(57)【要約】ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法およびデバイス。デバイスは、吹錬プロセスの動作データを収集するために使用されるＯＰＣデータ収集モジュール（３０２）と、所与の極小期間内の炉中の各相組成を計算するために使用される組成計算モジュール（３０３）と、所与の極小期間内の炉中の溶融物の温度を計算するために使用される温度計算モジュール（３０４）と、スラグ作成期間と銅作成期間との異なる終点判断条件にしたがって、吹錬の終点を判断し予測するために使用される吹錬の終点予測モジュール（３０５）と、様々なデータを格納するために使用されるデータ格納管理モジュール（３０６）と、冷却材料の添加量と添加時間とを計算するために使用される冷却材料計算モジュール（３０７）と、吹錬の終点予測モードと最適化決定モードとの間を切り替えるために使用されるシステム一般制御モジュール（３０１）とを備え、システム一般制御モジュール（３０１）は、吹錬の終点予測モジュール（３０５）および冷却材料計算モジュール（３０７）に接続される。【選択図】図１
2017500442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法であって、前記方法は、
材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとにしたがって、各所与の極小期間内の、前記炉中の各相組成と前記炉中の溶融物の温度とをリアルタイムで継続的に計算するステップと、
事前に設定された吹錬の終点判断条件に基づいて吹錬プロセスの終点を判断し予測するステップと
を包含することを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記各所与の極小期間は１分であることを特徴とする、請求項１に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項３】
前記事前に設定された吹錬の終点判断条件は、スラグ作成期間と銅作成期間との両方に対する判断条件
１）前記スラグ作成期間：前記スラグ作成期間の終点は、前記炉中の銅マットの中のＦｅＳの形態のＦｅ含有量が１％に落ちたときであることと、
２）前記銅作成期間：前記銅作成期間の終点は、前記炉中の粗銅の中の硫黄含有量が０．０４％に落ちたときであることと
を包含することを特徴とする、請求項１に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項４】
前記各所与の極小期間内の前記炉中の前記各相組成が、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の方法を使用して計算され、前記方法の実装は、
前記各所与の極小期間内の前記炉における各相のシステムにおいて平衡が達成され、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが最小であるときに、合計のＧｉｂｂｓの自由エネルギーを
【数１】
2017500442.tif 000029
として表すプロセスであって、式中、ｐは吹錬システムにおける相の合計数を表し、Ｃｐは相ｐにおける成分の合計数を表し、ｘｐｃは、成分ｐｃのモル数を表し、
2017500442.tif 000030
は、前記成分ｐｃが純粋な物質であるときに、温度Ｔにおいて生成される前記Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーを表し、γｐｃは、前記成分ｐｃの活量係数を表し、Ｒは、前記炉中の気体定数を表す、プロセスと、
質量の保存と組み合わせて、Ｔａｙｌｏｒの公式を使用して、
2017500442.tif 000031
における前記Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーＧにおいて二次展開を行うプロセスであって、
【数２】
2017500442.tif 000032
を取得し、式中、Ａｐｃｅは、前記成分ｐｃの分子式における原子ｅの数を表し、Ａｅは、平衡システムにおける前記原子ｅの合計モル数を表し、Ｅは、前記吹錬システムにおける元素の種類数を表す、プロセスと、
次に、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数法に基づいて、関数Ｌ
【数３】
2017500442.tif 000033
を構築するプロセスであって、式中、λｅは、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数である、プロセスと、
次に、ｘｐｃとλｅとに関して前記関数Ｌの偏導関数を取り、各偏導関数を０と等しくするプロセスであって、
【数４】
2017500442.tif 000034
という方程式を取得する、プロセスと、
反復法を使用して上の方程式を解くプロセスであって、前記各所与の極小期間に対して、前記平衡が前記炉中で達成されたときの各相における各成分のモル分率を取得することができる、プロセスと
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項５】
前記吹錬プロセスは、不均一反応プロセスであり、請求項４に記載された計算方法に基づいて、前記各所与の極小期間内に、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相が存在するか否かと、各存在する相の組成とをリアルタイムで継続的に解析し判断することを包含することを特徴とする、請求項４に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項６】
一次元非定常熱伝導方程式が、前記各所与の極小期間内の前記炉中の前記溶融物の前記温度を計算するために使用されることを特徴とする、請求項１に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項７】
前記方法はさらに、
必要に応じて最適化決定モードに切り替え、前記モードにおいて、前記各所与の極小期間内の、すなわち、冷却材料が添加されない条件下の、前記炉中の前記各相組成と、前記炉中の前記溶融物の前記温度とに基づいて前記吹錬プロセスをシミュレートし計算するステップであって、前記炉中の前記溶融物に対する温度変化曲線を取得し、最低温度がＴＬおよび最高温度がＴＨである前記溶融物の前記温度に対する所定の制御値と組み合わせて、ステッピング法を使用して冷却材料計算を行い、前記冷却材料の添加と前記冷却材料の添加時間とを取得し、前記温度に対する前記制御値の範囲で前記温度変化曲線を作る、ステップと
を包含することを特徴とする、請求項１に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項８】
前記吹錬プロセスに関して、前記溶融物は、前記最低温度ＴＬを許容し、前記最高温度ＴＨを許容し、前記溶融物の前記温度の上昇段階において、前記溶融物の前記最高温度がＴＨよりも高い場合には、前記冷却材料は前記温度がＴＨに到達する前に添加され、そして前記溶融物の前記温度がＴＬと等しいか、またはそれを上回る温度に上昇する時間がｔ１であり、前記溶融物の前記温度がＴＨに到達する時間がｔ２であると仮定すると、前記冷却材料の前記添加時間はｔ１≦ｔ＜ｔ２を満たし、ここで、前記冷却材料の添加量は、前記溶融物の前記最高温度がＴＨと等しくなるように前記冷却材料の前記添加量を調節することによって決定されることを特徴とする、請求項７に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法。
【請求項９】
ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイスであって、前記デバイスは、
吹錬プロセスの動作データを収集するためのＯＰＣデータ収集モジュールと、
材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、前記炉に添加される材料のデータとにしたがって、所与の極小期間内の炉中の各相組成を計算するための組成計算モジュールと、
前記材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、前記炉に添加された前記材料の前記データとにしたがって、前記所与の極小期間内の前記炉中の溶融物の温度を計算するための温度計算モジュールと、
各極小期間内で、前記組成計算モジュールと前記温度計算モジュールとによって計算された結果に基づいて、スラグ作成期間および銅作成期間に対する異なる終点判断条件にしたがって吹錬の終点を判断し予測するための吹錬の終点予測モジュールと、
様々なデータを格納するためのデータ格納管理モジュールと、
前記各極小期間内で、前記組成計算モジュールと前記温度計算モジュールとによって計算された前記結果に基づいて、冷却材料の添加量と添加時間とを計算するための冷却材料計算モジュールと、
前記吹錬の終点予測モジュールと前記冷却材料計算モジュールとにそれぞれ接続され、以下のモード：
１）前記吹錬の終点の予想された結果が出力される吹錬の終点予測モード、または
２）前記吹錬の終点の前記予測された結果、前記冷却材料の前記添加量および前記添加時間が出力される最適化決定モード
に外部から切り替えることを必要に応じて制御するためのシステム一般制御モジュールと
を備えることを特徴とする、デバイス。
【請求項１０】
前記各所与の極小期間は１分であることを特徴とする、請求項９に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイス。
【請求項１１】
前記組成計算モジュールは、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の方法を使用して、前記所与の極小期間内の前記炉中の前記各相組成を計算し、前記吹錬プロセスにおいて関連する相は、気相、スラグ相、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相を含み、組成計算は、
前記各所与の極小期間内の前記炉における各相のシステムにおいて平衡が達成され、合計のＧｉｂｂｓの自由エネルギーが最小であるときに、
【数５】
2017500442.tif 000035
として前記Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーを表すプロセスであって、式中、ｐは吹錬システムにおける相の合計数を表し、Ｃｐは相ｐにおける成分の合計数を表し、ｘｐｃは、成分ｐｃのモル数を表し、
2017500442.tif 000036
は、前記成分ｐｃが純粋な物質であるときに、温度Ｔにおいて生成される前記Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーを表し、γｐｃは、前記成分ｐｃの活量係数を表し、Ｒは、前記炉中の気体定数を表す、プロセスと、
質量の保存と組み合わせて、Ｔａｙｌｏｒの公式を使用して、
2017500442.tif 000037
における前記Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーＧにおいて二次展開を行うプロセスであって、
【数６】
2017500442.tif 000038
を取得し、式中、Ａｐｃｅは、前記成分ｐｃの分子式における原子ｅの数を表し、Ａｅは、平衡システムにおける前記原子ｅの合計モル数を表し、Ｅは、前記吹錬システムにおける元素の種類数を表す、プロセスと、
次に、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数法に基づいて、関数Ｌ
【数７】
2017500442.tif 000039
を構築するプロセスであって、式中、λｅは、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数である、プロセスと、
次に、ｘｐｃとλｅとに関して前記関数Ｌの偏導関数を取り、各偏導関数を０と等しくするプロセスであって、
【数８】
2017500442.tif 000040
という方程式を取得する、プロセスと、
反復法を使用して上の前記方程式を解くプロセスであって、前記各所与の極小期間に対して、前記平衡が前記炉中で達成されたときの各相における各成分のモル分率を取得することができる、プロセスと
を含むことを特徴とする、請求項９に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイス。
【請求項１２】
前記温度計算モジュールは、前記各所与の極小期間内の前記炉中の前記溶融物の前記温度を計算するために一次元非定常熱伝導方程式を使用することを特徴とする、請求項９に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイス。
【請求項１３】
前記最適化決定モードにおいて、前記冷却材料計算モジュールが、前記各所与の極小期間内の、すなわち、冷却材料が添加されない条件下の、前記炉中の前記各相組成と、前記炉中の前記溶融物の前記温度とに基づいて前記吹錬プロセスをシミュレートし計算し、前記炉中の前記溶融物に対する温度変化曲線を取得し、最低温度ＴＬおよび最高温度がＴＨである前記溶融物の前記温度に対する所定の制御値と組み合わせて、ステッピング法を使用して冷却材料計算を行い、前記冷却材料の添加と前記冷却材料の添加時間とを取得し、前記温度に対する前記制御値の範囲で前記温度変化曲線を作ることを特徴とする、請求項１２に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイス。
【請求項１４】
前記冷却材料計算モジュールの計算プロセスの間、前記吹錬プロセスに関して、前記溶融物は、前記最低温度ＴＬを許容し、前記最高温度ＴＨを許容し、前記溶融物の前記温度の上昇段階において、前記溶融物の前記最高温度がＴＨよりも高い場合には、前記冷却材料は前記温度がＴＨに到達する前に添加され、そして前記溶融物の前記温度がＴＬと等しいか、またはそれを上回る温度に上昇する時間がｔ１であり、前記溶融物の前記温度がＴＨに到達する時間がｔ２であると仮定すると、前記冷却材料の前記添加時間はｔ１≦ｔ＜ｔ２を満たし、ここで、前記冷却材料の添加量は、前記溶融物の前記最高温度がＴＨと等しくなるように前記冷却材料の前記添加量を調節することによって決定されることを特徴とする、請求項１３に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイス。
【請求項１５】
前記デバイスはさらに、溶媒計算モジュールを備え、前記溶媒計算モジュールは、前記システム一般制御モジュールに接続され、前記各極小期間内の、前記組成計算モジュールと前記温度計算モジュールとによって計算された前記結果に基づいて、溶媒の添加量と前記溶媒の添加時間とを計算するために使用されることを特徴とする、請求項９に記載の、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用自動制御技術に関し、特に、銅マットの吹錬プロセスのための知的制御に関し、具体的には、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法およびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
銅マットの吹錬プロセスは、銅精錬において粗銅を作成するための重要なプロセスである。長い間、ＰＳ銅転炉の吹錬技術が銅マットの吹錬転換プロセスにおいては主流である。ＰＳ転炉は、１９０９年以来世界中で使用されている、銅マットの吹錬転換プロセスのためのデバイスとして、前世紀の終わりまでに世界で粗銅という鉱物のほぼ８０％を準備してきた。ＰＳ転炉は、新たなデバイスや新たな技術によって様々な課題に直面しているが、ＰＳ転炉の吹錬プロセスは技術的に成熟し、様々な材料の廃棄物銅（バルク材料を含む）を柔軟に処理することができるという利点のために、ＰＳ転炉の吹錬プロセスは依然として銅マットから粗銅を作成するプロセスにおいて非常に重要な役割を果たしている。
【０００３】
ＰＳ転炉は横吹き式水平回転炉であり、空気または酸素富化空気が炉の一方の側面における空気吸入口からＰＳ転炉の中に吹錬される。ＰＳ転炉は、二段階に分けられた周期的作業プロセスを採用している。
【０００４】
第１段階（スラグ作成期間）において、ＦｅＳがフェロシライトのスラグを形成するのを助けるために、石英（ＳｉＯ２）のフラックスを添加することが必要とされ、転炉のスラグ作成および吹錬の作業プロセスは、石英のフラックスが存在するという条件下のものである。酸素富化空気が炉内の溶融マットを通って吹錬するように空気吸入口から炉中に送風される。発熱反応であるので、吹錬プロセスでは熱を必要としない。空気による攪拌によって、マットの中の硫化鉄ＦｅＳが、送風された空気の中の酸素と激しく反応し、酸化鉄ＦｅＯとＳＯ２気体とが発生し、それから酸化鉄ＦｅＳは添加された石英のフラックスと反応し、スラグを形成する。この段階は、マットの中のＣｕ含有量が７５％を超え、Ｆｅ含有量が１％未満になるまで続く。炉のスラグの上層は、送風が止められた後に放出される。
【０００５】
スラグ作成プロセスでは、ＦｅＳは酸化物ＦｅＯへと酸化し、ＦｅＯはすぐに溶融物へと溶融し、フラックスＳｉＯ２と反応してスラグを形成し、溶融物スロッシングを伴う。上記の２つの反応によって生成された熱が、スラグ作成期間の主な熱源である。
【０００６】
マット中のＦｅＳの酸化によるスラグ作成が終了すると、第２段階の吹錬プロセス、すなわち銅作成期間が始まる。第２段階では、Ｃｕ２Ｓの一部分がＣｕ２Ｏへと酸化し、それから、発生したＣｕ２Ｏは、金属銅を生成するためにＣｕ２Ｓと反応する。銅作成期間において、炉に残った白マット（主にＣｕ２Ｓの形態の）は、送風された空気中の酸素と反応し、粗銅と二酸化硫黄とを発生させる。粗銅中のＣｕ含有量が９８．５％を超えるまで、銅作成期間は続く。
【０００７】
銅転炉の吹錬技術は一世紀前に出てきたが、吹錬技術のプロセス制御は常に、個人の経験に頼っているので、以下の主な問題をもたらす。
１．各期間の終点の判断が、誤差および大きな変動を有し、このことが作業の費用および時間を増加させ、そして製品の品質を保証することができない。
２．炉の状態が不安定である。なぜならば、炉中の温度変化の傾向に対する定量的な予測手段がなく、送風能力の調節、冷却材料の供給時間および供給量などの技術的パラメータは、異なる人によって様々に制御され、正確に、かつ時宜を得て取扱うことが難しい。ゆえに、炉中温度の変動範囲は比較的大きく、炉の状態は不安定であり、作業プロセスの安定性に影響を与え、炉の内側に対する損傷を大きくし、炉の寿命が減少し、炉の維持費用が増加する。
３．安全を制御し環境を保護することは容易ではない。手動の、サンプリングおよび終点の判断は、労働集約的であるだけでなく、何らかの安全上のリスクの可能性をも有する。吹錬技術はＳＯ２の煙を外に排出させ、低水準の汚染を増加させ、その処理には多額の投資と作業費とが必要となる。
４．エネルギー消費が多い。プロセスパラメータの最適化の程度が低いので、各期に対する終点の判断は、大きな変動を伴った誤差を有し、製品の適格率を増加させるのは容易ではない。これが、より長い溶錬期間とデバイスのより高いエネルギー消費とをもたらす。
【０００８】
結論として、パラメータの最適化に関する自動制御技術と、転炉吹錬プロセスの終点の知的判断とにおける飛躍的な進歩が当該分野において急を要している。飛躍的な進歩が、銅溶錬業界の包括的な技術レベルを高め、生産性の増加、エネルギー費の減少、ならびに安全な生産を実現し、企業の社会的および経済的な利益を高めることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によって解決される技術的な問題は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの全プロセスをシミュレートし、吹錬プロセスの終点を予測し、そしてさらに全プロセスのシミュレーション結果に基づいて、冷却材料と溶媒とに関する知的決定を行うことである。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法およびデバイスを提供することであり、これは吹錬プロセスの時間離散化を行い、吹錬プロセスを多数の極小期間に分割し、多数の極小期間は、異なる極小期間内の炉中の各相組成と温度とを取得するために充分に小さく、そして各極小期間の不均一反応解析と伝熱計算とを行い、それに基づいて、吹錬プロセスの終点が予測されることにより、冷却材料の添加、溶媒の添加などの最適化された戦略的選択が行われる。
【００１１】
本発明の上記の目的は、独立請求項の技術的な特徴によって実現され、従属請求項は、代替的な手段または有益な手段によって独立請求項の技術的な特徴を発展させる。
【００１２】
上記の目的を実現するために、本発明によって使用される技術的な解決策は以下のとおりである。
【００１３】
ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法は、
材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとに基づいて、各所与の極小期間内の、炉中の各相組成と炉中の溶融物の温度とをリアルタイムで継続的に計算するステップと、
事前に設定された吹錬の終点判断条件に基づいて吹錬プロセスの終点を判断し予測するステップと
を包含する。
【００１４】
さらなる実施形態において、所与の極小期間は１分である。
【００１５】
さらなる実施形態において、事前に設定された吹錬の終点判断条件は、スラグ作成期間と銅作成期間との両方に対する判断条件
１）スラグ作成期間：スラグ作成期間の終点は、炉中の銅マットの中のＦｅＳの形態のＦｅ含有量が１％に落ちたときであることと、
２）銅作成期間：銅作成期間の終点は、炉中の粗銅の中の硫黄含有量が０．０４％に落ちたときであることと
を備える。
【００１６】
さらなる実施形態において、各所与の極小期間内の炉中の各相組成は、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の方法を使用して計算され、この方法の実装は、
各所与の極小期間内の炉における各相のシステムにおいて平衡が達成され、合計のＧｉｂｂｓの自由エネルギーが最小であるときに、合計のＧｉｂｂｓの自由エネルギーを
【００１７】
【数１】
2017500442.tif 000003
【００１８】
として表すプロセスであって、式中、ｐは吹錬システムにおける相の合計数を表し、Ｃｐは相ｐにおける成分の合計数を表し、ｘｐｃは、成分ｐｃのモル数を表し、
2017500442.tif 000004
【００１９】
は、成分ｐｃが純粋な物質であるときに、温度Ｔにおいて生成されるＧｉｂｂｓの自由エネルギーを表し、γｐｃは、成分ｐｃの活量係数を表し、Ｒは、炉中の気体定数を表す、プロセスと、
質量の保存と組み合わせて、Ｔａｙｌｏｒの公式を使用して、
2017500442.tif 000005
【００２０】
におけるＧｉｂｂｓの自由エネルギーＧにおいて二次展開を行うプロセスであって、
【００２１】
【数２】
2017500442.tif 000006
【００２２】
を取得し、式中、Ａｐｃｅは、成分ｐｃの分子式における原子ｅの数を表し、Ａｅは、平衡システムにおける原子ｅの合計モル数を表し、Ｅは、吹錬システムにおける元素の種類数を表す、プロセスと、
次に、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数法に基づいて、関数Ｌ
【００２３】
【数３】
2017500442.tif 000007
【００２４】
を構築するプロセスであって、式中、λｅは、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数である、プロセスと、
次に、ｘｐｃとλｅとに関して関数Ｌの偏導関数を取り、各偏導関数を０と等しくするプロセスであって、
【００２５】
【数４】
2017500442.tif 000008
【００２６】
という方程式を取得する、プロセスと、
反復法を使用して上の方程式を解くプロセスであって、各所与の極小期間に対して、平衡が炉中で達成されたときの各相における各成分のモル分率を取得することができる、プロセスと
を含む。
【００２７】
さらなる実施形態において、吹錬プロセスは、不均一反応プロセスであり、請求項４に記載の方法は、各所与の極小期間内の、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相が存在するか否かと、存在する各相組成とをリアルタイムで解析し判断することを包含する。
【００２８】
さらなる実施形態において、一次元非定常熱伝導方程式が、各所与の極小期間内の炉中溶融物の温度を計算するために使用される。
【００２９】
さらなる実施形態において、方法はさらに、
必要に応じて最適化決定モードに切り替え、そのモードにおいて、各所与の極小期間内の、すなわち、冷却材料が添加されない条件下での、炉中の各相組成と、炉中溶融物の温度とに基づいて吹錬プロセスをシミュレートするステップであって、炉中溶融物に対する温度変化曲線を取得し、最低温度がＴＬおよび最高温度がＴＨである溶融物の温度に対する所定の制御値と組み合わせて、ステッピング法を使用して冷却材料計算を行い、冷却材料の添加と冷却材料の添加時間とを取得し、温度に対する制御値の範囲で温度変化曲線を作る、ステップと
を包含する。
【００３０】
さらなる実施形態において、吹錬プロセスに関して、溶融物は、最低温度ＴＬを許容し、最高温度ＴＨを許容し、溶融物の温度の上昇段階において、溶融物の最高温度がＴＨよりも高い場合には、冷却材料は温度がＴＨに到達する前に添加され、そして溶融物の温度がＴＬと等しいか、またはそれを上回る温度に上昇する時間がｔ１であり、溶融物の温度がＴＨに到達する時間がｔ２であると仮定すると、冷却材料の添加時間はｔ１≦ｔ＜ｔ２を満たし、ここで、冷却材料の添加量は、溶融物の最高温度がＴＨと等しくなるように冷却材料の添加量を調節することによって決定される。
【００３１】
本発明の改善にしたがって、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイスが開示され、そのデバイスは、
吹錬プロセスの動作データを収集するために使用されるＯＰＣデータ収集モジュールと、
材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとに基づいて、所与の極小期間内の炉中の各相組成を計算するために使用される組成計算モジュールと、
材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとに基づいて、所与の極小期間内の炉中溶融物の温度を計算するために使用される温度計算モジュールと、
各極小期間内の、組成計算モジュールと温度計算モジュールとによって計算された結果に基づいて、スラグ作成期間および銅作成期間に対する異なる終点判断条件にしたがって吹錬の終点を判断し予測するために使用される吹錬の終点予測モジュールと、
様々なデータを格納するために使用されるデータ格納管理モジュールと、
各極小期間内で、組成計算モジュールと温度計算モジュールとによって計算された結果に基づいて、冷却材料の添加量と添加時間とを計算するために使用される冷却材料計算モジュールと、
吹錬の終点予測モジュールと冷却材料計算モジュールとにそれぞれ接続され、以下のモード：
１）吹錬の終点の予測結果が出力される、吹錬の終点予測モード、または
２）吹錬の終点の予測結果、添加量、および添加時間が出力される、最適化決定モード
に外部から切り替えることを必要に応じて制御するために使用されるシステム一般制御モジュールと
を備える。
【００３２】
さらなる実施形態において、所与の極小期間は１分である。
【００３３】
さらなる実施形態において、組成計算モジュールは、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の方法を使用して、所与の極小期間内の炉中各相組成を計算し、吹錬プロセスにおいて関連する相は、気相、スラグ相、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相を含み、組成計算は、
各所与の極小期間内の炉における各相のシステムにおいて平衡が達成され、合計のＧｉｂｂｓの自由エネルギーが最小であるときに、
【００３４】
【数５】
2017500442.tif 000009
【００３５】
として合計のＧｉｂｂｓの自由エネルギーを表すプロセスであって、式中、ｐは吹錬システムにおける相の合計数を表し、Ｃｐは相ｐにおける成分の合計数を表し、ｘｐｃは、成分ｐｃのモル数を表し、
2017500442.tif 000010
【００３６】
は、成分ｐｃが純粋な物質であるときに、温度Ｔにおいて生成されるＧｉｂｂｓの自由エネルギーを表し、γｐｃは、成分ｐｃの活量係数を表し、Ｒは、炉中の気体定数を表す、プロセスと、
質量の保存と組み合わせて、Ｔａｙｌｏｒの公式を使用して、
2017500442.tif 000011
【００３７】
におけるＧｉｂｂｓの自由エネルギーＧにおいて二次展開を行うプロセスであって、
【００３８】
【数６】
2017500442.tif 000012
【００３９】
を取得し、式中、Ａｐｃｅは、成分ｐｃの分子式における原子ｅの数を表し、Ａｅは、平衡システムにおける原子ｅの合計モル数を表し、Ｅは、吹錬システムにおける元素の種類数を表す、プロセスと、
次に、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数法に基づいて、関数Ｌ
【００４０】
【数７】
2017500442.tif 000013
【００４１】
を構築するプロセスであって、式中、λｅは、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数である、プロセスと、
次に、ｘｐｃとλｅとに関して関数Ｌの偏導関数を取り、各偏導関数を０と等しくするプロセスであって、
【００４２】
【数８】
2017500442.tif 000014
【００４３】
という方程式を取得する、プロセスと、
反復法を使用して上の方程式を解くプロセスであって、各所与の極小期間に対して、平衡が炉中で達成されたときの各相における各成分のモル分率を取得することができる、プロセスと
を含む。
【００４４】
さらなる実施形態において、温度計算モジュールは、各所与の極小期間内の炉内溶融物の温度を計算するために一次元非定常熱伝導方程式を使用する。
【００４５】
さらなる実施形態において、最適化決定モードにおいて、冷却材料計算モジュールが、各所与の極小期間内の、すなわち、冷却材料が添加されない条件下の、炉中各相組成と、炉内溶融物の温度とに基づいて吹錬プロセスをシミュレートし、炉中溶融物に対する温度変化曲線を取得し、最低温度ＴＬおよび最高温度がＴＨである溶融物の温度に対する所定の制御値と組み合わせて、ステッピング法を使用して冷却材料計算を行い、冷却材料の添加と冷却材料の添加時間とを取得し、温度に対する制御値の範囲で温度変化曲線を作る。
【００４６】
さらなる実施形態において、冷却材料計算モジュールの計算プロセスの間、吹錬プロセスに関して、溶融物は、最低温度ＴＬを許容し、最高温度ＴＨを許容し、溶融物の温度の上昇段階において、溶融物の最高温度がＴＨよりも高い場合には、冷却材料は温度がＴＨに到達する前に添加され、そして溶融物の温度がＴＬと等しいか、またはそれを上回る温度に上昇する時間がｔ１であり、溶融物の温度がＴＨに到達する時間がｔ２であると仮定すると、冷却材料の添加時間はｔ１≦ｔ＜ｔ２を満たし、ここで、冷却材料の添加量は、溶融物の最高温度がＴＨと等しくなるように冷却材料の添加量を調節することによって決定される。
【００４７】
さらなる実施形態において、デバイスはさらに、溶媒計算モジュールを備え、溶媒計算モジュールは、システム一般制御モジュールに接続され、各極小期間内で、組成計算モジュールと温度計算モジュールとによって計算された結果に基づいて、溶媒の添加量と溶媒の添加時間とを計算するために使用される。
【００４８】
本発明によって提供されるＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法およびデバイスは、充分に小さい多数の極小期間に全吹錬プロセスを分割するために、全吹錬プロセスに時間離散化を行い、各極小期間内の、添加された材料、保持された生成物、および排除された生成物、したがって、異なる極小期間内の、すなわち、全ての期間内の、炉中各相組成と、炉内溶融物の温度とに基づいて、不均一反応解析と熱伝導計算とを行うために、各極小期間に継続的にシミュレーション計算を行うことが、本発明の上記の技術的な解決策から理解することができる。これは、全プロセスのシミュレーションが、吹錬プロセスの間、炉中溶融物（煙）の質量、組成、および温度の動的解析を実現することを意味する。スラグ作成期間および銅作成期間の異なる終点に対する判断条件と組み合わされたシミュレーション計算のこれらの結果に基づいて、吹錬プロセスの終点の判断と予測とを行うことによって、吹錬プロセスの制御が改良される。さらに、全プロセスの温度変化曲線は、シミュレーション計算のこれらの結果に基づいて取得することができ、そして溶融物が許容する事前に設定された最高温度および最低温度を組み合わせることによって、冷却材料を添加する際の最適化計算および予測が実行することができる。さらに、溶媒を添加する際の最適化された選択を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法の全プロセスの流れ図である。
【図２】図２は、図１に示された方法の具体的な実現に関する例示的な流れ図である。
【図３】図３は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイスの例示的な構造の概略図である。
【図４】図４は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイスの別の例示的な構造の概略図である。
【図５】図５は、図１および図２において示された方法が実現されることができる情報処理システムの例示的な構造の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
本発明の技術的な解決策をより良く理解するために、以下の具体的な実施形態は、図面とともに与えられ記載される。
【００５１】
図１は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法の全プロセスの流れ図であり、方法は、ステップ１０１で開始する。次に、ステップ１０２において、材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとに基づいて、吹錬プロセスにおける各所与の極小期間内の、炉中各相組成と、炉中溶融物の温度とをリアルタイムで継続的に計算する。次に、ステップ１０３において、スラグ作成期間と銅作成期間とに対する異なる終点判断条件にしたがった、事前に設定された吹錬の終点判断条件に基づいて、吹錬プロセスの終点を判断し予測する。次に、ステップ１０４において、予測された結果を出力する。最後に、ステップ１０５において、プロセスを停止する。
【００５２】
ステップ１０２において、各所与の極小期間内の、各相組成と溶融物の温度とを計算することに関して、計算のために使用されるデータは、過去の期間および現在の期間（すなわち、現在の極小期間および以前の極小期間）に関しては、データは、オンラインで収集された、炉中に添加された材料で構成され、これらのデータは、ＯＰＣデータ収集によって収集されたものから導出されることができ、将来の期間（すなわち、現在の極小期間後の極小期間）に関しては、計算は材料添加スケジュールに基づくことを満たす。
【００５３】
上記のステップ１０３において、スラグ作成期間および銅作成期間のための終点判断条件は、
１）スラグ作成期間：粗銅における硫黄含有量または酸素含有量に基づいて判断し、実施形態においては、終点は、炉中の銅マットにおけるＦｅＳの形態のＦｅ含有量が１％に落ちたときであることと、
２）銅作成期間：粗銅における硫黄含有量または酸素含有量のうちのいずれかに基づいて判断し、硫黄と酸素とは互いに相互作用し、実施形態においては、粗銅における硫黄含有量に基づいて判断し、すなわち、銅作成期間の終点は、炉中の粗銅における硫黄含有量が０．０４％に落ちたときであることと
を含む。
【００５４】
当然、一部の実施形態において、スラグ作成期間および銅作成期間に対する上記の終点判断条件に対して細かい調節を行うことができ、技術や炉中に添加される原材料の品質などのために、スラグ作成期間および銅作成期間に対する上記の終点判断条件は、終点判断条件を形成するようにわずかに調節することができる。実施形態において与えられる終点判断条件は単なる例であることが当業者には理解され、当業者は、終点を判断するための基準として、ここで選択された硫黄および硫黄含有量ならびにＦｅおよびＦｅ含有量に限定されることなく、技術や炉中に添加される原材料の品質などにしたがって終点判断条件を合理的に選択することができる。
【００５５】
ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの間、炉中の溶融物は、送風される空気のために激しく攪拌されるので、溶融物と空気中の酸素との接触面積が大きく、急速な酸化反応が生じ、酸素効率は９５％を上回り、溶融物の組成は比較的に均一である。したがって、実施形態において、炉中の各相組成は、ほぼ平衡になるが、吹錬反応の均衡点は、あらゆる種類の反応物（例えば、空気）の継続的な投入および一部の生成物（例えば、煙）の継続的な産出によって幅広く変化することが仮定される。吹錬プロセスの間に、炉中の溶融物（煙）の質量、組成、および温度を動的に解析するために、充分に小さい多数の極小期間に吹錬プロセスを分割するために吹錬プロセスに時間離散化を行い、各極小期間内の、炉中の各相組成と、炉中溶融物の温度とを計算する。好適には、各所与の極小期間は１分である。当然、期間は、例えば、約０．８分または約１．５分に適切に短く、または長くしてもよい。これらの計画的極小期間は、充分に小さいが、シミュレーション計算に影響を与えるほど小さくするべきではなく、これらの計画的極小期間は、多くの実験によって証明された、１分または約１分に調節することが好ましい。
【００５６】
図２を参照すると、図２は、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のための方法の実施形態を示す。実施形態はステップ２０１で開始し、次に、初期値がＮ＝１である極小期間を数えるためにステップ２０２に進む。
【００５７】
ステップ２０２の後に、ステップ２０３に進む。
【００５８】
ステップ２０３において、極小期間Ｎ内の反応物の種類と量とを決定する。上記のように、各対応する極小期間内の、各相組成と溶融物温度とを計算することに関して、計算のために使用されるデータは、過去の期間および現在の期間（すなわち、現在の極小期間および以前の極小期間）に関しては、データは、オンラインで収集された、炉中に添加された材料で構成され、将来の期間（すなわち、現在の極小期間後の極小期間）に関しては、計算は材料添加スケジュールに基づくことを満たす。
【００５９】
ＰＳ銅転炉の吹錬プロセス全体において生じる一般的な化学反応が、下記のものを含むことは、ここで述べる価値がある。
（１）スラグ作成期間
全ての鉄と、鉄と化学的に組み合わされた全ての硫黄とを熱い銅マットから主に排除する。酸化鉄ＦｅＯは、添加されたＳＩＯ２と反応して、スラグ形成反応を開始し、そしてＦｅＯが除去される。その反応は、
【００６０】
【数９】
2017500442.tif 000015
【００６１】
である。吹錬温度下で、ＦｅＳの酸化は、液体−気体の反応のものであり、非常に迅速に進むが、ＦｅＯのスラグ形成は、固体−液体の反応のものであり、比較的にゆっくりと進む。ＳＩＯ２とＦｅＯとの間の接触が完全ではない場合には、空気と再び接触するために、溶融物とのスラグ周期を作られていないＦｅＯは、酸化して磁性酸化鉄になる。
【００６２】
【数１０】
2017500442.tif 000016
【００６３】
発生したＦｅ３Ｏ４は、以下の式
【００６４】
【数１１】
2017500442.tif 000017
【００６５】
にしたがって、溶媒ＳＩＯ２が存在するときにのみ減少する。
【００６６】
（１）銅作成期間
送風された空気中の酸素は最初、気体−液体の反応においてＣｕ２Ｓの溶融物と反応し、Ｃｕ２Ｏを発生させる。Ｃｕ２Ｏの液相において、Ｃｕ２Ｏは、Ｃｕ２Ｓと相互作用するように反応し、粗銅を発生させる。すなわち、
【００６７】
【数１２】
2017500442.tif 000018
【００６８】
である。
【００６９】
ステップ２０３の後に、ステップ２０４に進む。
【００７０】
ステップ２０４において、温度Ｔが仮定され、仮定された温度Ｔに基づいて、組成モデルが、極小期間Ｎ内の炉中の各相組成を計算するために、次のステップ２０５において解析される。
【００７１】
実施形態において、組成モデルを解析するために、各所与の極小期間内の炉中の各相組成が、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の方法を使用して計算される。吹錬プロセスにおいて関連する相は、気相、スラグ相、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相を含む。
【００７２】
一定の温度と一定の圧力とを有し、非体積膨張仕事のないシステムに関して、
【００７３】
【数１３】
2017500442.tif 000019
【００７４】
があることが、熱力学原理から分かる。
【００７５】
上の式によって、本発明者らは、
【００７６】
【数１４】
2017500442.tif 000020
【００７７】
を有する。上の式は、自然反応のプロセスが、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの減少とともに進むことを示す。
【００７８】
Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが、その最小値に到達したときに、システムは均衡に到達する。これが、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の原理である。多相システムに関して、
【００７９】
【数１５】
2017500442.tif 000021
【００８０】
が、上の式から取得することができ、式において、
2017500442.tif 000022
【００８１】
は、相ｐにおける成分ｉの化学ポテンシャルを表し、ｐは、相の数を表し、Ｃｐは、相ｐにおける成分の合計数を表す。
【００８２】
上の式は、多相および多成分の反応システムが均衡に到達するか否かを判断するために使用される基準である。システムが均衡に到達したときには、等式が適用でき、システムが均衡に到達しないときには、小なり記号が適用できる。すなわち、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが、その最小値に到達したときに、システムが均衡に到達するまで、システムは、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーの減少とともに変化する。
【００８３】
上の推論プロセスから、実施形態における各所与の極小期間内の炉中の各相組成に対する計算プロセスが、以下のように導出することができる。各所与の極小期間内の炉中の各相のシステムにおいて平衡が達成され、Ｇｉｂｂｓの自由エネルギーが最小であるときに、
【００８４】
【数１６】
2017500442.tif 000023
【００８５】
としてＧｉｂｂｓの自由エネルギーの合計を表し、式中、ｐは、平衡システムにおける相の合計数を表し、Ｃｐは、相ｐにおける成分の合計数を表し、ｘｐｃは、成分ｐｃのモル数を表し、
2017500442.tif 000024
【００８６】
は、成分ｐｃが純粋な物質であるときに、温度Ｔにおいて生成されるＧｉｂｂｓの自由エネルギーを表し、γｐｃは、成分ｐｃの活量係数を表し、Ｒは、炉中の気体定数を表す。
【００８７】
質量の保存と組み合わせて、Ｔａｙｌｏｒの公式を使用して、
2017500442.tif 000025
【００８８】
におけるＧｉｂｂｓの自由エネルギーＧにおいて二次展開を行い、
【００８９】
【数１７】
2017500442.tif 000026
【００９０】
を取得し、式中、Ａｐｃｅは、成分ｐｃの分子式における原子ｅの数を表し、Ａｅは、平衡システムにおける原子ｅの合計モル数を表し、Ｅは、吹錬システムにおける元素の種類数を表す。
【００９１】
次に、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数法に基づいて、関数Ｌ
【００９２】
【数１８】
2017500442.tif 000027
【００９３】
を構築し、式中、λｅは、Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ乗数である。
【００９４】
次に、ｘｐｃとλｅとに関して関数Ｌの偏導関数を取り、各偏導関数を０と等しくし、
【００９５】
【数１９】
2017500442.tif 000028
【００９６】
という方程式を取得する。
【００９７】
反復法を使用して上の方程式を解き、各所与の極小期間に対して、平衡が炉中で達成されたときの各相における各成分のモル分率を取得することができる。
【００９８】
全吹錬プロセスは（気相、スラグ相、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相を含む）多相のものである。上記のＧｉｂｂｓの自由エネルギーの最小化の方法に基づいて、各所与の極小期間内の、炉中の、マット相、粗銅相、およびＦｅ３Ｏ４相が存在するか否かと、各存在する相の組成とを解析し判断する。
【００９９】
ステップ２０５の後に、ステップ２０６に進む。
【０１００】
ステップ２０６において、温度モデルを解析し、温度Ｔ１を取得する。
【０１０１】
吹錬プロセスにおいて、熱伝導プロセスは非定常である。すなわち、温度場は時間とともに変化し、そして溶融物と、煙と、炉の表面と、炉の外側の環境との間の熱伝導を含むとともに、伝導、対流、および放射に関連する熱伝導挙動は非常に複雑である。溶融物の温度の動的計算に関して、溶融物の温度の動的計算の大きな計算負荷と長い計算時間とのために、オンラインかつリアルタイムで、三次元非定常温度場に対して伝統的な数値解析法を応用することは困難である。
【０１０２】
したがって、実施形態において、一次元非定常熱伝導方程式が、各所与の極小期間内の炉中溶融物の温度を計算するために使用される。溶融物の温度は、充分に小さい各極小期間（例えば、１分）内で迅速に計算することができる。
【０１０３】
一次元非定常熱伝導方程式は、化学反応システムにおいてノードの温度を計算するために使用される一般的な方法である。一次元非定常熱伝導方程式（微分方程式）を構築し、一意性の条件（境界条件および初期条件）を設定し、変数が温度である一連の代数方程式（すなわち、各ノードの温度に対する代数方程式）を得るために離散化を行い、これらの代数方程式を解き、全ての期間の温度を取得することができる。したがって、各極小期間内の溶融物の温度は、一次元非定常熱伝導方程式を解くことによって取得することができる。例えば、中国語版がＹｉｎｔｉｎｇ  Ｌｉによって翻訳され、１９８７年にＳｃｉｅｎｃｅ  Ｐｒｅｓｓよって出版された、Ｒｏｈｓｅｎｏｗ，Ｗ．Ｍ．によるＨａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓに開示された方法は、一次元非定常熱伝導方程式およびその解法として使用することができる。当然、ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＩＮＧＨＡＩ  ＮＯＲＭＡＬ  ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ  ＳＣＩＥＮＣＥ  ＥＤＩＴＩＯＮ）第４号、２００６年で出版された、Ｎｅｎｇｂｉａｏ  ＹａｎｇによるＮｏｎ−ｓｔｅａｄｙ  Ｓｔａｔｅ  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｂｏｕｔ  Ｏｎｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｉｏｎもまた使用することができる。
【０１０４】
ステップ２０６の後に、ステップ２０７に進む。
【０１０５】
ステップ２０７において、ステップ２０４において設定した温度値Ｔとステップ２０６において取得した温度値Ｔ１を比較し、｜Ｔ−Ｔ１｜が定数εよりも小さいかを判断し、判断結果がいいえである場合には、ステップ２０８に進み、判断結果がはいである場合には、ステップ２０９に進む。
【０１０６】
ステップ２０８において、ステップ２０７において取得した温度値Ｔ１をＴに割り当て、ステップ２０５に戻る。
【０１０７】
ステップ２０９において、上で記載され、（スラグ形成期間の）炉中の銅マットにおける、ＦｅＳの形態のＦｅ含有量と、（銅作成期間の）粗銅における硫黄含有量とである事前に設定された吹錬の終点判断条件に基づいて、吹錬プロセスの終点を判断し予測する。ステップ２０９において、判断結果が、（現在の極小期間Ｎの）炉中の材料の組成が、（スラグ作成期間および銅作成期間のそれぞれに対応する）上記のいかなる判断条件も満たさない場合、すなわち、吹錬プロセスは、吹錬プロセスの終点に到達していないという場合には、ステップ２１０に進み、判断結果が、（現在の極小期間Ｎの間の）炉中の材料の組成が、（スラグ作成期間と銅作成期間とのそれぞれに対応する）上記の判断条件を満たす場合、すなわち、吹錬プロセスが、吹錬プロセスの終点に到達した場合には、ステップ２１１に進む。
【０１０８】
ステップ２１０において、Ｎを加算し、すなわち、Ｎ＝Ｎ＋１とし、ステップ２０３に戻る。
【０１０９】
ステップ２１１において、計算を終了して、予測結果を出力し、終了ステップ２１２に進む。
【０１１０】
各相における各成分に対する質量変化曲線と、全吹錬プロセスの間の溶融物に対する温度変化曲線とが、図２に示された方法に基づいて取得することができることが分かる。なぜならば、図２に示された方法は、全吹錬プロセスを等しく充分に小さい多数の極小期間に分割し、各極小期間内の、炉中の、各相組成と、溶融物の温度とを計算するからである。一部の実施形態において、出力がディスプレイなどの何らかの手段によってユーザに表示される場合には、全吹錬プロセスのシミュレーションをユーザに示すことができ、このようにして、吹錬プロセスは視覚的に予測することができ、このことは、吹錬プロセスを実際に制御するために重要である。
【０１１１】
一部の実施形態において、図２に示された方法はさらに以下のステップを包含する。
【０１１２】
最適化決定モードに必要に応じて切り替え、そのモードにおいて、各所与の極小期間内の、炉中の各相組成と、炉中溶融物の温度とに基づいて、すなわち、冷却材料が添加される条件下で吹錬プロセスをシミュレートし、炉中溶融物に対する温度変化曲線を取得し、最低温度ＴＬおよび最高温度ＴＨである溶融物の温度に対する所定の制御値と組み合わせて、冷却材料計算を行い、冷却材料の添加と、冷却材料の添加時間とを取得し、温度に対する制御値の範囲で温度変化曲線を作る。
【０１１３】
さらなる実施形態において、吹錬プロセスに関して、溶融物は、最低温度ＴＬを許容し、最高温度ＴＨを許容し、溶融物の温度の上昇段階において、溶融物の最高温度がＴＨよりも高い場合には、冷却材料は温度がＴＨに到達する前に添加され、そして溶融物の温度がＴＬと等しいか、またはそれを上回る温度に上昇する時間がｔ１であり、溶融物の温度がＴＨに到達する時間がｔ２であると仮定すると、冷却材料の添加時間はｔ１≦ｔ＜ｔ２を満たし、ここで、冷却材料の添加量は、溶融物の最高温度がＴＨと等しくなるように冷却材料の添加量を調節することによって決定される。
【０１１４】
一部の実施形態において、溶媒に関する最適化計算は、全吹錬プロセスの間の各相における各成分に対する質量変化曲線に基づいて行うことができる。ここでの溶媒は主に溶媒ＳｉＯ２を意味する。溶媒の添加はスラグ作成を促進することができるので、スラグの粘度を事前に設定された値になるよう常に平衡である。この方法によって、溶媒ＳｉＯ２を過剰に添加することによってスラグの表面上に、煙の放出を遅らせ得る綿状の遊離物質（遊離石英）の層が形成されることを妨ぐことができるので、炉の爆発という事故は回避されることができる。溶媒の添加が充分ではない場合には、ＦｅＯの一部は、ＳｉＯ２と反応してスラグを作ることができず、その部分は、酸化し、Ｆｅ３Ｏ４を形成し、磁性スラグを作る。
【０１１５】
図３は、本発明の実施形態にしたがった、ＰＳ銅転炉の吹錬プロセスの知的決定および終点予測のためのデバイスの構造的な概略図である。デバイス３００は、システム一般制御モジュールを表す３０１と、ＯＰＣデータ収集モジュールを表す３０２と、組成計算モジュールを表す３０３と、温度計算モジュールを表す３０４と、吹錬の終点予測モジュールを表す３０５と、データ格納管理モジュールを表す３０６と、冷却材料計算モジュールを表す３０７と、溶媒計算モジュールを表す３０８とを備える。
【０１１６】
ＯＰＣデータ収集モジュール３０２は、吹錬プロセスの動作データを収集するために使用される。収集されるデータは、熱い銅マットの量と、フラックスが添加される速度と、添加されるフラックスの合計量と、冷却材料が添加される速度と、添加される冷却材料の合計量と、空気の質量と、酸素の流速とを含む。
【０１１７】
組成計算モジュール３０３は、材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとに基づいて、所与の極小期間内の炉中の各相組成を計算するために使用される。
【０１１８】
温度計算モジュール３０４は、材料添加スケジュールと、オンラインで収集された、炉に添加される材料のデータとに基づいて、所与の極小期間内の炉中溶融物の温度を計算するために使用される。
【０１１９】
図２に関して、組成計算モジュール３０３および温度計算モジュール３０４に関連する計算方法および計算プロセスが、図２を参照して詳細に記載された。
【０１２０】
組成計算モジュール３０３と温度計算モジュール３０４とが各極小期間内の炉中の各相組成を計算したので、炉中の各相組成に対する変化曲線を取得することができることは述べる価値がある。したがって、図２に示された方法において使用される終点判断条件は、単なる例であり、他の成分を終点判断条件の設定に使用することができ、一部の成分の値は、実際の製造条件または実際のプロセスの条件にしたがって調節することができる。
【０１２１】
データ格納管理モジュール３０６は、様々なデータを格納するために使用される。
【０１２２】
冷却材料計算モジュール３０７は、各極小期間内で、組成計算モジュールと温度計算モジュールとによって計算した結果に基づいて、冷却材料の添加量と添加時間とを計算するために使用される。
【０１２３】
システム一般制御モジュール３０１は、吹錬の終点予測モジュール３０５と冷却材料計算モジュール３０７のそれぞれに接続され、以下のモード
１）吹錬の終点の予測された結果が出力される吹錬の終点予測モード、または（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｔｏ）
２）吹錬の終点の予測された結果、冷却材料の添加量および添加時間が出力される最適化決定モード
に切り替えることを外部から必要に応じて制御するために使用される。
【０１２４】
好適な実施形態において、所与の極小期間は全て等しく１分である。
【０１２５】
図３に示されるように、デバイス３００はさらに、手動でデータを入力するために使用するデータ入力モジュール３０９を備える。当然、データ入力モジュールは、デバイス３００にとって好ましいモジュールであるが、必須ではない。
【０１２６】
図３に示されるように、デバイス３００はさらに、計算されたデータの出力モジュール３１０を備え、計算されたデータの出力モジュール３１０は、炉中溶融物の温度と炉中の各相組成との計算された結果を出力するために使用され、データ格納管理モジュール３０６に接続される。計算されたデータの出力モジュール３１０は、何らかのデータインターフェイスであることができる。好適には、ディスプレイモジュール３１１を、データ格納管理モジュール３０６に接続されるように構成することができ、吹錬の終点の予測された結果、ならびに／または冷却材料の添加量および添加時間をユーザに提示するために、グラフまたは他の好適な形態で提示するように使用される。
【０１２７】
他の実施形態において、図４に示されるように、デバイス３００はさらに、溶媒計算モジュール３０８を備え、溶媒計算モジュール３０８は、システム一般制御モジュール３０１に接続され、各極小期間内で、組成計算モジュールと温度計算モジュールとによって計算された結果に基づいて、溶媒の添加量と添加時間とを計算するために使用される。したがって、最適化決定モードを切り替えるときに、吹錬の終点の出力された予測された結果、冷却材料の添加量および添加時間に加えて、溶媒の添加量と添加時間とがまた出力される。
【０１２８】
図５は、図１および図２において示された方法を利用することができる情報処理システムの構造的な概略図を例示的に示す。情報処理システムは、ＣＰＵ（中央処理装置）を表す４０１と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）を表す４０２と、ＲＯＭ（読取専用メモリ）を表す４０３と、システムバスを表す４０４と、ＨＤ（ハードディスク）コントローラを表す４０５と、キーボードコントローラを表す４０６と、シリアルインターフェイスコントローラを表す４０７と、パラレルインターフェイスコントローラを表す４０８と、ディスプレイコントローラを表す４０９と、ハードディスクを表す４１０と、キーボードを表す４１１と、カメラを表す４１２と、プリンタを表す４１３と、ディスプレイを表す４１４とを備える。これらの構成要素において、システムバス４０４は、ＣＰＵ４０１、ＲＡＭ４０２、ＲＯＭ４０３、ＨＤコントローラ４０５、キーボードコントローラ４０６、シリアルインターフェイスコントローラ４０７、パラレルインターフェイスコントローラ４０８、およびディスプレイコントローラ４０９に接続される。ハードディスク４１０は、ＨＤコントローラ４０５に接続され、キーボード４１１は、キーボードコントローラ４０６に接続され、ディスプレイ４１４は、ディスプレイコントローラ４０９に接続され、カメラ４１２は、シリアルインターフェイスコントローラ４０７に接続され、そしてプリンタ４１３は、パラレルインターフェイスコントローラ４０８に接続される。
【０１２９】
図５に示された構成要素の機能は、当該分野において周知であり、図５に示された構造は、従来のものである。この構造は、パーソナルコンピュータに適用されるだけでなく、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（携帯情報端末）などのハンドヘルドデバイスにも適用される。一部の実施形態において、図５に示された一部の構成要素は、除外することができる。例えば、アプリケーションソフトウェアが、ＥＰＲＯＭまたは他の不揮発性格納領域に格納される場合には、ＨＤコントローラおよびハードディスクは、除外することができる。
【０１３０】
図５に示されたシステム全体が、一般的には、機械可読命令によって制御されＣＰＵ４０１によって処理されるソフトウェアとして、ハードディスク４１０（または上記のように、ＥＰＲＯＭもしくは他の不揮発性格納領域に）格納される。
【０１３１】
図１および図２に示された１またはそれを超える流れ図に基づいて、図１および図２に示された流れ図によって示される方法を実行するために１またはそれを超えるソフトウェアを当業者が直接開発する創作作業は必要ない。例えば、図５に示された情報処理システムは、ソフトウェアが情報処理システムにインストールされた場合には、図３および図４に示されたデバイス３００と同じ機能を実装することができる。
【０１３２】
本発明は、本発明の好適な実施形態を開示してきたが、これらの実施形態は、本発明を限定することを意味していない。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、あらゆる修正および調節を行うはずである。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって画定されたものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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