CN101343676A - 高炉炉腔温度在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高炉炉腔温度的在线检测装置及检测方法，属于仪器、仪表检测领域。特点是：在炉身处设置金属测杆，金属测杆冷端与炉壳固定，热端位于炉腔表面，金属测杆冷端端部设有测距传感器，在金属测杆的轴线方向上的凹槽内设置两个测温传感器，测温传感器上的导线与炉身外的测温信号连接。本发明在金属测杆上能够测出炉衬的厚度和炉腔表面的温度，实现了对炉衬厚度和炉腔温度的连续、在线的测量，避免了热电偶法因测温点被烧蚀而影响对炉腔温度的测量。还可以和历史数据进行比较、实现网上的数据共享。其检测过程简便易行、准确度高，为高炉的冶炼过程提供了新的、直观的技术支持和监测手段。

Description

高炉炉腔温度在线检测装置及检测方法

一、技术领域

本发明涉及一种高炉炉腔温度的在线检测装置及检测方法，属于仪器、仪表检测领域。

二、背景技术

目前，高炉在该部位的测温方法一般是采用热电偶，来推导和判断炉内的温度场变化。由于是采用了热电偶，决定了测温方法存在造价高、间接、不连续，而且在测温点随着炉衬的浸蚀被烧蚀后，将无法得到测温数据的缺陷。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种造价低廉，对炉衬厚度及炉腔表面温度能够进行连续、在线检测的高炉炉腔温度在线检测装置及检测方法。

技术方案：本发明炉墙结构包括：在炉身处至少一根金属测杆，金属测杆的冷端置于炉身外通过法兰盘与炉壳固定，金属测杆的热端位于炉腔表面，在金属测杆冷端端部设有测距传感器并通过导线与测距信号连接，在金属测杆的轴线方向上设有凹槽，凹槽内至少设置两个的测温传感器，测温传感器上的导线与炉身外的测温信号连接。

在金属测杆的轴线方向上的凹槽内设有备用测温传感器，测温传感器上的导线与炉身外的备用测温信号连接。

测距传感器外装有保护盒，测距信号，测温信号及备用信号均通过它于下位机实现联接。

炉衬与金属测杆的缝隙处充满填料。

将埋入炉身中的金属测杆作为传播介质，把金属测杆中的热传导看作是无内热源的、稳态的一维导热过程，设定冷却壁与炉衬界面处为坐标零点，利用超声波测距，通过安装在金属测杆(11)冷端的测距传感器，得到金属测杆的长度信号，由下位机将长度信号经过处理送达上位机，计算出炉衬处金属测杆的长度x；由于炉衬处的金属测杆上的测温传感器与坐标零点之间的距离为已知x₁、x₄，试将测温传感器处的温度信号通过下位机传至上位机，得测温传感器两点处的温度T₁和T₄，通过下式即可计算出测杆热端即炉腔表面的温度T：

${\mathrm{\λ}}_{0}T+\frac{1}{2}\mathrm{\α}{T}^2=\mathrm{Cx}+C_1$

其中λ₀为金属测杆在0℃时的导热系数，α为金属测杆的温度系数，C和C₁是待定系数，它们的数值由x₁、x₄处金属测杆上的温度T₁和T₄来决定，金属测杆中预设置的测温传感器以及它们的信号线为备用，以便测温传感器随着炉衬的侵蚀被烧损的情况下，提供新的测温点。

本发明在一根金属测杆上能够测出炉衬的厚度x和其在炉腔表面的温度T，实现了对炉衬厚度x和炉腔温度T的连续、在线的测量，避免了热电偶法因测温点被烧蚀而影响对炉腔温度的测量。由于在测距传感器上装有保护盒，有效地保护了测距传感器不受外界环境的影响。炉衬与金属测杆的缝隙处充满填料，预防炉膛内煤气的外泄。若检测点的个数和布局合理，该技术可描绘高炉炉衬厚度x和炉腔温度T的面分布图。还可以和历史数据进行比较、实现网上的数据共享。

其检测过程简便易行、准确度高，为高炉的冶炼过程提供了新的、直观的技术支持和监测手段。

四、附图说明

图1为高炉炉腔温度在线检测装置的剖视图。

五、具体实施方式

实施例1

安装工艺：本发明的炉身部分包括：法兰8、炉壳9、冷却壁10、炉衬16，炉身内设有至少一根金属测杆11，金属测杆11的冷端置于炉墙外通过法兰盘8与炉身9固定，金属测杆11的冷端端部设有测距传感器6，并通过导线与测距信号1连接，金属测杆11的热端位于炉腔表面17，且与炉腔表面17同步侵蚀；位于炉衬16处的金属测杆11的轴线方向上设有凹槽，凹槽内至少设有两个测温点，测温点处装有测温传感器12、15，它们距以冷却壁与炉衬介面为坐标零点0处的距离为已知x₁、x₄，测温传感器12和测温传感器15上的导线沿凹槽引出炉墙与测温信号2、3连接，位于坐标零点为x₂、x₃处的测温传感器13、14，以及它们的信号线4、5为备用，以便测温传感器15随着炉衬的侵蚀被烧损时，提供新的测温点；测距传感器外装有保护盒7，测距信号1，测温信号2、3及备用信号4、5均通过它于下位机实现联接，炉衬16与金属测杆11的缝隙处充满填料。借助于已成熟的超声波测距技术和非平衡电桥测温技术，根据传热学原理，将金属测杆11中的热传导视为一维导热问题，由理论计算得出炉腔温度的测量值T。

测量原理：把埋入炉墙中的金属测杆11作为传播介质，由于金属测杆11的导热系数远大于炉墙衬砖的导热系数，两者的差距大于两个数量级，因此，当高炉处于正常的生产运行中时，将埋入炉身中的金属测杆11的热传导视为是稳态的、无内热源的一维导热问题。设定冷却壁10与炉衬16的界面为坐标零点0，利用超声波测距，由下位机通过安装在金属测杆11的冷端的测距传感器6，得到金属测杆的长度信号1，将长度信号经过处理送达上位机，计算出金属测杆的长度x；位于炉衬16处的金属测杆11上的测温传感器12、15与坐标零点的距离x₁、x₄为已知，将测温传感器处的测温信号通过下位机传至上位机，得到测温点x₁、x₄处的温度T₁、T₄，通过下列表达式计算出测杆11热端17即炉腔表面的温度T：

$\mathrm{\ρc}\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂t}{\∂z}\right)+q_v---\left(1\right)$

其中λ、ρ、c、q_v、分别表示微元体的导热系数、密度、比热容、单位时间内单位体积中热源的生成热；

因为： $\frac{\∂t}{\∂\mathrm{\τ}}=0$ ——稳态；q_v＝0——无内热源

所以一维情况下的稳态导热的微分方程由下式给出：

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left(\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}\right)=0---\left(2\right)$

显然， $\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}=\mathrm{const}=C$ 分离变量有

λdT＝Cdx  ——(3)

金属测杆11的导热系数与温度的关系经过Matlab的线性拟合后，充分满足了下述关系：

即，λ＝λ₀(1+αT)

其中：λ₀——金属测杆在0℃时的导热系数；α——金属测杆的温度系数

对(3)式两边积分：

∫λ₀(1+αT)dT＝∫Cdx

则有：

${\mathrm{\λ}}_{0}T+\frac{1}{2}\mathrm{\α}{T}^2=\mathrm{Cx}+C_1---\left(4\right)$

其中，C和C₁是待定系数，将坐标零点设定在冷却壁10与炉衬16的分界面处，两个测温传感器的位置距坐标零点的距离为x₁、x₄，并测得该点相应的温度T₁、T₄，代入上式可确定C和C₁的值，然后由超声波测距得出的金属测杆11在炉衬处的长度x，即可计算出炉腔表面17的温度值T。

在线检测：通过控制室的下位机(数据采集器)，采集测距传感器6得到的炉衬厚度x信号和测温传感器12、15得到的温度信号T₁、T₄，将厚度和温度的数据传输给上位机，经过上位机的计算，得到金属测杆11热端既炉腔表面17的温度T。

下位机设置了测温、测距参数的调节功能，可将所有的数据上传至上位机，实现多测点的炉腔温度的在线检测，并描绘炉衬厚度和炉腔温度的面分布图。同时它还具备数据的存储与打印、与历史数据的比较以实现网上的数据共享。

误差分析：

由(4)式可知温度场的分布函数为：

$T=\frac{-{\mathrm{\λ}}_0+\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0^2+2a(\mathrm{Cx}+C_1)}}{a}$

对其两边同时取自然对数有：

$\ln T=\ln \frac{-{\mathrm{\λ}}_0+\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0^2+2a(\mathrm{Cx}+C_1)}}{a}$

然后两边求导数：

$\frac{\mathrm{dT}}{T}=\frac{1}{-{\mathrm{\λ}}_0+\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0^2+2a(\mathrm{Cx}+C_1)}}\·\frac{\mathrm{aC}}{\sqrt{{\mathrm{\λ}}_0^2+2a(\mathrm{Cx}+C_1)}}\·\mathrm{dx}---\left(5\right)$

分析上式可知：等式左边表示的是温度的相对误差，等式右边表示的是位置的相对误差，从上式可以看出温度的相对误差与位置的相对误差近视满足如下关系：

$\frac{\mathrm{dT}}{T}\∝A\frac{\mathrm{dx}}{x+\sqrt{x}}$

式中A是固化了(5)式中所有系数的一个综合性的常数，从中可以定性的看出温度的相对误差随位置x的增大而减小。

本发明炉身内设置的金属测杆11的根数，可根据用户需求设定。

Claims (5)

1、高炉炉腔温度在线检测装置，其炉身结构包括：法兰(8)、炉壳(9)、冷却壁(10)、炉衬(16)，其特征在于：在炉身处至少设置一根金属测杆(11)，金属测杆(11)的冷端置于炉身外通过法兰盘(8)与炉壳(9)固定，金属测杆(11)的热端位于炉腔表面(17)，在金属测杆(11)冷端端部设有测距传感器(6)并通过导线与测距信号(1)连接，在金属测杆(11)的轴线方向上设有凹槽，凹槽内至少设置两个的测温传感器(12、15)，测温传感器(12、15)上的导线与炉身外的测温信号(2、3)连接。

2、根据权利要求1所述高炉炉腔温度在线检测装置，其特征在于：在金属测杆(11)的轴线方向上的凹槽内设有备用测温传感器(13、14)，测温传感器(13、14)上的导线与炉身外的备用测温信号(4、5)连接。

3、根据权利要求1所述高炉炉腔温度在线检测装置，其特征在于：测距传感器(6)外装有保护盒(7)，测距信号(1)，测温信号(2、3)及备用信号(4、5)均通过它于下位机实现联接。

4、根据权利要求1所述高炉炉腔温度在线检测装置，其特征在于：炉衬(16)与金属测杆11的缝隙处充满填料。

5、高炉炉腔温度在线检测方法，其特征在于：将埋入炉身中的金属测杆(11)作为传播介质，把金属测杆(11)中的热传导看作是无内热源的、稳态的一维导热过程，设定冷却壁(10)与炉衬(16)界面处为坐标零点，利用超声波测距，通过安装在金属测杆(11)冷端的测距传感器(6)，得到金属测杆(11)的长度信号，由下位机将长度信号经过处理送达上位机，计算出炉衬(16)处金属测杆(11)的长度x；由于炉衬(16)处的金属测杆(11)上的测温传感器(12、15)与坐标零点的之间距离为已知x₁、x₄，试将测温传感器(12、15)处的温度信号通过下位机传至上位机，得测温传感器(12、15)处的温度T₁和T₄，通过下式即可计算出测杆热端即炉腔表面(17)的温度T：

${\mathrm{\λ}}_{0}T+\frac{1}{2}\mathrm{\α}{T}^2=\mathrm{Cx}+C_1$

其中λ₀为金属测杆(11)在0℃时的导热系数，α为金属测杆(11)的温度系数，C和C₁是待定系数，它们的数值由x₁、x₄处金属测杆(11)上的温度T₁和T₄来决定，金属测杆(11)中预设置的测温传感器(13、14)以及它们的信号线(4、5)为备用，以便测温传感器(15)随着炉衬的侵蚀被烧损的情况下，提供新的测温点。

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