一種預(yù)測(cè)和控制高爐鐵水[Ti]的方法及應(yīng)用

李勝杰 趙恒山 王瑞玲

(安陽鋼鐵股份有限公司)

一種預(yù)測(cè)和控制高爐鐵水[Ti]的方法及應(yīng)用

李勝杰 趙恒山 王瑞玲

(安陽鋼鐵股份有限公司)

通過理論分析和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定了顯著影響鐵水[Ti]的因素主要是鈦負(fù)荷和爐溫。在一定鈦負(fù)荷條件下，研究了鐵水[Ti]與[Si]的關(guān)系；在一定爐溫條件下，研究了鐵水[Ti]與鈦負(fù)荷的關(guān)系；根據(jù)[Ti]與鈦負(fù)荷、[Ti]與爐溫之間的相互關(guān)系，建立[Ti]與鈦負(fù)荷、爐溫它們兩者之間的數(shù)學(xué)模型，通過回歸求解從而得到一種預(yù)測(cè)和控制高爐鐵水[Ti]的方法。該方法既可以應(yīng)用于含鈦爐料的護(hù)爐生產(chǎn)，也可以應(yīng)用于高爐的低成本生產(chǎn)，并取得了較好的使用效果。

高爐 爐缸 鐵水 鈦

0 引言

高爐爐缸的爐襯隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移會(huì)不同程度地出現(xiàn)各種破損現(xiàn)象，并且高爐大修費(fèi)用十分昂貴，因此鋼鐵企業(yè)常常應(yīng)用含鈦爐料護(hù)爐技術(shù)來維護(hù)爐缸的正常工作狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到延長高爐壽命的目標(biāo)[1]。高爐實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，含鈦爐料護(hù)爐作業(yè)是一個(gè)長期和不斷調(diào)整的過程。此項(xiàng)技術(shù)護(hù)爐效果的顯著與否，涉及的影響因素比較多，但是其中科學(xué)預(yù)測(cè)和合理控制鐵水[Ti]是最關(guān)鍵和最復(fù)雜的。

安鋼1號(hào)高爐于2015年2月12日開始應(yīng)用含鈦爐料護(hù)爐技術(shù)。通過分析含鈦爐料冶煉機(jī)理，總結(jié)和歸納影響鐵水[Ti]的顯著性因素，試圖建立一種預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]的數(shù)學(xué)模型，以便能夠準(zhǔn)確快捷地計(jì)算出鐵水[Ti]，為其科學(xué)預(yù)測(cè)和合理控制提供科學(xué)的指導(dǎo)，提高含鈦爐料的利用率，避免和減少爐況波動(dòng)，以達(dá)到護(hù)爐生產(chǎn)與低成本運(yùn)行相結(jié)合的綜合目標(biāo)。

1 影響鐵水[Ti]的因素分析

含鈦爐料的高爐冶煉機(jī)理是：鈦的氧化物有TiO2、Ti3O5，Ti2O3，TiO等形式，其還原時(shí)是從高價(jià)氧化物向低價(jià)逐級(jí)進(jìn)行的；爐料中的含鈦氧化物在爐內(nèi)高溫高壓還原性氣氛的作用下，部分被還原成Ti，Ti隨著鐵水環(huán)流或擴(kuò)散到爐缸的各個(gè)部位；在碳、氮等元素過剩的條件下，Ti部分反應(yīng)生成固熔體Ti(C、N)，由于其熔點(diǎn)高于1 500 ℃，在爐內(nèi)只能以半融狀或固態(tài)存在，進(jìn)入被侵蝕的磚縫或在爐缸的表面不斷凝結(jié)從而形成一定的保護(hù)層，所以對(duì)爐缸起到一定的保護(hù)作用；同時(shí)這些粘稠物彌散于鐵水中，使鐵水的粘度增加和流動(dòng)性減弱，降低了鐵水對(duì)爐缸的機(jī)械沖刷作用，但相應(yīng)地也會(huì)對(duì)高爐料柱的透氣性和爐況順行造成不利影響，甚至造成高爐難行現(xiàn)象的發(fā)生[2]。

目前，高爐操作者往往認(rèn)為影響鐵水[Ti]的因素基本包括：鈦負(fù)荷、[Si]、(TiO2)、[S]和[Mn]等。參照實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的基礎(chǔ)研究和其他鋼鐵企業(yè)含鈦爐料護(hù)爐的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合安鋼1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)高爐實(shí)際生產(chǎn)過程的生產(chǎn)操作和控制實(shí)踐，總結(jié)出顯著影響鐵水[Ti]的主要因素是入爐的鈦負(fù)荷和高爐的爐溫水平,其中爐溫水平一般用鐵水[Si]來表示[3]。

2 預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]數(shù)學(xué)模型的建立

高爐的生產(chǎn)過程是一個(gè)在高溫高壓密閉容器內(nèi)發(fā)生的十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)的冶煉過程，有別于一般的實(shí)驗(yàn)室研究，在生產(chǎn)實(shí)踐中它涉及的影響因素相當(dāng)多，那么選擇合理的研究樣本就顯得格外重要。

選取1號(hào)高爐2015年3月6日～2015年5月12日期間的生產(chǎn)實(shí)踐作為研究對(duì)象，來分析鐵水[Ti]與[Si]、鈦負(fù)荷的關(guān)系。之所以選取該時(shí)間段，是因?yàn)?

(1)為了更好地進(jìn)行高爐鈦礦護(hù)爐作業(yè)，安鋼從2015年3月6日開始對(duì)燒結(jié)礦成分中的TiO2含量開始化驗(yàn)分析，這樣為能夠準(zhǔn)確計(jì)算鈦負(fù)荷提供了較好的基礎(chǔ)條件。

(2)2015年3月6日～2015年3月11日，1號(hào)高爐配加了含鈦球團(tuán)礦(品位：50.00%)；2015年3月24日～2015年4月18日，配加了含鈦球團(tuán)礦(品位：58.00%)；2015年3月6日～2015年5月4日，主供1號(hào)高爐的1號(hào)燒結(jié)礦配加了高鈦精粉；在此期間的不同階段，1號(hào)高爐的入爐鈦負(fù)荷呈現(xiàn)出一定差異性，這樣有利于提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸分析的準(zhǔn)確性和代表性。

為了更好地分析[Ti]與[Si]、鈦負(fù)荷的關(guān)系，我們把每日的鐵水成分作為一個(gè)樣本，每個(gè)樣本數(shù)據(jù)要求是全天的完整數(shù)據(jù)，中間沒有休風(fēng)檢修等異常情況。通過大量的樣本研究和數(shù)據(jù)分析，從中遴選了19個(gè)典型樣本。在這些樣本的生產(chǎn)期間，高爐爐況基本保持穩(wěn)定順行，爐料結(jié)構(gòu)基本不變，各爐料成分和性能保持穩(wěn)定；這些樣本保證了對(duì)應(yīng)的鈦負(fù)荷分布范圍的廣泛性和一定的均勻性。

2.1 一定鈦負(fù)荷條件下，鐵水[Ti]與[Si]的關(guān)系

一定鈦負(fù)荷條件下，通過對(duì)這19個(gè)典型樣本的[Ti]和[Si]之間關(guān)系的回歸分析，我們分別得到其相應(yīng)趨勢(shì)線的回歸方程，見表1。

表1 典型樣本[Ti]與[Si]的回歸方程

通過對(duì)這19個(gè)典型樣本的鈦負(fù)荷與回歸方程斜率的分析，得到的典型樣本鈦負(fù)荷與回歸方程斜率的關(guān)系如圖1所示。

典型樣本[Ti]與[Si]的回歸方程為：

y=0.0291x+0.0573

(1)

相關(guān)系數(shù)R2=0.9052，表明其具有很高的相關(guān)性。

綜合表1和圖1可以總結(jié)出：在鈦負(fù)荷一定的條件下，鐵水[Ti]與[Si]成一元一次函數(shù)關(guān)系([Ti]=k1[Si]+b1，k1>0)，即隨著鐵水中[Si]的增加，[Ti]也是增加的；鈦負(fù)荷越高，一元一次函數(shù)的斜率值越大。

圖1 典型樣本鈦負(fù)荷與回歸方程斜率的關(guān)系

2.2 一定爐溫即[Si]條件下，鐵水[Ti]與鈦負(fù)荷的關(guān)系

由于在高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中要求爐缸保持活躍和爐溫相對(duì)穩(wěn)定，通常鐵水[Si]控制在一個(gè)較窄的目標(biāo)范圍內(nèi)，1號(hào)高爐[Si]一般控制在[0.35%,0.55%],所以造成其樣本相對(duì)比較集中且數(shù)量偏少。在一定爐溫即[Si]條件下，通過對(duì)典型樣本的[Ti]和鈦負(fù)荷之間關(guān)系的回歸分析，我們分別得到其相應(yīng)趨勢(shì)線的回歸方程，見表2。

表2 典型樣本[Ti]與鈦負(fù)荷的回歸方程

通過對(duì)這8個(gè)典型樣本[Si]與回歸方程斜率的分析，得到的典型樣本[Si]與回歸方程斜率的回歸趨勢(shì)線如圖2所示。

圖2 典型樣本[Si]與回歸方程斜率的回歸趨勢(shì)

典型樣本[Ti]與鈦負(fù)荷的回歸方程為：

y=0.0484x-0.0066

(2)

相關(guān)系數(shù)R2=0.9064，表明其很高的相關(guān)性。

綜合表2和圖2可以得出：在爐溫即[Si]一定的條件下，鐵水中[Ti]與鈦負(fù)荷成一元一次函數(shù)關(guān)系([Ti]=k2[鈦負(fù)荷]+b2，k2>0)，即隨著鐵水中鈦負(fù)荷的增加，[Ti]也是增加的。

2.3 預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]數(shù)學(xué)模型的建立

綜合2.1和2.2內(nèi)容，可設(shè)定[Ti]與[Si] 、鈦負(fù)荷的多元一次回歸數(shù)學(xué)模型為：

[Ti]= k3[Si]+k4[鈦負(fù)荷]+b3。

(3)

利用微軟公司Excel軟件數(shù)據(jù)分析工具對(duì)這19個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，可以求出k3=0.3541、k4=0.0123和b3=-0.1277。

因此，式(3)可以寫為：[Ti]= 0.3541[Si] + 0.0123[鈦負(fù)荷]-0.1277

(4)

相關(guān)系數(shù)R2=0.8782，表明其具有很高的相關(guān)性。

這樣式(4)就成為我們對(duì)鐵水[Ti]預(yù)測(cè)和控制的一個(gè)有力工具。根據(jù)該方程可知，顯著影響[Ti]的主要因素為[Si]和鈦負(fù)荷；已知鈦負(fù)荷和[Si]，就可以快速計(jì)算出[Ti]預(yù)測(cè)值；根據(jù)[Ti]的大小，我們可以調(diào)節(jié)鈦負(fù)荷和[Si]來獲得適宜的[Ti]。

3 預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用

3.1 1號(hào)高爐護(hù)爐生產(chǎn)模式

根據(jù)式(4)可以計(jì)算得到表3，表3可以作為在護(hù)爐期間預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]的一個(gè)簡單工具。為獲得符合護(hù)爐要求的[Ti]，利用式(4)或表3，根據(jù)爐缸溫度偏高部位的溫度升高程度和變化趨勢(shì)，可以準(zhǔn)確快捷地動(dòng)態(tài)調(diào)整鈦負(fù)荷和[Si]的組合。

表3 護(hù)爐生產(chǎn)模式下[Si]和[Ti]對(duì)應(yīng)的鈦負(fù)荷

因?yàn)楦郀t在生產(chǎn)過程中受到的影響因素很多，所以在護(hù)爐過程中，既有固定鈦負(fù)荷調(diào)整爐溫即[Si]的階段，也有固定爐溫即[Si]調(diào)整鈦負(fù)荷的階段，還有同時(shí)調(diào)整鈦負(fù)荷和爐溫即[Si]的階段，但我們只要掌握了鈦礦護(hù)爐技術(shù)的這些規(guī)律，根據(jù)爐缸破損部位溫度變化趨勢(shì)，就可以有方向有分寸的進(jìn)行護(hù)爐操作，使護(hù)爐操作精細(xì)化和簡單化，減少調(diào)整的盲動(dòng)性，避免不必要的爐況波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)護(hù)爐期間高爐穩(wěn)定順行和低成本運(yùn)行的有效結(jié)合。

3.2 1號(hào)高爐正常生產(chǎn)模式

1號(hào)高爐正常生產(chǎn)期間一般要求[Ti]控制在0.10%以下，[Si]控制在[0.30%,0.50%]。根據(jù)式(4)可以計(jì)算得到表4，表4可以作為正常生產(chǎn)期間預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]的一個(gè)簡單工具。利用式(4)和表4，根據(jù)低成本冶煉的需要，并把[Ti]控制在0.10%以下，可以準(zhǔn)確快捷地動(dòng)態(tài)調(diào)整鈦負(fù)荷和[Si]的組合。

表4 正常生產(chǎn)模式下[Si]和[Ti]對(duì)應(yīng)的鈦負(fù)荷

3.3 模型在其他高爐的推廣性

隨后這種預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]的方法在安鋼2號(hào)也得到了推廣和應(yīng)用，雖然各個(gè)高爐的爐型、設(shè)備和原燃料等實(shí)際情況各不相同，但其規(guī)律卻是相同的，只是有關(guān)系數(shù)有所調(diào)整，并且也取得了較好的使用效果，同時(shí)也證明了該方法的正確性和良好的重現(xiàn)性。

4 結(jié)語

(1)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可得，在高爐冶煉過程中，顯著影響鐵水[Ti]的因素主要是入爐的鈦負(fù)荷和高爐的爐溫水平。

(2)在鈦負(fù)荷一定的條件下，鐵水中[Ti]與[Si]成一元一次函數(shù)關(guān)系；在爐溫即[Si]一定的條件下，鐵水[Ti]與鈦負(fù)荷成一元一次函數(shù)關(guān)系；綜合這些規(guī)律，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件，可以建立和得到一種預(yù)測(cè)和控制鐵水[Ti]的二元一次函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)模型。

(3)這種方法既可以應(yīng)用在高爐爐役后期的含鈦爐料護(hù)爐生產(chǎn)，也可應(yīng)用于高爐正常的低成本生產(chǎn)。

[1] 李勝杰,王雪峰,張希剛.安鋼1號(hào)高爐爐缸側(cè)壁溫度異常升高的治理[J].煉鐵, 2015,34(5):15-18.

[2] 李勝杰,周東鋒,張希剛,等.高爐鈦礦護(hù)爐時(shí)[Ti]與[Si]的關(guān)系[J].煉鐵, 2015,34(2):49-51.

[3] 李勝杰,龍防,程廣田.含鈦球團(tuán)礦護(hù)爐在安鋼7號(hào)高爐的應(yīng)用與研究[J].中國冶金, 2015,25(5):43-46.

A METHOD AND APPLICATION FOR PREDICTING AND CONTROLLING [Ti] IN HOT METAL OF BLAST FURNACE

Li Shengjie Zhao Hengshan Wang Ruiling

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

According to the theoretical analysis and practical production experience, the significant factors to [Ti] in hot metal is determined by the titanium load and the blast furnace temperature. The relationship between [Ti] and [Si] in hot metal was studied under the condition of a certain titanium load. The relationship between [Ti] and titanium load was studied under the condition of a certain temperature. According to the relationship between [Ti] and [Si], [Ti] and titanium load, a mathematical model is established about the two factors. By solving the model, a method is obtained for predicting and controlling [Ti] in hot metal of blast furnace. The method is applied not only on the blast furnace protection with titanium-bearing ore, but also on the low cost production, and achieved good results.

blast furnace hearth hot metal titanium

杰，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司煉鐵廠；

2017—3—17