MATLAB軟件在高爐工藝計(jì)算的應(yīng)用實(shí)踐

陳那港，張衛(wèi)華，王 嬌，李志剛

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 241002）

1 背景

煉鐵工藝流程大致由原料、上料、布料、高爐本體、除塵、送風(fēng)、渣鐵處理、富氧噴煤鼓風(fēng)等相對(duì)獨(dú)立又互為一體的系統(tǒng)共同構(gòu)成，其功能是完成礦石到高爐產(chǎn)出鐵水的生產(chǎn)過(guò)程。為了提高高爐工藝計(jì)算效率告別傳統(tǒng)繁瑣的高爐工藝計(jì)算模式，充分運(yùn)用MATLAB 軟件編程計(jì)算及自動(dòng)繪圖功能，以高爐冶煉一噸生鐵為基準(zhǔn)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上用高爐煤氣代替煤粉噴吹冶煉工藝計(jì)算以測(cè)試MATLAB軟件計(jì)算及繪圖分析功能的優(yōu)越性。

以國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵公司煉鐵廠為例，有4 座容積超過(guò)4 000 m3的大型高爐，產(chǎn)量為9 000～10 000 t/d，每座高爐每天出鐵8～10 次，每次約1 000 t。由于高爐容積大、壓力高，鐵水溫度和出鐵速度相對(duì)要高些，鐵、渣處理量也很大。1#、2#高爐容積均為4 063 m3，為國(guó)內(nèi)大型高爐，設(shè)計(jì)日產(chǎn)鐵量1 萬(wàn)t，分別于1985 年9 月、1991 年6 月投產(chǎn)。其中2#高爐容積于2006年9月1日從4 063 m3大修擴(kuò)容到4 800 m3，年產(chǎn)生鐵387 萬(wàn)t。3#高爐容積4 350 m3于1994 年9 月投產(chǎn)，最大煤氣發(fā)生量7.0×105m3/h，爐頂最大壓力0.25 MPa，噸鐵產(chǎn)灰量15 kg。4 號(hào)高爐容積為4 350 m3，設(shè)計(jì)一代爐齡為18年，年產(chǎn)鐵水350萬(wàn)t。

2 MATLAB軟件

2.1 MATLAB軟件使用環(huán)境及其影響

MATLAB 是1984 年由Mathworks 公司推出的產(chǎn)品,是一種較好的工程計(jì)算程序，具有模擬迭代計(jì)算和綜合分析、自動(dòng)繪圖等優(yōu)點(diǎn)，不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的反復(fù)計(jì)算且能迅速得出結(jié)果，大大簡(jiǎn)化了工程技術(shù)人員計(jì)算流程，提高了計(jì)算效率。

MATHLAB 安裝后，MATHLAB 的快捷方式圖標(biāo)在Windows桌面上自動(dòng)生成。點(diǎn)擊圖標(biāo)后會(huì)出現(xiàn)三個(gè)最常用的界面：指令窗（Command Window）、交互界面分類目錄窗（Lauch Pad）、歷史指令窗（Command History）。指令窗是進(jìn)行各種MATLAB 操作的最主要窗口。在窗內(nèi)，可鍵入各種送給MATLAB運(yùn)作的指令、函數(shù)、表達(dá)式，并顯示除圖形外的所有運(yùn)算結(jié)果。交互界面分類目錄窗以可展開(kāi)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)羅列著MATLAB 提供的所有交互界面，包括：幫助界面、演示界面、各種應(yīng)用交互界面。用戶若“雙擊”樹(shù)狀結(jié)構(gòu)上的分類圖標(biāo)，就可展現(xiàn)出相應(yīng)的交互界面。歷史指令窗記錄已經(jīng)運(yùn)作過(guò)的指令、函數(shù)、表達(dá)式；允許用戶對(duì)它們進(jìn)行選擇復(fù)制、重運(yùn)行，以及產(chǎn)生M文件[17]。

2.2 高爐工藝計(jì)算參數(shù)設(shè)定

1)直接還原度目前高爐都在0.4～0.6 之間[2]，這里選取rd=0.5。

2)氫利用率大都在0.4～0.5 之間[2]，這里選取ηH2=0.45。

3)鼓風(fēng)濕度ψ=0.012 m3/m3[2]。

4)富氧率為ω=0-30%（以下以富氧率為30%的條件為例的計(jì)算數(shù)據(jù)，其余的富氧率為0、5%、10%、20%的計(jì)算結(jié)果附后），燃燒率Δ一般取0.7[5]。富氧率：高爐富氧中含氧量的增量。

當(dāng)大氣中含氧量21%和氧氣中含氧量99.5%時(shí)用下式計(jì)算：

富氧率=（99.5%-21%）×W[2]

式中：W——每m3鼓風(fēng)中氧氣數(shù)量。

5)各種物料數(shù)量(表1)。

表1 各物料質(zhì)量

6)噴吹煤氣成分（表2）、計(jì)算不同煤氣成分的熱值。

爐頂煤氣低發(fā)熱量用下式計(jì)算：

式中：VCO%，VH2%，VCH4% ——爐頂煤氣中的CO、H2和CH4的體積分?jǐn)?shù)；

Qmd——煤氣熱值，kJ/m3。

原始高爐煤氣的熱值為：3 019.87 kJ/m3。

7)高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)給定(表3)。

表2 高爐煤氣成分

表3 高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

8)原料成分(表4)。

表4 鐵礦入爐原料成分表 %

9)焦炭成分(表5)。

表5 焦炭成分 %

10)生鐵成分(表6)。

表6 生鐵成分 %

11)爐渣成分(表7)。

表7 爐渣成分表

12)爐塵成分(表8)。

表8 爐塵成分 %

13)元素分配(表9)。

表9 元素分配率 %

2.3 MATLAB軟件高爐工藝計(jì)算迭代流程(圖1)

2.4 MATLAB軟件物料平衡計(jì)算結(jié)果(表10)

表10 物料平衡表

圖1 MATLAB軟件高爐工藝計(jì)算迭代流程圖

2.5 MATLAB軟件熱平衡計(jì)算結(jié)果(表11)

表11 熱平衡表

2.6 MATLAB軟件冶煉工藝計(jì)算的主要結(jié)果(表12）

表12 高爐冶煉工藝計(jì)算的主要結(jié)果

由以上表的計(jì)算結(jié)果顯示，焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣成分回噴高爐且分別在富氧率為0～30%時(shí)的條件下每隔5%和10%的間距進(jìn)行計(jì)算比較以便分析其冶煉生產(chǎn)過(guò)程的能量消耗過(guò)程。計(jì)算結(jié)果完全符合預(yù)期想法。

3 MATLAB程序編輯及結(jié)果分析

3.1 MATLAB軟件冶煉工藝計(jì)算數(shù)據(jù)輸入(圖2)

運(yùn)用了MATLAB 軟件對(duì)高爐冶煉工藝進(jìn)行了配料計(jì)算（變料計(jì)算）、物料平衡計(jì)算、煤氣迭代循環(huán)噴吹計(jì)算前原始數(shù)據(jù)及各項(xiàng)計(jì)算公式的編程輸入。

3.2 MATLAB軟件冶煉工藝計(jì)算數(shù)據(jù)輸出(圖3)

對(duì)照表12 輸出結(jié)果，MATLAB 軟件經(jīng)過(guò)九次迭代計(jì)算后高爐噴吹煤氣前后成分一致時(shí)的跳出循環(huán)計(jì)算并輸出各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果。

圖2 原始入爐原燃料成分?jǐn)?shù)據(jù)編制

圖3 冶煉工藝計(jì)算數(shù)據(jù)輸出

3.3 MATLAB軟件輸出直接還原度圖(圖4)

圖4 高爐回噴煤氣富氧率為30%的直接還原度圖

MATLAB 軟件根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)繪制高爐回噴煤氣富氧率為30%的碳素消耗與直接還原度的關(guān)系圖，圖3 的交點(diǎn)O 處的碳素消耗既能滿足冶煉還原劑的需要，又能滿足冶煉的能量需要。在O 點(diǎn)的左側(cè)還原劑要求的碳素消耗高于熱量需要的碳素消耗，在O 點(diǎn)的右側(cè)熱量需要的碳素消耗高于還原劑要求的碳素消耗，所以O(shè) 點(diǎn)處的直接還原度是最低直接還原度rdmin。

3.4 MATLAB軟件輸出高爐操作線圖

MATLAB 軟件根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)繪制高爐回噴煤氣富氧率為30%的操作線圖(圖5)，能直接表達(dá)出高爐冶煉過(guò)程Fe-O-C 體系的變化和高爐各生產(chǎn)指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系。

圖5 高爐回噴煤氣富氧率為30%的高爐操作線圖

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用了MATLAB 軟件對(duì)環(huán)保節(jié)能回收的焦氣和高爐煤氣回噴的冶煉工藝進(jìn)行了配料計(jì)算（變料計(jì)算）、物料平衡計(jì)算、能量計(jì)算、熱量平衡計(jì)算、還原劑與熱耗炭量計(jì)算、直接還原度計(jì)算、理論最低焦比計(jì)算、Rist 操作線計(jì)算等。與目前普通高爐的工藝計(jì)算不同的是：

1）環(huán)保高爐工藝將噴吹煤粉改為噴吹煤氣。焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣不經(jīng)熱風(fēng)爐預(yù)熱，直接噴入高爐風(fēng)口，運(yùn)用MATLAB 軟件能迅速得到高爐新工藝改進(jìn)實(shí)踐所需指標(biāo)，無(wú)需投入大量的財(cái)力物力進(jìn)行實(shí)踐及改造。

2）運(yùn)用MATLAB 軟件編輯簡(jiǎn)易的計(jì)算程序，結(jié)合高爐工藝計(jì)算對(duì)爐頂出來(lái)的原始高爐煤氣來(lái)替代煤粉作為高爐冶煉生產(chǎn)還原劑和發(fā)熱劑作用提供的數(shù)據(jù)理論支撐。

3）對(duì)比回噴煤氣的高爐工藝與傳統(tǒng)高爐工藝計(jì)算，分析在相同的冶煉條件下，運(yùn)用MATLAB 程序來(lái)控制運(yùn)算的同時(shí)，找出了不同的富氧率條件下，高爐煤氣噴吹前后成分相一致時(shí)的平衡點(diǎn)。即高爐煤氣循環(huán)噴吹時(shí)，一旦達(dá)到了平衡點(diǎn)，程序則自動(dòng)跳出循環(huán)并記錄下每次運(yùn)算的全部結(jié)果。

4）MATLAB 軟件自動(dòng)繪圖程序包含于運(yùn)算程序之中，一旦找到了煤氣循環(huán)噴吹前后成分相同時(shí)的平衡點(diǎn)后，程序根據(jù)運(yùn)算出的相關(guān)數(shù)據(jù)繪制與計(jì)算結(jié)果相一致的直接還原圖像和Rist操作線圖。