CN103593540B - 多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法，具体步骤如下：A沿高炉炉身不同高度取煤气，绘煤气利用率沿高度的分布曲线并用数值计算方法获得其为零时的标高位置；B建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取冷却壁温度发生明显变化区域；C以不同炉料品位的软熔温度，分析确定A和B的测量时炉料品位对应的炉料软熔温度；D以高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型为主源信息，辅以A和C的结论计算软熔带的根部位置。本发明的方法根据可检测数据，获得高炉炉墙热面的温度场分布模型，CO利用率为0的标高位置和进行数据测量时高炉炉料软熔温度，计算出高炉软熔带的根部位置，具有设备投资少、检测精度高等特点。

Description

多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法。

背景技术

高炉冶炼作为钢铁生产过程的上游工序，是钢铁生产中CO₂的主要排放工序和能耗最大的环节。高炉中软熔带不仅支配着气流分布，直接影响高炉煤气利用，对炉内热交换、还原过程和透气性也有极大影响。高炉解剖及实验模拟已经证实了它的存在，炉料的软熔性及高炉操作制度是影响软熔带的位置和形状的主要因素。软熔带模型是高炉煤气流分布和上下部调剂结果的直观反映和重要监视手段，正确推定和维持一个形状合理、高度适当的软熔带，实现优质、低耗、高产具有十分重要的意义。

近年来高炉软熔带的研究分二个方向进行，一是开发硬件装置直接测定，如放射性同位素测定（RI法）、同位素测定法、光脉冲测定法、炉温度测定法、时间区域反射仪测定法（TDR法）等；二是根据高炉特有的检测手段和生产操作参数，用计算机软件技术建立特定的数学模型间接推定，如炉身静压力模型法、炉身上部温度计算法、炉墙垂直温度分布推断法、基于CFD/NHT的高炉炉内温度场仿真法等。虽然二者均可检测出高炉软熔带的位置和形状，但都需采用特定检测设备，投资巨大，日常维护费多，且国外先进技术封锁严密。由于资金和技术等限制，国内高炉配备检测装置的极少，在软熔带位置和形状的检测技术方面还非常落后。目前高炉操作者主要通过参考高炉煤气成分、炉顶压力、炉顶温度、炉喉十字测温、冷却壁温度、铁水温度等测量数据，结合操作经验估计软熔带根部的大概位置，难以给出精确结果。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明旨在提供一种多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法，它能根据高炉冷却壁温度、冷却水温度和流速、炉身静压孔获取的高炉煤气成分、不同品位炉料的软熔温度等可检测数据，获得高炉炉墙热面的温度场分布模型、高炉煤气利用率为零的标高位置和进行数据测量时高炉炉料的软熔温度，多源信息融合分析计算出高炉软熔带的根部位置，具有设备投资少、检测精度高等特点。

本发明多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法的原理如下：

CO利用率机理分析：

高炉软熔带内，矿石、熔剂逐渐软化、熔融而形成液态渣铁，只有焦炭此时仍保持着固体状态。在软熔带内是靠焦炭夹层（即焦窗）透气，而形成的熔融而粘稠的渣铁充填于焦块之间，大大增加了煤气通过的阻力。从风口鼓入高炉的热风经过回旋区向上运动，速度很大的鼓风直冲向软熔带，快速气流对软熔带产生强烈的挤压，使本来透气性很差的矿石层透气性更差。因此，绝大部分高炉煤气绕过软化矿石层，从透气性较好的焦炭层中流过，相对于焦炭层中，只有极少量的高炉煤气从矿石层中流过。高炉煤气通过焦窗时，几乎不发生高炉煤气与含铁氧化物和其他氧化物的氧化还原反应，高炉煤气成分中几乎不含氧化产物CO₂，即在软熔带根部位置的CO利用率为零，据此机理确定高炉软熔带根部位置。

炉墙温度变化机理分析：

根据炉墙热面温度变化，来推断软熔带根部位置。因为软熔带的存在，气流上升到此处受到极大的阻碍，使得从焦窗中流过的高炉煤气的流速急速增加，并且经过焦炭层后由中心向边缘发展，呈树枝状穿过软熔带上升；没有通过软熔带的高速、高温的高炉煤气必然在软熔带下方改变方向，产生回流，因此，紧靠此处炉墙热面温度必然发生明显变化，根据温度变化即可判断软熔带根部必然处在温度变化最大的交界面处。

本发明提供的一种多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法，具体步骤如下：

A沿高炉炉身不同高度方向取高炉煤气，测定并绘制高炉煤气利用率η_co沿高度方向的分布曲线，利用数值计算方法获得η_co为零的标高位置；

B建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取炉墙热面温度发生明显变化的标高区域；

C离线获取不同品位的炉料的软熔温度，确定A和B数据测量时炉料的品位，分析该品位对应的炉料软熔温度；

D以B中建立的高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型为主源信息，辅助A和C中结论进行函数修正，多源信息融合分析计算出高炉软熔带的根部位置。

其中，所述步骤A为沿高炉炉身不同高度方向安装的净压孔取除尘过滤净化后的煤气，分析煤气中CO和CO₂的含量，计算高炉炉身不同高度取样点的煤气利用率η_co=CO₂/(CO+CO₂)，以此绘制煤气利用率沿高度方向的分布曲线，利用数值计算方法获得η_co为零的标高位置。

其中，所述步骤A的详细步骤为：

A1在高炉炉身不同高度方向的各静压孔上安装高炉煤气取气装置，高炉煤气由取气管道导出；

A2将取出的高炉煤气进入高压电磁阀，进行降压处理，使高炉煤气压力降到2.5MPa以下；

A3将降温降压后的高炉煤气，流经压力报警器进行压力监控，超限报警，此时需要人工调节高压电磁阀降压；

A4将降温降压后的高炉煤气导入粉尘过滤器，进行除尘处理，其中煤气的过滤流量约为10m³/min，过滤后可将0.3um以上的粉尘含量降低到1%以下；

A5将降温、降压、除尘后的高炉煤气导入气水分离器和干燥器中作进一步过滤处理，以滤除高炉煤气中的水分；

A6净化后的高炉煤气经调节阀和气体流量计后导入气相色谱仪，以分析炉气中的CO和CO₂含量，其中调节阀和气体流量计将高炉煤气流量稳定在55～65ml/min；

A7计算高炉炉身不同高度方向的煤气利用率η_co=CO₂/(CO+CO₂)，绘制煤气利用率沿高度方向的分布曲线，再利用数值计算方法估计η_co为零的标高位置。

其中，A1所述取气装置主要包括高温取样探头，高温取样探头为管状结构，中心为取气管道，侧壁为夹层内有冷却介质流经的冷却管；经高温取样探头后，由于高温取样探头自带的冷却功能，高炉煤气温度降低到50～70℃，并由取气管道导出。所述的冷却介质优选为水。

其中，A1所述静压孔，采用氮气连续反吹的方法解决其易堵塞问题，氮气流量200～300L/min；当吹扫流量变小不能保持恒流，或者吹气时和不吹气时的仪表显示值相差高达6kpa～7kpa时，说明静压孔已经堵塞，必须人工捅开。

其中，所述步骤B是以待测高炉炉身下部、炉腰及炉腹上部的炉墙实际物理模型为原型，等比例建立计算模型；确定炉墙涉及的所有材料及其物性参数；确定边界条件；利用有限元分析软件ANSYS对高炉炉墙进行三维稳态温度场的分析计算，获得高炉炉墙的稳态温度场分布模型；建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取炉墙的冷却壁温度发生明显变化区域。

其中，所述步骤B的详细步骤为：

B1建立计算模型：以待测高炉炉身下部、炉腰及炉腹上部的炉墙实际物理模型为原型，等比例建立计算模型；

B2建立传热数学模型：高炉炉墙内部的传热可视为稳态导热问题，其三维稳态导热微分方程为：

$\frac{\∂}{\∂x}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\]+\frac{\∂}{\∂y}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\]+\frac{\∂}{\∂z}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂z}\]=0$

其中λ(T)为温度为T(℃)时的导热系数，单位W·m^-1·℃^-1；

B3确定材料属性：确定炉墙涉及的所有材料及其物性参数。

B4确定边界条件：模拟炉墙传热模型的边界条件包括：a)冷却壁温度、高炉炉壳附近空气温度、冷却水温度与流速等测量数据，b)炉壳与周围空气之间、炉墙热面与高炉煤气之间、冷却水与冷却板体之间对流换热的热交换系数等计算数据；

B5计算模型、控制方程和边界条件的离散化：对B1建立的高炉炉墙计算模型利用网格生成技术，进行了不同疏密程度的网格划分，生成计算网格节点；对B2中三维稳态导热微分方程和B4中边界条件在空间网格区域上进行离散；

B6模型数值求解：利用有限元分析软件ANSYS对建立的高炉炉墙计算模型进行三维稳态温度场数值求解；

B7计算结果后处理：将ANSYS中计算结果导入到后处理软件TECPLOT进行后处理，得出整个高炉炉墙的稳态温度场分布；

B8建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取炉墙的冷却壁温度发生明显变化区域。

其中，所述炉墙涉及的所有材料指炉壳、水管、冷却壁、砖衬等。

其中，所述物性参数指体积密度、导热系数、比热容等。

其中，所述步骤C的详细步骤为：

C1结合国内外钢铁厂实验数据和高炉现场数据以及查询相关资料，获取不同炉料品位的软熔温度，确定A和B数据测定时高炉的炉料品位；

C2结合不同炉料品位的软熔温度，分析获得测定时的高炉炉料品位软熔温度。

本发明还提供所述多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法在高炉冶炼中的应用。

本发明提供的优点是：

本发明充分利用高炉冷却壁温度、冷却水温度和流速、高炉炉壳附近空气温度、炉身静压孔获取的高炉煤气成分等可检测数据，利用有限元分析软件ANSYS对高炉炉墙进行三维稳态温度场仿真和高炉煤气利用率计算，分析获得高炉软熔带的根部位置。克服采用特定检测设备的投资巨大、日常维护费多等缺点，克服目前高炉操作者只能通过参考高炉煤气成分、炉顶压力、炉顶温度、炉喉十字测温、冷却壁温度、铁水温度等测量数据，结合操作经验估计软熔带根部的大概位置，无法给出精确结果的缺点，本发明具有设备投资少、检测精度高、可操作性强等特点。

附图说明

图1实施例1中高温取样探头结构示意图。

其中，1为冷却外管，2为冷却内管，3为出水接口，4为进水接口，5为冷却介质。

图2实施例1中高炉煤气成分提取与分析流程图。

其中，1为取样探头，2为高压防腐电磁阀，3为粉尘过滤器，4为报警压力表，5为气水分离器，6为干燥器，7为防爆型抽气泵，8为余气回收，9为调节阀，10为气体流量计，11为气相色谱分析仪。

图3实施例1中建立计算模型的结构示意图。

其中，1为炉喉，2为炉身，3为炉腰，4为炉腹，5为炉缸。

图4实施例1中网格划分示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

所用高炉为钢铁厂2500m³级别高炉。

A沿高炉炉身不同高度方向取高炉煤气，测定并绘制煤气利用率沿高度方向的分布曲线，利用数值计算方法获得η_co为零的标高位置（高炉煤气成分提取与分析流程图如图2，高炉煤气从取样探头1取出，依次流经高压防腐电磁阀2、粉尘过滤器3、报警压力表4、气水分离器5、干燥器6、防爆型抽气泵7、余气回收8、调节阀9、气体流量计10、气相色谱分析仪11进行提取与分析）；

A1该高炉在炉身高度（相对于炉基底部）分别为17.285m、23.5m、58.65m三层的东、南、西、北四个方向上安装有静压孔（共12点），在高炉炉身不同高度方向的各静压孔上安装高炉煤气取气装置，取气装置的主体部分为高温取样探头。高温取样探头为管状结构，见图1，中心为取气管道，侧壁为夹层内有冷却介质流经的内外两侧冷却管；经高温取样探头后，由于高温取样探头自带的冷却功能，高炉煤气温度降低到50～70℃，并由取气管道导出。所述的冷却介质为水。

A2取出的高炉煤气进入高压防腐电磁阀，进行降压处理，使高炉煤气压力降到2.5MPa以下；

A3将降温降压后的高炉煤气，流经YLB-110型压力报警器进行压力监控，报警压力表的测量范围为0～4MPa，超限报警，此时需要人工调节高压电磁阀降压；

A4将降温降压后的高炉煤气导入QUBODX4000型粉尘过滤器，进行除尘处理，其中煤气的过滤流量约为10m³/min，过滤后可将0.3um以上的粉尘含量降低到1%以下；

A5将A4导出的高炉煤气导入气水分离器和干燥器中作进一步过滤处理，以滤除高炉煤气中的水分；

A6经A5处理后的高炉煤气导入调节阀和SL锥形流量计内，以将高炉煤气流量稳定在55～65ml/min(以气体流量计测定)，剩余的高炉煤气经防爆型抽气泵进入余气回收装置；

A7将步骤A6导出的高炉煤气导入GC1120-FID型气相色谱仪分析内，分析高炉煤气中的CO和CO₂含量；

A8计算高炉炉身不同高度方向的煤气利用率η_co＝CO₂/(CO+CO₂)，绘制煤气利用率沿高度方向的分布曲线，再利用数值计算方法(实施例采用：外推法)计算η_co为零的标高位置。

B建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取炉墙热面温度发生明显变化区域；

B1建立计算模型：以待测高炉炉身2下部、炉腰3及炉腹4上部的炉墙实际物理模型为原型，等比例建立计算模型；如图3所示(炉喉1，炉身2，炉腰3，炉腹4，炉缸5)；

B2建立传热数学模型：高炉炉墙内部的传热可视为稳态导热问题，其三维稳态导热微分方程为：

$\frac{\∂}{\∂x}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\]+\frac{\∂}{\∂y}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\]+\frac{\∂}{\∂z}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂z}\]=0$

其中λ(T)为温度为T(℃)时的导热系数，单位W·m^-1·℃^-1；

B3确定材料属性：实施例中高炉炉墙涉及的所有材料及其物性参数如表1。

表1高炉炉墙各部分材料的物性参数

B4确定边界条件：a)冷却水流速、进水温度、高炉炉壳厚度、高炉炉壳附近空气温度等测量数据如表2，b)炉壳与周围空气之间、高炉炉墙热面与高炉煤气之间、冷却水与冷却板体之间对流换热(第三类边界条件)的热交换系数等计算数据如表3；

表2高炉测量的物理参数

表3对流换热系数

其中：t为高炉炉壳附近空气温度，v为冷却水流速。

B5计算模型、控制方程和边界条件的离散化：对B1建立的高炉炉墙计算模型利用网格生成技术，进行了不同疏密程度的网格划分，生成计算网格节点，参见附图4；对B2中三维稳态导热微分方程采用有限体积法进行控制方程的离散，B4中边界条件在空间网格区域上进行离散；

B6模型数值求解：利用有限元分析软件ANSYS14.5对建立的高炉炉墙计算模型进行三维稳态温度场数值求解；

B7计算结果后处理：将ANSYS14.5中计算结果导入到后处理软件TECPLOT10.0.6进行后处理，得出整个高炉炉墙的稳态温度场分布；

B8建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取高炉炉墙热面温度发生明显变化的标高区域。

C离线获取不同品位的炉料的软熔温度，确定本实施例中A和B数据测量时炉料的品位，分析获得实施例中炉料品位的软熔温度，具体数据如表4；

表4炉料结构

D以B中建立的高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型为主源信息，辅助A和C中结论进行函数修正，多源信息融合分析计算出高炉软熔带的根部位置。

注意点：

[1]主要的困难在于高炉炉内的高粉尘环境，造成静压孔容易堵塞，特别是炉身下部的静压孔，由于很接近软熔的成渣带，堵塞现象很严重。采用氮气连续反吹的方法解决堵塞问题。

[2]氮气流量在200～300L/min范围选取。流量太小，取压口容易堵塞；流量太大，测量误差大。

[3]发现吹扫流量变小不能保持恒流，或者吹气时和不吹气时的仪表显示值相差高达6kpa～7kpa时，说明静压孔已经堵塞，必须人工捅开。

[4]计算中对建立的炉墙计算模型进行了不同疏密程度的网格划分。网格划分的疏密影响计算结果，网格划分的太疏，易产生大量的“坏单元”而影响计算的精度；网格划分的太密，增加计算的时间复杂度。根据实际需求，冷却水管内表面附近和炉墙热面进行细化，其他部位则相对稀疏。

[5]结合炉顶高炉煤气成分、炉顶压力、炉顶温度、炉喉十字测温、冷却壁温度、铁水温度等测量数据，并结合操作经验，综合推断和验证高炉软熔带根部的大概位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法，具体步骤如下：

A沿高炉炉身不同高度方向取高炉煤气，测定并绘制高炉煤气利用率η_co沿高度方向的分布曲线，利用数值计算方法获得η_co为零的标高位置；

B建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取炉墙热面温度发生明显变化的标高区域；

C离线获取不同品位的炉料的软熔温度，确定A和B数据测量时炉料的品位，分析该品位对应的炉料软熔温度；

D以B中建立的高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型为主源信息，辅助A和C中结论进行函数修正，多源信息融合分析计算出高炉软熔带的根部位置；

所述步骤A的详细步骤为：

A1在高炉炉身不同高度方向的各静压孔上安装高炉煤气取气装置，高炉煤气由取气管道导出；

A2将取出的高炉煤气进入高压电磁阀，进行降压处理，使高炉煤气压力降到2.5MPa以下；

A3将降温降压后的高炉煤气，流经压力报警器进行压力监控，超限报警，此时需要人工调节高压电磁阀降压；

A4将降温降压后的高炉煤气导入粉尘过滤器，进行除尘处理，其中煤气的过滤流量为10m³/min，过滤后可将0.3um以上的粉尘含量降低到1％以下；

A5将降温、降压、除尘后的高炉煤气导入气水分离器和干燥器中作进一步过滤处理，以滤除高炉煤气中的水分；

A6净化后的高炉煤气经调节阀和气体流量计后导入气相色谱仪，以分析炉气中的CO和CO₂含量，其中调节阀和气体流量计将高炉煤气流量稳定在55～65ml/min；

A7计算高炉炉身不同高度方向的煤气利用率η_co＝CO₂/(CO+CO₂)，绘制煤气利用率沿高度方向的分布曲线，再利用数值计算方法获得η_co为零的标高位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静压孔，采用氮气连续反吹的方法解决其易堵塞问题，氮气流量200～300L/min；当吹扫流量变小不能保持恒流，或者吹气时和不吹气时的仪表显示值相差高达6kpa～7kpa时，说明静压孔已经堵塞，必须人工捅开。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B是以待测高炉炉身下部、炉腰及炉腹上部的高炉炉墙实际物理模型为原型，等比例建立计算模型；确定高炉炉墙涉及的所有材料及其物性参数；确定边界条件；利用有限元分析软件ANSYS对高炉炉墙进行三维稳态温度场的分析计算，获得高炉炉墙的稳态温度场分布模型；建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取高炉炉墙热面温度发生明显变化区域。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B的详细步骤为：

B1建立计算模型：以待测高炉炉身下部、炉腰及炉腹上部的炉墙实际物理模型为原型，等比例建立计算模型；

B2建立传热数学模型：高炉炉墙内部的传热可视为稳态导热问题，其三维稳态导热微分方程为：

$\frac{\∂}{\∂x}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂x}\]+\frac{\∂}{\∂y}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂y}\]+\frac{\∂}{\∂z}\[\mathrm{\λ}\left(T\right)\frac{\∂T}{\∂z}\]=0$

其中λ(T)为温度为T(℃)时的导热系数，单位W·m^-1·℃^-1；

B3确定材料属性：确定高炉炉墙涉及的所有材料及其物性参数；

B4确定边界条件：模拟高炉炉墙传热模型的边界条件包括：a)冷却壁温度、高炉炉壳附近空气温度、冷却水温度与流速测量数据，b)炉壳与周围空气之间、高炉炉墙热面与高炉煤气之间、冷却水与冷却板体之间对流换热的热交换系数计算数据；

B5计算模型、控制方程和边界条件的离散化：对B1建立的高炉炉墙计算模型利用网格生成技术，进行了不同疏密程度的网格划分，生成计算网格节点；对B2中三维稳态导热微分方程和B4中边界条件在空间网格区域上进行离散；

B6模型数值求解：利用有限元分析软件ANSYS对建立的高炉炉墙计算模型进行三维稳态温度场数值求解；

B7计算结果后处理：将ANSYS中计算结果导入到后处理软件TECPLOT进行后处理，得出整个高炉炉墙的稳态温度场分布；

B8建立高炉炉墙热面温度沿高度方向的分布关系模型，获取高炉炉墙热面温度发生明显变化区域。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述炉墙涉及的所有材料指炉壳、水管、冷却壁、砖衬。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述物性参数指体积密度、导热系数、比热容。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C的详细步骤为：

C1结合国内外钢铁厂实验数据、高炉现场数据以及查询相关资料，获取不同品位的炉料的软熔温度，确定A和B数据测量时高炉炉料的品位；

C2结合不同品位的炉料的软熔温度，分析获得测量时高炉炉料品位的软熔温度。

8.权利要求1-7任一项所述多源信息融合确定高炉软熔带根部位置的方法在高炉冶炼中的应用。