TWI417757B - 焦炭品質評估系統與方法 - Google Patents

Description

焦炭品質評估系統與方法

本發明是有關於一種焦炭品質評估系統與方法，特別是有關於高爐煉鐵中，入爐焦炭之焦炭品質評估系統與方法。

在目前的高爐煉鐵技術中，大多使用焦炭和粉煤來煉鐵。但由於焦炭和粉煤具有相當大的價差，因此入爐焦炭和粉煤(欲進入高爐反應的焦炭和粉煤)的比例會大大地影響鐵的生產成本，而入爐焦炭的品質則是其中的關鍵。若入爐焦碳的品質不好，噴煤量就必須減少，而使得鐵的生產成本上升。反之，若入爐焦碳的品質優良，噴煤量就可以增加，進而使得鐵的生產成本下降。

由於入爐焦炭的品質對於鐵的生產成本影響很大，對於焦炭品質的監控技術也就顯得非常重要。目前焦炭品質的監控技術係在實驗室中模擬高爐煉鐵的情況，以對入爐焦炭的樣本進行評估來得到焦炭熱間強度(CSR)。此焦炭熱間強度即代表入爐焦炭的品質。然而，目前的焦炭品質監控技術需要2-3天的時間才能得到一筆焦炭熱間強度資料，而無法即時提供入爐焦炭在目前高爐內的焦炭熱間強度。如此，便不能即時調整入爐焦炭和粉煤的比例。

因此，本發明之一方面是在提供一種焦炭品質評估系統與方法，以即時監控高爐的入爐焦炭品質。

根據本發明之一實施例，此焦炭品質評估系統包含取樣機、焦炭樣本性質評估系統、爐況量測系統以及焦炭熱間強度(CSR)計算系統。取樣機係用以從高爐取出焦炭殘渣樣本，其中焦炭殘渣樣本為入爐焦碳在高爐內進行反應後所剩下之殘渣。爐況估測系統係用以估測焦炭殘渣樣本所對應之爐渣液化溫度與高爐透氣阻力，以輸出爐渣液化溫度資料和高爐透氣阻力資料。鼓風條件估測系統係用以估測高爐於取樣機取樣焦炭殘渣樣本時所對應之噴煤率、高爐火燄溫度和鼓風系統之鼓風動能，以輸出噴煤率資料、高爐火燄溫度資料和鼓風動能資料。焦炭熱間強度(CSR)計算系統包含資料接收模組和計算模組。資料接收模組係用以接收高爐透氣阻力資料、液化溫度資料、該噴煤率資料、火燄溫度資料和鼓風動能資料。計算模組儲存有焦炭熱間強度方程式和透氣阻力方程式，以根據高爐透氣阻力資料、液化溫度資料、噴煤率資料、火燄溫度資料和鼓風動能資料來和焦炭熱間強度方程式與透氣阻力方程式計算出入爐焦碳所對應之焦炭熱間強度值，以供高爐之使用者來決定入爐焦碳之品質是否合乎高爐需求，其中焦炭熱間強度方程式和透氣阻力方程式係根據複數個歷史焦炭殘渣樣本所對應之複數個取樣焦碳性質、複數個爐況指標、複數個鼓風條件和複數個入爐焦炭性質來利用回歸分析演算法計算而得。

根據本發明之另一實施例，此焦炭品質評估方法係分為兩個階段：模型建立階段和線上分析階段。模型建立階段係用以根據複數個歷史焦炭殘渣樣本來建立入爐焦炭的焦炭熱間強度計算模型，線上分析階段係用以利用焦炭熱間強度計算模型來計算入爐焦碳之一焦炭熱間強度，以供高爐之使用者來決定入爐焦碳之品質是否合乎高爐需求。在模型建立階段中，首先取得歷史焦炭殘渣樣本所對應之歷史入爐焦炭的複數個入爐焦炭性質資料，其中這些歷史焦炭殘渣樣本係由歷史入爐焦炭經過高爐反應後所剩下之殘渣。接著，評估歷史焦炭殘渣樣本之複數個焦炭樣本性質，以得到複數個焦炭樣本性質資料。然後估測歷史焦炭殘渣樣本所對應之複數個高爐爐況指標，以得到複數個高爐爐況指標資料。接著，取得歷史焦炭殘渣樣本所對應之複數個鼓風條件，以得到複數個鼓風條件資料。然後根據入爐焦炭性質資料、焦炭樣本性質資料、高爐爐況指標資料和鼓風條件資料來利用回歸分析演算法計算出焦炭熱間強度方程式和透氣阻力方程式：CFR=0.22*PCR+0.19*Ki+0.79*TFT-0.25*CSR；DP/V=0.5CFR+0.56T_liquidus；其中CFR為歷史焦炭殘渣樣本所對應之焦炭細粉率(%)、PCR為高爐噴煤率(公斤/噸鐵)、Ki為高爐鼓風動能(公斤-呎/秒)、TFT為高爐火焰溫度(攝氏℃)、CSR為焦炭熱間強度(%)、DP/V為高爐透氣阻力(公斤-分鐘/公分²-標準立方公尺；kg-min./cm²-NM³)、T_liquidus為爐渣液化溫度(攝氏°C)。在線上分析階段中，首先從高爐取出線上焦炭殘渣樣本，其中線上焦炭殘渣樣本為入爐焦碳在高爐內進行反應後所剩下之殘渣。接著，估測線上焦炭殘渣樣本所對應之爐渣液化溫度與高爐透氣阻力，以得到一爐渣液化溫度資 料和一高爐透氣阻力資料。然後，取得高爐於取樣機取樣線上焦炭殘渣樣本時所對應之噴煤率資料、高爐火燄溫度資料和鼓風系統之鼓風動能資料。接著，根據高爐透氣阻力資料、液化溫度資料、噴煤率資料、火燄溫度資料和鼓風動能資料來利用焦炭熱間強度方程式和透氣阻力方程式計算出入爐焦炭之焦炭熱間強度值。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明一實施例之焦炭品質評估方法100的流程示意圖。爐渣監控方法100包含兩個階段，模型建立階段110和線上分析階段120。模型建立階段110係根據歷史焦炭殘渣樣本來建立焦炭熱間強度(CSR)的計算模型。線上分析階段120則利用此模型來計算出線上焦炭殘渣樣本之焦炭熱間強度，以供高爐之使用者來決定入爐焦碳之品質是否合乎高爐需求。上述之線上焦炭殘渣樣本係指目前高爐現場的焦炭殘渣，也就是本實施例所欲評估之目標物的樣本，而歷史焦炭殘渣樣本則係指以前從高爐現場獲得的焦炭殘渣。另外，本實施例所採用的焦炭殘渣係指入爐焦炭經過高爐反應後，從高爐底部取出的殘渣。

在模型建立階段110中，首先進行步驟112，以取得多個歷史焦炭殘渣樣本所對應之歷史入爐焦炭的入爐焦炭性質資料。在步驟112中，由於從爐下部取出的歷史焦炭殘渣樣本係對應至同一批歷史入爐焦炭，為了將歷史入爐焦炭的性質列入評估，對此歷史入爐焦炭進行測試，以取得歷史入爐焦炭性質。這些性質包含歷史入爐焦炭的焦炭反應性(CRI)、焦炭熱間強度(CSR)、抗碎強度(M40)、耐磨強度(M10)和平均粒徑(MS)。

接著，進行步驟114，以評估歷史焦炭殘渣樣本之焦炭樣本性質。在步驟114中，係利用各種實驗儀器來評估歷史焦炭殘渣樣本的性質，其包含爐芯區焦炭強度(Deadman Coke Strength;DCS)、迴旋區焦炭強度(Raceway Coke Strength;RCS)和供料區焦炭強度(Feed Coke Strength;FCS)、FCS和DCS差值與FCS的比率、FCS和RCS差值與FCS的比率、迴旋區焦炭粒度下降率、焦炭細粉比率、迴旋區焦炭長度。然後，進行步驟116中，以利用各種實驗儀器來估計或量測歷史焦炭殘渣樣本所對應之高爐爐況指標。這些高爐爐況指標包含高爐之透氣阻力、渣量、焦炭率(CR)、鐵水產率和爐渣液化溫度。

然後，進行步驟116，以取得歷史焦炭樣本所對應之鼓風條件。在高爐煉鐵的製程中，經常利用鼓風系統來透過風口送風至高爐中，另外鼓風系統也負責將粉煤送進高爐的任務。因此，高爐的鼓風條件也須列入評估中。在本實施例中，係利用高爐的鼓風系統來取得以下的鼓風條件，包含鼓風量與煤氣量、噴煤率、鼓風動能、高爐火焰溫度、壓力和氧氣率。

接著，進行步驟118，以根據上述歷史入爐焦炭性質、歷史焦炭殘渣樣本的性質、高爐爐況指標和鼓風條件之資料來利用電腦進行回歸分析演算法，以計算出焦炭熱間強度方程式和透氣阻力方程式。在本實施例中，為了避免數據尺度差異太大，影響迴歸係數的判斷，在此先將歷史入爐焦炭性質、歷史焦炭殘渣樣本的性質、高爐爐況指標和鼓風條件正規化為0~1之間的數值，再進行彼此的相關係數分析，採用選擇同領域參作參數內較低相關係數及相異領域操作參數內較高相關係數的原則，選出適當的應變數與自變數後，再進行複迴歸所選出的參數進行多次組合迴歸，最後得出兩個迴歸方程式如下CFR=0.22*PCR+0.19*Ki+0.79*TFT-0.25*CSR (1)

DP/V=0.5CFR+0.56T_liquidus (2)

其中CFR為歷史焦炭殘渣樣本所對應之焦炭細粉率(%)、PCR為高爐噴煤率(公斤/噸鐵)、Ki為高爐鼓風動能(公斤-呎/秒)、TFT為高爐火焰溫度(攝氏℃)、CSR為焦炭熱間強度(%)、DP/V為高爐透氣阻力(公斤-分鐘/公分²-標準立方公尺；kg-min./cm²-NM³)、T_liquidus為爐渣液化溫度(攝氏℃)。

上述方程式(1)和(2)的複相關係數(r)=0.9，表示其對原屬數據的符合程度相當高。顯著性水平α皆小於0.05，表示兩式之應變數以各自之自變數來描述，其顯著性相當高。

上述方程式(1)為焦炭熱間強度方程式，而方程式(2)為透氣阻力方程式，此兩方程式即代表焦炭熱間強度的計算模型。運用此兩方程式即可於線上分析階段120中，計算出待測入爐焦炭的焦炭熱間強度，以供高爐之使用者來決定入爐焦碳之品質是否合乎高爐需求。

在線上分析階段120中，首先進行步驟122，以從高爐之下部取出線上焦炭殘渣樣本，其中線上焦炭殘渣樣本為待測入爐焦碳在高爐內進行反應後所剩下之殘渣。在本實施例中，線上焦炭殘渣的取樣係利用鼓風嘴來從爐下部取樣，以取得反應完全之焦炭殘渣。然後，進行步驟124，以估測線上焦炭殘渣樣本所對應之爐渣液化溫度與高爐透氣阻力。在本實施例中，係利用如第2圖所示之軟熔溫度量測儀來量測爐渣的液化溫度。

請參照第2圖，軟熔溫度量測儀200包含高溫爐210、影像拍攝系統220和加熱控制系統230。經过配渣後的配渣樣本240先被放入高溫爐210內進行加熱熔融；取出冷卻成塊再加以破碎並研磨成細粉，之後以水-澱粉混合後加壓成塊，製成直徑3.5厘米(mm)高3.5厘米之圓柱體樣品。接著，將此圓柱體樣品放入高溫爐210內，並以加熱控制系統230進行加熱。升溫過程中以影像拍攝系統220擷取影像，觀看樣品隨溫度上升之形狀變化，以求取樣品的液化溫度，其中當樣品加熱至半圓形之溫度，視為液化溫度。

接著，進行步驟126，以估測高爐於取樣機取樣線上焦炭殘渣樣本時所對應之噴煤率、高爐火燄溫度和鼓風系統之鼓風動能。然後，進行步驟128，以根據高爐透氣阻力、液化溫度、噴煤率、火燄溫度和鼓風動能來利用上述之兩方程式(1)和(2)計算出線上焦炭殘渣樣本所對應之待測入爐焦炭的焦炭熱間強度。

請參照第3圖，其係繪示根據本發明一實施例之焦炭品質評估系統300的功能方塊示意圖，其中焦炭品質評估系統300可評估高爐350之入爐焦炭的品質。焦炭品質評估系統300包含取樣機310、爐況估測系統320、鼓風條件量測系統330和焦炭熱間強度計算系統340，其中取樣機310係於步驟122中進行焦炭殘渣樣本的取樣；爐況估測系統320係於步驟112和124中，估測焦炭殘渣樣本所對應之爐渣液化溫度與高爐透氣阻力等爐況指標；鼓風條件量測系統330係於步驟114和126中，評估焦炭殘渣樣本的性質；焦炭熱間強度計算系統340為高爐之程控電腦，其儲存有上述之兩方程式(1)和(2)，以利用爐況估測系統320和鼓風條件量測系統330所取得之資訊來計算出待測入爐焦炭的焦炭熱間強度值。

焦炭熱間強度計算系統340包含有資料接收模組和計算模組。資料接收模組係用以接收高爐透氣阻力、液化溫度、噴煤率、火燄溫度和鼓風動能等資料，而計算模組則根據計算模組所接收的高爐透氣阻力、液化溫度、噴煤率、火燄溫度和鼓風動能資料以及內存之方程式來計算出待測入爐焦炭的焦炭熱間強度值。

綜上所述，本案所提供之焦炭品質評估方法100和焦炭品質評估系統300可即時地提供入爐焦炭的焦炭熱間強度，藉此，高爐操作人員可即時調整入爐焦炭和粉煤的比例，以降低鐵的生產成本或增加鐵的產量。

另外，上述之實施例可利用電腦程式產品來實現，其可包含儲存有多個指令之機器可讀取媒體，這些指令可程式化(programming)電腦來進行上述實施例中的步驟。機器可讀取媒體可為，但不限定於軟碟、光碟、唯讀光碟、磁光碟、唯讀記憶體、隨機存取記憶體、可抹除可程式唯讀記憶體(EPROM)、電子可抹除可程式唯讀記憶體(EEPROM)、光卡(optical card)或磁卡、快閃記憶體、或任何適於儲存電子指令的機器可讀取媒體。再者，本發明之實施例也可做為電腦程式產品來下載，其可藉由使用通訊連接(例如網路連線之類的連接)之資料訊號來從遠端電腦轉移至請求電腦。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．焦炭品質評估方法

110．．．模型建立階段

112．．．步驟

114．．．步驟

116．．．步驟

118．．．步驟

120．．．線上分析階段

122．．．步驟

124．．．步驟

126．．．步驟

128．．．步驟

200．．．軟熔溫度量測儀

210．．．高溫爐

220．．．影像拍攝系統

230．．．加熱控制系統

240．．．配渣樣本

300．．．焦炭品質評估系統

310．．．取樣機

320．．．爐況估測系統

330．．．鼓風條件量測系統

340．．．焦炭熱間強度計算系統

350．．．高爐

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，上文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係繪示根據本發明一實施例之焦炭品質評估方法的流程示意圖。

第2圖係繪示根據本發明一實施例之軟熔溫度量測儀的結構示意圖。

第3圖係繪示根據本發明一實施例之焦炭品質評估系統的功能方塊示意圖。

300．．．焦炭品質評估系統

310．．．取樣機

320．．．爐況估測系統

330．．．鼓風條件量測系統

340．．．焦炭熱間強度計算系統

350．．．高爐

Claims (10)

1. 一種焦炭品質評估系統，用以評估一入爐焦碳之品質是否合乎一高爐之要求，其中該高爐係接收一鼓風系統之送風以及噴煤，該焦炭品質評估系統包含：一取樣機，用以從該高爐取出一焦炭殘渣樣本，其中該焦炭樣本為該入爐焦碳在該高爐內進行反應後所剩下之殘渣；一爐況估測系統，用以估測該焦炭殘渣樣本所對應之一爐渣液化溫度與一高爐透氣阻力，以輸出一爐渣液化溫度資料和一高爐透氣阻力資料；一鼓風條件估測系統，用以估測該高爐於該取樣機取樣該焦炭殘渣樣本時所對應之一噴煤率、一高爐火燄溫度和該鼓風系統之一鼓風動能，以輸出一噴煤率資料、一高爐火燄溫度資料和一鼓風動能資料；以及一焦炭熱間強度(CSR)計算系統，包含：一資料接收模組，用以接收該高爐透氣阻力資料、該液化溫度資料、該噴煤率資料、該火燄溫度資料和該鼓風動能資料；以及一計算模組，儲存有一焦炭熱間強度方程式和一透氣阻力方程式，其中該計算模組係根據該高爐透氣阻力資料、該液化溫度資料、該噴煤率資料、該火燄溫度資料和該鼓風動能資料來利用該焦炭熱間強度方程式和該透氣阻力方程式計算出該入爐焦碳所對應之一焦炭熱間強度值，以供該高爐之使用者來決定該入 爐焦碳之品質是否合乎該高爐需求，其中該焦炭熱間強度方程式和該透氣阻力方程式係根據複數個歷史焦炭殘渣樣本所對應之複數個取樣焦碳性質、複數個爐況指標、複數個鼓風條件和複數個入爐焦炭性質來利用一回歸分析演算法計算而得。
2. 如申請專利範圍第1項所述之焦炭品質評估系統，其中該焦炭熱間強度方程式和該透氣阻力方程式分別以下列方程式來表示：CFR=0.22*PCR+0.19*Ki+0.79*TFT-0.25*CSR；DP/V=0.5CFR+0.56T_liquidus；其中CFR為該焦炭殘渣樣本所對應之一焦炭細粉率、PCR為該噴煤率、Ki為該鼓風動能、TFT為該高爐火焰溫度、CSR為該焦炭熱間強度、DP/V為該高爐透氣阻力、T_liquidus為該爐渣液化溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之焦炭品質評估系統，其中該些取樣焦碳性質包含焦炭細粉比率、迴旋區焦炭粒度下降率、爐芯區焦炭(deadman coke)強度、迴旋區焦炭強度(raceway coke)強度和供料區(feed coke)焦炭強度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之焦炭品質評估系統，其中該些爐況指標包含透氣阻力、渣量、焦炭率、產率和液化溫度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之焦炭品質評估系統，其中該些鼓風條件包含鼓風量與煤氣量、噴煤率、鼓風動能、高爐火焰溫度、壓力和氧氣率。
6. 一種焦炭品質評估方法，用以評估一入爐焦碳之品質是否合乎一高爐之要求，其中該高爐係接收一鼓風系統之送風以及噴煤，該焦炭品質方法包含：一模型建立階段，用以根據複數個歷史焦炭殘渣樣本來建立焦炭熱間強度計算模型，其中該模型建立階段包含：取得該些歷史焦炭殘渣樣本所對應之一歷史入爐焦炭的複數個入爐焦炭性質資料，其中該些歷史焦炭殘渣樣本係由該歷史入爐焦炭經過該高爐反應後所剩下之殘渣；評估該些歷史焦炭殘渣樣本之複數個焦炭樣本性質，以得到複數個焦炭樣本性質資料；估測該些歷史焦炭殘渣樣本所對應之複數個高爐爐況指標，以得到複數個高爐爐況指標資料；取得該些歷史焦炭殘渣樣本所對應之複數個鼓風條件，以得到複數個鼓風條件資料；以及根據該些入爐焦炭性質資料、該些焦炭樣本性質資料、該些高爐爐況指標資料和該些鼓風條件資料來利用一回歸分析演算法計算出一焦炭熱間強度方程式和一透氣阻力方程式：CFR=0.22*PCR+0.19*Ki+0.79*TFT-0.25*CSR； DP/V=0.5CFR+0.56T_liquidus；其中CFR為該歷史焦炭殘渣樣本所對應之一焦炭細粉率、PCR為高爐噴煤率、Ki為高爐鼓風動能、TFT為高爐火焰溫度、CSR為焦炭熱間強度、DP/V為高爐透氣阻力、T_liquidus為爐渣液化溫度；以及一線上分析階段，用以利用該些方程式來計算該入爐焦碳之一焦炭熱間強度，以供該高爐之使用者來決定該入爐焦碳之品質是否合乎該高爐需求，該線上分析階段包含：從該高爐取出一線上焦炭殘渣樣本，其中該線上焦炭殘渣樣本為該入爐焦碳在該高爐內進行反應後所剩下之殘渣；估測該線上焦炭殘渣樣本所對應之一爐渣液化溫度與一高爐透氣阻力，以得到一爐渣液化溫度資料和一高爐透氣阻力資料；取得該高爐於該取樣機取樣該線上焦炭殘渣樣本時所對應之一噴煤率資料、一高爐火燄溫度資料和該鼓風系統之一鼓風動能資料；以及根據該高爐透氣阻力資料、該液化溫度資料、該噴煤率資料、該火燄溫度資料和該鼓風動能資料來利用該焦炭熱間強度方程式和該透氣阻力方程式計算出該入爐焦炭之該焦炭熱間強度之值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之焦炭品質評估方法，其中回歸分析演算法係根據擬合度(goodness of fit,R²)為0.8來進行。
8. 如申請專利範圍第6項所述之焦炭品質評估方法，其中該些取樣焦碳性質包含焦炭細粉率、爐芯區焦炭(deadman coke)強度、迴旋區焦炭強度(raceway coke)強度和供料區(feed coke)焦炭強度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之焦炭品質評估方法，其中該些爐況指標包含透氣阻力、渣量、焦炭率、產率和液化溫度。
10. 如申請專利範圍第6項所述之焦炭品質評估方法，其中該些鼓風條件包含鼓風量與煤氣量、噴煤率、鼓風動能、高爐火焰溫度、壓力和氧氣率。