MATLAB软件在高炉工艺计算的应用实践

陈那港，张卫华，王 娇，李志刚

（芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽芜湖 241002）

1 背景

炼铁工艺流程大致由原料、上料、布料、高炉本体、除尘、送风、渣铁处理、富氧喷煤鼓风等相对独立又互为一体的系统共同构成，其功能是完成矿石到高炉产出铁水的生产过程。为了提高高炉工艺计算效率告别传统繁琐的高炉工艺计算模式，充分运用MATLAB 软件编程计算及自动绘图功能，以高炉冶炼一吨生铁为基准点，在实际生产数据基础上用高炉煤气代替煤粉喷吹冶炼工艺计算以测试MATLAB软件计算及绘图分析功能的优越性。

以国内某大型钢铁公司炼铁厂为例，有4 座容积超过4 000 m3的大型高炉，产量为9 000～10 000 t/d，每座高炉每天出铁8～10 次，每次约1 000 t。由于高炉容积大、压力高，铁水温度和出铁速度相对要高些，铁、渣处理量也很大。1#、2#高炉容积均为4 063 m3，为国内大型高炉，设计日产铁量1 万t，分别于1985 年9 月、1991 年6 月投产。其中2#高炉容积于2006年9月1日从4 063 m3大修扩容到4 800 m3，年产生铁387 万t。3#高炉容积4 350 m3于1994 年9 月投产，最大煤气发生量7.0×105m3/h，炉顶最大压力0.25 MPa，吨铁产灰量15 kg。4 号高炉容积为4 350 m3，设计一代炉龄为18年，年产铁水350万t。

2 MATLAB软件

2.1 MATLAB软件使用环境及其影响

MATLAB 是1984 年由Mathworks 公司推出的产品,是一种较好的工程计算程序，具有模拟迭代计算和综合分析、自动绘图等优点，不需要经过复杂的反复计算且能迅速得出结果，大大简化了工程技术人员计算流程，提高了计算效率。

MATHLAB 安装后，MATHLAB 的快捷方式图标在Windows桌面上自动生成。点击图标后会出现三个最常用的界面：指令窗（Command Window）、交互界面分类目录窗（Lauch Pad）、历史指令窗（Command History）。指令窗是进行各种MATLAB 操作的最主要窗口。在窗内，可键入各种送给MATLAB运作的指令、函数、表达式，并显示除图形外的所有运算结果。交互界面分类目录窗以可展开的树状结构罗列着MATLAB 提供的所有交互界面，包括：帮助界面、演示界面、各种应用交互界面。用户若“双击”树状结构上的分类图标，就可展现出相应的交互界面。历史指令窗记录已经运作过的指令、函数、表达式；允许用户对它们进行选择复制、重运行，以及产生M文件[17]。

2.2 高炉工艺计算参数设定

1)直接还原度目前高炉都在0.4～0.6 之间[2]，这里选取rd=0.5。

2)氢利用率大都在0.4～0.5 之间[2]，这里选取ηH2=0.45。

3)鼓风湿度ψ=0.012 m3/m3[2]。

4)富氧率为ω=0-30%（以下以富氧率为30%的条件为例的计算数据，其余的富氧率为0、5%、10%、20%的计算结果附后），燃烧率Δ一般取0.7[5]。富氧率：高炉富氧中含氧量的增量。

当大气中含氧量21%和氧气中含氧量99.5%时用下式计算：

富氧率=（99.5%-21%）×W[2]

式中：W——每m³鼓风中氧气数量。

5)各种物料数量(表1)。

表1 各物料质量

6)喷吹煤气成分（表2）、计算不同煤气成分的热值。

炉顶煤气低发热量用下式计算：

式中：VCO%，VH2%，VCH4% ——炉顶煤气中的CO、H2和CH4的体积分数；

Qmd——煤气热值，kJ/m3。

原始高炉煤气的热值为：3 019.87 kJ/m3。

7)高炉技术经济指标给定(表3)。

表2 高炉煤气成分

表3 高炉技术经济指标

8)原料成分(表4)。

表4 铁矿入炉原料成分表 %

9)焦炭成分(表5)。

表5 焦炭成分 %

10)生铁成分(表6)。

表6 生铁成分 %

11)炉渣成分(表7)。

表7 炉渣成分表

12)炉尘成分(表8)。

表8 炉尘成分 %

13)元素分配(表9)。

表9 元素分配率 %

2.3 MATLAB软件高炉工艺计算迭代流程(图1)

2.4 MATLAB软件物料平衡计算结果(表10)

表10 物料平衡表

图1 MATLAB软件高炉工艺计算迭代流程图

2.5 MATLAB软件热平衡计算结果(表11)

表11 热平衡表

2.6 MATLAB软件冶炼工艺计算的主要结果(表12）

表12 高炉冶炼工艺计算的主要结果

由以上表的计算结果显示，焦炉煤气和高炉煤气成分回喷高炉且分别在富氧率为0～30%时的条件下每隔5%和10%的间距进行计算比较以便分析其冶炼生产过程的能量消耗过程。计算结果完全符合预期想法。

3 MATLAB程序编辑及结果分析

3.1 MATLAB软件冶炼工艺计算数据输入(图2)

运用了MATLAB 软件对高炉冶炼工艺进行了配料计算（变料计算）、物料平衡计算、煤气迭代循环喷吹计算前原始数据及各项计算公式的编程输入。

3.2 MATLAB软件冶炼工艺计算数据输出(图3)

对照表12 输出结果，MATLAB 软件经过九次迭代计算后高炉喷吹煤气前后成分一致时的跳出循环计算并输出各项计算结果。

图2 原始入炉原燃料成分数据编制

图3 冶炼工艺计算数据输出

3.3 MATLAB软件输出直接还原度图(图4)

图4 高炉回喷煤气富氧率为30%的直接还原度图

MATLAB 软件根据计算结果自动绘制高炉回喷煤气富氧率为30%的碳素消耗与直接还原度的关系图，图3 的交点O 处的碳素消耗既能满足冶炼还原剂的需要，又能满足冶炼的能量需要。在O 点的左侧还原剂要求的碳素消耗高于热量需要的碳素消耗，在O 点的右侧热量需要的碳素消耗高于还原剂要求的碳素消耗，所以O 点处的直接还原度是最低直接还原度rdmin。

3.4 MATLAB软件输出高炉操作线图

MATLAB 软件根据计算结果自动绘制高炉回喷煤气富氧率为30%的操作线图(图5)，能直接表达出高炉冶炼过程Fe-O-C 体系的变化和高炉各生产指标间的内在联系。

图5 高炉回喷煤气富氧率为30%的高炉操作线图

4 结语

运用了MATLAB 软件对环保节能回收的焦气和高炉煤气回喷的冶炼工艺进行了配料计算（变料计算）、物料平衡计算、能量计算、热量平衡计算、还原剂与热耗炭量计算、直接还原度计算、理论最低焦比计算、Rist 操作线计算等。与目前普通高炉的工艺计算不同的是：

1）环保高炉工艺将喷吹煤粉改为喷吹煤气。焦炉煤气和高炉煤气不经热风炉预热，直接喷入高炉风口，运用MATLAB 软件能迅速得到高炉新工艺改进实践所需指标，无需投入大量的财力物力进行实践及改造。

2）运用MATLAB 软件编辑简易的计算程序，结合高炉工艺计算对炉顶出来的原始高炉煤气来替代煤粉作为高炉冶炼生产还原剂和发热剂作用提供的数据理论支撑。

3）对比回喷煤气的高炉工艺与传统高炉工艺计算，分析在相同的冶炼条件下，运用MATLAB 程序来控制运算的同时，找出了不同的富氧率条件下，高炉煤气喷吹前后成分相一致时的平衡点。即高炉煤气循环喷吹时，一旦达到了平衡点，程序则自动跳出循环并记录下每次运算的全部结果。

4）MATLAB 软件自动绘图程序包含于运算程序之中，一旦找到了煤气循环喷吹前后成分相同时的平衡点后，程序根据运算出的相关数据绘制与计算结果相一致的直接还原图像和Rist操作线图。