CN110628974A - 一种基于炉缸安全液面的操作决策方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于高炉炼铁技术领域，具体公开了一种基于炉缸安全液面的操作决策方法及系统，通过采集炉前出铁、装料、炉缸等相关参数，计算炉缸安全渣铁量、炉前出渣铁流速量、炉内渣铁生成量、炉缸渣铁累计量等相关数据，进行数据组合和展示，建立起炉缸安全液面的操作决策系统，用数据指导炉前出铁的开堵口及铁口直径大小等相关操作和选择，实现对炉前出铁的精细化管理，解决了炉前出铁经验化、粗放化的问题，提高炉况稳定性。

Description

一种基于炉缸安全液面的操作决策方法及系统

技术领域

本发明涉及高炉炼铁技术领域，特别是涉及一种基于炉缸安全液面的操作决策方法及系统。

背景技术

高炉出铁是指从铁口排放渣铁的的一个过程，分为开口、出渣铁、堵口、炮泥装填、钻杆更换等步骤。炉前出铁是高炉生产的重要组成环节，随着管理精益化的提高及高炉的大型化，炉前出铁越发重要。但是由于炉前高温、煤气等较差的工作环境，传统炉前的生产管控模式较为粗放。

传统的炉前出铁管理模式只是简单规定出铁时间及两炉铁之间的时间间隔，具体操作由炉前工人根据经验及出铁状态来进行开堵口操作，正常的操作一般是来风堵铁口，然后再开铁口的模式。整个过程中没有关注排出渣铁量及入炉的料批数之间的关系，铁口直径大小的选择、炮泥使用量的多少，也缺乏相关数据支撑炉前精细化管控，导致炉前出铁组织不畅，使得炉缸残存铁量发生较大变化，影响炉缸铁量平衡，造成炉缸渣铁液面起伏，进而影响炉况的不顺，降低其稳定性，直接影响高炉生产的正常运行状况。

随着高炉装备自动化及物联网技术的提高，对高炉生产相关的数据采集范围、精确度等有较大的提高，目前很多生产现象都可以通过机理模型进行数据化，来代替传统的经验化管理和生产模式。因此，炉前出铁也需要一种精细化的生产管理模式，以替代目前粗放式、经验式的生产模式，保证大型高炉安全稳定运行。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于炉缸安全液面的操作决策系统及方法，用于解决炉前出铁经验化、粗放化的问题，以炉缸安全液面进行出铁精细化管理，使得出铁时间合适稳定、次数降低，降低因出铁不畅导致高炉憋风事件的发生及炉缸液面过高对风口侵蚀。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种基于炉缸安全液面的操作决策方法，包括如下步骤：

(1)计算炉缸安全渣铁量：以风口中心线到铁口中心线的炉缸体积作为炉缸安全渣铁量体积，然后乘以铁水密度计算炉缸安全渣铁量；

(2)计算炉前出渣铁流速量：通过铁水流速加上炉渣流速计算得到炉前出渣铁流速量；

(3)计算炉内渣铁生成量和炉缸渣铁累计量：采集炉顶上料时的炉料信息，计算批铁量、批渣量和批料时间；用批铁量、批渣量和批料时间计算得到炉内渣铁生成量；用炉内渣铁生成量减去炉前出渣铁流速量得到渣铁剩余量，对渣铁剩余量进行累加计算得到炉缸渣铁累计量。

(4)根据炉前出渣铁流速量、炉内渣铁生成量的变化，并对炉内渣铁累计量与炉缸安全渣铁量进行对比分析，指导炉前开堵口时间及选择铁口直径大小。

进一步，步骤(4)中，当炉前出渣铁流速量突然降低时，炉前检查铁口是否被卡铁口，当炉前出渣铁流速量逐渐增大到接近最大安全铁水流速时，炉前要检查铁口状况并做好堵口准备；当炉前出渣铁流速量突然降低时，炉前要检查铁口是否被卡住；当炉内渣铁生成量减小时，料速降低，炉缸渣铁累计量增加，下次开口时增加铁口直径或者提前打开另外一个铁口；当炉内渣铁生成量增加时，料速变快，炉缸渣铁累计量减小，下次开口时减小铁口直径或者堵口后延长间隔时间再开口；当炉缸渣铁累计量接近炉缸安全渣铁量时，开口或者炉内适当减风控制料速。其中，铁口直径大小的选择通过选择钻头的大小来控制，炉前使用的钻头一般有Φ40mm、Φ45mm、Φ50mm、Φ60mm等几种直径，需要增加铁口直径时，开铁口时选择直径较大的钻头，需要减小铁口直径时，开铁口时选择直径较小的钻头。

进一步，步骤(1)中，所述炉缸安全渣铁量体积还需加上炉缸耐材侵蚀体积，然后除乘以铁水密度计算炉缸安全渣铁量，所述炉缸安全渣渣铁量的计算公式如下：

式中：d—为炉缸直径，m；x—为炉缸耐材侵蚀平均厚度，m；γ_铁—铁水密度(7.0t/m³)；△h—风口中心线到铁口中心线的高度，m。

在实际生产中，炉缸会受到液态渣铁冲刷侵蚀，造成耐材的厚度不断减少，所以安全容铁量是随着炉龄的变化而改变的，在计算炉缸安全渣铁量体积时要加上耐材侵蚀这部分的体积，x是通过炉缸侵蚀模型计算的圆周方向侵蚀的平均厚度。

进一步，步骤(3)中，所述炉料信息包括炉顶上料开始时间、结束时间、料批重量、原燃料检化验成分数据。

进一步，所述原燃料检化验成分数据包括原燃料的化学成分含量，所述原燃料包括焦炭和矿石，所述矿石包括烧结矿、块矿、球团矿等，所述化学成分包括Fe、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、MnO、TiO2、S、P等。

进一步，步骤(3)中，所述批铁量计算公式如下：

G_铁＝(XT_Fe)/w_铁η_铁

式中：G_铁为批铁量，t；X为批重，t；T_Fe为批料中铁百分数，％；w_铁为铁水中铁的百分数，％；η_铁铁水收得率，％。

进一步，步骤(3)中，所述批渣量计算公式如下：

G_渣＝(XT_CaO+XT_SiO2+XT_MgO+XT_Al2O3)/η_渣

式中：G_渣为批渣量，t；X为批重，t；T_CaO为批料中CaO百分数，％；T_SiO2为批料中SiO2百分数，％；T_MgO为批料中MgO百分数，％；T_Al2O3为批料中Al2O3百分数，％；η_渣为炉渣收得率，％。

进一步，所述炉内渣铁生成量计算公式如下：

G_v＝(G_铁+G_渣)/T

式中：G_v为炉内渣铁生成量，t/min；G_铁为批铁量，t；G_渣为批渣量，t；T为批料时间，min。

进一步，步骤(3)中，所述炉缸渣铁累计量的计算公式如下：

G_累＝∑(G_v-G_流)

式中：G_累为炉缸渣铁累计量，t；G_v为炉内渣铁生成量，t/min；G_流为炉前出渣铁流速量，t/min。

目前高炉炉前出铁相关数据如铁水流速、炉渣流速等数据可以通过相关设备采集进行计算得出，其中，铁水流速通过轨道衡上的称重仪器采集铁水重量的变化从而计算得到，炉渣流速通过采集水渣皮带上的渣铁扣除水分后的重量变化从而计算得到。

本发明第二方面提供一种基于炉缸安全液面的操作决策系统，采用如上所述的方法，所述系统包括：

炉缸安全渣铁量计算模块，用于根据炉缸安全渣铁量体积乘以铁水密度计算得到炉缸安全渣铁量；

炉前出渣铁流速量计算模块，用于根据铁水流速和炉渣流速之和计算得到炉前出渣铁流速量；

炉内渣铁生成量计算模块，用于根据批铁量、批渣量和批料时间计算得到炉内渣铁生成量；

炉缸渣铁累计量计算模块，用于根据炉内渣铁生成量减去炉前出渣铁流速量得到渣铁剩余量，对渣铁剩余量进行累加计算得到炉缸渣铁累计量；

数据分析模块，用于将炉缸渣铁累计量与炉缸安全渣铁量进行比较，确定使炉缸保持安全液面的炉前开堵口时间及铁口直径。

累计累计累计

如上所述，本发明的基于炉缸安全液面的操作决策方法及系统，具有以下有益效果：本发明通过采集炉前出铁、装料、炉缸等相关参数，计算炉缸安全渣铁量、炉前出渣铁流速、炉内渣铁生成量、炉缸渣铁累计量等相关数据，进行数据组合和展示，建立起一种炉缸安全液面的操作决策方法和系统，用数据指导炉前出铁的开堵口及铁口直径大小等相关操作和选择，实现对炉前出铁的精细化管理，使得出铁时间合适稳定、次数降低，减少因出铁不畅导致高炉憋风、因炉缸液面过高而导致渣铁对风口侵蚀损坏等事故的发生，提高炉况稳定性。本发明解决了炉前出铁经验化、粗放化的问题，使得炉前出铁由粗放式、经验式向数字化转变，提高了炉缸安全性，提高炉前出铁及炉况的稳定性，可降低耗材的使用，节约成本。

附图说明

图1显示为本发明实施例中炉缸安全液面操作决策方法的流程图。

图2显示为本发明实施例中的炉缸安全液面操作决策系统的结构示意图。

图3显示为本发明实施例中炉缸安全液面操作决策系统的画面示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

具体实施过程如下：

本发明提供一种基于炉缸安全液面的操作决策方法，以3200m³高炉为列。

(1)计算炉缸安全渣铁量

由施工设计图查找炉缸直径d为12.6m，根据炉缸侵蚀模型计算当前耐材侵蚀平均厚度x为0.4m(具体计算方式可参考《准三维法在高炉炉缸内衬轴截面侵蚀计算的应用》，孙首群等，钢铁研究学报，2015，27(12)，P25-29)，铁水密度γ_铁为7.0t/m³，风口中心线到铁口中心线高度△h为1.2m，通过公式①计算得到目前炉缸安全渣铁量为710t。

公式①：炉缸安全渣铁量的计算公式如下：

式中：d—为炉缸直径，m；x—为炉缸耐材侵蚀平均厚度，m；γ_铁—铁水密度(7.0t/m³)；△h—风口中心线到铁口中心线的高度,m。

(2)计算炉前出渣铁流速量

炉外出铁是一个开口、堵口不断交替的过程，开口时渣铁流速较慢，随着铁口被铁水侵蚀，铁口直径不断扩大，渣铁流速变快，而来风喷溅后渣铁流速又会降低；在出铁过程中，一般都有一个最大安全铁水速度。

炉缸的渣铁由铁口进行排放，当一个铁口渣铁来风喷溅后堵口打开，另外一个铁口继续排放渣铁(炉容较小时设置一个铁口，堵口后待铁口干燥继续打开此铁口)。在出铁过程中，从铁口流出的是渣铁混合物，按照其密度不同进行物理分离，分别流入铁水灌和炉渣处理系统，在此过程中，铁水灌有配套的称重仪器，可以测量出铁水重量的变化进而计算铁水流速；炉渣通过皮带运输可以测得含有水分的炉渣重量变化进而计算炉渣流速。

具体的最大安全铁水流速以实际生产为准，具体的炉前出渣铁流速量以铁水流速和渣铁流速的实测值计算得到为准。

(3)计算炉内渣铁生成量和炉缸渣铁累计量

炉内渣铁生成量以炉顶上料的批渣量和批铁量进行计算。炉顶装入料按照焦炭、矿石交替装入炉内，物料的料批重量、检化验成分、上料开始时间、结束时间等数据可以通过PLC或其他外部数据源采集得到。把上料开始时间到上料结束时间这个过程称为批料时间。

通过炉顶装料实时采集入炉料的相关信息，如目前炉顶装入矿批重量X为90.5t、焦批重量X为18.3t，匹配当前原燃料检化验成分的数据，其中T_Fe为56.63％、w_铁为94.4％、铁水收得率η_铁为98.5％，T_CaO为39.83％、T_SiO2为33.97％、T_MgO为8.7％、T_Al2O3为14.0％、炉渣收得率η_渣为103.63％，通过公式②和③计算得到批铁量55.12t、批渣量17.04t；通过炉顶上料开始时间和结束时间计算得到批料时间为12min，通过公式④计算得到炉内渣铁生成量为6.01t/mim。一批料结束后再采集下一批料的批重、检化验数据、批料时间等信息，计算该批料的炉内渣铁生成量。

炉缸渣铁累计量：用炉内渣铁生成量减去炉前出渣铁流速量得到渣铁剩余量，对渣铁剩余量进行累加计算得到炉缸渣铁累计量，计算公式如⑤所示。

公式②：批铁量计算公式如下：

G_铁＝(XT_Fe)/w_铁η_铁

式中：G_铁为批铁量，t；X为批重，t；T_Fe为批料中铁百分数，％；w_铁为铁水中铁的百分数，％；η_铁铁水收得率，％。

公式③：批渣量计算公式如下：

G_渣＝(XT_CaO+XT_SiO2+XT_MgO+XT_Al2O3)/η_渣

式中：G_渣为批渣量，t；X为批重，t；T_CaO为批料中CaO百分数，％；T_SiO2为批料中SiO2百分数，％；T_MgO为批料中MgO百分数，％；T_Al2O3为批料中Al2O3百分数，％；η_渣为炉渣收得率，％。

公式④：炉内渣铁生成量计算公式如下：

G_v＝(G_铁+G_渣)/T

式中：G_v为炉内渣铁生成量，t/min；G_铁为批铁量，t；G_渣为批渣量，t；T为批料时间，min。

公式⑤：炉缸渣铁累计量的计算公式如下：

G_累＝∑(G_v-G_流)

式中：G_累为炉缸渣铁累计量，t；G_v为炉内渣铁生成量，t/min；G_流为炉前出渣铁流速量，t/min；。(4)根据炉前出渣铁流速量、炉内渣铁生成量的变化，并对炉内渣铁累计量与炉缸安全渣铁量进行对比分析，指导炉前开堵口时间及选择铁口直径大小。

正常出铁情况下，炉内渣铁生成量与炉前出渣铁流速量基本维持在一个合理范围内，炉缸渣铁累计量在小幅度范围内进行波动。

1、刚打开出铁口时，由于铁口较小，炉前出渣铁流速量较慢，随着铁口直径侵蚀扩大，炉前出渣铁流速量逐渐增大，一定炉容下有最大安全铁水流速，当炉前出渣铁流速量接近最大安全铁水流速时，炉前要检查铁口状况并做好堵口准备；当炉前出渣铁流速量突然降低时，炉前要检查铁口是否被卡住。

2、一般来说，炉内渣铁生成量在批重及检化验数据没有变化的情况下基本维持稳定。当炉内渣铁生成量减小时，料速降低，炉缸渣铁累计量增加，说明炉外出铁排放不及时，下次开口时增加铁口直径或者提前打开另外一个铁口；当炉内渣铁生成量增加时，料速变快，炉缸渣铁累计量减小，说明炉外出铁排放过快，下次开口时减小铁口直径或者堵口后延长间隔时间再开口。

3、炉缸渣铁累计量会在一定范围内波动，堵口到打开铁口后这一段时间段内炉缸渣铁累计量会增加，后续正常出铁过程中炉缸渣铁累计量会逐渐降低。当炉缸渣铁累计量持续增加接近炉缸安全渣铁量时，炉外必须打开另外一个铁口及时排放渣铁或者炉内适当减风控制料速。

如图2所示，本发明提供一种基于炉缸安全液面的操作决策系统，所述系统包括：

炉缸安全渣铁量计算模块，用于根据炉缸安全渣铁量体积乘以铁水密度计算得到炉缸安全渣铁量；

炉前出渣铁流速量计算模块，用于根据铁水流速和炉渣流速之和计算得到炉前出渣铁流速量；

炉内渣铁生成量计算模块，用于根据批铁量、批渣量和批料时间计算得到炉内渣铁生成量；

炉缸渣铁累计量计算模块，用于根据炉内渣铁生成量减去炉前出渣铁流速量得到渣铁剩余量，对渣铁剩余量进行累加计算得到炉缸渣铁累计量；

数据分析模块，用于将炉缸渣铁累计量与炉缸安全渣铁量进行比较，确定使炉缸保持安全液面的炉前开堵口时间及铁口直径。

由于本系统实施例的技术原理与前述方法实施例的技术原理相似，因此不再对同样的技术细节做重复性赘述。

图3显示为本操作决策系统的画面示意图，上面通过趋势线可实时显示炉内渣铁生成量、铁水流速、炉渣流速(即渣流速)、炉缸渣铁累计量(即渣铁累计)等数据的变化情况，便于实时监控相关信息，方便及时调整操作。

综上所述，本发明通过炉缸安全液面操作决策方法及系统的建立，实现了炉外出铁数据化、精细化管理，解决了炉前出铁经验化、粗放化的问题，降低了因出铁不畅导致生产的波动，同时减少炉外生产事故的发生。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于炉缸安全液面的操作决策方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)计算炉缸安全渣铁量：以风口中心线到铁口中心线的炉缸体积为炉缸安全渣铁量体积，然后乘以铁水密度计算炉缸安全渣铁量；

(2)计算炉前出渣铁流速量：通过铁水流速和加上炉渣流速计算炉缸实时排放量，得到炉前出渣铁流速量；

(3)计算炉内渣铁生成量和炉缸渣铁累计量：采集炉顶上料时的炉料信息，计算批铁量、批渣量和批料时间；用批铁量、批渣量和批料时间计算得到炉内渣铁生成量；用炉内渣铁生成量减去炉前出渣铁流速量得到渣铁剩余量，对渣铁剩余量进行累加计算得到炉缸渣铁累计量。

(4)根据炉前出渣铁流速量、炉内渣铁生成量的变化，并对炉内渣铁累计量与炉缸安全渣铁量进行对比分析，指导炉前开堵口时间及选择铁口直径大小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，当炉前出渣铁流速量突然降低时，炉前检查铁口是否被卡铁口，当炉前出渣铁流速量逐渐增大到接近最大安全铁水流速时，炉前要检查铁口状况并做好堵口准备；当炉前出渣铁流速量突然降低时，炉前要检查铁口是否被卡住；

当炉内渣铁生成量减小时，料速降低，炉缸渣铁累计量增加，下次开口时增加铁口直径或者提前打开另外一个铁口；当炉内渣铁生成量增加时，料速变快，炉缸渣铁累计量减小，下次开口时减小铁口直径或者堵口后延长间隔时间再开口；

当炉缸渣铁累计量接近炉缸安全渣铁量时，开口或者炉内适当减风控制料速。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述炉缸安全渣铁量体积还需加上炉缸耐材侵蚀体积，然后除乘以铁水密度计算炉缸安全渣铁量，所述炉缸安全渣渣铁量的计算公式如下：

式中：d—为炉缸直径，m；x—为炉缸耐材侵蚀平均厚度，m；γ_铁—铁水密度(7.0t/m³)；

△h—风口中心线到铁口中心线的高度，m。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述炉料信息包括炉顶上料开始时间、结束时间、料批重量、原燃料检化验成分数据。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述原燃料检化验成分数据包括原燃料的化学成分含量，所述原燃料包括焦炭和矿石，所述矿石包括烧结矿、块矿、球团矿等，所述化学成分包括Fe、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、MnO、TiO2、S、P等。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述批铁量计算公式如下：

G_铁＝(XT_Fe)/w_铁η_铁

式中：G_铁为批铁量，t；X为批重，t；T_Fe为批料中铁百分数，％；w_铁为铁水中铁的百分数，％；η_铁铁水收得率，％。

7.根据权利要求1所述的基于炉缸安全液面的操作决策系统，其特征在于，步骤(3)中，所述批渣量计算公式如下：

G_渣＝(XT_CaO+XT_SiO2+XT_MgO+XT_Al2O3)/η_渣

式中：G_渣为批渣量，t；X为批重，t；T_CaO为批料中CaO百分数，％；T_SiO2为批料中SiO2百分数，％；T_MgO为批料中MgO百分数，％；T_Al2O3为批料中Al2O3百分数，％；η_渣为炉渣收得率，％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉内渣铁生成量计算公式如下：

G_v＝(G_铁+G_渣)/T

式中：G_v为炉内渣铁生成量，t/min；G_铁为批铁量，t；G_渣为批渣量，t；T为批料时间，min。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述炉缸渣铁累计量的计算公式如下：

G_累＝∑(G_v-G_流)

式中：G_累为炉缸渣铁累计量，t；G_v为炉内渣铁生成量，t/min；G_流为炉前出渣铁流速量，t/min。

10.一种基于炉缸安全液面的操作决策系统，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法，所述系统包括：

炉缸安全渣铁量计算模块，用于根据炉缸安全渣铁量体积乘以铁水密度计算得到炉缸安全渣铁量；

炉前出渣铁流速量计算模块，用于根据铁水流速和炉渣流速之和计算得到炉前出渣铁流速量；

炉内渣铁生成量计算模块，用于根据批铁量、批渣量和批料时间计算得到炉内渣铁生成量；

炉缸渣铁累计量计算模块，用于根据炉内渣铁生成量减去炉前出渣铁流速量得到渣铁剩余量，对渣铁剩余量进行累加计算得到炉缸渣铁累计量；

数据分析模块，用于将炉缸渣铁累计量与炉缸安全渣铁量进行比较，确定使炉缸保持安全液面的炉前开堵口时间及铁口直径。