高渣系黏度研究模型

1、高渣系黏度研究模型     高爐渣的黏度直接影響料柱的透氣性、爐料順行、渣鐵分離以及爐渣的脫硫能力等，對高爐冶煉具有極其重要的作用。近年來，由于進(jìn)口礦（如高鋁礦）的大量使用，國內(nèi)部分高爐入爐礦石成分波動較大，為適應(yīng)冶煉條件的變化，需不斷調(diào)整高爐渣系，否則會導(dǎo)致料柱透氣性變差、爐墻結(jié)瘤等嚴(yán)重問題。高爐渣系中，終渣成分組成波動較小，且便于取樣測量，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行深入研究。沈峰滿指出，在大量使用高鋁礦時，提高爐渣中的含量，將有助于降低爐渣黏度和提高爐渣脫硫能力。馬麗等通過理論研究與生產(chǎn)實踐分析，對爐渣中氧化鋁不同含量下的氧化鎂含量及二元堿度控制進(jìn)行了研究，提

2、出了爐渣的合理控制范圍。然而高爐渣特別是初渣和中間渣成分復(fù)雜，組成多變，且黏度的測量極其困難，因此現(xiàn)階段所做的工作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了高爐渣對于合理渣系的要求。為了更方便地研究高爐渣黏度隨成分變化的規(guī)律，建立了渣系黏度預(yù)報模型，預(yù)報結(jié)果與試驗結(jié)果一致；李金錫通過試驗以及理論計算建立了渣系黏度的計算模型，可以反映渣系的實際結(jié)構(gòu)。然而以上模型僅僅適用于含量較低（少于）的渣系。高爐初渣、中間渣含量高，成分變化劇烈，黏度波動較大且不便于取樣測黏度，而其流動性直接影響煤氣流的分布和高爐順行，因此有必要建立模型分析高渣系黏度的變化規(guī)律。本文利用五元渣系模擬高爐初渣、中間渣。根據(jù)在工廠所測得初渣中成分的含量范圍，

3、設(shè)計正交試驗測定黏度。隨后采用本課題組開發(fā)的基于的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳（）系統(tǒng)，利用試驗結(jié)果以及文獻(xiàn)中部分?jǐn)?shù)據(jù)訓(xùn)練模型，建立黏度預(yù)報模型。經(jīng)驗證發(fā)現(xiàn)，該模型預(yù)報值與試驗值的誤差在以內(nèi)。隨后利用對其各因素進(jìn)行單因素分析，規(guī)律與文獻(xiàn)及試驗結(jié)果基本一致。試驗方法為了較全面地反映各組分對渣黏度影響的規(guī)律，筆者采用一組正交試驗測量黏度值。選擇二元堿度（）（）、（）、（）、（）作為正交試驗的個因素。在各個鋼鐵廠現(xiàn)場統(tǒng)計平均成分范圍的基礎(chǔ)上適當(dāng)延展，確定此因素變化的個水平，并據(jù)此選擇（）正交表設(shè)計試驗，因素水平如表所示。測量黏度所用渣樣均采用分析純試劑配制。為制作預(yù)熔渣，首先將、按表所示比例稱量混合，放人鉬坩堝中，

4、于高溫爐內(nèi)下恒溫。待合成渣充分熔化混勻后，取出渣樣淬冷、粉碎以備使用。本試驗采用東北大學(xué)研發(fā)的型熔體物性綜合測定儀測定高爐渣的黏度，裝置如圖所示。將準(zhǔn)備好的、預(yù)熔渣粉與一定量的粉末混合成如表所示成分。本試驗所用鉬坩堝的尺寸為：×，壁厚。稱取樣品放入鉬坩堝中，將鉬坩堝置于爐子恒溫帶內(nèi)，接通冷卻水，開啟設(shè)備電源。設(shè)定合適的升溫程序，打開程序升溫，熔化渣樣。當(dāng)爐溫升至?xí)r從爐子的下部通入氬氣（）防止坩堝以及渣樣氧化，實測爐溫達(dá)時，恒溫使渣樣混合均勻。安裝好鉬轉(zhuǎn)頭及轉(zhuǎn)桿，按上升按鈕，使?fàn)t體以一定速率緩慢上升，控制轉(zhuǎn)頭使其停止在距離坩堝底部的位置，按下停止按鈕。設(shè)定鉬轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動鉬轉(zhuǎn)頭，黏度測

5、量開始，待屏幕顯示黏度數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后選擇開始記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)即可連續(xù)測定并記錄出當(dāng)前的黏度和溫度等參數(shù)，直至熔渣黏度過大無法繼續(xù)測量為止。保存試驗數(shù)據(jù)，重新將爐溫升至，取出鉬轉(zhuǎn)頭及轉(zhuǎn)桿。待爐溫下降至?xí)r關(guān)閉冷卻水以及氬氣。為了檢驗測定裝置的測量誤差，用具有確定黏度數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)油對黏度測定裝置進(jìn)行檢驗。結(jié)果表明，該黏度儀平均相對誤差為，表明本套裝置所得出的黏度數(shù)據(jù)可靠性較強。結(jié)果與討論按照正交表進(jìn)行試驗，部分試驗結(jié)果如表所示。下面采用試驗結(jié)果以及文獻(xiàn)中部分高渣系的黏度數(shù)據(jù)，利用本課題組創(chuàng)立的基于的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法（）建立高爐渣黏度預(yù)報模型。粘度模型的訓(xùn)練將影響爐渣黏度的個因素：溫度、二元堿度、（）、（）

6、、（）、（）和（）作為模型的個輸入節(jié)點，即網(wǎng)絡(luò)輸入，網(wǎng)絡(luò)輸出即為渣黏度值。采用××網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即輸入層神經(jīng)元數(shù)為，隱含層神經(jīng)元數(shù)為，輸出層神經(jīng)元數(shù)為。將所用黏度數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后用算法訓(xùn)練次。訓(xùn)練結(jié)果如圖所示，訓(xùn)練相關(guān)系數(shù)為，可見訓(xùn)練結(jié)果較好，保存結(jié)果。黏度模型的預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)訓(xùn)練成功，就相當(dāng)于建立了高爐渣黏度模型。該模型可以模擬高爐渣黏度的客觀變化規(guī)律，可以在某組分爐渣特征值（溫度、二元堿度、（）、（）、（）、（）和（）已知的情況下預(yù)測其目標(biāo)值，即高爐渣的黏度。為了驗證該模型預(yù)測的準(zhǔn)確性及可靠性，選取文獻(xiàn)中幾組特征值不同的高爐渣進(jìn)行黏度預(yù)測，爐渣成分組成見表。將網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的

7、結(jié)果與實際的結(jié)果進(jìn)行對比，誤差分析見表。由表可見，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)報結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好（誤差基本在以內(nèi)），說明用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的黏度模型是可信的，在溫度和成分變化的情況下，可以用來預(yù)測高爐渣的黏度，從而為調(diào)整入爐原料配比提供一定依據(jù)。黏度影響因素分析通過該模型對影響爐渣黏度的參數(shù)進(jìn)行單因素分析，繪制出高爐渣黏度隨單個因素變化的趨勢線。下面討論在，（），（）和（）的條件下，各個因素對高爐渣黏度的影響規(guī)律。單因素分析結(jié)果如圖所示。溫度從圖（）可看出，爐渣的黏度隨著爐溫的上升而減小，這符合爐渣黏度和溫度的關(guān)系式，即：（）含量從圖（）可看出，（）小于時，爐渣黏度隨含量增加而較平緩上升，這主要是因為充當(dāng)網(wǎng)

8、絡(luò)形成體的原因，所形成的四面體通過或等陽離子的電荷補償與連接形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；與此同時，或等陽離子由于充當(dāng)電荷補償功能，從而使得熔體中網(wǎng)絡(luò)修飾體的數(shù)量減少，這在一定程度上也增加了熔體的聚合度。當(dāng)（）大于時，黏度開始急劇上升，也就是說本試驗沒有發(fā)現(xiàn)氧化鋁的兩性現(xiàn)象。這主要是由于高含量的易于與形成高熔點的尖晶石或與和形成晶體，從而使?fàn)t渣黏度急劇增大。通過上述分析，可知在一般冶煉條件下，應(yīng)控制高爐入爐原料的（）不大于。含量從圖（）可以看出，含量的增加可以降低爐渣黏度，這主要是由于在在液態(tài)爐渣中解離出來的陽離子能夠作用于空間四面體結(jié)構(gòu)，在其形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中造成斷口，簡化了空間網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，故可導(dǎo)致黏

9、度的下降。此外，會和渣中酸性氧化物發(fā)生一系列反應(yīng)，生成低熔點化合物，對爐渣起到稀釋作用從而降低黏度。但當(dāng)含量超過一定范圍，爐渣黏度會逐漸增大。其原因是含量過多，將會在渣中形成熔點較高的鎂橄欖石和方鎂石（圖），使渣熔化性溫度顯著升高，黏度增大，流動性變差，透氣性下降，從而影響高爐順行以及煤氣的順利通過。因此必須注意，利用含量的增多來提高爐渣的流動性能，應(yīng)該控制其含量在適宜的范圍內(nèi)（此試驗條件下（）低于），不能過大，也不能過小。含量從圖（）可以看出，爐渣黏度隨著含量的增大而減小。這是因為：首先是堿性氧化物，其含量增多會簡化空間網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，因為陽離子消滅了一個為兩個相鄰的所共有的，機制與其他堿性

10、氧化物的作用類似；其次本身熔點低，其含量過高也會對爐渣起到稀釋作用，導(dǎo)致渣黏度下降。從圖中可知，在的溫度下，（）在范圍內(nèi)，爐渣黏度會明顯降低。高爐冶煉過程中，若爐料中的含量過高，其在下降過程中不斷被還原，可能導(dǎo)致初渣、中間渣的熔化性溫度以及黏度發(fā)生劇烈變化，因此會導(dǎo)致爐況不順。所以為保證高爐順行以及爐況穩(wěn)定，必須控制初渣中含量在適宜的范圍內(nèi)。通常入爐原料中的總鐵含量是固定不可變的，因此為實現(xiàn)初渣中含量的降低，可以通過降低軟融層位置或者增大燒結(jié)礦的金屬化率來實現(xiàn)。含量從圖（）可看出，隨著渣中含量的不斷增加，黏度逐漸降低，直至達(dá)到圖中黏度的最低值。降低爐渣黏度的機制與類似。如果超過黏度的最小區(qū)繼續(xù)

11、增加，將引起黏度的急劇增高。這是因為隨著的增大，爐渣逐漸由酸性渣轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性渣，解離出的陽離子對的破壞已趨于最大值。而在堿性渣中，過高含量的爐渣中會形成高度彌散的固體懸浮小質(zhì)點（小于等于），盡管這些質(zhì)點總的體積分?jǐn)?shù)很小，但其絕對數(shù)量很多，而且細(xì)小顆粒的比表面積大，過剩的表面能使其強烈吸附周圍介質(zhì)中的質(zhì)點，形成了十分穩(wěn)定的雙電層，無形中擴(kuò)大了質(zhì)點的體積，從而使熔體的黏度與的關(guān)系呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)形式急劇增長。含量從圖（）可以看出，爐渣黏度隨著含量的升高，先有略微的下降，這是因為在含量較小的情況下，渣堿度大，過量會導(dǎo)致渣黏度的升高（見下文的影響規(guī)律），而的加入將使其與反應(yīng)生成較低熔點的化合物，從而一定程度

12、上降低爐渣的黏度。隨含量的進(jìn)一步升高，渣黏度顯著增大，這是由在爐渣中的存在形式造成的。在爐渣中以形式存在，而為空間四面體結(jié)構(gòu)，是構(gòu)成液態(tài)渣的基本結(jié)構(gòu)單元，四面體角上的可以與相鄰的共有，眾多的四面體可形成向三位空間延伸的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的每個質(zhì)點由于離子鍵的相互制約而不能任意移動，這就是的加入導(dǎo)致黏度變高的原因。圖給出了三元相圖，條件是，（）。隨著含量的升高，渣系黏度首先會略微下降，然后急劇升高，與模型所給出的單因素分析結(jié)果符合。采用極差分析法，將的黏度試驗結(jié)果繪制出因素與指標(biāo)趨勢圖，如圖所示?？梢姼饕蛩刈兓厔莺蛦我蛩胤治鼋Y(jié)果大致相同，進(jìn)一步證明了模型的可靠性。黏度模型應(yīng)用前景由上述討

13、論可知，通過基于的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的高渣系黏度預(yù)報模型在實際黏度預(yù)測中有一定的可靠性，而且還可以給出單個組分對爐渣黏度的影響趨勢。近年來，鋼鐵企業(yè)原燃料條件的變化，如增加進(jìn)口礦配比（高鋁礦居多），及高爐生產(chǎn)指標(biāo)的改進(jìn)等因素，對高爐順行、煤氣流的正常分布提出了更高的要求，而影響高爐冶煉的最主要因素即為爐渣的流動性能（黏度）。盡管人們進(jìn)行了很多黏度實驗檢測工作，但是爐渣的黏度數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代冶金技術(shù)發(fā)展的需要。采用本模型可以近似模擬高爐初渣、中間渣黏度的變化規(guī)律，結(jié)合其他科研工作者的終渣黏度模型，不僅可以在爐況變化時及時了解爐渣流動性的改變，合理操作高爐，也可以輔助指導(dǎo)高爐原料配料方案（原理見圖）。但是由于高爐冶煉情況復(fù)雜多變，該模型預(yù)報與實際情況還有不小的偏差。為解決此問題，應(yīng)該在該模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善高爐渣數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化該模型。結(jié)語通過試驗研究了富含高爐渣的黏度變化規(guī)律，應(yīng)用基于的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法（）系統(tǒng)，