CN105463142A - 一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法，获取炉缸的具体几何参数以及炉缸材料的密度、导热系数、对流系数等，来确实炉缸的模型；获取炉缸中每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉缸温度；获取与炉缸底部接触的空气的温度；根据高炉炉缸三维传热机理模型，先假设炉缸内铁水的温度，用铁水温度作为热源，利用有限元分析的方法来求解每个测温热电偶的温度值，与实测值比较，用误差来进一步修正炉缸内铁水的温度，从而实现对高炉炉缸内铁水温度准确并实时的测量。本发明具有测量准确、方便简便等优点。

Description

一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼高炉测温领域，尤其涉及一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法。

背景技术

钢铁冶金是我国国民经济的支柱产业，也是我国的基础原材料工业。钢铁产业已经逐渐成为一个国家发达程度和经济实力的重要衡量指。同时钢铁产业也是现代化国家的支柱产业之一。九十年代后我国的钢铁工业得到了快速的发展，多年来，我国钢铁产量均居世界第一。作为目前世界上钢铁产业规模最大的国家，大型高炉在我国具有举足轻重的地位，高炉炼铁作为钢铁生产过程的上游工序，在钢铁产业中起到至关重要的作用。

高炉炉温是高炉稳定顺行的保证，同时也是制约高炉冶炼成本的主要因素，合理的高炉铁水温度是判断高炉顺利运行的重要指标。由于运行信息和重要过程参数无法在线获取以及传感器配置不当等问题，导致过程操作难以对现场实时工况变化做出及时反应，致使操作控制仍停留在较为粗放的水平，无法保证大型高炉良好的炼铁条件。具体到炉缸内铁水温度的测量也受传感器的质量、精度和配置问题的影响，现在还无法准确并实时的测量其温度，现在一般采取的测量方法是等铁水出炉以后用测温装置测量，其缺点主要有两点，缺点一，不能准确反应炉缸内铁水温度，缺点二，不能及时测量铁水温度。

发明内容

本发明目的在于提供一种可实时准确获取炉内铁水温度的高炉炉缸内铁水温度测量的方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：在炉缸内设有多层耐火材料，在每层耐火材料中均分布若干测温热电偶，本发明方法包括以下步骤：

步骤1，获取高炉炉缸结构的几何参数，利用几何参数在电脑软件里搭建高炉炉缸三维传热模型，并将耐火材料中各个测温热电偶所处的位置设置成各个关键点；

步骤2，获取高炉炉缸中每层耐火材料的材料密度、导热系数、对流系数，根据每层耐火材料的材料密度、导热系数、对流系数在软件中对高炉炉缸三维传热模型进行参数设置，测量记录每个测温热电偶的实际测量值；

步骤3，假设一个高炉炉缸内的铁水温度T_in；

步骤4，将铁水温度T_in作为热源加载到高炉炉缸三维传热模型上；

步骤5，根据传热学原理，利用有限元分析的方法，计算高炉炉缸三维传热模型中各关键点位置处的温度，即计算出各个测温热电偶的求解值温度；

步骤6，将各个测温热电偶处的求解值温度与实际测量值进行比较，用误差来修正高炉炉缸内铁水的最初假设温度。

其中，所述每个测温热电偶的实际测量值，分别记为T₁′、T₂′……T_n′；所述每个测温热电偶的求解值温度，分别记为T₁、T₂……T_n；

利用公式计算误差：

式中，E为误差；n表示炉缸内测温热电偶的总数；T_i表示所求解出的第i个测温热电偶的理论值；T_i′表示第i个测温热电偶的实际测量值；

若误差E＜预先设定的误差ε，则输出炉缸内铁水温度，认为此时的炉缸底部温度等于炉缸内铁水温度；若误差E≥预先设定的误差ε，则修改炉缸内铁水温度T_in的假设值，并将修改后的铁水温度值重新加载到高炉炉缸三维传热模型。

所述高炉炉缸三维传热模型为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T}{\∂z}\right)=0$

式中，x,y,z分别是空间直角坐标系的三个方向；k_x、k_y、k_z分别为x,y,z方向上的导热系数；表示求偏导数；分别表示在x、y、z方向上的偏导数；表示在温度T对x的偏导数；表示在温度T对y的偏导数；表示在温度T对z的偏导数。

在步骤4中，将铁水温度T_in作为热源加载到高炉炉缸三维传热模型上；其中，边界条件为，T(x,y,0)＝T_out，T_out指高炉炉缸的底部温度，即高炉炉缸底部接触空气的外表面温度；T(x,y,z₀)＝T_in，z＝z₀指高炉炉缸内表面接触铁水位置的纵坐标，T_in指铁水的温度；x、y分别为空间直角坐标系的横轴坐标和纵轴坐标。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：无需采用在高炉外部测量的传统测温方法，减小测量误差，实现实时测量。

附图说明

图1为高炉炉缸底部的简单示意图。

图2为本发明方法的流程图。

附图标号：101-铁水、102-测温热电偶、103-温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，假设炉缸的耐火砖层数为4层，其实际炉缸中并非只有4层。

耐火砖上部为铁水101，在每层耐火砖中分布测温热电偶102，在最下层耐火砖的底部安装温度传感器103。可通过预估计高炉炉缸内铁水101的温度，作为传热的热源，可以通过分布在耐火砖中的测温热电偶测量其所在位置的高炉炉缸温度，由于测温热电偶位于耐火砖中，所以，其测量的实质为耐火砖层的高炉炉缸温度，还可通过温度传感器测量与炉缸底部接触的空气的温度。

考虑到现场操作有许多不确定因素，高炉内部环境和外部环境都非常复杂，测温热电偶和温度传感器也可能受到损坏而导致测量不准，所以，在获得测温热电偶和温度传感器测量得到的温度数据后，可以对这些温度数据进行预处理，对其中的异常数据进行修正或者删除，保留的温度数据用于后续建立高炉炉缸内铁水温度的测量。

如图2所示，本发明方法的步骤如下：

步骤1，获取高炉炉缸结构的具体几何参数，利用几何参数在电脑软件里搭建高炉炉缸三维传热模型，并将耐火材料中各个测温热电偶所处的位置设置成各个关键点；

步骤2，获取高炉炉缸中每层耐火材料的材料密度、导热系数、对流系数等参数，根据每层耐火材料的材料密度、导热系数、对流系数在软件中对高炉炉缸三维传热模型进行参数设置，测量记录每个测温热电偶的实际测量值；分别记为T₁′、T₂′……T_n′；

步骤3，假设一个高炉炉缸内的铁水温度T_in；

步骤4，将铁水温度T_in作为热源加载到高炉炉缸三维传热模型上，即T(x,y,z₀)＝T_in。

步骤5，根据传热学原理，利用有限元分析的方法，计算高炉炉缸三维传热模型中各关键点位置处的温度，即计算出各个测温热电偶的求解值温度，分别记为T₁、T₂……T_n；

步骤6，将各个测温热电偶处的求解值温度与实际测量值进行比较，利用公式计算误差： $E=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(T_i-T_i^{\′})}^2,$

式中，E为误差；n表示炉缸内测温热电偶的总数；T_i表示所求解出的第i个测温热电偶的理论值；T_i′表示第i个测温热电偶的实际测量值；

若误差E＜预先设定的误差ε，则输出炉缸内铁水温度，认为此时的炉缸底部温度等于炉缸内铁水温度；若误差E≥预先设定的误差ε，则修改炉缸内铁水温度T_in的假设值，并将修改后的铁水温度值重新加载到高炉炉缸三维传热模型。

其中，所述高炉炉缸三维传热模型为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T}{\∂z}\right)=0$

式中，x,y,z分别是空间直角坐标系的三个方向；k_x、k_y、k_z分别为x,y,z方向上的导热系数；表示求偏导数；分别表示在x、y、z方向上的偏导数；表示在温度T对x的偏导数；表示在温度T对y的偏导数；表示在温度T对z的偏导数。

将铁水温度T_in作为热源加载到高炉炉缸三维传热模型上；其中，边界条件为，T(x,y,0)＝T_out，T_out指高炉炉缸的底部温度，即高炉炉缸底部接触空气的外表面温度；T(x,y,z₀)＝T_in，z＝z₀指高炉炉缸内表面接触铁水位置的纵坐标，T_in指铁水的温度；x、y分别为空间直角坐标系的横轴坐标和纵轴坐标。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法，其特征在于，在炉缸内设有多层耐火材料，在每层耐火材料中均分布若干测温热电偶，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1，获取高炉炉缸结构的几何参数，利用几何参数在电脑软件里搭建高炉炉缸三维传热模型，并将耐火材料中各个测温热电偶所处的位置设置成各个关键点；

步骤2，获取高炉炉缸中每层耐火材料的材料密度、导热系数、对流系数，根据每层耐火材料的材料密度、导热系数、对流系数在软件中对高炉炉缸三维传热模型进行参数设置，测量记录每个测温热电偶的实际测量值；

步骤3，假设一个高炉炉缸内的铁水温度T_in；

步骤4，将铁水温度T_in作为热源加载到高炉炉缸三维传热模型上；

步骤5，根据传热学原理，利用有限元分析的方法，计算高炉炉缸三维传热模型中各关键点位置处的温度，即计算出各个测温热电偶的求解值温度；

步骤6，将各个测温热电偶处的求解值温度与实际测量值进行比较，用误差来修正高炉炉缸内铁水的最初假设温度。

2.根据权利要求1所述的一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法，其特征在于：所述每个测温热电偶的实际测量值，分别记为T′₁、T′₂……T′_n；所述每个测温热电偶的求解值温度，分别记为T₁、T₂……T_n；

利用公式计算误差：

式中，E为误差；n表示炉缸内测温热电偶的总数；T_i表示所求解出的第i个测温热电偶的理论值；T′_i表示第i个测温热电偶的实际测量值；

若误差E＜预先设定的误差ε，则输出炉缸内铁水温度，认为此时的炉缸底部温度等于炉缸内铁水温度；若误差E≥预先设定的误差ε，则修改炉缸内铁水温度T_in的假设值，并将修改后的铁水温度值重新加载到高炉炉缸三维传热模型。

3.根据权利要求1所述的一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法，其特征在于，所述高炉炉缸三维传热模型为：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_x\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_y\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_z\frac{\∂T}{\∂z}\right)=0$

式中，x,y,z分别是空间直角坐标系的三个方向；k_x、k_y、k_z分别为x,y,z方向上的导热系数；表示求偏导数；分别表示在x、y、z方向上的偏导数；表示在温度T对x的偏导数；表示在温度T对y的偏导数；表示在温度T对z的偏导数。

4.根据权利要求1所述的一种高炉炉缸内铁水温度测量的方法，其特征在于：在步骤4中，将铁水温度T_in作为热源加载到高炉炉缸三维传热模型上；其中，边界条件为，T(x,y,0)＝T_out，T_out指高炉炉缸的底部温度，即高炉炉缸底部接触空气的外表面温度；T(x,y,z₀)＝T_in，z＝z₀指高炉炉缸内表面接触铁水位置的纵坐标，T_in指铁水的温度；x、y分别为空间直角坐标系的横轴坐标和纵轴坐标。