一种高炉料层结构径向分布的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冶金行业过程控制技术领域，特别涉及一种高炉料层结构径向分布的 控制方法。
【背景技术】
[0002] 高炉为一密封的高温高压容器，炉内的情况对于操作人员来说为一"黑盒子"，为 打开这个黑盒子，高炉操作者和研宄人员发明了一些料面检测设备来检测高炉布料后的料 面形状，然而这些设备只能检测布完料后的料面形状，无法检测到布矿过程中焦炭坍塌行 为，以及坍塌行为对料面径向分布的影响。另外人们还通过建立数学模型来预测焦炭和矿 石径向料层结构。但由于建模方法的原因，以及高炉实际操作比较复杂，对布料过程的影响 因素较多，模型的应用非常有限。
[0003] 美国专利US. 4466825,中国专利CN103131809A以及中国专利CN104133945A都采 用用两段直线组合来描述每个档位所布物料形成的形状，其中中国专利CN104133945A将 该模型与探尺的数据结合来控制实际高炉的布料。但两个直线段的组合易形成锯齿形料 面，不符合实际炉料的铺撒行为，另外都没有考虑到焦炭坍塌对料面结构的影响，更为重要 的是没有考虑实际高炉操作参数的变化导致的对料面堆积过程的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种高炉料层结构径向分布的控制方法，定量描述当前布 料条件下焦炭和矿石在高炉径向的层厚分布情况，显示理想矿焦比和当前矿焦比的分布， 明确调整的方向；使高炉操作人员能够根据目标矿焦比分布来进行布料矩阵的设计并用于 实际的布料操作。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种高炉料层结构径向分布的控制方法，包括建立高炉料层结构径向分布模型； 根据冷布料模型实验建立不同风量下焦炭和矿石的入射角与溜槽倾动角度的函数关系；建 立风量、矿批、焦批及料线对于焦炭坍塌量的函数关系；采集实际布料过程中料罐里焦炭和 矿石重量以及溜槽倾动角度的变化，得到焦炭和矿石在各个档位上实际布料的质量，根据 以上关系模型进行自修正；用探尺测得生产过程的焦炭和矿石层在测量位置的厚度，以此 来验证料层分布模型的准确性，并用理想矿焦比分布来重新设计布料矩阵直到计算的矿焦 比分布在合理范围，并以此进行布料操作。
[0007] 优选的，高炉料层结构径向分布模型的建模的步骤包括：
[0008] (1)给定操作条件，包括布料矩阵的设置和送风大小，料线以及炉顶布料系统尺 寸；然后将该模型计算分成四个部分：料罐底部到旋转溜槽，旋转溜槽上，炉喉空区，炉喉 料面。对各个部分的物理运动特性建立数学方程并进行求解，其中前面三个部分中把料流 假设成一个质点并以此建立物理方程，最后一部分中料流具有一定体积和宽度。
[0009] (2)求解颗粒落到溜槽上表面后沿溜槽方向的速度V(l。颗粒在料罐出口初速度 为0,并进行自由落体运动，落到溜槽表面后无动能损失，则落到溜槽表面沿溜槽方向的速 度：
【主权项】
1. 一种高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：包括建立高炉料层结构径向 分布模型；根据冷布料模型实验建立不同风量下焦炭和矿石的入射角与溜槽倾动角度的函 数关系；建立风量、矿批、焦批及料线对于焦炭坍塌量的函数关系；采集实际布料过程中料 罐里焦炭和矿石重量以及溜槽倾动角度的变化，得到焦炭和矿石在各个档位上实际布料的 质量，根据以上关系模型进行自修正；用探尺测得生产过程的焦炭和矿石层在测量位置的 厚度，以此来验证料层分布模型的准确性，并用理想矿焦比分布来重新设计布料矩阵直到 计算的矿焦比分布在合理范围，并以此进行布料操作。
2. 根据权利要求1所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：建模的步 骤包括： (1) 给定操作条件，包括布料矩阵的设置和送风大小，料线以及炉顶布料系统尺寸；然 后将该模型计算分成四个部分：料罐底部到旋转溜槽，旋转溜槽上，炉喉空区，炉喉料面，其 中前面三个部分中把料流假设成一个质点并以此建立物理方程，最后一部分中料流具有一 定体积和宽度； (2) 炉料从料罐底部运动到溜槽表面的速度：
其中h为料罐底部到溜槽上表面的垂直距离m，hf为料罐底部到溜槽悬挂点的垂直距 离m，e为溜槽悬挂点到溜槽底部垂直距离m，0为溜槽倾角，kf为修正系数，在0-1之间， 由实验确定； (3) 颗粒在溜槽末端的速度：
颗粒所在位置为（1^，z) ::^二Le ? sin 0，Zi=H-Le ? cos 0 -e/sin 0， 其中《为溜槽旋转速度rad/s，0为溜槽倾角，为颗粒在溜槽的有效行驶距离m，H为溜槽悬挂点到0料线的距离m，e为溜槽悬挂点到溜槽底部垂直距离m，y为摩擦系数在 0-1之间，由实验确定； (4) 颗粒在炉喉空区部分的空中运动轨迹： z=Ar2+Br+C， 其中z为竖直方向高度m，r为径向距离m，A，B，C都是关于0的表达式，根 据实际高炉开炉前测量的各档位料流轨迹来确定模型中焦炭和矿石在各个档位的修正系 数1^以及摩擦系数y的值； (5) 在炉喉料层部分，每一档位所布的料的料面方程： z=ar3+br2+cr+d， 其中，此一元三次方程在其与高炉中心线交点处的斜率定义为料面中心角Y，一元三 次方程的拐点处的斜率定义为料面堆角0，一元三次方程在其与运动轨迹方程处的斜率定 义为入射角a，a，0，y由实验测得； (6) 在炉喉料层部分，各个档位的焦炭都布完后，坍塌过后的焦炭形状：
其中，AL。：中心部位增加的焦炭厚度mm，EM:所布矿石的动能与势能之和1^11128^2，]^表 示所布矿石质量kg，表示所布矿石到达焦炭料面的速度m/s，1表示所布矿石在焦炭料 面的落点到中心部位焦炭料面的高度m，ni，112分别表示焦炭开始和结束坍塌时溜槽旋转的 圈数； (7)最终料面方程：对各个档位的焦炭和矿石布前和布后的方程进行体积积分，并和 给定体积比较，确定各个方程的系数a，b，c，d;布完矿石后，形成料面K'，比较初始料面 形状K和K'，若小于设定的误差〇 (〇. 0001-1)计算终止，若大于〇，将K'的值付给K 进行下一轮计算直到收敛。
3. 根据权利要求2所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：在炉喉料 层部分，每一档位所布的料的料面方程： z=ar3+br2+cr+d， 其中，此一元三次方程在其与高炉中心线交点处的斜率定义为料面中心角Y，一元三 次方程的拐点处的斜率定义为料面堆角0，一元三次方程在其与运动轨迹方程处的斜率定 义为入射角a，a，0，y由实验测得。
4. 根据权利要求2所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：在炉喉料 层部分，各个档位的焦炭都布完后，坍塌过后的焦炭形状：
其中，AL。：中心部位增加的焦炭厚度mm，EM:所布矿石的动能与势能之和1^11128^2，]^表 示所布矿石质量kg，表示所布矿石到达焦炭料面的速度m/s，1表示所布矿石在焦炭料 面的落点到中心部位焦炭料面的高度m，ni，112分别表示焦炭开始和结束坍塌时溜槽旋转的 圈数。
5. 根据权利要求2所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：对各个档 位的焦炭和矿石布前和布后的方程进行体积积分，并和给定体积比较，确定各个方程的系 数a，b，c，d;布完矿石后，形成料面K'，比较初始料面形状K和K'，若小于设定的误差 〇 (0.0001-1)计算终止，若大于〇，将K'的值付给K进行下一轮计算直到收敛。
6. 根据权利要求1所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：根据冷布 料模型实验建立不同风量下，焦炭和矿石的入射角与溜槽倾动角度的函数关系，根据高炉 当前的风量修正各个档位料面的堆角，实现炉料径向分布结构的自修正。
7. 根据权利要求1所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：根据冷布 料模型实验分别建立风量、矿批、焦批及料线对于焦炭坍塌量的函数关系，并根据高炉当前 的操作参数实现炉料径向分布结构的自修正。
8. 根据权利要求1所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：采集实际 布料过程中料罐里焦炭和矿石重量以及溜槽倾动角度的变化，得到焦炭和矿石在各个档位 上实际布料的质量，反馈给料层结构模型，得到校正后的布料矩阵设置，并得到实际的料层 结构分布。
9.根据权利要求1所述的高炉料层结构径向分布的控制方法，其特征在于：比较当前 布料矩阵下矿焦比分布与理想矿焦比的径向分布，以及探尺得到的焦炭和矿石层在测量位 置的厚度与模型计算得到的厚度，如果在允许的误差范围外，可以调整布料矩阵设置到矿 焦比在合理范围，并按此矩阵进行布料操作。
【专利摘要】本发明公开了一种高炉料层结构径向分布的控制方法，包括建立径向料层结构分布模型，其中炉喉料层厚度部分使用一元三次方程描述料面铺撒后的形状，并将其数学特征与料面的物理特性相结合，同时建立了焦炭坍塌的模型。然后用实验方法测量得到不同送风参数下料面物理特性参数，并建立起不同布料和送风参数下坍塌的焦炭量的函数关系。将这些关系用在实际高炉操作条件变化时模型的自修正。模型根据当前实际布料过程中料罐重量和溜槽倾动角度的变化得到校正后的布料矩阵设置并进行自修正。可以根据理想矿焦比分布以及由探尺得到的料层厚度来调整布料矩阵的设置直到满意的矿焦比分布，并用于实际的布料操作。
【IPC分类】C21B5-00
【公开号】CN104694680
【申请号】CN201510119244
【发明人】赵华涛, 杜屏, 唐满发, 赵宝泉
【申请人】江苏省沙钢钢铁研究院有限公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月18日