高炉布料数学模型的开发及应用.pdf

第 4 1 卷第 1 1 期 2 0 0 6年 1 1月 钢 铁 I r o n a n d St e e l Vo 1 4 1 No 1 l No v e mb e r 2 0 0 6 高炉布料数学模型的开发及应用 陈令坤 于仲 洁 周 曼丽 1 华中科技大学电信系 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 2 武汉钢铁集团有限责任公司技术中心 湖北 武汉 4 3 0 0 8 3 摘要 为研究 炉料 在炉内的分布 对武钢 1 号 高炉在 开炉前进 行了料 面测量 在获得的炉料堆积规律的基础上开 发了高炉布料数学模型 利用开发的数学模型模拟炉料下落的轨迹 求解料面形状 计算炉料的 O C比分布 利用 模型计算结果对不同布料矩阵的布料效果实行量化评估 结合高炉专家系统中有关煤气流分布的信息 可以及时 对布料矩阵作出调整 关键词 高炉 数学模型 布料 中图分类号 T F 5 4 3 文献标识码 A 文 章编 号 0 4 4 9 7 4 9 X 2 0 0 6 1 1 0 0 1 3 0 4 De v e l o p m e n t a n d Ap p l i c a t i o n o f Bl a s t Fu r n a c e Bu r d e n Di s t r i b u t i o n M o de l CHENG L i n g k u n YU Z h o n g j i e ZHOU Ma n l i 1 Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y W u h a n 4 3 0 0 7 4 Hu b e i Ch i n a 2 Te c h n o l o g y C e n t e r o f Wu h a n i r o n a n d S t e e l Gr o u p Co Lt d W u h a n 4 3 0 0 8 3 Hu b e i C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y b u r d e n d i s t r i b u t i o n i n b l a s t f u r n a c e a s p e c i a l p r o j e c t t o me a s u r e a c t u a l c h a r g e l e v e l i n No 1 b l a s t f u r n a c e a t W u s t e e l wa s a c c o mp l is h e d d u r i n g b l o w i n p e r i o d On t h e b a s i s o f t h e o b t a i n e d b u r d e n p i l i n g r u l e s a n e w b u r d e n d i s t r i b u t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d Th e t r a j e c t o r i e s p r o f i l e a n d o c r a t i o o f b u r d e n i n b l a s t f u r n a c e a r e e s t i ma t e d b y u s i n g t h e d e v e l o p e d mo d e 1 S u c h mo d e l i s a l s o u s e d f o r q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t h e e f f e c t s o f c h a r g i n g p a r a me t e r s o n b u r d e n d i s t r i b u t i o n t O a d j u s t i n t i me t h e b u r d e n d i s t r i b u t i o n b y c o mb i n i n g w i t h g a s f l o w d i s t r i b u t i o n i n f o r ma t i o n f r o m e x p e r t s y s t e m Ke y wo r d s b l a s t f u r n a c e ma t h e ma t i c a l mo d e l b u r d e n d i s t r i b u t i o n 高炉是一个巨大的密闭反应器 一旦投入生产 就很难停下来 在 日常生产 中很难直接观测 到炉料 在炉内的实际分布状态 只能靠 间接手段来 推断布 料状况 建立布料数学模型可以了解炉料在炉 内分 布的真实状态 为了开发高精度 的高炉无钟 布料数 学模型 在武钢 1 号高炉开炉前 进行 了仔细的料面 测量 获得了关于料面变形的相关信息f 本文利用开炉料面实测数据开发高精度的实时 在线布料数学模型 分析炉料在无钟炉顶设 备中的 运动 建立料流轨迹 计算模 型 分析多环的布 料规 律 并结合料流轨迹 的计 算 建立 求解料面形状 及 O C比分布的数学模型 研究模型计算过程 中关键 问题的处理方法 介绍布料数学模 型在高炉调剂中 的应 用 1 串罐无钟炉顶炉料运动的解析 1 1 炉料从下料门到溜槽表面的运动解析 炉料 由料流调节阀以速度 放 出后 以一定 的 速度到达布料溜槽 当炉料与旋转溜槽碰撞时 运动 方向发生变化并 以 的初速度在旋转溜槽 内运动 最后在旋转溜槽的末端 以速度 斜抛进入 炉内 形 成一定的料面形状 炉料进入溜槽的初始速度 的计算与无钟炉顶的 结构有关 对于串罐无钟炉顶 炉料是 以 的速度 从料流调节阀处流 出后直接落 入溜槽 经碰撞改变 方向后即为进入溜槽的初始速度 V O K1 K2 C O S O 2 g h B o s i n a 1 一 a 一 z 式中 A为料流调节阀的开 1 3面积 W P为炉料批 重和堆积密 度 N 仇 为 溜槽 转速 和布 料 总 圈数 K K 为衰减系 数 考 虑炉料 在喉管 处滞 留和摩 擦 以及落入溜槽 的速度 衰减 K K 需要用实验 进行确定 a为溜槽倾角 h 为料流调节阀出 口到溜 槽倾动旋转中心的距离 B 为溜槽倾动中心至槽底 中心的距离 g为重力加速度 作者简 介 陈令坤 1 9 6 3 一 男 博 士 高级工程师 I E ma i l l i n k u n c h 1 6 3 c o rnI 修订 日期 2 0 0 6 0 1 2 O 维普资讯 钢 铁 第 4 1 卷 1 2 炉料在溜槽上及从溜槽上下落时的运动 炉料颗粒 在溜槽上运动 时会 受到许 多力 的作 用 由炉料质点在淄槽上的受力分析可知 炉料沿溜 槽向下滑动 的速度由于科 氏力的存在可分解为沿溜 槽长度方向 7 3 和底 面切线方 向 73 的分量 在求 沿溜槽长度方 向的速度 7 3 时忽略切线方 向的分量 7 3 在求得 73 值之后 即可根据 7 3 和 73 的关 系 求 得 7 3 的值 由功能原理及炉料在溜槽的受力分析可得 j 2 g l c o s a 一 z s i n a Z s i n a s i n a c o s a 5 一 o f 2 Z 6 式 中 r 为溜槽底圆半径 Z 为炉料在溜槽上的实 际 滑动距离 z f 0 一B t a n a 7 3 为炉料落于溜槽上 的 初速度 f o B 为溜槽 的有效总长和倾动中心至槽 底中心的距离 a 为溜槽倾 角和旋 转角速度 2 为炉料与溜槽 的摩擦 因数 取 0 5 9 3 0为炉料 离 开溜槽时的偏心角 1 3 溜槽 出口端炉料末速度 一 f 7 1 4 炉料离开溜槽后的斜下抛运动解析 根据炉料离开溜槽时的末速度 可 以写 出静 止坐标系中 3个方 向的速度分量 r r s i n 0 7 3 s i n a 7 3 r s i n 0 c o s a 一 Z s i n a一 c o s O 8 I 7 3 7 3 f C O S o 一 s i n 0 s i n a 炉料离开溜槽后 的运动 可分解为沿 z方 向和 沿 Y方向的匀速运动及 z方 向的自由落体运动 炉料斜下抛运动轨迹的水平投影距离为 S一 可 丽 一 5 9 炉料离 开溜槽 端点 时的位 置 的水平 投影 R 为 R o 一 z 5 Y 3 1 0 则炉料的落点距高炉中心的半径位置 R R o S 2 R o S 兰 s i n a 1 1 式中 h为料线深度 h 为溜槽倾动中心到料线零点 的距离 z Y z 为炉料离开溜槽时的坐标位置 炉料在离开旋转溜槽的瞬间形成了具有一定宽 度的料流 利用上述公式可 以求得料流宽度 利用 测量的每个角位 的料流轨迹反 推公式 中的各个参 数 在参数确定后 即可利用公式计算各种溜槽 倾角的炉料轨迹 按照上述计算方法计算出的料流轨迹如图 1 所 示 计算值和测量值误差在 3 9 6 以内 图 1中 l号角 位 取 1 5 2 多环布料的料面形状求解 2 1 料面形状模拟模型建立时的假设 根据高炉 开炉料实测的数据 提出了如下 的料 面形成机理 在焦炭落到矿石层表面上时 假定矿 石层不发生塌落 矿石落到焦炭层表面上时 焦 炭层将发生塌落变形和堆积 由于堆积层的重力及 下落时的冲击力 使下层焦炭层产生塌落 塌落量按 矿石冲击动能与料 面塌落量 之间的关 系来确定 塌 落的焦炭堆积在高炉中心 滑面的最终位置由塌落 量和高炉中心堆积量相等 的条件来决定 求解 的方法是 先找 出炉料堆积层是否有大于 堆角的倾斜 面角度 若大于堆角 则按与堆角相等时 的形状进行修 正 料 面的 内堆 角 0 采用堆 角公式 1 2 计 算 料 面 的外堆 角 采 用经验 公式 1 3 1 4 计算 同时 修正滑面的最终位置 使随焦炭层 塌落时滑移的矿石堆积层表面与炉子中心主要堆积 成焦炭的塌落层表面连接 1 料面 内堆角 0 高炉 中心侧 认为它受炉 料种类及其性质 形状 粒度等 和炉 内料面深度 料 线 的影 响 与堆尖位置无关 在炉料种类一定 的 情况下 其在炉 内的堆角主要与料线有关 U t g 0 1一 t g 0 o K 1 2 式 中 0 为炉料在炉 内的堆角 0 为炉料的 自然堆 角 K为修正系数 H 为料线深度 R为炉喉半径 圈 1 计算 出的焦炭 的料 流轨迹 F i g 1 C a l c u l a t e d t r a j e c t o r i e s o f c o k e 窳 宴 维普资讯 第 l 1期 陈令坤等 高炉布料数学模型的开发及应用 2 料面外堆角 高炉炉墙侧 由于其影响 因素较复杂 难 以找 出其变化规律 当料线在碰撞 点以下时 炉料碰撞炉墙后垂直下落 炉料的外堆角 等于零 当料线在碰撞点 以上时 可以采用经验公式 计算 焦 炭 0 2 7 3 1 2 1 9 7 1 3 烧 结矿 0 2 7 9 7 7 2 0 4 1 4 式中 a为溜槽的倾角 2 2 程序计算框图 计算料面时 根据读入的原始料面形状 布料参 数等信息计算轨迹与原始料面的交点 计算时将根 据炉料落点的不同位置采用不 同的措施进行处理 当矿石打到焦炭层上时 焦炭层会发生塌落和变 形 这时就需要对底层料面进行修正 同时考虑气流 对炉料分布的影响 如果矿石碰到炉墙上时 则采 用不同的料面求解方法 计 算料 面流程如图 2所 示 2 3料面下降时的程序计算框图 料面下降的程序计算框图如图 3所示 根据新 旧料 面问 的体积计算 当前布料是 否完 成 布入炉内的炉料应该等于新 旧料面 曲线所包 围的旋转体的体积 输入布料参数 布料矩阵 料线等 计算轨迹与料面的交点 汁算轨迹与炉墙交点 根据炉料落点 计算出新的料面形状 料面修正 气流修正 矿石撞击焦炭的修正 幕 灾 嚣 翁 茎 于 布 入 炉 内 的 料 量 一 是 保存数据 程序退出 图 2 程序计算框圈 Fi g 2 Fl o w di a g r a m o f pr o g r a m c a l c u l a t i on 获取相关以数 J 计算料面与炉墙的交点 J 计算料面下降时的各层料面数据 考虑料面变形 J 随时I 日 J 变化 逐步修正料面形状 图 3 料面下降的程序计算框圈 F i g 3 F l o w d i a g r am o f p r o g r a m c a l c u l a t i o n f o r d e s c e n t o f c ha r g e l e v e l I 2 丌 r 厂 n 0 一厂 n n d r 1 5 式中 为次装料的炉料体积 f o o 为半径 r处旧 料面的表面 f o n 为半径 r 处新料面的表面 2 4 径向矿焦 匕 o c 的计算 径向矿焦 比 O C 是指一批 炉料装入炉 内时 在半径方向上矿石与焦炭的相对 比例 一般采用半 径方 向上各点的矿石层质量与焦炭层质量的比值来 表示 即 C P AL 1 6 c c 式中 10 为矿石的堆密度 P 为焦炭 的堆密度 L 为矿石层厚度 L 为焦炭层厚度 在不考虑密度 的前 提 下 为 简 化 计算 可 以 用 L A L 代 替 式 1 6 2 5 考虑焦炭滑移现象的料面修正 武钢在开炉前用微型摄像头测定了料面变形及 混合层的形成情况 由装料测试得到如下的料面变 形规律 矿石批重增加 混合层形成量也增加 在矿石层上装入焦炭时 即使增大焦炭批重也几乎 不形成混合层 矿石下落动能增大 将使炉子 中 心的混合料层增加 与此同时 纯焦炭层 的厚度也 有所增加 有时还会看到混合层露在矿石层的外面 为对混合层 的形成提出定量公式 这里采用 了 混合层生成能的概念来计算炉子中心处焦炭的厚度 AL E EK EP 1 2 My Mg H 1 7 或 E M E K E P 一 1 2 m 巩g H l 1 8 式 中 E 为混合层生成能 E 为矿石 的冲击能 E p 维普资讯 钢铁 第 4 1 卷 为矿石在落点处的势能 m 为第 i圈的排矿量 为焦炭表面方 向的矿石运动速度分量 H 为第 1 环 矿石落点到炉子中心处焦炭料面位置的垂直距离 为在混合层开始和结束形成 的期 间的矿石布 料环数 相对值 根据大量 的实测数据得 出了以下 回归方程 高 炉 中心处混合层 的厚度一般为 3 0 0 4 0 0 mm AL 一 3 4 9 1 O EM一 1 3 6 1 9 当装料条件一定时 由式 1 9 即可计算混合层 的径 向分布 对于武钢 1号高炉而言 布矿时塌落 的焦炭量 一 般在 2 5 m 左右 塌落的焦炭量应该为 1 3 1 6 t 批 这个结论对于开发布料模型是至关重要 的 2 6考虑煤气流速分布的料面形状修正 炉料在炉 内的堆 角随着 煤气流速 的增大 而减 小 当流速达到流态化速度 时 料面堆角变为零 因 此 若在不鼓 风状 态下 的料面堆角 为 p o 则在鼓 风 状态下 的堆角 为 p o k 1 一 2 O 式中 r 为最小流 态化 速度 为炉顶 平均煤气 流 速 2 7 炉料下降时料面形状的修正 高炉布料不是连续进行 的 随着冶炼强度 的不 同 2 次布料的间隔也不同 在这个时间间隔内 炉料 是不断下降的 高炉解体调查结果表明 炉料在炉 内 下降过程中仍保持着层状结构 炉料下降时 沿以炉 墙沿长线与高炉中心线 的交点为原点 的放射线向下 移动 可以采用 T o y a ma l 2 等人的理论进行处理 2 8 下料门对布料的影响 无料钟通过液压系统来驱动下料 门开关 通过 齿轮来控制溜槽运动 前者决定布料精度 后者则决 定了布料方式的灵活性与多样性 目前下料 门控制 一 般采用恒开度方式 由于控制精度不够 下料门开 度 1 及下料流量波动较大 使实际布料时间 布料环 数及每环布料分数与工作矩阵设定值出入较大 在下料 门开启 和关闭过程 中 实际流量是不稳 定的 所以在流量计算 中要考虑流量变化对于布料 模型的影响 处理方法是 在第一环和最后一环分别 乘 以一个系数来对料流量进行修正 2 9 原始料面的确定 模型启动时 需要确定原始料面 原始料面确 定后 根据料流 阀开度 料线深度 布料量等参数 计 算 出下一批料的料 面形状 求 出的新料 面将成 为下 次计算的原始料 面 模 型刚开始投入使用 时 由于 不能确知炉内的实际料 面形状 一般假设 2种原始 料面形状 根据实际情况选择其 中之一作为模 型计 算的初始料面 正常炉料 布到假设的料面上后形成 的新料面和实际料面有一些 出入 但 当连续布料次 数大于 5次后 原始料面对新 料面的影 响将大大减 小 可以认为此时的计算料面就是实际料面 在实际模 型的开发过程 中 一般是用曲线来模 拟高炉布料 的原始料 面 通 过料线来人 为确定一个 合适的公式 3 布料模型在