一种高炉软熔带区域形状计算方法与流程

1.本发明属于高炉炼铁检测技术领域，具体涉及一种高炉软熔带区域形状计算方法。


背景技术：

2.高炉是一种复杂的化学反应器，生产过程中铁矿石被还原得到铁水。在炉身内部，由于炉料重力下降的压缩，和高温煤气逆流的加热和还原作用，铁矿石发生软化和熔化，而焦炭颗粒没有表现出可观察到的形变，发生这类现象的区域通常称为软熔带。气体与固体之间复杂的相互作用决定了软熔带的主要特征，例如其厚度和在高炉中的位置，这些特征对生产能力有着重要的影响。因此，描述软熔带现象的特征对于构建精确的高炉模型至关重要。由于通常无法中断高炉来通过纯粹的实验研究内部现象的细节，因此数值模拟成为了处理这些问题的实用工具。
3.目前比较常见的软熔带数值模拟方法，是对高炉在不同维度上划分微元体，根据质量传输和热量传输等原理建立各微元体的传热、传质平衡方程，然后根据高炉各类监测与生产数据确定边界条件，对各微元体的平衡方程进行迭代求解获得炉内温度场分布以确定软熔带的特征；而另一方面，还存在很多种根据炉身冷却壁温度、炉身静压或其他测量结果来判断或推测软熔带根部位置的高度的方法。前者一般只能反应软熔带在炉内分布厚度形状的特征，其得到的高度位置不具有太大参考意义，而后者能较为准确的获得软熔带根部位置高度，但无法反应软熔带顶部位置或其他形状特征信息。
4.因此，需要设计一种方法，以得到更加准确的软熔带形状位置特征。


技术实现要素：

5.因此，针对上述问题，本发明提出一种优化的高炉软熔带区域形状计算方法。
6.本发明采用如下技术方案实现：
7.本发明提出一种高炉软熔带区域形状计算方法，包括以下步骤：
8.s1，确定高炉软熔带根部位置参考高度；
9.s2，建立炉内温度场数值模拟模型；
10.s3，选取对软熔带特征有影响但不能计算或测量得到的参数作为优化参数，以步骤s1得到的根部位置参考高度为修正依据，采用非线性优化方法修正优化参数值；
11.s4，采用步骤s2中的数值模拟模型，以步骤s3中得到的修正后的优化参数值进行迭代计算，得到最终的软熔带形状特征。
12.其中，优选地，在步骤s1中，采用高炉冷却壁测温数据来计算软熔带根部位置的参考高度。
13.其中，优选地，在步骤s2中，将高炉以及填充在高炉内的炉料作为一个整体考虑，沿高炉径向将之划分为n个圆筒体，再将每个圆筒体沿轴向划分为m个环形微元体，根据数值传热学及热量物质平衡原理，分别建立高炉内煤气和炉料的传热、传质平衡方程，对各微
元从边界条件开始，迭代计算煤气和炉料的传热、传质平衡方程，得到炉内各圆筒体中各微元体的温度值，根据此温度场结果确认软熔带的区域。
14.其中，优选地，在步骤s2中，认为炉内炉料温度为1200～1400℃的区域为软熔带。
15.其中，优选地，所述边界条件包括各圆筒体的炉顶煤气温度分布、成分分布、炉料体积流量、煤气体积流量、炉顶压力、炉顶炉料密度和煤气密度，通过采集高炉的监测及生产数据计算得到。
16.其中，优选地，在步骤s3中，提取最外圈的圆筒体单独作为一个计算模型f(v)，忽视该圆筒体与相邻圆筒体的相互影响，采集高炉的监测及生产数据确定该圆筒体的边界条件，认为模型对圆筒体中各微元的平衡方程进行自上向下的迭代计算，求解出各微元体的煤气和炉料温度分布，根据具体温度界限确定计算，得到软熔带根部位置计算高度。
17.其中，优选地，在步骤s3中，选择最接近1300
°
温度值的微元体高度为根部位置计算高度。
18.其中，优选地，在步骤s3中，采用非线性优化算法对优化参数进行优化，以使得数值模型f(v)计算得到的软熔带根部位置计算高度与步骤s1中确定的根部位置参考高度的误差最小，从而得到修正后的优化参数值。
19.其中，优选地，所述对软熔带特征有影响但不能计算或测量得到的参数包括炉顶炉料温度边界值、软熔带矿石粒度、滴落带矿石粒度、软熔带焦炭粒度、滴落带焦炭粒度、软熔带矿石料层空隙度、滴落带矿石料层空隙度、软熔带焦炭料层空隙度、滴落带焦炭料层空隙度、炉顶煤气温度平均值和煤气炉料对流传热系数。
20.本发明具有以下有益效果：通过本发明所提供的计算方法，确定软熔带根部位置参考高度后，将其作为高炉温度场数值模拟模型的参数修正依据，采用非线性优化方法对高炉内部无法测量或计算的参数进行修正，得到最优的经验参数取值，再采用此参数值通过温度场数值模拟模型计算得到炉内温度场分布，从而更为准确地确定软熔带区域形状特征。
附图说明
21.图1是实施例中作为具体实施对象的一种高炉的示意图；
22.图2是实施例中计算得到的高炉内温度场分布图，其中1200℃等温线为软熔带上边界，1400℃等温线为软熔带下边界。
具体实施方式
23.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，但不作为本发明保护范围的限制。
24.现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
25.参阅图1-2所示，作为本发明的优选实施例，提供一种高炉软熔带区域的计算方法，下面以一种有效容积为2500m3的高炉为实施对象进行具体说明，在生产过程中，铁矿石和焦炭作为炉料分层地填充在炉内，高炉的尺寸如图1所示，其主要参数中：炉喉直径d1为8.3m，炉腰直径d2为13m，炉腹直径d3为11.2m，炉身高度h1为16.6m，炉腰高度h2为1.8m，炉腹
高度h3为3.6m，炉身角ω1为81.9434
°
，炉腹角ω2为75.9638
°
。
26.本实施提供的高炉软熔带区域形状的计算方法包含如下步骤：
27.(1)确定软熔带根部位置的参考高度
28.本实施例中采用高炉冷却壁测温数据来计算软熔带根部位置的参考高度，具体的，采集该高炉第5～9层冷却壁测温点在一段时间内的数据(一般高炉炉壁上有多层冷却壁，此处选取风口平面高度以上的数层冷却壁测温点)，统计该时段内各温度测量值的波动(上升下降趋势发生改变)变化次数，然后找到最大变化次数的点位，将该点高度与相邻两点的高度根据变化次数做线性插值，计算得到软熔带根部位置参考高度hm＝19.142m。
29.在其他实施例中，也可以采用对高炉的其他参数的测量结果来计算软熔带根部位置的参考高度，如测量高炉的炉内静压。但本实施例采用测量炉身冷却壁温度来计算根部位置参考高度的方式的优点在于实施更为容易，通用性更强，一般的高炉上都会布置有冷却壁测温点。
30.(2)建立炉内温度场数值模拟模型
31.如图1，将高炉以及填充在高炉内的炉料作为一个整体考虑，沿高炉径向将之划分为n个圆筒体，再将每个圆筒体沿轴向划分为m个环形微元体，得到网格状微元划分。然后根据数值传热学及热量物质平衡原理，建立高炉内煤气和炉料的平衡方程如下。
32.对于炉料：
[0033][0034]
对于煤气：
[0035][0036]
上述各式的符号说明如下：
[0037]ks
，kg：分别为炉料和煤气的有效导热系数；
[0038]cs
，cg：分别为炉料和煤气的与质量流速以及比热容有关的系数；
[0039]
ts，tg：分别为炉料和煤气的温度；
[0040]
α：煤气和炉料间的对流传热有关系数；
[0041]rs
，rg：分别为炉料和煤气的与反应分子量及反应热有关的参数。
[0042]
接下来，采集高炉的监测及生产数据确定数值迭代计算的初始边界条件。包括各圆筒体的炉顶煤气温度分布、成分分布、炉料体积流量、煤气体积流量、炉顶压力及炉顶炉料密度和煤气密度。
[0043]
具体的，采集高炉最近一日的布料制度、十字测温、鼓风参数、炉顶煤气参数、物料消耗、产量与检化验等监测及生产数据，计算得到各圆筒体一日平均的炉料体积流量，并根据热平衡和物料平衡方程得到各圆筒炉顶煤气流量、成分、炉顶压力及炉顶炉料密度和煤气密度；采集最近一日十字测温平均测量值，采用akima插值法得到炉顶各圆筒煤气温度分布，并在后续采用优化的平均炉顶煤气温度值对整个温度分布进行修正。
[0044]
此数值模拟模型的主要计算方法为对各微元从边界条件开始，对微分方程采用向后差商的有限差分法近似计算，其中一阶偏导近似为向后一步差商，而二阶偏导近似为向后两步差商。采用亚松驰迭代法，计算各微元体的煤气和炉料的温度值，根据此温度场结
果，认为炉内炉料温度为1200～1400℃的区域为软熔带，即确认软熔带的区域和状态特征。
[0045]
(3)根据根部位置参考高度修正优化参数
[0046]
选取对软熔带特征影响较大但不能计算或测量得到的参数，包括炉顶炉料温度边界值v1、软熔带矿石粒度v2、滴落带矿石粒度v3、软熔带焦炭粒度v4、滴落带焦炭粒度v5、软熔带矿石料层空隙度v6、滴落带矿石料层空隙度v7、软熔带焦炭料层空隙度v8、滴落带焦炭料层空隙度v9、炉顶煤气温度平均值v
10
、煤气炉料对流传热系数v
11
，作为待修正的优化参数v＝(v1,v2,
…
,v
11
)。
[0047]
提取最外圈(离高炉轴心最远)圆筒体单独作为一个计算模型f(v)，忽视该圆筒体与相邻圆筒体的相互影响，根据采集数据确定该圆筒体的边界条件。本实施例只采用最外圈圆筒体单独作为一个计算模型，能够有效减少计算量。
[0048]
计算模型f(v)＝hc：给定边界条件，带入优化参数v，迭代求解该单圆筒体中每一微元体的平衡方程，得到一组温度点结果，令hc为离1300℃最近的温度点位置所在高度。
[0049]
根据经验取值设定参数初值v
(0)
＝(v
1(0)
,v
2(0)
,...,v
11(0)
)，令代价函数此函数反映了数值模型f(v)计算得到的软熔带根部位置计算高度hc与第(1)步确定的根部位置参考高度hm的误差。
[0050]
建立优化问题如下：
[0051]
minc(v)
[0052]
s.t.av-b≤0
[0053]
其中不等式表示对优化参数v各项进行一定数值范围的约束。
[0054]
以v
(0)
为初始点，收敛精度为0.001，采用序列二次规划算法对优化参数v进行优化。以数值模型f(v)计算得到的软熔带根部位置计算高度hc与第(1)步确定的根部位置参考高度hm的误差最小为条件，计算得到一组最优参数v*。
[0055]
(4)计算最终软熔带区域形状特征
[0056]
得到最优的优化参数v*后，带入至第二步所建立好的温度场数值模拟模型，根据所采集的高炉数据确定边界条件后，对炉内各微元根据微分方程采用亚松驰法进行迭代计算，得到炉内温度场分布，确定最终的软熔带区域形状特征，如图2。其中1200℃等温线为软熔带上边界，1400℃等温线为软熔带下边界，图2中一些特征点高度为：
[0057]
特征点单位m软熔带顶部下界的高度位置h
d1
23.863软熔带顶部上界的高度位置h
d2
25.407软熔带根部下界的高度位置h
g1
18.184软熔带根部上界的高度位置h
g2
20.114
[0058]
从而，通过本实施例计算方法，确定软熔带根部位置参考高度后，将其作为高炉温度场数值模拟模型的参数修正依据，采用非线性优化方法对高炉内部无法测量或计算的参数进行修正，得到最优的经验参数取值，再采用此参数值通过温度场数值模拟模型计算得到炉内温度场分布，即可更为准确地确定软熔带区域形状特征。
[0059]
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发
明做出的各种变化，均落入本发明的保护范围。