CN105005632A - 多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高炉多层耐火砖检修领域，尤其涉及一种高炉炉缸侵蚀预测方法。一种多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法，选取一组热电偶，并在该组热电偶中任选出一对热电偶，计算出对应侵蚀凝固点的取值区间；然后将炉缸侧壁分层，设定偏差阈值条件，反算一组热电偶中各个热电偶的温度计算值，并将温度计算值与实测温度值相比较，当比较结果满足偏差阈值条件时，即认为该点为侵蚀凝固点；将每一组热电偶都进行计算，得到各组热电偶对应的侵蚀凝固点，将所有的侵蚀凝固点拟合得到侵蚀凝固线。本发明将高炉炉壁按照导热系数分层，并通过热电偶的实测值确定出取值区间，消除了人工设置计算区间的误差，使得最终得到的侵蚀凝固线更加精确。

Description

多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法

技术领域

本发明涉及高炉多层耐火砖检修领域，尤其涉及一种高炉炉缸侵蚀预测方法。

背景技术

在高炉生产操作过程中，高炉炉缸区域对高炉寿命具有决定性作用。在高炉生产过程中，高炉炉缸区域始终处于不断侵蚀凝固过程中，其次为了追求高产及低成本往往会加剧炉缸的侵蚀，随着侵蚀的发展，炉缸侧壁厚度就会不断变薄，侧壁厚度到了界限高炉就要停产大修，这也代表着高炉一代寿命的结束，如果侵蚀监控不准确，不能及时采取相应对策，就有可能发生恶性生产事故。近年钢铁界也发生几起高炉炉缸烧穿爆炸等恶性事故，损失都以亿计，甚至发生人身伤害事故，给人民生命财产都带来了巨大损失。随着近年来钢铁业的发展，国内陆续新建了几十座大型高炉，实际上大多数钢企更多具备对小高炉生产实践，对大型高炉炉缸侧壁厚度控制缺乏生产实践，不易掌握炉缸侵蚀控制方法，从而更易发生相关事故。无论采用边界元素法还是采用有限元素法，初始边界的确定都是依靠人为设定，主要是操作技术人员根据经验给出。

现在的大高炉炉底炉缸侵蚀计算的数学模型表述为：

数学方程：                                                 = 0               ① 

边界条件：      q= K(T/n)= q₀

     T=T（x,y）

  边界条件说明：

（1）由于炉底、炉缸都铺设有足够热电偶，所以把炉底炉缸最靠近炉基和炉壳的热电偶温度值作为温度条件；

（2）炉底中心及炉缸侧壁上边缘为绝热边界；

（3）炉底炉缸内表面1150℃作为内边界等温线。

将以上模型迭代计算，直至计算值与实测值的偏差满足一定精度要求，即：

<          ②

如图1所示，为炉缸侵蚀的示意图，图中折线为侵蚀凝固线，为了求解上述问题，首先，因为是轴对称区域，可以在oxz平面上来考虑问题。假定侵蚀线（或凝固线）是由变量  x 所决定的点用直线段连接而成。变量x的起始位置取在区域Ω内某个固定位置E-F-G线上根据实践经验，可以给出这次推定的侵蚀线（或凝固线）的大致范围（A，B）。即有A≤x_i≤B      i=1,2,……n

在上述范围内任意给出（x₁…, x_n）的一组值，边界Г₄的位置就确定了。然后利用边界元素法算出边界Г_2、Г₃上测温点处的计算温度u=（u_1,…,u_m）。也就是说u是x的函数u=F(x) ，这里函数关系F 是隐含的，它表示用边界元素法进行的传热计算。从而，侵蚀线（或凝固线）的推定问题可以描述为：

在满足u=F(x)   A≤x_i≤B 的条件下

求出使       取极小值的x           ③

这是一个非线性最优化问题，评价函数是，所以存在的三类主要问题：

（1）    由于此类问题是病态问题, 其解的唯一性尤其是稳定性通常得不到保证。

（2）    测量数据的微小误差通常会导致解的巨大失真。

（3）根据实践经验给出的计算区间（A，B）都是需要人工设定的，既繁琐又易发生因设定区间不合理而导致计算失效。

以上这种方法要求维护人员具备丰富的经验，无疑增加了模型的维护难度，何况初始计算区间需要定期修订，对于一些技术条件较差的钢厂而言，这种修订工作比较困难，这样就影响到了生产安全，容易发生生产事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高炉炉缸侵蚀预测方法，该方法将高炉炉壁按照导热系数分层，并通过热电偶的实测值确定出取值区间，利用计算的偏差值找出实际的侵蚀凝固点，减少甚至消除因人为经验不足导致设定不合理，最终造成计算失效；对安全生产，延长高炉寿命具有十分重要的现实意义。

本发明是这样实现的：一种多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法，炉缸侧壁内布置有若干组热电偶，每组热电偶中所有热电偶的连线与所处炉缸侧壁的轴线垂直，包括以下步骤：

S1：工艺参数，选取一组热电偶，并在该组热电偶中任选出一对热电偶，设该组热电偶的连线与侵蚀凝固线的交点为当前所计算的侵蚀凝固点，计算出该侵蚀凝固点的取值区间（A,B）；

     

，

其中：为该对热电偶中靠近炉缸内侧的热电偶测到的温度，

为该对热电偶中靠近炉缸外侧的热电偶测到的温度 ，

为高炉炉缸内熔化铁水的温度，

为该对热电偶的间距；

计算出的为侵蚀基准点与靠近炉缸外侧的热电偶的间距，结合工艺参数，得到侵蚀凝固点的取值区间（A,B）， A=-+H，B=++H，H为靠近炉缸外侧的热电偶与炉墙边界的间距；

S2：根据导热系数将该组热电偶所处的炉缸侧壁分层，导热系数相同的为一层，共分为n层耐火板；

S3：设定偏差阈值条件，在取值区间（A,B）内任取一点作为假设侵蚀凝固点，通过该点的位置反算一组热电偶中各个热电偶的温度计算值，并将温度计算值与实测温度值相比较，当比较结果满足偏差阈值条件时，即认为该点为侵蚀凝固点；

S4：将每一组热电偶都利用S1~S3进行计算，得到各组热电偶对应的侵蚀凝固点，将所有的侵蚀凝固点拟合得到侵蚀凝固线。

所述步骤S3中设定的偏差阈值条件为，当偏差同时满足约定条件ER1<α,ER2<β时；其中α，β为设定参数，则认为本次选取的假设侵蚀凝固点为侵蚀凝固点；否则重新在取值区间（A,B）内选取，直到满足约定条件为止；

ER1=         ER2=           

其中，T_i计算为第i个热电偶的温度计算值；

T_i实测为第i个热电偶的实测温度值；

N为该组热电偶中的热电偶总数量；

所述热电偶的温度计算值的具体计算方式如下，该被计算温度的热电偶位于步骤S2中所分的第m层耐火板中，假设的侵蚀凝固点位于步骤S2中所分的第n层耐火板中；

  

其中：为假设的侵蚀凝固点与炉墙边界的间距；

      为第n层耐火板靠近炉墙一侧与炉墙边界的间距；

为第m层耐火板靠近炉缸一侧与炉墙边界的间距；

为被计算的热电偶与炉墙边界的间距；

为第j层耐火板的导热系数；

为第n层耐火板的导热系数；

为第m层耐火板的导热系数；

为第j层耐火板的厚度；

为以最靠近炉墙边界的耐火板为第一层耐火板，第m层耐火板到第一层耐火板的导热热阻；

为被计算温度的热电偶的温度计算值；

为该组热电偶中最靠近炉缸内壁的热电偶的实测温度值；

为该组热电偶中最靠近炉缸外壁的热电偶的实测温度值；

上式中只有为未知，通过计算得出其值。

本发明多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法将高炉炉壁按照导热系数分层，并通过热电偶的实测值确定出取值区间，在区间中不断选取假定的侵蚀凝固点，根据侵蚀凝固点的位置反算热电偶的温度计算值，直到温度计算值与实测值偏差满足一定要求，找出实际的侵蚀凝固点；与现有的技术相比，本发明的主要特点是消除了人工设置计算区间的误差，并利用不断取值逼近实际的侵蚀凝固点，使得最终得到的侵蚀凝固线更加精确。

附图说明

图1为本发明多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法中侵蚀基准点计算示意图；

图2为本发明中热电偶的温度计算值的取值示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法，炉缸侧壁内布置有若干组热电偶，每组热电偶中所有热电偶的连线与所处炉缸侧壁的轴线垂直，包括以下步骤：

S1：工艺参数，选取一组热电偶，并在该组热电偶中任选出一对热电偶，设该组热电偶的连线与侵蚀凝固线的交点为当前所计算的侵蚀凝固点，计算出该侵蚀凝固点的取值区间（A,B）；

     

，

其中：为该对热电偶中靠近炉缸内侧的热电偶测到的温度，

为该对热电偶中靠近炉缸外侧的热电偶测到的温度 ，

为高炉炉缸内熔化铁水的温度，

为该对热电偶的间距；

计算出的为侵蚀基准点与靠近炉缸外侧的热电偶的间距，结合工艺参数，得到侵蚀凝固点的取值区间（A,B）， A=-+H，B=++H，H为靠近炉缸外侧的热电偶与炉墙边界的间距；

S2：根据导热系数将该组热电偶所处的炉缸侧壁分层，导热系数相同的为一层，共分为n层耐火板；

S3：设定偏差阈值条件，在取值区间（A,B）内任取一点作为假设侵蚀凝固点，通过该点的位置利用热流强度的傅立叶热传导定律，通过等温面的导热速率与温度梯度成正比，计算各个热电偶对应的计算温度；当该被计算温度的热电偶位于步骤S2中所分的第m层耐火板中，假设的侵蚀凝固点位于步骤S2中所分的第n层耐火板中，则有如下公式1：

     （1）

其中：为假设的侵蚀凝固点与炉墙边界的间距；

      为第n层耐火板靠近炉墙一侧与炉墙边界的间距；

为第m层耐火板靠近炉缸一侧与炉墙边界的间距；

为被计算的热电偶与炉墙边界的间距；

为第j层耐火板的导热系数；

为第n层耐火板的导热系数；

为第m层耐火板的导热系数；

为第j层耐火板的厚度；

为以最靠近炉墙边界的耐火板为第一层耐火板，第m层耐火板到第一层耐火板的导热热阻；

为被计算温度的热电偶的温度计算值；

为该组热电偶中最靠近炉缸内壁的热电偶的实测温度值；

为该组热电偶中最靠近炉缸外壁的热电偶的实测温度值；

上式中只有为未知，通过计算得出其值。

根据式1反算出了一组热电偶中各个热电偶的温度计算值，并将温度计算值与实测温度值相比较，当比较结果满足偏差阈值条件时，即认为该点为侵蚀凝固点；

在实施例中，所设定的偏差阈值条件为，当偏差同时满足约定条件ER1<α,ER2<β时；其中α，β为设定参数，则认为本次选取的假设侵蚀凝固点为侵蚀凝固点；否则重新在取值区间（A,B）内选取，直到满足约定条件为止；

ER1=     ER2=

其中，T_i计算为第i个热电偶的温度计算值；

T_i实测为第i个热电偶的实测温度值；

N为该组热电偶中的热电偶总数量。

S4：将每一组热电偶都利用S1~S3进行计算，得到各组热电偶对应的侵蚀凝固点，将所有的侵蚀凝固点拟合得到侵蚀凝固线。

本实施例实际应用表明，计算温度和实测温度的差方和均差要比原模型要小一个数量级（见表1和表2），说明模型精度得到明显提高。

表1.原模型计算温度与实测温度的差方和均差

   表2.新模型计算温度与实测温度的差方和均差

用2高炉最大温度进行计算，得出炉底最小炉壁砖衬剩余厚度为77厘米，与生产技术人员推算的79厘米偏差很小，说明了该预测方法的可靠性。

Claims (3)

1.一种多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法，炉缸侧壁内布置有若干组热电偶，每组热电偶中所有热电偶的连线与所处炉缸侧壁的轴线垂直，其特征是，包括以下步骤：

S1：工艺参数，选取一组热电偶，并在该组热电偶中任选出一对热电偶，设该组热电偶的连线与侵蚀凝固线的交点为当前所计算的侵蚀凝固点，计算出该侵蚀凝固点的取值区间（A,B）；

    

，

其中：为该对热电偶中靠近炉缸内侧的热电偶测到的温度，

为该对热电偶中靠近炉缸外侧的热电偶测到的温度 ，

为高炉炉缸内熔化铁水的温度，

为该对热电偶的间距；

计算出的为侵蚀基准点与靠近炉缸外侧的热电偶的间距，结合工艺参数，得到侵蚀凝固点的取值区间（A,B）， A=-+H，B=++H，H为靠近炉缸外侧的热电偶与炉墙边界的间距；

S2：根据导热系数将该组热电偶所处的炉缸侧壁分层，导热系数相同的为一层，共分为n层耐火板；

S3：设定偏差阈值条件，在取值区间（A,B）内任取一点作为假设侵蚀凝固点，通过该点的位置反算一组热电偶中各个热电偶的温度计算值，并将温度计算值与实测温度值相比较，当比较结果满足偏差阈值条件时，即认为该点为侵蚀凝固点；

S4：将每一组热电偶都利用S1~S3进行计算，得到各组热电偶对应的侵蚀凝固点，将所有的侵蚀凝固点拟合得到侵蚀凝固线。

2.如权利要求1所述的多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法，其特征是：所述步骤S3中设定的偏差阈值条件为，当偏差同时满足约定条件ER1<α,ER2<β时；其中α，β为设定参数，则认为本次选取的假设侵蚀凝固点为侵蚀凝固点；否则重新在取值区间（A,B）内选取，直到满足约定条件为止；

ER1=            ER2=

其中，T_i计算为第i个热电偶的温度计算值；

T_i实测为第i个热电偶的实测温度值；

N为该组热电偶中的热电偶总数量。

3. 如权利要求1所述的多层耐火砖炉墙结构的高炉炉缸侵蚀预测方法，其特征是：所述热电偶的温度计算值的具体计算方式如下，该被计算温度的热电偶位于步骤S2中所分的第m层耐火板中，假设的侵蚀凝固点位于步骤S2中所分的第n层耐火板中；

   

其中：为假设的侵蚀凝固点与炉墙边界的间距；

      为第n层耐火板靠近炉墙一侧与炉墙边界的间距；

为第m层耐火板靠近炉缸一侧与炉墙边界的间距；

为被计算的热电偶与炉墙边界的间距；

为第j层耐火板的导热系数；

为第j层耐火板的厚度；

为第n层耐火板的导热系数；

为第m层耐火板的导热系数；

为以最靠近炉墙边界的耐火板为第一层耐火板，第m层耐火板到第一层耐火板的导热热阻；

为被计算温度的热电偶的温度计算值；

为该组热电偶中最靠近炉缸内壁的热电偶的实测温度值；

为该组热电偶中最靠近炉缸外壁的热电偶的实测温度值；

上式中只有为未知，通过计算得出其值。