張新天²

摘要：高爐冶煉在密閉環境中進行，反應過程復雜，且過程參數大多無法直接檢測或觀測。目前高爐操作者對冶煉周期的計算是在假定入爐料批體積相同的情況下粗略估算的，但是在實際生產中，入爐的每個料批不盡相同，這樣就使得估算的結果與爐內實際料批情況偏差較大。本文提出一種高爐爐料入爐監控跟蹤的方法，旨在減少現有粗略計算造成的偏差，為高爐操作提供穩定和可靠的指導依據。

關鍵詞：高爐；冶煉周期；爐身仿真；模型 

0  引言

爐身仿真模型即為高爐料批入爐后的監控方法，也稱作冶煉周期監測。在國外的高爐二級系統或專家系統中多次看到爐身仿真模型，國內這方面的研究較少。本文提出了一種對高爐入爐料批精確計算的方法，可準確判斷每批爐料位置及到達風口的時間，使高爐操作者可直觀、簡潔的掌握爐料在爐內的下行情況，為高爐規范化、準確性操作提供了穩定、可靠的指導依據。同時，系統界面友好，簡潔明了，實用性強。

1  系統設計及模型算法

1.1  系統架構

爐身仿真模型系統的設計以產品化為目標，可作為一個獨立的系統運行。系統通過服務器實現過程實績數據采集，從MES系統獲取模型計算需要的檢化驗信息，通過客戶端實現模型的展示和與操作人員的交互。系統設計架構圖如圖1所示。

1.2  模型算法

模型以基礎自動化過程實績數據采集為支撐，首先假定一個爐料入爐后的壓縮系數，在每批入爐料批布料結束并且探尺開始提尺時刻獲取實際料線并開始計算。在已知高爐爐型的基礎上，模型根據采集到的物料化驗信息計算出批料的焦比、堿度、批鐵量、批渣量等信息，結合入爐料批的實際重量和每種物料的堆密度計算出此料批的實際體積，再根據實際料線高度結合爐型利用卡丹公式反解出此料批的在爐內的下沿位置，并將此位置作為前批料的上沿位置，結合前批料的實際體積和爐型計算前批料的下沿位置。以此類推，可計算出爐身以上位置的所有料批的位置信息及指標信息等。料批下行速度的計算是根據最近入爐N（計算是根據現場情況取N=6）批料的總耗時計算出爐內料批的整體下行速度，再根據爐內某一料批和爐身下沿之間的料批數量計算此料批到達風口的時間。模型計算流程圖如圖2所示。

圖1  系統架構圖

模型在實際生產中，根據實際爐況數據，可通過自學習不斷更新修正壓縮系數，以得到與實際爐況相符合的仿真結果，但是該模型的計算不考慮噴入物。系統程序的計算流程為：

（1）采集入爐料批的重量信息，從MES系統獲取每種物料的化驗信息和堆密度信息，根據重量和密度計算出料批的體積。此體積是爐外常壓的體積，入爐后的體積計算要乘以假定的入爐壓縮率。

（2）實時采集料批入爐后的料線值，根據實際料線和入爐料批的體積，計算料批入爐后的下沿位置。在計算入爐料批下沿位置時，需結合實際的爐型分類計算。目前系統使用所在的高爐爐喉部分為圓柱，爐身部分為圓臺，計算時根據圓臺、圓柱的體積和上下面積計算其高度，相當于求解一元三次方程。一元三次方程的求解使用了卡當公式的結果。其中，料批落在爐身部分的體積計算為下式（1）

V₂=πH((r₂+H/tan(α))²+2(r₂+H/tan(α))r₂+r₂²)/3；   （1）

式中：V₂為爐身部分的體積，r₂為爐身上沿圓周的半徑，α為爐身夾角。利用卡丹公式可反解出高度的唯一實根為下式（2）

x₁=[-q/2+((q/2)^2+(p/3)^3)^(1/2)]^(1/3)+[-q/2-((q/2)^2+(p/3)^3)^(1/2)]^(1/3)； （2）

通過計算可以得到料批在爐身部分所占的高度H，則料批下沿的位置即為爐喉高度與H的和。料批上沿落在爐身、爐腰、爐腹部分的計算與落在爐喉部分的計算方法相似。并以此對入爐的料批進行計算，直至風口某料批的下沿大于風口料線。至此整個爐身仿真的計算結束。

入爐料批到達風口的時間根據入爐時間和爐料下降速度計算。爐料下降速度計算時，先根據最近六批料下降的總耗時，計算出單批料的下行速度，再根據高爐中需要計算的料批下方到風口的料批數據，計算此料批到達風口的時間。

1.3 系統設計實現

系統服務端程序和客戶端程序均使用Microsoft Visual Studio 2008平臺開發，開發語言使用C#，數據庫使用Oracle 10g，與MES的數據交互由Windows服務來實現。客戶端界面的刷新是在服務端完成一次計算后，由服務端向客戶端發布刷新命令。服務端與客戶端程序應用了Socket通訊。除了發布刷新命令外，服務器還會將一些分析結果、預警信息、操作意見等信息通過Socket通訊功能發布到各個客戶端程序，以便讓使用者更及時的獲得信息。

2  系統功能

2.1 爐身料批仿真

爐身仿真模型用戶界面用于顯示模型服務器上自動運行的爐身仿真計算結果，客戶端程序可展示爐身仿真結果和明細數據查詢。系統每次重新計算后，界面都會自動刷新。爐身仿真模型用戶界面使用高爐爐身的幾何學數據計算每次布料循環中各層爐料的高度，圖形簡潔明了，直觀形象，可多層次描述爐身處爐料的各類信息。

圖2 料批位置計算流程圖

圖3 模型運行效果

系統的運行結果和界面展示如圖3所示，爐身仿真數據詳細的記錄了每一批入爐數據的計量信息、化驗信息及指標信息。爐身仿真模型能實時跟蹤入爐后每一個料批的具體位置及到達風口的時間，將鼠標光標放在相應的料層上，畫面可顯示相應料批的理論鐵量、理論渣量、焦比等信息，如圖3所示。

2.2 指標及爐況監控

模型系統針對操作人員最關心的指標，按照從上往下的順序對爐內的料批的指標做了趨勢監控，操作人員可以通過曲線上方下拉菜單選擇相應指標曲線，包括料速、干焦比、煤比、焦丁比、燃料比、R2、R3、R4等，通過這些監控曲線操作人員可以很清楚的了解到爐況的變化趨勢，及時做出相應的調整。

圖4  指標數據

2.3 附加焦到風口提醒

系統對高爐因調劑爐況加入的附加焦炭有預警提示功能。當附加焦炭即將到達風口時系統會彈出提示框，并伴隨聲音報警功能提醒操作人員密切關注爐況變化。

重新啟動爐身仿真界面時，系統可自動裝載最新的在線數據，新數據完成計算后，系統會自動更新界面。界面除上述功能外，還支持查詢、導出等功能，用戶可選擇特定的條件查詢所需的特定數據用于分析，還可根據需要將數據導出保存?？蛻舳私缑婀δ軓姶螅僮骱唵?，實用性強。

3  運行效果

系統于2013年6月在永鋼某1080m³高爐上線使用，通過一段時間的調試后系統穩定運行。目前，系統可使高爐操作人員實時、直觀的掌握高爐爐內情況，減少了操作人員大量的手工運算，降低了勞動強度，提高了工作效率，規范了操作方式。經過長期的驗證，爐身仿真模型的模擬結果與實際爐況完全吻合，附加焦對爐溫的影響時間與模型提示時間完全一致。另外，模型系統在維護爐況順行、降低焦比等方面也發揮了重要作用，該高爐在模型系統使用后一年內的平均焦比降低了3kg/t。目前此模型系統已推廣至企業其它高爐，運行效果良好。并且隨著系統的深入使用和不斷推廣，爐身仿真模型將充分發揮對高爐生產的指導作用，改變現有的高爐操作習慣，為企業帶來可觀的效益，為保證高爐穩定順行，節支降本起到不可替代的作用。

4  結束語

本文提出并實踐了一種對高爐入爐料批精確計算的方法，通過計算，可準確的判斷每批爐料的實際位置及到達風口的時間。系統通過在高爐上的實際使用實踐，證明了系統計算的準確性和實用性，為使用單位帶來了可觀的經濟效益。

模型系統分別從硬件、網絡、軟件設計著手，都做到了精益求精，在滿足生產工藝過程控制要求的基礎上，系統穩定性、準確性、容錯性、擴展性、界面友好性等各方面均達到了國內領先水平，是國內先進的精品爐身仿真系統，值得大力推廣。                                                                       

參考文獻

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[4]  那樹人. 煉鐵計算辨析. 北京: 冶金工業出版社, 2010.