高炉控料控硅操作模型研发及应用

01研究背景高炉生产日常操作任务就是合理而准确地处理好具体技术装备、原燃料条件下炉料的下降和煤气流的上升这两大相对运动的传热和传质过程，通过取得均衡稳定的炉料下料速度而持续改善冶炼行程，并使高炉生产在足够炉缸热量、低而窄的w([Si])值区间内进行，得到合理的技术经济指标。高炉炼铁本质上是大通量的物质流、能量流和信息流的输入/输出流动过程，伴随高炉冶炼过程中物质流、能量流的迁移内容，就是庞大数据流技术处理的范畴。而日常高炉生产随着外部条件的变化和强化冶炼的进行，原燃料质量成分、炉型、高炉状态并非一成不变，且这种变化并非单因素、线性的变化，而是存在多个角度、层面并相互影响、相互关联的复杂变化。

炼铁工作者通过建立具体的机理模型实现炼铁的不同生产控制任务和目标，但对日常生产操作中原燃料条件与高炉操作冶炼参数、技术指标之间的复杂关系进行定量化、流程化并具有广泛实用性的研究及其实践应用还很少，对稳定冶炼行程和降低原燃料消耗的重要操控指标，即料速、生铁w([Si])难以实现精准控制。因此，有必要建立在具体原燃料及冶炼条件下，利用高炉日常主要操作调剂手段（富氧量、喷煤量）进行定量化、模块化精确操控炉料下料速度和铁水w([Si])值（渣铁成分）改善顺行程度和技术指标的有效方法，并获得与条件相适应的冶炼结果。基于冶炼基础理论，结合操作实践经验，利用计算机手段，在系统地掌握原燃料性能特点、高炉冶炼生产特点及各个冶炼参数对冶炼过程的影响，以及相关冶炼参数的匹配和过程控制关联关系基础上，进行“新的建模和操作控制技术研发”。是在现实条件下提升高炉操作技术精细化、标准化程度，提高冶炼过程控制水平，持续改善高炉冶炼技术指标的有益尝试。02研究方法以高炉进行强化冶炼的日常生产操作为研究对象。在全风、定风温和其他实时冶炼参数条件下，为系统的解决冶炼行程中出现的料速、炉温（铁水w([Si])）实际值与规定值发生偏移或需要进一步对其范围进行调整的实际问题，并满足高炉操作中定量化、模块化校核修正原燃料入炉量和以“调氧控料+煤调控温”手段为中心环节，实现“少调、即时”精确控制炉料下降速度，准确使高炉冶炼过程中的w([Si])及渣铁成分达到计划既定值的要求。这就要形成一个能够解决高炉日常冶炼时包括焦（丁）批量及小时煤量的校核确定-实时小时煤量-实时小时富氧量-适时料速及w([Si])值-全风定风温实时冶炼参数下理论料速-铁水预测预控w([Si])值及渣铁成分，冶炼周期及产量、燃料比指标预测控制、校核以及过程中各个直接（间接）冶炼参数的协调平衡等存在相互影响的各个要素相关联数据复杂关系的定量化、模块化处理模式。由此，从操作方法的系统性出发，基于高炉炼铁基础理论、全炉物料平衡和热平衡原理，建立包括上述一系列在高炉日常操作中对下料速度、高炉炉温（w([Si])值）有重大影响的参数因素的采集、界定评价、计算、调剂以及理论指标预测预控、校核功能的相互关联又相互独立的完整核心模块。包括：高炉原燃料入炉量和渣铁成分控制及校核模块、理论料速精确控制及指标校核模块、以及定量化、模块化精确控制铁水w([Si])及参数指标校核模块（图1~图3），精准实现其控制目标。图1

高炉原燃料及渣铁成分控制、校核流程示意图图2

高炉理论料速精确控制及指标校核流程示意图图3

高炉铁水w([Si])精确控制及参数、指标校核流程示意图利用上述各模块综合实现原燃料入炉量修正、料速及铁水w([Si])值控制及指标校核等目标的解决方案包括：基准配料及变料配料计算、入炉冶炼参数控制、输入富氧调整量精确控制高炉下料速度、输入喷吹煤粉调整量精确控制w([Si])、渣铁成分预控校核、指标校核分析等内容。具体为：在对入炉原燃料进行全面核料、修正及按照基准w([Si])量预测、校核渣铁成分基础上，对风量、富氧率、煤比、焦批等料速影响因素进行校正校核，再按照直接输入富氧调整量后对料速的影响幅度、料速范围的界定与料速控制要求，进行理论量化计算精确控制料速、料速控制达标校核、理论铁量及理论指标计算。过程中结合基础、规定、实际w([Si])三者之间偏差量-需要调整w([Si])量的计算，通过直接输入小时煤粉喷吹调整量进行煤量调整后对料速、w([Si])量及碱度的影响幅度计算及预控铁水w([Si])量达标校核，调整富氧量、小时喷吹煤量前后精确控制料速、铁水w([Si])值及渣铁成分。同时，进行入炉冶炼参数平衡以及指标的适时再校核、实际冶炼结果返回修正等步骤。03研究结果以高炉控料控硅操作模型在某大型高炉普通矿强化冶炼为例说明问题及表述共性：所用炉料结构包括烧结矿、高硅酸性氧化镁球团矿2种、低硅块矿；焦炭2种。

3.1基准配料计算、参数及指标校核

依据高炉常规用矿批、焦批，各种物料化学成分，确定原燃料成分对高炉料速及铁水w([Si])值的影响要素及稳定率要求为：∣熟料率波动值∣<1.0%、∣综合入炉品位波动值∣<0.20%、∣焦炭灰分波动值∣<0.10%∣、煤粉灰分波动值∣<0.10%。部分计算结果为：

1）输出基准条件下理论铁量、理论煤比、冶炼周期等。2）输出基准条件下各元素负荷及理论渣铁成分。以该高炉在相近原燃料及冶炼条件下得到的渣铁成分为基础数据回归出铁水w([Si])值与[Si]、[Ti]、[Mn]、[V]等主要元素还原率及其与脱硫率的拟合关系式（图4~8）。根据得到的拟合关系式，得到铁水基准w([Si])值下对应的还原率（表1）。

图4

硅含量与硅、钛、锰、钒还原率拟合关系表1根据w([Si])值与各元素还原率拟合关系式得到的基准w([Si])对应的还原率

3.2原燃料影响要素超规定的配料计算、参数及指标校核前述原燃料成分中任一影响要素超出波动规定范围，则需根据其变化幅度情况对基准操作参数作调整，重点是原燃料变化后基准小时煤量、焦批的确定。

1）条件变化后小时煤量、焦批的确定及冶炼周期、理论指标等的计算及输出。分别对2次变料情况依据基准矿批、焦丁批（干基）、w([Si])量、料速、风温不变、炉渣碱度在规定范围内对焦批、小时喷煤量、炉料配比及冶炼周期、理论燃料比等进行确定及再校核。计算顺序为：影响要素变化后的小时煤量(l2)的确定→批料理论铁量→理论煤比的计算→新的焦比(k2)及焦丁比(d2)→新焦批(C2)确定→条件变化批料理论燃料比、利用系数、冶炼周期、喷煤率等。输出计算结果。

2）按照原燃料影响要素变化调整炉料结构、焦批量、小时煤量后输出相应过程结果。

3.3富氧调整量的确定及精确控制实际料速

是否调整料速的界定原则是：全风定风温条件下，连续两小时∣规定与实际料速差∣<0.5批/h或是单个小时∣规定与实际料速差∣<1.0批/h，以及连续两小时内∣规定合计料速与实际料速差∣≤1.0批。否则，需进行“调氧控料速”。

1）需要采集的参数。包括计算得到的间接冶炼参数及燃料参数。

2）输入富氧调整量的确定及精确控制实际料速。富氧调整量的确定步骤为：原富氧量→输入富氧调整量→新富氧量→调氧、校正风量后的富氧率→调氧后理论料速→调氧效果判定。其中：涉及到校正风量Vj、校正风量后的吨煤耗风量Vm及吨焦耗风量VC、校正风量后富氧率FO2及小时煤耗风量Vmh、调氧前后理论料速Lq（h）、校正风量和校正富氧率后的理论燃烧温度、鼓风动能、透气性指数、冶炼周期等概念及计算公式，以Vj为例：式中:

Vj为对表风量值进行校正后的风量，m3/min;

Js为当期所用焦炭的日消耗干基量，t;

JCs为当期所用焦炭的碳质量分数，%;

φC为焦炭在风口前的燃烧率，%;

Jds为当期所用焦丁的日消耗干基量，t;

JdCs为当期所用焦丁的碳质量分数，%;φJDC为焦丁在风口前的燃烧率，%;

Ms为当期所用喷吹煤粉的日消耗干基量，t;

MCs为当期所用煤粉的碳质量分数，%;

φMC为喷吹煤粉在风口前的燃烧率，%;

fH2O为大气湿度，g/m3

;

fO2为表风量计算的富氧率，%。

3.4小时煤粉调整量的确定及精确控制铁水实际w([Si])

是否调整小时煤粉调整量的界定原则是：在全风定风温、当时富氧量条件下，实际与规定基准料速差<1.0批/h时，在第1组和第2组炉料影响要素变化条件下采用规定与实际w([Si])的偏差值大小决定是否对高炉铁水w([Si])值进行调控进行界定：单炉铁次中∣规定w([Si])-实际w([Si])∣≤0.05个百分点，反之，则需进行“输入小时喷吹煤粉调整量精确控制w([Si])”。操作关键为输入适宜的小时喷吹调整量实现精确控制铁水w([Si])值至规定范围。

1）需要采集的参数。包括计算得到的间接冶炼参数及燃料参数经验值。

2）喷吹煤粉调整量的确定及精确控制铁水w([Si])量。按以下步骤输出计算结果：原喷吹煤粉量→输入小时喷吹煤粉调整量→新小时煤量→理论料速→煤粉调整量影响w([Si])量→调整煤粉量后预计w([Si])量→调煤效果判定。式中：w(Si)yxl为喷吹煤粉调整量理论计算的影响铁水w(Si)量，%，其符号由增减喷煤量而定，增加喷煤量为“+”号，反之为“－”号;

Mt为喷吹煤粉的输入调整量，kg/h，为任意输入100的整数倍值，但其值不大于原喷吹煤量的1/5;

Lss为根据实时的校正风量、校正风量后根据实时富氧量得到的富氧率等参数计算的实时理论料速，批/h，计算见文献［17］，区别为采用的小时煤耗风量为实时校正风量、富氧率计算而得;

Jp为每批焦炭干基量，kg/批;

Jdp为每批焦丁干基量，kg/批;

Mj为选定的基准煤比，kg/t;Fepl为每批矿石的理论出铁量，kg/t，为常规计算。式中:

w(Si)yj为喷吹煤粉调整后预计达到的铁水w(Si)量，%；w(Si)sj为调整喷吹煤粉量反应后出炉的实际铁水w(Si)量，%。

3.5输入喷吹煤粉精确控制w([Si])、渣铁成分及效果校核1）用得到的预控w([Si])值得到预控渣铁成分并校核。对3次调剂煤量反应周期后的3炉命中炉次预控的w([Si])yj值及得到的渣铁成分与实际出铁铁样渣样的常规方法取样分析结果进行对比校核（表2）。表2调煤预控w([Si])值（调剂时间命中炉）得到渣铁成分及校核

2）平均w([Si])及日理论指标校核。包括对本例平均计划、预控与实际w([Si])值，日理论与日实际煤比、焦比，日根据理论料速计算得到的理论产量与日实际产量进行比对校核。涉及的概念及表述包括：按照出铁时间时长和间隔、小时料速分别进行理论计算的理论产量tctl、txll；按照txll计算的理论燃料比Kxll等（表3）。式中：tctl为一个自然日内根据各个炉次出铁时间时长与终了间隔时间计算的累计理论铁量，t/d;timeblzl为本炉终了的日历作业时刻，h:min;

timeslzl为上一炉次炉终了的日历作业时刻，h:min;

Lss为根据实时富氧量、校正后风量计算的理论料速，批/h;

Op为矿石料批质量，kg/h;ΣTFe为综合入炉品位，%。表3本例平均理论值与实际值比对及校核04研究结论1）基于炼铁基础理论和高炉实际生产实践经验研发的高炉生产控料控硅操作模型，是在具体高炉原燃料、冶炼条件下精确而系统的取得均衡稳定的炉料下料速度及低而均匀的铁水w([Si])值、提升高炉冶炼行程稳定性、持续优化指标的关键。操作模型将高炉日常连续强化冶炼生产涉及到的原燃料成分、料速、富氧量、煤比及其他冶炼参数等庞大数据的实时采集、计算分析及其过程中的参数范围界定、调剂方法、综合效果与评价及不同原燃料条件下的渣铁成分、指标的预测预控及校核等进行全面统一的定量化、模块化处理，这对于一定程度稳定顺行状态下的高炉生产，具有重要的现实意义。2）实际应用过程中，操作模型能准确把握住高炉日常生产冶炼过程中控料控硅这两个最主实操内容的调剂原则、方向及调剂方法。依据“氧调控料、煤调控温”原理，得到了可操控性强的具有分模块计算功能的定量化、系统化、模块化操作优化作业流程，利于高炉在不同原燃料条件下更准确、更有效的使料速、铁水w([Si])及渣铁成分按照操作方针规定范围进行冶炼及对冶炼产品质量、指标的预测预控。3）应用实践表明，高炉生产控料控硅