CN102719658A - 一种配加生石灰烧结混合料的水份控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种配加生石灰烧结混合料的水份控制方法，以不同生石灰配比、活性度对混合料水份控制的影响因素，将烧结混合料水份目标值控制在7.5±0.5%，设定的烧结混合料水份目标值，即为制粒水份目标值和混合水份目标值，以烧结混合料水份目标值以及输入量、输入变量，得出烧结混合料加水的计算公式，即为制粒加水量公式和混合加水量公式，提供程序控制；计算公式需对混合和制粒加水量进行前馈控制，即加水量控制依椐目标加水量控制输出，加水流量计反馈值进行微调，然后根椐反馈的混合后水份值和制粒后水份值以目标水份值进行微调，有效减少了生石灰配比及活性度变化时烧结混合料水份的波动，有效提高了烧结机产量。

Description

一种配加生石灰烧结混合料的水份控制方法

技术领域

本发明涉及高炉冶炼原料生产的粉矿造块工艺中的烧结混合料的加水控制过程，描述了以生石灰作为熔剂，根据生石灰的不同配比和活性度，得到一种更精确的烧结混合料水份控制的系统方法，与烧结的产量与质量相关。

背景技术

烧结就是将铁精粉、富矿粉、冶金废料、焦粉、熔剂等按照一定的比例，配加一定量的水份，形成混合料，通过混合、制粒、点火、抽风等点燃混合料中的焦粉从而使混合料熔结，成为高炉冶炼的原料；其中以生石灰作为熔剂的配加，其配比的大小、活性度高低对混合料水份影响很大，而混合料中的水份直接影响到烧结的产量与质量，对此难题行业没有相应标准；即使采用水份自动控制的厂家，也是通过反馈水份值来对水份目标设定值进行调整；当生石灰配比或活性度发生较大改变时，就会出现反馈调整速度慢现象，即产生水份波动，为减少水份波动对生产过程的影响，手动操作就成为必然。相关的参考文献也披露了[1]黄小波，吕学伟，雷磊等.湿容量在烧结混合料制粒中的应用[J].烧结球团2010，(35)6：26～29；[2]冶飞.改善八钢烧结混合料制粒效果的实践[J].《烧结球团》，2010，34(5)：22～26；[3]韩金玉，孔祥新，马金邦等.锻烧冶金石灰活性度分析[J].《天津冶金》，2007，144(6)：9～12；[4]郝素菊，蒋武峰，方觉等.冶金用高生石灰活性度的测定[J].烧结球团2008，(33)1∶1～3等的相关研究报道。

本发明构思设计并实现的控水方法，找到烧结混合料中不同生石灰配比、活性度与混合料水份目标值的线性相关的关系，得出不同生石灰配比、活性度与混合料水份目标值的回归模型，应用于实际生产中，有效解决了当生石灰配比或活性度发生较大改变时混合料水份目标值的一次性跃迁问题；将生石灰消化吸水量因素引入混合加水计算模型，将此计算模型予以修正，有效解决了现场水份仪器显示与设定值不符的问题，使混合水份自动控制实现真正的前馈和反馈完全结合的回路控制，有效减少了生石灰配比及活性度变化时烧结混合料水份的波动，可真正实现程序自动控制，提高混合料水份控制的稳定性，有效提高了烧结机产量。

发明内容

本发明的目的在于：提供配加生石灰烧结混合料的水份的控制方法，找到生石灰活性度变化及配比变化对烧结混合料水份的影响规律，得出加水计算模型，实现了程序控制的目标。

本发明的目的是这样实现的：一种配加生石灰烧结混合料的水份控制方法，以不同生石灰配比、活性度对混合料水份控制的影响因素，得到烧结混合料中生石灰配比与混合料水份目标值的线性相关关系，将烧结混合料水份目标值控制在7.5±0.5％，设定的烧结混合料水份目标值，即为制粒水份目标值和混合水份目标值，以烧结混合料水份目标值以及输入量、输入变量，得出烧结混合料加水的计算公式，即为制粒加水量公式和混合加水量公式，提供程序控制；

制粒水份目标值＝5.026+29.219×石灰配比％，置信区间±0.3％；

式中5.026及29.219为常数；

其中式中：n＝0.00072ml^-1；v＝0.102923；

混合水份目标值＝制粒水份目标值-0.7；

式中0.7为制粒水份目标值与混合水份目标值的偏差常数；

其中式中：n＝0.00072ml^-1；u＝1.100132；

上述加水计算公式对制粒和混合加水量进行前馈控制，加水依椐制粒和混合目标加水量控制输出量，经流量计的反馈值进行微调，然后依椐反馈的制粒水份值和混合水份值对制粒、混合的水份目标值进行微调。

所述控制方法，混合料由铁精粉、富矿粉、冶金废料、焦粉、熔剂构成，经烧结成高炉冶炼的原料。

所述控制方法，该方法适应两段式烧结混合料自动加水控制系统，要求生石灰的成份、活性度相对稳定。

本发明构思首先从理论上推导，烧结混合料的水份主要来源有三：其一铁精粉、熔剂、燃料等带入的水称为初始水份，其二混合料混合过程中加入的水称为混合加水，其三制粒过程中添加的水，称为制粒加水。烧结混合料加水系统中主要指混合加水、制粒加水，水份仪所测得的混合料水份值也主要是包括混合料所吸收的各种物理结合水，因此烧结混合料水份中不包括化合水，生石灰消化所吸水份属于化合水，CaO+H₂O＝Ca(OH)₂不会增加混合料水份值；但随着生石灰配比的增加，加水量随之增加，由于生石灰配比与物料湿容量呈正比关系，而物料湿容量与烧结的适宜水份值呈线性相关关系^[1]，因此，生石灰的配加会明显改善烧结混合料的亲水性，生石灰配比值的增加，会增加混合料湿容量和混合料的水份适宜值。

本发明为确定混合和制粒加水比例，针对加水总量、制粒加水比例和混合水份值设计了标准型三因素三水平正交试验选用L9(3⁴)标准正交表，试验指标为烧结混合料制粒后+3mm的比例和烧结机利用系数，在使用炼钢污泥消化生石灰，消化污泥用量不变，制粒水份值的反馈参考结果为制粒加水比例最优水平为13％～15％，相当于混合和制粒水份值相差0.7％。

本方法适用于铁精粉、富矿粉、焦粉等混合料与生石灰参与烧结的两段式自动加水控制系统，对于中子、红外及微波测水仪的系统也适用，是构建大型烧结机混合料自动加水控制模型的关键技术，彰显技术进步。

具体实施方式

本发明对照实施例作进一步说明。

实施例

首先求出混合后水份目标值

根椐生石灰配比与混合料水份目标值回归模型的线性方程：

$\mathrm{\γ}=\frac{5.026+29.219\×\frac{C}{W}}{100}\×100\%$

式中：γ——混合料适宜水份值，％；

C——生石灰每小时用量，吨/小时；

W——配料每小时上料量，吨/小时；^[2]

其中W、C都为系统变量值；

混合料水份目标值即为制粒后水份目标值，得出混合后水份目标值β，％：

β＝γ-0.7％

依据混合加水计算公式，得出混合加水量：

$Y=\frac{W(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})\mathrm{unVC}}{1-\mathrm{\β}}-Z$

式中，α——混合料初始水份值，单位％；

β——混合水份目标值，β＝γ-0.7％，％，γ——制粒水份目标值，即混合料水份目标值，％；

W——配料每小时上料量，吨/小时；

Y——混合加水量输出值，立方米/小时；

Z——生石灰消化加水量，立方米/小时；

u——混合消化耗水系数，经验常数，u＝1.1；

n——常数，n＝0.00072ml^-1；

V——生石灰活性度，毫升；

C——生石灰配加量，吨/小时；^[2]

其中，β为首次计算变量，当生产条件发生较大变化，可由前述公式计算得出，计算一次，当得到实际混合水份值以后，对比混合水份目标值与实际值之差，进行反馈调整；也可输入常量加上一些变量计算得出：

①混合料初始水份值的计算方法：

公式：

②生石灰活性度的计算方法

经验公式：V＝[CaO-(1.8SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃+1.30IL)]×4.46ml

式中：

CaO——石灰中CaO含量

SiO₂——石灰中SiO₂含量；

Al₂O₃——石灰中Al₂O₃％含量；

Fe₂O₃——石灰中Fe₂O₃％含量；

IL——石灰中酌减量(烧失)。^[3]

以上参数可由对话框人工输入。

依据制粒加水计算公式，得出制粒加水量：

$X=\frac{(\mathrm{\γ}-{\mathrm{\β}}^{\′})(W+Y^{\′}+Z)+\mathrm{vnVC}}{1-\mathrm{\γ}}$

式中：β′——混合后水份反馈值，％；

γ——制粒水份目标值，％；

X——制粒加水量输出值，m³/h；

Y′——混合加水量反馈值，m³/h；

v——制粒消化耗水系数(v＝0.10)；

n——常数，n＝0.00072ml^-1；

W——配料每小时上料量，吨/小时；

Z——生石灰消化加水量，立方米/小时；

V——生石灰活性度，毫升；

C——生石灰配加量，吨/小时；^[2]

其中，γ为首次计算变量，当生产条件发生较大变化，可由前述公式计算得出，计算一次，当得到实际制粒水份值以后，对比制粒水份目标值与实际值之差，进行反馈调整；也可输入常量加上一些变量计算得出。

方法的求证过程1：

一、生石灰配比与混合料水份目标值的回归模型

在原料SiO₂含量从5.7％升高到7％左右，而烧结矿碱度指标也从1.8倍提升到2.2倍；对265m²烧结机进行混合料取样烘箱法测量的水份值的结果分析，见表1。

表1    265m²烧结机混合料水份值结果

对以上测量结果进行回归分析

表2混合料水份值与石灰配比回归统计

由回归分析得知：烧结混合料水份值与生石灰配比的相关系数达0.87％，判定系数0.76％，净判定系数为0.73％，标准误差0.245％，

表3混合料水份值回归模型方差分析

由方差分析得知：生石灰配比对混合料水份值影响显著。

表4    回归模型的效果量度和系数检验

由上表得知：显著性水平为0.05，自由度8查t分布表得t临界值为2.306，显然也证明影响是显著的。

根椐表3结果，可列出生石灰配比与混合料水份目标值的回归模型的线性方程：

$\mathrm{\γ}=\frac{5.026+29.219\×\frac{C}{W}}{100}\×100\%$

式中：γ-混合料水份目标值，％；

C-石灰每小时用量，吨/小时；

W-配料每小时上料量，吨/小时；^[2]

二、正交试验因素和水平的设计

设计采用标准型三因素三水平试验，选用L9(34)标准正交表，三因素共占四列，因有一空列，可以作为试验误差，以衡量试验的可靠性；试验指标(结果)为烧结混合料制粒后+3mm的比例和烧结机利用系数；正交试验的因素和水平设计列于表5。

表5正交试验因素和水平设计

试验期间，混匀铁料精粉率为58％～64％，含水率基本稳定，其它条件是：上料量560～580t/h，混合机转速7.5r/min，填充率13％～14％；制粒机转速6.85r/min，填充率11.2％～12％；生石灰配比6.8％～7.6％，活性度280～300ml，使用污水消化生石灰，消化污水用量不变，制粒水份值反馈参考。

试验结果：

正交试验结果列于表5中，烧结机利用系数是按本厂成品皮带秤的实测值，以取样时间的台时产量为核算单位，计算得出。

表6    正交试验结果

对指标一的分析：

对制粒后+3mm比例的极差和方差分析结果分别列于表7和表8中，方差分析所得结果与极差分析相同，但B因子不显著。

表7    对制粒后+3mm比例的极差分析

表8    对制粒后+3mm比例的方差分析

分析结果表明，控制总加水量在36～40m³/h，混合水份值为6.8％～7.2％，制粒加水比例为13％～15％，是混合制粒最优加水组合。

对指标二的分析：

制粒后+3mm比例虽然可以总体反映混合料的制粒效果，但如果其中+8mm粒级的增加量过大，则不利于各项烧结技术经济指标的提升；因此增加了对烧结机利用系数指标的分析，结果见表9、表10。

表9    对烧结机利用系数的极差分析

表10    对烧结机利用系数的方差分析

对烧结机利用系数的方差分析所得结果与极差分析略有不同，方差分析显示，B因子排序在C因子之前；但最优组合仍然是控制总加水量36～40m³/h，混合水份值6.8％～7.2％及制粒加水比例13％～15％。^[2]

方法的求证过程2：

1)生石灰消化原理

CaO+H₂O＝Ca(OH)₂+Q，生石灰消化过程除放出大量热，其消化的速度用活性度来表示；石灰活性度按冶金行业标准(ZBQ27002-85)采用酸碱滴定法：取50克粒度为3mm的石灰试样放入2L去离子水的烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀，滴入1克/L的酚酞指示剂，使溶液呈微红色，开动搅拌仪，按300r/min搅拌，同时开始计时，用浓度4mol/L的盐酸滴定，至红外消失立即停止滴定，至红色再次出现继续滴定，直到红色再次消失，如此反复，记录10min内消耗的盐酸的毫升数，即为该石灰的活性度。^[4]

2)计算生石灰在消化反应中的耗水量

使用生石灰消化的混合、制粒流程物料在混合机、制粒机内混匀时间为10分钟，因此可视石灰活性度值为石灰消化能力的理论极值，根椐前述酸碱滴定法原理，可求出烧结混合料中一定活性度和用量的生石灰参与消化反应的有效CaO的量，首先根椐酸碱滴定法方程：

CaO+2HCl＝CaCl₂+H₂O                            式(1)

可知，每两摩尔的HCl消耗一摩尔CaO，已知HCl溶液摩尔浓度是4摩尔/升，可得出消耗掉V毫升HCl溶液(即石灰活性度的值)在滴定反应中消耗0.112V克CaO(CaO的摩尔质量是56克/摩尔)，已知石灰总量是50克，则生石灰中的有效石灰量的比例是0.00224V％；

计算烧结混合料中生石灰有效CaO的消化反应的耗水量，根椐消化方程式：

CaO+H₂O＝Ca(OH)₂                                        式(2)

可知，每摩尔的CaO消耗一摩尔H₂O，H₂O的摩尔质量是18克/摩尔，按照其摩尔质量换算，可得出每克CaO在消化反应中消耗0.3214285克H₂O；

综上得出给定活性度和用量的生石灰在消化反应中的耗水量计算公式：

H＝0.3214285×0.00224×V×C                            式(3)

式(3)中：

H-石灰消化反应耗水量(吨/小时)；

V-石灰活性度(毫升)；

C-石灰用量(吨/小时)；

将上式简化可得：H＝0.00072VC                            式(4)

在一段混合、一段制粒流程中，混合机消化耗水系数为u，制粒机消化耗水系数为v，并将式(4)中的0.00072为常数n，由混合和制粒消化耗水量分别为：

H₁＝unVC                                                式(5)

式(5)中：

H₁-混合消化耗水量；

u-混合消化耗水系数；得出u＝1.1(不同的工艺流程及混匀设备参数不同得出的值也会不同)。

n-常数，n＝0.00072ml^-1；

H₂＝vnVC                                                式(6)

式(6)中：

H₂-制粒消化耗水量；

v-制粒消化耗水系数；得出v＝0.102923(不同的工艺流程及混匀设备参数不同得出的值也会不同)。

3)生石灰的加水控制计算公式

由于生石灰消化耗水以Ca(OH)₂胶体中的化合水形式存在，脱水温度将达到770℃以上，并且用测水仪和烘箱法都不能测量到，因此生石灰的活性和用量必然对混合料加水量产生重要影响，须将此因素加入到混合料加水控制计算公式中：

以上确定的给定混合料水份目标值以及输入量，即生石灰活性度和配比、烧结原燃料配比及初始水份值、生石灰消化水量、配料上料量以及输入变量，即混匀料初始水份值或混合后水份值，得出烧结混合料加水计算公式(包括混合加水公式和制粒加水公式)：

依据：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\αW}+Y+Z-\mathrm{unVD}}{W+Y+Z}$ 式(7)

式(7)中：

α-混合料初始水份值(％)；

β-混合水份目标值，即式(1)计算结果减0.7％；

W-配料每小时上料量(吨/小时)；

Y-混合加水量输出值(立方米/小时)；

Z-石灰消化加水量(立方米/小时)；

由式(7)变换可得出混合加水量的计算公式：

$Y=\frac{W(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})+\mathrm{unVD}}{1-\mathrm{\β}}-Z$ 式(8)

同理，以椐：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\β}}^{\′}(W+Y^{\′}+Z)+X-\mathrm{unVD}}{W+X+Y^{\′}+Z}$ 式(9)

式(9)中：

β′-混合水份反馈值(％)；

γ-制粒水份目标值，即式(1)计算结果(％)；

X-制粒加水量输出值(立方米/小时)；

Y′-混合加水量反馈值(立方米/小时)；

由式(9)变换可得出制粒加水量的计算公式：

$X=\frac{({\mathrm{\β}}^{\′}-\mathrm{\α})(W+Y^{\′}+Z)+\mathrm{vnVD}}{1-\mathrm{\γ}}$ 式(10)

4)生石灰活性度的计算方法

V＝[CaO-(1.8SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃+1.30IL)]×4.46ml                    式(11)

由式(13)中：

CaO含量；

SiO₂含量；

Al₂O₃含量；

Fe₂O₃含量；

IL-烧失量。

5)生石灰活性度和用量对混合料水份控制影响的规律

经公式(11)、(8)、(10)计算，得出生石灰对混合料水份控制影响的规律(其它原料条件不变)：

(1)随着生石灰配比的增加，混合料适宜水份值增大，当生石灰配比从5.4％增加到9.7％时，每增加1％的生石灰配比，混合料适宜水份值增大约0.29％，但混合料适宜水份值的大小与石灰活性度没有关联性(见表11)。

(2)生石灰配比不变，随着石灰活性度增加，混合料加水量增大，而混合料水份值不变；

生石灰活性度每增加100毫升，随着生石灰配比的变化，加水量也要做相应的变化；生石灰配比在5.4％，加水量增加2.8立方米/小时；生石灰配比在6.2％，加水量增加3.1立方米/小时；生石灰配比在7.2％，加水量增加3.8立方米/小时；生石灰配比在8.2％，加水量增加4.3立方米/小时；生石灰配比在9.2％，加水量增加4.9立方米/小时。

表11        生石灰配比与混合料水份目标值对照

由上表数据得知：对不同生石灰配比下混合料水份目标值预期与实际混合料适宜水份值烘箱法验证基本相符；理论计算加水量与实际生产情况也基本符合，命中率较高，有效减少了配加生石灰的混合料在混合、制粒的水份控制过程中，当生石灰配比及活性度变化时对混合料水份的影响，能够有效控制混合料的水份，减少水份波动，有效提高了烧结机产量、质量。

Claims (3)

1.一种配加生石灰烧结混合料的水份控制方法，其特征在于：以不同生石灰配比、活性度对混合料水份控制的影响因素，得到烧结混合料中生石灰配比与混合料水份目标值的线性相关关系，将烧结混合料水份目标值控制在7.5±0.5％，设定的烧结混合料水份目标值，即为制粒水份目标值和混合水份目标值，以烧结混合料水份目标值以及输入量、输入变量，得出烧结混合料加水的计算公式，即为制粒加水量公式和混合加水量公式，提供程序控制；

制粒水份目标值＝5.026+29.219×石灰配比％，置信区间±0.3％；

式中5.026及29.219为常数；

其中式中：n＝0.00072ml^-1；v＝0.102923；

混合水份目标值＝制粒水份目标值-0.7；

式中0.7为制粒水份目标值与混合水份目标值的偏差常数；

其中式中：n＝0.00072ml^-1；u＝1.100132；

上述加水计算公式对制粒和混合加水量进行前馈控制，加水依椐制粒和混合目标加水量控制输出量，经流量计的反馈值进行微调，然后依椐反馈的制粒水份值和混合水份值对制粒、混合的水份目标值进行微调。

2.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：混合料由铁精粉、富矿粉、冶金废料、焦粉、熔剂构成，经烧结成高炉冶炼的原料。

3.根据权利要求1所述控制方法，其特征在于：该方法适应两段式烧结混合料自动加水控制系统，要求生石灰的成份、活性度相对稳定。