第七章高炉过程数学模型概述资料

一、问题的重述高炉炼铁是现代钢铁生产的重要环节，且是个复杂的高温物理化学过程，精确掌握炉内的温度分布上不可能，所以一般要通过预报高炉炉温(铁水硅含量)来间接地反映炉内的温度变化，判断高炉炉缸热状态，并以此来调控高炉行程、能量消耗及生铁质量。

事实上，影响铁水硅含量（即炉温）的因素很多，大体上分为两大类：状态参数和控制参数。

状态参数包括料速、透气性指数、风口状况、铁水与炉渣成分等；控制参数包括入炉原料的性质(成分、比重、配料比等)、装料方式、风量、风温、富氧量等，各个因素之间也存在交互影响。

其中几个重要的影响参数为：（1）料速是判断高炉炉况的一个重要参数；（2）透气性指数是判断炉温与炉况顺行的一个重要参数；（3）铁量差指的是理论出铁量与实际出铁量之差；（4）风温对高炉冶炼过程的影响，主要是直接影响到炉缸温度，并间接的影响高炉高度方向上温度分布的变化，以及影响到炉顶温度水平；（5）风量引起的炉料下降速度和初渣中FeO的含量的增减，以及煤气流分布的变化，都会影响到煤气能的利用程度和炉况顺行情况。

现在要求我们根据表中给出的近期某高炉的生产数据，试建立铁水硅含量与各影响参数的数学预测模型。

二、问题的分析高炉铁水硅含量的高低反映了高炉冶炼过程的热状态及燃烧比。

维持稳定且较低的铁水硅含量是炉况稳定并产生较低燃烧比的直接保证。

对于本问题中铁水硅含量的预报有很多方法，如传统的ARMA模型，但是由于高炉生产过程的复杂性，尤其在不断提高喷煤量之后，炉况的波动更加剧烈和复杂，采用ARMA模型已经很难准确的描述铁水硅含量的预测模型。

然而最近提出的神经网络模型能够以实验数据为基础，经过有限次迭代，就可以获得一个反映实验数据内在规律性的参数组，尤其是对于参数众多的，规律性不明显的生产过程能发挥其独特性，此方法正好解决本文中参数众多且无规律的问题，所以本文采用神经网络的方法对铁水硅含量进行预报。

为了使得我们建立的BP神经网络模型更具有说服力，同时建立了一个多元线性回归模型与之进行对比。

高炉一般计算第一篇：高炉一般计算工作总结在繁忙的工作中不知不觉又迎来了新的季度，回顾前几个月的工作历程，在部门领导和同事们的关心与帮助下圆满的完成了生产任务，并在前辈师傅的授受中努力提高高炉冶炼理论知识，学习他们在工作中积累的丰富经验，为了更好地做好以后的工作，现将上季度学到的专业知识做如下总结：冶炼周期可以估计改变装料制度（如变料等）后渣铁成分、温度、流动性等发生变化的时间，从而及时注意观察、分析判断、掌握炉况变化动向；当高炉计划休风或停炉时，根据冶炼周期可以推测休风料到达时间，以便掌握休风或停炉的时机。

（1）用时间表示：t=24V有PV'(1-C)P=V有hη有t＝24hη有V'(1-C)式中t——冶炼周期，h；V有——高炉有效容积，m3；P——高炉日产量，t／d；V’——1t铁的炉料体积，m3/t；C——炉料在炉内的压缩系数，大中型高炉C≈12％，小高炉C≈10％。

（2）用料批表示：生产中常采用由料线平面到达风口平面时的下料批数，作为冶炼周期的表达方法。

如果知道这一料批数，又知每小时下料的批数，同样可求出下料所需的时间。

VN=批（V矿+V焦）(1-C）式中N批——由料线平面到风口平面曲的炉料批数；V——风口以上的工作容积，m3；V矿——每批料中矿石料的体积（包括熔剂的），m3； V焦——每批料中焦炭的体积，m3。

通常矿石的堆积密度取2.0～2.2t/m3，烧结矿为1.6t/m3，焦炭为0.55t/m3，冶炼周期是评价冶炼强化程度的指标之一。

冶炼周期越短，利用系数越高，意味着生产越强化。

风口以上高炉工作容积的计算公式：V=V效—n/4（D²*H+d²*h）式中 V效——高炉有效容积，m³；D——炉缸直径，m H——铁口中心线至风口中心线的距离，m d——炉喉直径mh——高炉料线，m 理论出铁量的计算通过计算出铁量，可以检查放铁的好坏和铁损的情况，如发现差距较大时，应及时找出产生原因，尽快解决P理论出铁量=G矿石消耗量×Fe矿石品位×0.997／0.945 理论出渣量的计算渣量批=QcaO批//CaO渣安全容铁量计算安全容铁量=0.6×ρ铁×1/4πd2h h取低渣口中心线到铁口中线间距离，m ρ铁——铁水密度，7t／m3； d——炉缸直径，m 全焦冶炼实际入炉风量计算VB =0.933C焦×CΦ×K×P／﹙0.21＋0.29f﹚×1440 式中VB——入炉实际风量，m³/min0.933——1kgC燃烧需要的氧量，m³/kg（0.21＋0.29f﹚——湿空气含氧量，其中f为鼓风量湿分，%C焦——综合燃料含碳量，%CΦ——风口前燃烧的碳量占入炉量的比率，一般去65-75%，中小高炉取较小值K——综合燃料比，kg/tP——昼夜产铁量，t 根据碳平衡计算入炉风量（V风，m3）（1）风口前燃烧的碳量（C风，kg）：由碳平衡得：C风＝C焦＋C煤＋C料＋C碎－C铁－C尘－C甲烷－Cd1224126012Fe还⋅rd+Si铁+Mn铁+P铁+bCO2⋅CO2熔5628556244bCO2——熔剂中CO2被还原的系数，本例为0.4。

采用数学模型计算高炉炉缸侵蚀状况（韩）Jin-su Jung 等摘要：为了评估炉缸的侵蚀状况，特别是炉缸角部的侵蚀状况，开发了一种数学模型。

该模型考虑了热流路径和热流面积的影响。

计算结果：光阳1号高炉炉缸的侵蚀面呈象脚型，出铁口和炉缸的边角部侵蚀严重。

由于碳砖的低导热性，使炉缸侧壁热负荷比其它区域高，所以此区域的侵蚀程度大。

在炉役初期，侵蚀较为剧烈，但7年后一直保持稳定状态。

另外，用红外线照相法进行了炉缸周围区域的热分析，用这种方法同时测量大面积的热区域很有效。

虽然局部的热区域并没有找到，但测量的结果与热电偶测量的趋势一致。

关键词：高炉炉缸数学模型侵蚀1.前言高炉炉缸状况是决定高炉寿命的主要因素之一。

连续监视高炉炉缸状况对于确定高炉大修时间和炉缸耐材的保护有重要意义。

炉缸耐材的残余厚度是通过分析耐材温度得来的，而这些温度又是由安装在炉缸耐材上的热电偶测得的。

为了更好地了解炉缸侧壁的侵蚀状况，已经开发了一些传热模型，比如有限元法和边界元法等。

本文介绍了一种使用热流路径方法的特殊模型，可以计算侵蚀线和高炉炉缸的凝固层。

另外，还介绍了可用红外线照相法,对炉壳进行温度分析的方法。

2.考虑了热流路径的数学模型2.1用来计算的基本概念在高炉炉缸，铁水侵蚀炉缸砖衬，当铁水的热流与冷却水带走的热流相平衡时，这种侵蚀才停止。

因为熔融铁水的凝固点大约在1150℃，在此热平衡下，计算出1150℃等温线的位置，定义为铁水可以侵入的最初厚度。

模型主要目的是计算残余的耐火砖厚度。

一维传热方程做为计算的控制方程。

高炉炉缸是轴对称图形，炉缸的一半如图1所示。

用来计算的材料的物理特性如表1所示。

边界条件如下：=6000W/m2K）1)炉壳用25℃的水喷水冷却；（hw2)炉缸底部用25℃的水冷却；（h=30W/m2K）w3)热面假设为1150℃。

表1 材料的物理性质符号说明值h b（W/m2K）冷却水的导热系数30h w（W/m2K）喷水的导热系数6000k1（W/mK）莫来石的传热系数2k2（W/mK）碳砖的传热系数10k3（W/mK）石墨的传热系数18k4（W/mK）捣打料的传热系数6k5（W/mK）炉壳的传热系数40k s（W/mK）凝固层的传热系数22.2计算过程图2是计算耐火砖厚度的过程。

第一章绪论1.1 高炉过程控制的基本概念高炉过程控制就是高炉操作者根据从仪表上获取的检测数据，对高炉运行状况进行判断与预测。

高炉控制的目标是要及时发现并调整不稳定的炉况，生产出合格生铁，同时要注意降低燃料消耗和高炉长寿的问题。

1.2 高炉过程控制的发展概况高炉冶炼过程控制模型可以归纳为三种类型：1)高炉冶炼过程数学模型2)高炉冶炼过程优化模型3)高炉冶炼过程专家系统1.3 高炉过程控制的发展趋势实现高炉炼铁过程的闭环自动化。

结论：高炉冶炼过程控制模型以现代炼铁理论、自动控制理论和计算机技术为基础，由低级向高级发展，正在日臻完善，而且逐步形成了自己的一套比较系统的理论，并在生产中得到日益广泛的应用。

第二章高炉过程控制系统的构成2.1 高炉生产的特点1）过程复杂。

高炉冶炼过程为非均相、非线性、非稳态连续的物理和化学变化过程。

高炉内各种物理化学现象及其影响因素之间相互作用、相互影响，表现出很强的分布特性和耗散系统特征。

另外，高炉冶炼过程与外部环境之间的关系复杂。

冶炼过程涉及的物料流量大，相关处理设备繁多，前后工序的连贯性强，外部环境发生的变化都将对冶炼过程产生重要影响。

2）检测信息不完全。

高炉冶炼过程是在密闭状态下进行，内部情况大多无法直接观测，炉内高温、多相、含尘和机械冲刷等特点给过程变量的检测带来极大困难，一些用于建模和控制所需要的重要参数和变量目前还难以测得，一些测得的信息也含有较大噪声。

具体表现在检测项目少，且多局限于过程的边界（炉顶、渣铁、风口、炉身静压力等），很多重要检测数据的采样频度低。

3）反应迟钝。

即对控制动作的响应十分缓慢，时间常数很大，各个操作参数对过程的作用具有很大的滞后期，如：各操作变量对控制目标之一的[Si]的动态变化响应的延迟时间约为3-7小时。

4）可控范围狭窄。

一方面，铁水质量必须满足用户的要求，这使得高炉的各种控制参数可调范围相对较小；另一方面，炉况必须早调、小调，才不致于发生过大的波动，否则炉况将急剧恶化而导致失控。

基于反应动力学的全高炉数学模型概述储满生(东北大学)摘要　高炉是一个气固向流的复杂冶金反应器。

为了更好地理解、控制和改进高炉炼铁过程,更多的努力被用于开发高炉数学模型,特别是基于反应动力学理论而开发的反应动力学模型。

本文简述了全高炉反应动力学模型的发展历程,介绍了该类模型的代表-基于多流体理论、反应动力学、冶金传输理论而创建的多流体高炉数学模型,并对全高炉数学模型的未来发展做出了若干展望。

关键词　高炉　数学模型　炼铁　计算流体力学REV I E W S O N TO TAL BLAST FURNACE M ATHEM AT ICALMOD EL BASE D O N REACT IO N-K I NET ICSChu Mansheng(Northeastern University)ABSTRACT　B last furnace is a comp lex metallurgical react or with gas-s olid counter-fl ow.I n order t o understand, contr ol and i m p r ove the blast furnace p r ocess,more eff orts are made t o devel op mathe maticalmodels,es pecially ones based on the theories of reacti on-kinetics.A t first,hist oric revie ws on t otal blast furnace model of reacti on-kinetics are made in the paper.Then,multi-fluid blast furnace is intr oduced as one of the latest reacti on-kinetics models.Multi-fluid model is devel oped on basis of multi-fluid theory,kinetics,trans port phenomena theory and computati onal fluid dyna m2 ics.Finally,s ome pers pectives are made f or the future devel op ing trends of t otal blast furnace models.KE Y WO RD S　blast furnace　mathe matical model　ir on making　computati onal fluid dyna m ics0　前言在高炉操作过程中,由炉顶加入炉料,从炉缸渣铁口排放渣铁;而从风口鼓入热风和喷吹煤粉,产生的煤气从炉顶逸出。

0 引言在矿料下降的过程中，铁水和炉渣逐渐形成，从而发生固态和液态之高炉是一种多相态物质相互作用的化学反应容器，它被称为化工领域间的传热。

固态-液态之间的热传递系数通过下面的公式计算，它适用于最复杂的冶金反应器之一[1]。

为了更好地控制和改进高炉的生产过程，建立高炉的数学模型是非常必要的。

随着计算机技术的发展，更大的矩阵得以解决，模型的控制方程可以采用偏微分方程来描述，大量实用的高炉模型被开发[2]。

其中，基于计算流体力学的高炉数学模型能够详细分析通过上述一系列公式，可建立高炉内相态之间的基本传热数学描述气炉内状态并且精确预测高炉的操作性能，得到了更广泛的发展，成为目前态和固态间的动量传递可通过Ergun 公式[8]导出：国内外研究和应用的热点[3]。

为了准确地仿真高炉内部状态，本文对炉内相态间的动量、质量传输现象进行了数学描述[4]，建立了化学反应模型和高炉整体二维动态模 1.3 化学反应的描述型。

确立了数学模型的数值求解方法，完成了对高炉动态过程的仿真，仿高炉的实质是一种化学反应容器，最核心的内容就是化学反应的发真结果较好地反应了实际工况，为高炉自动化的实现打下基础。

生。

高炉内的主要化学反应可以归为三类：还原反应，碳的气化反应和水1 高炉数学模型煤气变换反应。

其中铁矿石内氧化铁的还原反应是最重要的化学反应。

为高炉过程和其他现象一样都必须遵循自然规律（质量守恒定律、动量了研究铁矿石的还原机理，我们采用三界面未反应核模型理论。

此理论认守恒定律和能量守恒定律），可以用流体力学和传热学的基本方程来描述为还原反应只发生在界面上，随着反应的一步步深入，未反应部分向中心[5]。

方向收缩，最后形成一个未反应的核心[9]。

由于氧化铁分级反应的特1.1 基本方程点，在一个矿球反应到一定程度的时候，就会形成明显的三界面，四层，模型的控制方程就是流体流动的质量、动量和能量守恒方程，采用一由外向内分别是：Fe-FeO-Fe3O4-Fe2O3。

现代高炉炼铁综合计算与工艺参数计算实用手册一、引言在现代工业领域，炼铁是一个重要的环节，而高炉作为炼铁的主要设备，其计算和工艺参数的合理性对于炼铁生产的效率和质量有着重要的影响。

掌握现代高炉炼铁综合计算与工艺参数计算实用手册是至关重要的。

本文将从深度和广度两个方面对现代高炉炼铁的综合计算和工艺参数计算进行全面评估，并撰写一篇有价值的文章，以帮助读者更好地了解这一主题。

二、现代高炉炼铁综合计算1. 炼铁原理和过程炼铁是通过高温熔炼铁矿石，将铁从矿石中提取出来的过程。

这一过程中，高炉是最常用的设备之一，它通过冶炼铁矿石和燃料，以及氧气等辅助剂，将铁矿石还原成金属铁。

在现代高炉炼铁综合计算中，需对原料成分、冶炼过程中的各种反应和物质平衡等进行深入细致的计算，才能保证炼铁过程的稳定和高效。

2. 炉内分析与数学模型通过对高炉内的各种反应、传热和传质等过程进行数学建模和计算分析，可以帮助工程师们更好地了解高炉内的炼铁过程。

炉内分析和数学模型的建立需要有深厚的数理基础和丰富的实践经验，是现代高炉炼铁综合计算的重要组成部分。

3. 生产参数与优化在炼铁生产中，各项工艺参数的合理选择和优化对于炼铁生产的效率和成本有着至关重要的影响。

现代高炉炼铁综合计算需要考虑到各项生产参数的变化和优化方案，以实现炼铁过程的高效稳定。

三、工艺参数计算实用手册1. 原料成分与配比计算在高炉炼铁过程中，原料的成分和配比对于炼铁的效果有着直接的影响。

通过对原料成分和配比进行合理的计算和调整，可以达到更好的炼铁效果。

2. 燃料燃烧与热量计算炉内燃料的燃烧过程是高炉内能量产生的关键环节。

对燃料的燃烧和热量进行合理的计算和控制，可以保证高炉炼铁过程的稳定和高效。

3. 气体成分与流动计算在高炉内，气体的流动和成分对于炼铁过程有着重要的影响。

通过对气体成分和流动的计算，可以更好地理解高炉内气体的运动规律，从而优化炼铁过程。

四、总结与展望通过对现代高炉炼铁综合计算与工艺参数计算实用手册的了解，可以看出这一主题涉及的广度和深度非常大，需要掌握丰富的知识和实践经验。

高炉炉缸的瞬态侵蚀过程的数学模型已经建立能够估计瞬态高炉炉缸侵蚀过程的数学模型。

这个数学模型，把铁水流动，传热和砖/耐火材料的侵蚀联系起来。

为了验证数学模型的可用性，把炉膛最终侵蚀的计算结果与解剖高炉的计算结果进行分析比较发现二者基本相符。

利用这一模型研究炉内铁水流入炉缸流量，焦炭自由层的大小，铁水的产出率，碳砖导热性及焦炭填充床的流体流动阻力。

关键词：数学模型，高炉炉缸侵蚀，流体流动，传热。

1.简介关于高炉炉缸现象如铁水质量流量，焦炭填充床/焦炭自由层的传热等很多学者已经做了大量研究。

为了延长高炉寿命，在发展高炉操作，高炉设计，高炉维修方面也做了很多努力。

然而，炉缸砖/耐火材料，在高炉操作过程中是很难修复的，因此，它是影响高炉寿命的一个关键因素。

尽管在这一领域付出了很多努力，但是高炉炉缸的侵蚀机理仍不明确。

人们普遍认为，铁水流动影响炉缸壁砖/耐火材料及在炉缸中焦炭自由层之间存在的焦炭填充床和底砖的侵蚀。

在估算炉缸侵蚀时，两个主要的机制可能需要考虑，一个是热化学溶液侵蚀，另一个是热机械损伤。

在这两种情况下，了解铁水流动及通过焦炭填充床/焦炭自由层和砖/耐火材料之间的传热非常重要。

许多数学模型已经给出了关于高炉炉缸铁水流动和传热的基本知识。

但是，那些数学模型不适用于炉体结构设计。

为了设计炉体结构，必须分析短暂的侵蚀过程。

本次研究的目的是为了建立出适用于铁水流动，传热和炉缸侵蚀的完全耦合分析的数学模型，并了解短暂的侵蚀过程。

2.数学模型分析的系统包括焦炭填充床区域，焦炭自由层和砖炉/耐火材料区域，如图1所示。

图1.炉缸侵蚀模型系统2.1.控制方程在这一系统中，铁水原料与动量的平衡，铁水和炉缸砖/耐火材料的平衡的要求如下式(1)到（3）所示，其中（2）是Navier-Stokes方程，U代表实际速度,流量F由厄根方程确定。

▽•（ℇρU）=0 (1)ρρ(U▽)U=-▽p-µ▽2U+F (2)ρ+ρ(U▽)C P T=▽(k▽T) (3)其中F={150[]2µ+1.75[]ρU}U2.2.边界条件给出的边界条件如下:1) 上边界：温度和铁水流量给出，且耐火材料区域是绝热的；2) 出铁口：铁水流出速率作为出口边界；3）侧面和底部的壁表面的总传热系数给出；4）耐火材料与焦炭填充床之间传热系数给出；5）焦炭填充床区域：在验证的情况下由炉内应力分析结果给出，其他情况应适当。

氧气高炉喷吹焦炉煤气数学模型高炉的工作过程是以焦炭为燃料，燃烧后排放出CO2气体。

目前我国高炉炼铁的发展方向是以低成本消耗为基础，采取有效解决措施来降低焦炭的损耗量，避免大量的CO气体排放空气中污染环境。

其中高炉喷吹焦炉煤气是解决措施之一。

本文对氧气高炉喷吹焦炉煤气工艺的内容及其数学模型进行了论述。

标签：氧气高炉；喷吹；焦炉煤气；数学模型0 前言高炉是钢铁冶金体系中最重要的工艺装置，它的工作过程是以消耗能量为主并释放CO2气体，我国本着可持续发展观的经济发展理念，以节省能量损耗减少气体排放的基础来研发各种新型技术，其中本文所论述的氧气高炉喷吹焦炉煤气工艺装置就是最有效的解决办法之一。

氧气高炉喷吹焦炉煤气工艺装置的优点在于克服燃料之间的消耗量，工艺流程简便，能够为社会经济带来效益，绿色、节能、环保，促使经济循环发展。

1 氧气高炉喷吹焦炉煤气（1）焦炉煤气的成分。

焦炉煤气作为高级气体燃料，它具有还原性，并且氢元素含量极高。

氧气高炉喷吹焦炉煤气包含H2，CH4，CO，CmHn，N2。

其中H2成分量占半数以上，其次是CH4和CO，CmHn和N2的成分较少，一般焦炉煤气的燃烧热量值不到20000KJ/Nm3。

（2）高炉喷吹焦炉煤气工艺。

高炉喷吹焦炉煤气工艺流程如下，燃烧原料以气体形式进入压缩机装置后，经压缩机处理，把气体导入储气罐，其中一部分气体通过旁通回路返回到原焦炉气体进口处，被循环利用，二次回收具有环保高效作用；另一部分气体通过吹扫蒸汽和喷吹支管进入到高炉中，高炉开始工作。

（3）喷吹焦炉煤气的优点。

首先该工艺可提供给高炉优质还原剂，CH4+1/2O2=2H2+CO，H2成分占据总成分3/4，其中H2还原速度较快，损耗能量少，能够增强高炉生产能力并提高焦炉工作进度；其次是还原产物环保，C 和CO还原最终产物是CO2，而H2还原产物是H2O，可以减少CO2的排放量，社会意义显著；然后焦炉煤气的价值量高，对能量运用效率得到改善，燃烧原料煤气，其能量利用率一般不到1/2，价格比例按热值计算，每立方米在0.4左右；另外喷吹技术简洁方便，控制精确度较高，工作原理组成是通过加大气体压强，运送气体以及喷吹，其有效特征在于设备投资成本低，控制灵活，精确度强，能够实现单风口定量喷吹。

高炉炼铁简化模型摘要：高炉炼铁是一个复杂的生产过程，影响冶炼结果的因素众多，其中冶炼的关键技术是控制高炉炉温的升降，铁水中的硅含量，以及硫的含量。

基于高炉炼铁中过程的不可控性，通过数据挖掘中的BP神经网络来建立对硅的预测模型是可行的方法。

关键词：高炉炼铁；BP神经网络模型；曲线拟合引言钢铁冶炼是国民经济支柱性产业之一，质优价廉节能环保是发展的必然要求，高炉炼铁过程是一个高维的大数据时间序列，影响因素众多，但最终生产指标都与冶炼过程的一项控制性中间指标——炉温，即铁水含硅量[Si]（铁水含硅质量百分数）密切相关，准确预测[Si]时间序列关系着当前高炉各项操作参数的调控方向。

因此，[Si]的准确预测控制建模成为冶炼过程优化与预测控制的关键技术。

铁水质量也受多种因素影响，其中硫含量占重要地位，依据数据，假设铁水质量仅受硫含量影响且硫含量越低，质量水平越高。

因此，如何优化调整以减少硫含量成为产品控制的关键因素。

1 BP神经网络理论BP神经网络是一种按照误差逆向传播算法来进行训练的多层次前馈网络。

其能学习并存贮大量输入-输出模式的映射关系，其模型处理相关信息的基本原理为：输入信号xi通过其中间节点（即隐层点）作用于输出节点，经非线性变换，可产生输出信号Yk，如图1所示。

最终经过反复学习、训练，来确定最小误差对应的权值和阈值。

经过训练的BP神经网络模型能对类似的样本进行自行处理，输出误差最小的经过非线形转换的具体信息2 硅含量及炉温的预测2.1 数据初始化处理为消除量纲的影响，对原始数据进行归一化处理，是数据分布在0-1的区间内。

2.2 选取训练样本集及测试样本集以[Si]-[S]-FL-PML的前八百组数据为输入层，相应下一组的[Si]为输出层，进行训练。

一步预测：输入每组[Si]-[S]-FL-PML数据，每组数据可得到1个[Si]的值即为下一组中[Si]的预测值。

二步预测：将一步预测中所得到的预测值代入相应想要预测的[Si]的位置，再选取本组剩余三个数据，以这4个量作为新的输入，来预测接下来一组的[Si]的值。