CN104268418A - 一种炼钢炉料结构优化分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于炼钢领域，提供一种炼钢炉料结构优化分析方法及系统，所述方法包括获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件；根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系；根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。本发明能够用于炼钢过程最佳炉料结构的快速准确分析，从而为改进操作工艺制度、确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供一些定量的依据。

Description

一种炼钢炉料结构优化分析方法及系统

技术领域

本发明属于炼钢领域，尤其涉及一种炼钢炉料结构优化分析方法及系统。

背景技术

炼钢过程是一个高温条件下同时存在物理和化学变化的复杂过程。炼钢过程的物料平衡和热量平衡的计算是建立在物质不灭定律和能量守恒原理的基础上的。其中，物料平衡是要计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料(铁水、废钢、冷却剂、氧气、渣料和耐材等)与炼钢产物(钢液、炉渣、炉气和烟尘等)之间的平衡关系；而热量平衡是要计算炼钢过程中的热量收入(入炉原料的物理热和化学热)和热量支出(炼钢产物的物理热)之间的平衡关系。通过对物料平衡和热量平衡的计算，可以全面地掌握炼钢炉的物料和能量的利用情况，了解炼钢炉的工作能力和热效率，从而为改进工艺、实现炼钢炉的最佳操作探索途径，并为降低原材料消耗、合理利用能源和节能指明方向。

由于测试手段的局限性，目前还难以对炼钢过程的物料平衡和热量平衡实现精确测量。因此，基于炼钢生产和设计的需要，通过计算获取炼钢过程物料及热量平衡的相关数据是至关重要的。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种炼钢炉料结构优化分析方法及系统，旨在目前无法精确测量炼钢过程中的物料平衡和热量平衡的技术问题。

一方面，所述炼钢炉料结构优化分析方法包括下述步骤：

获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件；

根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系；

根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。

另一方面，所述炼钢炉料结构优化分析系统包括：

前提条件获取模块，用于获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件；

物料平衡计算模块，用于根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系；

热量平衡计算模块，用于根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。

本发明的有益效果是：由于炼钢过程的复杂性和现有测试手段的局限性，目前无法实现对炼钢过程物料平衡和热量平衡的精确测量，本发明提供了一种物料平衡和热量平衡的计算方法，可以全面地掌握炼钢炉的物料和能量的利用情况，了解炼钢炉的工作能力和热效率，从而为改进工艺、实现炼钢炉的最佳操作探索途径，并为降低原材料消耗、合理利用能源和节能指明方向，同时还为确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供一些定量的依据。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的炼钢炉料结构优化分析方法的流程图；

图2是本发明第二实施例提供的炼钢炉料结构优化分析系统的结构方框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的炼钢炉料结构优化分析方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的炼钢炉料结构优化分析方法包括下述步骤：

步骤S101、获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件。

本步骤中，各种前提条件为生产人员设置，包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件。

步骤S102、根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系。

所述原料燃料输入条件包括含铁主原料条件、辅助原料条件和燃料条件，根据所述原料燃料输入条件可得到入炉原料、燃料的组成成分；与此同时，所述工艺输入条件包括炉料配比、燃辅料消耗和其他条件。

本步骤计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料(铁水、废钢、冷却剂、氧气、渣料和耐材等)与炼钢产物(钢液、炉渣、炉气和烟尘等)之间的平衡关系。根据反应(1)可计算得到入炉料中参加氧化反应的元素所消耗的氧气量和生成的反应产物量：

${\mathrm{xM}}^i+\frac{y}{2}{O}_2^i=M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})---\left(1\right)$

式中，x和y用于标示元素氧化后的价态；上标i表示各入炉料，包括含铁原料(废钢、铁水、生铁、DRI)、辅助燃料(煤粉、电极)、萤石、铁矿石、炉衬侵蚀、炉顶侵蚀、石灰和轻烧白云石等；M表示入炉料中发生氧化反应的元素，包括C，Si，Mn，P，S，V，Ti，Nb，B等；括弧内的字母表示此反应产物的去向，其中I表示进入钢液、S表示进入钢渣、G表示进入炉气、DU表示进入烟尘。

在步骤S101中已知入炉料中参加氧化反应的元素量为W_R(Mⁱ)，则由反应式(1)可得到所消耗的氧气量为生成的反应产物量为 $W_R\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right)=\frac{1}{x}{W}_R\left(M^i\right).$

由入炉料直接带入的量可根据公式(2)计算得到：

$W\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right)=W^i\×\%M_x^i{O}_y^i/100---\left(2\right)$

式中Wⁱ表示各入炉料的量，表示此入炉料中的百分含量。

因此，分别累加进入钢液、钢渣、炉气和烟尘中的炼钢产物量，即可由公式(3)分别得到此四项总量：

$W(I,S,G,\mathrm{DU})=\mathrm{\Σ}{W}_R\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right)+\mathrm{\ΣW}\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right)---\left(3\right)$

由此，便得到了加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料(铁水、废钢、冷却剂、氧气、渣料和耐材等)与炼钢产物(钢液、炉渣、炉气和烟尘等)之间的平衡关系。

步骤S103、根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。

所述热计算输入条件包括入炉炉料及产物的设定温度，铁水和钢水熔化温度及冷却水流量和温度等其他条件；与此同时，所述热物性参数输入条件包括物料平均热容和元素反应热。

在具体计算热量平衡时，炼钢过程热量的收入可由公式(4)计算得到：

$Q_{\mathrm{in}}=\mathrm{\Σ}{Q}_{P,\mathrm{in}}^i+\mathrm{\Σ}{Q}_{C,\mathrm{in}}^j---\left(4\right)$

式中，下标P表示入炉料带入的物理热，上标i表示废钢、铁水、生铁和DRI等入炉料；下标C表示元素氧化和成渣反应的化学热，上标j表示C，Si，Mn，P，S，V，Ti，Nb，B，Fe，P₂O₅和SiO₂。

此外，炼钢过程热量支出可由公式计算得到：

$Q_{\mathrm{out}}=\mathrm{\Σ}{Q}_{P,\mathrm{out}}^{i^{,}}+\mathrm{\Σ}{Q}_{D,\mathrm{out}}^{j^{,}}+Q_{A,\mathrm{out}}+Q_{L,\mathrm{out}}---\left(5\right)$

式中，下标P表示炼钢产物的物理热，上标i’表示钢液、炉渣、炉气和烟尘等；下标D表示入炉料的分解热，上标j’表示生石灰、生白云石和铁矿石；下标A表示炉体、氧枪等冷却吸热；下标L表示其他热损失。

由此，便得到了炼钢过程中的热量收入(入炉原料的物理热和化学热)和热量支出(炼钢产物的物理热)之间的平衡关系。

作为一种优选实施方式，本实施例还包括：

步骤S104、根据所述物料平衡关系和热量平衡关系对炼钢进行经济效益评估，包括技术经济指标计算、工序吨钢成本计算以及效益评估分析。

在完成计算物料平衡和热量平衡后，可以对此次炼钢进行经济效益评估，具体评估包括由技术经济指标计算、工序吨钢成本计算和效益评估分析，为后续炼钢进一步优化提供理论基础。

进一步优选的，本实施例方法还包括：

步骤S105、将经济效益评估结果进行结果显示输出，包括图形化显示输出以及保存至文件输出。

通过图形化显示出评估结果，更为直观。另外，还可以将结果数据输出至文件保存，以供后续调用查看。

实施例二：

图2示出了本发明实施例提供的炼钢炉料结构优化分析系统的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的炼钢炉料结构优化分析系统包括：

前提条件获取模块21，用于获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件；

物料平衡计算模块22，用于根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系；

热量平衡计算模块23，用于根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。

优选的，还包括：

效益评估分析模块24，用于根据所述物料平衡关系和热量平衡关系对炼钢进行经济效益评估，包括技术经济指标计算、工序吨钢成本计算以及效益评估分析。

结果显示输出模块25，用于将经济效益评估结果进行结果显示输出，包括图形化显示输出以及保存至文件输出。

上述各个功能模块21-25对应实现了实施例一中步骤S101-S105，具体的，通过前提条件获取模块获取各个前提条件，然后通过物料平衡计算模块、热量平衡计算模块分别进行物料平衡计算和热量平衡计算，最后通过效益评估分析模块进行炼钢效益评估，并通过结果显示输出模块进行结果显示。

综上，本发明实施例提供了一种炼钢过程最佳炉料结构分析方法及系统，该系统兼容性好、可靠性高，能够用于炼钢过程物料及热量平衡的快速准确分析，从而为改进操作工艺制度、确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供一些定量的依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种炼钢炉料结构优化分析方法，其特征在于，所述方法包括：

获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件；

根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系；

根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据所述物料平衡关系和热量平衡关系对炼钢进行经济效益评估，包括技术经济指标计算、工序吨钢成本计算以及效益评估分析。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

将经济效益评估结果进行结果显示输出，包括图形化显示输出以及保存至文件输出。

4.如权利要求1-3任一项所述方法，其特征在于，所述计算得到的物料平衡关系为： $W(I,S,G,\mathrm{DU})=\mathrm{\Σ}{W}_R\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right)+\mathrm{\ΣW}\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right);$ 其中x和y用于标示元素氧化后的价态；上标i表示各入炉料；M表示入炉料中发生氧化反应的元素；I、S、G、DU表示此反应产物的去向，其中I表示进入钢液、S表示进入钢渣、G表示进入炉气、DU表示进入烟尘。

5.如权利要求1-3任一项所述方法，其特征在于，所述计算得到的热量平衡关系为： $Q_{\mathrm{in}}=\mathrm{\Σ}{Q}_{P,\mathrm{in}}^i+\mathrm{\Σ}{Q}_{C,\mathrm{in}}^j,$ $Q_{\mathrm{out}}=\mathrm{\Σ}{Q}_{P,\mathrm{out}}^{i\·}+\mathrm{\Σ}{Q}_{D,\mathrm{out}}^{j\·}+Q_{A,\mathrm{out}}+Q_{L,\mathrm{out}};$ 其中Q_in为热量收入，Q_out为热量支出；下标P表示入炉料带入的物理热，上标i表示入炉料；下标C表示元素氧化和成渣反应的化学热，上标j表示C，Si，Mn，P，S，V，Ti，Nb，B，Fe，P₂O₅和SiO₂；上标i’表示钢液、炉渣、炉气和烟尘；下标D表示入炉料的分解热，上标j’表示生石灰、生白云石和铁矿石；下标A表示炉体、氧枪等冷却吸热；下标L表示其他热损失。

6.一种炼钢炉料结构优化分析系统，其特征在于，所述系统包括：

前提条件获取模块，用于获取输入的前提条件，所述前提条件包括原料燃料输入条件、工艺输入条件、热计算输入条件和热物性参数输入条件；

物料平衡计算模块，用于根据所述原料燃料输入条件、工艺输入条件计算炼钢过程中加入至炼钢炉内和参与炼钢过程的全部物料与炼钢产物之间的物料平衡关系；

热量平衡计算模块，用于根据所述热计算输入条件和热物性参数输入条件计算炼钢过程中的热量收入和热量支出之间的热量平衡关系。

7.如权利要求6所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

效益评估分析模块，用于根据所述物料平衡关系和热量平衡关系对炼钢进行经济效益评估，包括技术经济指标计算、工序吨钢成本计算以及效益评估分析。

8.如权利要求7所述系统，其特征在于，所述系统还包括：

结果显示输出模块，用于将经济效益评估结果进行结果显示输出，包括图形化显示输出以及保存至文件输出。

9.如权利要求1-6任一项所述系统，其特征在于，所述计算得到的物料平衡关系为： $W(I,S,G,\mathrm{DU})=\mathrm{\Σ}{W}_R\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right)+\mathrm{\ΣW}\left(M_x^i{O}_y^i(I,S,G,\mathrm{DU})\right);$ 其中x和y用于标示元素氧化后的价态；上标i表示各入炉料；M表示入炉料中发生氧化反应的元素；I、S、G、DU表示此反应产物的去向，其中I表示进入钢液、S表示进入钢渣、G表示进入炉气、DU表示进入烟尘。

10.如权利要求1-6任一项所述系统，其特征在于，所述计算得到的热量平衡关系为： $Q_{\mathrm{in}}=\mathrm{\Σ}{Q}_{P,\mathrm{in}}^i+\mathrm{\Σ}{Q}_{C,\mathrm{in}}^j,$ $Q_{\mathrm{out}}=\mathrm{\Σ}{Q}_{P,\mathrm{out}}^{i\·}+\mathrm{\Σ}{Q}_{D,\mathrm{out}}^{j\·}+Q_{A,\mathrm{out}}+Q_{L,\mathrm{out}};$ 其中Q_in为热量收入，Q_out为热量支出；下标P表示入炉料带入的物理热，上标i表示入炉料；下标C表示元素氧化和成渣反应的化学热，上标j表示C，Si，Mn，P，S，V，Ti，Nb，B，Fe，P₂O₅和SiO₂；上标i’表示钢液、炉渣、炉气和烟尘；下标D表示入炉料的分解热，上标j’表示生石灰、生白云石和铁矿石；下标A表示炉体、氧枪等冷却吸热；下标L表示其他热损失。