CN110136781B - 一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法 - Google Patents
一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，通过构建两步式高炉模型，利用热力学计算软件FactSage，输入高炉生产数据，结合高炉生产实际情况设定计算边界条件，通过对高炉内碱金属收入项与支出项的迭代运算，得到高炉内碱金属元素富集量，并建立了碱金属元素富集量与入炉碱负荷的关系。本发明方法适用性广泛，针对性和可操作性强，可以计算出高炉内不同时期的碱金属元素富集量，并且能够预测改变入炉碱负荷对应的富集量变化，本发明还可以计算出高炉内锌和铅的富集量。
Description
技术领域
本发明涉及高炉炼铁技术领域，尤其涉及一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法。
背景技术
K、Na等是高炉原料中的微量有害碱金属元素，在高炉炼铁过程中，各种铁矿石、焦炭和煤粉中会携带入一定量的碱金属化合物，这些碱金属化合物在800～1000℃之间就能熔化。当它们进入高温区后，一部分进入炉渣，一部分则被焦炭还原为碱金属蒸气，还原出来后立即气化随高炉煤气上升，在不同的温度条件下又与其它物质反应转化为碱金属氰化物或硅酸盐等。携带着碱金属蒸气、碱金属氰化物和碱金属硅酸盐的高炉煤气在自下而上的运动过程中，在高炉上部的中低温区，K、Na是以金属和碳酸盐形式进行循环和富集，K、Na的氰化物则是在600～1600℃范围内进行循环和富集，而来不及反应和沉积的碱金属则随煤气和炉尘从炉顶排出，大部分未还原的碱金属硅酸盐随炉渣排出。
随高炉炉役的延长，炉内参与循环富集的碱金属量越来越多。碱金属在炉内的危害表现有:降低矿石的软化温度，使矿石尚未充分还原就已熔化滴落，增加了高炉下部的直接还原热量消耗；引起球团矿的异常膨胀而严重粉化；它能强化焦炭的气化反应，使其反应后强度急剧降低且粉化；造成料柱透气性严重恶化，危及生产冶炼过程进行；液态或固态碱金属粘附于炉衬上，既能使炉墙严重结瘤，又能直接破坏砖衬，对高炉炼铁造成很大危害。因此，有必要提供一种测定高炉内碱金属元素富集量的方法，从而为高炉炼铁的安全性、高效性、低能耗及高品质提供科学依据。
目前，对于高炉内碱金属循环富集的研究，大多通过研究各添加炉料种类、生产条件等因素对碱金属元素富集量的影响，并结合热力学分析，根据碱金属元素在高炉内发生的物化反应，对碱金属元素富集量进行理论计算。然而，这些方法对各企业高炉炼铁实际意义不大，实用性差，大多钢铁企业只能依据自身的冶炼实践及经验制定碱金属入炉负荷上限，往往无法做到防患于未然，在碱金属富集严重影响炉况后才被动做出调整。因此，有必要提供一种对高炉炼铁实用性强的碱金属元素富集量计算方法，为钢铁企业实际生产带来便利。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，首先构建两步式高炉模型，然后利用热力学计算软件FactSage，结合高炉生产实际情况设定计算边界条件，通过对高炉内碱金属收入与支出的迭代运算，可计算得到高炉内不同时期的碱金属元素富集量，并建立了碱金属元素富集量与入炉碱金属负荷的关系式。本发明方法适用性广泛，针对性和可操作性强，可以计算出高炉不同时期的煤气碱金属元素富集量，并且能够预测改变入炉碱负荷对应的富集量变化。
为实现上述目的，本发明提供的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，包括以下步骤：
S1.建立两步式高炉模型，并设定边界条件；
S2.根据高炉生产数据，计算各输入元素的质量，并将各输入元素的质量及步骤S1中的边界条件导入FactSage数据库；
S3.FactSage数据库计算得到高炉生产输出数据，并进行迭代运算直至达到迭代终止条件，得到各迭代次数下的碱金属含量，作为输出结果输出；
S4.根据步骤S3中的输出结果，采用绘图软件绘制出碱金属含量与对应的迭代次数的关系图；
S5.选择5-10组高炉实际生产数据，重复步骤S1-S4，根据各组高炉生产输出结果，通过线性拟合，得到碱金属元素富集量与入炉碱负荷的关系式。
进一步，所述两步式高炉模型，包括炉缸反应区和炉身低温区两个部分；所述边界条件包括炉缸反应区和炉身低温区的温度及压强。
进一步，所述炉缸反应区温度为1520～1580℃，压强为1.5～2.5atm；炉身低温区的温度为300～400℃，压强为0.9～1.2atm。
进一步，所述炉缸反应区温度设定为1550℃，压强设定为2atm；炉身低温区的温度设定为350℃，压强设定为1atm。
进一步，所述高炉模型包括新进炉料(1)、炉料及冷凝相(2)、喷吹煤粉(3)、预热鼓风(4)、渣(5)、铁(6)、炉腹煤气(7)及炉顶煤气和粉尘(8)。
进一步，步骤S2中，所述高炉生产数据包括新进炉料(1)和喷吹煤粉(3)的质量及所含各化合物的质量、鼓风量和富氧率；各输入元素包括Fe、Si、Ca、Mg、Al、Na、K、O、C、N，各元素质量通过将各化合物中所含元素质量折算得到，单位为kg/tHM；FactSage数据库包括FactPS数据库、FToxid数据库和FSstel数据库。
进一步，所述鼓风量为960～1020m3STP/tHM，富氧率为5.5～6.17％。
进一步，所述新进炉料包括多种铁矿石、焦炭和石灰石等。
进一步，步骤S3中，所述输出数据包括渣(5)、铁(6)、炉料及冷凝相(2)、炉顶煤气和粉尘(8)及炉腹煤气(7)中的元素含量；所述迭代终止条件为碱金属收入项与支出项数值相等，所述碱金属含量为支出项中碱金属含量。
进一步，所述碱金属收入项包括新进炉料(1)和喷吹煤粉(3)中的碱金属含量，支出项包括渣(5)、铁(6)及炉顶煤气和粉尘(8)中的碱金属含量。
进一步，所述炉顶逸出的粉尘中的碱金属含量通过对高炉实际生产得到的粉尘进行化学分析得到。
进一步，所述碱金属元素为K和Na。
进一步，步骤S3中，迭代运算具体步骤为：
S31.FactSage中的Equilib模块，选择FactPS、FToxid和FSstel数据库，并根据步骤S2中输入的各元素的质量及炉缸反应区边界条件，计算高炉生产得到的的渣(5)、铁(6)和炉腹煤气(7)中的元素含量；
其中，渣(5)和铁(6)离开高炉，炉腹煤气(7)参与循环与富集；
S32.将步骤S31中计算的炉腹煤气(7)中各元素含量分别加上新进炉料(1)各元素含量，选取FactPS和FToxid数据库，根据炉身低温区边界条件，计算炉料及冷凝相(2)、炉顶煤气和粉尘(8)中各元素含量；
S33.将炉料及冷凝相(2)和预热鼓风(4)中各元素含量之和作为第二次输入的各元素质量，依次重复步骤S31及S32，进行迭代运算直至达到迭代终止条件。
进一步，步骤S31中，Equilib模块计算流程包括数据库的选择、数据输入、产物选择、边界条件设定、数据输出。
进一步，步骤S31中，FactPS数据库为气相数据库，在本发明中，为炉腹煤气(7)和炉顶煤气(8)的计算提供依据；FToxid数据库为氧化物数据库，在本发明中，为高炉生产中的氧化物计算提供依据，包括MgO、SiO2、CaO、Al2O3、KAlO2、NaAlO2、FeO、Na2O、K2O、Fe2O3等，当输入元素含有其他合金元素时，还包含其他合金氧化物，如CrO、Cr2O3、Cu2O、Ti2O3、ZiO等；FSstel数据库为钢水数据库，包括Fe、Al、Mg、Mn、C、N、O、P、S、Ti等元素数据。
进一步，步骤S4中，所述绘图软件为Excel或Origin。
进一步，步骤S5中，所述碱金属元素富集量为迭代终止时炉腹煤气中的碱金属含量。
进一步，步骤S5中，将入炉碱负荷设为x，碱金属元素富集量设为y，利用Excel或Origin绘制散点图，通过线性拟合，得到两者关系式。
进一步，采用本发明提供的高炉内碱金属元素富集量的计算方法，还可以计算出高炉内有害元素Zn和Pb的富集量。Zn和Pb在高温区部分气化进入炉腹煤气，上升到低温区时又被氧化为氧化铅随炉料下降，在高炉中形成循环富集，Zn和Pb的收入项和支出项与所述碱金属的收入项和支出项相同，通过测试收入项和支出项中Zn和Pb含量，计算可得高炉内Zn和Pb的富集量。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，通过构建两步式高炉模型，利用热力学计算软件FactSage，结合高炉生产实际情况设定计算边界条件，通过对高炉内碱金属收入与支出的迭代运算，可计算得到高炉内不同时期的碱金属元素富集量；
(2)本发明还可根据多个时期生产数据，得到多组碱金属元素富集量，进一步可通过线性拟合建立碱金属元素富集量与入炉碱金属负荷的关系式。
(3)采用本发明提供的高炉内碱金属元素富集量的计算方法，还可以计算出高炉内有害元素Zn和Pb的富集量。
(4)本发明提供的炉内碱金属元素富集量的方法适用性广泛，针对性和可操作性强，可以计算出高炉不同时期的煤气碱金属元素富集量，并且能够预测改变入炉碱负荷对应的富集量变化。
附图说明
图1为本发明构建的两步式高炉模型；
图2为本发明提供的迭代运算流程图；
图3为实施例1得到的渣中碱金属含量随迭代次数的变化；
图4为实施例1得到的炉腹煤气中碱金属含量随迭代次数的变化；
图5为实施例1得到的碱金属元素富集量与入炉碱负荷的关系式。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
图1为本发明构建的两步式高炉模型，包括炉缸反应区和炉身低温区，本发明优选的炉缸反应区温度为1550℃，压强为2atm，炉身低温区为350℃，压强为1atm，高炉生产过程中从炉顶加入炉料(2)，包括多种铁矿石、焦炭及石灰石，在喷吹煤粉(3)及预热鼓风(4)作用下，炉料(2)在炉缸反应区生成铁(6)、渣(5)及炉腹气体(7)，炉腹气体(7)是炉缸燃烧带形成的煤气与其上升到炉腹途中直接还原矿石和脱硫产生的CO的总和，也就是炉缸反应区所生成的煤气量，炉腹煤气到达炉身低温区后一部分凝固得到冷凝相(2)，剩余从炉顶离开即为炉顶煤气和粉尘(8)，残留在高炉内的炉腹煤气(7)在炉身内与新进炉料(1)继续参与反应，并随着高炉炉役时间的延长，不断循环与富集。
图2为本发明提供的基于图1的两步式高炉模型的迭代运算流程图，迭代运算具体步骤为：
1)在FactSage中的Equilib模块，选择FactPS、FToxid和FSstel数据库，并根据输入的入炉原料中各元素的质量及炉缸反应区边界条件，计算高炉生产的渣(5)、铁(6)和炉腹煤气(7)的元素含量；
其中，入炉原料包括炉料(2)、预热鼓风(4)及喷吹煤粉(3)，渣(5)和铁(6)离开高炉，炉腹煤气(7)参与循环；
2)将步骤1中计算的炉腹煤气(7)中各元素含量分别加上新进炉料(1)各元素含量，选取FactPS和FToxid数据库，根据炉身低温区边界条件，计算炉料及冷凝相(2)、炉顶煤气和粉尘(8)各元素含量；
3)将炉料及冷凝相(2)和预热鼓风(4)中各元素含量之和作为第二次输入的各元素质量，依次重复步骤S3.1及S3.2，进行迭代运算直至达到迭代终止条件。
本发明提供的高炉内碱金属元素富集量的计算方法原理为：
1)首先构建如图1所示的两步式高炉模型，在高炉内加入炉料(2)、喷吹煤粉(3)及预热鼓风(4)，利用热力学计算软件FactSage，结合高炉生产实际情况设定计算边界条件(图1所示的边界条件为本发明实施例使用的优选边界条件)，然后根据高炉生产数据，计算各输入元素的质量，并将各输入元素的质量及炉缸反应区边界条件导入FactSage数据库；
2)FactSage中的FactPS、FToxid和FSstel数据库计算得到高炉生产输出数据，包括渣(5)、铁(6)、冷凝相(2)及炉腹煤气(7)的成分含量；
其中，渣(5)、铁(6)、炉顶煤气和粉尘(8)离开高炉，即为碱金属支出项，炉腹煤气(7)内碱金属含量即为碱金属元素富集量；
然后在FactSage数据库输入炉身低温区边界条件，并加入新进炉料(1)、喷吹煤粉(3)及预热鼓风(4)，同样输入各元素的质量，FactPS和FToxid数据库计算得到炉料及冷凝相(2)和炉顶煤气(8)的成分含量；
将炉料及冷凝相(2)加上预热鼓风(4)中各元素含量，作为第二次输入的各元素质量，重复步骤2的运算，进行迭代，直至碱金属收入项与支出项数值相等，此时高炉内炉腹煤气(7)中碱金属元素富集量达到最大值，迭代结束，并将各支出项碱金属含量及对应的迭代次数输出；
3)利用绘图软件，根据输出结果，绘制渣及炉腹煤气中的碱金属含量随迭代次数的变化关系图；
4)选取多组该高炉不同批次生产数据，重复步骤1-3，得到各批次生产对应的高炉内碱金属元素富集量，根据各组高炉碱金属元素富集量及对应的入炉碱负荷，通过线性拟合，得到碱金属元素富集量与入炉碱负荷的关系式。
实施例1
本实施例为某钢厂高炉内碱金属元素富集量的计算，具体计算步骤如下：
1)构建两步式高炉模型，如图1所示，将高炉分成炉缸反应区和炉身低温区两个部分。炉缸反应区的温度设定为1550℃，压强设定为2atm；炉身低温区的温度设定为350℃，压强设定为1atm；
2)基于某钢厂高炉的生产数据，计算各输入元素的质量，生产数据包括新进炉料和喷吹煤粉的质量、及鼓风量和富氧率。所加入的炉料有烧结矿、球团矿、块矿、焦炭，鼓风量为984m3STP/tHM，富氧率为6％，表1为某钢厂高炉新进炉料与喷吹煤粉的质量；
表1某钢厂高炉新进炉料与喷吹煤粉的质量
通过对新进炉料及喷吹煤粉进行成分分析，得到各入炉原料的化学成分含量，如表2所示；
表2各入炉原料的化学成分含量(％)
通过入炉原料各化学成分含量，计算得到各输入元素的质量，如表3所示；
表3所有输入元素的质量(kg/tHM)
3)将各输入元素的质量及炉缸反应区温度1550℃和压强2atm导入FactSage7.0中的Equilib模块，选择FactPS、FToxid和FSstel数据库，计算得到高炉生产的渣(5)、铁(6)和炉腹煤气(7)的元素含量，表4为计算过程中，FToxid和FSstel数据库包含的计算相；
4)将计算得到的的炉腹煤气(7)中各元素含量分别加上新进炉料(1)各元素含量，选取FactPS和FToxid数据库，根据炉身低温区边界条件，计算炉料及冷凝相(2)和炉顶煤气和粉尘(8)各元素含量；
表4 FToxid和FSstel数据库包含的计算相
5)将炉料及冷凝相(2)和预热鼓风(4)中各元素含量之和作为输入的各元素质量，依次重复步骤3和4，进行迭代运算，得到各迭代次数下的碱金属含量，直至碱金属支出项与收入项相等；其中，碱金属收入项包括新进炉料(1)和喷吹煤粉(3)中的碱金属含量，支出项包括渣(5)、铁(6)及炉顶煤气和粉尘(8)中的碱金属含量，其中，粉尘中的碱金属含量通过对高炉生产得到的粉尘进行化学分析得到，粉尘中带出的Na含量为0.042kg/tHM，K含量为0.049kg/tHM；
6)根据步骤5得到的各迭代次数下的碱金属含量，通过Origin绘制渣(5)及炉腹煤气(7)中碱金属K和Na含量随迭代次数增加的变化关系图，结果如图3和图4所示。可以看出，炉腹煤气(7)中富集的Na元素含量从最开始的0.858kg/tHM增至18.15kg/tHM，K元素含量从最开始的1.186kg/tHM增至46.39kg/tHM；K元素的富集量是K入炉碱负荷的32.92倍，Na元素的富集量是Na入炉碱负荷的16.35倍。
7)再选取6组该高炉不同批次入炉原料的数据，如表5为各批次入炉原料对应的碱负荷，重复步骤2-6，得到各批次高炉内碱金属元素富集量，利用Origin软件，将入炉碱负荷设为x，碱金属元素富集量设为y，绘制散点图，然后通过线性拟合，得到两者的关系式为y＝21.77x+12.43，相关系数R2＝0.99094。
关系式中，得到的碱金属富集量y为K和Na总的富集量。
表5某钢厂高炉不同批次入炉原料中的碱负荷(kg/tHM)
实施例2
采用实施例1相同的步骤，输入某钢厂高炉新进炉料与喷吹煤粉中包含Zn和Pb在内的所有元素质量，根据实际生产收入项和支出项中Zn和Pb的元素含量，计算出高炉内有害元素Zn和Pb的富集量随迭代次数的变化，再选取8组该高炉不同批次入炉原料的数据，计算得到各批次高炉内Zn和Pb元素富集量，利用Origin软件，将收入项中Zn和Pb元素输入质量设为x，在高炉内的富集量设为y，绘制散点图，然后通过线性拟合，得到Zn和Pb元素富集量与收入项中Zn和Pb元素含量的关系式。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.建立两步式高炉模型，并设定边界条件；
S2.根据高炉生产数据，计算各输入元素的质量，并将各输入元素的质量及步骤S1中的边界条件导入FactSage数据库；
S3.FactSage数据库计算得到高炉生产输出数据，并进行迭代运算直至达到迭代终止条件，得到各迭代次数下的碱金属含量，作为输出结果输出；
S4.根据步骤S3中的输出结果，采用绘图软件绘制出碱金属含量与对应的迭代次数的关系图；
S5.选择5-10组高炉实际生产数据，重复步骤S1-S4，分别得到高炉内各组生产数据对应的碱金属元素富集量，根据各组高炉碱金属元素富集量，通过线性拟合，得到碱金属元素富集量与入炉碱负荷的关系式。
2.根据权利要求1所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，步骤S1中，所述两步式高炉模型，包括炉缸反应区和炉身低温区两个部分；所述边界条件包括炉缸反应区和炉身低温区的温度及压强。
3.根据权利要求2所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，所述高炉模型包括新进炉料(1)、炉料及冷凝相(2)、喷吹煤粉(3)、预热鼓风(4)、渣(5)、铁(6)、炉腹煤气(7)及炉顶煤气和粉尘(8)。
4.根据权利要求2所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，所述炉缸反应区温度范围为1520～1580℃，压强为1.5～2.5atm；炉身低温区的温度为300～400℃，压强为0.9～1.2atm。
5.根据权利要求1所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，步骤S2中，所述高炉生产数据包括新进炉料(1)和喷吹煤粉(3)的质量及所含各化合物的质量、鼓风量和富氧率；各输入元素包括Fe、Si、Ca、Mg、Al、Na、K、O、C、N，各元素质量通过将各化合物中所含元素质量折算得到，单位为kg/tHM；FactSage数据库包括FactPS数据库、FToxid数据库和FSstel数据库。
6.根据权利要求1所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，步骤S3中，所述输出数据包括渣(5)、铁(6)、炉料及冷凝相(2)、炉顶煤气和粉尘(8)及炉腹煤气(7)中的元素含量；所述迭代终止条件为碱金属收入项与支出项数值相等；所述碱金属含量为各支出项中碱金属含量。
7.根据权利要求6所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，所述碱金属收入项包括新进炉料(1)和喷吹煤粉(3)中的碱金属含量，支出项包括渣(5)、铁(6)及炉顶煤气和粉尘(8)中的碱金属含量。
8.根据权利要求6所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，迭代运算具体步骤为：
S31.FactSage中的Equilib模块，选择FactPS、FToxid和FSstel数据库，并根据步骤S2中输入的各元素的质量及炉缸反应区边界条件，计算高炉生产的渣(5)、铁(6)和炉腹煤气(7)中的元素含量；
其中，渣(5)和铁(6)离开高炉，炉腹煤气(7)参与循环；
S32.将步骤S31中计算的炉腹煤气(7)中各元素含量分别加上新进炉料(1)中各元素含量，选取FactPS和FToxid数据库，根据炉身低温区边界条件，计算炉料及冷凝相(2)、炉顶煤气和粉尘(8)中各元素含量；
S33.将炉料及冷凝相(2)和预热鼓风(4)中各元素含量之和作为输入的各元素质量，依次重复步骤S31及S32，进行迭代运算直至达到迭代终止条件。
9.根据权利要求1所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，步骤S5中，所述碱金属元素富集量为迭代终止时炉腹煤气(7)中的碱金属含量；碱金属元素富集量与入炉碱负荷关系式是通过Excel或Origin绘制散点图，然后通过线性拟合得到。
10.根据权利要求1所述的一种高炉内碱金属元素富集量的计算方法，其特征在于，根据步骤S1-S5所述的方法，还可以计算出高炉内Zn和Pb的富集量。
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