無(wú)料鐘布料分布模型在萊鋼3200m3高爐的應(yīng)用

丁利生，劉建華，李傳瑾

(山東鋼鐵集團(tuán)萊蕪分公司，山東萊蕪 271104)

1 引言

在高爐冶煉生產(chǎn)中，爐料分布和結(jié)構(gòu)決定著爐料的下降情況、煤氣流的分布和軟熔帶的位置和形狀。因此，確定高爐爐料的分布情況對(duì)高爐的低耗、順產(chǎn)有著非常重要的意義。在萊鋼傳統(tǒng)的高爐操作中只是憑借著高爐冶煉理論、探尺所探料面的數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)估計(jì)爐內(nèi)爐料的分布情況，沒有確切的數(shù)據(jù)為依據(jù)，所得到的爐料分布情況與實(shí)際有著一定的差距，不能真實(shí)地反映爐料分布情況。為了克服上述的缺點(diǎn)，一些爐料分布檢測(cè)設(shè)備研制并應(yīng)用到高爐生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)寶鋼2200 m3高爐采用了微波技術(shù)檢測(cè)高爐料面，但是檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用條件要求比較高，在高爐生產(chǎn)中沒有得到廣泛的應(yīng)用。本文依據(jù)高爐布料模型的原理，結(jié)合萊鋼3200 m3生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)適合萊鋼3200 m3特性的無(wú)料鐘爐料分布模型。

2 無(wú)料鐘布料分布模型的建立

高爐布料實(shí)質(zhì)上是爐料的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，溜槽與Z軸構(gòu)成溜槽傾動(dòng)角α，與水平線成角β，并以ω的角速度繞Z軸做圓周運(yùn)動(dòng)，爐料由料流閥以C0排出，進(jìn)入溜槽沿溜槽方向的初速度為C0，爐料在溜槽某點(diǎn)的速度為C(m/s)，爐料到達(dá)溜槽末端的速度是C1(m/s)，爐料離開溜槽后受自身重力和煤氣阻力的作用（在爐料直徑較小的情況下，煤氣阻力可以忽略[1]）在爐喉工作區(qū)內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至落入原始料面上。爐料在溜槽上所受的力如圖1所示。

2.1 溜槽末端速度C0

根據(jù)圖1受力分析所示，在溜槽上沿溜槽方向爐料受力情況和運(yùn)動(dòng)規(guī)律可列方程組如下：

圖1 爐料在溜槽上的受力分析

上式中：g為重力加速度，m/s2

l為爐料在溜槽上運(yùn)動(dòng)的距離，m

t為爐料運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s

m為一塊爐料質(zhì)量 kg

μ為爐料與溜槽的摩擦系數(shù)

經(jīng)過計(jì)算可得：

以l0表示溜槽長(zhǎng)度，對(duì)上式兩邊積分，得

經(jīng)過化簡(jiǎn)可以得出溜槽末端的速度

通過實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以得出，爐料落入溜槽的初始速度C0比離開溜槽末端速度C1小一個(gè)數(shù)量級(jí)[2]，可以忽略不計(jì)，則

2.2 爐料離開溜槽后的運(yùn)動(dòng)分析

爐料離開溜槽后，在高爐內(nèi)除受重力作用外，還受到上升煤氣的阻力作用。設(shè)上升煤氣阻力為P，根據(jù)流體力學(xué)原理可得：

式中 k：阻力系數(shù)；γ：氣體密度，kg/m3；s：爐料最大橫截面積，m2；v：煤氣速度，m/s；g：重力加速度，m/s2。

設(shè)料線深度為h，爐料離開溜槽到料面的時(shí)間為t2，在空區(qū)沿x方向移動(dòng)Lx米，在料面xy平面上以z軸為圓心，環(huán)形布料爐料落到xy平面的半徑為n。根據(jù)圖2數(shù)學(xué)推理可得：

圖2 爐料在xy平面上的分布

Lx是爐料離開溜槽末端在xy平面上x方向的投影；n是爐料落到xy平面后距離高爐中心的實(shí)際距離，爐料在爐喉內(nèi)分布的具體位置。

2.3 適用于萊鋼3200m3高爐的計(jì)算公式

在萊鋼3200 m3高爐溜槽設(shè)備跟上面分析的溜槽有一定的差別，差別主要是溜槽傾動(dòng)軸比溜槽地面高出e(m)，爐料流過溜槽的長(zhǎng)度lβ隨β角的變化而變化，爐料通過溜槽的長(zhǎng)度與l0值有以下關(guān)系：

lβ=l0-etanβ

式中 ：lβ為爐料通過溜槽的實(shí)際長(zhǎng)度，m；

e為溜槽傾動(dòng)軸到溜槽地面的垂直距離，m；由此可以整理出物料出溜槽末端時(shí)的速度[3]：

爐料分布n和Lx分別為

3 布料分布模型計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)

上面已經(jīng)討論了無(wú)料鐘布料分布模型的原理，在這里我們要用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)布料分布模型。本模型開發(fā)選用計(jì)算機(jī)Visual Basic 6.0高級(jí)語(yǔ)言，在編寫程序的時(shí)候盡量使程序簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)模型地高效性。

布料分布模型主要是由用戶輸入界面、參數(shù)預(yù)處理、模型計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果輸出幾個(gè)部分組成。在用戶輸入界面用于接收用戶輸入的摩擦系數(shù)、溜槽長(zhǎng)度、溜槽傾動(dòng)距、溜槽轉(zhuǎn)速和料線高差等數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶把參數(shù)填入后程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行處理判斷參數(shù)輸入的合理性，如不合理會(huì)提醒用戶重新輸入；當(dāng)用戶點(diǎn)擊參數(shù)輸入界面上的運(yùn)行按鈕后，程序會(huì)根據(jù)上述計(jì)算模型計(jì)算爐料分布；當(dāng)計(jì)算完畢后會(huì)輸出一個(gè)爐料分布情況表格，供工長(zhǎng)操作高爐使用。并且該模型程序的編寫只用到Windows的公用資源，所以在模型開發(fā)完后可以生成.exe可執(zhí)行文件在Windows環(huán)境下運(yùn)行，布料分布模型參數(shù)界面如圖3所示。

圖3 布料分布模型參數(shù)界面

4 布料分布模型在萊鋼3200m3高爐上的應(yīng)用

高爐溜槽的襯板主要由鐵襯板或者鋼襯板構(gòu)成，對(duì)于鐵襯板溜槽摩擦系數(shù)μ=0.543，而鋼襯板溜槽摩擦系數(shù)μ=0.33。萊鋼3200 m3高爐布料溜槽使用的是鐵襯板，所以在溜槽摩擦系數(shù)取μ=0.543[4]。根據(jù)實(shí)際測(cè)量高爐溜槽的傾動(dòng)距e=0.8；溜槽轉(zhuǎn)速ω=0.13；料線高差h2=1.1；溜槽長(zhǎng)度l0=4.5。

把上述的參數(shù)填入，點(diǎn)擊模型界面的運(yùn)行和打印按鈕，設(shè)計(jì)的模型根據(jù)輸入的參數(shù)計(jì)算出高爐布料分布如圖4所示。

高爐工長(zhǎng)可以根據(jù)圖4計(jì)算出的爐料布料分布來調(diào)節(jié)高爐布料，調(diào)整高爐的爐況保證高爐順行。

圖4 爐料分布模型計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

本文將理論和實(shí)際相結(jié)合，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立起無(wú)料鐘布料分布模型，在萊鋼3200 m3高爐得到成功的應(yīng)用。利用高爐開爐的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確確定布料分布模型的參數(shù)，確保該模型能真實(shí)反映爐料布料時(shí)的分布，為工長(zhǎng)分析和控制高爐爐料在爐內(nèi)的分布提供了重要的依據(jù)，從而提高了透氣性指數(shù)，降低了焦比，保證了高爐的順行。

[1]陳令坤,于仲潔,周曼麗.高爐布料數(shù)學(xué)模型的開發(fā)及應(yīng)用[J].鋼鐵,2006,11(40):13-16

[2]吳敏,田超,曹衛(wèi)華.無(wú)料鐘高爐布料模型的研究與應(yīng)用[J].控制工程,2006,9(13):490-493

[3]經(jīng)文波,談云蘭.無(wú)料鐘布料數(shù)學(xué)模型在南鋼高爐布料中的應(yīng)用[J].江西冶金,2006,10(26):9-12

[4]北京有色冶金設(shè)計(jì)院等.金屬礦山采礦設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1977:8