CN106957935B - 一种高炉内部软熔带形状的软测量方法 - Google Patents

一种高炉内部软熔带形状的软测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于CFD，在计算过程中将高炉简化为二维、轴对称的物理模型。通过对高炉内气流与炉料两相流动、传热以及化学反应过程的耦合计算，获得高炉内部压力、温度、速度和组分质量分数分布情况，并提取一定条件下软熔带的形状以及顶部和底部位置信息。通过对不同条件下高炉内多物理场的数值模拟，得到不同条件下软熔带软熔带形状以及顶部和底部位置信息的数据库。实际应用时，通过现场监测的冷却水温差及流量推算出软熔带底部位置信息。结合现场采用的布料制度，匹配数据库中的软熔带底部位置信息，并实时反馈出数据库中软熔带顶部位置和软熔带形状示意图。本方法弥补了CFD技术计算周期长的不足，有利于及时调节异常工况，保持炉况顺行，优化高炉操作，降低能耗。

Description

一种高炉内部软熔带形状的软测量方法
技术领域
本发明涉及一种软测量方法，特别是涉及一种高炉内部软熔带形状的软测量方法。
背景技术
软测量应用计算机技术，对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，并实现在线监测重要变量的方法。
高炉是一种内部填充满矿物和焦炭的逆流反应器。在生产过程中，煤气流穿过矿物和焦炭上升，而矿物和焦炭缓慢下降，运动方向与煤气流相反。铁矿石、焦炭和熔剂从高炉炉顶投入高炉，同时富氧空气和碳氢化合物从风口鼓入高炉，热风炉加热后的热空气和煤粉颗粒在高炉风口回旋区燃烧，生成含有还原性气体的高炉煤气。高炉煤气在上升的过程中逐渐加热炉料，与此同时，与铁的氧化物发生还原反应获得单质铁。熔融态的生铁和炉渣通过出铁口排出，高炉煤气从高炉顶部逸出高炉。
高炉是炼铁工艺中的重要设备，但由于高炉的封闭性和炉况的复杂性，高炉内部信息获取非常困难。现有的在线监测手段主要通过安装在炉衬内部的热电偶或料层边部的压力传感器，间接获取炉内的温度以及压力信息，但关于软熔带形状信息仍然处于黑箱状态。高炉的操作主要凭经验，从而使得高炉的顺行成为生产过程中的一大难题。
对高炉炉身的传热传质过程进行数值模拟，可以获得高炉内部全时空的信息，并确定软熔带形状信息，但数值模拟从监测操作参数到获取计算结果的周期较长，难以实时获取软熔带形状信息，因此数值模拟结果仅为高炉的优化操作提供理论依据。
发明内容
本发明提供一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，用于在线监测并显示高炉内部软熔带形状信息。
本发明一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，包括下述步骤：
步骤一
基于计算流体力学，建立高炉的物理模型，并进行网格的划分；同时分别建立煤气和炉料连续性方程、能量方程、动量方程以及各组成成分的组分输运等方程。
步骤二
对炉料下降速度赋予一个定值A、选取一种固定的布料制度，定义该布料制度为B，并确定该布料制度下铁矿石的软化温度和熔融温度；
步骤三
在A、B确定的情况下对步骤一中的方程进行耦合计算，得到在A、B确定条件下，高炉内部各个空间位置的炉料温度分布情况，根据铁矿石软化温度和熔融温度确定软熔带形状信息；
步骤四
替换A、B，重复步骤二、三，得到不同炉料下降速度和布料制度下，软熔带形状信息；收集数据，构成数据库；
步骤五
基于现场监测的冷却水温差及流量，计算软熔带底部位置的实时信息；在数据库中匹配并输出软熔带形状信息的数值模拟结果。
作为优选，步骤一中，物理模型简化为二维、轴对称的物理模型，网格划分优先选用结构化网格；
作为优选，步骤一中，煤气和炉料的物性参数由组分的物性参数和组分的质量分数确定。
作为优选，步骤一中，炉料对煤气流动的阻力，以源项的形式加载在动量方程中进行计算；化学反应引起的煤气和炉料中各组成成分的生成和消耗，以源项的形式加载在相应的组分输运方程；反应的吸热和放热现象，以源项的形式加载在能量方程。
作为优选，步骤二中，待冶炼的铁矿石组成成分计算其软化温度和熔融温度；
作为优选，步骤三中，软熔带需要同时满足两个条件：条件一为炉料温度介于铁矿石软化温度和熔融温度之间；条件二为网格的坐标位于铁矿石层指定的区域内。
作为优选，步骤三中，形状信息包括软熔带顶部位置、底部位置和软熔带形状示意图；软熔带顶部位置为软熔带最高的位置；软熔带底部位置为靠近炉壁处软熔带的最低位置。
作为优选，步骤五中，基于现场监测的冷却水温差及流量，通过热阻分析法，计算获得高炉近壁面区域温度分布，并确定软熔带底部位置；在数据库中匹配软熔带形状信息中软熔带底部位置信息；输出软熔带形状信息。
本发明一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，以炉内封闭的高炉为研究对象，能实时获取高炉内部软熔带形状信息。本发明的积极效果：
1.通过离线计算与在线监测相结合的方法，可解决CFD技术计算周期长的不足。采用离线计算构建成大数据库，基于现场监测的实时数据，匹配离线计算的结果，可实时获取软熔带的形状信息，有利于实时调控高炉，及时调节异常工况。
2.本发明基于CFD技术，可较准确获得软熔带形状信息，为高炉的优化操作提供理论指导。
3.通过大量离线的计算，获取不同操作参数下的数值模拟结果，预先构建关于软熔带形状信息的数据库，解决了CFD技术计算周期长的不足。
4.采用离线计算与在线监测相结合的方法，通过现场监测的高炉实时信息，实时调取并显示软熔带形状，有利于及时调节异常工况，保持炉况顺行，优化高炉操作，降低能耗。
附图说明:
图1为高炉结构示意图。
图2为数据库中部分软熔带形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实例对本发明进一步说明。
以某企业有效容积为2650m3的高炉为研究对象，高炉结构示意图如图1所示。高炉炉料分层布满整个高炉，布料过程中，铁矿石和焦炭逐批投入高炉。
1)建立物理模型并划分网格
将高炉在计算过程中简化为二维、轴对称的物理模型。其中，炉腰半径为6.28m，炉腰高度为2.3m，炉身梯形上底为4.15m，下底为6.28m，高为16.6m。网格个数为830001个。
2)布料制度及炉料下降速度的确定
在实际生产过程中，高炉的布料制度如表1所示。数据库中，此布料制度对应编号为B1。
在实际生产过程中，炉料下降速度范围为3.1mm/s-0.9mm/s。以0.4mm/s为速度间隔，取55个炉料下降速度进行计算。
表1高炉布料制度
3)软熔带温度范围的确定
铁矿石料层由球团矿、烧结矿和块状矿的混合物组成，各组分质量分数和比重分布范围如表2所示，其中块状矿含量少，故现场未进行成分的测定。
表2铁矿石层各种矿石组分质量分数和比重分布范围
作为优选，计算铁矿石软化温度和熔融温度所采用的炉料成分暂时定为近三个月的平均值。计算得到的软化温度和熔融温度分别为1432K、1605K。
4)耦合计算
炉料下降速度为3)中所述的55种不同炉料下降速度；布料制度如表1所示。通过耦合计算，获得了高炉内部炉料温度分布情况。基于计算得到的软化温度和熔融温度。可获得软熔带形状信息；形状信息包括软熔带顶部位置、底部位置和软熔带形状示意图。
5)数据库的建立
进行不同炉料下降速度下的数值模拟，计算得到各网格炉料温度数据，结合X方向坐标、Y方向坐标和料层分布结构数据，可获得软熔带形状信息，并构建数据库。数据库中部分数据信息如表3所示，数据库中部分软熔带形状示意图如图2所示。
表3数据库部分数据信息
6)实时数据的分析
利用冷却壁中冷却水流量Gi、Gi′和冷却水进出口温差Δti、Δti′，以及冷却水平均温度tw,i信息，可得每层热面平均温度如表4所示：
表4各层对应标高的热面平均温度
以各层热面平均温度作为该层热面中心点温度，将各层中心温度沿纵向插值，使用自然三次样条函数插值。依据软熔带下边界温度算法，该高炉软熔带下边界温度为1336℃。因此，由插值结果可得该时刻软熔带根部标高位置分别为标高i为18.98m。
7)数据库信息的匹配
由于计算的标高i为18.98m，在数据库中搜索得到与底部位置最近的两组数据为：
云图编号42对应的底部位置为18.95m，云图编号43对应的底部位置为19.21m。由于|18.98-18.95|比|18.98-19.21|小，即云图编号42对应的底部位置和计算的标高i更接近，因此从数据库中提取云图编号42的云图，并计算获得软熔带顶部位置信息为21.1135m，保留两位小数点输出即21.11m。

Claims (8)

1.一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一
基于计算流体力学，建立高炉的物理模型，并进行网格的划分；同时分别建立煤气和炉料的连续性方程、能量方程、动量方程以及各组成成分的组分输运方程；
步骤二
对炉料下降速度赋予一个定值A、选取一种固定的布料制度，定义该布料制度为B，并确定该布料制度下铁矿石的软化温度和熔融温度；
步骤三
在A、B确定的情况下对步骤一中的方程进行耦合计算，得到在A、B确定条件下，高炉内部各个空间位置的炉料温度分布情况，根据铁矿石软化温度和熔融温度确定软熔带形状信息；
步骤四
替换A、B，重复步骤二、三，得到不同炉料下降速度和布料制度下，软熔带形状以及位置信息；收集数据，构成数据库；
步骤五
基于现场监测的冷却水温差及流量，计算软熔带底部位置的实时信息；在数据库中匹配并输出软熔带形状信息的数值模拟结果。
2.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤一中，物理模型简化为二维、轴对称的物理模型，网格划分选用结构化网格。
3.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤一中，煤气和炉料的物性参数由组分的物性参数和组分的质量分数确定。
4.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤一中，炉料对煤气流动的阻力，以源项的形式加载在动量方程中进行计算；化学反应引起的煤气和炉料中各组成成分的生成和消耗，以源项的形式加载在相应的组分输运方程；反应的吸热和放热现象，以源项的形式加载在能量方程。
5.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤二中，待冶炼的铁矿石组成成分计算其软化温度和熔融温度。
6.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤三中，软熔带需要同时满足两个条件：条件一为炉料温度介于铁矿石软化温度和熔融温度之间；条件二为网格的坐标位于铁矿石层指定的区域内。
7.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤三中，形状信息包括软熔带顶部位置、底部位置和软熔带形状示意图；软熔带顶部位置为软熔带最高的位置；软熔带底部位置为靠近炉壁处软熔带的最低位置。
8.根据权利要求1所述的一种高炉内部软熔带形状的软测量方法，其特征在于：步骤五中，基于现场监测的冷却水温差及流量，通过热阻分析法，计算获得高炉近壁面区域温度分布，并确定软熔带底部位置；在数据库中匹配软熔带形状信息中软熔带底部位置信息；输出软熔带形状信息。
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