在球團(tuán)生產(chǎn)中，預(yù)熱、焙燒、冷卻是使球團(tuán)礦物理指標(biāo)達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵過(guò)程，此過(guò)程中精準(zhǔn)、穩(wěn)定的溫控是成品球質(zhì)量的保證。

目前，國(guó)內(nèi)球團(tuán)焙燒各環(huán)節(jié)靠人工憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)，由于溫度點(diǎn)多、能量場(chǎng)復(fù)雜、干擾多等原因，人工控制難度大。同時(shí)，由于礦粉資源有限，進(jìn)口礦增多，原料多變，所以焙燒過(guò)程存在溫控復(fù)雜、出錯(cuò)率高、調(diào)節(jié)不及時(shí)等問(wèn)題。

以沙鋼“鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)溫度調(diào)節(jié)智能化改進(jìn)”項(xiàng)目為背景，將數(shù)據(jù)分析、PID模糊控制等技術(shù)與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了球團(tuán)焙燒過(guò)程一鍵操作，使球團(tuán)礦焙燒溫度調(diào)節(jié)智能化、準(zhǔn)確化，提高球團(tuán)礦質(zhì)量。

鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)工藝是使生球發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化，顯著提高其機(jī)械強(qiáng)度，以滿足運(yùn)輸及高爐冶煉要求的過(guò)程，包括干燥、預(yù)熱、焙燒、冷卻4個(gè)過(guò)程。干燥過(guò)程包括鼓干段、抽干段，溫度控制區(qū)間為50～550℃，蒸發(fā)生球水分，排除物料中部分結(jié)晶水；預(yù)熱過(guò)程包括預(yù)熱I、預(yù)熱II段，溫度控制區(qū)間為600～1050℃，把磁鐵礦氧化成赤鐵礦、碳酸鹽礦物分解等反應(yīng)；焙燒過(guò)程溫度控制區(qū)間為1200～1300℃，鐵氧化物結(jié)晶、再結(jié)晶；冷卻過(guò)程包括環(huán)冷I、II、III、IV段，球團(tuán)礦溫度冷卻到＜120℃。具體流程如圖1所示。

根據(jù)生產(chǎn)工藝操作將球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)分成工藝溫控點(diǎn)數(shù)據(jù)（鼓干段、抽干段、預(yù)熱I段、預(yù)熱II段、回轉(zhuǎn)窯、環(huán)冷I段、環(huán)冷II段、環(huán)冷III段、環(huán)冷IV段溫度）和操控因素?cái)?shù)據(jù)（鼓干段排風(fēng)機(jī)、鼓干風(fēng)機(jī)、回?zé)犸L(fēng)機(jī)1、回?zé)犸L(fēng)機(jī)2、煤氣閥、環(huán)冷風(fēng)機(jī)I、環(huán)冷風(fēng)機(jī)II、環(huán)冷風(fēng)機(jī)III、環(huán)冷風(fēng)機(jī)IV開度）兩類。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、排序、求均值、異常值剔除等，建立有效數(shù)據(jù)樣本。

在工藝溫控點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)和操控因素?cái)?shù)據(jù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。數(shù)據(jù)樣本是連續(xù)變量且服從正態(tài)分布，所以采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，公式如下：

相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為1～-1，1表示兩變量完全線性正相關(guān)，-1表示兩變量完全線性負(fù)相關(guān)，0表示兩變量不相關(guān)，相關(guān)程度如表1所示。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算，這里以預(yù)熱II段溫度點(diǎn)情況為例，具體計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)相關(guān)性情況，繪制系統(tǒng)主要因素關(guān)聯(lián)圖，進(jìn)一步明確系統(tǒng)能量流動(dòng)方向及其關(guān)聯(lián)設(shè)備。如圖2所示，系統(tǒng)按能量傳導(dǎo)方向分為3個(gè)方向。方向1：從環(huán)冷機(jī)到主抽風(fēng)機(jī)，包括回?zé)犸L(fēng)機(jī)1、2。方向2：球團(tuán)礦進(jìn)入系統(tǒng)流經(jīng)鼓干段、抽干段、預(yù)熱I、II段、回轉(zhuǎn)窯、環(huán)冷I、II、III、IV段，最后排出系統(tǒng)。方向3：從冷卻風(fēng)機(jī)III經(jīng)鼓干風(fēng)機(jī)到鼓干排風(fēng)機(jī)。

溫度智能化控制策略根據(jù)圖2結(jié)論，整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源是煤氣燃燒、球團(tuán)礦氧化還原反應(yīng)釋放和環(huán)冷機(jī)余熱回收，這3部分是整個(gè)系統(tǒng)的熱源，對(duì)鏈篦機(jī)、回轉(zhuǎn)窯各段進(jìn)行供熱。對(duì)于環(huán)冷I、II、III段溫度是熱源內(nèi)部風(fēng)機(jī)控制問(wèn)題，方向 1 的控制解決抽干段、預(yù)熱I段、預(yù)熱II段、回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度控制，方向2的控制穩(wěn)定方向1，同時(shí)解決環(huán)冷I、II、III段溫度控制，方向3解決鼓干段溫度控制。

根據(jù)方向1，把主抽風(fēng)機(jī)與窯頭負(fù)壓PID閉環(huán)。保證方向1回路的氣流走向平穩(wěn)，確保環(huán)冷I段、環(huán)冷II段生產(chǎn)負(fù)壓，保證能量順利傳導(dǎo)。參考窯頭、窯中、窯尾、預(yù)熱II段溫度，將其與煤氣閥開度PID閉環(huán)。實(shí)現(xiàn)煤氣按需自動(dòng)調(diào)配。其控制框圖如圖3所示。抽干段溫度與回?zé)犸L(fēng)機(jī)開度PID閉環(huán)，如圖4所示。

根據(jù)方向2，對(duì)進(jìn)料量做恒定控制，使3部分熱能恒定。由于球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯焙燒后攜帶高能量，根據(jù)其流動(dòng)方向，將回轉(zhuǎn)窯窯頭、環(huán)冷I段、環(huán)冷II段、環(huán)冷III段溫度與對(duì)應(yīng)環(huán)冷風(fēng)機(jī)開度PID閉合，進(jìn)行PID溫度跟蹤隨動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.2.1 進(jìn)料量恒定控制

把料厚與鏈篦機(jī)機(jī)速作PID閉環(huán)控制，系統(tǒng)料層控制在190mm左右，偏差10mm。對(duì)設(shè)定值與回饋值偏差取絕對(duì)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，制定模糊控制規(guī)則，利用梯度法實(shí)時(shí)推送P、I、D參數(shù)對(duì)料厚進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)在前端不同原料量情況下的適應(yīng)性，同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整回轉(zhuǎn)窯、環(huán)冷機(jī)速度匹配參數(shù)，來(lái)調(diào)整球團(tuán)礦在回轉(zhuǎn)窯、環(huán)冷機(jī)的停留時(shí)間。其控制框圖如圖5所示。

3.2.2 環(huán)冷機(jī)I、II、III段溫度隨動(dòng)調(diào)節(jié)

冷環(huán)I、II、III 段溫度壓力工藝要求：I段950～1150℃，II段650～850℃，III段200～250℃。根據(jù)方向2，由于回轉(zhuǎn)窯后具有高能量的球團(tuán)礦的流動(dòng)，使得這3段溫度存在高度耦合，所以溫度控制也應(yīng)該是以回轉(zhuǎn)窯窯頭溫度為原點(diǎn)，逐級(jí)隨動(dòng)調(diào)節(jié)，即前一級(jí)的溫度與下一級(jí)溫度相關(guān)聯(lián)。制定模糊控制規(guī)則，實(shí)時(shí)比較計(jì)算前后級(jí)溫度偏差，動(dòng)態(tài)推出參數(shù)P、I 給下一級(jí)PID模塊，提前調(diào)節(jié)，以提高系統(tǒng)適應(yīng)性，穩(wěn)定各段溫度。其控制框圖如圖6所示。

鼓干段模糊PID控制策略如圖7所示。系統(tǒng)將環(huán)冷溫度與壓力分別由兩個(gè)PID模塊進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)兩個(gè)模糊控制器，分別以壓力、壓力變化率、溫度、溫度變化率作為模糊控制器的輸入。通過(guò)各自的模糊規(guī)則運(yùn)算，調(diào)整各自比例（Kp）、積分（Ki）、微分（Kd）3個(gè)參數(shù)，使得鼓干段的鼓干風(fēng)機(jī)開度PID控制具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。根據(jù)工藝控制要求制定合理的優(yōu)先推送機(jī)制，對(duì)鼓干風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)，從而控制鼓干段溫度與壓力，達(dá)到鼓干段智能自動(dòng)操作的目的。

PID模糊控制技術(shù)是PID控制和模糊控制的結(jié)合，即在常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的料厚、煤氣管道壓力、預(yù)熱II段溫度、環(huán)冷I段溫度、各段壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用模糊理論建立參數(shù)P、I與偏差絕對(duì)值E的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立模糊控制器，根據(jù)不同的E在線自整定參數(shù)P、I。這種控制方法不依賴于對(duì)象的模型，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)整體適應(yīng)性。

以環(huán)冷I段為例，繪制數(shù)據(jù)分布圖。根據(jù)環(huán)冷I段前一級(jí)回轉(zhuǎn)窯窯頭溫度偏差數(shù)據(jù)分布，確定溫度偏差較大的數(shù)據(jù)分布范圍為100～150℃，150～200℃。根據(jù)環(huán)冷I段溫度偏差數(shù)據(jù)分布，確定溫度偏差的數(shù)據(jù)分布范圍為0～100℃，100～200℃，200～300℃。

以環(huán)冷I段溫度控制規(guī)則制定為例。根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況，結(jié)合PID程序整定參數(shù)情況制定參數(shù)對(duì)應(yīng)規(guī)則表，見表3。其中預(yù)熱II段參數(shù)優(yōu)先級(jí)高于環(huán)冷I段參數(shù)，這樣完成前后級(jí)溫度隨動(dòng)控制。

溫控智能化改進(jìn)節(jié)省了人力，消除了人為操作不穩(wěn)定因素，使整個(gè)球團(tuán)焙燒過(guò)程溫度精準(zhǔn)化，提高了球團(tuán)礦質(zhì)量。系統(tǒng)投用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，在連續(xù)生產(chǎn)情況下各個(gè)焙燒環(huán)節(jié)溫控精度在±10℃，球團(tuán)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)由95.34%（+6.3mm）提高到97.89%（+6.3mm），抗壓強(qiáng)度由2 006N/個(gè)提高到3149N/個(gè)。