CN106874648A - 一种高炉高热负荷区域操作炉型计算方法 - Google Patents

Abstract

一种高炉高热负荷区域操作炉型计算方法，属于高炉内型监控和高炉长寿技术领域。该方法通过高炉本体传感器采集炉顶煤气温度、冷却壁水流量、冷却水进口温度、冷却水出口温度、冷却壁热电偶温度，同时结合现场经验数据和实验室模拟计算结果，对冷却水、炉衬、渣皮、铜冷却壁、煤气的物性参数进行修正。利用冶金传热学原理，开发高炉高热负荷区域操作炉型监控模型，实现了高炉铜冷却壁区域的剩余炉衬厚度、渣皮厚度及热面温度的实时监控，并对渣皮厚度、热面温度的变化趋势做出判断，提示采取必要措施，保持渣皮厚度在正常范围内，减少高热负荷区域的热损失，保证高炉操作炉型的合理性。

Description

一种高炉高热负荷区域操作炉型计算方法

技术领域

本发明属于高炉内型监控及高炉长寿技术领域，特别提供了一种高炉高热负荷区域炉衬、渣皮厚度的计算方法。

背景技术

目前，从炼铁技术的发展来看，还没有一种冶炼形式能够完全取代高炉炼铁过程，另外高炉冶炼工艺已经达到了一个相对完善的阶段，想通过进一步的优化高炉冶炼工艺来降低能耗，在短期内也是不可能实现的。因此，想要实现高炉的进一步节能降耗，还应从提高高炉的使用寿命和自动化控制水平上着手。高炉一直以“黑箱”的形象示人，其内部情况不易被外界得知，操作人员无法直观的了解炉内操作炉型的变化，这使得高炉操作带有较大的经验性和随意性，不利于炼铁生产的优化实现。因此，为实现高炉的长寿和可视化，本发明提出了一种高炉高负荷区域操作炉型计算方法，动态展示高炉高负荷区域炉衬、渣皮、冷却壁热面温度的变化情况及趋势，为工长判断煤气流分布、合理布料提供帮助，为提高炼铁生产操作自动化水平提供借鉴意义。

发明内容

本发明的目的在于提供高炉高热负荷区域操作炉型计算方法，采用计算机系统实现对各冷却壁热面炉衬、渣皮厚度的变化趋势的实时监控，实现高炉高负荷区域的可视化。

所述的一种高炉高热负荷区域操作炉型计算方法，操作步骤如下：

步骤一：数据准备及有效性判断模块：测量每块冷却壁冷却水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度，采用1min的平均值。对冷却水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度值的正常值范围进行判定，剔除异常数据，组成计算样本。

步骤二：剩余炉衬厚度计算的主要步骤如下：

步骤a：冷却壁热电偶温度最高时热流密度的求解：图1为通常铜冷却壁炉墙传热结构示意图。根据能量守恒定律，冷却壁热电偶温度最高时传过炉墙的热量与炉墙传递的热量损失Q相等，炉墙传递的热量损失Q又等于冷却水带走的热量Q_水与炉壳散失的热量Q_散之和，则通过炉墙的平均热流密度q的计算公式为：

q为通过炉墙的平均热流密度，W/m²；

Q_水为冷却水带走的热量，W；

Q_散为炉壳散失的热量，W；

S为冷却壁的热面面积，m²。

Step1：冷却水带走热量Q_水求解，计算公式为：

ρ_水为冷却水密度，kg/m³，计算公式为：C_p为水的比热容，J/(kg·℃)，计算公式为：C_p＝4.21137-0.00222*T_水；

T₁为冷却水进水温度，℃；

T_水为冷却水平均温度，℃；

W为冷却壁内单管冷却水流量，m³/h。

Step2：炉壳散失的热量Q_散求解，计算公式为：

Q_散＝(α_壳1+α_壳2)*(t_壳-t_空)*S，

t_壳为炉壳温度，℃；

t_空为炉壳周围空气温度，℃；

α_壳1为炉壳外表面与空气的自然对流换热系数，W/(m²·℃)；

t_m为定性温度，℃；

g为重力加速度，m/s²；

l为炉壳的特征尺寸，m；

η_空为空气的粘度系数，m²/s，计算公式为：η_空＝1.31041×10^-5+t_m*9.92273×10^-8；

P_r为普朗特数，计算公式为：P_r＝0.70686-t_m·1.86364×10^-4；

λ_空为空气的导热系数，W/(m·℃)，计算公式为：λ_空＝0.0244+t_m*7.66364×10^-5。

α_壳2为炉壳外表面与空气的辐射换热系数，W/(m²·℃)；

ε为炉壳表面黑度，常数；

C₀为黑体辐射系数，W/(m²·K⁴)。

步骤b：高热负荷区域剩余炉衬厚度d_衬的求解：在冷却壁热电偶温度达到历史最高值时，认为渣皮完全脱落。此时根据步骤a得到的通过炉墙的平均热流密度q，结合模型炉墙传热结构示意图2、热阻示意图进行剩余炉衬厚度的求解。计算公式如下：

d_衬为剩余炉衬厚度，mm；

T为铜冷却壁热电偶温度，℃；

T_g为煤气温度，℃，计算公式为；

T_理为理论燃烧温度，计算公式为：

T_f为鼓风温度，℃；Q_o为富氧量，m³/h；Q_m为喷吹煤量，t/h；Q_f为风量，m³/min；

T_顶为不同方位炉顶十字测温煤气温度，℃；(现场采集了“西北”“东北”“西南”“东南”的顶温，“东”“西”“南”“北”四个方向的炉顶温度需要进行计算，然后将每块冷却壁分配到上述8个方向，获得各自的顶温)即：

h_风口为风口的实际标高，m；

h_顶为炉顶十字测温实际标高，m；

h_电偶为冷却壁热电偶标高，m。

R_铜为热电偶位置到冷却壁热面的导热热阻，计算公式为：

d_铜为热电偶位置到冷却壁热面的距离，m；

λ_铜为铜冷却壁的导热系数，W/(m·℃)，计算公式为：λ_铜＝400-0.055*T；

λ_衬为剩余炉衬导热系数，W/(m·℃)；

R_f为煤气与渣皮对流换热热阻，计算公式为：

α_f为炉内煤气与渣皮的对流换热系数，计算公式为：

步骤c：剩余炉衬厚度修正计算：若步骤b中剩余炉衬厚度的计算合理，在冷却壁热电偶温度达到最高值时，炉墙表面的渣皮厚度应该为0。如果不为0，说明剩余炉衬厚度计算存在偏差，需要进行修正。

由于炉墙传递的热量损失与传递过程中各段的热流量相等，即炉墙传递的热量损失Q等于煤气与渣皮、冷却水与冷却水管内壁的对流换热过程的热流量Q₁，所以热流密度q也应该相等，计算公式为：

T_g为煤气温度，℃；

S为冷却壁的热面面积，m²；

T_水1为热电偶标高位置处冷却水温度，℃，计算公式为：

T_进为冷却水进口温度，℃；

T_出为冷却水出口温度，℃；

△h为冷却壁上、下端高度差，m；

h_电偶为冷却壁热电偶标高，m；

R_a为冷却水与铜冷却壁的对流换热热阻，计算公式为：

λ_水为水的导热系数，W/(m·℃)，计算公式为：λ_水＝0.567+0.0017*T_水1；

ρ_水为冷却水密度，kg/m³，计算公式为：

C_p为水的比热容，J/(kg·℃)，计算公式为：C_p＝4.21137-0.00222*T_水1；

v_水为冷却水平均速度，m/s；

d为冷却水通道截面直径，m；

η_水为冷却水粘度，m²/s；计算公式为：η_水＝(1.243-0.0146*T_水1)*0.000001；

R_b为冷却壁体的导热热阻，计算公式为：

λ_铜为铜冷却壁的导热系数，W/(m·℃)；

d_b为壁体的厚度，m；

R_c为混合层的导热热阻，计算公式为：

d_c为混合层厚度，m；

λ_混为混合层导热系系数，W/(m·℃)；

R_d为砖衬导热热阻，计算公式为：

d_衬为剩余炉衬厚度，m；

λ_衬为剩余炉衬导热系数，W/(m·℃)；

R_f为煤气与渣皮对流换热热阻，计算公式为：

α_f为炉内煤气与渣皮的对流换热系数，W/(m²·℃)，计算公式为：

T_g为煤气温度，℃。

计算得到的渣皮厚度值d_渣后，判断剩余炉衬厚度值d_衬是否准确，判断逻辑如下：

如果求得的|d_渣|<1mm，则认为剩余炉衬厚度计算准确，保存d_衬值；如果|d_渣|>1mm，则认为剩余炉衬厚度计算存在偏差，对剩余炉衬厚度公式进行修正，然后利用修正后d_衬重新计算d_渣，具体步骤如下：

1)如果d_渣>1mm，说明剩余炉衬厚度值d_衬过薄，需要增加额外的热阻值R_额修正d_衬，R_额＝0.0001ζ(ζ＝1,2,3……)，剩余炉衬厚度计算公式为：

2)如果d_渣<―1mm，说明剩余炉衬厚度值d_衬过厚，需要减小额外的热阻值R_额修正d_衬，R_额＝0.0001ζ(ζ＝1,2,3……)，剩余炉衬厚度计算公式为：

步骤三：高热负荷区域渣皮厚度的计算：步骤二中剩余炉衬厚度值d_衬达到精度要求后，将剩余炉衬厚度值d_衬作为已知条件，选取当前的炉顶煤气温度、冷却壁水流量、冷却水进口温度、冷却水出口温度、铜冷却壁热电偶温度数据，带入新的渣皮厚度计算公式求解，计算公式及判断逻辑为：

λ_渣为炉渣导热系数，W/(m·℃)；

q为通过炉墙的平均热流密度，W/m²；

T_g为煤气温度，℃；

T_水1为热电偶标高位置处冷却水温度，℃；

S为冷却壁的热面面积，m²；

R_a为冷却水与铜冷却壁的对流换热热阻；

R_b为冷却壁体的导热热阻；

R_c为混合层的导热热阻；

R_d为砖衬导热热阻；

R_f为煤气与渣皮对流换热热阻。

如果求得的渣皮厚度d_渣为负值，说明此时没有渣皮生成，炉衬被进一步侵蚀。如果此时剩余炉衬厚度d_衬>0，需要对d_衬进行再次修正，计算公式为：

此时如果d_衬<0，则说明炉衬已经侵蚀完全，不需再修正。

步骤四：铜冷却壁热面温度的计算：根据步骤二中的计算得到的通过炉墙的平均热流密度q，同时结合铜冷却壁的热阻情况，即可计算铜冷却壁热面温度，计算公式为：

T_热为冷却壁热面温度，℃；

q为通过炉墙的平均热流密度，W/m²；

T为冷却壁热电偶温度，℃；

d_铜为热电偶位置到冷却壁热面的距离，m；

λ_铜为铜冷却壁的导热系数，W/(m·℃)，计算公式为：λ_铜＝400-0.055*T。

本发明的有益效果是：通过计算得到高炉高热负荷区域铜冷却壁表面渣皮厚度、剩余炉衬厚度、铜冷却壁热面温度，可以实现高炉高负荷区域操作炉型的实时监控，对操作炉型的变化趋势做出判断，减少高热负荷区域的热损失，有助于延长高炉的使用寿命。

附图说明

图1为本发明所述的炉墙传热结构示意图1。1为炉壳，2为填料，3为冷却壁壁体，4为冷却水，5为冷却壁筋肋，6为渣皮，7为镶砖，8为炉衬，9为热电偶1，10为热电偶2。

图2为本发明所述的炉墙传热结构示意图2；11为第一绝热边界，12为冷却水对流边界、13为第二绝热边界、14为炉内煤气对流边界、15为第一热电偶，16为第二热电偶。

图3为本发明所述的热阻示意图。

图4为本发明所述的渣皮厚度计算流程图。

图5为本发明所述的剩余炉衬厚度计算流程图。

图6为本发明所述的第8段冷却壁结构图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更加明显易懂，结合附图以迁钢3号高炉第8段A_TSS5M08212号冷却壁的结构和参数为例，如图6所示，对本发明作进一步详细说明：

步骤一：数据准备及有效性判断模块：测量每块冷却壁冷却水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度，采用1min的平均值。并分别对水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度值的正常值范围进行判定，剔除异常数据，组成计算样本。

步骤二：剩余炉衬厚度计算，表―1为计算用到的基础量，具体步骤如下：

表―1第8段冷却壁剩余炉衬厚度计算基础量

步骤a：冷却壁热电偶温度最高时热流密度的求解：

Step1：冷却水带走热量Q_水：

Step2：炉壳散失的热量Q_散：

Q_散＝(α_壳1+α_壳2)·(t_壳-t_空)·S

＝(3.068827806+3.880357012)*(70-30)*2.459，

＝683.52W

根据能量守恒定律，冷却壁热电偶温度最高时传过炉墙的热量与炉墙传递的热量损失Q相等，而炉墙传递的热量损失Q又等于冷却水带走的热量Q_水与炉壳散失的热量Q_散之和，则通过炉墙的平均热流密度q为：

步骤b：高热负荷区域剩余炉衬厚度d_衬的求解：在冷却壁热电偶温度达到历史最高值时，认为渣皮完全脱落。此时根据步骤b得到的热流密度q，进行剩余炉衬厚度的求解。模型结构示意图如图2、3所示：

步骤c：剩余炉衬厚度修正计算：若步骤c中剩余炉衬厚度的计算合理，在冷却壁热电偶温度最高值点，炉墙传热计算得到的渣皮厚度值应该为0。如果不为0，剩余炉衬厚度值需要进行修正，模型示意图如图4所示。利用步骤b中得到的剩余炉衬厚度d_衬，计算冷却壁热电偶温度达到最高值时的渣皮厚度：

此时|d_渣|<1mm，认为剩余炉衬厚度计算准确，剩余炉衬厚度d_衬＝32mm。

步骤三：高热负荷区域渣皮厚度的计算：将剩余炉衬厚度d_衬作为已知条件，选取当前时间的炉顶煤气温度、冷却壁水流量、冷却水进口温度、冷却水出口温度、铜冷却壁热电偶温度数据，带入新的渣皮厚度计算公式，进行渣皮厚度d_渣求解，表―2为计算用到的基础量：

表―2第8段冷却壁渣皮厚度计算基础量

步骤四：铜冷却壁热面温度的计算：由表-2可知，热电偶距冷却壁热面的距离d_铜＝0.02m，铜冷却壁热面温度为：

Claims (2)

1.一种高炉高热负荷区域操作炉型计算方法，其特征在于：

步骤一：数据准备及有效性判断：从读取炉顶煤气温度、冷却壁水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度组成一组计算样本，并进行有效性判断；

步骤二：高热负荷区域剩余炉衬厚度计算：数据有效性判断完成后，对剩余炉衬厚度进行计算，主要包括：冷却壁热电偶温度最高时热流密度的计算；高热负荷区域剩余炉衬厚度的计算；炉衬剩余厚度修正计算；

所述的冷却壁热电偶温度最高时热流密度的计算：炉墙的平均热流密度q为：

Q_水为冷却水带走的热量；Q_散为炉壳散失的热量；S为冷却壁的热面面积；

所述的高热负荷区域剩余炉衬厚度的计算：

d_衬为剩余炉衬厚度，T为铜冷却壁热电偶温度，T_g为煤气温度，λ_衬为剩余炉衬导热系数，R_铜为热电偶位置到冷却壁热面的导热热阻，R_f为煤气与渣皮对流换热热阻；

所述的炉衬剩余厚度修正计算：在冷却壁热电偶温度达到最高值时，炉墙表面的渣皮厚度应该为0，如果不为0，说明剩余炉衬厚度计算存在偏差，需要进行修正；修正公式为：

λ_渣为炉渣导热系数，T_g为煤气温度，T_水1为热电偶标高位置处冷却水温度，S为冷却壁的热面面积，R_a为冷却水与铜冷却壁的对流换热热阻，R_b为冷却壁体的导热热阻，R_c为混合层的导热热阻，R_d为砖衬导热热阻，R_f为煤气与渣皮对流换热热阻；

根据计算得到的渣皮厚度判断剩余炉衬厚度是否准确：如果|d_渣|<1mm，则认为剩余炉衬厚度计算准确，保存d_衬值；如果|d_渣|≥1mm，则认为剩余炉衬厚度计算存在偏差，对剩余炉衬厚度公式进行修正，然后利用修正后d_衬重新计算d_渣，直到满足|d_渣|<1mm的判断条件；具体步骤如下：

1)如果d_渣>1mm，说明剩余炉衬厚度值d_衬过薄，需要增加额外的热阻值R_额进行修正，计算公式为：

2)如果d_渣<―1mm，说明剩余炉衬厚度值d_衬过厚，需要减去额外的热阻值R_额进行修正，计算公式为：

步骤三：高热负荷区域渣皮厚度的计算：当步骤二中剩余炉衬厚度计算结果达到精度要求后，将剩余炉衬厚度作为已知条件，计算渣皮厚度；

所述的渣皮厚度为选取当前的炉顶煤气温度、冷却壁水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度数据，带入新的渣皮厚度计算公式，进行渣皮厚度d_渣求解，计算公式为：

λ_渣为炉渣导热系数，q为通过炉墙的平均热流密度，T_g为煤气温度，T_水1为热电偶标高位置处冷却水温度，S为冷却壁的热面面积，R_a为冷却水与铜冷却壁的对流换热热阻，R_b为冷却壁体的导热热阻，R_c为混合层的导热热阻，R_d为砖衬导热热阻，R_f为煤气与渣皮对流换热热阻；

如果求得的渣皮厚度d_渣为负值，说明此时没有渣皮生成，炉衬被进一步侵蚀；如果此时剩余炉衬厚度d_衬>0，需要对d_衬进行再次修正，计算公式为：

此时如果d_衬<0，则说明炉衬已经侵蚀完全，不需再修正；

步骤四：铜冷却壁热面温度的计算：

T_热为冷却壁热面温度，q为通过炉墙的平均热流密度，T为冷却壁热电偶温度，d_铜为热电偶位置到冷却壁热面的距离，λ_铜为铜冷却壁的导热系数。

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于：所述的一组计算样本：数据采数周期为3秒，取20个数的平均值作为1分钟的有效数据进行存储；并分别对炉顶煤气温度、冷却壁水流量、冷却水进口水温、冷却水出口水温、铜冷却壁热电偶温度值的正常值范围进行判定，剔除异常数据，组成计算样本。