阅读说明：本技术 高炉料面形状的表征方法、系统、设备及存储介质 (method, system, equipment and storage medium for characterizing blast furnace burden surface shape ) 是由 雷磊 孙小东 向舒越 王劲松 谢皓 刘中保 赵宽 王刚 杨博 邓涛 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高炉料面形状的表征方法、系统、设备及存储介质,该方法包括：采集基础数据,所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状,根据所述料面形状提取料面特征参数；根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数。本发明通过精准的表征料面形状和布料矩阵信息,为操作者在上部调剂过程中提供料面形状表征参考,有利于精确及时调整布料制度,改善煤气流分布,实现高炉生产稳定顺行。(the invention provides a characterization method, a characterization system, characterization equipment and a characterization storage medium of blast furnace burden surface shape, wherein the method comprises the following steps: acquiring basic data, wherein the basic data comprises equipment parameters, furnace burden characteristic parameters and a charging matrix of the bell-less furnace top; simulating a material flow track to calculate the material flow width and the position coordinates of a furnace charge drop point; calculating the charge level shape formed by the furnace burden falling from each chute inclination angle by using a finite element method, and extracting charge level characteristic parameters according to the charge level shape; and calculating a distribution index representing the shape of the charge level and the distribution matrix according to the charge level characteristic parameters. According to the invention, the charge level shape representation reference is provided for an operator in the upper regulation process by accurately representing the charge level shape and the distribution matrix information, so that the distribution system can be accurately and timely adjusted, the distribution of coal gas flow is improved, and the stable and smooth production of the blast furnace is realized.)

高炉料面形状的表征方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及高炉冶炼控制技术领域，特别是涉及一种高炉料面形状的表征方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

上部调剂，是在炉型和原料物理性能一定的情况下，通过下部控制燃烧带，中部控制软熔带以获得合理的煤气流分布。在高炉炉喉，煤气的分布主要取决于炉料的分布，因此，可以通过布料来控制煤气分布。其中，装料制度构成了高炉上部调剂的核心，装料制度通过调整高炉径向上矿石与焦炭的分布比例，形成合理的料面形状，影响软熔带形状构成，进而影响炉内煤气流分布和高炉的稳定顺行。

料面形状与炉顶设备参数、装料制度、炉料特性等诸多因素相关，然而，传统的模型和实验仅仅只给出料面的二维形状，布料矩阵的调整仍旧是依靠经验和直觉，无法精准控制布料，导致难以保证高炉稳定运行。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高炉料面形状的表征方法、系统、设备及存储介质，用于解决现有技术中无法表征料面形状，导致高炉难以稳定运行的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面，本发明提供一种高炉料面形状的表征方法，包括：

采集基础数据，所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；

模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；

利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状，根据所述料面形状提取料面特征参数；

根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数。

本申请的第二方面，提供一种高炉料面形状的表征系统，包括：

采集模块，用于采集基础数据，所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；

第一计算模块，用于模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；

第二计算模块，用于利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状，根据所述料面形状提取料面特征参数；

料面表征模块，用于根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数。

本申请的第三方面，提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行指令，所述一个或多个处理器执行所述执行指令使得所述电子设备执行上述的高炉料面形状的表征方法。

本申请的第四方面，提供一种存储介质，存储至少一种程序，其中，所述至少一种程序在被调用时执行上述的高炉料面形状的表征方法。

如上所述，本发明的高炉料面形状的表征方法、系统、设备及存储介质，具有以下有益效果：

本发明通过精准的表征料面形状和布料矩阵信息，为操作者在上部调剂过程中提供料面形状表征参考，有利于精确及时调整布料制度，改善煤气流分布，实现高炉生产稳定顺行。

附图说明

图1显示为本发明实施例提供的无料钟式炉顶布料过程示意图；

图2显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法流程图；

图3显示为本发明另一实施例提供的高炉料面形状的表征方法完整流程图；

图4显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法中步骤S2流程图；

图5显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法中步骤S3流程图；

图6显示为本发明实施例提供的料面形状特征参数示意图；

图7显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法中步骤S4流程图；

图8显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统结构框图；

图9显示为本发明另一实施例提供的高炉料面形状的表征系统完整结构框图；

图10显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统中第一计算模块结构框图；

图11显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统中第二计算模块结构框图；

图12显示为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统中料面表征模块结构框图；

图13显示为本发明实施例提供的面向工业互联网平台的设备结构框图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。

在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。

虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一预设阈值可以被称作第二预设阈值，并且类似地，第二预设阈值可以被称作第一预设阈值，而不脱离各种所描述的实施例的范围。第一预设阈值和预设阈值均是在描述一个阈值，但是除非上下文以其他方式明确指出，否则它们不是同一个预设阈值。相似的情况还包括第一音量与第二音量。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

请参阅图1，本发明实施例提供的无料钟式炉顶布料过程示意图，用于计算表征料面形状和布料矩阵的综合布料指数。本实施例中涉及包括受料罐-料流阀-中心喉管-溜槽-炉喉等布料环节，模拟炉料依次上述设备中的运动，并形成最终料面形状。针对料面形状，提取料面特征参数，计算各项布料指数。

为减少其他因素干扰，针对布料过程做如下假设以对无料钟式炉顶布料的料面形状进行表征：

1)整个布料过程，所有炉料以布料元为基本单元运动。

2)忽略布料过程中料面下降的影响。

3)假设煤气流在炉喉部位处处均匀。

4)忽略左右料线偏差。

请参阅图2，本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法流程图，包括：

步骤S1，采集基础数据，所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；

其中，无料钟炉顶的设备参数包括：炉喉半径R_th、节流阀开度、中心喉管长度l_th、溜槽长度l_r、溜槽倾动距h_t、溜槽摩擦系数μ_r、溜槽悬挂点位置h_r和溜槽转速ω_r。炉料特性参数包括：炉料的堆密度ρ和炉料的安息角β。装料矩阵包括：批重M、装料顺序、布料档位、档位对应溜槽倾角θ和档位对应的布料圈数N_C，N_O。

步骤S2，模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；

步骤S3，利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状，根据所述料面形状提取料面特征参数；

步骤S4，根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数(其中，布料指数包括综合布料指数、边缘布料指数、平台布料指数、中心布料指数)。

在本市实施中，通过精准的表征料面形状和布料矩阵信息，为操作者在上部调剂过程中提供面料形状的表征参考，有利于精确及时调整布料制度，改善煤气流分布，实现高炉生产稳定顺行。

请参阅图3，为本发明另一实施例提供的高炉料面形状的表征方法完整流程图，包括：

步骤S1，采集基础数据，所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；

步骤S2，模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；

步骤S3，利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状，根据所述料面形状提取料面特征参数；

步骤S4，根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数；

步骤S5，利用所述布料指数调整上部调剂以控制煤气流分布，其中，所述布料指数包括综合布料指数、边缘布料指数、平台布料指数和中心布料指数。

其中，该步骤S5具体包括：所述布料指数表征了炉料在炉喉部位半径方向上的各点矿焦比和气流分布，布料指数越大，边缘气流越强；布料指数越小，则表示中心气流旺盛；根据所述述布料指数调整上部调剂以控制煤气流分布。只有保证布料指数在一定范围，煤气流分布合理，才能提高煤气利用率。

在本实施例中，通过计算到的布料参数，将所述布料参数作为调整上部调剂的参考数据，确保布料指数在一定范围，能够精确地控制煤气流分布，使得煤气流分布合理，从而提高了煤气利用率。

请参阅图4，本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法中步骤S2流程图，包括：

步骤S201，根据料流流量Q、炉料到达溜槽初速度υ₀、炉料密度ρ计算炉料单位时间通过溜槽横截面的面积；

具体利用如下公式计算溜槽横截面的面积：

式中，S----炉料单位时间通过溜槽横截面的面积，m²；

Q----料流流量，t/s；

ρ----炉料密度，t/m³；

υ₀----炉料到达溜槽初速度，m/s；

步骤S202，根据炉料单位时间通过溜槽横截面的面积，求解炉料料流在溜槽内所占面积对应的角度α，进而求解料流宽度W_f和修正溜槽倾动距；

具体利用如下公式计算料流宽度和修正溜槽倾动距：

式中，α----炉料料流在溜槽内所占面积对应的角度，°；

r----溜槽半径，m；

W_f----料流宽度，m；

步骤S203，根据溜槽长度l_r、溜槽角度θ、溜槽修正倾动距l_t、料流宽度W_f计算炉料到达溜槽末端的速度υ₁；

具体利用如下公式计算炉料到达溜槽末端的速度：

式中，υ₁----炉料到达溜槽速度，m/s；

θ----溜槽角度，°；

l_r----溜槽长度，m；

l_t----溜槽倾动距，m；

ω_r----溜槽旋转速度，rad/s；

步骤S204，根据炉料达到溜槽末端速度υ₁、料流宽度W_f、料线高度h、煤气压力P_g计算炉料在炉内落点位置的横坐标L_f。

具体利用如下公式计算料在炉内落点位置的横坐标：

式中，m₀----布料单元质量m₀＝ρL_i ³，kg；

P_g----煤气流压力，Pa；

在本实施例中，根据溜槽末端速度、料流宽度、料线高度和煤气压力计算炉料在炉内落点位置的横坐标，能够根据不同料线高度、不同料流宽度和不同煤气压力计算炉料(矿石和焦炭)的落点位置，从而获取到料流的运动轨迹，便于后续表征料面的形状。

请参阅图5，为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法中步骤S3流程图，包括：

步骤S301，将炉喉半径划分为m等分，形成布料元，并将料批分为n个布料元；

具体地，利用如下公式将料批分为布料元：

式中，Li----布料元的边长，m；

R_th----炉喉直径，m；

m-----设定的炉喉划分份数；

步骤S302，构建基本料面函数，在每个档位下，形成相应的料面形状；

具体地，采用三段直曲线式描述，堆尖处用半径为R的圆弧，两侧为直线段，详见公式如下：

式中，R--料面函数曲线段半径,m；

β--炉料自然堆角，°；

Δβ--内外堆角修正角，°；

步骤S303，根据布料圈数由布料单元填充料面形状，当填充完规定的圈数后切换到下一个档位，直至炉料布完时，将所有档位的料面形状叠加在一起，生成最终料面形状；

步骤S304，根据最终料面形状，提取料面特征参数包括漏斗深度H_f、漏斗坡度θ_s、边缘宽度W_e、平台宽度W_p和中心范围料W_m。

在本实施例中，采用有限元次法计算炉料形成的料面形状，由于有限元法采用了矩阵的表达形式，可以非常简单的描述问题，使求解问题的方法规范化，便于编制计算机程序，其充分利用了计算机的高速运算和大量存储功能，方法优越，应用范围广便于推广普及。详见图6中，本发明实施例提供的料面形状特征参数示意图，通过漏斗深度H_f、漏斗坡度θ_s、边缘宽度W_e、平台宽度W_p和中心范围料W_m能够较为精准的反应最终料面形状。

请参阅图7，为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征方法中步骤S4流程图，包括：

步骤S401，根据边缘宽度W_e、炉料密度ρ、布料矩阵计算矿和焦边缘布料指数B_E；

具体地，利用如下公式计算矿和焦边缘布料指数，即，边缘布料指数；

当L_i＞R_th-W_e时：

式中，B_E----边缘布料指数；

R_th----炉喉半径；

W_e----料面形状的边缘宽度；

m----边缘宽度对应的档位数；

L_i----i档炉料落点位置；

N_Oi，N_Ci----i档矿石、焦炭圈数；

T_O，T_C----矿批重、焦批重；

ρ_O，ρ_C----矿石、焦炭堆密度；

步骤S402，根据平台宽度W_p、炉料密度ρ、布料矩阵计算矿和焦平台布料指数；

当R_th-W_e＞L_i＞R_th-W_e-W_p时：

式中，B_P----平台布料指数；

W_P----料面形状的平台宽度；

n----平台宽度对应的档位数；

具体地，利用上述公式计算矿和焦平台布料指数，即，平台布料指数；

步骤S403，根据中心范围W_m、炉料密度ρ、布料矩阵计算矿和焦中心布料指数；

具体地，利用如下公式计算矿和焦中心布料指数，即，中心布料指数；

当R_th-W_e-W_p＞L_i时：

式中，B_M----平台布料指数；

t----最大档位数；

步骤S404，根据炉料密度ρ、布料矩阵计算综合布料指数。

具体地，利用如下公式计算综合布料指数；

式中，B----综合布料指数；

在本实施例中，通过布料指数精准的表征出高炉料面的形状，例如，料面形状和布料矩阵的布料指数，有效克服了传统模型和实验仅能反应面料的二维形状的问题，从而精准控制布料，确保高炉稳定顺行。

请参阅图8，为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统结构框图，包括：

采集模块1，用于采集基础数据，所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；

第一计算模块2，用于模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；

第二计算模块3，用于利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状，根据所述料面形状提取料面特征参数；

料面表征模块4，用于根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数。

请参阅图9，为本发明另一实施例提供的高炉料面形状的表征系统完整结构框图，包括：

采集模块1，用于采集基础数据，所述基础数据包括无料钟炉顶的设备参数、炉料特性参数和装料矩阵；

第一计算模块2，用于模拟料流轨迹计算料流宽度和炉料落点位置坐标；

第二计算模块3，用于利用有限元次法计算各溜槽倾角下落的炉料形成的料面形状，根据所述料面形状提取料面特征参数；

料面表征模块4，用于根据所述料面特征参数计算表征料面形状和布料矩阵的布料指数；

上部调剂控制模块5，利用所述布料指数调整上部调剂以控制煤气流分布。

其中，所述布料指数表征了炉料在炉喉部位半径方向上的各点矿焦比和气流分布，布料指数越大，边缘气流越强；布料指数越小，则表示中心气流旺盛；根据所述述布料指数调整上部调剂以控制煤气流分布。只有保证布料指数在一定范围，煤气流分布合理，才能提高煤气利用率。

请参阅图10，为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统中第一计算模块结构框图；包括：

溜槽横截面计算单元21，用于根据料流流量、炉料到达溜槽初速度、炉料密度计算炉料单位时间通过溜槽横截面的面积；

料流宽度和溜槽倾动距计算单元22，用于根据炉料单位时间通过溜槽横截面的面积，求解炉料料流在溜槽内所占面积对应的角度α，进而求解料流宽度和修正溜槽倾动距；

溜槽速度计算单元23，用于根据溜槽长度、溜槽角度、溜槽修正倾动距、料流宽度计算炉料到达溜槽末端的速度；

炉料横坐标计算单元24，用于根据炉料达到溜槽末端速度、料流宽度、料线高度、煤气压力计算炉料在炉内落点位置的横坐标。

请参阅图11，为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统中第二计算模块结构框图；包括：

布料元划分单元31，用于将炉喉半径划分为m等分，形成布料元，并将料批分为n个布料元；

料面形状构建单元32，用于构建基本料面函数，在每个档位下，形成相应的料面形状；

最终料面形状生成单元33，用于根据布料圈数由布料单元填充料面形状，当填充完规定的圈数后切换到下一个档位，直至炉料布完时，将所有档位的料面形状叠加在一起，生成最终料面形状；

料面特征参数计算单元34，用于根据最终料面形状，提取料面特征参数包括漏斗深度H_f、漏斗坡度θ_s、边缘宽度W_e、平台宽度W_p和中心范围料W_m。

请参阅图12，为本发明实施例提供的高炉料面形状的表征系统中料面表征模块结构框图；包括：

边缘布料指数计算单元41，用于根据边缘宽度、炉料密度、布料矩阵计算矿和焦边缘布料指数；

平台布料指数计算单元42，用于根据平台宽度、炉料密度、布料矩阵计算矿和焦平台布料指数；

中心布料指数计算单元43，用于根据中心范围、炉料密度、布料矩阵计算矿和焦中心布料指数；

综合布料指数计算单元44，用于根据炉料密度、布料矩阵计算综合布料指数。

在上述实施例中，高炉料面形状的表征系统和缓高炉料面形状的表征方法为一一对应关系，因此，其对应的技术细节与技术效果不在一一赘述。

请参阅图13，为本发明提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器61；

存储器62；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中62并被配置为由所述一个或多个处理器61执行指令，所述一个或多个处理器执行所述执行指令使得所述电子设备执行如上述的高炉料面形状的表征方法。

所述处理器61可操作地与存储器和/或非易失性存储设备耦接。更具体地，处理器61可执行在存储器和/或非易失性存储设备中存储的指令以在计算设备中执行操作，诸如生成图像数据和/或将图像数据传输到电子显示器。如此，处理器可包括一个或多个通用微处理器、一个或多个专用处理器(ASIC)、一个或多个现场可编程逻辑阵列(FPGA)、或它们的任何组合。

适用于电子设备中，于实际的实施方式中，所述电子设备例如为包括但不限于笔记本电脑、平板电脑、移动电话、智能手机、媒体播放器、个人数字助理(PDA)、导航仪、智能电视、智能手表、数码相机等等，还包括其中两项或多项的组合。应当理解，本申请于实施方式中描述的电子设备只是一个应用实例，该设备的组件可以比图示具有更多或更少的组件，或具有不同的组件配置。所绘制图示的各种组件可以用硬件、软件或软硬件的组合来实现，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。在本申请的具体实施方式中，将以所述电子设备为智能手机为例进行说明。

本申请另一实施例中，还公开一种计算机可读的存储介质，所述计算机可读的存储介质存储至少一种程序，所述至少一种程序在被调用时执行所述高炉料面形状的表征方法。其中，所述表征方法参阅图1及关于图1的相关描述，在此不加赘述。

另外需要说明的是，通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的部分或全部可借助软件并结合必需的通用硬件平台来实现。

基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可包括其上存储有机器可执行指令的一个或多个机器可读介质，这些指令在由诸如计算机、计算机网络或其他电子设备等一个或多个机器执行时可使得该一个或多个机器根据本申请的实施例来执行操作。例如执行机器人的控制方法中的各步骤等。机器可读介质可包括，但不限于，软盘、光盘、CD-ROM(紧致盘-只读存储器)、磁光盘、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、磁卡或光卡、闪存、或适于存储机器可执行指令的其他类型的介质/机器可读介质。其中，所述存储介质可位于机器人也可位于第三方服务器中，如位于提供某应用商城的服务器中。在此对具体应用商城不做限制，如小米应用商城、华为应用商城、苹果应用商城等。

本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

综上所述，本发明通过精准的表征料面形状和布料矩阵信息，为操作者在上部调剂过程中提供料面形状表征参考，有利于精确及时调整布料制度，改善煤气流分布，实现高炉生产稳定顺行。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。