CN113656966A - 一种高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，包括以下步骤：步骤1、计算料流轨迹；步骤2、计算料流宽度；步骤3、计算炉料在炉内的堆角；步骤4、计算焦炭滑移；步骤5、计算矿焦比。步骤6、根据模型计算结果和高炉初始料面形状模拟出高炉布料后的料面形状；步骤7、根据高炉料面形状在线测量数据，对模型进行矫正，并进行下一批料的模型计算，在线料面测量数据包括：机械探尺数据、雷达探测数据、激光料面测量数据、微波雷达料面测量数据、高炉布料矩阵、高炉布料矿批和焦批数据。

Description

一种高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法

技术领域

本发明涉及高炉布料模型仿真技术领域，尤其涉及一种高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法。

背景技术

高炉布料制度是控制高炉生产，实现高炉炼铁高产、低耗、顺行的重要手段。其中精准控制焦炭和矿石在高炉炉喉径向的分布、矿焦比和料面形状是高炉布料操作的关键。目前为顺应环保节能的要求，高炉在向大型化方向发展，而大中型高炉普遍采用带布料溜槽的无钟炉顶，无钟炉顶为实现精准布料提供了可能。这种情况下高炉操作者面临的主要问题是如何判断实际的布料效果和预期是否一致，只有掌握了高炉在生产中实时的实际布料料面形状和炉料分布，才能充分发挥无钟炉顶的优势，及时调整布料制度以实现高炉生产的经济和环保目标。

目前的高炉炉顶布料仿真模型主要以离线模型为主，不能随着炉况和高炉生产过程的变化实时有效地仿真出高炉内炉料分布。随着高炉可视化技术进步，高炉炉顶料面形状探测技术也得到发展。其中机械探尺、雷达探尺、微波雷达料面探测、激光料面探测都已经在高炉中得到应用。但是由于受到生产状态下高炉内部环境的影响和上述技术的局限性，上述探测技术只能有条件地获取料面上一个或多个位置的料面形状数据，并不能完全得到高炉布料后矿石层和焦炭层的料面形状。为弥补离线模型和料面探测技术的不足，本发明提出一种在线高炉布料模型仿真方法，在布料模型中引入负反馈机制，将数学模型和探测技术有效地结合在一起，实现了实时在线布料仿真，该方法保证了模型和高炉炉喉内部炉料的分布情况的一致性和实时性，仿真结果通过图形展示给高炉操作者，使得高炉精准布料真正变为现实。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、计算料流轨迹；

步骤2、计算料流宽度；

其中，步骤1包括：

1.1计算炉料排放初始速度V₀；

1.2计算炉料经过中心喉管落入溜槽时的速度V₁；

1.3计算炉料落入溜槽后的速度V₂；

1.4计算炉料在溜槽末端的速度V₃。

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中还包括以下步骤之一或多个步骤：

步骤3、计算炉料在炉内的堆角；

步骤4、计算焦炭滑移；

步骤5、计算矿焦比。

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤1.1中：

所述初始速度V₀是料流调节阀打开后物料的初始下落速度，所述物料包括焦炭和矿石，

V₀＝Q/A₀ (1－1)

式中Q为物料流量排放速度，m³/s；A₀为料流调节阀有效开口面积，m²；

Q_焦＝λ₁e^k1γ，Q_矿＝λ₂e^k2γ

其中，γ是料流调节阀开度，e是自然常数，取2.71828。

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤1.2中：速度V₁由以下公式求得：

式中h₁——料流调节阀到溜槽悬挂点的距离，m；

b——溜槽悬挂点至溜槽衬板垂直距离，m；

α——溜槽倾角，°。

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤1.3中：

V₂＝λV₁cosα (1－7)

式中λ——速度折减系数，通过料流轨迹测量结果回归得到α——溜槽倾角，°。

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤1.4中：

V₃的求解公式如下：

式中V₂——炉料下落到溜槽时的速度，m/s；

l₀——溜槽有效长度，单位m；

ω——溜槽转速，r/s；

α——溜槽倾角，°；

μ——炉料与溜槽衬板摩擦系数；

溜槽有效长度按下式求解：

l₀＝L-b/tgα (1－9)

式中L——溜槽长度，m；

b——溜槽悬挂点至溜槽衬板垂直距离，m；

α——溜槽倾角，°。

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤1还包括步骤1.5计算炉料离开溜槽时的运动速度：

将炉料离开溜槽时的运动速度分解为沿高炉径向的速度V'_x、沿高炉轴心方向的速度V'_y和溜槽旋转时的切向速度V'_τ，其中，

V'_x＝V₃sinα (1－10)

V'_y＝V₃cosα (1－11)

V'_τ＝2πωl₀sinα (1－12)

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤1还包括步骤1.6计算炉料在炉内的落点：把沿高炉径向的速度V_x、溜槽旋转时的切向速度V_τ视为匀速运动，速度分别为V'_x和V'_τ；把沿高炉轴心方向的速度V_y视为初速度为V'_y的自由落体运动,设炉料离开溜槽时距离落点的高度为H，按下式计算得到炉料在空区的下落时间t：

H＝h+l₀(1-cosα) (1－14)

式中α——溜槽倾角，°；

l₀——溜槽有效长度，m；

h——溜槽倾角为0度时，其末端至落点的距离，通过实时测量得到；

炉料沿高炉径向和切向的运动距离分别设为L_x和L_τ，其中

L_x＝V'_x×t (1－15)

L_τ＝V'_τ×t (1－16)

炉料落点位置公式如下：

联立式(1－14)至式(1－21)得到：

其中

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤2计算料流宽度包括：

1.计算料流体积流量：

Q_v＝Q/ρ (1－20)

式中Q——物料流量排放速度，kg/s；

ρ——炉料堆比重，kg/m³；

2.计算料流截面积：

S＝Q_v/V₃ (1－21)

3.由弓形面积求圆心角α₀：

式中R——溜槽内弧半径，m；

4.求弓形的宽度A：

弓形的宽度A即是椭圆形料流的长轴，由下式求得：

5.求椭圆形料流短轴B：

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤3计算料流宽度包括计算炉料内堆角

和炉料外堆角

如下：

式中h_sl——料线深度，m；0料线至料面之间的距离；

α——溜槽角位，单位°；

a、b、c是系数

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤4中按下式计算焦炭滑移：

所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其中步骤5中计算矿焦比采用沿高炉径向各点矿石层厚度ΔL_O与焦炭层厚度ΔL_C的比值来表示矿焦比，如下式所示：

附图说明

图1为无钟炉顶内炉料运动轨迹；

图2为料流调节阀开口结构示意图；

图3为炉料离开溜槽时的速度分解示意图；

图4为炉料沿高炉径向和切向的运动示意图；

图5为料流在溜槽末端截面计算示意图；

图6为料面形状内外堆角示意图；

图7为炉内矿石和焦炭的料层分布情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法包括以下步骤：

一、计算料流轨迹

1.计算炉料排放初始速度V₀，所述初始速度V₀是料流调节阀打开后物料的初始下落速度，所述物料包括焦炭和矿石。

V₀＝Q/A₀ (1－1)

式中Q为物料流量排放速度，m³/s；A₀为料流调节阀有效开口面积，m²。

物料流量排放速度Q可通过实验测量得出。其通用公式是：

Q_焦＝λ₁e^k1γ，Q_矿＝λ₂e^k2γ

其中，γ是料流调节阀开度(即料流调节阀打开的角度，0°时料流调节阀处于关闭状态)，e是自然常数，取2.71828。

例如某钢铁公司1750m³高炉物料流量排放速度与料流调节阀开度关系测量结果为：

Q_焦'＝8.5147e^0.0769γ (1－2)

Q_矿'＝38.381e^0.0798γ (1－3)

这里Q_焦'、Q_矿'的单位是Kg/s，因此要分别除以焦炭和矿石的堆比重(t/m³)转换得到单位为m³/s。该高炉使用的焦炭堆比重为0.512t/m³，矿石堆比重为1.8t/m³。经转换后：

Q_焦＝0.01663e^0.0769γ (1－4)

Q_矿＝0.02132e^0.0798γ (1－5)

式(1－1)中的料流调节阀有效开口面积A₀和料流调节阀开度γ的关系可以根据无钟布料炉顶设备厂家提供的设备数据获取；也可以通过三维建模的方法得到。如下简要描述使用三维建模得到A₀和γ之间对应关系的方法：

A₀是料流调节阀阀板开启后的外形边线与下料喉管围成的空间形状在水平面上的投影面积，使用三维建模工具建立高炉实际使用的料流调节阀模型，利用三维建模工具生成对应不同料流调节阀开度γ的水平投影形状，最后计算投影面积即得到A₀和γ之间对应关系。

根据式(1－1)就可以由以上各式求出炉料排放初始速度V₀。

2.计算炉料经过中心喉管落入溜槽时的速度V₁

炉料以初始速度V₀经中心喉管下落到溜槽的过程中，做自由落体运动，因此速度V₁可由以下公式求得：

式中h₁——料流调节阀到溜槽悬挂点的距离，m；

b——溜槽悬挂点至溜槽衬板垂直距离，m；

α——溜槽倾角，°。

3.计算炉料落入溜槽后的速度V₂

炉料落入溜槽后速度会折减，并且方向发生变化，变化后的方向为沿溜槽中心轴方向，如图1所示。

V₂＝λV₁cosα (1－7)

式中λ——速度折减系数；λ通过料流轨迹测量结果回归得到，α——溜槽倾角，°。

4.计算炉料在溜槽末端的速度V₃

炉料落入溜槽后到溜槽末端的整个运动过程中受到炉料自身重力、溜槽惯性离心力、溜槽对炉料的反作用力、炉料与溜槽间的摩擦力、惯性科氏力、因溜槽旋转而产生的炉料与溜槽侧向的摩擦力和溜槽侧向对炉料的作用力等七个作用力的影响。当溜槽转速不高时，后三个作用力可以忽略不计。本发明采用积分的方法得到炉料离开溜槽时的速度V₃的求解公式：

式中V₂——炉料下落到溜槽时的速度，m/s；

l₀——溜槽有效长度，m；

ω——溜槽转速，r/s；

α——溜槽倾角，°；

μ——炉料与溜槽衬板摩擦系数。

溜槽有效长度求解：

l₀＝L-b/tgα (1－9)

式中:

L——溜槽长度，m；

b——溜槽悬挂点至溜槽衬板垂直距离，m；

α——溜槽倾角°。

5.计算炉料离开溜槽时的运动速度

炉料离开溜槽时的运动速度可以分解为沿高炉径向的速度V'_x、沿高炉轴心方向的速度V'_y和溜槽旋转时的切向速度V'_τ，如图3所示。

V'_x＝V₃sinα (1－10)

V'_y＝V₃cosα (1－11)

V'_τ＝2πωl₀sinα (1－12)

6.计算炉料在炉内的落点

炉料离开溜槽后在空区的运动过程中主要受到自身重力和高炉煤气阻力的作用。由于粒度5mm以上的炉料受煤气阻力影响较小，并且炉料中粒度小于5mm的粉末较少，因此可以忽略煤气阻力对炉料的影响，把沿高炉径向的速度V_x、溜槽旋转时的切向速度V_τ视为匀速运动，速度分别为V'_x和V'_τ；把沿高炉轴心方向的速度V_y视为初速度为V'_y的自由落体运动。假设炉料离开溜槽时距离落点的高度为H，则可以计算得到炉料在空区的下落时间t：

H＝h+l₀(1-cosα) (1－14)

式中α——溜槽倾角，°；

l₀——溜槽有效长度，m；

h——溜槽倾角为0度时，其末端至落点的距离，m，h通过机械探尺、雷达探尺、微波雷达料面探测、激光料面探测等进行实时测量得到。

炉料沿高炉径向和切向的运动距离L_x和L_τ分别为如图4所示：

L_x＝V'_x×t (1－15)

L_τ＝V'_τ×t (1－16)

图4示出了炉料沿高炉径向和切向的运动轨迹，由图4可以得到炉料落点位置公式：

其中，n表示炉料在料面上的落点距离溜槽中心在径向的偏移距离，也就是炉料落点距离高炉中心线的距离，单位m；

联立式(1－14)至式(1－21)得到：

其中

二、计算料流宽度

计算料流宽度的结果主要用于模拟炉料下落时的状态和作为计算料面形状形成的依据之一。

当调节阀上部的料罐下料时，可以由物料流量排放速度Q求得料流的体积流量，根据料流的体积流量Q_v和炉料离开溜槽时的速度V₃计算料流的截面积S，通过S求得炉料在溜槽内形成的弓型截面的宽度，即料流在圆周方向上的宽度A。料流离开溜槽后截面呈椭圆形状，其面积等于溜槽中弓形料流的面积S，其长轴A等于弓型截面的宽度，再由长轴A可求得短轴B，即为料流在高炉半径方向上的料流宽度，如图5所示：

1.计算料流体积流量：

Q_v＝Q/ρ (1－20)

式中Q——物料流量排放速度，kg/s；

ρ——炉料堆比重，kg/m³。

2.计算料流截面积：

S＝Q_v/V₃ (1－21)

3.由弓形面积求圆心角α₀：

式中R——溜槽内弧半径，m。

圆心角α₀的值采用简单迭代法在区间(0－π)之内求得。

4.求弓形的宽度A：

弓形的宽度A即是椭圆形料流的长轴，因此可以由下式求得：

5.求椭圆形料流短轴B：

三、计算炉料在炉内的堆角

炉料在炉内的堆角是料面形状形成的重要依据之一。实践表明它不等于炉料的自然堆角。当炉料布到炉内后，炉料形成以落点为堆尖、靠近高炉中心的内堆角和靠近炉墙的外堆角的料面形状，如图6所示。炉料内堆角与料线深度有关，炉料外堆角与料线深度和溜槽角度有关，关系式如下：

式中h_sl——料线深度，m；

α——溜槽倾角，°；

a、b、c是系数，由开炉装料测量结果或试验结果反复修正计算得到。

根据某钢铁公司1750m³高炉开炉装料测量结果回归得到焦炭和矿石的内外堆角的求解公式：

四、计算焦炭滑移

实践中发现当矿石冲击焦炭时，会产生焦炭滑移现象，使料面形状发生变化，因此，在模型中的料面形状形成需要考虑焦炭滑移现象。被冲击后焦炭内堆角比被冲击前堆角小，它们的关系为：

五、计算矿焦比

矿焦比反映了炉料分布情况，通过矿焦比可以直观看出炉料的径向分布是否合理，如图7所示，示出了炉内矿石和焦炭的堆积情况。这里采用沿高炉径向各点矿石层厚度ΔL_O与焦炭层厚度ΔL_C的比值来表示：

通过本发明，能够在线动态追踪模拟无钟炉顶高炉布料全过程，它根据输入的高炉内型尺寸、无料钟炉顶设备参数、原燃料参数以及高炉装料制度数据如原料种类、批重、布料矩阵、下料调节阀开度、溜槽倾角等设定参数进行数值计算和模拟，从而得到炉料在炉内的料面形状和料层分布状况，并从中提取矿石、焦炭层厚度、沿径向矿焦比、矿焦平台宽度、炉料堆角等数据，为高炉生产布料操作提供重要参考。当高炉操作者根据生产情况要进行调整料制时，可采用该模型提前模拟得到各种料制调整方案的布料结果，根据布料结果结合高炉生产情况分析比较得出合适的料制调整方案，从而大大减少了实际操作中为探索合理料制造成的炉况波动的影响，使高炉快速达到稳顺生产的目的。本发明引入了反馈机制，将高炉布料数学模型和高炉在线检测技术相结合，同时利用计算机技术将高炉实时操作数据作为仿真模型的输入之一，实时在线模拟出高炉炉喉和炉身上部区域各层炉料的分布情况。其优点是模型可以接近真实地仿真出炉料分布，而且随着操作制度和炉况的变化，该模型能够实时地模拟出炉喉炉料分布的变化情况，为高炉操作人员判断炉况，调整操作制度提供有力手段。

Claims (3)

1.一种高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、计算料流轨迹；

步骤2、计算料流宽度；

其中，步骤1包括：

1.1计算炉料排放初始速度V₀；

1.2计算炉料经过中心喉管落入溜槽时的速度V₁；

1.3计算炉料落入溜槽后的速度V₂；

1.4计算炉料在溜槽末端的速度V₃。

2.根据权利要求1所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其特征在于还包括以下步骤之一或多个步骤：

步骤3、计算炉料在炉内的堆角；

步骤4、计算焦炭滑移；

步骤5、计算矿焦比。

3.根据权利要求1所述的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法，其特征在于步骤1.1中：

所述初始速度V₀是料流调节阀打开后物料的初始下落速度，所述物料包括焦炭和矿石，

V₀＝Q/A₀ (1－1)

式中Q为物料流量排放速度，m³/s；A₀为料流调节阀有效开口面积，m²；

Q_焦＝λ₁e^k1γ，Q_矿＝λ₂e^k2γ

其中，γ是料流调节阀开度，e是自然常数，取2.71828。

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