CN115018155A - 一种基于转炉液面深度的出钢重量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转炉炼钢技术领域，公开了一种基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，包括：计算炉衬耐火砖损耗速率、定义炉次相似度的距离公式、确定转炉相关半径、高度的初始值及相关体积公式；根据炉次相似度的距离公式计算历史炉次与当前炉次的相似度k的距离值，并由小及大进行排名；取相似度最大（即距离值最小）的炉次第J炉次，通过耐火砖损耗速率及相关体积公式分别计算第J炉次的体积、当前炉次的体积，并根据第J炉次、当前炉次的温度计算两个炉次的密度，根据比例原理，计算得到当前炉次M_a的重量；当前炉次Ma的重量即为出钢重量预测值。与现有技术相比，本发明可以将无法正常预测或者预测精度超限的炉次比例降低到1‰以下的水平。

Description

一种基于转炉液面深度的出钢重量预测方法

技术领域

本发明涉及转炉炼钢技术领域，具体涉及一种基于转炉液面深度的出钢重量预测方法。

背景技术

转炉出钢前，会经常需要添加各种钢包合金，为了提高各种合金料的添加精度，需要对转炉出钢重量进行准确预估，由于此时还未出钢，所以称重系统无法使用。

现场工人经常根据铁水和废钢收得率的经验值，对出钢重量进行粗略估算，但是由于炼钢影响因素众多，比如铁水成分、吹炼时间、废钢的品质等，因此经常会导致估算偏差较大。对该类人工控制的思路进行扩展，采用计算机控制系统，对实际出钢称重与炼钢过程参数如吹氧量、铁水重量、废钢重量、石灰加入量等的关系进行大数据回归，并利用回归的参数，代替人工，对即将出炉的钢水重量进行预测，可以取得改进的效果。

但是上述方法仍然可能存在两个问题，一是控制系统无法识别废钢的品质，当废钢品质波动大时，影响预测精度，二是由于铁水重量及废钢重量均是吊装运输，偶尔可能会存在重量数据丢失或者数据传递不及时的问题，导致控制系统偶尔无法实时准确接收到相关数据，因此无法预测。根据现场统计，上述方法仍然可能存在5％左右的炉次无法正常预测或者预测精度超限的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于液面深度的转炉出钢重量预测方法，以吹炼结束后的液面深度为基础进行预测，直接面向体积与重量，可以规避炼钢过程因素的影响。

技术方案：本发明提供了一种基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，包括如下步骤：

步骤1：通过统计计算炉衬耐火砖损耗速率、定义炉次相似度的距离公式、确定转炉相关半径及高度的初始值及相关体积公式，进行预测计算准备；

1.1)所述炉衬耐火砖损耗速率为平均每冶炼一炉次，所导致的耐火砖侵蚀量，具体为：

其中，Q为侵蚀速率，N为总冶炼炉次数，H为炉衬耐火砖的平均侵蚀厚度；

在转炉中的钢液侵蚀区，设换耐火砖后的空间初始尺寸为L₀，则经过num炉次后，其尺寸L相应变为：L＝L₀+num×Q，其中，L代指转炉中的球冠区半径R_冠、球冠区深度h_冠、球台区上下半径R_台1、R_台2以及圆柱区的半径R_柱；L₀和L分别表示其初始值、被侵蚀num炉次后的值；

1.2)所述炉次相似度的距离公式为：

其中，a与b表示任意两个炉次，分别为第a炉次和第b炉次；i表示自变量序号，自变量可以为吹氧量、吹炼时间、反应铁水品质的Si、Mn、P、S的含量、Cao加入量、渣铁使用量、钢水温度、定氧量、定碳量等n个自变量，X_ia表示第a炉次相应白变量的值，X_ib表示第b炉次相应自变量的值；

步骤2：根据步骤1所述的炉次相似度的距离公式计算历史炉次与当前炉次的炉次相似度k的距离值，并将所述距离值由小及大进行排名；

步骤3：取相似度最大，即距离值最小的炉次第J炉次，通过耐火砖损耗速率及相关体积公式分别计算第J炉次的体积V_J、当前炉次的体积V_a，并根据第J炉次、当前炉次的温度计算两个炉次的密度ρ_J、ρ_a，根据比例原理，计算得到当前炉次M_a的重量；

步骤4：当前炉次Ma的重量即为出钢重量预测值。

进一步地，所述步骤3中取相似度排序由大到小的前n炉次，即距离值排序由小到大的前n炉次，分别通过步骤3方法计算n个炉次的M_a值，并取平均值，得到M_a-ave，最终将M_a-ave作为当前炉次的重量预测值。

进一步地，所述步骤1中的相关提及公式如下：

转炉内部空间结构的下部是一个球冠状，球冠上方为一个圆台形，冶炼液面在圆柱段，球冠、球台、圆柱体积公式为：

V_圆柱＝πR_柱 ²(h-h_台-h_冠)

其中，R为相应形状的半径，h为相应形状的高度。

进一步地，所述步骤3中第J炉次的体积V_J、当前炉次的体积V_a分别为：

其中，R_冠J、h_冠J、R_台1J、R_台2J、R_柱J分别表示被侵蚀num_J炉次后，球冠区的半径、球冠区的深度、球台区的上、下半径以及圆柱区的半径的值，R_冠a、h_冠a、R_台1a、R_台2a、R_柱a分别表示当前炉次球冠区的半径、球冠区的深度、球台区的上、下半径以及圆柱区的半径的值。

进一步地，所述步骤3中的第J炉次、当前炉次的密度ρ_J、ρ_a计算公式如下：

ρ_J＝8523-0.8358(T_J+273)

ρ_a＝8523-0.8358(T_a+273)

此处可以忽略各种合金组分对钢液的密度影响。

进一步地，所述步骤3中根据比例原理，计算得到当前炉次M_a的重量具体为：

其中，M_J为第J炉次的真实重量。

有益效果：

本发明方法以吹炼结束后的液面深度为基础进行预测，是直接面向体积与重量的关系，因此可以规避炼钢过程因素比如废钢品质等的影响。可以将无法正常预测或者预测精度超限的炉次比例降低到1‰以下的水平。

附图说明

图1为本发明基于转炉液面深度的出钢重量预测方法的流程图；

图2为本发明转炉内部结构结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于液面深度的转炉出钢重量预测方法。相对于传统的基于铁水和废钢收得率的预测方法，该方法是在吹炼结束后，直接根据液面深度预测出钢重量，可以有效避免冶炼过程因素对出钢重量预测的影响，这里首先介绍本发明涉及的部分定义及公式：

一、炉衬耐火砖损耗速率

炉衬耐火砖大修更换时，随机抽查，统计炉衬耐火砖的平均侵蚀厚度，设为Hmm，并统计期间总冶炼炉次数，设为N次，本处定义侵蚀速率Q为式(1)所示，其含义为平均每冶炼一炉次，所导致的耐火砖侵蚀量(单位mm)：

该定义主要用于计算当前炉次的炉衬耐火砖的侵蚀深度，以估算相同液面深度下的实际体积变化情况。单位mm/炉。

在转炉中的钢液侵蚀区，设换耐火砖后的空间初始尺寸为L₀，则经过num炉次后，其尺寸L相应变为：

L＝L₀+num×Q (2)

这里L代指后述提及的球冠区半径R_冠、球冠区深度h_冠、球台区上下半径R_台1、R_台2以及圆柱区的半径R_柱。L₀和L分别表示它们的初始值，以及被侵蚀num炉次后的值。初始值可以由设计图纸查找，分别设为R_冠0、h_冠0、R_台10、R_台02、R_柱0。

二、炉次相似度的距离公式

本发明定义一个反应距离的公式如式(3)所示，距离设为D，用来反应任意两炉次的冶炼过程相似度。

式(3)的自变量个数可以根据具体的炉况增减，一般可以包括吹氧量、吹炼时间、反应铁水品质的Si、Mn、P、S的含量、Cao加入量、渣铁使用量、钢水温度、定氧量、定碳量等n个自变量。

式中，a与b表示任意两个炉次，分别为第a炉次和第b炉次；i表示上述如吹氧量、Cao加入量等自变量序号。X_ia表示第a炉次相应自变量的值。X_ib表示第b炉次相应自变量的值。

三、转炉各区的形状及体积公式介绍

转炉内部空间形状如图2所示，下部是一个球冠状，球冠上方为一个圆台形，而冶炼液面一般必须在圆柱段。

根据数学知识，这里列出球冠、球台、圆柱体积公式：

V_圆柱＝πR_柱 ²(h-h_台-h_冠) (6)

式(4)～(6)的R为相应形状的半径，h为相应形状的高度，单位mm。

结合上述定义及相关公式，本发明是以如下方式实现的：

1、历史最相似炉次寻找

设当前炉次为a，对最近冶炼的m个炉次(本发明采用1000炉次)，逐个设它们为b，分别利用式(3)计算它们与当前炉次a的距离，距离值按照由小及大排名，并取其最小值，如式(7)所示。则最小值D_abmin算对应的炉次(设为第J炉次)，是铁水质量、冶炼过程与本炉次总体水平最接近的炉次，也因此是本炉次重量预计算所选定的参考炉次，

设第J炉次的行车称重为M_J，由于该称重设备是可信的真实重量，因此本发明重点利用第J炉次的真实重量M_J，结合当前炉次a相对于J炉次的各种指标的波动(包括总体积的波动、温度引起的密度波动等)，进而修正M_J，得到第a炉次的预测重量M_a，进而尽力避免绝对理论所可能带来的大幅偏差，而是将偏差控制在波动量为基数的范围内。这里首先介绍耐火材料损耗的波动引起的重量修正量。

2、理论体积的计算

如上所述，本发明通过修正计算M_J得到M_a，这里首先计算体积偏差。设J炉次的液面高度为h_J，当前炉次a的液面高度为h_a，它们对应的换耐火砖后的冶炼炉次号分别为num_J，num_a，设它们的体积分别为V_J，V_a，则可以计算它们的金属液体积。

以第J炉次为例，首先将num_J、R_冠0、h_冠0、R_台10、R_台02、R_柱0带入式(2)，分别计算被侵蚀num_J炉次后，球冠区的半径R_冠J、球冠区的深度h_冠J、球台区的上下半径R_台1J、R_台2J以及圆柱区的半径R_柱J的值。

随后，根据真实液面高度h_J，以及式(4)、(5)、(6)，结合图1，可以计算体积V_J，如式(8)所示：

相应的，类似方法可以求解出当前炉次a的体积V_a，

3、温度引起的密度波动计算

设第J炉次的温度测量为T_J，当前炉次温度测量为T_a，根据式(10)、(11)分别计算两个炉次的密度，设为ρ_J和ρ_a：

ρ_J＝8523-0.8358(T_J+273) (10)

ρ_a＝8523-0.8358(T_a+273) (11)

由于炼钢结束还未添加合金，铁水杂志也基本氧化完毕，故此处可以忽略各种合金组分对钢液的密度影响。

4、等比例计算当前炉次重量M_a

结合式(8)～(11)，可以估算M_a为，

5、当前炉次重量Ma的最终计算

为了避免有可能存在的第J炉次的偶发性因素扰动，本发明采用的是，对步骤1中，相似度最高的前10个炉次(即距离值排序前10的10个炉次)，分别采用步骤2-4的方法，计算对应的重量M_a1、M_a2…M_a10并计算它们的平均值，做为当前炉次a的出钢重量预测值，式(13)所示，

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过统计计算炉衬耐火砖损耗速率、定义炉次相似度的距离公式、确定转炉相关半径及高度的初始值及相关体积公式，进行预测计算准备；

1.1)所述炉衬耐火砖损耗速率为平均每冶炼一炉次，所导致的耐火砖侵蚀量，具体为：

其中，Q为侵蚀速率，N为总冶炼炉次数，H为炉衬耐火砖的平均侵蚀厚度；

在转炉中的钢液侵蚀区，设换耐火砖后的空间初始尺寸为L₀，则经过num炉次后，其尺寸L相应变为：L＝L₀+num×Q，其中，L代指转炉中的球冠区半径R_冠、球冠区深度h_冠、球台区上下半径R_台1、R_台2以及圆柱区的半径R_柱；L₀和L分别表示其初始值、被侵蚀num炉次后的值；

1.2)所述炉次相似度的距离公式为：

其中，a与b表示任意两个炉次，分别为第a炉次和第b炉次；i表示自变量序号，自变量可以为吹氧量、吹炼时间、反应铁水品质的Si、Mn、P、S的含量、Cao加入量、渣铁使用量、钢水温度、定氧量、定碳量等n个自变量，X_ia表示第a炉次相应自变量的值，X_ib表示第b炉次相应自变量的值；

步骤2：根据步骤1所述的炉次相似度的距离公式计算历史炉次与当前炉次的炉次相似度k的距离值，并将所述距离值由小及大进行排名；

步骤3：取相似度最大，即距离值最小的炉次第J炉次，通过耐火砖损耗速率及相关体积公式分别计算第J炉次的体积V_J、当前炉次的体积V_a，并根据第J炉次、当前炉次的温度计算两个炉次的密度ρ_J、ρ_a，根据比例原理，计算得到当前炉次M_a的重量；

步骤4：当前炉次Ma的重量即为出钢重量预测值。

2.根据权利要求1所述的基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，其特征在于，所述步骤3中取相似度排序由大到小的前n炉次，即距离值排序由小到大的前n炉次，分别通过步骤3方法计算n个炉次的M_a值，并取平均值，得到M_a-ave，最终将M_a-ave作为当前炉次的重量预测值。

3.根据权利要求1所述的基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，其特征在于，所述步骤1中的相关提及公式如下：

转炉内部空间结构的下部是一个球冠状，球冠上方为一个圆台形，冶炼液面在圆柱段，球冠、球台、圆柱体积公式为：

V_圆柱＝πR_柱 ²(h-h_台-h_冠)

其中，R为相应形状的半径，h为相应形状的高度。

4.根据权利要求3所述的基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，其特征在于，所述步骤3中第J炉次的体积V_J、当前炉次的体积V_a分别为：

其中，R_冠J、h_冠J、R_台1J、R_台2J、R_柱J分别表示被侵蚀num_J炉次后，球冠区的半径、球冠区的深度、球台区的上、下半径以及圆柱区的半径的值，R_冠a、h_冠a、R_台1a、R_台2a、R_柱a分别表示当前炉次球冠区的半径、球冠区的深度、球台区的上、下半径以及圆柱区的半径的值。

5.根据权利要求1所述的基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，其特征在于，所述步骤3中的第J炉次、当前炉次的密度ρ_J、ρ_a计算公式如下：

ρ_J＝8523-0.8358(T_J+273)

ρ_a＝8523-0.8358(T_a+273)

此处可以忽略各种合金组分对钢液的密度影响。

6.根据权利要求1所述的基于转炉液面深度的出钢重量预测方法，其特征在于，所述步骤3中根据比例原理，计算得到当前炉次M_a的重量具体为：

其中，M_J为第J炉次的真实重量。

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