一种利用扫描雷达实现4000m3高炉高效低耗冶炼的方法

摘要

本发明提供一种利用扫描雷达实现4000m

说明书

技术领域

本发明属于高炉操作领域，具体提供一种利用扫描雷达实现4000m³高炉高效低耗冶炼的方法。

背景技术

近15年来，中国高炉大型化高歌猛进，大于1000m³的大型高炉目前有300多座，总产能在5亿吨以上。现代高炉是一个巨大的高压、高温、高粉尘的煤气发生器，高炉运行过程中由于体积巨大，影响其稳定运行的因素很多，入炉原料质量波动、设备故障、操作差异等各个方面的因素都会影响高炉的生产过程，而生产过程的波动最直接的影响就是燃料消耗升高，CO₂排放升高。理论上，如果外部原料条件稳定，设备运行正常，操作参数搭配合适，高炉是不需要进行频繁、剧烈的上下部制度调剂的，但实际操作的高炉面临的环境变化，离稳定运行的要求相距甚远，影响高炉运行的主要因素如表1所示，对此引发的一系列后果如表2所示。

表1影响高炉运行的主要因素

表2外部因素变化对高炉运行的影响

序号各种因素对高炉的影响1高炉顺行遭到破坏2压差异常、下料异常3炉温异常4渣铁排放不畅5炉型异常

高炉要实现高效、低耗冶炼，必须使上部调剂制度和下部调剂制度实现合理匹配，共同维护一个和原燃料、设备、操作相适应的气流分布。

上部调剂主要为布料调剂，布料制度构成了布料调剂的核心，一般是通过溜槽布料倾角(α)、炉料重量(W)、溜槽位置、旋转圈数的匹配来实现料面形状的改变，炉料通过布料溜槽分布到炉喉，形成一定厚度的炉料分布，高炉布料是按照焦炭、矿石分别装入的顺序依次装入高炉的，装入高炉炉喉的炉料将形成一定厚度的炉料分布，因为焦炭、矿石粒度不同，比重不同，上部上升气流一方面加热炉料，另一方面还原炉料，炉料厚度分布的变化将影响炉内气流的分布，从而影响炉料的加热和还原，从而直接决定高炉运行效率及稳定性。

下部调剂包括鼓风量(BV)、鼓风湿度(H2O)、富氧量(O₂)、鼓风温度(Te)、喷煤量(PCI)等，通过这几个参数的合理搭配可以控制鼓风动能、鼓风带入的热量、煤气发生量，在原料状况一定的情况下，鼓风调剂将决定煤气流在高炉下部的初始分布，从而决定了气流在高炉不同部位上升的强度，也会直接影响高炉炉料的加热和还原。

基于国内原燃料、设备状况、操作传统的差异，目前有2种上部调剂制度和下部调剂制度实现合理匹配的模式。

文献“朱仁良，宝钢大型高炉操作与管理，冶金工业出版社，2015，30～130”中提出了一种宝钢模式，宝钢是改革开放后建立的第一家特大型钢铁联合企业，该企业地处上海改革开放的前沿，共有4座特大型高炉，所用原料大部分进口，故其原燃料品质高、相对稳定，该模式立足于宝钢的原燃料条件，文献中列出了高炉所用烧结矿、球团矿、块矿及焦炭的质量，如下表3～5所示。

表3宝钢烧结矿入炉管理标准

表4宝钢高炉球团矿入炉管理标准

表5宝钢高炉块矿入炉管理标准

基于上述原燃料条件，宝钢参考新日铁逐渐摸索出了独特的高炉上下部调剂模式，即采用适宜风量，尽量减少吨铁风耗，布出带有平台的料面形状，不用中心加焦，维持2.1～2.2t/m³.d的利用系数，保持高的煤气利用率，煤气利用率超过50％，维持燃料比在490～495kg/t.hm。这种操作的特点是不追求过高的高炉利用系数，但要实现低的燃料消耗。

文献“张寿荣、王筱留、毕学工等著，高炉高效冶炼技术，冶金工业出版社，2015，P162～215”中提出了一种武钢模式，武钢是新中国成立后建设的第一座特大型钢铁企业，高炉容积小于宝钢，但高炉座数多于宝钢，该企业因地处内地，原燃料运输成本高于宝钢，尽管所使用的矿石也主要从国外进口，但由于成本原因，所采购的矿石质量劣于宝钢，所使用的燃料主要立足于国内，质量波动大，文献中列出了武钢所使用的烧结矿、球团矿、块矿、焦炭的主要指标，如下表6～8所示。

表6入炉焦炭的质量要求

粒度范围：25～60mm水份：≤3.0％灰份：≤12.5％挥发份：≤1.9％硫含量：≤0.50％M40：≥80％M10：≤8％小块焦粒度：15～25mm

表7入炉烧结矿的质量要求

表8球团矿、铁矿石、石灰石、锰矿入炉要求

基于上述原燃料条件，武钢适应原燃料条件的巨大波动，也逐渐摸索出了独特的高炉上下部调剂模式，那就是大风量操作，在保持布出带有平台的料面形状的同时，采用中心加焦技术，每批料单独在高炉中心加入2～4环焦炭，保证高炉中心有一个通畅的气流，这些高炉一般维持2.4t/m³.d以上的高利用系数，牺牲煤气利用率，煤气利用率只有45～48％，燃料比较高，在515～540kg/t.hm。这种操作的特点是追求高的高炉利用系数，但要牺牲高炉燃料消耗，高炉CO₂排放较高。

综上所述，上述两种典型高炉操作模式各有优点，各有缺点，目前不管是哪种原燃料条件的高炉，对于大型高炉，尤其是4000m³、5000m³级的特大型高炉，不管采用哪种操作模式，基于目前的评价指标体系，都关注煤气利用率(n_CO)、焦比(CR)、燃料比(FR)、利用系数(Pd)等参数实现合理搭配，以获取最佳利益。对于4000m³的大型高炉，最理想的操作状态就是利用系数在2.5t/m3.t以上，煤气利用率在49.5％以上，燃料比小于500kg/t，这种指标组合是确定无疑的世界先进水平。这个期望和目前高炉的实际操作之间存在巨大的差距，由于高炉体积巨大，惯性巨大，在实际过程之中经常发生上下部调剂不到位的情况，目前设备状况下上、下部调剂措施采取了以后，并不知道料面的实际状况，导致了上、下部的匹配处于一种摸索的状态，操作调剂准确与否完全是一种经验行为。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的是提供一种通过上西部调剂实现低品质原料条件下的4000m³高炉高效低耗冶炼的方法。

本发明提供一种利用扫描雷达实现4000m³高炉高效低耗冶炼的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一种利用扫描雷达实现4000m³高炉高效低耗冶炼的方法，包括以下步骤：

1)料面形状获取单元：借助于机械扫描雷达的应用，在每一批料装入高炉后，即用扫描雷达对料面进行测量，获取布料后的料面形状；

2)料面O/C比分布计算单元：利用高炉实测数据修正矿石对焦炭层的冲击，计算出合适的料面O/C比分布，并将计算结果保存在数据库中；

3)高炉上部调剂案例库构建单元：利用上述步骤2)中计算出的O/C比分布曲线和高炉操作数据参数构建案例，间隔固定的时间记录一次，每变化一次炉料构建一个案例；

4)炉缸状况评估单元：以炉缸炉底电偶温度为控制标准，将每个测温点测得的温度数据每间隔固定的时间采集一次，评判炉缸工作状况，确保高炉调剂在炉缸活跃的状况下进行；

5)渣铁排放评估单元：通过物料平衡计算炉缸渣铁残存量，间隔固定的时间记录评估一次；

6)风口进风面积及风速确定单元：以风口风速(v)、进风面积(S)为依据，间隔固定的时间记录一次，得到风口工作区指数(TR_Pra)，用于确定回旋区的长度变化；

7)高炉上、下部调剂案例库构建单元：根据上述步骤3)构建的高炉上部调剂案例库、步骤4)、5)分别对炉缸状况、渣铁排放的评估，和步骤6)对风口进风面积及风速的确定，以O/C比分布曲线为核心，通过分析高炉各种状况下的实际操作数据，针对上下部需要联合调剂的炉况，总结各个炉况上下部调剂的参数控制范围，找出各种状况下的合适进风面积、风速和布料矩阵的合理搭配方法，构建上下部调剂案例库，不同调剂原因和对应调剂方法形成不同的管理区间；

8)炉况匹配单元：以案例库为依托，借助于案例匹配技术，利用实际操作数据和步骤7)中所述的不同管理区间进行匹配，确定是否需要进行上下部联合调剂，并确定引起问题的主要原因；

9)炉况寻优单元：利用实际操作数据与步骤7)中所述的不同管理区间进行匹配，对应到一种管理区间，在其中比对类似的案例，以煤气利用率为标准，找到最佳的O/C比分布，及相关鼓风参数的匹配组合；

10)炉况调剂单元：找到合适的处理方案后，进行炉况调节，布料PLC执行布料调剂，DCS系统执行鼓风参数调剂，在此之上再做微观调整，可以形成新的案例，补充案例库。

具体的，步骤3)高炉上部调剂案例库构建单元中每个案例包括两个表格，一个表格保存上述O/C比计算结果，另一个表保存布料时的高炉状态数据，其中高炉状态数据参数包括焦炭中的水分(CH2O)、焦炭热强度(CS R)、烧结矿软化开始温度(SinS_T)、烧结矿软化区间(SinD_T)、球团矿软化开始温度(PeS_T)、球团矿软化区间(PeD_T)、块矿软化开始温度(OreS_T)、块矿软化区间(OreD_T)、炉腹冷却壁温度(T_BO)、炉腰冷却壁温度(T_Be)、炉身下部冷却壁温度(T_SL)和熔损反映消耗碳量(SLC)。

具体的，步骤4)炉缸状况评估单元中设置的炉缸炉底电偶可检测高炉中心测温点(T_C)以及中心以外各个方向的测温点的温度，直接反应炉缸的工作状况，并保存在数据库表Bo_T中，进而判断炉缸是否正常工作，一旦炉缸工作异常则首先处理炉缸，加快渣铁排放，更换死料柱。

具体的，步骤5)渣铁排放评估单元中，一旦渣铁残存量超过极限值，就要减风、降压，保护风口。

具体的，步骤7)高炉上、下部调剂案例库构建单元中的管理区间的数量为11，管理区间的参数包括焦炭热强度(CSR)、焦炭中的水分(CH2O)、炉腰冷却壁温度(T_Be)、炉身下部冷却壁温度(T_SL)、炉腹冷却壁温度(T_BO)、炉顶煤气成分H2、熔损反映消耗碳量(SLC)、热负荷(STVT)、下料速度(Bur_V)、中心测温点(T_C)、炉缸中残存的铁量(WFe)、炉缸中残存的渣量(WSlag)、[Zn]、炉顶煤气成分CO2、风口风速(BV)、进风面积(TS)和热爆裂指数(DI)；

调剂因素包括：焦炭质量变化、水分升高导致焦炭质量变化、操作炉型中上粘接、操作炉型脱落、操作炉型中下粘接、漏水、炉温异常、炉缸异常、炉内Zn、K、Na、Sn金属的异常富集、高炉顺行遭到破坏和烧结矿变化；

分别与调剂因素相对应的调剂方法为：需要减少O/C，放开两边气流，必要时减少进风面积，严防炉墙粘结，出净渣铁；缩矿石批重，减小布焦开度，调焦炭批重，下部不动；矿石向中间推，减小焦炭负荷，加附加焦，休风，扩大进风面积；减少负荷，加附加焦，增加风温，必要时减风；扩风口，提炉温，加快渣铁排放；减负荷，调风口，关键是关水；减负荷，加风温，增加喷煤量，加附加焦；减小进风面积，下调矿焦比，增加风温，改善焦炭质量，优化布料；打开中心，加大排碱量，打开边缘，保证不发生粘结；减小进风面积，下调矿焦比，增加风温，改善焦炭质量，优化布料；改开度，炉料布上中间，减少负荷，减少进风面积。

具体的，步骤3)、4)、5)和6)中间隔固定的时间均为15分钟。

本发明的核心在于：上部调剂依托机械扫描雷达的测量结果，实时计算料面分布的O/C比分布，以O/C比分布的变化来实现上部调剂，下部将风口区鼓风参数组合成一个综合指数，用该指数的来表征风口区的状态变化，同时在不同原燃料的条件下，构建上部调剂及下部调剂的案例库，通过两个案例库的匹配及寻优确定炉况的调剂方向，关键是对影响高炉运行的因素进行归类处理，在4小时内可以处理掉的干扰，主要依靠压差、加湿、富氧等下部调剂参数的变化来调剂，干扰大于4个小时的波动，将通过上下部联合调剂的方式实现低品质原料条件下的4000m³高炉高效低耗冶炼。

本发明的有益效果是：1)以利用扫描雷达得到的O/C比分布曲线为核心，结合风口进风面积及风速的确定，通过分析高炉各种状况下的实际操作数据，构建上下部调剂案例库，利用模式识别技术找出对应的管理区间，比对类似的案例，以煤气利用率为标准，找到最佳的O/C比分布，及相关鼓风参数的匹配组合，间隔时间进行记录和评估形成数据库，使采集的炉况数据更加全面和及时；2)对炉缸状况、渣铁排放的评估，使得一旦出现炉缸工作异常或渣铁残存量超过极限值情况，可以及时处理，避免人工分析和处理的延误和失误；3)找到合适的处理方案后，进行炉况调剂单元，分别采用布料PLC执行布料调剂，DCS系统执行鼓风参数调剂，实现高炉高效低耗的正常冶炼。

附图说明

图1：本发明方法的流程图

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不限制本发明。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

以3200m³高炉为例，提供一种实时案例。

该3200m³高炉是武钢主力炉，这种规格的高炉共有3座，这些高炉都装备了无料钟炉顶、软水密闭循环冷却系统、INBA炉渣粒化系统、完备的炉前设备等，高炉普遍具备两级控制系统，3200m³高炉的操作反映了武钢的典型操作特征，3200m³高炉所用主要原燃料性能如下表9、10所示。

表9入炉料焦炭质量

焦炉焦炭,％H₂O灰分挥发份SM40M10CRICSR9～10^#0.7212.451.350.8488.795.1821.4667.94

表10入炉料烧结矿性能

步骤1：料面形状获取单元：借助于机械扫描雷达的应用，在每一批料装入高炉后，即用扫描雷达对料面进行测量，获取布料后的料面形状，根据焦炭、矿石的料面形状，在参考料面变形的情况下计算高炉炉顶的O/C比分布。

步骤2：料面O/C比分布计算单元：利用高炉实测数据修正矿石对焦炭层的冲击，计算出合适的料面O/C比分布，并将计算结果保存在数据库中。以O/C比替代料面形状用于布料调节，其核心在于调节气流，气流是由焦炭、矿石综合控制的，本发明将这种认识变成了现实。

3200m³高炉炉喉直径9m，以高炉中心为坐标原点，O/C比(矿焦比)沿高炉半径方向的典型分布如下表11所示。

表11典型布料的O/C比分布(每0.3米计算1个点)

步骤3：高炉上部调剂案例库构建单元：利用O/C比分布曲线、炉型温度及其变化、熔损反映消耗碳量、下料速度、炉料特性、高炉运行指标等参数构建案例，每变一次料构建一个案例，一个案例包括2个表格，一个表格保存上述O/C比计算结果(表12)，另一个表保存布料时的高炉状态数据(表13)，每15分钟记录一个，如果前后两个案例差别太小则不记录，案例库中只包括不同的案例，如下表12、13所示。

表12典型布料案例内容(O/C比分布)

TimeStampL0L0.3L0.6L0.9L1.2L1.5L1.8L2.1L2.4L2.7L3.0L3.3L3.6L3.9L4.2L4.52017-05-22:15:00000.10.20.61.92.84.35.05.66.05.34.53.63.02.8

对于特大型高炉来说，决定高炉顺行质量的是焦炭热强度、矿石软熔开始温度及软熔温度区间、焦炭入炉水份、矿石粉末含量等。

表13典型布料案例内容(高炉操作数据)

TimeStampCH2OCSRSinS_TSinD_TPeS_TPeD_TOreS_TOreD_TT_BOT_BeT_SLSLC2017-05-22:15:002.478.012309811501201090109507054109

其中：CH2O:焦炭中的水分，％；CSR:焦炭热强度；SinS_T:烧结矿软化开始温度，℃；SinD_T:烧结矿软化区间，℃；PeS_T:球团矿软化开始温度，℃；PeD_T:球团矿软化区间，℃；OreS_T:块矿软化开始温度，℃；OreD_T:块矿软化区间，℃；T_BO:炉腹冷却壁温度，℃；T_Be:炉腰冷却壁温度，℃；T_SL:炉身下部冷却壁温度，℃；SLC:熔损反映消耗碳量，kg/t。

步骤4：炉缸状况评估单元：以炉缸炉底电偶温度为控制标准，评判炉缸工作状况，确保高炉调剂在炉缸活跃的状况下进行，如果炉缸工作异常则首先处理炉缸，加快渣铁排放，更换死料柱。

3200m³高炉炉底第一层炭砖中心有一个温度监测点，该点温度的高低直接反应炉缸的工作状况，将该点数据每15分钟采集一个数据保存在数据库表Bo_T中，如下表14所示。

表14炉底电偶检测温度数据(Bo_T)

TimeStampT_ET_SET_ST_SWT_WT_NWT_NT_NET_C2017-05-22:15:00387407411411390398402400402

其中：T_E：中心以东测温点温度，℃；T_SE：中心东南测温点温度，℃；T_S：中心以南测温点温度，℃；T_SW：中心西南测温点温度，℃；T_W：中心以西测温点温度，℃；T_NW：中心西北测温点温度，℃；T_N：中心以北测温点温度，℃；T_NE：中心东北测温点温度，℃；T_C：中心测温点温度，℃；

如果T_C≤250℃，炉缸冻结；250≤T_C≤400℃，炉缸不活；400≤T_C≤460℃，炉缸工作正常；T_C≥480℃，炉缸冲刷严重，注意保护炉缸。

步骤5：渣铁排放评估单元：通过物料平衡计算炉缸渣铁残存量，如果残存量超过极限值，就要减风、降压，保护风口。

对于3200m³高炉而言，其管理的临界值如下表15、16所示。

表15临界铁量管理值(Lim_Fe)

Limt_F1Limt_F2Limt_F3W_Fe500700900

表16临界渣量管理值(Lim_Slag)

Limt_S1Limt_S2Limt_S3W_Slag80100130

其中：WFe：炉缸中残存的铁量，t；FeMarerial：单位时间内入炉炉料中含的铁量，t；FeTapping：单位时间内排出的铁量，t；WSlag：炉缸中残存的渣量，t；SlagMaterial：单位时间内入炉炉料中含的渣量，t；SlagTapping：单位时间内排出的渣量，t。

步骤6：风口进风面积及风速确定单元：以风口风速(v)、进风面积(S)为依据，构建炉缸工作参数管理表Bottom_Par，用于管理炉缸工作状态。

表17炉缸工作参数管理表(Bottom_Par)

TimeStampBV，m/sTS，m²2017-05-22:15:002560.4205

步骤7：高炉上、下部调剂案例库构建单元：

以O/C比分布曲线为核心，通过分析高炉各种状况下的实际操作数据，针对上下部需要联合调剂的炉况，总结各个炉况下下部调剂的参数控制范围，尤其是找出各种状况下的合适进风面积、风速和布料矩阵的合理搭配方法，构建上下部调剂案例库。炉况及调剂案例库如下表18所示。

每个成分构成一个管理区间，用现在的具体参数数据进行匹配判断即可。

表18炉况及调剂案例库

步骤8：炉况匹配单元：以案例库为依托，借助于案例匹配技术，确定是否需要进行上下部联合调剂，并确定引起问题的主要原因。如果目前高炉主要参数如下表19所示。

表19主要操作参数

参数数据TimeStampCSR；60，时间长达24小时2017-05-22:15:00CH2O；％；5.52017-05-22:15:00T_Be；℃；402017-05-22:15:00T_SL；℃；472017-05-22:15:00T_BO；℃；902017-05-22:15:00H2；％；4.882017-05-22:15:00SLC；kg/t；1182017-05-22:15:00STVT；MJ/h；1347002017-05-22:15:00Bur_V；料批/h；82017-05-22:15:00T_C；℃；4602017-05-22:15:00W_Fe；t；5052017-05-22:15:00W_Slag；t；1202017-05-22:15:00[Zn]；kg/t；0.5462017-05-22:15:00CO2；％；17.662017-05-22:15:00BV；m/s；2452017-05-22:15:00TS；m²；0.43502017-05-22:15:00DI；％762017-05-22:15:00

步骤9：炉况寻优单元：利用实际操作数据和表18中的状况进行匹配，可以发现在表19所示的炉况下，高炉漏水、炉墙粘结、煤气利用差、渣皮不稳定、炉内化学反应差、能量利用率低、Zn负荷高、烧结矿质量差，整个高炉岌岌可危，需要立即果断进行处理。

利用案例库中的有效案例，经过搜索、匹配，调用目前炉顶O/C比分布，和相近炉况下获得最佳煤气利用率时处理案例，参考其O/C比分布特征，确定布料及鼓风方案。

步骤10：炉况调剂单元：找到合适的处理方案后，进行炉况调节，布料PLC执行布料调剂，DCS系统执行鼓风参数调剂。再在此之上再做微观调整，可以形成新的案例。