高炉炼铁过程的数学模拟.pdf

j r I 同炉炼铁过程的数学模拟 储满生1胡涛2李子林2沈峰满1 1 东北大学钢铁冶金研究所 辽宁沈阳1 1 0 0 0 4 2 安阳钢铁集团公司技术中心 河南安阳4 5 5 0 0 4 摘要 本文简述全高炉反应动力学数学模型的发展历程后 详细介绍了该类模型的最新研究成果一基于多流体 理论而创建的多流体高炉数学模型 并利用实际测量值对该模型的有效性进行了验证 该模型是 个较为复杂而 全面的高炉过程模拟工具 可有效分析处理多维问题 最后 对高炉数学模型的未来发展做出了若干展望 关键词高炉 数学模型 多流体理论 炼铁 计算流体力学 M a t h e m a t i c a IS i m u l a t i o no fB l a s tF u r n a c eP F o c e s s C H UM a n s h e n 9 1 H UT a 0 2 L IZ i l i n 2 Z H A OH e a n 2 S H E NF e n g m a n l 1 S c h o o lo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y S h e n y a n g11 0 0 0 4 C h i n a 2 T e c h n o l o g i c a lC e n t e r A n y a n gS t e e lG r o u pC o m p a n y A n y a n g4 5 5 0 0 4 C h i n a A b s t r a c tB l a s tf u r n a c ei sac o m p l e xm e t a l l u r g i c a lr e a c t o rw i t hg a s s o l i dc o u n t e r f l o w I no r d e r t Ou n d e r s t a n d c o n t r o la n di m p r o v et h eb l a s tf u r n a c ep r o c e s s m o r ee f f o r t sa r em a d et Od e v e l o p m a t h e m a t i c a lm o d e l s A so n eo ft h e1 a t e s tr e a c t i o n k i n e t i c sm o d e lo ft o t a lb l a s tf u r n a c e m u l t i f l u i db l a s tf u r n a c em o d e li sd e v e l o p e d w h i c hi sb a s e do nm u l t i f l u i dt h e o r y k i n e t i c s t r a n s p o r t p h e n o m e n at h e o r ya n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n df u l l yt a k e si n t oa c c o u n tm u t u a li n t e r p h a s ei n t e r a c t i o n s T h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e v e a l e dt h a t m u l t i f l u i dm o d e li sac o m p l i c a t e da n d c o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o nt o o lf o rb l a s tf u r n a c ep r o c e s s i n c l u d i n ge f f e c t i v et r e a t m e n to fi n f u r n a c em u l t i d i m e n s i o n a lp h e n o m e n aa n da c c u r a t ep r e d i c t i o no ft h eo p e r a t i o n a lp a r a m e t e r su n d e rt h e g i v e nc o n d i t i o n s K e yw o r d sb l a s tf u r n a c e m a t h e m a t i c a lm o d e l m u l t i f l u i dt h e o r y i r o n m a k i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 在高炉操作过程中 由炉顶加入炉料 从炉缸渣铁口排放渣铁 而从风口鼓人热风和喷吹煤粉 产生煤气 从炉顶逸出 所以可将高炉看作是存在炉料下降和煤气上升两个逆向运动的反应器 高炉内所有传输现象 和反应都发生于炉料与煤气的向流运动中 高炉内多种多相物质共存且相互作用 而且诸多物理化学现象同时发生 故高炉在化工领域被认为是最 复杂的冶金反应器之一 随着现代测控技术的发展和对实际运行高炉的炉体解剖 人们获得了大量有用数 据 对高炉有了更深的理解 但仅凭这些仍很难详细掌握炉内的现象 因此 为了更好地理解 控制和改进高 炉炼铁过程 更多的努力用于开发高炉数学模型 1 根据对高炉内传输现象描述方法的不同 数学模型分为 平衡理论模型 热化学模型和反应动力学模型 按所考虑的空间坐标维数 分为一维 二维和三维模型 按考 虑时间变量与否 有稳态模型和非稳态模型 1 1 高炉炼铁技术在过去几十年里获得了巨大的进步 为了提高产量 降低能耗和减少环境负荷 大量新技 术 如喷吹煤粉和有效利用含碳含铁废弃物不断被采用 高炉的功能不断扩大 随之而来 炉内现象更趋复 杂化 而建立在反应动力学和传输现象理论基础上的反应动力学数学模型是一个有用的工具 可用于详细 分析炉内状态和精确预测高炉操作性能 0 9 9 高炉数学模型的发展 最早获得发展的是高炉一维模型 且先有稳态模型 随后逐渐发展为非稳态 鞭严等人在2 0 世纪6 0 年 代末开发的高炉稳态一维模型最具代表性 2 在鞭的模型中 考虑了炉内主要化学反应和传热过程 模拟结 果给出了主要工艺变量沿高炉高度方向上的分布 后来 许多研究者仿效鞭严的建模思想建立了一系列用 于解决不同问题的高炉数学模型 这些早期的高炉模型很好地把握了对局部和全高炉的能量平衡和物质平 衡这一基本规律 因而在模拟高炉现象 分析操作参数对炉况和冶炼指标的影响 指导开停炉等方面获得了 相当的成功 如一些模型应用于分析鼓风压力波动对高炉操作的影响 预测最低燃料比以及模拟高顶压操作 等实践 2 但是对于一维的高炉模型来说 过程参数被假设为径向均匀分布 而高炉的解剖和取样分析证实 气体温度和炉内物质成分等在径向上都是不均匀的 另外 在这些模型的建模过程中 炉内物质和能量的传 输过程只能通过常微分方程来描述 再加上边界值设定不合理等缺陷 这些早期一维模型的预测精度和应 用范围都很有限 到了8 0 年代 计算机技术的发展允许模型处理更大的矩阵 新建立的模型可以采用偏微分方程作为它 们的控制方程 在这期间 大量二维高炉模型被开发 其中较为知名的有H a t a n o 和K u r i t a 的模型 Y a g i T a k e d a 和O m o r i 的模型 S u g i y a m a 和S u g a t a 的B R I G H T 模型 1 2 二维模型主要被用于描述炉内更为复 杂的现象 评估操作条件对高炉操作性能和炉况的影响 分析软熔带的变化和影响 模拟和开发高炉炼铁新 技术等方面 总体来说 这些模型对指导实际高炉操作和促进炼铁技术的进步做出了一定的贡献 到9 0 年代初 一个基本概念 多流体理论 被提出 即用多相流和相间双向相互作用来描述发生在炉下 部的现象 而且炉内物质相应通过流动机制来加以区分 因此 除了最基本的物质三态 气 固 液 外 被炉 内气流挟带的未燃煤粉被处理为一个独立的粉相 在随后基于这个理论而发展的高炉数学模型中 根据 物性的不同 液相又被划分为渣相和铁水相 而粉相分为静态滞留粉相和动态滞留粉相 这些模型都总称为 多流体高炉数学模型艮 7 p 是较为复杂全面的高炉动力学模型 目前 多流体模型能够较合理地处理二维 和三维问题 并应用于超高效率高炉炼铁技术的数学模拟评价 8 1 一维非稳态 常微分方程 边界值问题 蒜卜 蕹 一警 二维j 稳态 三维非稳态 考虑相间相互作用的流场描述多相潮 利用复杂的偏微分方程描述炉内质量 能量和动量传输现象 图1 全高炉反应动力学模型的发展历程 表1 多流体模型中考虑的相和物质 相物质 气相 C O C 0 2 O z H 2 H z O N 2 S i O C H 块矿 F e z 0 3 F e 3 0 4 F e O F e 脉石 C a O A 1 2 0 3 M g O S i 0 2 H 2 0 烧结矿 F e z 0 3 F e a 0 4 F e O F e 脉石 C a O A i z O s M g O S i O z H 2 0 固福 球霞 F e 2 0 3 F e 3 0 F e O F e 脉石 c a 0 A i 2 0 3 M 9 0 s i 0 2 H 2 0 焦炭 C S i C 脉石 C a O A l z O s M g O S i 0 2 H 2 0 铁水F e C S i 熔渣F e O 脉石 C a O A z 0 3 M g O S i 0 2 粉相煤粉 废塑料 C 脉石 C a O A I z 0 3 M g O S i 0 2 挥发分 1 1 0 0 2 多流体高炉数学模型 2 1 模型框架 多流体高炉数学模型基于多流体理论 冶金传输原理 反应动力学以及计算流体力学等理论模拟高炉炼 铁过程E 4 5 7 模型主要考虑了从渣面到料面的整个填充区域 而且认为高炉是轴对称的 多流体模型 中 将气相 固相 焦炭和含铁炉料 铁水 熔渣和喷吹粉体分别视为具有各自流动机制的相 每相由一个或 多个组元组成 且每个组元具有独立的成分和物性 模型中考虑的物质和相如表l 所示 多流体模型中各相之间的相互作用如图2 所示 图中实线代表动量 质量和能量的完全相互作用 点线 代表质量的传输 模型认为气固两相与其他相之间均有完全的质量 动量和能量交换 而不连续相 液相和 粉相 之间不进行动量交换 但通过化学反应和相变进行质量和能量交换 图2 多流体模型中相间相互作用不意图 多流体模型采用一系列偏微分方程对炉内各相的行为以及高炉冶炼过程进行高精度的数学模拟 由 于各相之间同时且双向相互作用 故这些偏微分方程是强烈耦合的 须同时求解 所有方程可以用一个统一 化的形式来加以描述 毫 e 私M 棚 导 r c 枷唧 一麦 e 峨等 募 r c 以至9 r 肌 F s 1 在方程 1 中 下标代表要考虑的各相 即气相 固相 铁水 熔渣和粉相 变量 I I 代表求解的变量 通 过改变咖 分别代表质量 动量 能量方程以及连续性方程 e i 代表相的体积分数 L 代表有效扩散系数 根 据所求解的独立变量具有不同的意义 如对于动量方程 L 表示动力粘度 而对于能量方程 L 为导热系 数 S 为源相 主要是由于化学反应 相间相互作用 外力以及相变等因素而产生 2 2源相 由于化学反应和相变 质量方程具有质量源 模型中主要考虑了如下反应 铁氧化物间接还原 熔渣中 F e O 直接还原 回旋区的燃烧反应 焦炭气化溶损反应 水煤气反应和水煤气转变反应 S i 迁移反应 渗C 反 应 熔化及相变反应 水分蒸发或者凝结反应等 并利用已有的实验研究成果对上述反应的速度进行了动力 学公式化描述B 1 不同相间产生动量交换 主要是因为速度差的存在 模型中相间动量传输量通过下式计算 R 一 一 U j U j 2 式 2 中 F 为相J 和相 之间的动量传输量 U 和U 为相J 和相j 的速度 一 是动量传输系数 模 型中对不同体系采用不同的计算方法 7 概括于表2 1 10 1 表2 不同体系间动量传输系数的估算方法 体系 气一固 气一液 气一粉 固一液 固一粉 液 粉 估算方法 E r g u n 方程 单液滴拽力方程 单颗粒投力方程 经R i c h a r d s o n 和Z a k i 修正 K o z e a y C a r m a n 方程 F a n n i n g 方程 未考虑 能量方程的源相包括反应热和相问对流换热 E l h i j A 卜 T i L 模型通过下式计算相间对流换热量 式 3 中 E 代表相J 和相i 之间的对流换热量 T i 和T j 为相j 和相i 的温度 面积 h i j 为对流换热系数 针对不同体系采用的计算方法 7 3 概括予表3 表3 不同体系间对流换热量系数的估算方法 3 j 为相j 和相i 间的接触 体系 估算方法 气一固 气一液 气一粉 固一液 固一粉 液一粉 R a n z 方程 经A k i y a m a 修正 M a c k e y W a r n e r 关系式 R a n z M a r s h a l l 方程 E c k e r t D r a k e 方程 E m u l s i o n 模型 未考虑 2 3 模型求解 模型计算时同时求解所有的方程 首先 在计算区域内利用B F C 法m 3 进行网格化 如图3 所示 相对 于传统的直角正交坐标体系 B F C 网格很好地解决了边界值设定问题 减少了边界溢出 从而加快了计算进 度 提高计算精度 随后 利用控制单元体法m 3 离散化所有方程 最后 采用S I M P L E 法m 1 和迭代矩阵法 求解所有离散的方程 墙 2 回旋 图3 高炉计算领域的B F C 网格化 模型对边界条件进行如下设定 4 1 没有物质穿过炉墙 边界 对于和炉墙平行的速度 在应用滑动条件的同时还考虑 了摩擦力对固体料速度的影响 炉墙外表面的温度参照实际值 设定 2 在风口处 速度 组成 温度和气粉相体积分数基于实际 操作条件而具体设定 对固相和液相 风口处设定等同于炉墙 处 3 在中心轴处 除了径向速度外所有变量的梯度为0 4 只 有液相可以流过渣面 而对于其它相 渣面视为炉墙 渣面温度 为渣面处铁水和熔渣温度的平均值 5 在料面处 固体炉料的成 分和温度基于操作条件而具体设定 而其它变量不存在梯度变 化 整个求解过程分成三个部分 包括 首先是输人原始数据 如操作参数 炉型构造数据 模型常数初始值等 并生成网格 接下来是高炉模型计算的核心部分 循环迭代计算因变量 炉内 各相物性和相间相互作用 最后输出结果并将结果保存用于后 期数据处理 根据计算结果可给出炉内工艺变量 温度 压力 速度 反应速度 体积分量以及相物质组成等 的多维分布和生 产指标 产量 利用系数 渣量 焦比 煤比 还原剂消耗总量以及 炉顶煤气利用率等 的变化 该模型的程序编写语言为F O R T R A N7 7 编译环境为V i s u a lF O R T R A N5 0 计算结果用T e c p l o t 软件进行可视化处理 得到变量的多维分布图 1 1 0 2 2 4 模型验证 利用某实际运行高炉的生产数据对多流体数学模型的有效性和计算的精确度进行了充分验证 表4 给 出了模型预测值和实际高炉操作参数之间的对比 主要项的预测误差低于5 图4 给出了模型预测的炉 内二维温度分布与实际测量值 由于炉内测温元件的限制 1 2 0 0 C 以上温度区域未能给出 可以看出 模型 基本预测了炉内温度分布走向 模拟值与测量值显示了良好的一致性 图5 给出了模型计算和实际测量的 炉顶煤气温度值对比 除了靠近中心轴线区域之外 在其他处模型计算值与实际测量值基本吻合 应该说 多流体模型合理地描述了炉内现象和准确预测了操作指标 表4 高炉模型预测值和实际操作参数之间的对比 3高炉数学模型的展望 a 实测值b 计算值 图4 实测和模型计算的炉内温度分布 单位 o C 图6 指出了高炉数学模型未来的发展方向 核心是提高数学模型的实用性和精确度 首先是扩展和丰富目前的建模体系 思想和方法 为此 一些尚未解决的现象应在新的模型中加以考 虑 包括 1 粉相和液相静态滞留和动态滞留的区分 以及两种滞留之间物质传输机制和速率 2 炉内固体物 料粉化而导致的粉相产生机制及速率 3 脉石混合物在炉内的熔融现象和速率 4 铁水中微量元素的扩散机 制和基于速度论的描述 5 液相和粉相之间的相互双向作用机制 6 生铁渗碳的机理和速率 7 死料柱更新 的机理和速率 第二个应获得发展的新方向是运用粒子追踪法和随机过程理论来模拟炉内某些现象 这主要是由于实 际操作中出现的炉况失常现象 如管道 悬料 滑料及风压波动等都认定是由不连续性和随机现象引起的 最后 应针对特定对象和现场应用目标来简化模型 除了改进数学模型本身之外 更为重要的是改善人 0 3 l 一P C R 1 0 0k g t h n l 一 一r 一 I 太 7 入 炉顶径向位置 m a 喷煤比1 0 0k g t h m o 已 创 囊 扩 攀 i 曼 一 专 0 l P C R 2 0 0 k g t h m 一 厂 一 夕 J 一I 二 一 炉顶径向位置 m b 喷煤比2 0 0k g t h m 图5 实测和模型计算的炉顶煤气温度之间的对比 实测值 一 模型计算值 机操作界面 促进和扩大数学模型在高炉实际生产中的应用 过去目前将来 4结论 1 维一多维 稳态一非稳态 增加对复杂现象的描述 如混合 控制速率 多相流等 未解决现象的公式化描述 模型中考虑更多的复杂现象 如 死料柱更新 渗碳 液相和粉相 间的相互作用等 臻爨坌室翼寸 二三三二 兰三三二j 嫩鋈篓痣 彰箍 蠢赢纛 粒子跟踪法 随机过程理论 对炉内现象更合理的新描述 图6 高炉数学模型的未来发展方向 1 高炉动力学数学模型建立在反应动力学和传输现象理论基础之上 是详细分析炉内状态和精确预测 高炉操作性能的有效工具 其发展经历了由一维到多维 稳态到非稳态 考虑的现象由简单到复杂的过程 2 基于多流体理论的多流体高炉模型为全高炉动力学模型研究的最新成果之一 是一个复杂全面的高 炉过程模拟仿真系统 可详尽模拟高炉内的主要现象 并能精确地预测高炉的操作指标 模型预测值与实际 测量值显示了良好的一致性 3 高炉数学模型的未来发展应扩展和丰富目前的建模体系 思想和方法 采用新理论 针对特定对象和 实际应用目标而简化模型 从而提高数学模型的实用性和精确度 参考文献 1 1 毕学工 高炉过程数学模型及计算机控制 M 北京 冶金工业出版社 1 9 9 6 1 9 8 2 5 0 B i X M a t h e m a t i c a lm o d e la n da u t o m a t i cc o n t r o lo fb l a s tf u r n a c ep r o c e s s M B e i j i n g M e t a l l u r g i cI n d u s t r yP r e s s 1 9 9 6 1 9 8 1 1 0 4 咖卿湖咖鲫湖枷姗枷啪 一oo 赵廷F囊臀曼 一2 5 0 2 O m o r iK B l a s tF u r n a c eP h e n o m e n aa n dM o d e l l i n g M L o n d o n E l s e v i e rA p p l i e dS c i e n c e 1 9 8 7 9 7 2 9 6 3 Y a g iJ M a t h e m a t i c a lM o d e l i n go ft h eF l o wo fF o u rF l u i d si naP a c k e dB e d J I S t dI n t e r n a t i o n a l 1 9 9 3 3 3 6 6 1 9 6 3 9 4 A u s t i nPR N o g a m iH Y a g iJ AM a t h e m a t i c a lM o d e lf o rB l a s tF u r n a c eR e a c t i o nA n a l y s i sB a s e do nt h eF o u rF l u i dM o d e l J I S t lI n t e r n a t i o n a l 1 9 9 7 3 7 8 7 4 8 7 5 5 5 C a s t r oJA N o g a m iH Y a g iJ T r a n s i e n tM a t h e m a t i c a lM o d e lo fB l a s tF u r n a c eB a s eO nM u l t i f l u i dC o n c e p t w i t hA p p l i c a t i o nt OH i g hP C IO p e r a t i o n J I S UI n t e r n a t i o n a l 2 0 0 0 4 0 7 6 3 7 6 4 6 6 S u n g g i n gP N o g a m iH Y a g iJ N u m e r i c a lA n a l y s i so fS t a t i cH o l d u po fF i n eP a r t i c l e si nB l a s tF u r n a c e J I S I JI n t e r n a t i o n a l 2 0 0 4 4 2 2 3 0 4 3 0 9 7 C h uM S t u d yo nS u p e rH i g hE f f i c i e n c yO p e r a t i o n so fB l a s tF u r n a c eB a s e do nM u l t i f l u i dM o d e l D S e n d a l T o h o k uU n i v e r s i t y J a p a n 2 0 0 4 8 C h uM N o g a m iH Y a g iJ N u m e r i c a lA n a l y s i so nI n j e c t i o no fH y d r o g e nB e a r i n gM a t e r i a l si n t oB l a s tF u r n a c e J I S I II n t e r n a t i o n a l 2 0 0 4 4 4 3 8 0 1 8 0 8 9 C h uM N o g a m iH Y a g iJ N u m e r i c a lA n a l y s i so nC h a r g i n gC a r b o nC o m p o s i t eA g g l o m e r a t e si n t oB l a s tF u r n a c e J I S U I n t e r n a t i o n a l 2 0 0 4 4 4 5 5 i 0 5 1 7 1 0 C h uM N o g a m iH Y a g iJ N u m e r i c a lA n a l y s i so nB l a s tF u r n a c eP e r f o r m a n c eu n d e rO p e r a t i o nw i t hT o pG a sR e c y c l i n g a n dC a r b o nC o m p o s i t eA g g l o m e r a t e sC h a r g i n g J I S UI n t e r n a t i o n a l 2 0 0 4 4 4 1 2 2 1 5 9 2 1 6 7 1 1 1 T h o m p s o nJF W a r s iZU M a s t i nCW N u m e r i c a lG r i dG e n e r a t i o n M N e wY o r k N o r t hH o l l a n d 1 9 8 5 1 2 P a t a n k a rS N u m e r i c a lH e a tT r a n s f e ra n dF l u i dF l o w M N e wY o r k M c G R A W H i l l 1 9 8 0 上接第1 0 9 4 页 以上考虑之外 还由于它具有以下优点 支持P R O F I B U S D P 通讯协议 具有防水 防尘 抗震动的特性 可以直接安装于工业设备上 具有较高的性能价格比 系统综合成本减少 自动诊断和抗干扰能力强的特点 便于组态 编程的工作量降低 系统改造后近一年的实践证明 T U R C K 现场总线应用于I n d u s t r a l I T 控制系统后 系统具有良好的稳 定性 采集的信号准确可靠 质量高 满足高炉的生产需要 而且 通讯线长度为1 8 0 米 现场通讯线由改造 前的3 1 条变成了改造后的l 条 直接节约资金1 0 8 9 0 0 元 现场线路也变得整齐和便于维护 因此 两者的 衔接应用是很成功的 5自动化系统改造后的运行情况 通过近一年时间的运行观察 A C 8 0 0 F 硬件采集的各类模拟信号数据准确 误差小 而且信号质量好 故障率较 低 为高炉生产及时了解高炉各部位运行情况提供了可靠依据 改造后的自动化控制系统给高炉生产带来了一系列的经济效益 比如高炉顶压调节 高炉顶压波动范围由改 造前1 5K P a 缩小为改造后的6K P a 改造前后顶压波动范围缩小了9 K P a 可使顶压平均水平至少提高2K P a 目前1 竹a 4 高炉顶压平均水平为6 0 一7 0K P a 根据炼铁工艺计算 在 9 8K P a 的情况下 炉顶压力提高1 0 K P a 焦比 降低0 4 产量提高2 依此计算 每年可节约焦炭2 1 8 吨 增产2 6 7 3 吨 经济效益4 8 8 9 万元 6结语 I n d u s t r a l l T 控制系统在国内应用于高炉自动控制已属多例 但是I n d u s t r a l l T 系统挂接T U R C K 图尔 克 现场总线的事例并不多见 这次改造的成功实现为这一方向提供了较好的范例 1 菩高炉自动化系统改造的成功实现为高炉生产节约了大量的资源和能耗 并为今后的维护以及其它系 统的开发 改造储备了人力资源 同时 也让我们认识到培养和锻炼自动化技术人员能力的重要性 我们将 不断总结经验 为提高宣钢的自动化控制技术水平而努力 1 1 0 5 高炉炼铁过程的数学模拟高炉炼铁过程的数学模拟 作者 储满生 胡涛 李子林 沈峰满 作者单位 储满生 沈峰满 东北大学钢铁冶金研究所 辽宁沈阳 110004 胡涛 李子林 安阳钢铁集团 公司技术中心 河南安阳 455004 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 黄典冰 杨天钧 孔令坛 HUANG Dianbing YANG Tianjun KONG Lingtan 炼铁过程操作线图 金属学报 2000 36 2 根据炼铁技术最新发展 提出了综合各种炼铁过程 如高炉 非高炉以及各种熔融还原工艺 的热平衡新的表示方法 在此基础上 以RIST操作线为基本 思路 建立了新的炼铁过程操作线图 IPD ironmaking process diagram 这一新线图可以直观并形象地分析各种炼铁过程的物质转移过程和能耗 有助于 冶金工作者分析和选择各种炼铁过程 2 学位论文 翟锋 自动化炼铁技术的应用与研究 2007 近年来 钢铁行业发展突飞猛进 国际钢材市场对国内钢材市场的冲击很大 为适应未来发展 和世界先进技术接轨 鞍钢一直在加大技术改造力 度 生产能力和设备控制能力不断提高 生产规模逐渐扩大 自动化炼铁项目是鞍钢振兴和腾飞的关键项目之一 有着深远的意义 高炉自动化炼铁技术的成功应用从控制角度来说包含四个关键因素 精准的模型 精确的数据采集 人工智能信息处理和关键工艺设备的自动控制 本文的主要任务是通过对炼铁生产系统的深入研究 以提高铁水质量 提高热风炉热效率 实现水渣最佳配水量 达到降低生产成本的目的 采用先 进的自动控制技术 达到对过程变量的实时检测 工艺流程的实时监控 过程参数的实时控制 首先文章阐述了国内外自动化炼铁过程控制的发展情况 简要介绍了自动化炼铁过程的工艺流程 论述了美国Honeywell公司PKS自动化炼铁过程控 制系统的总体结构及在鞍钢炼铁总厂的实际应用 然后详细介绍了模糊控制基本原理 研究了高炉炼铁数学模型 提出了基于模糊控制的高炉炼铁智能控制方法 并将其应用到热风炉 冲渣水泵动 态控制中 实现了热风炉温度管理 最佳冲渣配水 稳定了自动化炼铁过程 经过一年多的实际运行 结果表明 上述方法能够满足自动化炼铁过程控制的要求 表明本文设计的模糊控制系统是可行的 3 会议论文 郜传厚 渐令 陈积明 孙优贤 复杂高炉炼铁过程的数据驱动建模及预测算法 2008 高炉炼铁过程的控制意味着控制高炉铁水温度及成份在指定的范围 本文以高炉炉内热状态的重要指示剂一高炉铁水硅含量为研究对象 针对机理建 模难以准确预测 控制高炉铁水硅含量的发展变化 利用数据驱动建模的思想 建立了基于多元时间序列的商炉铁水硅含量数据驱动预测模型 实例分析表 明 建立的数据驱动预测模型能够很好地预测高炉铁水硅含量 连续预测167炉高炉铁水硅含量 命中率高达83 23 预测均方根误差为0 07260 这些指标 均优于基于单一硅时间序列所建立的数据驱动模型 对实际生产具有很好的指导作用 4 期刊论文 吴铿 王颖生 杨尚宝 孙国军 魏欣 国外和首钢炼铁过程环保现状及改进 钢铁2004 39 2 介绍了德国钢铁协会对高炉过程环保现状系统评估的结果和日本新日铁采用主废气循环改造烧结过程的应用 通过对首钢高炉和烧结过程环保现状的 系统分析认为 高炉过程已基本达到较高的环保水平 建议在厂内的烧结过程采用主废气循环技术 在中西部地区建立焦炭生产基地和大力提高厂内焦炉的 环保水平 尽快开发城市废弃物高温处理技术 5 学位论文 郑俊华 基于支持向量机的高炉炉温预报的研究 2007 高炉冶炼过程是一个高度复杂的过程 其运行机制往往具有非线性 时滞 高维 强噪声 分布参数等特性 自动化科学与技术 自然科学学科 发展战略调研报告 中指出 高炉复杂系统的建模和控制是当今冶金自动化科技发展的前沿课题 同时也是高炉生产过程自动化系统的关键和难点问题 高炉炉温预测模型是炼铁过程自动控制的核心数学模型之一 提高炉温预测精度是模型开发的关键难题 本文主要利用支持向量机技术建立高炉铁水 硅含量的预报模型 本文的主要工作有以下一些 1 通过阅读大量的中外文献 了解高炉炼铁过程的工艺特点 分析高炉过程中与铁水硅含量关系密切各个相关变量与铁水硅含量的的相关性 时滞 性 同时对支持向量机 独立成分分析的基本理论知识 方法技术以及目前的研究领域的发展现状进行了综述 同时还对本文所采用的支持向量机算法 和独立成分分析算法进行了分析探讨 2 提出了一种基于改进的动态独立分量分析 ICA 和支持向量机 SVM 的高炉铁水硅含量预报檩型建模方法 采用动态ICA方法对样本数据进行特征 提取 消除生产工艺参数之间的相关性 在此基础上 使用目前计算复杂性较小的最小二乘SVM算法建立高炉铁水硅含量预报的动态递推模型 以某钢厂 高炉实际生产数据进行了应用实验 实验统计结果表明 本文方法显著提高了铁水硅含量的预测命中率 3 提出了一种基于增量型支持向量机的高炉铁水硅含量预报的在线建模方法 基于此方法的模型解决了高炉炼铁过程所具有的慢时变特性 根据历 史数据得到的铁水硅含量预报模型在现场运行一段时间后 往往会出现模型失效的问题 本文提出的方法可以有效增强模型适应的能力 使铁水硅含量 预报自动适应高炉工况的变化 仿真结果表明本文的方法在工况变化时能够有效的改善了铁水硅含量预报能力 6 会议论文 刘祥官 刘芳 蒋美华 梁新亚 刘元和 罗登武 王子金 吴晓峰 炼铁过程的信息网络化与炉温控制方程 2002 本文讨论了莱钢1号高炉应用 智能控制专家系统 中的信息网络化建设情况与建立炉温智能控制方面的价值 它对于进一步提高炉温的优化控制水 平 改善冶炼过程的技术经济指标 具有重要的应用价值 7 会议论文 刘祥官 刘芳 蒋美华 梁新亚 刘元和 吴晓峰 罗登武 王子金 炼铁过程的信息网络化与炉温智能控制 2002 本文论述莱钢1号高炉应用 智能控制专家系统 中的信息网络化及其作用 创新建立了 Si 控制的非线性偏微分方程及其神经网络算法应用于炉温 的预测控制 8 学位论文 李启会 高炉冶炼过程的模糊辨识 预测及控制 2005 高炉冶炼过程是一个高度复杂的过程 其运行机制往往具有非线性 大时滞 大噪声 分布参数等特征 同时 高炉本身是一个集传热与化学反应 耦合的开放体 在智能控制论范畴内解析高炉冶炼过程 并最终实现高炉冶炼过程的智能控制 是冶金科技发展的前沿课题 本文选取具有代表性的2座中型高炉 莱钢1号750m3高炉和临钢6号380m3高炉 为研究对象 论文前3章是在炼铁专家知识和模糊数学理论的基础上 从模糊数学角度详细分析了高炉冶炼过程的复杂性 并且由此得出结论 高炉冶炼过程不仅 存在着许多非常规问题 如 炉况预报 异常炉况诊断 高炉设备诊断等 而且在对其进行分析判断的过程 炉温 Si 辨识 预测及控制等 中存在着大 量的模糊信息 这些非常规问题和模糊信息无法用简单的方式作出确切的描述 而必须采用模糊数学中的隶属函数对其中的不确定知识进行量化处理 文中对许多变量建立了隶属函数 采用了多种形式的隶属函数方法 例如 利用3维隶属函数法确定了铁水温度及其可信系数间的相互关系 3维隶属函 数法有助于减少规则数目 利用非参数相似度法对 Si 进行模糊聚类分析 建立相应的模糊相似关系矩阵 并用模糊熵评价聚类效果 随着智能控制理论研究的不断深入 建立功能更强的异常炉况预报与诊断模型来改善和提高模型的预测准确度和诊断效果 成为新的期望目标 本 文第4章从炼铁工艺实际数据出发 深入分析了影响炉况的几个关键参数 按照这些参数的不同波动情况进行了定量的模糊分类 在此基础上 建立了异 常炉况模糊预报模型和异常炉况模糊诊断模型 这2个模型不仅可以对中间过程进行逻辑推理 而且能定量计算高炉异常炉况的符合程度以及发展趋势 模拟结果表明 异常炉况模糊预报和诊断模型具有较好的可操作性 高炉炼铁过程的炉温预测与控制的数学模型研究 既是炼铁自动化中的难题 也是实际炼铁生产中工长和厂长都十分关注的重要课题 炉温的准确 预报 将有助于工长提高操作水平 从而达到提高利用系数和降低焦比的目的 论文第5章结合莱钢1号高炉和临钢6号在线采集的生产数据 针对高炉冶 炼过程存在的时滞 应用广义函数分析法 计算了主要检测参数的时滞 基于模糊系统和神经网络的逼近特性 将模糊数学理论 随机系统理论以及神 经网络方法结合在一起 建立了一整套的高炉炉温 Si 的智能预报模型 并进行横向和纵向的对比研究 仿真结果表明 该套模型不仅能够很好的预测 炉温 Si 而且能指导高炉工长调控炉温 使之处于最佳状态 高炉冶炼过程控制是高炉主控室指挥下的多目标 多工序的复合控制 炉温控制是高炉冶炼过程控制的核心和基础 炉温控制 不同于传统意义 上的 温度控制 其区别在于 炉温控制 不仅与提供的能量有关 而且与物理化学反应过程 流体相态有关 论文第6章在逆系统理论的基础上 将喷煤量作为主控量 建立高炉炉温 Si 模糊预测控制模型和炉温 Si 的聚类模糊控制模型 在模糊控制论范畴内 探索高炉炉温 Si 控制规律 论文第7章从总体上阐述了解决高炉炼铁过程智能控制的新思路 建立高炉炼铁过程的系统优化模型 求解高炉冶炼过程在不同条件下的最佳控制 围绕炉温的最佳控制 建立铁水含硅量 Si 智能预报模型和智能控制偏微分方程 基于炼铁专家知识和数学理论 从智能控制高度建立在线自学习模 型 实现高炉炼铁过程智能自动化控制 由于高炉炼铁的复杂性以及采集设备的不完善 使得与之相关的信息不完备 造成高炉冶炼系统成为一个灰色系统 论文的研究工作 既包含模糊 数学理论 随机系统理论以及智能控制论 又涉及到冶炼工艺过程以及炼铁专家的知识 是一个典型的多学科交叉研究 是从数学理论和智能控制论角 度对实际生产工艺所关心的预测与控制问题所进行的有应用价值和应用前景的研究 当然 论文所建立的模型要真正应用到实际炼铁生产中去 还要结 合企业的实际作大量深入细致的工作 9 会议论文 程素森 陈义胜 杨为国 杨天钧 贺友多 炼铁过程传输现象数值模拟的初探 2000 应该肯定经济对钢铁业在历史发展上的重要性 但是随着钢铁生产规模的大型化和对钢铁质量要求日益提高的今天 象高炉 热风炉这类大型高温 高压密闭冶金反应器仅仅依赖经验了解钢铁冶炼过程的规律已经不在可能 传输理论 非线性科学及计算机技术的飞速发展 使得过去我们不能解决的 问题 正在得到解决 过去不能定量化的过程 现在正在被定量化 该文初步讨论了炼铁中的一