２００５年３月 第２８卷第３期 重庆大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｌ＂．２ｏｏ５
Ｖ０１．２８ Ｎｏ．３
文章编号：１０００—５８２Ｘ（２００５）Ｏ３—００４４一Ｏ３
高炉铁水硅含量预测系统 阳海彬 ，张丙怀 ，王立芬 ，刁岳）１１ ２，廖东海２ （１．重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００３０；２．南京钢铁集团公司技术中心，江苏南京２１００３５）
摘要：高炉铁水中的硅含量不仅是衡量产品质量的一个重要指标，而且反映了高炉能量利用的好 坏。铁水硅含量的准确预测，能够指导高炉配料和高炉冶炼操作，实现降低铁水硅含量的目的。根据硅 还原的机理从热力学和动力学方程出发，经推导得出了铁水中硅含量的预测模型，并结合高炉物料平衡 及热平衡计算，编制成高炉铁水硅含量的预测系统。将实际高炉的原料条件及操作参数输入系统，得到 了高炉铁水硅含量的预测值。该预测值与实测值相比，误差范围小，命中率高。从而表明该预测系统在 实际运用中具有可靠性。 关键词：硅含量；预测系统；高炉；热力学 中图分类号：ＴＦ５１２ 文献标识码：Ａ
在高炉冶炼工艺中，降低铁水硅含量并保持合理 的低水平有着非常重要的意义。它不仅有利于缩短炼 钢时间、提高转炉炉衬寿命、降低铁水及辅助材料消耗 和吨钢成本。它还能降低炼铁人炉焦比、增加生铁产 量。因此，高炉铁水中的硅含量不仅是衡量产品质量 的一个重要指标，而且反映了高炉能量利用的好坏。 铁水硅含量的准确预测，能够指导高炉配料和高炉冶 炼操作，实现降低铁水硅含量的目的。这一工作受到 国内外高炉工作者的普遍重视，各种预测模型相继 开发。 现有铁水硅含量预测模型大都是经验或者统计模 型ｕ Ｊ，不能很好地预测铁水硅含量和准确反应原料 及操作条件的影响。笔者根据硅还原的机理从热力学 和动力学方程出发，得出了铁水中硅含量的预测模型， 并编制成硅含量预测系统对铁水硅含量进行预测，预 测结果误差范围小，命中率高。 １预测模型 高炉内ｓｉ还原进入生铁主要是通过气相ＳｉＯ在 滴落带的转移、还原、进人生铁来实现的 引。高炉内 ＳｉＯ来源于炉渣和焦炭灰分中的ＳｉＯ：。在滴落带进入 渣中ＳｉＯ：同固体炭发生反应生成ＳｉＯ，即： Ｓｉ０２（，）＋Ｃ（ ）＝ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ） （１） 在燃烧带附近的高温区，焦炭灰分中的ＳｉＯ：同焦 炭自身的固定炭接触条件极好，发生反应生成ＳｉＯ，反 应式同式（１）。 气态ＳｉＯ随高温煤气上升，当遇到由软熔带向下 滴落的渣及铁液时则被吸收。被吸收的ＳｉＯ被溶解在 金属铁中的固体碳还原出来，即： ＳｉＯ（ｇ）＋［Ｃ］＝［ｓｉ］＋ＣＯ（ｇ） （２） 在高炉软熔带下部，温度在１ ０００℃上，铁水渗 碳，即： Ｃｆｓ】＝［ｃ］ （３） 式（１）＋式（２）一式（３），得到高炉内硅还原的总反应 式，即： ＳｉＯ２（Ｉ）＋２［Ｃ］＝［ｓｉ］＋２ＣＯ（ｇ） （４） 总反应式（４）的标准吉布斯自由能变化△ｃｏ和平衡常 数 ，可根据已有的热力学数据进行计算。根据文献 ［６］，式（５）和式（６）成立： ［ｃ］＋０．５０２（ｇ）＝ＣＯ（ｇ）， ＡＧ１。＝一１１４ ４００—８５．７７Ｔ，Ｊ·ｍｏｌ （５） ［ｓｉ］＋Ｏ２（ｇ）＝ＳｉＯ２（Ｉ）， ＡＧ２。＝一７９０ ２４０＋２０３．５２Ｔ，Ｊ·ｍｏｌ （６） 所以反应式（４）的标准吉布斯自由能变化为：
·收稿日期：２００４—１１—０８ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０１７４０６０） 作者简介：阳海彬（１９７８一），男，Ｉ￣Ｊｌｌ资中人，重庆大学博士研究生，从事冶金新工艺新技术方面的研究。
维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第３期 阳海彬等： 高炉铁水硅含量预测系统 ４５ ＡＧ。＝２ＡＧｌ。一△ 。＝５１６ ４４０—２９０．５４Ｔ，Ｊ·ｍｏｌ （７） 将ＡＧ。＝一ＲｎｎＫ．＝一８．３１４ ４１ ｒｉｎｇ．带人式（７），并 整理得到式（８）： １ｎ ＝一６２ １１４／Ｔ＋３４．９４ （８） 反应式（４）的平衡常数 ，可由式（９）来计算：
（／＇Ｓｉ，
￣ ＣＯ
（９）
ａｓ￣ｏ２口Ｃ
其中：口ｓｊ是铁水中Ｓｉ的活度；Ｐｃｏ是炉内ＣＯ的分压；
ａｓ￣ｏ２是渣中ＳｉＯ 的活度；口ｃ是铁水中Ｃ的活度（ａｃ＝ １）。于是由式（９）便得到：
＝ ［ｓｉ］＝ （１０） 其中 ；为铁水中硅的活度系数。 式（１Ｏ）两边取对数并整理，得到式（１１）： １ｎ［Ｓｉ］＝ｌｎｇ４＋ｌｎａ Ｓｉｏ’一２１ｎＰｃｏ一２．３０３ ｌｇｔ＇￣ｉ
（１１） 将式（８）带人式（１１），得到式（１２）：
Ｉｎ［ｓｉ］：３４．９４一 ＋ｌｎ口Ｓｉ０２－２ｌ 。－２．３０３ ｌｇｔ； （１２） 为高炉内炉渣温度（单位Ｋ），可以近似看作与 铁水温度相等，计算中采用铁水温度。 对很稀的金属溶液，铁水Ｓｉ的活度系数 可以根 据活度系数的对数加和律来进行数值计算： ｌｇｔ＇￣ｉ＝ｅｓＳｉ［Ｓｉ］＋ｅ ［ｃ］＋ｅ “［Ｍｎ］＋ｅｓＰｉ［Ｐ］＋ ｅ ［Ｓ］＋ｅ ［Ａ１］＋ｅ；［Ｖ］＋ｅ ［Ｔｉ］ （１３） 元素ｉ对铁水中Ｓｉ的一级相互作用系数ｅ。ｉ；可由 文献［３］查得： ｅ Ｓｉｓｉ： ＋０．０８９，ｅ ： －０．ｏ２３， ｅｓＭｉ ＝０．００２，ｅＰＳｉ＝０１１，ｅ ＝０．０５６， 。ｓｊＡＩ＝０．０５８，。ｓｊＶ＝００２５，。ｓＴｉｉ０．０３ ＳｉＯ２在ＣａＯ—ＭｇＯ—Ａ１２Ｏ３一ＳｉＯ２一ＭｎＯ—ＴｉＯ２一 Ｖ Ｏｓ渣系中的活度口。 可由下列半经验公式来 确定 ： （／＇ＳｉＯ：（ ） （４．３６４ｕ￣，ｏ：一０．７５５ ２ Ｉｏ２）（１４） 其中， ｌ为系数；Ｍｓｉｏ１为ＣａＯ—ＭｇＯ—Ａ１２ Ｏ３一ＳｉＯ２一 ＭｎＯ—ＴｉＯ２一Ｖ２Ｏ５渣系中ＳｉＯ２的ｔｏｏ１分率；／７，为可调 参数： ＣａＯ＋ ＋ ＋一Ａ１２０３ 面 ５６。６ｏ。４０。１０２。７１。７９９。１８２ （１５） ＾ｒ 一—————————————————鱼 ————————————————一 ¨ ＣａＯ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ７９ ９＋ １８２ ５６’６Ｄ’４０’ ’７ｌ’ （１６） 根据高炉的一些历史数据，选用合适的可调参数 ／７，可以对计算值起到一定的修正作用。在选用南京钢 铁公司高炉数据进行实际计算中，／７，取７．７时计算值 与实测值吻合较好。 因此，由炉渣成分可以计算出ＳｉＯ 在炉渣中的活 度口 ，由铁水温度及成分可以计算出铁水中ｓｉ的活 度系数的对数ｌｇｔ＇￣ｉ。炉内ＣＯ的分压Ｐ 。可以近似看 作与鼓风压力相等。将炉渣中的活度口。； 铁水中Ｓｉ 的活度系数的对数ｌｇｔ＇￣ｉ、炉内ＣＯ的分压Ｐｃｏ和铁水温 度 带人式（１２），可以解出铁水硅含量［Ｓｉ］。 至此，得到了以鼓风压力、铁水温度及成分、炉渣 成分等为输入，铁水硅含量为输出的高炉铁水硅含量 预测模型。 ２预测系统 在采用ＶＣ编制成的高炉硅含量预测系统（ＢＳＰ） 中，以人炉原料成分和高炉基本操作参数为基础，进行 高炉物料平衡及热平衡计算，获得预测模型所需的炉 渣成分、铁水成分、铁水温度、煤气中一氧化碳含量等 数据，带人预测模型应用牛顿法迭代求解，得到了高炉 硅含量的预测值。高炉硅含量预测系统的结构如 图１。
图１ 高炉硅含量预测系统的结构 采用南京钢铁公司高炉数据带人系统进行预测计 算，计算所得的炉渣成分、铁水温度和成分以及铁水硅 含量的预测值和实测值见表１，预测结果的命中率见 表２。 从表１和表２可以看出，采用该高炉铁水硅含量 预测系统所得的硅含量预测结果误差范围小，命中率
维普资讯 http://www.cqvip.com ４６ 重庆大学学报（自然科学版） ２００５年 表２硅含量预测结果的命中率 ％ ３结束语 在对高炉内硅还原的机理进行分析的基础上。通 过热力学及动力学推导，建立了高炉铁水硅含量的预 测模型。并将该模型运用于高炉硅含量预测系统上， 通过对南钢高炉铁水硅含量的预测，验证了系统的可 靠性。该模型属于理论模型，在高炉炉况基本稳定的 前提下，预测结果与原料成分和操作参数条件有很好 的对应关系，能够对高炉配料和高炉操作进行指导。 另外，通过对高硅高炉进行铁水硅含量的预测，可以得 到该高炉铁水降硅的可能性及最大降硅量。
参考文献： ［１］孙桂利，仇芒仙．提示序列在高炉铁水含硅量预测中的
［２］ ［３］ ［４］ ［５］ ［６］ ［７］ 应用［Ｊ］．太原教育学院学报。２００２，２０（６）：４５—４９． 王秉冠．预测铁水温度和铁水含硅量的模糊控制［Ｊ］．宝 钢技术，１９９４，（１）：４６—５１． 李俊国，闫小林．高炉铁水含硅量神经网络预测模型［Ｊ］． 河北理工学院学报。２００２，２４（３）：１７—２２． 成兰伯．高炉炼铁工艺及计算［Ｍ］．北京：冶金工业出版 社，１９９５． 王筱留．钢铁冶金学［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，１９９５． 魏庆成．冶金热力学［Ｍ］．重庆：重庆大学出版社，１９９６． 杨桂萍，谢裕生，张恒。等．高炉铁水中硅浓度的推算［Ｊ］． 计算机与应用化学，１９９０，７（３）：１９３—１９９．
Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｈｏｔ Ｍｅｔａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ ＹＡＮＧ Ｈａｉ－ｂｉｎ￣，ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎｇ—ｈｕａ｝，ＷＡＮＧ Ｌｉ－ｆｅｎ￣。ＤＩＡＯ Ｙｕｅ－ｃｈｕａｒ＃ＬＩＡＯ Ｄｏｎｇ－ｈａ＃
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０。Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｏｔ ｍｅｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ａ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｂｙ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｄｕｃｔ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｅｎｅｒ－ ｇｙ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｆｕｍａｃｅ ｉｓ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｒｅｓｕｌ￣ｏｆ ｈｏｔ ｍｅｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔ ｂａｔｃｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｍｅｌｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｈｏｔ ｍｅｔａｌ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｒｅ— ａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｗｅｒｅ ｄｅｄｕｃｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎＡｎｄ