CN113283078A - 一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，涉及高炉炼铁工艺技术领域。该方法首先分析高炉风口回旋区内运动状态，建立回旋区深度机理模型；并由回旋区深度机理模型得到回旋区深度计算公式；然后获得建模参数，分析建模参数对回旋区深度的影响；再将回旋区深度机理模型传入到计算机，并将建模参数及高炉生产现场采集的数据传入到数据库中进行保存，实时计算回旋区深度，实现对回旋区深度的实时监测；当回旋区深度低于或超出正常深度范围时，及时调节高炉风口回旋区的鼓风参数，使回旋区深度恢复至正常深度范围内。该方法能够高效实时的求解回旋区的深度变化情况，获得回旋区深度的变化规律，研究回旋区内部参数对回旋区深度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及高炉炼铁工艺技术领域，尤其涉及一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法。
背景技术
高炉是一种大型、高大、垂直的冶金炉，用于从氧化矿石中还原铁水，是制铁工业的主要反应器之一。在现代高炉中热风以100m/s以上的速度通过风口射向炉缸中心，遇到由上方滑落下来的焦炭发生燃烧反应，与此同时焦炭在高速鼓风冲击下做回旋运动，在每个风口前形成一个疏散而近似梨形的空间，通常称它为风口回旋区。风口回旋区作为高炉稳定运行的重要反应区，为整个高炉生产提供热量和能量的补给，风口回旋区的深度和内部复杂的物理、化学反应决定了高炉中煤气流的一次分布，上部炉料的下降状态，反映了焦炭的燃烧状态，是炉况顺行的基础，在冶炼过程中起着至关重要的作用。
目前，计算回旋区深度的主要方法有直接检测法，采用一些特制的探测器、探测针等，但仪表易受炉内实际条件影响而导致测量结果波动较大，同时仪器成本较高，而且无法达到实时监测的目的，无法在中小企业中完全普及；还有就是建立回旋区的冷态模型，以此反映回旋区内部的运动状态，但由于回旋区内部的反应复杂多变，冷态模型不能很好的反映实际的回旋区内部状态；较为常用的方法是依据回旋区运动过程中动量、质量和热量的传输建立欧拉数学模型求解，但是采用现有的欧拉模型建模过程复杂，需要的参数较多，计算困难，花费时间较长，难以实现实时监测的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，高效实时的求解回旋区的深度变化情况，获得回旋区深度的变化规律，研究回旋区内部参数对回旋区深度的影响、回旋区深度变化对高炉整体顺利运行的影响。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1、分析高炉风口回旋区内运动状态，建立回旋区深度机理模型，进而得到回旋区深度的计算公式；
当回旋区内部运动处于稳定状态时，取回旋区内部最深处一区域A为研究对象，此时A处在鼓风气体冲力与焦炭层阻力共同作用下达到平衡，依据二力平衡建立高炉风口回旋区深度机理模型，用以求解回旋区深度的变化情况，如下公式所示：
其中，FA为区域A处鼓风气体冲力，FB为区域A处焦炭层阻力，ρg0表示标准态下的鼓风密度，Vg表示区域A处鼓风风量，ST表示高炉风口面积，DR表示回旋区深度，DT表示高炉风口直径，α为常数，α＝0.2～0.6，Tm表示回旋区温度，SP表示区域A处焦炭粒子总截面积，ρP表示焦炭密度，VP表示区域A处焦炭粒子体积，g表示重力加速度，DPR表示回旋区边界前焦炭直径，Tw表示鼓风温度，P表示鼓风风压；DPR＝0.6DPc，DPc表示入炉前焦炭直径；
由上述回旋区深度机理模型得到回旋区深度DR，如下公式所示：
其中，K、β均为待定系数；
步骤2、获得建模参数，分析建模参数对回旋区深度的影响；
根据回旋区深度机理模型以及建模涉及到的相关参数，由回旋区深度变化规律可知鼓风参数中的鼓风风压P和鼓风风量Vg以及回旋区温度Tm对于回旋区深度的变化有着直接的影响作用，降低鼓风风压P、提高鼓风风量Vg、增大回旋区温度Tm有利于回旋区向中心发展，增加回旋区的深度；其中，鼓风风压P、鼓风风量Vg可调节，回旋区温度Tm的变化受多种因素的影响，无法直接通过调节使其变化，当回旋区深度DR的变化低于或超出正常深度范围后，通过调节鼓风风压P和鼓风风量Vg使之恢复到正常深度范围；
步骤3、将回旋区深度机理模型传入到计算机，并将建模参数及高炉生产现场采集的数据传入到计算机的数据库中进行保存，实时计算回旋区深度，并确定回旋区深度变化规律，实现对回旋区深度的实时监测；
步骤4、当回旋区深度低于或超出正常深度范围时，及时调节高炉风口回旋区的鼓风参数，使回旋区深度恢复至正常深度范围内。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，通过在回旋区内部最深处建立二力平衡方程，能够高效实时的求解回旋区的深度变化情况，获得回旋区深度的变化规律，研究回旋区内部参数对回旋区深度的影响、回旋区深度变化对高炉整体顺利进行的影响。首次将回旋区温度引入回旋区深度机理模型的构建之中，通过监测回旋区温度变化状况判定回旋区深度是否处于异常状态，以及当回旋区深度处于异常变化时，通过及时调节鼓风参数使回旋区深度变化恢复正常，为高炉的稳定运行提供可靠保障。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高炉风口回旋区形成示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的回旋区深度机理模型建模示意图，其中，(a)为回旋区深度机理模型建模整体示意图，(b)为风口的正向截面图；
图4为本发明实施例提供的回旋区深度变化规律示意图；
图5为本发明实施例提供的鼓风参数和内部参数对于回旋区深度的影响结果图，其中，(a)为鼓风风压与回旋区深度的关系；(b)为鼓风风量与回旋区深度的关系；(c)为回旋区温度与回旋区深度的关系；
图6为本发明实施例提供的回旋区深度实时监测系统的监测界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
高炉风口回旋区形成过程如图1所示，高炉炼铁过程中，鼓风离开风口时具有很强的动能，它吹动风口前的焦炭并与之发生燃烧反应，在风口前缘形成一疏松且近似呈椭圆形的气相空穴。另外风口前的煤气流以回旋区为放射中心，分别沿长径向炉缸中心发展，沿短径向两侧发展，与此同时自空穴上部和两侧不断有新的焦炭补充近来使得焦碳在空腔内作回旋运动，这个区域即为高炉风口回旋区。本实施例以4000m3的高炉为例，采用本发明的高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法实现对该高炉回旋区深度的计算及实时监测。
本实施例中，一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、分析高炉风口回旋区内运动状态，建立回旋区深度机理模型，进而得到回旋区深度的计算公式；
本发明实施例中，研究对象为高炉风口回旋区内部最深处一区域A，通过对区域A处进行受力分析，建立回旋区深度机理模型，建模示意图如图3所示，其中，DT代表风口直径，DR代表回旋区深度，高温鼓风从风口吹入后，其行程近似为一个圆锥形管道，在距风口DR处的A点截此圆锥，其截面积为SA，在A处鼓风气体冲力FA与焦炭层对其的阻力FB共同作用下达到平衡状态，此时认为回旋区处于稳定运行状态，满足如下表达式：
FA＝FB (1)
其中，鼓风气体冲力FA的大小主要与鼓风质量和鼓风速度成正比，即：
式中，SP为A处焦炭粒子总截面积，MA表示区域A处鼓风质量流率，具体含义为单位时间内通过该截面的流体质量，即：
MA∝ρg·Vg (3)
其中，ρg表示鼓风密度，Vg表示鼓风风量。
鼓风密度ρg的大小受到鼓风温度Tw和鼓风风压P的影响，鼓风温度Tw越高，鼓风密度ρg越小，鼓风风压P越大，鼓风密度ρg越大，其表达式如下：
式中，ρg0表示标准态下的鼓风密度，Tw表示鼓风温度，P表示鼓风风压，P0表示1标准大气压。
设定UA代表区域A处的风速，当鼓风气体从风管进入回旋区后，受到回旋区内燃烧反应影响，到达A处的风速受到回旋区内部温度Tm的影响而变化，当回旋区温度Tm升高时，UA增大，同时UA与鼓风风压P的作用成反比，即：
式中，MA表示A处鼓风质量流率，SA为A处截面积，Tm为测温仪实测回旋区温度，T0＝298K。
区域A处截面积SA的表达式为：
式中，WR为回旋区宽度；
区域A处焦炭粒子总截面积SP的表达式为：
式中，DPR为回旋区边界前焦炭直径，DPc表示入炉前焦炭直径，DPR＝0.6DPc。
联立(3)、(4)、(5)式可以进一步推出区域A处鼓风气体冲力FA的表达式为：
又因为前人经过大量的实验证明回旋区深度DR和回旋区宽度WR之间的关系为：
式中，α为一常数，α＝0.2～0.6。
设定ST表示风口面积，其表达式为：
联立(6)、(9)、(10)式可以推出：
最后，将表达式(11)代入表达式(8)可以得到区域A处鼓风气体冲力FA的最终表达式为：
区域A处焦炭层对鼓风气流的阻力FB，主要由焦炭的压实程度决定，焦炭的压实程度受到鼓风风压P的影响，鼓风风压P越大，焦炭层被压的越紧实，而焦炭的压实程度可以用焦炭颗粒的重力表示，故FB可以表示为：
式中，ρP表示焦炭密度，VP表示A处焦炭粒子体积，g表示重力加速度，DPR表示回旋区边界前焦炭直径，P表示鼓风风压。
最后将表达式(12)、(13)代入表达式(1)，即可求得回旋区深度的计算公式为：
式中，K、β均为待定系数，K由高炉实测数据确定，
DT为风口直径，ρg0表示标准态下的鼓风密度，Vg0鼓风量，ST表示风口面积，P表示鼓风风压，Tm表示由CCD测温仪所测回旋区温度，Tw表示鼓风温度，ρP表示焦炭密度，DPc表示入炉前焦炭直径，DPR＝0.6DPc，g表示重力加速度。
本实施例在经过大量试验验证后，最终求得回旋区深度的计算公式为：
利用上述回旋区深度的计算公式，可以进一步研究回旋区深度的变化趋势。
步骤2、获得建模参数，分析建模参数对回旋区深度的影响；
通过所得回旋区深度模型，获取建模所用参数，分析建模参数对回旋区深度的影响，找出影响回旋区深度的主要参数。
本实施例中，回旋区深度模型建模过程中用到的相关参数如表1所示：
表1回旋区深度模型建模过程中用到的相关参数
回旋区深度的计算公式用到的参数如表2所示：
表2回旋区深度的计算公式用到的参数
| D<sub>T</sub> | 风口直径 |
| ρ<sub>g0</sub> | 标准态下的鼓风密度 |
| V<sub>g</sub> | 鼓风风量 |
| S<sub>T</sub> | 风口面积 |
| P | 鼓风风压 |
| T<sub>m</sub> | CCD测温仪实测温度 |
| T<sub>w</sub> | 鼓风温度 |
| ρ<sub>P</sub> | 焦炭密度 |
| D<sub>pc</sub> | 入炉前焦炭直径 |
| g | 重力加速度 |
因此，得到建模参数和回旋区深度的计算公式就可以求解回旋区深度的变化，研究回旋区深度的变化规律。本实施例中，高炉平稳运行下回旋区深度变化如图4所示，其中建模所用参数和数据全部来自于4000m3的高炉，在实际的高炉冶炼中4000m3的高炉正常情况下的回旋区深度在1.6m至1.8m之间，由图4可以看出，此时的高炉生产处于正常状态，回旋区深度在1.65m至1.75m内波动，处在正常范围内。
图5为建模参数对于回旋区深度的影响结果图，其中，图5(a)表示鼓风风压P与回旋区深度DR的关系；图(b)表示鼓风风量Vg与回旋区深度DR的关系；图(c)表示回旋区温度Tm与回旋区深度DR的关系；由图可知，一定范围内降低鼓风风压P、提高鼓风风量Vg、增大回旋区温度Tm有利于回旋区向中心发展，增加回旋区的深度，这满足实际高炉冶炼过程中回旋区深度的变化规律，同时验证了上述风口回旋区深度计算公式的合理性。其中，鼓风风压P、鼓风风量Vg可以人为调节，回旋区温度Tm的变化受多种因素的影响，无法直接通过人为调节使其变化，当回旋区深度DR的变化低于或超出正常范围后，可以通过调节鼓风风压P和鼓风风量Vg使之恢复到正常范围。
步骤3、将回旋区深度机理模型传入到计算机，并将建模参数及高炉生产现场采集的数据传入到计算机的数据库中进行保存，实时计算回旋区深度，并确定回旋区深度变化规律，实现对回旋区深度的实时监测；
步骤4、当回旋区深度低于或超出正常深度范围时，及时调节高炉风口回旋区的鼓风参数，使回旋区深度恢复至正常深度范围内。
本实施例，根据回旋区深度模型、回旋区深度计算公式及建模参数，选用编程软件开发了监测界面如图6所示的回旋区深度实时监测系统，通过此系统可以在线实时监测回旋区深度的变化情况，当发现回旋区深度低于或超出正常深度范围时，可以通过及时调节高炉风口回旋区的鼓风参数如鼓风风压P、鼓风风量Vg，使回旋区深度恢复至正常深度范围内。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、分析高炉风口回旋区内运动状态，建立回旋区深度机理模型，进而得到回旋区深度的计算公式；
步骤2、获得建模参数，分析建模参数对回旋区深度的影响；
步骤3、将回旋区深度机理模型传入到计算机，并将建模参数及高炉生产现场采集的数据传入到计算机的数据库中进行保存，实时计算回旋区深度，并确定回旋区深度变化规律，实现对回旋区深度的实时监测；
步骤4、当回旋区深度低于或超出正常深度范围时，及时调节高炉风口回旋区的鼓风参数，使回旋区深度恢复至正常深度范围内。
2.根据权利要求1所述的一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
当回旋区内部运动处于稳定状态时，取回旋区内部最深处一区域A为研究对象，此时A处在鼓风气体冲力与焦炭层阻力共同作用下达到平衡，依据二力平衡建立高炉风口回旋区深度机理模型，用以求解回旋区深度的变化情况，如下公式所示：
其中，FA为区域A处鼓风气体冲力，FB为区域A处焦炭层阻力，ρg0表示标准态下的鼓风密度，Vg表示区域A处鼓风风量，ST表示高炉风口面积，DR表示回旋区深度，DT表示高炉风口直径，α为常数，α＝0.2～0.6，Tm表示回旋区温度，SP表示区域A处焦炭粒子总截面积，ρP表示焦炭密度，VP表示区域A处焦炭粒子体积，g表示重力加速度，DPR表示回旋区边界前焦炭直径，Tw表示鼓风温度，P表示鼓风风压；DPR＝0.6DPc，DPc表示入炉前焦炭直径；
由上述回旋区深度机理模型得到回旋区深度DR，如下公式所示：
其中，K、β均为待定系数。
3.根据权利要求2所述的一种高炉风口回旋区深度的计算及实时监测方法，其特征在于：步骤2所述建模参数对回旋区深度的影响具体为：
根据回旋区深度机理模型以及建模涉及到的相关参数，由回旋区深度变化规律可知鼓风参数中的鼓风风压P和鼓风风量Vg以及回旋区温度Tm对于回旋区深度的变化有着直接的影响作用，降低鼓风风压P、提高鼓风风量Vg、增大回旋区温度Tm有利于回旋区向中心发展，增加回旋区的深度；其中，鼓风风压P、鼓风风量Vg可调节，回旋区温度Tm的变化受多种因素的影响，无法直接通过调节使其变化，当回旋区深度DR的变化低于或超出正常深度范围后，通过调节鼓风风压P和鼓风风量Vg使之恢复到正常深度范围。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113283078B (zh) | 2024-04-26 |
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