MATLAB軟件在高爐工藝計算的應用實踐

陳那港，張衛華，王 嬌，李志剛

（蕪湖新興鑄管有限責任公司，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、渣鐵處理、富氧噴煤鼓風等相對獨立又互為一體的系統共同構成，其功能是完成礦石到高爐產出鐵水的生產過程。為了提高高爐工藝計算效率告別傳統繁瑣的高爐工藝計算模式，充分運用MATLAB 軟件編程計算及自動繪圖功能，以高爐冶煉一噸生鐵為基準點，在實際生產數據基礎上用高爐煤氣代替煤粉噴吹冶煉工藝計算以測試MATLAB軟件計算及繪圖分析功能的優越性。

以國內某大型鋼鐵公司煉鐵廠為例，有4 座容積超過4 000 m3的大型高爐，產量為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要高些，鐵、渣處理量也很大。1#、2#高爐容積均為4 063 m3，為國內大型高爐，設計日產鐵量1 萬t，分別于1985 年9 月、1991 年6 月投產。其中2#高爐容積于2006年9月1日從4 063 m3大修擴容到4 800 m3，年產生鐵387 萬t。3#高爐容積4 350 m3于1994 年9 月投產，最大煤氣發生量7.0×105m3/h，爐頂最大壓力0.25 MPa，噸鐵產灰量15 kg。4 號高爐容積為4 350 m3，設計一代爐齡為18年，年產鐵水350萬t。

2 MATLAB軟件

2.1 MATLAB軟件使用環境及其影響

MATLAB 是1984 年由Mathworks 公司推出的產品,是一種較好的工程計算程序，具有模擬迭代計算和綜合分析、自動繪圖等優點，不需要經過復雜的反復計算且能迅速得出結果，大大簡化了工程技術人員計算流程，提高了計算效率。

MATHLAB 安裝后，MATHLAB 的快捷方式圖標在Windows桌面上自動生成。點擊圖標后會出現三個最常用的界面：指令窗（Command Window）、交互界面分類目錄窗（Lauch Pad）、歷史指令窗（Command History）。指令窗是進行各種MATLAB 操作的最主要窗口。在窗內，可鍵入各種送給MATLAB運作的指令、函數、表達式，并顯示除圖形外的所有運算結果。交互界面分類目錄窗以可展開的樹狀結構羅列著MATLAB 提供的所有交互界面，包括：幫助界面、演示界面、各種應用交互界面。用戶若“雙擊”樹狀結構上的分類圖標，就可展現出相應的交互界面。歷史指令窗記錄已經運作過的指令、函數、表達式；允許用戶對它們進行選擇復制、重運行，以及產生M文件[17]。

2.2 高爐工藝計算參數設定

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%的條件為例的計算數據，其余的富氧率為0、5%、10%、20%的計算結果附后），燃燒率Δ一般取0.7[5]。富氧率：高爐富氧中含氧量的增量。

當大氣中含氧量21%和氧氣中含氧量99.5%時用下式計算：

富氧率=（99.5%-21%）×W[2]

式中：W——每m3鼓風中氧氣數量。

5)各種物料數量(表1)。

表1 各物料質量

6)噴吹煤氣成分（表2）、計算不同煤氣成分的熱值。

爐頂煤氣低發熱量用下式計算：

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

Qmd——煤氣熱值，kJ/m3。

原始高爐煤氣的熱值為：3 019.87 kJ/m3。

7)高爐技術經濟指標給定(表3)。

表2 高爐煤氣成分

表3 高爐技術經濟指標

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軟件高爐工藝計算迭代流程(圖1)

2.4 MATLAB軟件物料平衡計算結果(表10)

表10 物料平衡表

圖1 MATLAB軟件高爐工藝計算迭代流程圖

2.5 MATLAB軟件熱平衡計算結果(表11)

表11 熱平衡表

2.6 MATLAB軟件冶煉工藝計算的主要結果(表12）

表12 高爐冶煉工藝計算的主要結果

由以上表的計算結果顯示，焦爐煤氣和高爐煤氣成分回噴高爐且分別在富氧率為0～30%時的條件下每隔5%和10%的間距進行計算比較以便分析其冶煉生產過程的能量消耗過程。計算結果完全符合預期想法。

3 MATLAB程序編輯及結果分析

3.1 MATLAB軟件冶煉工藝計算數據輸入(圖2)

運用了MATLAB 軟件對高爐冶煉工藝進行了配料計算（變料計算）、物料平衡計算、煤氣迭代循環噴吹計算前原始數據及各項計算公式的編程輸入。

3.2 MATLAB軟件冶煉工藝計算數據輸出(圖3)

對照表12 輸出結果，MATLAB 軟件經過九次迭代計算后高爐噴吹煤氣前后成分一致時的跳出循環計算并輸出各項計算結果。

圖2 原始入爐原燃料成分數據編制

圖3 冶煉工藝計算數據輸出

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 軟件根據計算結果自動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系圖，圖3 的交點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 點的左側還原劑要求的碳素消耗高于熱量需要的碳素消耗，在O 點的右側熱量需要的碳素消耗高于還原劑要求的碳素消耗，所以O 點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 軟件根據計算結果自動繪制高爐回噴煤氣富氧率為30%的操作線圖(圖5)，能直接表達出高爐冶煉過程Fe-O-C 體系的變化和高爐各生產指標間的內在聯系。

圖5 高爐回噴煤氣富氧率為30%的高爐操作線圖

4 結語

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

1）環保高爐工藝將噴吹煤粉改為噴吹煤氣。焦爐煤氣和高爐煤氣不經熱風爐預熱，直接噴入高爐風口，運用MATLAB 軟件能迅速得到高爐新工藝改進實踐所需指標，無需投入大量的財力物力進行實踐及改造。

2）運用MATLAB 軟件編輯簡易的計算程序，結合高爐工藝計算對爐頂出來的原始高爐煤氣來替代煤粉作為高爐冶煉生產還原劑和發熱劑作用提供的數據理論支撐。

3）對比回噴煤氣的高爐工藝與傳統高爐工藝計算，分析在相同的冶煉條件下，運用MATLAB 程序來控制運算的同時，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的平衡點。即高爐煤氣循環噴吹時，一旦達到了平衡點，程序則自動跳出循環并記錄下每次運算的全部結果。

4）MATLAB 軟件自動繪圖程序包含于運算程序之中，一旦找到了煤氣循環噴吹前后成分相同時的平衡點后，程序根據運算出的相關數據繪制與計算結果相一致的直接還原圖像和Rist操作線圖。