高炉铁水硅含量预测模型

高炉铁水硅含量预测模型

一、摘要

1.模型概述：

高炉炼铁是钢铁工业的上游主体工序，作为国民经济支柱产业的重要组成部分，它对钢铁工业的发展与节能降耗都有重要的地位。高炉冶炼过程是一个高度复杂的过程，其运行机制往往具有非线性、时变、高维、大噪声、分布参数等特性，其自动化是20世纪下半叶以来冶金自动化领域一直没有攻下的自动化学科难题。高炉炉温预测模型是炼铁过程自动控制的核心数学模型，而提高炉温预测命中率是模型开发的关键难题。

本文针对高炉炼铁过程中铁水温度的高低问题，寻找炉温，即高炉铁水硅含量，与各个参数之间的关系，试图建立铁水硅含量的预测模型。该模型将主要采用回归模型的思路，利用最小二乘法等算法，根据所给的实际生产数据计算出料速、透气性指数、铁量差、风温与风量之间的关系，并通过这些参数与高炉铁水硅含量的关系对炉温进行有效的预测

本文在高炉炉温控制方程的基础上，将其离散差分方程视作一种变系数的线性方程，利用变系数回归的相关理论，对该方程进行参数估计，从而建立了高炉铁水w(Si)预测控制的变系数回归模型。

2．关键字：

变系数，回归模型，最小二乘法，铁水硅含量

二、问题的提出

基本情况与问题重述

高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。

本文将根据某一组特定的高炉生产数据，建立铁水硅含量与各影响参数的数学预测模型。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。这些参数能反映高炉炉温的变化。在正常状态下，炉温向凉时，风量会有所上升、风压平稳逐步下降、料速增大、透气性指数增大。

从大量的资料查阅获知如下情况：

1．料速的变化可以反映炉温的状态。当炉温向热时，料速由快变慢，当炉温向凉时，料速由慢变快。料速的大小可以通过每小时下料批次来计算获得。

2．透气性指数的值在某一范围内，表示炉况顺行，小于某一数值，表示炉况难行，更小时就表明炉子悬料。

3．铁量差指的是理论出铁量与实际出铁量之差。当铁量差为一个较大的正值时，说明炉缸里还有一定量的铁水未出尽，这些滞留的铁水使铁水硅含量升高。如果铁量差保持在较小的范围内，表示炉缸保持热平衡状态。当铁量差为较大的负值时，炉缸的热平衡被打破，导致铁水硅含量降低。

4．风温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。高炉鼓风的温度。风温越高，鼓风带入炉内的热量越多，高炉的燃料比越低。因此，通常都将风温用到高炉可能接受的最高水平。高炉接受风温的程度主要决定于冶炼条件。原料、燃料质量越好，喷吹燃料越多，鼓风湿度越高，炉况越稳定、顺行，高炉能接受的风温越高。中国高炉风温多在900～1250℃之间；工业发达国家的高炉风温多在1150～1350℃之间。增减风温是调节炉况的重要手段，提高风温可以使炉温升高，降低风温可以使炉温降低。但先进的高炉多把风温稳定在最高水平，而用调整燃料喷吹量或鼓风湿度的办法来调节炉况。只有在非常必要时才降低风温。这样可以获得较低的燃料比。

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，这也表示对高炉内直接还原和间接还原的比例有一定的影响，这些都会影响到炉缸温度。单位时间进入高炉的风在标准状态下的体积(m3/min或m3/h)。在相同条件下，风量越大，产量越高。高炉风量首先取决于高炉容积，一般是每立方米炉容2．0～2．2m3/min。由于风量的测定常因漏风和仪表本身误差而失准，而风量又与焦炭和喷吹燃料的消耗量成正比，故高炉操作人员多习惯于以冶炼强度来估量风量。又因在同一条件下，高炉上料批数与风量成正比，故高炉操作者实际上是按上料批数来控制风量的。冶炼强度取决于原料、燃料质量和冶

炼的铁种，一般在0．9～1．2t/(m3•d)之间。原料、燃料质量好时取上限；反之，取下限。冶炼铸造生铁时的冶炼强度应比冶炼炼钢生铁时的低，冶炼锰铁时又比冶炼铸造生铁时的低。这是因为炉温越高，炉内煤气实际体积越大，穿过料柱越困难。当高炉需要限产时，冶炼强度和风量根据额定生铁产量来确定。鼓入高炉的风量和每小时上料的批数(炉内下料速度)应力求稳定。风量波动会影响料速和炉温波动，进一步会引起风压波动和炉况不稳。为此，高炉风量选定在某一适当水平后不宜随意增减。只有在炉凉、下料不顺或设备故障需要减风处理时才减风。减风后一旦条件允许恢复风量时，应及时逐步恢复。

三、模型的假设与符号说明

1．假设

假设一：高炉铁水硅含量在此处受且仅受料速、透气性指数、铁量差、风量和风温5个因素的影响，其他因素忽略不计。

假设二：认为每炉所给的铁水温度在所在炉内是稳定不变的

假设三：认为每次炼铁期间，下料批次之间的时间间隔相同，且每次下料数量相同，即视为均匀下料。

2．符号说明及名词意义

S：料速指数

L

b：料速指数的百分比变化函数

LS

S：料速，即每小时下料批次；S(t)为料速的影响函数

F：透气性指数

F

b：透气性指数的百分比变化函数

FF

F(t):为透气性指数的影响函数

F：风量指数

Q

b：风量指数的百分比变化函数

FQ

m，即单位时间进入高炉的风在标准状态下的体积；Q(t)：风量/3

Q:风量，单位为min

的影响系数