CN103981317A - 基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测方法，该方法利用铁水沟底部所埋热电偶的测温数据，最终辨识出铁口处的铁水温度。该方法解决了高炉铁水温度检测需人工参与，间断不连续，耗材多，测温值不稳定的问题。

Description

基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测方法

技术领域

本发明涉及炼铁技术领域，更具体涉及基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测的方法。

背景技术

高炉是当前主要的工业炼铁装置。维持安全、稳定、顺行的炉况，能够保证高炉的长寿、高产、优质、低耗，对国民经济的增长及节能降耗减排目标的达成具有重要意义。炉温是衡量高炉炉况的重要参数，过高或过低的炉温均会导致炉况不顺。炉温低，铁水物理热不足，炉缸热储备不够，不仅铁水质量差，且容易造成严重的炉缸冻结事故。炉温高，炉缸煤气流太过旺盛，导致悬料、崩料等炉况故障，严重影响高炉的技术经济指标，如焦比上升、排放上升等。因而，实现炉温的在线检测对于保证高炉的稳定顺行具有指导意义。

炉温指的是炉缸内铁水温度。由于高炉是一个密闭装置，其内部高温、高粉尘、密闭等恶劣环境，给炉缸内铁水温度的直接检测造成了困难。目前能够获得的铁水温度是在出铁一段时间后利用红外测温仪或者快速热电偶测量得到的。快速热电偶的测温原理是接触式热传导，测量铁水温度时，需人工手持测温枪插入铁水中，考虑到安全、经济等问题，通常测量点选在撇渣器附近。但铁水从炉缸流到撇渣器时已经发生了热损失，测得的铁水温度必定低于炉缸内的铁水温度。红外测温仪基于辐射传热的机理，能够实现出铁口附近铁水温度的远距离测量，但炼铁现场环境恶劣，存在大量的粉尘、烟雾，阻碍了电磁波的辐射，造成测量得到的温度数值偏小且不稳定。

专利CN201110342024.1，名称为“高炉铁水测温设备”，该专利揭示了一种高炉铁水测温设备，通过引入隔离器组件、控制组件和输出组件，智能控制测温过程，能提高测温效率，减少快速热电偶的消耗。但该专利提及的设备本质上没有实现完全自动化，需人工给测温枪安装快速热电偶，耗费人力，没有达到连续测量的目的。且因测量点在撇渣器附近，而铁水流至撇渣器的过程存在大量热损失，测得的温度与炉缸内铁水温度相差较大。

专利CN200910050563.0，名称为“铁水温度连续测量的专用辅助装置及铁水温度连续测量系统”，该专利涉及一种铁水温度连续测量的专用辅助装置，能实现铁水温度的连续测量，避免了红外测温仪测温时因出铁现场恶劣环境的干扰而出现的温度偏低或不稳定的缺陷。但该专利过于理想，无法在实际中应用。这是因为遮光管太短，起不到除尘的作用；太长，则不仅会给现场操作带来不便，而且易受喷溅铁花的侵蚀。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是高炉铁水温度检测需人工参与，间断不连续，耗材多，测温值不稳定的问题，提供一种基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测方法，该方法包括步骤：

根据铁水沟底部所埋n对热电偶的测温数据，应用热传导和对流传热机理，结合铁水沟底部材料的导热系数、厚度，铁水与材料间的对流传热系数等，计算出铁水沟各位置处的铁水温度；

分析铁水从出铁口流到撇渣器全段过程的热损失，基于能量守恒原理，建立铁水温度随铁水沟的温降模型；

根据上述温降模型，结合热电偶的测温数据，利用最小二乘算法辨识出铁口处的铁水温度。

优选地，所述热电偶对数n是自然数，其范围为1-20。

(三)有益效果

本发明实现了所埋热电偶处对应铁水温度的实时测量，进而实现了出铁口处铁水温度的实时测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是铁水沟结构示意图；

图2是铁水沟微元散热示意图；

图3是出铁口铁水温度辨识流程图；

图中：1、热电偶，2、出铁口，3、钢壳，4、耐火浇注料，5、粘土砖，6、土建混凝土，7、铁水沟坡度，8、铁水流速，9、铁水流动过程的摩擦阻力，10、铁水与铁水沟底部和侧壁间的传导散热，11、铁水上表面与空气间的对流和辐射散热，12、铁水流动过程中存在的摩阻散热。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

具体实现方案如下：

(一)铁水沟内不同位置铁水实际温度的建模计算

图1为某炼铁厂出铁沟主沟的纵切面图。不难看出，主铁沟由多层材料组成，且带有一定的坡度。在铁水沟的底部，距出铁口不同位置处有多对热电偶。铁水在铁水沟流动的过程中，由于温度高于材料的温度，与铁水沟底部存在传热。热量首先由铁水经对流传热到材料3的上表面，再由材料3的上表面经多层材料的热传导到正下方的第一个热电偶。再由第一个热电偶经多层材料传至正下方的第二个热电偶。

为了建立从铁水至正下方第二个热电偶间的传热模型以计算铁水温度，作如下假设：

①忽略轴向方向的传热，将铁水到热电偶的传热看作一维传热问题

②热传递已达到稳定，即对流界面处、各层材料内的热流量是相等的

③相邻两层材料接触良好，接触面不存在温差

设主沟内共有n对这样的热电偶，每一对与出铁口间的轴向距离为L_i(i＝1,2,…,n)，对应的测温数据用,表示。第一个热电偶与材料3上表面间共有k_i1层材料，从上至下，每一层材料的厚度为(为第一个热电偶与其所在层上表面间的距离)，导热系数为，上表面温度为。第一个热电偶与第二个热电偶间共有k_i2层材料，每一层材料的厚度为(其中,为第一个热电偶与所在层下表面间的距离，为第二个热电偶与其所在层上表面间的距离),导热系数为,下表面温度为。材料3上表面与铁水间的对流传热系数记作h_i，所求铁水沟L_i处的铁水温度为T_i。

根据牛顿冷却定律可得材料3上表面的对流传热密度为

$q_{i,v}=h_i(T_i-T_{i1}^{o_1})---\left(1\right)$

下面先讨论材料3上表面至第一个热电偶间的传热问题。

各层材料内热流密度相等：

$q_{\mathrm{ij}}^{o_1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_1}(T_{\mathrm{ij}}^{o_1}-T_{i(j+1)}^{o_1})}{l_{\mathrm{ij}}^{o_1}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{i(j-1)}^{o_1}(T_{i(j-1)}^{o_1}-T_{\mathrm{ij}}^{o_1})}{l_{i(j-1)}^{o_1}}=q_{i(j-1)}^{o_1},j=\mathrm{1,2},...(k_{i2}-1)---\left(2\right)$

第一个热电偶与其所在层上表面间的热流密度为

$q_{{\mathrm{ik}}_{i1}}^{o_1}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_1}(T_{{\mathrm{ik}}_1}^{o_1}-T_i^{o_1})}{l_{{\mathrm{ik}}_{i1}}^{o_1}}---\left(3\right)$

由假设，

$q_{i,v}=q_{\mathrm{ij}}^{o_1}=q_{{\mathrm{ik}}_1}^{o_1}---\left(4\right)$

接下来，分析第一个热电偶至第二个热电偶间的传热问题。

第一个热电偶与其所在层下表面间的热流密度为

$q_{i1}^{o_2}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{i1}^{o_2}(T_i^{o_1}-T_{i1}^{o_2})}{l_{i1}^{o_2}}---\left(5\right)$

各层材料内热流密度相等：

$q_{i(j+1)}^{o_2}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{i(j+1)}^{o_2}(T_{\mathrm{ij}}^{o_2}-T_{i(j+1)}^{o_2})}{l_{i(j+1)}^{o_1}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_2}(T_{i(j-1)}^{o_2}-T_{\mathrm{ij}}^{o_2})}{l_{\mathrm{ij}}^{o_2}}=q_{\mathrm{ij}}^{o_2},j=2,...(k_{i2}-2)---\left(6\right)$

第二个热电偶与其所在层上表面间的热流密度为

$q_{{\mathrm{ik}}_2}^{o_2}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{{\mathrm{ik}}_2}^{o_2}(T_{i(k_2-1)}^{o_2}-T_i^{o_2})}{l_{{\mathrm{ik}}_{i2}}^{o_2}}---\left(7\right)$

由假设，

$q_{{\mathrm{ik}}_1}^{o_1}=q_{i1}^{o_2}=q_{i(j+1)}^{o_2}=q_{{\mathrm{ik}}_2}^{o_2}---\left(8\right)$

联合(1)～(8)得：

第i组热电偶间的热流量

$q_i=\frac{T_i^{o_1}-T_i^{o_2}}{\underset{j=1}{\overset{k_2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{l_{\mathrm{ij}}^{o_2}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_2}}}---\left(9\right)$

L_i处铁水的实际温度

$T_i=(\frac{1}{h_i}+\underset{j=1}{\overset{k_1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{l_{\mathrm{ij}}^{o_1}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_1}})q_i+T_i^{o_1}=(\frac{1}{h_i}+\underset{j=1}{\overset{k_1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{l_{\mathrm{ij}}^{o_1}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_1}})\left(\frac{T_i^{o_1}-T_i^{o_2}}{\underset{j=1}{\overset{k_2}{\mathrm{\Σ}}}\frac{l_{\mathrm{ij}}^{o_2}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ij}}^{o_2}}}\right)+T_i^{o_1}---\left(10\right)$

热电偶温度数据、和铁水沟底部各层材料的厚度、是已知的。但各层材料导热系数、与温度有关，是一个变量。实际应用中，可以取1500℃下的材料导热系数进行计算。这是因为铁水出口温度在1450℃～1550℃左右波动，而材料导热系数在这一温度范围波动不大。这样，只要确定对流传热系数h_i的数值，就可以根据式(10)计算L_i处铁水的实际温度T_i了。

对流传热系数h_i由流体的流动状态、热物理性质、换热表面几何状况等因素决定，从机理角度确定其值存在很大的困难。科学家们采用相似原理、量纲分析等手段，通过大量的实验，总结、归纳出了很多用于确定对流传热系数的经验关联式。每一个实验关联式都有其相应的应用条件。将铁水在铁水沟底部的流动换热过程，用管槽内强制对流传热模型近似，就可以在此模型下确定对流传热系数。

铁水流出时，流速较快，流体形态属于湍流。采用如下的关联式计算对流传热系数：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{vl}}{v}$ $\mathrm{Pr}=\frac{v}{a}$     Nu＝0.023Re^0.8Pr^0.4

根据铁水流速v、热扩散率a、运动粘度ν，铁水沟长度l，计算普朗特数Pr和雷诺数Re，再结合上述关联式，计算出努塞尔数Nu。按下式计算对流传热系数h_i

$h_i=\frac{\mathrm{\λNu}}{l}$

式中，λ为铁水的导热系数。

(二)铁水沟温降模型的建立

图2为铁水沟横截面的一个微元。铁水从高炉流出至撇渣器的过程，主要存在三种方式的散热：铁水与铁水沟底部和侧壁间的传导散热dQ₁，上表面与空气间的对流和辐射散热dQ₂以及铁水流动过程中存在的摩阻散热dQ₃。由于现场环境和铁水成分的复杂性，导致从传热机理角度准确地推导散热模型存在很大的困难。为使问题简化，在如下假设的前提下，引入输油管道温降理论，建立管道温降模型。

①铁水散热稳定，各个方向传热系数为定值

②不考虑摩擦阻力导致的散热损失

由热量平衡原理有

其中,K为散热系数，T为铁水温度，T₀为铁水沟所在介质温度，G为铁水的质量流量，c为铁水的比热容。

令A＝b+c，对式(11)两边积分，得到

$T=T_0+(T_R-T_0)e^{-\frac{\mathrm{KA}}{\mathrm{Gc}}L}---\left(12\right)$

此即为铁水沟温降公式，形式上与苏霍夫公式相似。式中参数T_R为出铁口处铁水温度，亦即所求温度。

(三)出铁口处铁水温度的参数辨识

本专利拟通过最小二乘原理辨识得到出铁口处的铁水温度。具体做法如下：

首先，将式(12)改写成

T＝f(L,T_R,K)  (13)

其中T_R和K是待辨识的两个参数，L是距离出铁口的距离，T为对应L处的铁水实际温度。

然后建立理论铁水温度与相应的实际铁水温度之间的误差函数。将L_i代入式(13)的右侧，得到理论铁水温度f(L_i,T_R,K)，与步骤(一)中得到的实际铁水温度T_i做差求平方和，得到误差函数如下：

$E(T_R,K)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(f(L_i,T_R,K)-T_i)}^2$

最后，求解使得如下优化问题

$\min E(T_R,K)=\underset{T_R,K}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(T_0+(T_R-T_0)e^{-\frac{\mathrm{KA}}{\mathrm{Gc}}{L}_i}-T_i)}^2---\left(14\right)$

达到最优解的参数(T_R ^*,K^*)，即得到出铁口处的铁水温度。

拟采用最小二乘法对式(14)进行求解。但最小二乘法适合于求解线性函数的参数辨识问题，而铁水沟温降公式是一个非线性函数，故此处先进行线性化处理，对(12)式两边取对数得：

$\ln (f(L,T_R,K)-T_0)=\ln (T_R-T_0)-\frac{\mathrm{KA}}{\mathrm{Gc}}L---\left(15\right)$

令Y＝ln(f(L,T_R,K)-T₀)a＝ln(T_R-T₀)

则式(15)可变

Y＝a+bL  (16)

步骤(一)得到的数据组(L_i,T_i)也做相应变换，得到(L_i,Y_i)

L_i＝L_i Y_i＝ln(T_i-T₀).

这样，L_i处的理论铁水温度为a+bL_i，实际铁水温度为Y_i。误差函数变为：

$E(T_R,K)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(a+{\mathrm{bL}}_i-Y_i)}^2$

优化问题为：

$\min E(a,b)=\underset{a,b}{\min }\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(a+{\mathrm{bL}}_i-Y_i)}^2$

由最小二乘原理易知，上述优化问题的解满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂E(a,b)}{\∂a}=0\\ \frac{\∂E(a,b)}{\∂b}=0\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}a\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i+b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i{Y}_i\\ \mathrm{an}+b\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i\end{array}---\right.\left(17\right)$

将数据组(L_i,Y_i)代入并求解式(17)，得到最优的参数a,b后，按下式计算出铁口处铁水温度

T_R＝T₀+e^a $K=-\frac{\mathrm{Gc}}{A}b$

综上所述，本发明根据铁水沟底部热电偶的测温数据，结合建立的传热模型，获取了对应位置处铁水的实际温度。根据能量守恒原理，参考管道温降理论，建立了铁水沟的温降模型，得到了铁水从出铁口流至撇渣器过程的铁水温度随位置变化的理论关系。把理论铁水温度与实际铁水温度间差值的平方和定义为误差函数，其中出铁口处的铁水温度和总散热系数是误差函数的两个未知参数，将获取出铁口处铁水温度的问题转化为求解使得误差函数达到最小的参数辨识问题。为了利用最小二乘法在线性函数参数辨识问题上的优点，引入对数变换，将指数形式的温降模型转化为了线性形式的温降模型。辨识出参数后，再进行反对数变换，求出原来需要辨识的参数。最终得到出铁口处的铁水温度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测的方法，其特征在于，该方法包括步骤：

根据铁水沟底部所埋n对热电偶的测温数据，应用热传导和对流传热机理，结合铁水沟底部材料的导热系数、厚度，铁水与材料间的对流传热系数，计算出铁水沟各位置处的铁水温度；

分析铁水从出铁口流到撇渣器全段过程的热损失，基于能量守恒原理，建立铁水温度随铁水沟的温降模型；

根据上述温降模型，结合铁水沟各位置处的铁水温度，利用最小二乘算法辨识出铁口处的铁水温度。

2.根据权利要求1的基于温降模型的高炉出铁口铁水温度的连续检测的方法，其特征在于，所述热电偶对数n是自然数，其范围为1-20。