无料钟高炉布料数学模型研究

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控制理论应用

无料钟高炉布料数学模型研究
经文波 ,陈小雷
( 南昌钢铁有限责任公司 技术中心 ,江西 南昌 330012) [ 摘 　 ]通过分析和考虑无料钟高炉布料的影响因素和特点 ,结合前人的研究成果和计算机技术 ,建立了无料 要

钟高炉布料数学模型 。该模型已在南钢 1 号高炉上应用 ,操作者运用它可定性和定

量了解 、 分析和控制炉料在 高炉炉内的初始分布 ,有针对性地运用上部调剂手段解决生产中遇到的难题 ,实际运行效果良好 。
[ 关键词 ] 无料钟 ; 高炉 ; 布料 ; 数学模型 [ 中图分类号 ]TF32516 　 文献标识码 ]A 　[ 文章编号 ]100027059 (2003) 0120029203 [ Key words :bell2less ;blast furnace ;distribution ;mathematical model J ING Wen2bo ,CHEN Xiao2lei

　　 无料钟高炉炉内炉料初始分布对高炉顺行和 长寿有很大的作用 ,但由于其布料影响因素较多 , 前人研究的无料钟高炉布料数学模型还不完善 , 没得到良好实用 。本研究从实用角度综合考虑了 无料钟高炉布料的影响因素和特点 , 建立了无料 钟高炉布料数学模型 , 并将其应用到南昌钢铁有 限责任公司 1 号高炉 ( 有效容积 350 m3 ,采用国产 无料钟) 上 ,取得了良好的效果 。

1　 无料钟高炉布料数学模型建立
1. 1 　 影响无料钟高炉布料的因素

前人考虑无料钟高炉布料受到以下因素影 响 : ( 1) 炉料在溜槽上受溜槽旋转离心力作用的变 加速滑落运动 ; ( 2) 炉料在炉喉空区中受煤气阻力 作用 ; ( 3) 炉料受炉料堆角规律的作用等 。而实际 无料钟高炉布料还受到以下因素影响 : ( 1) 炉料在 溜槽上运动距离随溜槽倾角变化而变化 ; ( 2) 高炉 炉喉内煤气特性 ; ( 3 ) 料尺在炉喉半径方向上位
[ 收稿日期 ]2002 203 205 ; [ 修改稿收到日期 ]2002 210 208

冶金自动化 　 2003 年第 1 期

[ 作者简介 ]经文波 (1963 2) , 男 , 河南新乡人 , 高级工程师 , 博士后 , 主要从事高炉炼铁数学模型技术设计与开发的研究 。

matical model for burden distribution of bell2less BF is established based on predecessorsπ achievements and computer technolo2 gy. The model has been used in No1 BF of Nanchang Iron and Steel Co Ltd. By use of the model ,operators can quantitatively or qualitatively know ,analyze and control the initial burden distribution in BF so that it is possible to purposively solve practical problems in production with top adjustment means. So far ,practical running effect of the model is all right.

Abstract :Through the analysis and consideration of effect factors and characters in burden distribution of bell2less BF ,mathe2

Study of mathematical model for burden distribution of bell2less BF
( Technical Center of Nanchang Iron and Steel Co Ltd , Nanchang 330012 ,China)

置 ; ( 4) 高炉上部具体装料制度 。 1. 2 　 高炉炉喉内布料特点 研究表明 , 高炉炉喉内布料有如下特点 : ( 1 ) 布料过程中堆尖位置在料流落点轨迹上 , 而堆尖 位置不一定是料线位置 ; ( 2) 炉料在炉喉下降为活 塞流 ,因受热产生的膨胀可忽略 ; ( 3 ) 炉料以高炉 中心为轴 , 呈轴对称层状分布 ; ( 4 ) 矿石与焦炭无 混合现象 [1 ] , 料层分界面为一平滑的锥面 ; ( 5 ) 正 常生产时初始炉料堆尖处在炉料与炉喉炉墙碰撞 点以上区域 。本模型研究综合考虑到了以上全部

影响因素和特点 。 1. 3 　 数学模型 炉料 i ( i = 矿或焦) 在溜槽第 j 环位上运动及 在炉内初始分布图如图 1 示意 。 ( 1 ) 炉料 i 通过中心喉管运动与溜槽碰撞时 速度为 [ 2 ] vi = 0135
312 g ( D H - D i ) / 4

?29 ?

控制理论应用
0 tgβ = tgβi - k 2 h ij / R ij ij

β ) 式中 　 0i 为自然堆角 , (° ; k 2 为修正系数 ; R ij 为 炉料 i 在第 j 环的外环半径 , m 。 图 1 中 E 、 、 ( G) 交点位置可通过计算确定。 F H ( 5) 炉料在炉喉内分布计算 推理得出每批炉料在炉喉内的料层厚度为 2 h = V Z/ (π ) R 式中 　V Z 为一批料体积 ,m3 。 炉料 i 在第 j 环位布料后 , 相应图 1 中 EFGH 截面所围成的封闭体积为 V ij = nijV i / N i 式中 　nij为炉料 i 第 j 环布料圈数 ; V i 为炉料 i 一 批料体积 , m3 ; N i 为炉料 i 布料圈数 。
图1　 炉料在溜槽上运动及在炉内初始分布图
hi — 炉料 i 料线 , m ; R — 炉喉半径 ,m ; R0 — 料尺与高炉中心间距 ,m

式中 　D H 为无料钟中心喉管直径 ,m ; Di 为单块 炉料 i 直径 , m ; g 为重力加速度 ,m/ s2 。 ( 2) 炉料 i 离开溜槽时速度 经分析推导 ,炉料 i 在溜槽上运动距离为 L ij = L 0 - b - c? α ctg ij 式中 　L 0 为溜槽全长 ,m ; b 、 为溜槽定位尺寸 , c ) m ;α 为炉料 i 在第 j 环位溜槽倾角 , (° 。 ij 分析导出其离开溜槽速度为
vij =

由 V ij 反解 hij , 通过对 hij 采用超松弛数值迭 代 , 定量解出炉料在炉喉内的层状分布 。 由以上计算公式和原理建立无料钟高炉布料 数学模型 ,计算机编程采用 VB 语言 。

2　 无料钟高炉布料数学模型应用
2. 1 　 系统组成

2 g ( cosα - μi sinα ) L ij + ω2 L 2 ? ij ij ij sinα ( sinα + μi cosα ) + ( vi cosα ) 2 ij ij ij ij

μ 式中 　 i 为炉料 i 与溜槽间摩擦系数 ; ω 为溜槽 转速 , rad/ s 。 ( 3) 炉料 i 在炉喉空区中运动 炉料 i 在炉喉空区中按料线 hi 开始下料 , 最 终下落高度 hij , 将 hij 等分为 n 份微元空间 ( n → ) ∞ , 其间单块炉料 i 在下落各方向上加速度近似 恒定 , 则其在 K 方向受煤气流阻力为 [ 3 ] m FKijf = 015 k1 S iρ v Kijf 2 　( f = 1 , 2 , …, n) m 式中 　k1 为阻力系数 ; S i 为单块炉料 i 最大断面 积 , m2 ;ρ 为炉喉内煤气实际密度 , kg/ m3 ; v Kijf 为单 m 块炉料 i 在炉喉内 K 方向上相对于煤气的速度 , m/ s 。 根据牛顿第三定律 、 运动方程和炉料 i 下落
m

时间累计解得炉料 i 第 j 环堆尖与中心间距 rij 。 ( 4) 炉料堆角计算 由于同种炉料在炉中堆尖内外堆角相差不 大 , 因此可近似认为相等 , 其堆角 β 满足公式 [ 2 ] : ij ?30 ?

该模型在南钢 1 号高炉应用。1 号高炉原网 络系统为工业控制对等网 ,系统硬件环境中安装 7 台有 3com905c 型 网 卡 的 DELL 机 和 4 套 Quan2 tumPLC 。针对该模型 , 在高炉网络内插入配置计 算机主机 1 台 ( PIII733/ 128 MB/ 20 G 1144 MB/ B/ 50X) ,显示器 1 台 。相应的数据通信线路如图 2 所示 。通过 DDE 形式读取高炉操作局网中的数据 供给该模型应用 , 其模型的主要人机交流界面见 图 3。
图 2 　 号高炉系统组成基本结构图 1

2. 2 　 应用效果

用该模型按实际条件计算的料面和休风后检 查的料面基本一致 。变动 1 号高炉上部主要调节 因素值输入到该模型中计算 , 其结果如表 1 所示 。
Metallurgical Industry Automation 2003 No 1

无料钟高炉布料数学模型研究

从中可知 : 降低矿石料线 、 提高焦炭料线 、 增加矿 批重 、 减少焦炭负荷 、 增加矿石布料溜槽倾角 (α ) 矿 和减少焦炭布料溜槽倾角 (α ) 均有利于加重边 焦 缘、 减轻中心 ,这些规律同实践经验一致 。

利用该模型可计算确定炉料沿炉喉半径方向 上的矿焦堆尖位置 、 任意点的矿焦厚度比值和风 口中心线以上料柱平均高度等控制参数值 。 同以

图3　 主要人机交流界面 表1　 南钢 1 号高炉布料计算结果
矿料线 焦料线
/m 1. 2 1. 0 1. 2 1. 0 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 /m 1. 2 1. 2 1. 0 1. 0 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2

矿石 批重
/ kg 12 000 12 000 12 000 12 000 10 000 12 000 12 000 12 000 12 000

焦炭 负荷 / t ?- 1 t
3. 800 3. 800 3. 800 3. 800 3. 800 4. 000 3. 800 3. 800 3. 800

α 矿 /°

一批料 矿尖 焦尖 边缘 中心 边缘与中 矿料柱 焦料柱 平均料 α 焦 在炉喉 距中心 距中心 矿焦厚 矿焦厚 心矿焦厚 高度 高度 柱高度 /° 厚度/ m /m /m 度比 度比 度比之比 /m /m /m
0. 811 0. 811 0. 811 0. 811 0. 674 0. 791 0. 811 0. 811 0. 811 1. 062 0. 931 1. 030 0. 880 1. 110 1. 065 1. 322 1. 128 1. 387 1. 057 1. 026 0. 925 0. 874 1. 102 1. 068 1. 110 1. 319 1. 370 1. 373 0. 978 1. 852 1. 352 1. 483 1. 420 2. 117 0. 874 1. 102 1. 417 1. 842 0. 884 1. 157 1. 630 1. 555 0. 780 4. 178 2. 020 0. 969 0. 531 2. 094 1. 169 0. 910 0. 913 2. 713 0. 209 0. 640 15. 439 15. 951 15. 782 16. 020 15. 665 15. 718 15. 703 15. 596 15. 574 15. 405 15. 746 15. 918 15. 982 15. 634 15. 678 15. 584 15. 667 15. 563 15. 422 15. 849 15. 850 16. 001 15. 649 15. 698 15. 644 15. 631 15. 569

34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 34. 00 38. 00 34. 00 34. 00 38. 00 38. 00 38. 00

往相比 ,不仅可以定性而且可以定量地显示炉料 在炉内的初始分布 , 便于指导操作者真正研究了 解清楚无料钟高炉布料规律 , 从而根据生产效果 正确分析和控制布料 ,防止操作控制反向 。 自 2000 年 7 月起 , 用该模型在南钢 1 号高炉 离线指导生产 ,相继解决了该高炉 2000 年 5～7 月
冶金自动化 　 2003 年第 1 期

的炉缸中心堆积 [4 ] 和 2001 年 1～2 月的炉身下部 炉墙结厚 [5 ] 等重大技术难题 , 取得了显著实效 。 2001 年 9 月该模型正式在南钢 1 号高炉在线应 用 ,为同年该高炉指标上台阶奠定了理论基础 。 目前该模型实际运行效果良好 。
( 下转第 38 页)

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图形组态软件中的递归式回路识别方法

值将永远被认为是新值 。TC125 的 Check Run ( ) 继续检查其它输入参数 , 检查到输入参数 BIV 时 , 搜索到 FC126 的 BOV , 这是一条反向连线 。Check Run ( ) 对 BOV 的处理是直接使用 n - 1 时刻的 值 。返回后 TC125 的输入参数 BIV 的同步时钟值 被置为当前系统同步时钟值 。 ⑦ TC125 的 Check Run ( ) 检查完所有输入参 数对象的同步时钟值 , 保证都与当前系统同步时 钟值一致 , 然后运行 TC125 模块 , 使其输出参数 OV 获得新值 , 并将该 OV 赋给 FC126 的输入参数 SV ,返回 FC126 的 Check Run ( ) 。FC126 的 Check Run ( ) 按照上述的方法完成输入参数检查 , 运行
FC126 模块并获得新的 OV 值 , 再将 该 OV 赋 给 FV126 的 输 入 参 数 IV , 并 返 回 FV126 的 Check Run ( ) 。FV126 的 Check Run ( ) 执行完后 , 整个

并返回 → TC125. BIV →FC126. BOV ( 直接用上一时 刻的 值 ) →运 行 TC125 并 返 回 →FC126. BIV → FV126. BOV ( 直接用上一时刻的值 ) → 运行 FC126 并返回 → 运行 FV126 并返回结束 。

4　 结束语
递归式回路识别法是在回路识别的同时完成 了回路中功能模块的执行 , 与一般的功能块编号 法及位置法比较 , 既可简化组态 , 又正确执行 , 还 可以在线修改回路或组态 。递归式回路识别法用 Visual C + + 语言开发 , 与其相关的软件限于篇幅 不再介绍 。该图形组态软件基于工业 PC 机的硬 件和软件平台 , 用于中小型锅炉和加热炉的计算 机控制 ,少占资源 ,使用简便 ,投资少 ,见效快 。
[参 　 　 　 ] 考 文 献
[1 ] 王锦标 ,方崇智 . 过程计算机控制 [ M] . 北京 : 清华大学出版 [ 2 ] 马国华 . 监控组态软件及其应用 [ M] . 北京 : 清华大学出版社 , 2001. 17219. 200. 3402346.

控制回路识别和执行过程结束 。 总结上述串级控制回路的识别和执行顺序 为 :FV126. OV → FV126. IV →FC126. OV →FC126. PV → FT126. PV →运行 FT126 并返回 →FC126. SV → TC125. OV →TC125. PV →TT125. PV →运行 TT125

( 上接第 31 页)

3　 结论
根据炉料及其运动特性和高炉具体条件等 , 利用微元积分和数值迭代计算原理建立炉料堆尖 在炉料同炉喉碰撞点以上位置的无料钟高炉布料 数学模型 。该模型在南钢 1 号高炉上已应用 , 操 作者运用它可定性定量了解 、 分析和控制炉料在 高炉炉喉内的初始分布 , 有针对性地运用上部调 剂手段解决了生产中遇到的难题 。

( 上接第 34 页)

二冷动态过程分析软件通过仿真可以计算铸 坯在生产过程中的温度场分布和铸坯在各个位置 的应力应变分布 , 由连铸技术人员结合生产经验 和冶金准则对水表性能进行工艺评价 , 并对水表 修正和改进提出意见 。同时 , 该软件可以为连铸 工艺人员和质量研究人员提供定量数据用于工艺 优化和质量研究 。目前该软件已经在宝钢连铸板 坯内部质量研究和浦钢电炉连铸水表优化研究中 得到了应用 ,受到现场技术人员的欢迎 。

?38 ?

[ 1 ] 神原健二郎 . 高炉解体研究 [M] . 刘晓侦译 . 北京 : 冶金工业出 版社 ,1980. 32233. [ 2 ] 刘云彩. 高炉布料规律[M] . 北京 :冶金工业出版社 ,1984. 23268. [3 ] 任廷志 ,赵静一 ,郑明会 ,等 . 炉料的潜体阻力对高炉布料的影 响 [J ] . 钢铁 ,1998 ,33 (5) :9212. [ 4 ] 经文波 ,唐飞来 ,胡小云 . 南钢 1 号高炉上部调剂控制 [J ] . 钢 铁 ,2001 ,36 (8) :326. [ 5 ] 经文波 . 南钢 1 号高炉炉墙结厚的处理 [J ] . 江西冶金 ,2001 ,21 (12) :628. [ 编辑 : 初秀兰 ]

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[ 2 ] 陈家祥 . 连续铸钢手册 [M] . 北京 : 冶金工业出版社 ,1990. 1912 [ 3 ] 杨 　 ,张 　 . 金属凝固与铸造过程数值模拟 [ M] . 杭州 : 浙 全 真 [ 4 ] 熊毅刚 . 板坯连铸 [M] . 北京 : 冶金工业出版社 ,1994. 64266. [ 5 ]Microsoft 公司 . Desktop application with Visual C + + 6. 0[ M] . 北

社 ,1992. 2522262.

[ 编辑 : 沈黎颖 ]

[参 　 　 　 ] 考 文 献

[参 　 　 　 ] 考 文 献

江大学出版社 ,1996. 49259.

京 : 北京大学出版社 ,2000. 732244.

[ 编辑 : 初秀兰 ]

Metallurgical Industry Automation 2003 No 1



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