CN109609714B - 一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法，建立基于全高炉的热量损失模型和炉缸硅反应动力学模型，测量十字测温中心、次中心温度和炉芯温度，根据高炉的吨铁热量损失ΔQ及变化趋势、硅强度R_Si及变化趋势、高炉炉芯温度及变化趋势、十字测温中心和次中心温度变化，判断高炉炉芯是否堆积。操作者能够即时诊断出高炉炉芯是否堆积，并迅速做出响应，并提出不退矿批，不加洗炉剂的炉芯堆积治理方法。本发明综合考虑高炉炉况和炼铁基本原理，根据出现炉芯堆积的共同特点，判断炉芯是否堆积，具备通用性。

Description

一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法

技术领域

本发明属于高炉炼铁生产技术领域，特别涉及一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法。

背景技术

大型高炉对原燃料质量要求高，气流难以控制，炉缸直径大，死料柱不活跃，容易造成炉芯堆积。国内很多高炉都遇到过炉芯堆积的问题，尤其是大型高炉，但各高炉的表现形式不尽相同，大部分高炉表现为：十字测温枪中心温度低，受风能力差，鼓风动能不足，炉芯温度下降同时侧壁温度升高，但也有一些高炉表现为中心温度高，受风能力好，鼓风动能足够，炉芯温度和侧壁温度同时下降等症状。另外大型高炉炉缸直径大，小高炉出现炉缸堆积时经常表现出的频繁崩滑料、顶压冒尖、出铁出渣困难的情况在大型高炉表现并不明显。而操作者往往通过将当前高炉的症状和出现炉芯堆积的案例对比来判断高炉是否存在堆积，往往出现判断延误，甚至误判的情况，造成巨大经济损失。

日本专家Shibaik在《Deadman and hearth phenomena in the blast furnace》中提出了用死料柱温度来代表炉缸活性，但这个指数取决于中心部位的煤气成分需要使用炉身探针进行测量，正常生产中不具备这个条件。首钢张贺顺在《首钢2号高炉炉缸工作状态探析》中提出用炉底各层中心温度和侧壁温度的比值来表示炉芯死焦堆的渗透能力，但当炉芯和侧壁温度都降低时，该比值不能反应炉芯活性变化。代兵在《高炉炉缸活性量化计算模型的开发与实践》中提出用渣铁流动阻力系数来衡量炉缸活性，死料柱孔隙度、炉缸焦炭直径、炉缸液体粘度等系数都为设定值，但实际上这些参数至关重要，随炉况波动而变化。这些指数侧重于学术研究，适用于某个具体的案例，缺乏通用性，对于操作者进行炉况诊断和炉况调剂作用有限。

因此有必要从实际高炉炉况表现出发结合炼铁基本原理建立一套大型高炉炉芯堆积的通用诊断方法，减小仅靠经验来判断所带来的延误和误判造成的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法，综合考虑高炉炉况和炼铁基本原理，基于建立的全高炉热量损失模型和炉缸硅反应动力学模型，十字测温枪分布，炉芯温度变化趋势来判断高炉炉芯堆积的方法，能够即时诊断高炉炉芯堆积。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法，包括如下步骤：

(1)建立全高炉热量损失模型：计算高炉的吨铁热量损失ΔQ；

(2)建立高炉炉缸硅的反应动力学模型：计算硅强度R_Si；

(3)高炉炉芯温度T测量；

(4)十字测温中心和次中心温度测量；

(5)高炉炉芯堆积判断：根据高炉的吨铁热量损失ΔQ及变化趋势、硅强度R_Si及变化趋势、高炉炉芯温度及变化趋势、十字测温中心和次中心温度变化判断高炉炉芯是否堆积。

进一步，所述的大型高炉炉芯堆积的诊断方法中高炉炉芯堆积判断方式如下：

a)高炉的吨铁热量损失ΔQ＞400MJ/t，，且持续上升；

b)硅强度R_Si<45，且持续下降；

c)高炉炉芯温度T<400℃，且持续下降；

d)十字测温中心和次中心温度同时满足：

T₀-T′₀＞200，T₁-T′₁＞100或T₀-T′₀＜200，T₁-T′₁＜100；

其中：T₀为当前十字测温中心温度，T₁为当前十字测温次中心温度，T′₀为正常生产时十字测温中心温度，T′₁为正常生产时十字测温次中心温度；

a)、b)、c)和d)同时满足，则高炉炉芯堆积。

更进一步，所述的大型高炉炉芯堆积的诊断方法中高炉的吨铁热量损失ΔQ通过全高炉热量损失模型计算：

ΔQ＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇+Q₈+Q₉+Q₁₀+Q₁₁,KJ/t,

其中，Q₁为炉料带入热量，Q₂为碳燃烧放热，Q₃为热风显热，Q₄为成渣热，Q₅为直接还原热，Q₆为脱硫耗热，Q₇为铁水显热，Q₈为炉渣显热，Q₉为高价态矿石还原热，Q₁₀为炉顶煤气显热，Q₁₁为冷却水带走热。

更进一步，所述的大型高炉炉芯堆积的诊断方法中硅强度R_Si基于高炉炉缸化学反应动力学计算，

硅强度

其中，L_Si为操作状态下硅元素在铁水和炉渣中的分配系数，

为平衡状态下硅元素在铁水和炉渣中的分配系数，f_Si为铁水中硅的相互作用系数，[％Si]：铁水中硅含量，

为炉渣中SiO₂活度。

进一步，所述的大型高炉炉芯堆积的诊断方法，基于(5)中高炉炉芯堆积判断结果，若高炉炉芯堆积，则：通过布料制度和送风制度的调整来使中心死焦堆逐步消融；同时槽下系统增加中心焦仓筛孔大小；定仓接收湿熄焦，杜绝湿熄焦布到中心；将焦丁布料时间提前，使焦丁布到高炉边缘部位。

与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明综合考虑高炉炉况和炼铁基本原理，基于建立的全高炉热量损失模型和炉缸硅反应动力学模型，十字测温枪分布，炉芯温度变化趋势来判断高炉炉芯堆积的方法，能够即时诊断高炉炉芯堆积。

2、本发明总结了国内出现炉芯堆积的共同特点，并符合炼铁基本原理，具备通用性。

3、本发明主要基于气流分布特点通过高炉上、下部制度及槽下装料制度的优化来实现炉芯堆积的治理，无需退矿批，加洗炉剂等措施，对炉况影响小。

附图说明

图1为吨铁热量损失和硅强度的变化趋势。

图2为炉芯温度变化趋势。

图3为炉芯堆积积治理过程中关键指标的变化。

图4为炉芯堆积治理前十字测温枪温度分布。

图5为炉芯堆积治理过程中炉芯和侧壁温度的变化。

具体实施例

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。本发明中以某大型高炉为例，炉况稳定时，平均日产13200吨/天，燃料比515kg/t；后炉芯温度自780℃下降到156℃，燃料比上升到530kg/t以上，并不断攀升。在这个过程中，高炉仍保持顺行，风量和鼓风功能能够维持正常，并无频繁崩滑料和顶压冒尖的现象，也没有出渣出铁特别困难的情况，只是燃料比较高，十字测温中心温度又高又宽，炉底和侧壁温度全面下降。

针对上述情况，采用本发明对上述异常是否由高炉炉芯堆积引起进行判断具体步骤如下：

(1)建立全高炉热量损失模型，计算高炉的吨铁热量损失ΔQ：

ΔQ＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇+Q₈+Q₉+Q₁₀+Q₁₁,KJ/t，

其中，Q₁为炉料带入热量，Q₂为碳燃烧放热，Q₃为热风显热，Q₄为成渣热，Q₅为直接还原热，Q₆为脱硫耗热，Q₇为铁水显热，Q₈为炉渣显热，Q₉为高价态矿石还原热，Q₁₀为炉顶煤气显热，Q₁₁为冷却水带走热。

具体计算依据现场测量的如下数据：风量BV，湿度BM，煤量PCI，氧量O₂，风温BT，风压BP，产量PROD，渣量Slag，铁水温度HMT，铁水中铁元素含量Fe，铁水中硅含量Si，铁水中锰含量Mn，铁水中磷含量P，炉顶氢气含量H₂，炉顶氮气含量N₂，炉顶CO含量，炉顶CO₂含量，烧结重量Sint，球团重量Pel，块矿重量Lump，烧结铁含量Fe_S，球团铁含量Fe_P，块矿铁含量Fe_L，烧结氧化亚铁含量FeO_S，球团氧化亚铁含量FeO_P，块矿氧化亚铁含量FeO_L，料批数CH。

在炉缸出现堆积时，炉缸不活跃，死料柱中透气透液性降低，液态渣铁凝固成渣铁壳，需要消耗较多的热量，从炉热量平衡的角度，热量损失增加。炉芯堆积治理前，热量损失ΔQ＝500MJ/t呈上升趋势，如图1所示。

(2)建立高炉炉缸硅的反应动力学模型：

硅强度

其中，L_Si为操作状态下硅元素在铁水和炉渣中的分配系数，

为平衡状态下硅元素在铁水和炉渣中的分配系数，f_Si为铁水中硅的相互作用系数，[％Si]：铁水中硅含量，

为炉渣中SiO₂活度。

具体计算依据现场测量的如下数据：铁水中碳含量，铁水中硅含量，铁水中锰含量，铁水中硫含量，渣中氧化钙含量，渣中氧化铝含量，渣中氧化镁含量，渣中氧化锰含量，渣中硫含量S_slag，风压BP，铁水温度HMT。

在炉缸出现堆积时，同正常炉况相比化学反应驱动力减小，反应难以进行。而在日常操作中，铁水硅含量是热量调剂的一个重要依据，由于有有操作者的主动干预，铁水硅含量基本在一个控制区间内变化，很难反应炉缸活性的变化。炉芯堆积治理前，硅强度R_Si＝42.5，且呈下降趋势，如图1所示。

(3)高炉炉芯温度在治理前达到200℃以下，T＝160℃，如图2所示；

(4)十字测温中心和次中心温度测量，判断十字测温中心和次中心温度和炉况正常时比大幅升高，或大幅下降；中心温度1200℃，次中心温度为500℃，如图3所示，而正常时中心温度为600-800℃，次中心温度为300-400℃。

T₀-T′₀＝400-600℃，T₁-T′₁＝100-200℃。

其中：T₀为当前十字测温中心温度，T₁为当前十字测温次中心温度，T′₀为正常生产时十字测温中心温度，T′₁为正常生产时十字测温次中心温度。

(5)高炉炉芯堆积判断：根据高炉的吨铁热量损失ΔQ及变化趋势、硅强度R_Si及变化趋势、高炉炉芯温度及变化趋势、十字测温中心和次中心温度变化判断高炉炉芯是否堆积：

a)高炉的吨铁热量损失ΔQ＞400MJ/t，且持续上升；

b)硅强度R_Si<45，且持续下降；

c)高炉炉芯温度T<400℃，且持续下降；

d)十字测温中心和次中心温度同时满足：

T₀-T′₀＞200，T₁-T′₁＞100；

其中：T₀为当前十字测温中心温度，T₁为当前十字测温次中心温度，T′₀为正常生产时十字测温中心温度，T′₁为正常生产时十字测温次中心温度；

a)、b)、c)和d)同时满足，则高炉炉芯堆积。

基于(5)中高炉炉芯堆积判断结果，高炉炉芯堆积，则：根据气流分布特点通过布料制度和送风制度的调整来使中心死焦堆逐步消融，同时槽下系统增加中心焦仓筛孔大小，定仓接收湿熄焦，杜绝湿熄焦布到中心，优化焦丁布料时序，防止焦丁滚落到高炉中心部位。该方法基于炉芯堆积的准确和及时诊断，采取不退矿批、不加洗炉剂，以最小的代价治理炉芯堆积。

针对炉芯堆积的情况制定了先边缘压矿、构筑合理平台，然后采取中心减焦和中心压矿的技术施。先逐步压矿把布料矩阵从

改为

随后进一步抑制边缘，2档挪1圈矿石到1档改为

边平台构筑完毕后，采取了中心减焦的措施，中心焦外移至9、10档，

并定期将9档的2圈减为1圈。同时，为了配合上部调整，将风温从1185℃提高至1195℃提高下部热量，鼓风动能从15500J/s提高至16500J/s的水平，保证下部气流穿透力，促进中心死焦堆消融。炉况有好转后，采取了中心压矿的措施，将布料矩阵矿石6档增加1圈，

在这个阶段燃料比稳步下降，最低下降到507kg/t，炉芯死焦堆治理成功。

在上下部制度调整的同时，高炉槽下系统也进行一序列布料优化，将装中心焦仓的筛孔大小从35mm增大到40mm，保证布大颗粒焦炭布到高炉中心，促进死焦堆的置换，做好定仓接收湿熄焦，杜绝湿熄焦布到高炉中心部位；将焦丁布料时间提前，使焦丁布到高炉边缘部位，防止焦丁滚落到高炉中心进一步恶化中心死焦堆。

在整个炉芯堆积治理过程中关键指标变化及炉缸温度变化逐渐趋好，见图4和图5，燃料比从平均550kg/t的水平逐步降低到平均510kg/t的水平，产量也从12000t/天提升到平均13200t/天的水平；炉芯温度从150℃上升到600℃以上，侧壁温度从120℃上升到400℃以上。炉芯堆积治理完毕后，吨铁热损失从1100MJ/t-生铁下降到700MJ/t-生铁的水平，硅强度从平均40上升到平均47的水平，如图1所示。

Claims (2)

1.一种大型高炉炉芯堆积的诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于第二总热平衡计算法建立全高炉热量损失模型：计算高炉的吨铁热量损失ΔQ：ΔQ＝Q₁+Q₂+Q₃-(Q₄+Q₄+Q₅+Q₆+Q₇+Q₈+Q₉+Q₁₀)，kJ/t；

其中，Q₁为炉料带入热量，Q₂为碳燃烧放热，Q₃为热风显热，Q₄为成渣热，Q₅为直接还原热，Q₆为脱硫耗热，Q₇为铁水显热，Q₈为炉渣显热，Q₉为高价态矿石还原热，Q₁₀为炉顶煤气显热，Q₁₁为冷却水带走热；

(2)基于高炉炉缸化学反应动力学建立高炉炉缸硅的反应动力学模型：计算硅强度R_Si；

其中，L_Si为操作状态下硅元素在铁水和炉渣中的分配系数，

为平衡状态下硅元素在铁水和炉渣中的分配系数，f_Si为铁水中硅的相互作用系数，[％Si]：铁水中硅含量，

为炉渣中SiO₂活度；

(3)高炉炉芯温度T测量；

(4)十字测温中心和次中心温度测量；

(5)高炉炉芯堆积判断：

a)基于每日平均值计算高炉的吨铁热量损失ΔQ，若AQ＞400MJ/t，且持续上升；

b)基于每日平均值计算硅强度，若硅强度R_Si＜45，且持续下降；

c)每日平均高炉炉芯温度T＜400℃，且持续下降；

d)每日平均十字测温中心和次中心温度同时满足：

|T₀-T′₀|＞200℃，|T₁-T′₁|＞100℃；其中：T₀、T₁分别为当前十字测温中心和次中心温度，T′₀、T′₁分别为正常生产时十字测温中心和次中心温度；

a)、b)、c)和d)同时满足，则高炉炉芯堆积。

2.根据权利要求1所述的大型高炉炉芯堆积的诊断方法，其特征在于，基于(5)中高炉炉芯堆积判断结果，若高炉炉芯堆积，则：通过布料制度和送风制度的调整来使中心死焦堆逐步消融；同时槽下系统增加中心焦仓筛孔大小；定仓接收湿熄焦，杜绝湿熄焦布到中心；将焦丁布料时间提前，使焦丁布到高炉边缘部位。

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