一种高炉炉料分布实时预报系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高炉炉料分布数字模拟技术领域，特别涉及一种高炉炉料分布实时预 报系统及方法。
【背景技术】
[0002] 高炉冶炼是一个连续的生产过程，全过程是炉料自上而下，煤气自下而上的相互 接触过程中完成的。炉料从炉顶装入炉内，从风口鼓入由热风炉加热到1000?1300°c的热 风，炉料中焦炭在风口前与鼓风中的氧发生燃烧反应，产生高温还原气体，在炉内上升过程 中加热缓慢下降的炉料，并还原铁矿石中的铁氧化物为金属铁。矿石升到一定温度后软化， 熔融滴落，矿石中未被还原的物质形成熔渣，实现渣铁分离。已熔化的渣铁聚集在炉缸内， 发生诸多反应，最后调整铁的成分和温度达到终点，定期从炉内排放炉渣和生铁。
[0003] 高炉生产过程特点有：
[0004] 1)过程的复杂性。高炉是目前为止最复杂的一种冶金反应器，发生在高炉内部，特 别是高炉下部的各种物理化学现象，至今还没有得到完全和充分的认识。
[0005] 2)检测信息不完全。具体表现在检测点少，且多局限于过程的边界（炉顶、渣铁、 风口、炉身静压力等），高炉整个冶炼过程的炉内反应和变化无法直接观察，检测手段和方 法受到一定的限制。
[0006] 3)生产过程大滞后，被控过程的响应速度缓慢。
[0007] 4)可控范围狭窄。这有两方面的含义，一是因为铁水质量必须满足炼钢等用户的 严格要求，使得高炉的各种控制参数的可调范围相对比较小；二是炉况必须早调、小调，才 不至于发生过大的波动，否则炉况将会急剧恶化导致失控。
[0008] 高炉的这些特点，使得高炉的过程控制，特别是实时在线控制成为一项特别复杂 的工作。虽然生产人员已经在自动化过程控制方面积累了相当多的经验，也取得了一定的 成效，但是由于炼铁工艺的要求越来越精细，使得如何进行科学布料成为生产过程中重要 的关键技术问题。
[0009] 研究高炉布料分布规律，并建立相应的高炉布料数学模型，对于企业可以增加产 量、节能、降低燃料消耗、提高煤气利用率、提高生铁质量、降低生铁成本、延长一代炉龄寿 命等；对于社会可以减少C02的排放量从而减少对环境的影响；必将产生巨大的经济效益 和社会效益。
[0010] 目前高炉配有专家系统，具有炉料控制、出铁管理等功能，但还没有炉料的料层实 时分布状况进行预报模型，无法得到准确的矿焦分布，无法判断炉料下降、煤气气流分布及 料层塌落等因素对料层分布的影响，因此，开发炉料分布模型，对维护高炉炉型、提高高炉 合理布料、降低燃料比，都是非常必要的。关于炉料分布模型已有许多，模拟手段多采用几 何方法，大都只针对炉喉区域半边料层进行模拟，对于整个炉体区域料层实时分布状况研 究的很少，不能满足现场复杂炉料分布情况的数值模拟要求。北京首钢自动化提出的一种 基于智能算法的高炉布料数值模拟方法（申请号=201210055516.9)提给出了炉喉区料层 分布的数值模拟问题，该方法在计算中采用的三段法料面形状，该方法在远离炉喉区的位 置与实际的偏差较大，而且对于某些炉况特殊时期的加料方法形成的料层形状的计算存在 不足；北京科技大学的程树森提出了基于光学栅格的三维料面显示（无钟高炉布料测试新 技术及料面三维图像重建）无法给出由炉喉至炉体上部的其他多层料面的形状。
【发明内容】
[0011] 针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高炉炉料分布实时预报系统及方法。
[0012] 本发明的技术方案是：
[0013] 一种高炉炉料分布实时预报系统，包括采集数据器、数据处理器、初始料面设定 器、同档位下新料面检测器、多档位下新料面检测器、料面下降模块、料面分布信息生成器 和布料控制器；
[0014] 采集数据器：获取当前高炉生产过程工艺数据，包括炉料重量及化验数据、料线信 息、料流阀开度信息、高炉本体数据和布料矩阵；
[0015] 炉料重量及化验数据包括：原料种类、原料体积、原料粒度、原料自然堆角和原料 堆比重；
[0016] 料线信息包括：探尺下降速度、矿石料线位置和焦炭料线位置；
[0017] 料流阀开度信息包括：矿石料流阀开度和焦炭料流阀开度；
[0018] 高炉本体数据包括：溜槽固定点位置标高、中心喉管长度、炉喉平台位置标高、炉 喉半径、炉身角、Y形管与水平方向的夹角、Y形管斜面长度、探尺零点位置标高、探尺距炉 中心距离、溜槽长度、溜槽有效长度、溜槽倾动距、溜槽旋转速度、溜槽摩擦系数和十字测温 点水平坐标；
[0019] 布料矩阵：布料档位和布料圈数，布料档位即溜槽与水平方向的倾角；
[0020] 数据处理器：处理高炉生产过程工艺数据中的炉料重量及化验数据，包括缺失数 据补齐和奇异数据校正；
[0021] 初始料面设定器：采用N条线段组合而成的分段函数设定初始料面；
[0022] 同档位下新料面检测器：根据获取的当前高炉生产过程工艺数据，构造相同布料 档位下的新料面；
[0023] 多档位下新料面检测器：形成多档位下新料面，即在不同布料档位下构造相同布 料档位下的新料面，形成多档位下新料面，其中在进行档位间切换时溜槽倾角每增加1°， 两档位之间的过渡圈内包含Q圈炉料体积，该过渡圈内的体积占用下一档位体积总值；
[0024] 料面下降模块：构造下降料面，即当炉料在炉喉区域时，垂直向下运动，运动距离 等于炉料平移量；当炉料在炉身区域时，炉料沿炉身角方向运动，水平运动距离等于平移量 水平分量，垂直运动距离等于平移量垂直分量；
[0025] 料面分布信息生成器：计算料层分布信息并绘制料层分布图像，从而进行高炉炉 料分布实时预报，料层分布信息包括径向矿焦比和料面特征信息；
[0026] 布料控制器：根据高炉炉料分布实时预报的料层分布信息指导生产操作。
[0027] -种高炉炉料分布实时预报方法，包括以下步骤：
[0028] 步骤1 :获取当前高炉生产过程工艺数据，包括炉料重量及化验数据、料线信息、 料流阀开度信息、高炉本体数据和布料矩阵；
[0029] 炉料重量及化验数据包括：原料种类、原料体积、原料粒度、原料自然堆角和原料 堆比重；
[0030] 料线信息包括：探尺下降速度、矿石料线位置和焦炭料线位置；
[0031] 料流阀开度信息包括：矿石料流阀开度和焦炭料流阀开度；
[0032] 高炉本体数据包括：溜槽固定点位置标高、中心喉管长度、炉喉平台位置标高、炉 喉半径、炉身角、Y形管与水平方向的夹角、Y形管斜面长度、探尺零点位置标高、探尺距炉 中心距离、溜槽长度、溜槽有效长度、溜槽倾动距、溜槽旋转速度、溜槽摩擦系数和十字测温 点水平坐标；
[0033] 布料矩阵：布料档位和布料圈数，布料档位即溜槽与水平方向的倾角；
[0034] 步骤2:处理高炉生产过程工艺数据中的炉料重量及化验数据，包括缺失数据补 齐和奇异数据校正；
[0035] 缺失数据补齐采用均值的方法：计算前M次布料时该数据的平均值，并作为当前 该数据值。
[0036] 奇异数据校正采用上下界限定的方法：根据每项数据的物理特性和工艺要求，给 定一个上界和下界，如果当前数据超出该项数据的上界与下界之间的范围，则采用前次布 料时该数据的值进行校正。
[0037] 步骤3:采用N条线段组合而成的分段函数设定初始料面；
[0038] 步骤4:构造相同布料档位下的新料面；
[0039] 步骤4. 1 :根据料流阀开度信息和原料粒度，构造炉料出料罐运动速度检测模型；
[0040] 步骤4. 2 :根据炉料出料罐运动速度、Y形管与水平方向的夹角、Y形管斜面长度构 造炉料出Y形管运动速度检测模型；
[0041] 步骤4. 3 :根据炉料出Y形管运动速度、Y形管与水平方向的夹角、溜槽与水平方向 的倾角、中心喉管长度构造炉料落入溜槽时的运动速度检测模型；
[0042] 步骤4. 4:将料流作为质点，根据炉料落入溜槽时的运动速度、溜槽旋转速度、溜 槽与水平方向的倾角、溜槽有效长度、溜槽倾动距、构造炉料出溜槽运动速度检测模型；
[0043] 步骤4. 5:构造分料流