（应用数学专业论文）无料钟高炉布料仿真模型研究.pdf

摘要 在全球信息化的推动下，钢铁行业也迈入了数字化、信息化的时代。炼铁是钢铁生产中的一 个重要环节，生产出的产品( 主要是生铁) 的质量和产量都将直接影响炼钢生产，乃至整个钢铁 行业的生产。炼铁生产中，炉料分布对整个高炉生产有着重要的影响作用，因此预测炉料在炉 喉内分布的料面形状就成为实现高炉生产自动化的一个重要内容。 在理论上，本文通过深入研究高炉多环布料过程，特别是其中的螺线过程，建立了有螺线情 况f 炉料分布模型。而且在从简单到复杂思想的指导下采用先理想化模型条件，再逐步减少理 想化条件约束的方法，重点研究了各种布料情况下的炉料分布的计算方法。最后，在预测炉料分 布的基础上，建立布料制度的最优控制机制，即搜索最佳的布料制度，以达到虽终得到理想的炉 料分布和矿焦比的目标，来调整或改善炉况。 本文还结合计算机技术，开发了高炉布料仿真软件，实现了炉料的分布的可视化，为高炉布 料模型的进一步发展提供了一个框架和平台。 关键词：无料钟，布料，炉料分布，数学模型 中国农业大学硕士论文 a b s t r a c i a b s t r a c t w i t ht h ep u s h i n go f g l o b a li n f o r m a t i o n ，t h es t e e li n d u s t r ya l s oe n t e ri n t ot h ed i g i t a la n d i n f o r m a t i o n a la g e s i r o n m a k i n gi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l ei n d u s t r y t h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo f i t sp r o d u c t ( p i gi r o n ) w i l li n f l u e n c et h es t e e l m a k i n gd i r e c t l y e v e nt h ew h o l es t e e li n d u s t r y i nt h e i r o n m a k i n g t h eb u r d e i 2d i s t r i b u t i o no fr a a t e r i a 【w i l le f f e c tt h ep r o d u c eo f t h eb l a s tf 、u m a c eh e n c e f o r e c a s t i n gt h ef i g u r eo f m a t e r i a li nt h ef u r n a c eb e c o m e sa l li m p o r t a n tc o n t e n tt or e a l i z et h e a u t o m a t i z a t i o no f t h ep r o d u c t i o n t h e o r e t i c a l l y ，t h ev o l u m ed i s t r i b u t i o nm o d e li nt h eh e l i xi n s t a n c ei sf o u n d e dt h r o u g hs t u d y i n gt h e r i n g c h a r g i n g e s p e c i a l l yt h eh e l i xp r o c e s s a n ds t u d y i n gt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o no fm a t e r i a li na n y i n s t a n c ed e t a i l e d l y ，t h em e t h o dt os o l v em o d e li sf o u n d e d i nt h ee n d ，b a s e do nt h ec h a r g i n gm o d e l ，t h e o p t i m i z es y s t e mo f c h a r g i n gi se s t a b l i s h e d ，n a m e l y ，t h eb e s tc h a r g i n gs y s t e mw o u l db es e a r c h e dt o a c h i e v et h ei d e a lb u r d e nd i s t r i b u t i o no f m a t e r i a la n dt h er a t i oo f o r et oc o k e c o m b i n i n gc o m p u t et e c h n i q u e ，as o t ：t w a r ea b o u tt h ec h a r g i n go f b e l l - l e s si sd e v e l o p e dt os i m u l a t e t h ep r o c e s so f t h eb l a s tf u r n a c ec h a r g i n g ，t h e nm a k et h eb u r d e nd i s t r i b u t i o no f m a t e r i a lv i s i b l e i t p r o v i d e saf o u n d a t i o nf o r i h ed e p t hd e v e l o p m e n to f c h a r g i n gm o d e l k e yw o r d s ：b e l l - l e s s ，c h a r g i n g ，b u r d e nd i s t r i b u t i o n ，m a t h e m a t i c sm o d e l 中国表业大学硕士论文 图表目录 图2 - 1 ：巴利式布料器6 图2 2 ：马基式布料器7 图2 3 ：( 并灌式) 无料钟布料器8 图2 4 ：无料钟布料器的布料方式一9 图3 1 ：炉料在炉喉内的分布1 2 图3 2 ：充填堆谷1 6 图3 3 ：布矿算法框图1 7 图3 4 ：落点是谷点布料示意图2 2 图3 5 ：落点在斜率为正的料面上2 3 图3 6 ：落点在斜率为正的料面上2 5 图3 7 ：落点为峰点2 7 图4 1 ：“欢迎”界面3 4 图4 2 ：“一高炉参数设置”界面3 4 图4 3 ：“高炉布料仿真模型之循环布料”界面3 5 图4 4 ：“高炉布料仿真模型之循环布料”界面考虑螺线状态3 6 图4 5 ：“高炉布料仿真模型之输入初始料面”界面3 7 图4 6 ：“高炉布料仿真模型之输入初始料面”界面布矿的情况3 8 图4 7 ：布料制度一下无螺线循环布料形成的最终料面3 9 图4 8 ( 1 ) ：布料制度一下无螺线循环布料形成最终焦面的过程4 0 图4 - 8 ( 2 ) ：布料制度一下无螺线循环布料形成最终矿面的过程4 0 v 中国农业大学硕士论文 图4 9 ：布料制度一下无螺线循环布料形成最终料面的矿焦比4 l 图4 一1 0 ：布料制度一下有螺线循环布料最终料面4 1 图4 11 ( i ) ：布料制度一下有螺线循环布料形成最终焦面的过程4 2 图4 1 1 ( 2 ) ：布料制度一下有螺线循环布料形成最终矿面的过程4 2 图4 一1 2 ：布料制度一下有螺线循环布料形成最终料面的矿焦比4 2 图4 一1 3 ：布料制度一下有螺线循环布料最终料面的立体图4 3 图4 1 4 ( 1 ) ：布料制度一下有螺线循环布料最终焦面的立体图4 3 图4 1 4 ( 2 ) ：布料制度下有螺线循环布料最终矿面的立体图4 4 图4 15 ( 1 ) ：布料制度下有螺线循环布料布焦时的螺线轨迹4 5 图4 1 5 ( 2 ) ：布料制度下有螺线循环布料布矿时的螺线轨迹4 5 图4 一1 6 ：布料制度一下给定初始料面布一批焦后的焦面4 6 图4 1 7 ：布料制度一下给定初始料面布一批焦的过程4 6 图4 1 8 ：布料制度一下给定初始料面布一批矿后的矿面4 7 图4 1 9 ：布料制度一下给定初始料面布一批矿的过程4 7 图4 - 2 0 ：布料制度一下给定初始料面相邻不同料的矿焦比4 8 图4 2 1 ：不同批重下矿在炉喉内的分布51 图4 2 2 ( 1 ) ：布料制度二下无螺线循环布料最终料面5 1 图4 2 2 ( 2 ) ：布料制度二下有螺线循环布料最终料面5 l 图4 2 3 ( 1 ) ：布料制度二下无螺线循环布料形成最终焦面的过程一5 2 图4 2 3 ( 2 ) ：布料制度二下有螺线循环布料形成最终焦面的过程一5 2 图5 - 1 ：最优的炉料分布的形状5 4 表3 - l ：布料制度】4 v i f 7 表3 2 ：截面角度为0 度时布料制度2 9 表3 3 ：截面角度为9 0 度时布料制度2 9 表3 4 ：截面角度为1 5 0 度时布料制度2 9 表4 1 ：布矿制度4 8 表4 2 ：布料制度二51 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：护五扒z “时问：w 砖年月矽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：刁 虬z 山、时间：似啦年弓月阳日 导师签名： 杨 时间： 卅f 年；月矽日 甲 ， 中国农业大学碗士论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 1 1 1 项目背景 随着全球信息化的发展，中央提出了“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走新犁 工业化路子”的战略。钢铁行业作为支柱型传统产业和高科技产业，随着中国加入w t o ，它正 在以前所未有的速度走进近国际市场，参与国际竞争。许多企业已经达成了这样一个共识谁 在信息化道路上率先取得了领先的地位，谁就在市场上占有了相对的优势。 在2 0 0 1 年1 1 月6 日开幕的“中国制造业企业信息化研讨会”上，中国社会科学院院士刘玢 提出了“数字钢铁”的发展方向，呼吁我国钢铁产业紧紧跟踪世界先进技术发展趋势，尽快实现 钢铁产业的数字化。 所谓数字钢铁“，就是以计算机数字技术为核心，网络通讯技术为手段，精确的数学模型为 基础，实现物资流、资金流、信息流高效准确地运转，从而对钢铁生产经营活动实现全过程、全 系统的最优控制使企业获取最大的经济效益和社会效益。简单地说，就是咀数字技术来覆盖整 个钢铁工业运行的过程，实现最大的经崭效益和社会效益。 具体来说，数字钢铁的基本内容”哇要是钢铁工业生产过程的自动化、智能化和管理的信息 化。钢铁企业的管理信息化包括：管理信息系统、企业的决策支持系统( d s s ) 和专家系统( e s ) 、 企业资源计划( e r p ) 、客户关系管理( c r m ) 、供应链管理( s c m ) 和管控一体化系统等现代 管理模式以及电子商务业务：钢铁工业生产过程的自动化包括：全面采用数字控制技术、网络应 用日益普遍、一体化技术广泛应用( c i e c ) 、智能控制技本的广泛应用、多样讫的操作控制方式； 钢铁生产的智能化则包括太量的数字化的数学模型，如：软融带推断模型、炉料下降仿真模型等， 都是通过数字概念来表示。 “数字钢铁”是冶金生产力发展到一定阶段的突出标志，是时代进步、大力发展生产力的必 然结果。我国钢铁行业身处全球化的大潮中，陋对经济全球化、信息化的新形势，就必须研究开 发新的信息化、自动化技术，向全系统数字化方向发展。因此，把钢铁行业全系统信息化、数字 亿，从而达到管理经营控靠优化的时代已经到来。 进入二十一世纪，钢铁企业的经营从以运作产品为主已逐步过渡到以运营资本为主的阶段， 企业的管理已经开始转变为数字的管理，企业管理数字化、计算机化、信息化已经成为资本运作 不可替代的手段。因此，钢铁企业只有依靠现代计算机技术、信息技术，才能从根本上实现管理 数字化、经营数字化、生产数字化等整个钢铁行业运行的数字化，使企业最终获得最大的资金效 益和利润。 数字钢铁的实现“，必须大力加强钢铁工业自动化系统软、硬件装备的研制开发，熏点发展 冶金生产过程自动化、工艺智能化和管理信息化技术。具体体现在以下方面： ( 1 ) 继续提j 尚基础自动化水平。支持新一代基础自动化装备的产业化建设，晦低基础自动 化成本。大力提高过程自动化水平、加强数学模型的开发剖新、开展过程自动化系统工程方法和 中国农业大学碰士论文 软件平台的前沿高技术研究。 ( 2 ) 结合常规模型，加强智能技术研究。 ( 3 ) 大力应用电子信息技术，提高企业管理水平。 ( 4 ) 建立高速控制系统。 除了以上四个方面外，加强通用硬件与软件的产业化，优化控制软件包这两方面内容也是数 字钢铁实现途径的重要内容。 1 1 2 现状与差距 在中央“以信息化带动工业化、发挥后发优势、实现社会生产力跨越式发展”的重要决策 指引下，我国钢铁工业向信息化、自动化迈出了坚实的一大步。 然而，钢铁工业目前的生产和管理与生产自动化的要求还有一定的差距。比如，高炉炼铁 是现代钢铁生产过程中的第一道工序，也是非常重要的环节，其产品( 生铁) 的产量和质量对炼 钢、轧材有很大的直接的影响。而高炉炼铁过程是一个多变量影响因素极多的复杂的物理、化 学反应过程，该过程充满了动量、热量和质量的传递和交换。在现有的技术手段下，炼铁厂高炉 管理人员还不能直接有效的观察高炉内部的冶炼状况，即使是间接的监测、分析和判断的手段也 不多，只能通过温度、压力、流量等监测数据，依据经验来推断高炉炉内的冶炼状况，高炉内部 对我们来说，仍然是一个黑盒子，高炉工长不能及时准确地判断炉况和炉内设备的运行情况高 炉很难实现高产和低耗的目标，与“数字锶铁”内容中的生产自动化还有较夫的差距。而且高炉 炉况的波动和设备的故障也曾经造成许多高炉的巨大经济损失。 1 1 3 研究的目的和意义 以往豹高炉过程控制一直是凭经验调整工艺参数。由于炉内的变化无法直接观察，为了了解 高炉内的过程变化，一方面是发展各种检测手段。得到尽可能多的监测数据；另一方面就是建立 各种高炉工艺过程的数学模型。对高炉的运行参数进行广泛的测量需要安装多种监钡9 装置，这是 一项困难的而且花钱很多的工作，但对建立各种高炉运行模型是十分必要的。 特别地，高炉炼铁生产中，在一定布料制度下，高炉炉项布料在炉喉形成的科面的分布( 炉 料在高炉炉喉内的径向分布以及周向分布、径向矿焦比) 将决定煤气流的分布、软融带的位置和 形状以及滴落带的特征等，而且炉料的分布对钢铁的生产力，能量的利用率和生产出的铁的质量， 以及高炉的安全顺行和寿命都有很重要的影响作用。 在首钢集团炼铁厂的支持合作下，本文针对高炉的这一特殊需要，结合计算机技术，建立高 炉布辩数学模型，利用数学模型进行数字仿真。首先研究建立( 无料钟) 高炉布料数学仿真横型， 同步开发个相应的仿真软件研究并仿真一定布料模式下，炉料在炉喉内形成的料面形状，打 开高炉布料这个黑盒子，让工长实时了解炉内冶炼状况和炉内设备的运行情况，对台理布料和管 理决策提供有效的支持，从而更好地操控高炉，变被动操作为主动操作，避免事故的发生，减少 高炉作业成年，提高其现代化和自动化，使高炉实现安全、稳产、高产、低耗和长寿的目标，取 得良好的社会效益和巨大的经济效益为钢铁生产过程的向自动化迈出坚实的步并为最终走 2 中国农业大学硕士论文 向“数字钢铁”提供基础和支持。 1 2 国内外研究现状 随着钢铁工业的发展，各企业对高炉生产降低成本，高炉操作精细合理的要求也越来越高。 为达到高炉低耗、高效的目标，充分发挥高炉无料钟炉项设备的优越性，各国冶金界科研人员从 冶金工艺、设备控制与状态检测，布料数学模型，炉料物理化性状等方面作了大量探索与努力， 取得了许多科研成果。以下主要是冶金工作者在布料数学模型方面所作的研究以及取得的成果。 b ，s c h i l l e ra n dfe ，s v e k r i c 在p r o c e e d i n g so f t h e3 t hp r o c e s st e c h n o l o g yc o n f e r e n c e 上初步提出 高炉上部炉料分布的预测模型1 4 l 。刘云彩在高炉布料规律”1 中，理论的分析了高炉布料的过 程，建立布料方程。并对炉料在炉内的实际堆角以及空区中煤气阻力对布料的影响进行了简要分 析和归纳。t o y a m a 在 b l a s tf u r n a c ep h e n o m e n aa n dm o d e l l i n g n e w y o r k ：e l s e v i e ra p p l i e ds c i e n c e p u b l i s e r sl t d 6 1 中，假设：( 1 ) 炉料在炉内按炉身延长线上与高炉中心线交点为原点的放射线 运动；( 2 ) 新料面位置由旧料面上任点之水平面下降扫过固定体积k 来确定，提出了炉料分 布模型。牡鹤桂，杜日在高炉无料钟炉顶布料料面形状的模拟研究【7o 中，在实验室模拟试验 的基础上建立了无料钟炉项布料的料面数学模型。尹小华，聂喻梅在高炉无料钟布料炉料分布 数学模型的开发【”中，通过试验队炉料的堆积情况进行了研究，得到预测炉料分布的数学模型。 傅世敏在无料钟炉顶布料料面测定和料面数模1 9 】中，建立了并灌式无料钟炉顶布料的料面形 状的数学模型，分为布矿时的料面数模和不矫饰的料面数模。杨天钧，段国锦，周渝生，左广庆， 王宝，叶国庆，王汉章，常九柱在高炉无料钟布料炉料分布预测模型的开发研究1 1 0 1 中，以实 际高炉无辩钟布料开炉实测结果为依据，在炉料运动解析的基础上，开发了高炉上部炉料分布的 预测模型孙芹，李常胜在改善无锄高炉炉料分布的数学模型( 1 1 1 中，介绍了日本干叶、比利 时西德玛尔、内陆u k 和其它一些公司根据无料钟炉项的物理参数以及炉料特性分别开发的预测 炉内料面形状的数学模型汪政富在高炉炉料层状分布的计算方法1 1 2 ) 1 1 ”中，分析了给定条件 下得到的炉顶料面分布，随妒型尺寸及煤气流变化还有再分布的过程，开发了高炉内炉料层状分 布的数学模型。陈令坤在硕士学位论文武钢新3 号高炉无钟布料料面预测模型的开发l 一1 中开 发了科面预测模型。m i e b i n o r ih a t t o r i ，b u n g oi i n o ，a k i os h t m o m u r a ，h i d e a k it s u k i 1 1a n d t a t s u r oa r i y a m a 在d e v e l o p m e n to fb u r d e nd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o nm o d e lf o rb e l b l e s st o di 1 1a l a r g eb l a s tf u r n a c ea n di t sa p p t i c a t i o n 【l ”中，通过模型模拟试验，提出炉料分布仿真模型。黄惠 林在硕士学位论文无钟布料料面形状数学模型开发0 5 1 9 ，通过无钟布料模型实验，研究无钟 高炉布料的基本布料规律，并在此基础上建立无钟布料料面形状数学模型。傅世敏，周国凡在湘 钢2 高炉p w 炉顶料面数学模型应用研究l l 1 中。研究出p w 炉顶布辩料面数模及其应用范围。 任延志，盛义平在高炉溜槽布寒； 器的布料规律中。结合溜槽的结构尺寸及落料高度对炉料 落在溜槽上速度的影响，炉料在溜槽上滑动长度随溜槽倾角的变化，以及炉料在煤气中的潜体阻 力( 即煤气阻力) ，给出了无料钟高炉炉顶的布料方程。唐成润，凌天鹰，徐俊伟，杨旬华樊 大军在梅山3 4 高炉料层厚度测定及布料模型1 1 9 l 中介绍了悔山3 4 高炉开炉料层厚度测定的原理、 方法及结果，并根据该结果设计了简化的高炉布料模型。熊熊在高炉炉料层状分布计算机模拟 3 中国农业大学硕士论文 ”中，提出了大钟布料的炉内炉料层状分布的数学模型。张玲，郝鸿在高炉布料模型在邯钢7 号高炉上的应用口l | 中，根据邯钢7 号高炉布料溜槽特点，结合高炉布料计算，利用e x c e l 和 v b a ，建立相应的高炉布料模型。高征铠，杨天钧，赵永福s t e p h e ne y a n i g a ，c ，j e f f e r s o no b e r t ， m a r kl u n s f o r d 在无钟布料仿真模型在美钢联f a i r f i e l d 厂8 号高炉的应用口”中介绍了在美 钢联f a i r f i e l d 厂8 号高炉开发的无钟布料仿真模型及其应用效果。经文波，陈小雷在高炉应 用数学模型研究口”中，根据高炉冶炼理论，建立无料钟高炉布料应用数学模型。经文波，陈小 雷在无料钟高炉布料数学模型研究1 24 】中，通过分析无料钟高炉布料的影响因素，建立了无料 钟高炉布料数学模型。经文波，陈小雷在无料钟高炉应用数学模型研究【2 ”中，根据高炉冶炼 理论，结合具体检测条件，建立高炉布辩数学模型。p r o f t s p r a s a n n ak u m a ra n dd r k ，m a r u t ir a m 建立了高炉炉料分布的数学模型川。c o r u s 小组研究开发了高炉布料数学模型1 2 7 1 。 已经建立的布料模型主要是只在高炉多环无螺线情况下建立的，与实际的布料过程有较大的 差距。 1 3 研究的内容 在钢铁工业生产中，高炉冶炼中的各个过程都是非常复杂的，而且，在实际生产过程中，直 接对高炉内部运行状态的进行监测是很难实现的，因此，我们在对布料进行模型仿真的过程中 首先对影响布料过程的因素作定理想的简化，有时需要考虑剥离其他因素，特别分析一个囡 索的影响，比如：炉料在炉喉下降为活塞流，因受热产生的膨胀可忽略：矿石与焦炭无混合现象， 料层分界面为一平滑的锥面，炉料在空n q u - f 落不受煤气阻力作用、炉料内f i l , 堆角近似相等，基 本确立模型框架和基本思想建立基础模型和算法。然后，逐步减少约束加入实际影响因素条 件，比如逐步考虑炉料内外堆角不对称，以及炉判在空区中下降，除了受重力作用，还受煤气阻 力作用等，改进算法，加强模型与实际生产的桴符性和实用性。 本文研究的主要内容有： i 深入研究布料过程中的螺线过程，建立有螺线情况下炉料分布模型。 2 建立不同布料情况下炉料分布模型的算法。 根据研究的过程，主要有： ( 1 ) 多环无媛线循环布料 在一定布料制度下，不考虑螺线作用，以平面为原始科面开始循环布料，直至料面达到稳定 之后，计算炉料在炉喉内的分布。 ( 2 ) 多环有螺线循环布料 在多环无螺线循环布料基础上，考虑螺线过程计算炉料在炉喉内的分布。 ( 3 ) 给定初始料面，布一批料 在一定布料制度下，给定任意初始料面，计算布一批焦或一批矿后在炉喉内形成的新的料面。 3 结合计算机技术，仿真高炉布料过程实现炉料分布的可视化。 4 建立布料制度优化模型 基于炉科分布模型，根据最佳的炉料分布和最合理的矿焦比，选取最优的布料制度。用来指 4 导布料操作工艺。 1 4 创新与特色 本文结合高炉生产实践。有以下三个创新点： 1 结合实践生产，深入研究高炉布料过程，完善了刘云彩在高炉布料规律中建立的高炉 布料方程。 2 重点研究了高炉多环布料过程，特别是其中的螺线过程，建立炉料分布模型，并提出模型 的计算方法。 3 从新的角度，建立优化布料制度的优化模型根据最佳炉料分布形状和矿焦比，搜索最合 理的布料制度。 中国农业大学硕士论文 第二章无料钟高炉布料简述 第二章无料钟高炉布料简述 2 1高炉炉顶设备发展历程 高炉在中国出现，距今已有2 7 0 0 多年的历史。由于古代生产设备筹，技术水平低，对高炉 生产认知尚浅，虽然2 0 0 0 年前( 西汉末年) 已有5 0 m 的巨型高炉生产，但还不懂布料，每炼1 吨铁要用7 8 吨木炭口”，煤气直接放散到大气里，燃料消耗高，煤气利用极差，致使高炉附近 黑烟蔽日。显然，当时尚未认识布料的作用。 1 8 5 0 年，在英国应用的巴利式布料器”( 图2 1 ) 是第一个兼考虑布料和同收煤气的炉顶设 备。它用手工操作，炉料放进料斗后，开启大钟，炉料沿大钟斜面布到炉内，在炉内料面呈漏斗 型：边缘料面高，中心料面低。边缘料多，使沿炉墙上升的煤气受到的阻力增加，有利于改善煤 气的利用：中心料面低高炉中心的料柱阻力减小，有利于在整个高炉断面改善炉料与煤气的接 触，对改善炉缸工作也有良好作用。虽然巴利式布料器在结构上存在严重缺陷，但它认识到了布 料对高炉生产的影响，对高炉布料起到了启蒙作用，并且开拓了现代料面分布的重要方向。 图2 - 1巴利式布科器汹1 巴利式布料器除了结构上的缺陷，布料也不均匀。装辩时，一批料倒进料斗，炉料在倾倒的 一侧会集中形成尖蜂，而对面的炉料较少，造成粒度偏析。布料后炉料1 ；到炉内继续保持这种 不均匀性，会引起高炉偏行。 布朗式布料器是最初期的旋转式布料器。美国埃比威尔厂第一个使用布朗式布料器，为高炉 设计布料器提出了重要的原则旋转。现代布料器无一例外，都是能够旋转的。布朗式布料器 是单钟的使用过程中发现，它并不能克服巴利式布料器密封性不佳的缺陷，加料时。大钟开启， 炉内煤气大量从炉顶放出来。此外，它也不能克服炉料分布的不均匀性。 1 9 0 7 年美国马基公司设计的马基式布料器d ( 图2 - 2 ) 。继巴利式布料器之后，进行了高炉 布料的第二次革命。在他出现的短短2 0 年内，美国1 5 0 座高炉几乎全部采用除美国之外他 在世界范围内也得到迅速推广。马基式布料器采用双钟、双斗的结构，不仅继承了巴利式大钟、 大斗的优点，而且可以克服加料时煤气漏出的缺陷；同时，也吸收了布朗式布料器旋转的匕处， 使小钟、小斗一起旋转( 把炉料按六站，每站6 0 度，放入大斗中) ，使炉料堆尖叫均匀地分布在 大斗里。 6 中国农业大学硕士论文 第二章无料钟高炉布料简述 图2 - 2 马基式布抖器啪1 、 随着钢铁工业的发展，高炉设备直向着大型化的趋势发展，冶金专家对高炉深入研究后发 现，马基式布辩器也有它舶缺点：首先，炉料在小斗内分布不均匀，这种不均匀牲，在炉料下到 大料斗内及随后下到炉内时仍然存在；其次，炉料在炉喉内按一定堆角分布，随着高炉容积的扩 大，矿石可能很少或根本布不到高炉中心。矿石少，中心气流容易过分发展，影响高炉顺行和煤 气利用。 同时，各种强化冶炼的手段的不断涌现，对高炉炉顶装料设备也提出了更高更严格的要求， 从而促进了高炉炉顶装料设备的发展。 第一个无料钟布科器于1 9 7 2 年授产于德国蒂森钢铁公司汉博恩厂这是由卢森堡波尔鸟斯 ( p a u lw u n h ) 公司在莱吉尔主持下设计的。它以全新的原理，为高炉布料设备完成了第三次革 命_ l | l 。 无料钟布料器的优点：炉料水平分布是均匀：由于溜槽倾角可以任意摆动，炉料可以加在任 意位置，布料十分灵活，可以提高煤气流的利用率，达至0 低耗高产的目的；密封性好，可以提高 炉项压力，从而提高冶炼强度。因此，无料钟炉顶l ；“对改善高炉布料，提高炉顶压力，充分利用 煤气、化学能和热能及延长高炉寿命起到了重要作用。现在，无料钟炉顼己在全世界范围内推广， 新建的大型高炉，几乎普遍采用无料钟炉顶。我国第一个无料钟炉项装置于】9 7 9 年应用于首钢2 号高炉。随后无料钟炉顶在我国得到迅速发展。 初期投入的无料钟布料器，都是并灌式的( 如图2 3 ) ，由并列的两个料灌分别装料。由丁炉 料在中心导管沿内侧偏行，造成炉料在炉喉内分布不均匀，这是并灌式无料钟炉项装置的固有 缺点。由于并灌式无料钟在布料上的缺陷，后来出现了串灌式无料钟炉项装置。串灌式无料钟装 置的两个料灌上下串联，下关排料口与导料管在同一中心线上，克服了炉料偏行的缺点，炉料在 炉内分布均匀。 总体来说，无料钟炉顶与钟式炉顶相比，无论是结构上，还是布料的功能都有突破性的更新。 中国农业大学硕士论文 第二章无料钟高炉布料简述 固2 - 3( 并灌式) 无料钟布料器 2 2 无料钟炉顶的布料方式 无料钟炉项布料灵活，可采用多种布料方式”1 ( 如图2 4 ) ，达到理想的效果。 ( 1 ) 定点布料：根据炉况需要可以把炉料布到指定点，溜槽倾角a 和定点方位由人工手动控 制或根据设定自动实现。 ( 2 ) 环形布料：类似钟式炉项布料，但可以直接布到高炉中心，可实现单环、多环布料。改 变溜槽倾角( 溜槽与高炉中心线的夹角) ，可把炉料布到距中心不同位置。由于溜槽倾角可变化， 炉料下到炉喉内形成的堆尖所处半径位置( 即堆尖与高炉中心的距离) 可以做到无数选择以纠正 边缘或中心煤气分稚。 所谓多环布料，就是取若干个溜槽倾角档位，把一批炉料按指定重量分配，连续步入炉内， 溜橹倾角直接影响炉料在炉内的分布。不同炉喉直径的高炉应采用一个适当的溜槽倾角档位数。 若溜槽倾角档位过多，则各环间距过小而失去调节功能。反之，倾角档位过少，则各环间距过大 而降低了调节灵活的功能。一般地，小于】0 0 0 m 3 的高炉。可选5 7 个溜槽倾角档位，1 0 0 0 3 级的高炉。可选8 1 0 个倾角档位，大于2 0 0 0 肼3 的高炉，可选1 0 1 2 个溜槽倾角档位。 ( 3 ) 扇形布料：布料溜槽按设定角度作往复运动，使炉料布在要求的一定圆弧半径上，溜槽 可用任意半径和角度向左右旋转当产生偏析或局部崩料时采甩此种布料形状。 ( 4 ) 螺旋布料：榴槽绕高炉中心作均匀旋转运动，同时作径向运动形成炉料分布，漓槽由外 向里改变倾角，摆动速度由幔变快。主副电机同时旋转把炉料布到炉喉截面任意位置，根据要求 调节料层厚度获得平坦料面。 当采用大倾角单环布料时，可得到相当于钟式炉顶的v 型剖面，小倾角单环布料得到相当于 m 型剖面，采用多环和螺旋布料可得到平坦的料面，因此煤气分布也较平坦。无料钟炉项布料可 得到理想的煤气曲线以控制各炉区的温度和充分利用煤气。 圈2 - 4 无科钟布料器的布科方式 2 3 无料钟高妒布料过程 无料钟炉顶布料采用的旋转溜槽的传动系统是该设备的关键部位，溜槽的工作情况直接影响 着高炉的利用系数。料罐的上部和下部设有密封阀起炉顶密封作用，每个料罐都设有均压、放散 设备；料流调节阀位于下密封阀的上面，用以控制炉料流量；布料溜槽既可绕高炉中心线旋转， 又可沿其中心线方向上、下倾动，使溜槽的倾角可以改变。工作时，炉料由料车送入周定承料斗， 再经翻板装置入时料罐，形成料批后关闭上密封阀进行均压。当炉喉内料面下降到需要装料的位 置( 料线) 时，料尺自动提高到最高位置，同时，布料器启动旋转，在料罐均压正常的情况下打 开下密封阀，当布料器转到预定开始布科位置时。布料器控制系统使料流调节阀打开到要求的角 度，炉料按预定的时间和方式经旋转溜槽布入炉内。当科罐卸空信号由电子秤或同位素探潮仪发 出后，也就是一批料布完之后，料流调节阀和下密封阀相断关闭，放散料罐的龌力，打开上密封 阀准备接受下一批料。与此同时溜槽转到停机位置，放下料尺，当炉喉内新的料面下降到需要装 料的位置时，料尺再次自动提高到最高位置，开始布下一批料，重复此过程，将炉料一批一批布 入炉内。 2 4 无料钟高炉布料方程 高炉布料过程，实质就是炉料的运动过程。为了定量地分析炉料在炉喉内的分布，首先需要 建立高炉布料方程。 刘云彩在高炉布料规律l ”中，通过对高炉布料过程的研究，根据炉料的不同运动状态， 将高炉布料分为三个过程，分别建立公式模拟： ( 1 ) 炉料f 通过中心喉管运动离开导料管的速度。 9 中国农业大学硕士论文 第二章无料钟高炉布料简述 ! -i j 曼m 曼詈皇皇皇蔓量蔓勇毫曼 ( 2 ) 炉料i 在第，圈离开溜槽时速度。 ( 3 ) 炉料在空区中的运动时的速度，以及炉料落到炉喉以后落点或形成的堆尖的位置。 本文根据实际生产状况，对高炉布料过程作了进一步深入研究，并进行了一定的数据试验， 发现炉料从导料管口到碰撞溜槽过程对炉料的运动速度，以及炉料的分布有较大的影响。因此， 本文在高炉的布料过程中加入考虑了这一过程，并建立炉料与溜槽碰撞时的速度公式： 设炉料i 通过中心喉管运动离开导料管的速度为v 炉料从离开导料管到碰撞溜槽的下落的 高度为d ，。则 扣n 瓯， 其中，h 。为溜槽高度，若炉料在下落过程中，只受重力作用，做自由落体运动，设其下落时间为 r ，于是有 从而得 则炉料碰撞溜槽时速度v 为 d ，：v 1 0 f ，+ 委，2 - - v i o + 、砥五孓t g v f = v ，o + g t f 。 因此，炉料碰撞溜槽后，沿溜槽方向的初速度为v ，c o s a p ，其中，a v 为布第f 种炉料( 焦 或矿) 第- ，圈时的溜槽倾角。 o 中国农业大学硕士论文第三章炉料的分布模型 i i 第三章炉料的分布模型 3 1炉料在炉喉内的堆角 自然堆角：指散粒体从一定高度自然连续下落到平面上，所堆积成的锥体的母线与底平面的 夹角，也称为自然休止角。 假设炉料在空区下落过程中，只受重力作用。随着研究进展，炉料在炉喉内的实际堆角采用 两种近似描述： ( 1 ) 由于同种炉料在炉中堆尖内外堆角相差不大，可近似认为相等。也就是说，左右两侧堆 角都近似于炉料的自然堆角( 炉料的自然堆角可以通过实测得到) 。 ( 2 ) 炉料堆尖两侧的堆角并不相等4 1 ：靠近高炉中心一侧的堆角( 内堆角) 接近于炉料的自 然堆角，而靠近炉墙一侧( 外堆角) 由于受炉料的冲击作用，其堆角比靠近高炉中心一例的堆角 要小些。 本文在研究过程中，首先采用描述( 1 ) 确定炉料的堆角，建立炉料分布的算法，然后采用描 述( 2 ) ，改进算法，进一步近似炉料的实际堆角。 3 2 炉料在炉喉内的分布模型 设炉料f 在第，圈布料后在炉喉内的径向分布对应于图3 - l 中的f g 厅。其中，炉料i 在 第圈布料对的初始料面就是第歹一1 圈布料结束后的形成科面下降到料线位置的料面。 循环布料就是连续布若干批料，而布一批料是连续布圈料，因此，计算炉料的分布的核 心就是布圈辩的过程，换句话说，计算炉料在炉喉内的分布时，炉料j 在第，圈布料时的初始 料面就是第j l 圈布料结束后的形成料面下降到料线位置时的料面( f = 2 ，a ，) ，炉料i 在第l 圈布料时的初始料面为前批炉料布完后形成料面下降到斟线位罨的料砸。因此，整个布辩的核 心过程就是已知某个特定的初始料面，布一圈料的过程。 炉料的分布模型主要是依据炉料的体积分布来建立的，论文将炉料的体积分布分为不考虑螺 线和考虑螺线两种情况分别进行讨论和研究。 中国农业大学硕士论文 第三章炉料的分布模型 高炉中心 图3 - 1炉料在炉喉内的分布 3 2 1多环无螺线布料体积分布 假设溜槽倾角改变是瞬时完成的，或实际生产中，可以通过工业控制，在溜槽倾角改变过程 中，关闭节流阀，不向炉内布料，直至溜槽旋转至预设角度，打开节流阀，开始继续向炉内布料。 此时，由于不考虑螺线布料，炉料在炉喉内关于高炉中心呈轴对成分布，因此，即使布科时每环 的起始位置不同，也不影响最终料面的形状。 布料过程中，由于相同时问内通过导料管的炉料的体积的相同的，因此，布料时，对同种炉 料来说，不管溜槽的倾角怎样发生变化，每圈向炉内布料的体积是相同的。即炉料i 在第，圈所 布料的体积为： 哕= 嘉 协， v p j n j j 其中，g f 为炉料珀q 批重( 一批炉料的重量) ，n 为妒料f 的堆比重，m 为布料时炉科f 的总圈 数。 在计算炉料在炉喉内的径向分布时，以溜槽悬挂点为原点，高炉中心线为y 轴，垂直于高炉 中心的任意直径方向为x 轴( 炉料在炉喉内关于高炉中心呈轴对成分布，因此，任意直径方向上 的分布都相同) ，建立平面直角坐标系。 炉料f 在第f 圈布料时。初始料面已知( 第，一1 圈布料结束后的形成料面下降到料线位置的 料面) ，设布料后在径向上的分布为封闭的多边形e f g h ( 围3 一i ) 。 假设堆失处( e ) 炉料的下落高度为h g ，则由2 4 4 ，点e ( x f ，y f ) 可表示为： 2 中国农业大学硕士论文第三章炉科的分布模型 0 2 1 2 一) ，； y f = 一( l c o s a ”+ h os i n 口+ h , j ) 舯t = 譬( 何赢丽- - v v c o s 2 0 ) 。 ( 3 - 2 ) 设e 点左右侧的堆角( 左侧堆角：e f 和轴的夹角，右侧堆角：e h 和x 轴的夹角) 分 别为z 乙，和成，：由初始料面已知，即点g ( x y g ) 已知，且g 左、右侧的料面的斜率t 。，和r 。 己知，从而点f ( x ，儿) 为和点h ( x ，y h ) 可表示为： y yh y g 七k 。| x g t a n p t xe 。，一t a n 卢0( 3 3 ) 【y f = k o u t ( k 一) + y n ivj ，f y g + k a x o + 诅n 屈n 石f “k 。+ t a n 凤( 3 4 ) 【y h = k 。( x 一x g ) + y ( j 炉料i 在第j 圈布料的体积也就是e f g h 绕高炉中心旋转3 6 0 度的旋转体的体积为： k ( ，) = f 7x ( _ ( x ) 一 ( x ) ) 捌口 ( 3 _ 5 ) 其中，；( x ) 为新布的料在炉喉中形成的新的料面，f a x ) 为初始料面上被，( x ) 覆盖的料面。 例如，图3 - l 中，具体为 胁) = t a n t a t l f l o 以, ( x ( ，- 飞x e ) ) + + y ：, x fs - x x 兰 - 。x 。，： 胁，= 像饕麓：芝蓁乏 令嘭”= k ( ) ，便可反推计算出h 。，从而可计算出布料后更新的料面f e h 。 3 2 2 多环有螺线布料体积分布 在多环布料过程中，溜槽倾角是连续变化的，而不是瞬间改变，因此。溜槽倾角发生改变时， 就会发生螺线布料过程，炉料在炉喉内的分布将不是关于高炉中心对称，于是计算炉料在炉喉内 的分布就需要计算炉料在各个直径方向上的分布( 截面图) 。通过分析，需要把炉料在炉喉内的 分布细分到溜槽旋转a t ( 秒) ( 或a 0 ( r a d ) ) 的体积。 炉料f 在第，圈布料时，溜槽旋转到口时炉料的径向分布如图3 - 1 所示，于是，溜槽旋转了f ( 秒) ( 或a 0 ( r a d ) ) 所布的料的体积为： 巡- - 芝壁垫i l i 。1 耋章鉴些i 彗篓竺 一曼曼曼曼釜二。 掣= 是篆 滢e ， 或 v j z ) - m g , a 云o ( 3 一) 于是，考虑螺线布料后，炉料，在第，圈所布料后形成的料面不再是关于高炉中心轴对称分 布。如图3 一l ，对应溜槽旋转到0 时炉料在炉喉内的径向分布( 截面) ，则溜槽旋转了a o 后， 当秽足够小( 占一0 ) 时，可以近似认为妒辩在旧，0 + , 5 0 1 区间内的分布截面保持不变。 假设溜槽旋转到曰布料形成的堆尖处( e ) 炉料的下落高度为h 。则点e 、f 和h 的坐 标均可用囊，表示( 如3 ，2 i 所述) 。于是，溜槽从护旋转到护+ a o 所布的料的体积为： ( ) = f “8f 8 x ( _ ( z ) 一f 2 ( x ) ) d x d o ( 3 - 8 ) 其中，；o ) 为新布的料在炉喉中形成的新的料面 ( x ) 为初始料面上被 ( j ) 覆盖的料面。 令j 2 = ( 。) ，反推计算出h ，就可以计算出对应于溜槽旋转到万时的径向新的料面 f e h 。 3 3 妒料分布模型的算法 布料制度，就是布焦和布矿时溜槽的倾角( 多环布料中有多个档位) 、每个溜槽倾角对应的 布料圈数以及焦和矿的批重。例如：表3 - i 所示就是一种布料制度。 一 墨! ：! 娈登型壁二 j 型! 些堡塑堕墼生些里! 查! 苎竺! ：墨塑鬯塑笙丝重! 1 4 i 3 8 3 6 3 3 3 0 2 9 3 2 2 9 4 5 1 3 2 3