CN112593030B - 一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，属于高炉操作控制技术领域，解决对高炉炉热做出正确的判断的技术问题。本发明的主要原理是：利用高炉高温区热平衡和碳‑氧平衡方程，求解能反映炉渣和铁水热状态的渣铁热量指数，然后根据历史数据构建高炉蓄热指数，确定炉内的总体热量水平，再结合高炉的化学热和物理热参数，构造了高炉的炉热指数，从而可以确定高炉的炉热水平，进而指导高炉炉热判断和调整，以提高铁水质量，稳定炉况。

Description

一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法

技术领域

本发明属于高炉操作控制技术领域，具体涉及一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法。

背景技术

对于高炉操作而言，控制适宜的炉热水平是高炉操作的重点和难点，炉热水平太高或太低不仅会造成高炉炉况波动，而且对高炉生产技术指标和铁水质量造成不利影响。由于高炉生产过程是一个复杂的高温反应过程，影响高炉炉热的参数众多，且各个参数之间有较强的相关性，而且高炉炉热变化具有较长时间的滞后性，这对炉热的控制带来了难度。

目前国内外炉热控制方法主要有：自回归矢量模型、水江模型、Wu模型、Ec指数模型、GO-STOP模型、神经网络模型等，这些模型存在的问题有：基于高炉冶炼原理计算的控制模型提出的概念复杂，现场高炉操作者难以掌握；基于数据推理的模型过于依赖历史数据推理，当操作参数大幅变化后实用性差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，解决对高炉炉热做出正确的判断与准确的预测的技术问题，本发明提供及一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，能够指导高炉操作者预测与控制炉热。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，包括以下步骤：

步骤一：采集代表高炉运行状态的参数作为基准参数，利用高炉碳-氧平衡方程确定理论煤比；

高炉碳-氧平衡方程为：

根据上式得理论煤比M为：

式中，η_CO为高炉煤气利用率；O_料为产生每吨铁由炉料带入煤气的总氧量，单位为kg/tFe；C_dFe为每吨铁直接还原耗碳量；η_H2为高温区氢的利用率，一般取值30％～55％；ω(C_焦)为焦炭固定碳，单位为％；n(H_煤)为每kg煤粉中含H的摩尔量：n(H_煤)＝[ω(H_煤)/100/2+ω(H₂O_煤)/100/(1-ω(H₂O_煤)/100)/18]，单位为kmol/kg；M为理论煤比，单位为kg/tFe；ω(C_煤)为煤粉中固定碳，单位为％；ω(H₂O_煤)为煤粉水份，单位为％；

通过比较理论煤比M和实际煤比M^实核算基准参数的有效性，如果偏差不大(

小于5～8％)，则可直接进行后续步骤；若果偏差超出偏差允许区间，则需检查计算数据是否有误或运行参数是否失真，重复执行步骤一直至理论煤比M和实际煤比M^实的偏差在偏差允许区间内；

步骤二：计算基准状态下的高炉高温区热平衡参数，将热平衡参数代入高温区的热平衡方程，确定可以反映基准状态下炉热水平的渣铁热量指数Q_热，单位为kJ/tFe：

Q_热＝q_{C_燃}×C_{燃_焦炭}+q_煤×M-q_dFe×C_dFe-Q_损；

式中，Q_损为每吨铁热损失Q_损＝λ_损×Q_热负荷×10000×24/P，kJ/tFe；

步骤三：采用步骤二所述方法计算最近5～10天渣铁热量指数，去除渣铁热量指数最大的1～2％数据和最小的1～2％数据，得到剩余数据的最大值Q_{热_max}和最小值Q_{热_min}，并计算渣铁热量指数的8小时移动平均值Q_{热_8h}，则可得高炉的蓄热指数：

高炉的蓄热指数是指高炉在一定时期内储蓄的渣铁热量水平，其值越高代表高炉热量越好；

步骤四：根据生产统计及实际生产需求，设定铁水[Si]目标上限[Si]_max和铁水[Si]目标下限[Si]_min，设定铁水测温目标上限T_max和铁水测温目标下限T_min；如果实际铁水[Si]的最新值为[Si]_new，铁水测温的最新值为T_new，则可得到：高炉铁水的化学热指数：

高炉铁水的物理热指数：

步骤五：将高炉的蓄热指数、化学热指数和物理热指数进行加权求和，可得到反应高炉炉热水平的炉热指数：η_炉热＝λ₁η_蓄热+λ₂η_化学热+λ₃η_物理热，其中：λ₁+λ₂+λ₃＝1；当μ_炉热≤0.3时，判定为低炉热水平，当0.3≤μ_炉热≤0.7时，判定为中等炉热水平，当μ_炉热≥0.7时，判定为高炉热水平。

进一步地，在所述步骤一中，所述基准参数包括风机风量、富氧流量、大气湿度、加湿量、风温、煤气利用率、铁水温度、焦比、煤比、日产量、热负荷、焦炭中固定碳、焦炭中灰分、煤粉中固定碳、煤粉中灰分、[Si]、[Fe]、[C]、[Mn]、[P]、[Ti]、渣比、煤粉水份、炉渣中S、吨铁炉尘量、炉尘中C、喷煤风量、喷煤氮气量、氢的利用率以及每吨铁由炉料带入煤气的总氧量。

进一步地，所述步骤一中，高炉碳-氧平衡确定理论煤比包括以下步骤：

1)确定每分钟入炉O₂体积O_{2_风}，单位为Nm³/min，

式中：f为空气百分比湿度，

单位为％；

为空气湿度，单位为g/m³；V_风机为风机风量，单位为Nm³/min；V_喷煤为喷煤风量，单位为Nm³/min；λ_富氧为富氧中O₂的质量百分比，单位为％；V_富氧为富氧流量，Nm³/h；H_加湿为加湿量，单位为t/h；

2)确定每吨铁直接还原耗碳量C_dFe

每吨铁风口燃烧碳量C_燃，单位为kg/tFe：

每吨铁风口燃烧焦炭的碳量C_{燃_焦}，单位为kg/tFe：

C_{燃_焦}＝C_燃-M×ω(C_煤)/100

每吨铁焦炭气化量C_{气_焦}，单位为kg/tFe：

C_{气_焦}＝K×ω(C_焦)/100-C_渗-C_灰

每吨铁直接还原耗碳量C_dFe，单位为kg/tFe：

C_dFe＝C_{气_焦}-C_{燃_焦}-C_da

式中：K为焦比，单位为kg/tFe；P为铁水日产量，单位为t/d；ω(C_焦)为焦炭固定碳，单位为％；C_da为除铁元素外的其他元素还原耗碳量，单位为kg/tFe；C_渗为吨铁生铁渗碳量，单位为kg/tFe；C_灰为吨铁除尘灰中含碳量，单位为kg/tFe；

3)根据高炉碳-氧平衡方程确定理论煤比。

进一步地，所述步骤二中，基准状态下的高炉高温区热平衡参数包括：

a、每分钟入炉热风总体积V_风，单位为Nm³/min：

V_风＝V_风机+V_富氧/60+V_喷煤/60+V_喷煤N2/60+H_加×1000×22.4/18/60

式中：V_喷煤N2为喷煤氮气量，Nm³/h；

b、热风中含H₂O比例：

c、热风中H₂O分解后O₂比例：

d、热风中H₂O分解前O₂比例：

e、热风中含N₂比例：

f、燃烧每千克碳带入高温区气体体积：

热风总体积：

单位为Nm³/kg；

体燃烧每千克碳风中带入H₂O体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳风中带入O₂体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳风中带入N₂体积：

单位为Nm³/kg；

g、燃烧每千克碳生成气体体积：

燃烧每千克碳生成CO体积：ν_{CO_煤气}＝22.4/12，单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成N₂体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成H₂体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成H₂O体积：

单位为Nm³/kg；

h、燃烧每千克碳高温区热收入，单位为kJ/kg(C)：

式中，q_{x_风}表示x气体在热风温度时的热焓，q_{x_煤气}表示x气体在界限温度900～1000℃的热焓；q_{H_还原}为每还原1kmol氢耗热量；

i、燃烧焦炭时每千克碳带入热量，单位为kJ/kg(C)：

式中，ω(A_焦)为焦炭灰分，单位为％；

j、燃烧每kg煤粉带入热量(kJ/kg(C))：

k、每千克碳直接还原耗热(kJ/kg(C))：

与现有技术相比本发明的有益效果为：

1、采用本发明提供的炉热控制方法后，高炉的炉热受控度得到了提升，铁水质量明显好转，铁水合格率([Si]≤0.55的比例)由65.7％提高至71.3％，铁水[Si]由0.545降低至0.507；

2、采用本发明提供的炉热控制方法后，铁水[Si]降低0.038，铁水[Si]每变化0.1影响燃料比4.5g/tFe，全年燃料比498.4kg/tFe，燃料成本712.8元/tFe，高炉每年产量约350万吨，每年可以降低成本：0.038/0.1×4.5/498.4×712.8×350＝856.0万元。

总之，通过本发明提供的方法，可以确定炉热水平，为高炉炉热控制提高有效指导，进而改善铁水质量，稳定炉况。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明的具体实施方式。

一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热水平的方法，包括以下步骤：

步骤一：核算参数的有效性

(1)采集炉热参数

本文采用本公司6#高炉2020年某时期实际生产条件下参数，如表1所示：

表1高炉运行参数

(2)每分钟入炉O₂体积(Nm³/min)

其中：f为空气百分比湿度，

％；H_空气为空气湿度，g/m³；V_风机为风机风量，Nm³/min；V_喷煤为喷煤风量，Nm3/min；λ_富氧为富氧中O₂的质量百分比，％；V_富氧为富氧流量，Nm³/h；H_加湿为加湿量，t/h；

(3)每吨铁耗碳量

每吨铁风口燃烧碳量(kg/tFe)：

每吨铁风口燃烧焦炭的碳量(kg/tFe)：C_{燃_焦}＝C_燃-M×ω(C_煤)/100 (3)

每吨铁焦炭气化量(kg/tFe)：C_{气_焦}＝K×ω(C_焦)/100-C_渗-C_灰 (4)

每吨铁直接还原耗碳量(kg/tFe)：C_dFe＝C_{气_焦}-C_{燃_焦}-C_da (5)

其中：K为焦比，kg/tFe；P为铁水日产量，t/d；ω(C_焦)为焦炭固定碳，％；C_da为除铁元素外的其他元素还原耗碳量，kg/tFe；C_渗为吨铁生铁渗碳量，kg/tFe；C_灰为吨铁除尘灰中含碳量，kg/tFe；

将表1中基准参数代入公式(1～5)可确定：每分钟入炉O₂体积1848.10Nm³/min；每吨铁风口燃烧碳量271.90kg/tFe；每吨铁风口燃烧焦炭的碳量153.02kg/tFe；每吨铁焦炭气化量258.13kg/tFe；每吨铁直接还原耗碳量99.26kg/tFe；

(4)高炉碳-氧平衡计算

高炉碳-氧平衡方程如下：

η_CO为高炉煤气利用率；O_料为产生每吨铁由炉料带入煤气的总氧量，kg/tFe；η_H2为高温区氢的利用率，一般取值30％～55％；n(H_煤)为每kg煤粉中含H的摩尔量：n(H_煤)＝[ω(H_煤)/100/2+ω(H₂O_煤)/100/(1-ω(H₂O_煤)/100)/18]，kmol/kg；M为煤比，kg/tFe；ω(C_煤)为煤粉中固定碳，％；ω(H₂O_煤)为煤粉水份，％；

(5)参数有效性核算

由方程(6)可得：

计算确定的理论煤比和实际煤比(M^实)进行比较验算，如果偏差不大，则可直接进行下一步计算，反之，则需检查计算数据是否有误或运行参数是否失真。下文计算高炉需煤量(或煤比)时，需根据理论煤比和实际煤比的偏差对结果进行补偿，以保证计算结果准确；

将本实施例数据代入至公式(7)，可以确定理论煤比为150.11kg/tFe，

偏差在正常范围，数据有效；

步骤二、计算渣铁热量指数

每分钟入炉热风总体积(Nm³/min)：

V_风＝V_风机+V_富氧/60+V_喷煤/60+V_喷煤N2/60+H_加×1000×22.4/18/60 (8)

其中：V_喷煤N2为喷煤氮气量，Nm³/h；

热风中含H₂O比例：

热风中H₂O分解后O₂比例：

热风中H₂O分解前O₂比例：

热风中含N₂比例：

燃烧每千克碳带入高温区气体体积：热风总体积：

Nm³/kg；H₂O体积：

Nm³/kg；O₂体积：

Nm³/kg；N₂体积：

Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成气体体积：CO体积：ν_{CO_煤气}＝22.4/12，Nm³/kg；N₂体积：

Nm³/kg；H₂体积：

Nm³/kg；H₂O体积：

Nm³/kg；

燃烧每千克碳高温区热收入(kJ/kg(C))：

其中，q_{x_风}表示x气体在热风温度时的热焓，q_{x_煤气}表示x气体在界限温度(900～1000℃)的热焓；q_{H_还原}为每还原1kmol氢耗热量；

燃烧焦炭时每千克碳带入热量(kJ/kg(C))：

燃烧每kg煤粉带入热量(kJ/kg(C))：

每千克碳直接还原耗热(kJ/kg(C))：

基准状态下的高炉高温区热平衡参数计算结果如表2：

表2高炉高温区热平衡参数计算结果

将以上计算结果代入高温区热平衡方程，可得渣铁热量指数，kJ/tFe：

Q_热＝q_{C_燃}×C_{燃_焦炭}+q_煤×M-q_dFe×C_dFe-Q_损 (17)

其中，Q_损为每吨铁热损失Q_损＝λ_损×Q_热负荷×10000×24/P，kJ/tFe；

本实施例状态下渣铁热量指数为437261kJ/tFe；

步骤三：采用步骤二所述方法计算最近5～10天渣铁热量指数，去除渣铁热量指数最大的1～2％数据和最小的1～2％数据，得到剩余数据的最大值Q_{热_max}为655633kJ/tFe，最小值Q_{热_min}为为354264kJ/tFe，并计算渣铁热量指数的8小时移动平均值Q_{热_8h}为452643kJ/tFe，高炉蓄热指数计算公式为

可得η_蓄热＝0.33；

步骤四：设定铁水[Si]目标上限[Si]_max为1.0和铁水[Si]目标下限[Si]_min为0.1，设定铁水测温目标上限T_max为1560℃，铁水测温目标下限T_min为1470℃。实际铁水[Si]的最新值为[Si]_new为0.46，铁水测温的最新值为T_new为1512℃。高炉铁水的化学热指数：

高炉铁水的物理热指数：

可得：η_化学热＝0.40，η_物理热＝0.42；

步骤五：将高炉的蓄热指数、化学热指数和物理热指数进行加权求和，可得到反应高炉炉热水平的炉热指数：η_炉热＝λ₁η_蓄热+λ₂η_化学热+λ₃η_物理热，其中：λ₁＝1/3，λ₂＝1/3，λ₃＝1/3；由此可得μ_炉热＝0.38，判定为中等炉热水平。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：采集代表高炉运行状态的参数作为基准参数，利用高炉碳-氧平衡方程确定理论煤比；

高炉碳-氧平衡方程为：

根据上式得理论煤比M为：

式中，η_CO为高炉煤气利用率；O_料为产生每吨铁由炉料带入煤气的总氧量，单位为kg/tFe；C_dFe为每吨铁直接还原耗碳量；

为高温区氢的利用率，取值30％-55％；ω(C_焦)为焦炭固定碳，单位为％；

为燃烧每千克碳风中带入H₂O体积，C_燃为每吨铁风口燃烧碳量，C_{气_焦}为每吨铁焦炭气化量，C_da为除铁元素外的其他元素还原耗碳量；

n(H_煤)为每kg煤粉中含H的摩尔量：n(H_煤)＝[ω(H_煤)/100/2+ω(H₂O_煤)/100/(1-ω(H₂O_煤)/100)/18]，单位为kmol/kg；M为理论煤比，单位为kg/tFe；ω(H_煤)为煤粉中H的质量分数；ω(C_煤)为煤粉中固定碳，单位为％；ω(H₂O_煤)为煤粉水份，单位为％；

通过比较理论煤比M和实际煤比M^实核算基准参数的有效性，如果理论煤比M和实际煤比M^实的偏差

小于5～8％，则可直接进行后续步骤；若果偏差超出偏差允许区间，则需检查计算数据是否有误或运行参数是否失真，重复执行步骤一直至理论煤比M和实际煤比M^实的偏差在偏差允许区间内；

步骤二：计算基准状态下的高炉高温区热平衡参数，将热平衡参数代入高温区的热平衡方程，确定可以反映基准状态下炉热水平的渣铁热量指数Q_热，单位为kJ/tFe：

Q_热＝q_{C_燃}×C_{燃_焦炭}+q_煤×M-q_dFe×C_dFe-Q_损；

式中，Q_损为每吨铁热损失Q_损＝λ_损×Q_热负荷×10000×24/P，kJ/tFe；q_{C_燃}为燃烧每千克碳高温区热收入，q_煤为燃烧每kg煤粉带入热量，q_dFe为每千克碳直接还原耗热，C_{燃_焦炭}为每吨铁风口燃烧焦炭的碳量；M为理论煤比，单位为kg/tFe；P为产量，λ_损为热量损失系数，Q_热负荷为热负荷；

步骤三：采用步骤二所述方法计算最近5～10天渣铁热量指数，去除渣铁热量指数最大的1～2％数据和最小的1～2％数据，得到剩余数据的最大值Q_{热_max}和最小值Q_{热_min}，并计算渣铁热量指数的8小时移动平均值Q_{热_8h}，则可得高炉的蓄热指数：

步骤四：根据生产统计及实际生产需求，设定铁水[Si]目标上限[Si]_max和铁水[Si]目标下限[Si]_min，设定铁水测温目标上限T_max和铁水测温目标下限T_min；如果实际铁水[Si]的最新值为[Si]_new，铁水测温的最新值为T_new，则可得到：高炉铁水的化学热指数：

高炉铁水的物理热指数：

步骤五：将高炉的蓄热指数、化学热指数和物理热指数进行加权求和，可得到反应高炉炉热水平的炉热指数：η_炉热＝λ₁η_蓄热+λ₂η_化学热+λ₃η_物理热，其中：λ₁、λ₂、λ₃分别表示蓄热、化学热和物理热的权重系数，λ₁+λ₂+λ₃＝1；当η_炉热≤0.3时，判定为低炉热水平，当0.3≤η_炉热≤0.7时，判定为中等炉热水平，当η_炉热＞0.7时，判定为高炉热水平。

2.根据权利要求1所述的一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，其特征在于：在所述步骤一中，所述基准参数包括风机风量、富氧流量、大气湿度、加湿量、风温、煤气利用率、铁水温度、焦比、煤比、日产量、热负荷、焦炭中固定碳、焦炭中灰分、煤粉中固定碳、煤粉中灰分、[Si]、[Fe]、[C]、[Mn]、[P]、[Ti]、渣比、煤粉水份、炉渣中S、吨铁炉尘量、炉尘中C、喷煤风量、喷煤氮气量、氢的利用率以及每吨铁由炉料带入煤气的总氧量。

3.根据权利要求1所述的一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，其特征在于：所述步骤一中，高炉碳-氧平衡确定理论煤比包括以下步骤：

1)、确定每分钟入炉O₂体积O_{2_风}，单位为Nm³/min，

式中：O_{2_风}为每分钟入炉O₂体积；f为空气百分比湿度，

单位为％，H_大气为大气湿度；V_风机为风机风量，单位为Nm³/min；V_喷煤为喷煤风量，单位为Nm³/min；λ_富氧为富氧中O₂的质量百分比，单位为％；V_富氧为富氧流量，Nm³/h；H_加湿为加湿量，单位为t/h；

2)、确定每吨铁直接还原耗碳量C_dFe：

每吨铁风口燃烧碳量C_燃，单位为kg/tFe：

每吨铁风口燃烧焦炭的碳量C_{燃_焦炭}，单位为kg/tFe：

C_{燃_焦炭}＝C_燃-M×ω(C_煤)/100；

每吨铁焦炭气化量C_{气_焦}，单位为kg/tFe：

C_{气_焦}＝K×ω(C_焦)/100-C_渗-C_灰；

每吨铁直接还原耗碳量C_dFe，单位为kg/tFe：

C_dFe＝C_{气_焦}-C_{燃_焦}-C_da；

式中：K为焦比，单位为kg/tFe；P为铁水日产量，单位为t/d；ω(C_焦)为焦炭固定碳，单位为％；C_da为除铁元素外的其他元素还原耗碳量，单位为kg/tFe；C_渗为吨铁生铁渗碳量，单位为kg/tFe；C_灰为吨铁除尘灰中含碳量，单位为kg/tFe；

3)、根据高炉碳-氧平衡方程确定理论煤比。

4.根据权利要求1所述的一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，其特征在于：所述步骤二中，基准状态下的高炉高温区热平衡参数包括：

a、每分钟入炉热风总体积V_风，单位为Nm³/min：

式中：V_风机为风机风量；V_富氧为富氧流量；V_喷煤为喷煤风量；H_加为加湿量；

为喷煤氮气量，Nm³/h；

b、热风中含H₂O比例：

式中，H_大气为大气湿度；

c、热风中H₂O分解后O₂比例：

式中：V_风为热风总体积；λ_富氧为富氧中O₂的质量百分比；

d、热风中H₂O分解前O₂比例：

e、热风中含N₂比例：

f、燃烧每千克碳带入高温区气体体积：

热风总体积：

单位为Nm³/kg；

体燃烧每千克碳风中带入H₂O体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳风中带入O₂体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳风中带入N₂体积：

单位为Nm³/kg；

g、燃烧每千克碳生成气体体积：

燃烧每千克碳生成CO体积：ν_{CO_煤气}＝22.4/12，单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成N₂体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成H₂体积：

单位为Nm³/kg；

燃烧每千克碳生成H₂O体积：

单位为Nm³/kg；

h、燃烧每千克碳高温区热收入，单位为kJ/kg(C)：

式(13)中，q_{x_风}表示x气体在热风温度时的热焓，q_{x_煤气}表示x气体在界限温度900～1000℃的热焓；q_{H_还原}为每还原1kmol氢耗热量；ν_{CO_风}为燃烧每千克碳对应CO体积；

i、燃烧焦炭时每千克碳带入热量，单位为kJ/kg(C)：

式中，ω(A_焦)为焦炭灰分，单位为％；

为焦炭比热容；t_渣为炉渣温度，t_界线为界限温度；

j、燃烧每kg煤粉带入热量(kJ/kg(C))：

式中，q_分解为煤粉分解热；

k、每千克碳直接还原耗热(kJ/kg(C))：

式中，q_{dFe_还原}表示每千克碳与FeO直接还原反应生成Fe时的反应耗热。

5.根据权利要求1所述的一种利用高炉渣铁热量指数确定炉热的方法，其特征在于：所述步骤二中，渣铁热量指数Q_热表示每吨铁对应的渣铁热量，渣铁热量指数越高表明炉热水平越高。