高炉布料工艺评价方法、系统、可读存储介质及其应用与流程

2021-01-30 17:01:36|

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【技术领域】

本发明涉及钢铁冶金技术领域，基于炉料平台宽度计算过程，尤其涉及一种高炉布料工艺评价方法、系统、可读存储介质及其应用。

背景技术：

现代炼铁工业的发展对高炉操作提出更高的要求，尤其在对高炉顺行和低碳冶炼的操作方面。高炉的顺行与高炉煤气流息息相关，而煤气流分布受高炉布料工艺的影响很大。合理的布料工艺能够促进炉况顺行，降低高炉运行成本，实现低碳冶炼。布料工艺的调整依据布料设备各个生产参数的改变，布料工艺直接影响到高炉炉料的平台宽度，平台宽度过窄，促进边缘煤气流发展，形成边缘气流，加剧了煤气流对高炉炉墙的冲刷，使得高炉壁体温度不稳定，进而引起高炉进出水水温差波动较大，导致冷却壁水管损坏。同时会导致“边缘管道”现象的发生。“边缘管道”现象的出现，使得高炉煤气的利用率明显变差，造成炉温的波动，影响铁水质量。平台宽度过宽，造成中心气流过度发展，煤气的利用率降低，顶温增加，边缘矿料不能被充分预热还原，影响到高炉顺行。同时，由于中心气流过度发展，导致铁水温度降低，需要更多的热量做补充，增加了高炉炼铁的运行成本。平台位置靠近炉墙，边缘气流得不到发展，煤气利用率低；平台位置靠近高炉中心，边缘气流过度发展，容易形成“边缘管道”。所以，控制好平台宽度和平台位置对高炉顺行尤为重要。

高炉平台宽度占比和平台位置受料线高低、布料矩阵等因素影响，本发明探究改变不同布料矩阵和料线高度，来确定平台的宽度占比和平台位置。同时，根据现场数据对高炉平台宽度占比和平台位置进行计算，并结合高炉的有效容积和煤气利用率。最终将所得数据与平台的宽度占比和位置做统一和对比，对布料工艺进行评判。

布料工艺直接影响到高炉生产的炉况顺行和经济成本。而高炉炼铁尚未形成对布料工艺的合理评价方法。应用平台宽度占比和平台位置对布料工艺进行评价是一种最直接，最有效也是最普适的方法，同时，利用平台宽度和高炉布料数学模型，将布料参数和平台宽度、位置建立数学关系，控制布料的各个参数能确定合理的平台位置，可优化平台宽度占比。本发明对高炉操作有很好的指导意义。

因此，有必要研究一种高炉布料工艺评价方法、系统、可读存储介质及其应用来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种高炉布料工艺评价方法、系统、可读存储介质及其应用，所述方法应用平台宽度占比和平台位置对布料工艺进行评价，同时，利用平台宽度和高炉布料数学模型，将布料参数和平台宽度、位置建立数学关系，控制布料的各个参数确定合理的平台位置，优化平台宽度占比。

一方面，本发明提供一种高炉布料工艺评价方法，所述评价方法包括以下步骤：

s1：模拟炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽末端的过程，并建立运动模型；

s2：模拟炉料从布料溜槽末端离开后，落到高炉内的料面上的过程，并计算炉料在高炉内料面上的位置信息；

s3：将焦炭和矿石的参数信息代入s1-s2的模型过程，分别获取焦炭和矿石在高炉内料面上的位置信息和平台宽度占比；

s4：在不同规格高炉中进行s1-s3过程或在同一高炉中重复进行s1-s3过程，获取平台宽度占比和平台位置随布料矩阵最小角度的变化以及平台宽度占比和平台位置随料线高度变化的规律；

s5：通过s4进行多次布料，根据模拟之后获得的结果，以及每次布料之后高炉的冶炼效率，得到最优的平台宽度占比和平台位置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1具体包括：

s11：炉料从矿焦槽装入，经过皮带机的传送到达料罐；

s12：打开料罐的料流节流阀，炉料在重力的作用下落入溜槽，最终经溜槽布入料面；

s13：计算炉料从溜槽顶端到料面的布料规律及影响条件，设置布料矩阵和料线高度两个变量，建立炉料运动的计算数学模型具体如下：

炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽，在溜槽末端的速度c为：

其中，l0为溜槽长度，单位：m；β为布料槽角度，单位：°；g为重力加速度，单位：m/s²；c0为炉料在溜槽顶端的速度；μ为炉料的摩擦系数，e为轻重距。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s2具体为：炉料在离开溜槽末端受重力和离心力以及科氏力影响，运动轨迹为一个存在滞后角的抛物线运动；

炉料在x-y平面上x方向的投影为：

炉料在料面上的落点到高炉中心的距离为：

其中，n为炉料落点离高炉中心的距离，单位：m；g为重力加速度，单位：m/s²；β为布料槽角度，单位：°；μ为炉料的摩擦系数；ω为溜槽转速，单位：r/s；l0为溜槽长度，单位：m；α为溜槽倾角，单位：°；lx为炉料离开溜槽末端后，在x-y平面上x方向的投影，单位：m；c0为炉料在溜槽顶端的速度，h为布料高度，单位：m；

计算得到炉料落点，将布料矩阵的最大角和最小角代入进行计算，获得两个炉料落点离高炉中心的距离n最大角和n最小角；

l平台＝2×(n最大角-n最小角)(4)

其中，η为平台宽度占比；l平台为平台宽度；d炉喉为炉喉直径平台和炉墙距离为：

平台到高炉中心的距离为：

d平台-中心＝n最小角(7)

平台宽度占比通过平台宽度、平台到炉墙距离以及平台到中心的距离的比例确定：

d平台-炉墙：l平台：d平台-中心(8)。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中焦炭的摩擦系数为0.53，矿石的摩擦系数为0.71。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5中最优的焦炭平台宽度占比为0.31～0.34；最优的矿石平台宽度占比为0.29～0.32；

焦炭的最佳平台位置为：

dc平台-炉墙：lc平台：dc平台-中心＝(0.08～0.12):(0.31～0.34):(0.55～0.58)

矿石的最佳平台位置为：

do平台-炉墙：lo平台：do平台-中心＝(0.08～0.12):(0.29～0.32):(0.57～0.60)。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种高炉布料工艺评价系统，所述系统包括：

模型建立单元，用于模拟炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽末端的过程，并建立运动模型；

位置信息获取单元：用于模拟炉料从布料溜槽末端离开后，落到高炉内的料面上的过程，并计算炉料在高炉内料面上的位置信息；

布料参数计算单元：根据炉料的的参数信息，获取炉料在高炉内料面上的位置信息和平台宽度占比；

评价结果输出单元，根据平台宽度占比和平台位置随布料矩阵最小角度的变化以及平台宽度占比和平台位置随料线高度变化的规律，输出最优的平台宽度占比和平台位置式。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有高炉布料工艺评价程序，所述高炉布料工艺评价程序被处理器执行时实现如所述的高炉布料工艺评价方法的步骤。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种高炉布料工艺评价方法的应用，所述应用具体为：根据最优的平台宽度占比和平台位置，对料面平台进行调整。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述调整方法具体如下：

1)当炉料的平台宽度小于标准平台宽度：增大炉料的角差或提高料线高度；

2)当炉料的平台宽度大于标准平台宽度：减小炉料的角差或降低料线高度

3)当炉料平台靠近炉墙位置：减小布料矩阵角度或降低料线高度；

4)当炉料平台靠近高炉中心位置：增大布料矩阵角度或提高料线高。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1.确定高炉合适的平台宽度，为现场高炉操作人员提供技术指导，稳定高炉炉况，提高高炉生产效益。

2.为现场高炉操作人员提供装料工艺调整方案，根据合理的平台宽度来优化装料工艺。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个实施例提供的高炉布料设备示意图；

图2为本发明一个实施例提供的通过模拟软件模拟获得的平台形状；

图3为本发明一个实施例提供的高炉料线示意图；

图4为本发明一个实施例提供的炉料轨迹计算数学模型；

图5为本发明一个实施例提供的料线高度为1.5m，最大角为41°，炉喉直径8.3m，在固定最大角度情况下，改变最小角度对焦炭平台宽度占比的影响图；

图6为本发明一个实施例提供的料线高度为1.5m，最大角为41°，炉喉直径8.3m，在固定最大角度情况下，改变最小角度对矿石平台宽度占比的影响图；

图7为本发明一个实施例提供的最大角为41°，最小角30°，炉喉直径8.3m，在固定角度的情况下，改变料线高度对焦炭平台宽度占比的影响图；

图8为本发明一个实施例提供的最大角为41°，最小角30°，炉喉直径8.3m，在固定角度的情况下，改变料线高度对矿石平台宽度占比的影响图。

其中，图中：

1-上料皮带机；2-挡板；3-受料漏斗；4-上闸阀；5-上密封阀；6-称量料罐；7-节流阀；8-下密封阀；9-中心喉管；10-旋转溜槽。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种高炉布料工艺评价方法、系统、可读存储介质及其应用。

其中，所述评价方法包括以下步骤：

s1：模拟炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽末端的过程，并建立运动模型；

s2：模拟炉料从布料溜槽末端离开后，落到高炉内的料面上的过程，并计算炉料在高炉内料面上的位置信息；

s3：将焦炭和矿石的参数信息代入s1-s2的模型过程，分别获取焦炭和矿石在高炉内料面上的位置信息和平台宽度占比；

s5：根据s4中的计算结果和现场高炉的冶炼效率，得到最优的平台宽度占比和平台位置。

所述s1具体包括：

s11：炉料从矿焦槽装入，经过皮带机的传送到达料罐；

s12：打开料罐的料流节流阀，炉料在重力的作用下落入溜槽，最终经溜槽布入料面；

s13：计算炉料从溜槽顶端到料面的布料规律及影响条件，设置布料矩阵和料线高度两个变量，建立炉料运动的计算数学模型具体如下：

炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽，在溜槽末端的速度c为：

所述s2具体为：炉料在离开溜槽末端受重力和离心力以及科氏力影响，运动轨迹为一个存在滞后角的抛物线运动；

炉料在x-y平面上x方向的投影为：

炉料在料面上的落点到高炉中心的距离为：

计算得到炉料落点，将布料矩阵的最大角和最小角代入进行计算，获得两个炉料落点离高炉中心的距离n最大角和n最小角；

l平台＝2×(n最大角-n最小角)(4)

其中，η为平台宽度占比；l平台为平台宽度；d炉喉为炉喉直径平台和炉墙距离为：

平台到高炉中心的距离为：

d平台-中心＝n最小角(7)

平台宽度占比通过平台宽度、平台到炉墙距离以及平台到中心的距离的比例确定：

d平台-炉墙：l平台：d平台-中心(8)。

所述s3中焦炭的摩擦系数为0.53，矿石的摩擦系数为0.71。

所述s5中最优的焦炭平台宽度占比为0.31～0.34；最优的矿石平台宽度占比为0.29～0.32；

焦炭的最佳平台位置为：

dc平台-炉墙：lc平台：dc平台-中心＝(0.08～0.12):(0.31～0.34):(0.55～0.58)

矿石的最佳平台位置为：

do平台-炉墙：lo平台：do平台-中心＝(0.08～0.12):(0.29～0.32):(0.57～0.60)。

一种高炉布料工艺评价系统，所述系统包括：

模型建立单元，用于模拟炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽末端的过程，并建立运动模型；

位置信息获取单元：用于模拟炉料从布料溜槽末端离开后，落到高炉内的料面上的过程，并计算炉料在高炉内料面上的位置信息；

布料参数计算单元：根据炉料的的参数信息，获取炉料在高炉内料面上的位置信息和平台宽度占比；

评价结果输出单元，根据平台宽度占比和平台位置随布料矩阵最小角度的变化以及平台宽度占比和平台位置随料线高度变化的规律，输出最优的平台宽度占比和平台位置。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有高炉布料工艺评价程序，所述高炉布料工艺评价程序被处理器执行时实现如任一项所述的高炉布料工艺评价方法的步骤。

一种高炉布料工艺评价方法的应用，所述应用具体为：根据最优的平台宽度占比和平台位置，对料面平台进行调整。

本发明涉及一种高炉布料工艺评价方法。该评价方法可以通过调整布料矩阵，料线高低来改变平台宽度和位置，根据高炉生产实际数据确定最佳布料参数。同时，可以根据得到的最优平台宽度占比和平台位置来优化布料参数，实现高炉低碳低成本冶炼。

布料设备模型如图1所示，该布料设备模型由上至下依次包括-上料皮带机1、挡板2、受料漏斗3、上闸阀4、上密封阀5、称量料罐6、节流阀7、下密封阀8、中心喉管9和旋转溜槽10,炉料从矿焦槽装入，经过皮带机的传送到达料罐，打开料罐的料流节流阀，炉料在重力的作用下落入溜槽，最终经溜槽布入料面。

最终形成的平台如图2所示。本发明基于大量计算研究，计算炉料从溜槽顶端到料面的布料规律及影响条件，考虑布料矩阵和料线高度(图3)两个变量。炉料运动的计算数学模型如图4所示。具体计算如下：

炉料从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽，在溜槽末端的速度c为：

炉料在离开溜槽末端受重力和离心力以及科氏力影响，运动轨迹为一个存在滞后角的抛物线运动。其在x-y平面上x方向的投影为：

炉料在料面上的落点到高炉中心的距离为：

n——炉料落点离高炉中心的距离，m；

g——重力加速度，m/s²；

β——布料槽角度，°；

μ——摩擦系数；

ω——溜槽转速，r/s；

l0——溜槽长度，m；

α——溜槽倾角，°；

lx——炉料离开溜槽末端后，在x-y平面上x方向的投影，m；

c0——炉料在溜槽顶端的速度；

e——轻重距；

h——布料高度，m。

计算得到炉料落点，将布料矩阵的最大角和最小角代入进行计算，获得两个炉料落点离高炉中心的距离n最大角和n最小角；

l平台＝2×(n最大角-n最小角)(4)

η——平台宽度占比

l平台——平台宽度

d炉喉——炉喉直径

平台和炉墙距离为：

平台到高炉中心的距离：

d平台-中心＝n最小角(7)

平台宽度位置通过平台宽度和平台到炉墙距离以及平台到中心的位置位置比例确定

即

d平台-炉墙：l平台：d平台-中心(8)

将矿石和焦炭合为单一的炉料来进行计算，结果并不准确。必须对矿石和焦炭分开计算获得更为精确地结果。矿石和焦炭相比，矿石的粒度较小，摩擦系数较大。焦炭的摩擦系数0.53，矿石的摩擦系数0.71。两者在炉料从溜槽顶端到料面的运动学计算公式一样。根据计算得出在固定布料矩阵最大角的情况下焦炭平台宽度占比和平台位置随布料矩阵最小角度的变化(图5)以及矿石平台宽度占比和平台位置随布料矩阵最小角度的变化(图6)。焦炭平台宽度占比和平台位置随料线高度变化的规律(图7)，矿石平台宽度占比和平台位置随料线高度的变化规律(图8)。

根据所得到平台宽度占比和平台位置，并结合此数据现场高炉生产情况，找到适合对应高炉的布料工艺和料线高度，达到优化高炉操作和低碳冶炼的目的。

本发明基于大数据研究，对国内大小高炉现场布料数据进行收集、计算和统计分析，确定合适的焦炭平台宽度占比为0.31～0.34。矿石合适的平台宽度为0.29～0.32。

焦炭的最佳平台位置为：

dc平台-炉墙：lc平台：dc平台-中心＝(0.08～0.12):(0.31～0.34):(0.55～0.58)

矿石的最佳平台位置为：

do平台-炉墙：lo平台：do平台-中心＝(0.08～0.12):(0.29～0.32):(0.57～0.60)

料面平台的调整措施：

1、当炉料的平台宽度小于标准平台宽度

(1)可以增大炉料的角差。确保炉料碰触不到炉墙的情况下，增加溜槽布料矩阵的最大角度或减小布料矩阵的最小角度。

(2)提高料线高度。在x-y平面上x方向速度不变，增加炉料的运动时间，增加大角度布料矩阵时炉料落点与高炉距离。小角度在x-y平面上x方向速度较小，料线高度对小角度布料矩阵布料影响比大角度布料矩阵影响小。扩大大角度布料矩阵炉料落点和高炉的距离，增加平台宽度。

2、当炉料的平台宽度大于标准平台宽度

(1)减小炉料的角差。减小布料矩阵的最大布料角度或增加布料矩阵的最小布料布料角度。

(2)降低料线高度。减短炉料下降时间，进而减小平台宽度。

3、当炉料平台靠近炉墙位置

(1)减小布料矩阵角度。同时减小布料矩阵的最大角度和最小角度，将炉料位置向靠近高炉中心的方向进行移动。在保证不改变平台宽度的同时，改变炉料位置。

(2)降低料线高度。由于大角度布料矩阵和小角度布料矩阵对平台宽度影响不同，可以减小布料矩阵的最小角度，达到改变平台位置的目的。

4、当炉料平台靠近高炉中心位置

(1)增大布料矩阵角度。增加布料矩阵的最大和最小角度，且为保证平台宽度最大角和最小角的增加幅度一样，同时要确保炉料打不到炉墙。

(2)提高料线高度。减小料线高度使得炉料平台向高炉中心方向运动。实现对平台位置的调整。

实施例1

某炼铁厂2800m³高炉炉役初期布料，炉况走势不稳定，高炉煤气的利用率明显差，炉温的波动大，炉况严重失常。操作人员针对此情况对布料工艺进行调整。并通过多次改变确定最佳布料参数。通过调整，减少了高炉不顺行出现的频率，运行趋于稳定，高炉炉况良好。

调整后矿石布料矩阵最大角度为α1＝41°，最小角度α2＝31°，料线高度为1.5m，溜槽倾动距为0.985，溜槽转速0.167rad/s，炉喉直径8.3m，炉料初速度为3m/s。

矿石从料仓流出经过中心喉管到达布料溜槽，在溜槽末端的速度为：

矿石离开溜槽末端后，两个角度在x-y平面上x方向上的距离lx1、lx2：

两个角度对应的矿石落点离高炉中心的距离n最大角、n最小角：

得到的矿石平台宽度为：

lo平台＝n1-n2＝1.21m

矿石平台宽度占比为：

矿石平台和炉墙距离：

矿石平台到高炉中心的距离:

do平台-中心＝n2＝2.46m

矿石平台在高炉炉喉的位置为：

do平台-炉墙：lo平台：do平台-中心＝0.12:0.29:0.59

焦炭布料矩阵最大角度为α1＝41°，最小角度α2＝30°。料线高度为1.5m，对应的速度分别为c3、c4为：

焦炭离开溜槽末端后，两个角度在x-y平面上x方向上的距离lx3、lx4:

两个角度对应的炉料落点离高炉中心的距离n3、n4:

得到的焦炭平台宽度为：

lc平台＝n3-n4＝1.37m

焦炭平台宽度占比为：

焦炭平台和炉墙距离为：

焦炭平台到高炉中心的距离：

dc平台-中心＝n4＝2.37m

焦炭平台在高炉炉喉的位置为：

dc平台-炉墙：lc平台：dc平台-中心＝0.10:0.33:0.57

通过改变料线高度和布料矩阵，调整至最佳平台位置和平台宽度占比。合理的控制煤气流的发展，炉顶温度升高，煤气利用率提高，由变料前的42％～45％上升到50％以上，燃料比下降至505kg/t左右。同时压差下降，炉况稳定性明显增强，高炉运行状况优良，煤气利用率高，高炉生产效益趋好。

以上对本申请实施例所提供的一种高炉布料工艺评价方法、系统、可读存储介质及其应用，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

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