生產的連續性和穩定性。

以上說明了手工操作的局限性，同時說明了單一的常規控制理論與技術難以實現豎爐焙燒復雜的控制，難以達到生產過程的最終需求，如用戶對產品質量的期望等，究其原因是因為基礎回路控制級難以找到合適的設定值。如燃燒室溫度、還原煤氣流量、搬出制度等，往往是由操作員借助于其積累的經驗給出，帶有主觀性和隨意性，使產品質量及其它工藝指標得不到有效可靠的保證。如果不對設備進行自動化系統的改造，所帶來的問題是：控制精度不高，浪費能源，最終的產品質量得不到有效的保障。近年來，隨著工廠自動化程度的不斷提高以及先進控制技術的發展，各企業越來越重視工藝過程的自動控制實現，這樣不僅能提高控制精度，而且節約了能源，使產品質量得到了大幅提高。