CN111427388B - 一种高炉炉缸凝铁层控制系统及方法 - Google Patents

一种高炉炉缸凝铁层控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高炉炉缸凝铁层控制系统及方法，系统包括：服务器和客户端，其中，服务器包括参数采集模块，用于采集操作数据和原料数据；参数处理子系统，用于根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；客户端包括参数输入模块，用于输入变化的操作参数；通过参数输入模块改变操作参数，再通过参数处理子系统获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制；本发明通过定量描述操作参数和原料条件对凝铁层厚度及形成时间的影响，实现了操作参数与炉缸状态的联动，可以指导高炉操作者调整操作参数和原料条件来实现炉缸稳定的凝铁层厚度，使炉缸凝铁层稳定存在，确保了炉缸安全生产。

Description

一种高炉炉缸凝铁层控制系统及方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，尤其涉及一种高炉炉缸凝铁层控制系统及方法。
背景技术
高炉长寿是现代化大型高炉的必然需求，高炉炉缸部位的寿命是高炉寿命的限制性环节，在高强度冶金条件下，高炉炉缸凝铁层的存在是保障高炉寿命的必要条件，凝铁层对保护炉缸炭砖免受铁水侵蚀，延长炉缸寿命，具有重要意义。
凝铁层的形成与脱落与设计条件、操作参数和原料条件关系密切，但是，当高炉生产时，则主要是操作参数和原料条件影响凝铁层的形成与脱落，目前，还没有关于操作参数和原料条件定量影响凝铁层厚度及形成时间的相关研究，不能定量描述操作参数和原料条件对凝铁层厚度及形成时间的影响，指导高炉操作者调整操作参数和原料条件来实现炉缸稳定的凝铁层厚度，无法确保炉缸安全生产。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种高炉炉缸凝铁层控制系统及方法，以解决上述技术问题。
本发明提供的高炉炉缸凝铁层控制系统，包括：服务器和客户端，其中，所述服务器包括
参数采集模块，用于采集操作数据和原料数据；
参数处理子系统，用于根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；
所述客户端包括
参数输入模块，用于输入变化的操作参数；
通过所述参数输入模块改变操作参数，再通过参数处理子系统获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制。
可选的，所述参数处理子系统包括
回旋区计算模块，用于根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度以及死料柱直径；
铁水流速计算模块，用于获取铁口区的铁水流速；
铁水换热系数计算模块，用于根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；
炉缸初始状态计算模块，用于获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度；
炉缸凝铁层形成和脱落计算模块，用于获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间。
可选的，所述客户端还包括显示模块，用于显示改变操作参数后达到新平衡过程中的凝铁层厚度随时间的变化趋势。
可选的，所述客户端还包括报警模块，用于根据炉缸的安全状态向操作人员发出提醒信息。
本发明还提供一种高炉炉缸凝铁层控制方法，包括：
采集操作数据和原料数据；
根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；
改变操作参数，根据改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，获取凝铁层厚度随时间的变化趋势，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制。
可选的，根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度；
通过所述回旋区深度获取铁口区的铁水流速；
根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；
获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度。
获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，进而获取凝铁层厚度随时间的变化趋势。
可选的，所述操作数据包括鼓风参数，根据所述鼓风参数获取鼓风动能，根据所述鼓风动能获取所述回旋区深度，以及，根据所述回旋区深度获取当前操作条件下的死料柱直径，进而获取所述铁水流速。
可选的，根据铁水流速、温度密度、粘度、导热系数、比热及炉缸的特征尺寸，利用液态金属换热系数公式，计算炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数。
可选的，预先建立炉缸侵蚀模型，所述操作数据还包括炉缸温度数据，将所述炉缸温度数据输入至炉缸侵蚀模型获取炉缸耐材参与厚度和凝铁层厚度。
可选的，根据炉内热量传递动态平衡关系获取凝铁层厚度与时间的关系，结合原料数据获取改变操作参数后凝铁层厚度与时间变化的关系。
可选的，通过如下公式获取凝铁层厚度与时间的关系
Figure BDA0002453072380000031
其中，αx为铁水对凝铁层的换热系数，ti为铁水温度，ts为凝铁层的凝固温度，ρs为凝铁层的密度，hs为凝固潜热，Ls为凝铁层厚度，τ：时间，λs为凝铁层导热系数，Lz为炭砖厚度，λz为炭砖导热系数，Lb为冷却壁热面至冷却水管中心的距离，λb为冷却壁导热系数，aw为冷却水换热系数，tw为冷却水温度。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法。
本发明还提供一种电子终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如上述中任一项所述方法。
本发明的有益效果：本发明中的高炉炉缸凝铁层控制系统及方法，通过定量描述操作参数和原料条件对凝铁层厚度及形成时间的影响，实现了操作参数与炉缸状态的联动，可以指导高炉操作者调整操作参数和原料条件来实现炉缸稳定的凝铁层厚度，使炉缸凝铁层稳定存在，确保了炉缸安全生产。
附图说明
图1是本发明实施例中高炉炉缸凝铁层控制系统的结构示意图。
图2是本发明实施例中高炉炉缸凝铁层控制系统的方法炉缸凝铁层厚度控制逻辑示意图。
图3是本发明实施例中高炉炉缸凝铁层控制方法的改变操作参数后炉缸凝铁层的变化趋势示意图。
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。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例难以理解。
如图1所示，本实施例中的高炉炉缸凝铁层控制系统，包括：服务器和客户端，其中，所述服务器包括
参数采集模块，用于采集操作数据和原料数据；
参数处理子系统，用于根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；
所述客户端包括
参数输入模块，用于输入变化的操作参数；
通过所述参数输入模块改变操作参数，再通过参数处理子系统获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制。
在本实施例中，参数处理子系统包括
回旋区计算模块，用于根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度以及死料柱直径；
铁水流速计算模块，用于获取铁口区的铁水流速；
铁水换热系数计算模块，用于根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；
炉缸初始状态计算模块，用于获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度；
炉缸凝铁层形成和脱落计算模块，用于获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间。
在本实施例中，服务器中的参数处理子系统主要用于数据的后台处理，通过数据采集模块对操作数据和原料数据进行采集，通过回旋区计算模块来计算回旋区深度，进而计算死料柱直径，通过铁水流速计算模块根据炉内操作条件计算铁口区的铁水流速，通过铁水换热系数计算模块根据铁水流速计算炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数，通过炉缸初始状态计算模块根据炉缸热电偶温度计算炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度，通过炉缸凝铁层形成和脱落计算模块改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间。
在本实施例中，客户端主要包括参数输入模块、显示模块和报警模块，其中，通过参数输入模块输入变化的操作参数，通过显示模块来显示达到新过程中凝铁层厚度随时间的变化趋势，通过报警模块提醒操作人员炉缸的安全状态，以便采取相应措施。
相应的，本实施例还提供一种高炉炉缸凝铁层控制方法，包括：
采集操作数据和原料数据；
根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；
改变操作参数，根据改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，获取凝铁层厚度随时间的变化趋势，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制。
在本实施例中，根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度；通过所述回旋区深度获取铁口区的铁水流速；根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度；获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，进而获取凝铁层厚度随时间的变化趋势。
在本实施例中，如图2所示，
S11，通过数据采集模块对操作数据和原料数据进行采集，通过回旋区计算模块来计算回旋区深度，具体步骤为先确定回旋区深度与鼓风参数和喷煤比的关系，根据鼓风参数计算出鼓风动能。
鼓风动能E与风口质量流量m和风口风速vOT有关，
Figure BDA0002453072380000051
其中，
Figure BDA0002453072380000052
Figure BDA0002453072380000053
VB-高炉入炉送风量，m3/min；
Figure BDA0002453072380000054
-氧气量，m3/min；
WB-鼓风湿度，g/m3； n—风口个数；
Sf-风口面积，m2； TB-热风温度，K；
PB-热风压力，kPa； T0-标态风温度，K；
P0-标态风压力，kPa。
再根据故能功能计算风口回旋区深度，回旋区深度DR可用经验公式计算
DR＝0.88+0.000092E-0.00031Pc/n 式(2)
其中，Pc-喷煤量，kg/h。
S12.计算铁水流速，具体步骤为：
根据高炉流场计算数据或实验测定数据，回归出铁水流速u与死料柱半径r、死料柱空隙率ε以及利用系数ηv之间，即：
u＝f(r,ε,ηv) 式(3)
再根据步骤S11中输入的操作参数计算出回旋区深度DR，计算出当前操作条件下的死料柱半径r，r＝d/2-DR,d为炉缸直径。
根据当前死料柱半径，结合输入的高炉利用系数ηv，死料柱空隙率ε，
利用式(3)，即可算出铁水流速。
S13.计算铁水换热系数，可以根据铁水流速、温度密度、粘度、导热系数、比热及炉缸的特征尺寸等，利用液态金属换热系数公式，计算炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数，可选的，具体步骤为：
根据铁水流速u，计算出皮克列准数
Figure BDA0002453072380000061
其中，x为特征尺寸,m，需根据高炉炉缸直径大小确定；a为导温系数，m2/s。
根据皮克列准数计算铁水换热系数αx，
Figure BDA0002453072380000062
S14.计算操作参数改变前的炉缸侵蚀状态
根据炉缸热电偶温度数据，利用炉缸侵蚀模型，计算出炉缸耐材残余厚度和凝铁层厚度。
S15.凝铁层形成或脱落过程中厚度随时间的变化
根据炉内热量传递动态平衡关系式，积分得到凝铁层厚度与时间的关系式。
Figure BDA0002453072380000071
αx：铁水对凝铁层的换热系数，w/m2.℃；
ti：铁水温度，℃；
ts：凝铁层的凝固温度，℃；
ρs：凝铁层的密度，kg/m3；
hs：凝固潜热，J/Kg；
Ls：凝铁层厚度，m；
τ：时间，s；
λs：凝铁层导热系数，w/m.℃；
Lz：炭砖厚度，m；
λz：炭砖导热系数，w/m.℃；
Lb：冷却壁热面至冷却水管中心的距离，m；
λb：冷却壁导热系数，w/m.℃；
aw：冷却水换热系数，w/m2.℃；
tw：冷却水温度，℃。
将步骤S13中计算的铁水换热系数和步骤S14中计算的初始碳砖厚度和凝铁层厚度代入上面式(6)中，结合炉缸设计参数，可以计算出改变操作参数后凝铁层厚度随时间的变化关系，通过这种方式实现了操作参数与炉缸状态的联动，可以通过调整操作参数来实现炉缸凝铁层的稳定存在，确保炉缸安全生产。
下面以一个具体实施例做详细的说明：
某高炉炉缸的设计条件:
铸铁冷却壁厚度，Lb＝0.16/2＝0.08m，λb＝39w/m.℃；
大块碳砖厚度，Lz＝0.378m，导热系数λz＝18w/m.℃；
凝铁层导热系数初始厚度Ls＝0.0225mλs＝3w/m.℃；
凝铁层熔化温度，1150℃；
凝铁层密度，ρs＝2200kg/m3，熔化潜热hs＝1015KJ/Kg
冷却水，水速1.3m/s，水温35℃；
炉缸初始操作参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002453072380000081
改变后的操作参数，如表2所示：
表2
Figure BDA0002453072380000082
Figure BDA0002453072380000091
操作参数改变后，最终平衡态凝铁层厚度为43.4mm，凝铁层厚度从初始状态22.5mm到最终平衡态需要的时间解析解为100小时，但从图3所示的趋势图来看，在操作参数改变10小时后，凝铁层厚度接近43.4mm，而操作者可重点参考接近解析解的时间。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本实施例中的任一项方法。
本实施例还提供一种电子终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行本实施例中任一项方法。
本实施例中的计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序相关的硬件来完成。前述的计算机程序可以存储于一计算机可读存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本实施例提供了系统的结构示意图，本实施例提供的电子终端，包括处理器、存储器、收发器和通信接口，存储器和通信接口与处理器和收发器连接并完成相互间的通信，存储器用于存储计算机程序，通信接口用于进行通信，处理器和收发器用于运行计算机程序，使电子终端执行如上方法的各个步骤。
在本实施例中，存储器可能包含随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
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 (11)

1.一种高炉炉缸凝铁层控制系统，其特征在于，包括：服务器和客户端，其中，所述服务器包括
参数采集模块，用于采集操作数据和原料数据；
参数处理子系统，用于根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；
所述客户端包括
参数输入模块，用于输入变化的操作参数；
通过所述参数输入模块改变操作参数，再通过参数处理子系统获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制；
根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度；
通过所述回旋区深度获取铁口区的铁水流速；
根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；
获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度；
获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，进而获取凝铁层厚度随时间的变化趋势；
通过如下公式获取凝铁层厚度与时间的关系
Figure FDA0003761769670000011
其中，αx为铁水对凝铁层的换热系数，ti为铁水温度，ts为凝铁层的凝固温度，ρs为凝铁层的密度，hs为凝固潜热，Ls为凝铁层厚度，τ：时间，λs为凝铁层导热系数，Lz为炭砖厚度，λz为炭砖导热系数，Lb为冷却壁热面至冷却水管中心的距离，λb为冷却壁导热系数，aw为冷却水换热系数，tw为冷却水温度。
2.根据权利要求1所述的高炉炉缸凝铁层控制系统，其特征在于，所述参数处理子系统包括
回旋区计算模块，用于根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度以及死料柱直径；
铁水流速计算模块，用于获取铁口区的铁水流速；
铁水换热系数计算模块，用于根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；
炉缸初始状态计算模块，用于获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度；
炉缸凝铁层形成和脱落计算模块，用于获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间。
3.根据权利要求1所述的高炉炉缸凝铁层控制系统，其特征在于，所述客户端还包括显示模块，用于显示改变操作参数后达到新平衡过程中的凝铁层厚度随时间的变化趋势。
4.根据权利要求1所述的高炉炉缸凝铁层控制系统，其特征在于，所述客户端还包括报警模块，用于根据炉缸的安全状态向操作人员发出提醒信息。
5.一种高炉炉缸凝铁层控制方法，其特征在于，包括：
采集操作数据和原料数据；
根据采集的操作数据和原料数据获取凝铁层厚度及变化时间；
改变操作参数，根据改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，获取凝铁层厚度随时间的变化趋势，实现对炉缸稳定的凝铁层厚度的控制；
根据采集的操作数据和原料数据获取回旋区深度；
通过所述回旋区深度获取铁口区的铁水流速；
根据铁水流速获取炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数；
获取炉缸初始状态，所述初始状态包括炉缸耐材厚度与凝铁层初始厚度；
获取改变操作参数后达到新平衡时凝铁层厚度及变化时间，进而获取凝铁层厚度随时间的变化趋势；
通过如下公式获取凝铁层厚度与时间的关系
Figure FDA0003761769670000021
其中，αx为铁水对凝铁层的换热系数，ti为铁水温度，ts为凝铁层的凝固温度，ρs为凝铁层的密度，hs为凝固潜热，Ls为凝铁层厚度，τ：时间，λs为凝铁层导热系数，Lz为炭砖厚度，λz为炭砖导热系数，Lb为冷却壁热面至冷却水管中心的距离，λb为冷却壁导热系数，aw为冷却水换热系数，tw为冷却水温度。
6.根据权利要求5所述的高炉炉缸凝铁层控制方法，其特征在于，所述操作数据包括鼓风参数，根据所述鼓风参数获取鼓风动能，根据所述鼓风动能获取所述回旋区深度，以及，根据所述回旋区深度获取当前操作条件下的死料柱直径，进而获取所述铁水流速。
7.根据权利要求6所述的高炉炉缸凝铁层控制方法，其特征在于，根据铁水流速、温度密度、粘度、导热系数、比热及炉缸的特征尺寸，利用液态金属换热系数公式，计算炉内铁水对炉缸耐材热面的换热系数。
8.根据权利要求7所述的高炉炉缸凝铁层控制方法，其特征在于，预先建立炉缸侵蚀模型，所述操作数据还包括炉缸温度数据，将所述炉缸温度数据输入至炉缸侵蚀模型获取炉缸耐材参与厚度和凝铁层厚度。
9.根据权利要求8所述的高炉炉缸凝铁层控制方法，其特征在于，根据炉内热量传递动态平衡关系获取凝铁层厚度与时间的关系，结合原料数据获取改变操作参数后凝铁层厚度与时间变化的关系。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求5至9中任一项所述方法。
11.一种电子终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行如权利要求5至9中任一项所述方法。
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