CN103088176B - 高炉炉壳气隙的侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种高炉炉壳气隙的侦测方法，包括：建立高炉炉壳模型，将高炉炉壳划分为数个区域单元，在区域单元中采集参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度，基于上述参考配置信息、有限元参考位置信息和测量的参考温度计算得到高炉炉壳模型的参考换热系数。基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数，在区域单元中采集现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度，基于上述现场配置信息、有限元现场位置信息和测量的现场温度计算得到高炉炉壳模型的现场换热系数，比较现场换热系数和参考换热系数，得到高炉炉壳的气隙参数。本发明能够有效及时反映高炉炉壳的气隙参数，体现高炉炉壳换热系数的变化，为气隙侦测提供直接依据。

Description

高炉炉壳气隙的侦测方法

技术领域

本发明涉及高炉维护技术，尤其涉及一种高炉炉壳气隙的侦测方法。

背景技术

高炉炉体长寿是现代高炉的重要特征，实际生产过程中冷却壁与碳砖之间出现的炉壳气隙，将影响冷却壁冷却效果，进而加剧炉衬耐火材料的侵蚀速度。

现场生产中，主要通过埋设在碳砖内部的热电偶温度凭借现场经验来判定是否出现气隙，该判定方式经常因为侵蚀条件和冷却条件的波动而收到误判。

总结而言，目前在高炉炉壳长寿和气隙控制管理中，缺乏有效的管理工具和技术手段，现有的手段，基本上都是凭借人工经验来实现，从而炉壳长寿管理的及时性、精确性和全面性将无法保证。

发明内容

本发明借助于在高炉侧壁温度场计算，提出一种稳定可靠的高炉炉壳气隙的侦测方法。

根据本发明的一实施例，提出一种高炉炉壳气隙的侦测方法，包括：

建立高炉炉壳模型，将高炉炉壳划分为数个区域单元，在区域单元中采集参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度，基于上述参考配置信息、有限元参考位置信息和测量的参考温度计算得到高炉炉壳模型的参考换热系数；

基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数，在区域单元中采集现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度，基于上述现场配置信息、有限元现场位置信息和测量的现场温度计算得到高炉炉壳模型的现场换热系数，比较现场换热系数和参考换热系数，得到高炉炉壳的气隙参数。

在一个实施例中，建立高炉炉壳模型中的参考换热系数是区域单元内碳砖侧壁与冷却壁之间的参考换热系数。建立高炉炉壳模型包括如下的步骤：

将高炉炉壳划分为数个区域单元并获取区域单元参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度；

根据测量的参考温度得到高炉参考温度场，基于高炉参考温度场和有限元参考位置信息确定各个区域单元R_i范围内存在的有限元E_i，j，并确定有限元的热流密度q_i，j；

基于有限元参考位置信息确定各区域单元R_i在边界Γ上存在的节点P_i，k，计算边界代表温度T_i；

以加权方式计算各个区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i；

根据区域单元的热量密度代表值q_i、边界代表温度T_i以及冷却水温度，计算各个区域单元R_i内碳砖侧壁与冷却壁之间的参考换热系数

建立高炉炉壳模型是在炉壳无气隙的条件下进行。

在一个实施例中，基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数中的实际换热系数是区域单元内碳砖侧壁与冷却壁之间的实际换热系数。基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数包括如下的步骤：

获取区域单元现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度；

根据测量的现场温度得到高炉现场温度场，基于高炉现场温度场和有限元现场位置信息确定各个区域单元R_i范围内存在的有限元E_i，j，并确定有限元的热流密度q_i，j；

基于有限元现场位置信息确定各区域单元R_i在边界Γ上存在的节点P_i，k，计算边界代表温度T_i；

以加权方式计算各个区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i；

根据区域单元的热量密度代表值q_i、边界代表温度T_i以及冷却水温度，计算各个区域单元R_i内碳砖侧壁与冷却壁之间的现场换热系数α_i；

比较现场换热系数α_i与参考换热系数确定各个区域单元R_i的气隙参数

如果气隙参数大于设定的气隙上限值R₀，则报警。

本发明的高炉炉壳气隙的侦测方法能够有效及时反映高炉炉壳的气隙参数，体现高炉炉壳侧壁热阻即换热系数的变化，为气隙侦测提供直接依据，实现对高炉炉壳气隙的准确侦测。

附图说明

图1揭示了根据本发明的一实施例的高炉炉壳气隙的侦测方法的实现原理。

图2揭示了根据本发明的一实施例的高炉炉壳气隙的侦测方法中建立高炉炉壳模型的过程。

图3揭示了根据本发明的一实施例的高炉炉壳气隙的侦测方法中基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数的过程。

具体实施方式

在高炉生产中，因炉壳传热状态变换缓慢，认为炉壳基本处于稳态传热状态，根据传热学理论，基于热电偶信息和炉壳耐火材料属性等，推算炉壳耐火材料侵蚀线、凝固线位置，并可模拟计算炉壳耐火材料内的温度场。本发明在炉壳侧壁温度场有限元结果基础上，综合计算侧壁炉壳气隙判定指数，以反映炉壳气隙存在的概率和大小。

图1揭示了根据本发明的一实施例的高炉炉壳气隙的侦测方法的实现原理。本发明的侦测方法主要包括如下的几个主要阶段：

数据采集；

温度场计算，基于数据采集阶段获得的数据进行温度场计算；

气隙判定，气隙判定基于两个结果，一个是数据采集阶段获得的数据，另一个是温度场计算阶段得到的温度场；

得到结果，的到气隙判定的结果。

基于炉壳温度场有限元计算信息，可获得炉壳碳砖各区域的温度梯度和对应的传热热流强度，同时也可获得炉壳碳砖的边界温度。即热流密度q为：

$q=-\mathrm{\λ}\·\mathrm{grad}T=-\mathrm{\λ}\·(\frac{\∂T}{\∂x}i+\frac{\∂T}{\∂y}j)$

其中T为温度，λ为耐火材料导热系数，x，y为空间坐标，则gradT为温度T在等温线法线方向上的梯度。炉壳侧壁近似平板传热，在坐标y方向上的传热很小，可忽略。

本发明将易发生气隙的炉壳侧壁区域沿纵坐标y方向离散为N个区域单元，每一个区域单元R_t(t＝1，2，...，N)包括多个有限元个体E_i，j(j＝1，2，...，Ni)，且区域单元可横向跨越不同的耐火材质。

对应某具体区域单元R_i范围内，存在M_i个有限元E_i，j(j＝1，2，...，M_i)，热流密度分别为q_i，j，则区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i为：

$q_i=\underset{j=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}(w_{i,j}\·q_{i,j})=\underset{j=1}{\overset{M_i}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{S_{i,j}}{{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{M_i}{S}_{i,j}}\·q_{i,j})$

其中：w_i，j为E_i，f的加权权重，S_i，j为E_i，j的几何面积。

对应某具体区域单元R_i范围，在碳砖外侧边界Γ上存在L_i个有限元节点P_t，k(k＝1，2，...，L_t)，各节点温度分别为T_i，k，则区域单元R_t的在边界Γ上的代表温度T_t为：

$T_t=\underset{k=1}{\overset{L_t}{\mathrm{\Σ}}}(w_{i,k}\·T_{i,k})=\frac{1}{L_t}\·\underset{k=1}{\overset{L_t}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{i,k}$

其中：w_t，k为T_i，k的加权权重，为1/L_t。

设区域单元R_t对应的冷却水代表温度为T_i，则发生在边界Γ与冷却壁之间的热流强度q_i可表示为：

q_t＝α_t·(T_t-T_t)

其中：α_t为边界Γ与冷却壁之间的换热系统，其综合体现固体热传导效应，以及存在气隙条件下的对流和热辐射效应。

即可根据炉壳温度场有限元计算结果，演绎推算炉壳侧壁的热量密度q_i和碳砖外侧边界温度T_t，并可最终计算确定碳砖侧壁与冷却壁之间的综合换热系数α_i，可表示为：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{q_i}{T_t-T_t^{\′}}$

实际应用过程中，冷却水出入口水温差相对于温度T_t而言很小，温度T_t可用平均水温代替。

当边界Γ与冷却壁之间不存在气隙时，换热形式为碳砖与冷却壁之间的热传导过程以及冷却壁壁体与冷却水之间的对流过程，热交换效率高，α_i数值较大；当边界Γ与冷却壁之间存在气隙时，因气隙的出现增加了换热过程的热阻，热交换效率降低，α_i数值较小。

设高炉开炉或炉壳侧壁压浆操作之后，重新计算炉壳区域单元的综合换热系数α_i，并以表示。则此后本发明实时跟踪不同时期的综合换热系数α_i，并在冷却水量波动有限条件下忽略其对α_i的影响，将α_i与初始系数进行比较对照，进而确定炉壳气隙参数，以表示该区域存在气隙的概率大小和严重程度。

$R_t=\frac{{\mathrm{\α}}_i^0-{\mathrm{\α}}_t}{{\mathrm{\α}}_t^0}\·100\%$

高炉炉壳气隙判定及计算系统，认为炉壳处于稳态传热状态，根据基于炉壳热电偶信息和耐火材料信息所计算的炉壳温度场有限元结果，确定炉壳侧壁外边界的温度和热流强度，进一步推算碳砖与冷却壁之间的热传导换热系数，根据该系数的变化判定炉壳侧壁热阻和确定炉壳气隙参数，为高炉炉壳长寿管理提供指导。

参考图2和图3所示，本发明揭示了一种高炉炉壳气隙的侦测方法，包括：

建立高炉炉壳模型，将高炉炉壳划分为数个区域单元，在区域单元中采集参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度，基于上述参考配置信息、有限元参考位置信息和测量的参考温度计算得到高炉炉壳模型的参考换热系数。图2揭示了建立高炉炉壳模型的过程。

基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数，在区域单元中采集现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度，基于上述现场配置信息、有限元现场位置信息和测量的现场温度计算得到高炉炉壳模型的现场换热系数，比较现场换热系数和参考换热系数，得到高炉炉壳的气隙参数。图3揭示了基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数的过程。

建立高炉炉壳模型中的参考换热系数是区域单元内碳砖侧壁与冷却壁之间的参考换热系数。参考图2所示，建立高炉炉壳模型包括如下的步骤：

201.将高炉炉壳划分为数个区域单元并获取区域单元参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度。

202.根据测量的参考温度得到高炉参考温度场，基于高炉参考温度场和有限元参考位置信息确定各个区域单元R_i范围内存在的有限元E_i，j，并确定有限元的热流密度q_i，j。

203.基于有限元参考位置信息确定各区域单元R_i在边界Γ上存在的节点P_i，k，计算边界代表温度T_i。

204.以加权方式计算各个区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i。

205.根据区域单元的热量密度代表值q_i、边界代表温度T_i以及冷却水温度，计算各个区域单元R_i内碳砖侧壁与冷却壁之间的参考换热系数

因为，参考换热系数是用作气隙侦测的基准数据，因此建立高炉炉壳模型是在炉壳无气隙的条件下进行。

基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数中的实际换热系数是区域单元内碳砖侧壁与冷却壁之间的实际换热系数。参考图3所示，基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数包括如下的步骤：

301.获取区域单元现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度。

302.根据测量的现场温度得到高炉现场温度场，基于高炉现场温度场和有限元现场位置信息确定各个区域单元R_i范围内存在的有限元E_i，j，并确定有限元的热流密度q_i，j。

303.基于有限元现场位置信息确定各区域单元R_i在边界Γ上存在的节点P_i，k，计算边界代表温度T_i。

304.以加权方式计算各个区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i。

305.根据区域单元的热量密度代表值q_i、边界代表温度T_i以及冷却水温度，计算各个区域单元R_i内碳砖侧壁与冷却壁之间的现场换热系数α_i。

306.比较现场换热系数α_i与参考换热系数确定各个区域单元R_i的气隙参数在一个实施例中，如果气隙参数大于设定的气隙上限值R₀，则报警。

本发明的高炉炉壳气隙的侦测方法能够有效及时反映高炉炉壳的气隙参数，体现高炉炉壳侧壁热阻即换热系数的变化，为气隙侦测提供直接依据，实现对高炉炉壳气隙的准确侦测。

Claims (5)

1.一种高炉炉壳气隙的侦测方法，其特征在于，包括：

建立高炉炉壳模型，将高炉炉壳划分为数个区域单元，在区域单元中采集参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度，基于上述参考配置信息、有限元参考位置信息和测量的参考温度计算得到高炉炉壳模型的参考换热系数；所述建立高炉炉壳模型中的参考换热系数是区域单元内碳砖侧壁与冷却壁之间的参考换热系数，所述建立高炉炉壳模型包括：

将高炉炉壳划分为数个区域单元并获取区域单元参考配置信息、有限元参考位置信息并测量参考温度；

根据测量的参考温度得到高炉参考温度场，基于高炉参考温度场和有限元参考位置信息确定各个区域单元R_i范围内存在的有限元B_i，j，并确定有限元的热流密度q_i，j；

基于有限元参考位置信息确定各区域单元R_i在边界Γ上存在的节点P_t，k，计算边界代表温度T_i；

以加权方式计算各个区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i；

根据区域单元的热量密度代表值q_i、边界代表温度T_i以及冷却水温度，计算各个区域单元R_i内碳砖侧壁与冷却壁之间的参考换热系数

基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数，在区域单元中采集现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度，基于上述现场配置信息、有限元现场位置信息和测量的现场温度计算得到高炉炉壳模型的现场换热系数，比较现场换热系数和参考换热系数，得到高炉炉壳的气隙参数。

2.如权利要求1所述的高炉炉壳气隙的侦测方法，其特征在于，

所述建立高炉炉壳模型是在炉壳无气隙的条件下进行。

3.如权利要求1所述的高炉炉壳气隙的侦测方法，其特征在于，

所述基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数中的实际换热系数是区域单元内碳砖侧壁与冷却壁之间的实际换热系数。

4.如权利要求3所述的高炉炉壳气隙的侦测方法，其特征在于，所述基于高炉炉壳模型确定高炉炉壳的气隙参数包括：

获取区域单元现场配置信息、有限元现场位置信息并测量现场温度；

根据测量的现场温度得到高炉现场温度场，基于高炉现场温度场和有限元现场位置信息确定各个区域单元R_i范围内存在的有限元E_i，j，并确定有限元的热流密度q_i，j；

基于有限元现场位置信息确定各区域单元R_i在边界Γ上存在的节点P_t，k，计算边界代表温度T_i；

以加权方式计算各个区域单元R_i范围内的热量密度代表值q_i；

根据区域单元的热量密度代表值q_i、边界代表温度T_i以及冷却水温度，计算各个区域单元R_i内碳砖侧壁与冷却壁之间的现场换热系数α_i；

比较现场换热系数x_i与参考换热系数，确定各个区域单元R_i的气隙参数

5.如权利要求4所述的高炉炉壳气隙的侦测方法，其特征在于，还包括：

如果气隙参数大于设定的气隙上限值R_o，则报警。