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控制理論應(yīng)用

無(wú)料鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型研究
經(jīng)文波 ,陳小雷
( 南昌鋼鐵有限責(zé)任公司 技術(shù)中心 ,江西 南昌 330012) [ 摘 　 ]通過(guò)分析和考慮無(wú)料鐘高爐布料的影響因素和特點(diǎn) ,結(jié)合前人的研究成果和計(jì)算機(jī)技術(shù) ,建立了無(wú)料 要

鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型 。該模型已在南鋼 1 號(hào)高爐上應(yīng)用 ,操作者運(yùn)用它可定性和定

量了解 、 分析和控制爐料在 高爐爐內(nèi)的初始分布 ,有針對(duì)性地運(yùn)用上部調(diào)劑手段解決生產(chǎn)中遇到的難題 ,實(shí)際運(yùn)行效果良好 。
[ 關(guān)鍵詞 ] 無(wú)料鐘 ; 高爐 ; 布料 ; 數(shù)學(xué)模型 [ 中圖分類(lèi)號(hào) ]TF32516 　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ]A 　[ 文章編號(hào) ]100027059 (2003) 0120029203 [ Key words :bell2less ;blast furnace ;distribution ;mathematical model J ING Wen2bo ,CHEN Xiao2lei

　　 無(wú)料鐘高爐爐內(nèi)爐料初始分布對(duì)高爐順行和 長(zhǎng)壽有很大的作用 ,但由于其布料影響因素較多 , 前人研究的無(wú)料鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型還不完善 , 沒(méi)得到良好實(shí)用 。本研究從實(shí)用角度綜合考慮了 無(wú)料鐘高爐布料的影響因素和特點(diǎn) , 建立了無(wú)料 鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型 , 并將其應(yīng)用到南昌鋼鐵有 限責(zé)任公司 1 號(hào)高爐 ( 有效容積 350 m3 ,采用國(guó)產(chǎn) 無(wú)料鐘) 上 ,取得了良好的效果 。

1　 無(wú)料鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型建立
1. 1 　 影響無(wú)料鐘高爐布料的因素

前人考慮無(wú)料鐘高爐布料受到以下因素影 響 : ( 1) 爐料在溜槽上受溜槽旋轉(zhuǎn)離心力作用的變 加速滑落運(yùn)動(dòng) ; ( 2) 爐料在爐喉空區(qū)中受煤氣阻力 作用 ; ( 3) 爐料受爐料堆角規(guī)律的作用等 。而實(shí)際 無(wú)料鐘高爐布料還受到以下因素影響 : ( 1) 爐料在 溜槽上運(yùn)動(dòng)距離隨溜槽傾角變化而變化 ; ( 2) 高爐 爐喉內(nèi)煤氣特性 ; ( 3 ) 料尺在爐喉半徑方向上位
[ 收稿日期 ]2002 203 205 ; [ 修改稿收到日期 ]2002 210 208

冶金自動(dòng)化 　 2003 年第 1 期

[ 作者簡(jiǎn)介 ]經(jīng)文波 (1963 2) , 男 , 河南新鄉(xiāng)人 , 高級(jí)工程師 , 博士后 , 主要從事高爐煉鐵數(shù)學(xué)模型技術(shù)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)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) 高爐上部具體裝料制度 。 1. 2 　 高爐爐喉內(nèi)布料特點(diǎn) 研究表明 , 高爐爐喉內(nèi)布料有如下特點(diǎn) : ( 1 ) 布料過(guò)程中堆尖位置在料流落點(diǎn)軌跡上 , 而堆尖 位置不一定是料線(xiàn)位置 ; ( 2) 爐料在爐喉下降為活 塞流 ,因受熱產(chǎn)生的膨脹可忽略 ; ( 3 ) 爐料以高爐 中心為軸 , 呈軸對(duì)稱(chēng)層狀分布 ; ( 4 ) 礦石與焦炭無(wú) 混合現(xiàn)象 [1 ] , 料層分界面為一平滑的錐面 ; ( 5 ) 正 常生產(chǎn)時(shí)初始爐料堆尖處在爐料與爐喉爐墻碰撞 點(diǎn)以上區(qū)域 。本模型研究綜合考慮到了以上全部

影響因素和特點(diǎn) 。 1. 3 　 數(shù)學(xué)模型 爐料 i ( i = 礦或焦) 在溜槽第 j 環(huán)位上運(yùn)動(dòng)及 在爐內(nèi)初始分布圖如圖 1 示意 。 ( 1 ) 爐料 i 通過(guò)中心喉管運(yùn)動(dòng)與溜槽碰撞時(shí) 速度為 [ 2 ] vi = 0135
312 g ( D H - D i ) / 4

?29 ?

控制理論應(yīng)用
0 tgβ = tgβi - k 2 h ij / R ij ij

β ) 式中 　 0i 為自然堆角 , (° ; k 2 為修正系數(shù) ; R ij 為 爐料 i 在第 j 環(huán)的外環(huán)半徑 , m 。 圖 1 中 E 、 、 ( G) 交點(diǎn)位置可通過(guò)計(jì)算確定。 F H ( 5) 爐料在爐喉內(nèi)分布計(jì)算 推理得出每批爐料在爐喉內(nèi)的料層厚度為 2 h = V Z/ (π ) R 式中 　V Z 為一批料體積 ,m3 。 爐料 i 在第 j 環(huán)位布料后 , 相應(yīng)圖 1 中 EFGH 截面所圍成的封閉體積為 V ij = nijV i / N i 式中 　nij為爐料 i 第 j 環(huán)布料圈數(shù) ; V i 為爐料 i 一 批料體積 , m3 ; N i 為爐料 i 布料圈數(shù) 。
圖1　 爐料在溜槽上運(yùn)動(dòng)及在爐內(nèi)初始分布圖
hi — 爐料 i 料線(xiàn) , m ; R — 爐喉半徑 ,m ; R0 — 料尺與高爐中心間距 ,m

式中 　D H 為無(wú)料鐘中心喉管直徑 ,m ; Di 為單塊 爐料 i 直徑 , m ; g 為重力加速度 ,m/ s2 。 ( 2) 爐料 i 離開(kāi)溜槽時(shí)速度 經(jīng)分析推導(dǎo) ,爐料 i 在溜槽上運(yùn)動(dòng)距離為 L ij = L 0 - b - c? α ctg ij 式中 　L 0 為溜槽全長(zhǎng) ,m ; b 、 為溜槽定位尺寸 , c ) m ;α 為爐料 i 在第 j 環(huán)位溜槽傾角 , (° 。 ij 分析導(dǎo)出其離開(kāi)溜槽速度為
vij =

由 V ij 反解 hij , 通過(guò)對(duì) hij 采用超松弛數(shù)值迭 代 , 定量解出爐料在爐喉內(nèi)的層狀分布 。 由以上計(jì)算公式和原理建立無(wú)料鐘高爐布料 數(shù)學(xué)模型 ,計(jì)算機(jī)編程采用 VB 語(yǔ)言 。

2　 無(wú)料鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型應(yīng)用
2. 1 　 系統(tǒng)組成

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 為爐料 i 與溜槽間摩擦系數(shù) ; ω 為溜槽 轉(zhuǎn)速 , rad/ s 。 ( 3) 爐料 i 在爐喉空區(qū)中運(yùn)動(dòng) 爐料 i 在爐喉空區(qū)中按料線(xiàn) hi 開(kāi)始下料 , 最 終下落高度 hij , 將 hij 等分為 n 份微元空間 ( n → ) ∞ , 其間單塊爐料 i 在下落各方向上加速度近似 恒定 , 則其在 K 方向受煤氣流阻力為 [ 3 ] m FKijf = 015 k1 S iρ v Kijf 2 　( f = 1 , 2 , …, n) m 式中 　k1 為阻力系數(shù) ; S i 為單塊爐料 i 最大斷面 積 , m2 ;ρ 為爐喉內(nèi)煤氣實(shí)際密度 , kg/ m3 ; v Kijf 為單 m 塊爐料 i 在爐喉內(nèi) K 方向上相對(duì)于煤氣的速度 , m/ s 。 根據(jù)牛頓第三定律 、 運(yùn)動(dòng)方程和爐料 i 下落
m

時(shí)間累計(jì)解得爐料 i 第 j 環(huán)堆尖與中心間距 rij 。 ( 4) 爐料堆角計(jì)算 由于同種爐料在爐中堆尖內(nèi)外堆角相差不 大 , 因此可近似認(rèn)為相等 , 其堆角 β 滿(mǎn)足公式 [ 2 ] : ij ?30 ?

該模型在南鋼 1 號(hào)高爐應(yīng)用。1 號(hào)高爐原網(wǎng) 絡(luò)系統(tǒng)為工業(yè)控制對(duì)等網(wǎng) ,系統(tǒng)硬件環(huán)境中安裝 7 臺(tái)有 3com905c 型 網(wǎng) 卡 的 DELL 機(jī) 和 4 套 Quan2 tumPLC 。針對(duì)該模型 , 在高爐網(wǎng)絡(luò)內(nèi)插入配置計(jì) 算機(jī)主機(jī) 1 臺(tái) ( PIII733/ 128 MB/ 20 G 1144 MB/ B/ 50X) ,顯示器 1 臺(tái) 。相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信線(xiàn)路如圖 2 所示 。通過(guò) DDE 形式讀取高爐操作局網(wǎng)中的數(shù)據(jù) 供給該模型應(yīng)用 , 其模型的主要人機(jī)交流界面見(jiàn) 圖 3。
圖 2 　 號(hào)高爐系統(tǒng)組成基本結(jié)構(gòu)圖 1

2. 2 　 應(yīng)用效果

用該模型按實(shí)際條件計(jì)算的料面和休風(fēng)后檢 查的料面基本一致 。變動(dòng) 1 號(hào)高爐上部主要調(diào)節(jié) 因素值輸入到該模型中計(jì)算 , 其結(jié)果如表 1 所示 。
Metallurgical Industry Automation 2003 No 1

無(wú)料鐘高爐布料數(shù)學(xué)模型研究

從中可知 : 降低礦石料線(xiàn) 、 提高焦炭料線(xiàn) 、 增加礦 批重 、 減少焦炭負(fù)荷 、 增加礦石布料溜槽傾角 (α ) 礦 和減少焦炭布料溜槽傾角 (α ) 均有利于加重邊 焦 緣、 減輕中心 ,這些規(guī)律同實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一致 。

利用該模型可計(jì)算確定爐料沿爐喉半徑方向 上的礦焦堆尖位置 、 任意點(diǎn)的礦焦厚度比值和風(fēng) 口中心線(xiàn)以上料柱平均高度等控制參數(shù)值 。 同以

圖3　 主要人機(jī)交流界面 表1　 南鋼 1 號(hào)高爐布料計(jì)算結(jié)果
礦料線(xiàn) 焦料線(xiàn)
/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

礦石 批重
/ kg 12 000 12 000 12 000 12 000 10 000 12 000 12 000 12 000 12 000

焦炭 負(fù)荷 / t ?- 1 t
3. 800 3. 800 3. 800 3. 800 3. 800 4. 000 3. 800 3. 800 3. 800

α 礦 /°

一批料 礦尖 焦尖 邊緣 中心 邊緣與中 礦料柱 焦料柱 平均料 α 焦 在爐喉 距中心 距中心 礦焦厚 礦焦厚 心礦焦厚 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 ,不僅可以定性而且可以定量地顯示爐料 在爐內(nèi)的初始分布 , 便于指導(dǎo)操作者真正研究了 解清楚無(wú)料鐘高爐布料規(guī)律 , 從而根據(jù)生產(chǎn)效果 正確分析和控制布料 ,防止操作控制反向 。 自 2000 年 7 月起 , 用該模型在南鋼 1 號(hào)高爐 離線(xiàn)指導(dǎo)生產(chǎn) ,相繼解決了該高爐 2000 年 5～7 月
冶金自動(dòng)化 　 2003 年第 1 期

的爐缸中心堆積 [4 ] 和 2001 年 1～2 月的爐身下部 爐墻結(jié)厚 [5 ] 等重大技術(shù)難題 , 取得了顯著實(shí)效 。 2001 年 9 月該模型正式在南鋼 1 號(hào)高爐在線(xiàn)應(yīng) 用 ,為同年該高爐指標(biāo)上臺(tái)階奠定了理論基礎(chǔ) 。 目前該模型實(shí)際運(yùn)行效果良好 。
( 下轉(zhuǎn)第 38 頁(yè))

?31 ?

圖形組態(tài)軟件中的遞歸式回路識(shí)別方法

值將永遠(yuǎn)被認(rèn)為是新值 。TC125 的 Check Run ( ) 繼續(xù)檢查其它輸入?yún)?shù) , 檢查到輸入?yún)?shù) BIV 時(shí) , 搜索到 FC126 的 BOV , 這是一條反向連線(xiàn) 。Check Run ( ) 對(duì) BOV 的處理是直接使用 n - 1 時(shí)刻的 值 。返回后 TC125 的輸入?yún)?shù) BIV 的同步時(shí)鐘值 被置為當(dāng)前系統(tǒng)同步時(shí)鐘值 。 ⑦ TC125 的 Check Run ( ) 檢查完所有輸入?yún)?數(shù)對(duì)象的同步時(shí)鐘值 , 保證都與當(dāng)前系統(tǒng)同步時(shí) 鐘值一致 , 然后運(yùn)行 TC125 模塊 , 使其輸出參數(shù) OV 獲得新值 , 并將該 OV 賦給 FC126 的輸入?yún)?shù) SV ,返回 FC126 的 Check Run ( ) 。FC126 的 Check Run ( ) 按照上述的方法完成輸入?yún)?shù)檢查 , 運(yùn)行
FC126 模塊并獲得新的 OV 值 , 再將 該 OV 賦 給 FV126 的 輸 入 參 數(shù) IV , 并 返 回 FV126 的 Check Run ( ) 。FV126 的 Check Run ( ) 執(zhí)行完后 , 整個(gè)

并返回 → TC125. BIV →FC126. BOV ( 直接用上一時(shí) 刻的 值 ) →運(yùn) 行 TC125 并 返 回 →FC126. BIV → FV126. BOV ( 直接用上一時(shí)刻的值 ) → 運(yùn)行 FC126 并返回 → 運(yùn)行 FV126 并返回結(jié)束 。

4　 結(jié)束語(yǔ)
遞歸式回路識(shí)別法是在回路識(shí)別的同時(shí)完成 了回路中功能模塊的執(zhí)行 , 與一般的功能塊編號(hào) 法及位置法比較 , 既可簡(jiǎn)化組態(tài) , 又正確執(zhí)行 , 還 可以在線(xiàn)修改回路或組態(tài) 。遞歸式回路識(shí)別法用 Visual C + + 語(yǔ)言開(kāi)發(fā) , 與其相關(guān)的軟件限于篇幅 不再介紹 。該圖形組態(tài)軟件基于工業(yè) PC 機(jī)的硬 件和軟件平臺(tái) , 用于中小型鍋爐和加熱爐的計(jì)算 機(jī)控制 ,少占資源 ,使用簡(jiǎn)便 ,投資少 ,見(jiàn)效快 。
[參 　 　 　 ] 考 文 獻(xiàn)
[1 ] 王錦標(biāo) ,方崇智 . 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制 [ M] . 北京 : 清華大學(xué)出版 [ 2 ] 馬國(guó)華 . 監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用 [ M] . 北京 : 清華大學(xué)出版社 , 2001. 17219. 200. 3402346.

控制回路識(shí)別和執(zhí)行過(guò)程結(jié)束 。 總結(jié)上述串級(jí)控制回路的識(shí)別和執(zhí)行順序 為 :FV126. OV → FV126. IV →FC126. OV →FC126. PV → FT126. PV →運(yùn)行 FT126 并返回 →FC126. SV → TC125. OV →TC125. PV →TT125. PV →運(yùn)行 TT125

( 上接第 31 頁(yè))

3　 結(jié)論
根據(jù)爐料及其運(yùn)動(dòng)特性和高爐具體條件等 , 利用微元積分和數(shù)值迭代計(jì)算原理建立爐料堆尖 在爐料同爐喉碰撞點(diǎn)以上位置的無(wú)料鐘高爐布料 數(shù)學(xué)模型 。該模型在南鋼 1 號(hào)高爐上已應(yīng)用 , 操 作者運(yùn)用它可定性定量了解 、 分析和控制爐料在 高爐爐喉內(nèi)的初始分布 , 有針對(duì)性地運(yùn)用上部調(diào) 劑手段解決了生產(chǎn)中遇到的難題 。

( 上接第 34 頁(yè))

二冷動(dòng)態(tài)過(guò)程分析軟件通過(guò)仿真可以計(jì)算鑄 坯在生產(chǎn)過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布和鑄坯在各個(gè)位置 的應(yīng)力應(yīng)變分布 , 由連鑄技術(shù)人員結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn) 和冶金準(zhǔn)則對(duì)水表性能進(jìn)行工藝評(píng)價(jià) , 并對(duì)水表 修正和改進(jìn)提出意見(jiàn) 。同時(shí) , 該軟件可以為連鑄 工藝人員和質(zhì)量研究人員提供定量數(shù)據(jù)用于工藝 優(yōu)化和質(zhì)量研究 。目前該軟件已經(jīng)在寶鋼連鑄板 坯內(nèi)部質(zhì)量研究和浦鋼電爐連鑄水表優(yōu)化研究中 得到了應(yīng)用 ,受到現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的歡迎 。

?38 ?

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[ 編輯 : 沈黎穎 ]

[參 　 　 　 ] 考 文 獻(xiàn)

[參 　 　 　 ] 考 文 獻(xiàn)

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[ 編輯 : 初秀蘭 ]

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