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第10卷增刊1 過 程 工 程 學 報 Vol.10 Suppl. No.1 2010 年 4月 The Chinese Journal of Process Engineering Apr. 2010

中國煉鐵高爐數(shù)學模型的研究與應用現(xiàn)狀

畢學工， 傅連春

1

1,2

， 熊 瑋， 金 焱

11

(1. 武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081；2. 武漢鋼鐵(集團)公司，湖北 武漢 430083)

摘 要：隨著生鐵產量的不斷提高和煉鐵科學技術的持續(xù)進步，，數(shù)學模型的重要性在中國逐漸得到了認可，研究開發(fā)了各種高爐數(shù)學模型，包括專家系統(tǒng)等在內的許多模型在高爐設計、生產管理和操作指導等方面得到了推廣應用. 本文扼要介紹了最受關注的那些傳統(tǒng)數(shù)學模型及專家系統(tǒng)的建模方法及應用狀況，主要涉及高爐爐頂布料、爐型維護、爐缸爐底侵蝕、煤粉噴吹、爐熱控制、爐況順行等，對熱風爐數(shù)學模型也做了簡單介紹. 最后討論了中國高爐數(shù)學模型未來可能的發(fā)展方向.

關鍵詞：高爐；數(shù)學模型；專家系統(tǒng)；開發(fā)方法

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A 文章編號：1009 606X(2010)S1 0277 06

1 中國煉鐵高爐數(shù)學模型的發(fā)展歷史

高爐煉鐵工藝是當今世界的主導煉鐵工藝，其效率的改善對當今世界普遍關注的資源和環(huán)境問題至關重要. 將傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝與新興的IT技術相結合，有助于充分發(fā)揮高爐的潛力. 高爐是一個密閉的逆流式熱交換豎爐，從控制論的角度看，具有以下一些特點：(1)過程的極端復雜性. 發(fā)生在高爐內部特別是高爐下部的各種物理化學現(xiàn)象及動力學特征，至今尚未得到完全和充分的認識. (2)檢測信息不完全. 具體表現(xiàn)在檢測項目少，且多局限于過程的邊界. 很多重要檢測數(shù)據(jù)的采樣頻度很低. (3)反應遲鈍，對控制動作的響應十分緩慢，時間常數(shù)很大. (4)可控范圍狹窄. 因此，既需要研究以深化認識高爐現(xiàn)象為目的的傳統(tǒng)數(shù)學模型，也需要研究以實時過程控制為目的的高爐專家系統(tǒng).

自1980年開始，近30年來中國的高爐煉鐵工作者對數(shù)學模型重要性的認識不斷加深，高爐數(shù)學模型的研究經歷了從無到有，從低級到高級，從局部到整個高爐過程，從實驗室研究到生產實時控制的不斷發(fā)展歷程. 楊永宜等[1]最早基于Ergun方程建立了研究風口回旋區(qū)和高爐下部的初始煤氣流分布的數(shù)學模型. 畢學工等[2,3]對復雜的高爐現(xiàn)象進行了簡化，開發(fā)了一維全高爐模型，并對風溫、噴煤時高爐爐況及指標的變化進行了數(shù)很好地總計了值計算研究. 90年代出版的幾本專著[4 6]，

當時中國高爐數(shù)學模型的發(fā)展狀況，并介紹了國外開發(fā)高爐數(shù)學模型的成功經驗.

儲滿生等[7]考慮高爐內氣、固、液、粉四相的對流運動建立的數(shù)學模型，在含碳爐料的制備與應用、爐頂煤氣循環(huán)新工藝的開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用. 為了提高

噴煤比和減少風口的磨損，對煤粉在直吹管和回旋區(qū)內的流動和燃燒現(xiàn)象進行了大量數(shù)學模型研究[8 11]. 爐缸工作狀況直接影響到一代爐齡，孫天亮等[12]建立了用于研究鐵液流動對爐底爐缸侵蝕影響的模型，程樹森等[13]開發(fā)了考慮到熔鐵凝固潛熱的瞬態(tài)爐缸爐底溫度場模型. 銅冷卻壁在中國的高爐上逐漸得到了推廣應用，為了優(yōu)化銅冷卻壁的設計，賀友多等[14 16]進行了深入的數(shù)學模型研究. 爐料分布的控制十分重要，建立了有鐘爐頂[17,18]和無鐘爐頂高爐的布料模型[19,20].

為了有效控制鐵水質量，研究開發(fā)了各種鐵水含硅量和溫度的預報模型[21 23]. 為了對高爐生產實現(xiàn)有效的短期控制，以武鋼為首，本鋼、湘鋼等先后與芬蘭Rautaruukki公司合作，攀鋼等與奧地利VAI公司合作開發(fā)了高爐專家系統(tǒng)[24 26]，并在此基礎上，根據(jù)中國高爐的原料條件和操作習慣，研究了具有中國特色的高爐專家系統(tǒng)并在實際生產中得到應用[27,28]. 為了提高熱風溫度和減少煤氣消耗量，還研究和建立了幾種用于設計和操作的熱風爐數(shù)學模型[29 31].

本文簡要介紹了中國高爐數(shù)學模型的基本情況和特點，并對未來的發(fā)展方向進行了討論.

2 中國煉鐵高爐數(shù)學模型的研究與應

用現(xiàn)狀

2.1 煤粉燃燒與風口回旋區(qū)數(shù)學模型

采用擬流體模鄂加強等[32]針對斜孔多股流噴煤槍，

型，把氣相的空氣、粒相的粉煤顆粒都視為連續(xù)介質，并考慮氣 粒兩相體系的質量守恒定律、動量守恒定律以及氣 粒兩相組分平衡，在Euler坐標系中導出氣 粒兩相湍流流動特性的基本守恒方程，建立高爐煤粉噴吹

收稿日期：2009 08 21，修回日期：2009 11 21

作者簡介：畢學工(1945 )，男，河南省潢川市人，博士，教授，主要研究方向為冶金工藝等，E-mail: xuegong@

  本文關鍵詞：中國煉鐵高爐數(shù)學模型的研究與應用現(xiàn)狀，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。