COREX 熔融还原工艺模拟仿真软件开发.pdf

第36卷 第4期 2 0 0 1年4月 钢 铁 IRON AND STEEL Vol . 36, No.4 April 2 0 0 1 COREX熔融还原工艺模拟仿真软件开发 周渝生 叶正才 曹传根 茹家胜 邹宗树 肖兴国 上海宝钢集团公司 东北大学 摘 要 针对COREX工艺开发了模拟仿真培训模型及相应软件。该软件由数值模拟、系统模拟和工艺优化 及仿真培训三个大功能模块组成,是采用数值计算和图形用户界面相结合而设计的。该软件除实现了对 COREX工艺数值计算的透明化操作外,还收入了COREX开停炉操作、典型故障及其处理等资料,对操作 和管理人员的提前培训提供了虚拟现实环境。 关键词 COREX工艺 模拟 仿真软件 培训α DEVELOPM ENTOF NUM ERICAL MODEL ING AND SI M ULATI ON SOFT WARE OF COREX PROCESS ZHOU Yushcng YE Zhengcai CAO Chuangen ShanghaiBaosteel Group Corp. RU Jiasheng ZOU Zongshu X I AO Xingguo Northeastern U niversity ABSTRACT The model of numerical modeling,si mulation andtrainingsoftw are for COREX process w as developed.Thesoftw are w as designed by combining numerical calculation w ith GU I and consisted of three parts numericalmodeling, system modeling and opti m ization, si mulation and training. Besides transparent operation of numericalmodeling of the process,start and stop of COREX operation, typical failures and their troubleshooting w ere considered in the softw are to provide virtual environment for training of operational and adm inistrative persons in advance. KEY WORDS COREX process,modeling,si mulation softw are,training 1 前言 COREX工艺是从70代起奥钢联和DVA I公 司联合开发的一个用煤代替焦炭生产铁水的熔融还 原工艺开发初期称为KR工艺。在已提出的近三 十种熔融还原炼铁工艺中,只有COREX工艺实现 了工业化生产。由于该工艺能直接使用非焦煤和块 矿作原燃料,生产出高炉品级的铁水,同时具有流 程短、基建投资和生产成本较低、环境污染少、生 产灵活性强等特点,输出的高热值煤气热值7000 kJm 3, CO H 2 55 能用于发电、球团矿生产 或经V SPA煤气改质处理后供M idrex竖炉生产海 绵铁,替代优质废钢供应电炉炼钢。 1997年12月韩国的浦项POSCO公司与奥 钢联VA I合作建成了年产60万t的COREX2000 型炼铁设备,印度京德勒公司、南非撒丹那公司等 也陆续建成投产。世界上第一座用COREX煤气生 产海绵铁的M idrex竖炉也于1999年6月在南非撒 丹那投入生产。1996年为配合北仑钢铁厂拟引进的 COREX2000型炼铁设备,为COREX的操作条件 选择和工艺优化提供预测信息,为操作和管理人员 的提前培训提供条件,开发了COREX工艺模拟仿 真培训模型及相应软件。 2 软硬件平台介绍 根据软件开发的要求及经费投入的限制,未能 α联系人周渝生,高级工程师教授级 , 上海201900上海宝钢集团公司研究院冶金工艺研究所 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 作全范围的操作室硬件仿真;在考察了多家仿真软 件技术开发成果的基础上,选用了性价比最优的 x86系列微机工作站作为开发和运行平台, 进行完 全软件仿真。具体配置为 1HP V ectra XU 6200 PC工作站作为局域 网服务器双Pentium Pro 200, 128 M ECC内存, 4G 2 SCSI硬盘, 16 M高性能图形卡, 10100 M网卡 等 , 主要存放仿真模型软件数据库,同时亦作为开 发和运行仿真模型平台; 2HP Kayak XW 300.U 2 PC工作站作为开 发仿真模型平台Pentium˚300, 128 M ECC内存, 9G SCSI硬盘, 16M高性能图形卡, 10 100 M网卡 等 , 同时亦可作运行仿真模型平台; 3 3COM Super Stack˚10100 M自适应网 络交换器。 由于W indow s系列的软件人机界面友好,支持 软件丰富,选用W indow s系列软件作为开发工具, 主要有 1M icrosoft W indow s N T A dvance Server 410中文版操作系统; 2M icrosoft SQL Server 615 for W indow s N T网络数据库; 3M icrosoft V isual Basic 510中文企业版开 发工具; 4M icrosoft V isual C 510开发工具。 3 仿真模型特点 根据宝钢宁波项目原拟引进的C2000生产规 模,对COREX的预还原竖炉和熔融气化炉进行了 单体和联动仿真,模型分别由计算模块和仿真培训 功能模块组成。 311 模块层次结构 COREX工艺模拟仿真培训软件的功能模块层 次结构如图1所示,它由数值模拟、系统仿真和工 艺优化[1]及仿真培训三大功能模块组成。 图1 COREX工艺模拟仿真培训模型和软件的功能模块层次结构 Fig11 L ayers of the modules of modeling,si mulation and training software for COREX 312 计算模块 数值模拟、系统仿真及工艺优化模块是以已实 现工业化的COREX2000为研究对象的计算模块, 它们是建立在数值模拟计算软件的基础上的,是仿 真培训模块数值计算功能的核心,在这里统称为计 算模块。COREX工艺计算模块与SQL Server数据 库完全连接,统一存储和检索输入数据和计算结果。 计算模型输入参数的设定有两种方式①缺省值,创 建新的计算时,有关参数自动设置成建议的标准值 默认数据库存储的默认值 ; ②人工输入,在输入 数据界面直接修改缺省输入值,每个参数都用上、 下 限规定了有效范围,输入参数超出有效范围时计算 机会给出警告信息提示修正。 模型进行数值计算时, 界面会显示计算进度和一些关键数据以便对用户进 行提示。计算完成后,计算结果自动存储到数据库 中,同时可对输出结果进行图形显示。数值模拟功 41钢 铁 第36卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 能模块的输出结果有流场,压力场, CO、CO2浓度 分布,熔融FeO、铁水中[Si]浓度分布,气体温度 场,炉料温度场等。作为例子图2给出了预还原竖 炉数值模拟在典型工况下的等值线图。 图2 预还原竖炉典型工况下的等值线图 Fig12 Contour line of shaft furnace in typical condition 系统仿真功能模块的输出结果有能量和物料平 衡表及报表,在数值模拟联动计算时它可以输出竖 炉和熔化气化炉匹配操作的条件范围。工艺优化功 能模块可针对系统能耗、氧耗和过剩煤气量等不同 目标函数,对COREX工艺的操作参数进行系统优 化,提供预还原矿金属化率和熔化气化炉出口煤气 氧化度等重要控制参数的优化数据,可输出一组如 图3所示的优化曲线。图中的纵坐标为竖炉需要煤 气量和气化炉输出煤气量,两条曲线的交点表示最 优化的操作条件,图中同时给出了最优条件下的煤 耗和氧耗交点值。历史记录与工艺曲线分析是将 随系统时间而变化的工艺参数及相应计算结果用随 时间而变化的曲线显示,可以直观地看出同一时刻 工艺参数、原燃料消耗、渣量相互影响的规律,加 深对COREX工艺的理解。本模块提供了操作参数 曲线,原料消耗曲线,燃料消耗曲线,匹配信息曲 线,渣曲线,共五幅曲线画面。每一曲线始终与整 个仿真程序具有相同的生存周期,仿真模型运行期 间人工干预改变工况后,工艺参数曲线会相应变化, 并载入历史记录。 313 仿真培训功能模块 仿真培训功能模块,借助于图文和动画的生动 形象的演示效果,对COREX工艺进行描述,使学员 尽快掌握COREX炼铁工艺特点,同时学员也可以 进行练习和对所学进行测试。在教学模块中,用 3DMAX对主要的COREX工艺设备进行建模, 并 绘制了COREX工艺流程图,配以文字说明使学员 图3 针对熔融气化炉出口煤气氧化度优化结果界面 Fig13 Interface of opti m ization result for oxidization degree of outlet gas from smelting furnace 对COREX工艺流程及设备有更加生动形象的了 解。对原料系统、供料系统、装料系统、渣铁处理、 煤气清洗、竖炉、熔融气化炉, COREX工艺整体流 程都配以图文说明。对COREX工艺开、停炉, COREX工艺典型事故进行详细文字讲解。对上料 传动系统、竖炉流程、气化炉流程、竖炉和气化炉 联动流程及出铁流程还进行了动态演示。 在练习模块中,学员可以在任意条件下进行计 算和显示典型工况。任意条件下数值计算是系统模 拟,计算输出结果为能量和物料平衡表及报表;典 型工况显示则显示了典型工况条件下的二维数值计 算结果,包括竖炉和熔化气化炉内气相压力场、气 固两相的流场、温度场、浓度场等,这样学员可以 快速了解一些典型的COREX工况参数。 在测试模块中提供了四套测试题,学员可以选 择其中的一套。 每套试题有20道精选的关于 COREX工艺、 设备及操作的选择题。 学员在测试对 话框中用鼠标选择其中的单选按钮,在完成试题交 卷后计算机会自动给出成绩,当超出规定的考试时 间时计算机会自动收卷并给出成绩。这样学员反复 通过仿真培训就可以掌握操作COREX工艺的基本 技能。 表1 COREX冶炼用矿石成分 Table 1 Chem ical composition of iron ore for COREX 项目TFeSi O2A l2O3CaOM gOPS CVRD球团65196214201483108011101030102 CVRD精块66148313011010115010501030102 4 用COREX仿真软件进行投入产出分析 51第4期 周渝生等 COREX熔融还原工艺模拟仿真软件开发 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 以宝钢进口的巴西CVRD球团及精块矿取一 组配比为5050,其成分如表1所示、神府煤和永 城煤其成分如表2所示为原燃料,对COREX炼 铁工艺的原燃消耗进行投入产出计算,计算结果如 表3所示。 按上海宝钢1999年原料价格比前几年低 , 在 表2 COREX用煤的化学成分 Table 2 Chem ical composition of coal for COREX 项目CHONA shSi O2A l2O3CaOM gOP2O5SFe2O3Ti O2M nO 永城煤811243128310011220101424412433172617811900115118411911580105 神府煤6014941871217301906515627164121552710411240116310518701450132 表3 球团 精块矿5050配矿方案消耗 Table 3 Consumption of burden pellet lump 5050 项目 矿石 kgıt- 1 石灰石 kgıt- 1 白云石 kgıt- 1 硅石 kgıt- 1 煤 kgıt- 1 渣 kgıt- 1 炉尘 kgıt- 1 竖炉炉 顶煤气 m3ıt- 1 氧气 kgıt- 1 氮气 kgıt- 1 水 kgıt- 1 电 kW hıt- 1 维修费 元 ıt- 1 人工费 元 ıt- 1 消耗14111123918083180501007751402671604215160010056019011026033101170 上述条件下, COREX工艺的每吨铁水操作成本为 759138元。 如果COREX按投资27亿元C2000,年 产铁75万 t, 分15年折旧,残值按10 计,其折 旧成本为216元 t, 合计COREX工艺的每吨铁水 成本为975138元。 5 结语 宝钢根据现有资料开发出的一套COREX工艺 模拟仿真及培训软件,可用于对COREX工艺的操 作条件选择和优化提供预测信息,为操作人员的提 前培训、 为管理人员提供投入产出预测提供条件,而 且稍作改进,即可用于开发高炉炼铁、转炉炼钢等 冶金工艺模拟仿真培训软件,亦可用于其他熔融还 原工艺的研究开发。 参加本项研究工作的还有夏勇、顾祥林、王成 善、董雪锋、周波、赵华盛、王文忠等同志。 参 考 文 献 1 王成善,肖兴国,邹宗树,等 1COREX炼铁过程能量分析 1 东北大学学报, 1998, 19 增刊 225～2281 上接第7页 3由表4知,改进后,若焦炉采用两高两焦 的运行方式,煤气品种间的互换调节量增大,在满 足轧钢生产需要的条件下,保持高发热值的焦炉煤 气不放散,虽然从热值等价来看,能源损失未变,但 放散的煤气品种可调,为新增用气设备提供便利条 件。 4由表3、4知,仍有一定量的煤气放散,再 上发电机组完全可行。若按再降低放损80 计算, 日节约标准煤55 t,年节约成本600万元。 5 结语 根据现有的煤气平衡系统,通过技术措施,利 用大、中修改造、改善用煤气设施,增设发电机组, 增强管理者的能力和责任心,优化煤气系统的动态 平衡,减少放散,是完全可行的。 已经进行的部分改造说明,将煤气产出与发电 相结合,只要加强管理,经济效益和社会环境效益 显著。优化煤气系统的动态平衡,充分利用二次能 源,是企业争效、挖潜的有效途径之一。 61钢 铁 第36卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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