CN108517384A - 一种高炉炉缸侧壁的监测方法 - Google Patents

一种高炉炉缸侧壁的监测方法 Download PDF

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CN108517384A CN201810420122.4A CN201810420122A CN108517384A CN 108517384 A CN108517384 A CN 108517384A CN 201810420122 A CN201810420122 A CN 201810420122A CN 108517384 A CN108517384 A CN 108517384A
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Abstract

本发明提供了一种高炉炉缸侧壁的监测方法，包括获取炉缸侧壁监测位置的角热流密度以及通过布置在炉缸炭砖中热电偶检测温度值和炉缸内衬的角热流密度计算不同位置处的热阻值并对炉缸侧壁损伤情况进行诊断。本发明方法直接利用温度等现场检测变量变化规律判断高炉炉缸状况，通过不同位置处热阻及其在一定时间内变化速率对炉缸状况进行诊断，可排除现场干扰、炉况波动、冷却条件发生变化等情况带来的误判，且在多种损伤情况同时出现时也可以进行有效诊断。

Description

一种高炉炉缸侧壁的监测方法
技术领域
本发明涉及高炉技术领域，具体涉及一种高炉炉缸侧壁的监测方法。
背景技术
钢铁工业是国家工业化的基础，对国民经济发展有着十分重要的作用。高炉炼铁是现代钢铁工业中最主要的生产工艺，随着高炉大型化和冶炼强度的加大，高炉寿命问题也日益突出。高炉炉缸内衬与高温铁水直接接触，相对于其它部位更易受到损伤。在高炉运行过程中，炉缸内衬常见的损伤形式有与热面衬砖侵蚀、炭砖环裂以及填料层气隙等，这些损伤直接影响了炉缸寿命，严重时会导致安全事故。因此，及时了解炉缸内衬损伤状况对于优化高炉操作和延长高炉寿命具有重要意义。
目前，已有的判断方法如下：
如发明专利申请CN101886152A，公开了一种高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护，此专利申请依据布置在内衬炭砖中同一径向方向前后两支热电偶温度和热流密度的变化来判断炉缸出现的损伤情况，比如，当两支热电偶温度升高且热流密度降低则认为出现气隙。该专利方法在多种损伤情况同时发生或伴随有冷却条件变化时，会出现漏判或误判情况。例如，当气隙、环裂、结渣同时出现时，此时两支热电偶测量的温度可能都会升高、热流密度降低，这时，此专利申请只能判断出气隙情况，出现漏判。再如，若炉缸冷却水流量减小，会导致两支热电偶测点温度升高、热流密度减小，按此专利申请的技术方案会误判为气隙。而且，该方法没有对出现的损伤状态定量计算，不能获取具体的损伤程度(气隙厚度、环裂宽度)。
如发明专利CN103088176A公开了一种高炉炉壳气隙的侦测方法，此专利通过有限元计算结果计算炉壳处导热系数的变化来判断气隙情况，计算过程复杂，只能判别气隙情况，且没有计算出现的气隙厚度。
如文章《高炉炉缸温度异常分析与诊断》，为现场中人工对炉缸状况判断的方法，该方法判断依据与发明专利申请CN101886152A相似，对多种可能进行排除，且同样没有对损伤值进行计算。
可见，现有技术中的方法均主要根据预先设置于炭砖中的热电偶温度、冷却水温度等检测数据的变化规律或结合数值计算结果来诊断炉缸损伤情况。但由于不同类型损伤以及冷却条件变化都能对这些检测数据产生影响，而高炉的实际运行过程往往伴随多种因素的变化，在此条件下，现有方法往往会发生误判和漏判，而且现有方法没有对侧壁损伤情况的严重程度进行定量描述。另一方面，实际生产现场环境恶劣存在多种干扰且炉况会发生变动，在此条件下检测数据会受到干扰出现波动进而产生误判。
因此，开发一种操作方便且能得到精准诊断结果的监测方法具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种操作方便且能得到精准诊断结果的高炉炉缸侧壁的监测方法，具体技术方案如下：
一种高炉炉缸侧壁的监测方法，所述高炉炉缸侧壁由内至外包括依次设置的第一砖衬、第二砖衬、第一填料层、冷却壁、第二填料层以及炉壳，第二砖衬内部由炉缸侧壁内侧至外侧方向依次设有第一组测温元件和第二组测温元件，冷却壁内设有冷却水管，监测方法包括以下步骤：
获取炉缸侧壁监测位置的角热流密度，具体通过表达式3)获得：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
其中：Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度，r为监测位置处圆周对应的半径，q(τ)为τ时刻的热流密度；
通过布置在炉缸炭砖中热电偶检测温度值和炉缸内衬的角热流密度计算不同位置处的热阻值并对炉缸侧壁损伤情况进行诊断。
以上技术方案中优选的，所述第一组测温元件和第二组测温元件均采用热电偶；
表达式3)的获取过程具体是：
在稳态传热条件下，根据傅里叶定律通过表达式1)计算炉缸内衬的热流密度q：
其中：tin为炉缸侧壁沿径向方向由内向外位于内侧的第一点的温度值，tout为炉缸侧壁沿径向方向由内向外位于外侧的第二点的温度值，rin为第一点所在圆周对应的半径，rout为第二点所在圆周对应的半径，λ为导热系数，r为检测热流密度处圆周对应的半径，R为炉缸侧壁的热阻；
稳态传热条件下通过表达式2)计算得到热流量Φ：
其中：l为炉缸侧壁纵向高度；
将表达式1)和表达式2)代入获得τ时刻炉缸内衬的角热流密度的表达式为表达式3)：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
其中：Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度，r为监测位置处圆周对应的半径，q(τ)为τ时刻的热流密度。
以上技术方案中优选的，所述热流密度通过表达式4)计算得到：
其中：c为冷却水的比热容，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内通过冷却壁的冷却水体积流量均值，ρ为冷却水密度；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进口温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水出口温度均值，A为冷却壁面积，Δτ1为平滑时间周期；
则角热流密度通过表达式3)计算得到：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
或者是，所述高炉炉缸侧壁上装有测量元件组，所述测量元件组包括测量热流密度的热流计和测量温度的第三组测温元件，则角热流密度通过表达式3)’计算得到：
其中：r为热流计所处位置距离炉缸中心的距离；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内热流计检测到的热流密度均值，Δτ1为平滑时间周期。
以上技术方案中优选的，炉缸侧壁损伤诊断包括内衬结厚与侵蚀诊断，具体是：
先通过表达式5)计算内衬热面与第二组测温元件之间热阻值：
其中：Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值；th为内衬热面温度；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值，Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度；
再通过表达式6)计算内衬热面与第二组测温元件之间热阻值的变化率：
其中：Δτ2为诊断时间周期，Rh2(τ-Δτ2)为前一诊断时刻的热阻值；
最后进行诊断，具体是：若deltRh2(τ)＞0，诊断为结厚；若deltRh2(τ)＜0，当Rh2(τ)＞Rh2min时，诊断为渣皮侵蚀；当Rh2(τ)＜Rh2min，诊断为内衬炭砖侵蚀且将Rh2min更新为Rh2(τ)的数值，其中：Rh2min为内衬热面与第二组测温元件之间热阻值的历史最小值，Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值；若deltRh2(τ)＝0，诊断为内衬状态保持。
以上技术方案中优选的，根据表达式7)计算τ时刻内衬炭砖侵蚀量ls(τ)：
ls(τ)＝r1-r1min＝r1min[exp(Rs(τ)λ1)-1] 7)；
其中：Rs(τ)为τ时刻因侵蚀造成的热阻变化值，Rh2(0)为最初时刻的内衬热面与第二组测温元件之间热阻值，Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值，r1为内衬热面距离炉缸中心的距离，r1min为第一砖衬未被侵蚀时的内表面到炉缸中心的距离，λ1为第一砖衬的实际导热系数。
以上技术方案中优选的，炉缸侧壁损伤诊断包括内衬炭砖环裂诊断，具体是：
先通过表达式8)计算第一组测温元件和第二组测温元件之间的热阻值：
其中：R21(τ)为τ时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值，Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度；
再通过表达式9)计算得到第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值的变化率：
其中：Δτ2为诊断时间周期，R21(τ)为τ时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值，R21(τ-Δτ2)为τ-Δτ2时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值；
最后进行诊断，具体是：若deltR21(τ)＞0，诊断为环裂加剧；若deltR21(τ)≤0，诊断为环裂保持。
以上技术方案中优选的，通过表达式14)计算内衬炭砖环裂宽度：
其中：Rh(τ)为τ时刻因环裂造成热阻变化值，Rh(τ)＝R21(τ)-R21(0)，R21(0)为最初时刻第一组测温元件和第二组测温元件之间热阻值；rh为第一组测温元件和第二组测温元件测点位置中心距离炉缸中心距离；λh为环裂处的导热系数。
以上技术方案中优选的，炉缸侧壁损伤诊断包括填料层气隙情况诊断，具体是：
先通过表达式15)计算得到第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值：
或者是，通过表达式15)’计算得到：
其中：为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进出口平均温度均值；rw为冷却壁与炉缸中心距离；hw(τ)为τ时刻冷却水与冷却壁等效对流换热系数，W/(m2·K)，hw由计算得到，v为冷却水流速，m/s；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水的流量均值，m3/h；rd为冷却水管内半径，m；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第三组测温元件的检测温度均值；
再根据表达式16)计算得到第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值的变化速率：
其中：R1w(τ)为τ时刻的第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值，R1w(τ-Δτ2)为τ-Δτ2时刻第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值；
最后进行诊断，具体是：若deltR1w(τ)＞0，诊断为气隙增加；若deltR1w(τ)≤0，诊断为气隙保持。
以上技术方案中优选的，按照表达式17)计算出现的气隙厚度：
其中：Rq(τ)为τ时刻因气隙造成热阻变化量，Rq(τ)＝R1w(τ)-R1w(0)，R1w(0)为最初时刻第一组测温元件与冷却壁内侧面之间热阻值；rq为填料层中心距离炉缸中心距离；λq为气隙处的导热系数。
以上技术方案中优选的，还包括炉缸内衬材料参数校准，具体是：
通过表达式18)计算第二砖衬的实际导热系数：
其中：rt1为第一组测温元件距离炉缸中心的距离，rt2为第二组测温元件距离炉缸中心的距离，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值；
通过表达式19)计算第一砖衬的实际导热系数：
其中：r1为内衬热面距离炉缸中心的距离，r2为第二砖衬内表面距离炉缸中心的距离，th为内衬热面温度，λ2为第二砖衬的实际导热系数；
通过表达式20)计算第一填料层的实际导热系数：
其中：r4为第一填料层外侧面距离炉缸中心的距离，r3为第一填料层内侧面距离炉缸中心的距离，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进出口平均温度均值；rw为冷却壁与炉缸中心距离；hw(τ)为τ时刻冷却水与冷却壁等效对流换热系数，W/(m2·K)，hw由计算得到，v为冷却水流速，m/s；为(τ-Δτ1,τ]时间范围内冷却水的流量均值，m3/h；rd为冷却水管内半径，m；rt1为第一组测温元件距离炉缸中心的距离。
应用本发明的技术方案，效果是：
1、本发明方法相比其他方法，采用角热流密度物理量，直接利用温度等现场检测变量变化规律判断高炉炉缸状况，通过不同位置处热阻及其在一定时间内变化速率对炉缸状况进行诊断(即据可分段计算炉缸侧壁几个关键位置之间的热阻，所计算的热阻与损伤类型具有一一对应的关系)，可排除现场干扰、炉况波动、冷却条件发生变化等情况带来的误判，且在多种损伤情况同时出现时也可以进行有效诊断。
2、本发明方法通过冷却水进出后温度及流量计算得到角热流密度，进而可计算出炉缸侧壁的局部热阻，据此获取高炉炉缸侧壁的情况，能够在高炉现有检测条件(不增加测点)下实现，实用性强。或者优选通过在第一填料层与冷却壁之间位置加装测量元件组后简化计算得到角热流密度等，能够一定程度上简化计算方法，提高诊断精度。
3、本发明方法在高炉炉缸侧壁损伤情况诊断后，对损伤情况进行具体计算，得到实际的内衬材料参数值和定量化的损伤值(侵蚀量、气隙厚度、环裂宽度)，可以为护炉操作与炉缸侵蚀结厚计算提供帮助。
4、本发明方法对所有基础检测数据(即热电偶、流量计等检测仪表的实测数据)进行多点平滑处理，即对当前时刻点(τ)及平滑时间周期(Δτ1)以前的时刻点(τ-Δτ1)内的所有有效检测数据取均值，减小检测数据中随机噪声对诊断结果的干扰，进一步提高诊断的精准度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1的高炉炉缸侧壁结构示意图；
图2是实施例1中两组热电偶的温度值统计图；
图3是本发明优选实施例2的高炉炉缸侧壁结构示意图；
其中，1、内衬热面，2、第一砖衬，3、第二砖衬，4、第一组测温元件，5、第二组测温元件，6、第一填料层，7、冷却壁，8、第二填料层，9、炉壳，10、冷却水管，11、测量元件组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种高炉炉缸侧壁的监测方法，所述高炉炉缸侧壁(即由炉壁热面1向外)由内至外包括依次设置的第一砖衬2、第二砖衬3、第一填料层6、冷却壁7、第二填料层8以及炉壳9，参见图1，第二砖衬3内部由侧壁内侧至外侧方向依次设有第一组测温元件4和第二组测温元件5(此处第一组测温元件和第二组测温元件均采用热电偶)，冷却壁7中设置有冷却水管10。监测方法包括以下步骤：
获取炉缸侧壁监测位置的角热流密度，具体通过表达式3)获得：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
其中：Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度，r为监测位置处圆周对应的半径，q(τ)为τ时刻的热流密度；
通过布置在炉缸炭砖中热电偶检测温度值和炉缸内衬的角热流密度计算不同位置处的热阻值并对炉缸侧壁损伤情况进行诊断。
表达式3)的获取过程具体是：
在稳态传热条件下，根据炉缸内衬温度沿径向分布带入傅里叶定律通过表达式1)计算炉缸内衬的热流密度q：
其中：tin为炉缸侧壁沿径向方向由内向外位于内侧的第一点的温度值，tout为炉缸侧壁沿径向方向由内向外位于外侧的第二点的温度值，rin为第一点所在圆周对应的半径，rout为第二点所在圆周对应的半径，λ为导热系数，r为检测热流密度处圆周对应的半径，R为炉缸侧壁的热阻；
稳态传热条件下通过表达式2)计算得到热流量Φ：
其中：l为炉缸侧壁纵向高度；
而实际炉缸中通过热电偶或者热流计只能检测到一个小区域甚至一个点的物理量数据，为了有效地利用实际检测数据，将表达式1)和表达式2)代入获得τ时刻炉缸内衬的角热流密度的表达式为表达式3)：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
其中：Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度，r为监测位置处圆周对应的半径，q(τ)为τ时刻的热流密度。
所述热流密度通过表达式4)计算得到：
其中：c为冷却水的比热容，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内通过冷却壁的冷却水体积流量均值(通过流量计获得)，ρ为冷却水密度；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进口温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水出口温度均值，A为冷却壁面积，Δτ1为平滑时间周期。
炉缸侧壁损伤诊断包括内衬结厚与侵蚀诊断、内衬炭砖环裂诊断以及填料层气隙情况诊断，具体是：
1、内衬结厚与侵蚀诊断，详情是：
1.1、先通过表达式5)计算内衬热面与第二组测温元件之间热阻值：
其中：Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值；th为内衬热面温度，通常取铁水凝固温度1150℃；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值，Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度。
1.2、再通过表达式6)计算内衬热面与第二组测温元件之间热阻值的变化率：
其中：Δτ2为诊断时间周期，Rh2(τ-Δτ2)为前一诊断时刻的热阻值。
1.3、最后进行诊断，具体是：若deltRh2(τ)＞0，说明内衬热面与热电偶之间热阻增加，炉缸内衬结渣正在增厚，诊断为结厚；若deltRh2(τ)＜0，说明内衬热面与热电偶之间热阻减小，炉缸内衬处于侵蚀减薄状态，当Rh2(τ)＞Rh2min时，说明此时凝结在内衬最前面的渣皮正被侵蚀，炭砖还未受到侵蚀，诊断为渣皮侵蚀；当Rh2(τ)＜Rh2min，说明内衬热面渣皮已经被完全侵蚀，内衬炭砖受到侵蚀，诊断为内衬炭砖侵蚀且将Rh2min更新为Rh2(τ)的数值，其中：Rh2min为内衬热面与第二组测温元件之间热阻值的历史最小值，Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值；若deltRh2(τ)＝0，诊断为内衬状态保持。
根据表达式7)计算τ时刻内衬炭砖侵蚀量ls(τ)：
ls(τ)＝r1-r1min＝r1min[exp(Rs(τ)λ1)-1] 7)；
其中：Rs(τ)为τ时刻因侵蚀造成的热阻变化值，Rh2(0)为最初时刻的内衬热面与第二组测温元件之间热阻值，Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值，r1为内衬热面距离炉缸中心的距离，r1min为第一砖衬未被侵蚀时的内表面到炉缸中心的距离，λ1为第一砖衬的实际导热系数。
2、内衬炭砖环裂诊断，具体是：
2.1、先通过表达式8)计算第一组测温元件和第二组测温元件之间的热阻值：
其中：R21(τ)为τ时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值，Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度。
2.2、再通过表达式9)计算得到第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值的变化率：
其中：Δτ2为诊断时间周期，R21(τ)为τ时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值，R21(τ-Δτ2)为τ-Δτ2时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值。
2.3、最后进行诊断，具体是：若deltR21(τ)＞0，说明两组热电偶之间热阻增加，炉缸内衬炭砖发生环裂，诊断为环裂加剧；若deltR21(τ)≤0，说明两组热电偶之间热阻没有变化(一般情况下deltR21(τ)不会出现负值)，诊断为环裂保持。
通过表达式14)计算内衬炭砖环裂宽度：
其中：Rh(τ)为τ时刻因环裂造成热阻变化值，Rh(τ)＝R21(τ)-R21(0)，R21(0)为最初时刻第一组测温元件和第二组测温元件之间热阻值；rh为第一组测温元件和第二组测温元件测点位置中心距离炉缸中心距离；λh为环裂处的导热系数。
3、填料层气隙情况诊断，具体是：
3.1、先通过表达式15)计算得到第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值：
其中：为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却壁内侧面的温度均值；rw为冷却壁与炉缸中心距离；hw(τ)为冷却水与冷却壁等效对流换热系数，W/(m2·K)，hw由计算得到，v为冷却水流速，m/s；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水的流量均值，m3/h；rd为冷却水管内半径，m。
3.2、再根据表达式16)计算得到第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值的变化速率：
其中：R1w(τ)为τ时刻的第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值，R1w(τ-Δτ2)为τ-Δτ2时刻第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值。
3.3、最后进行诊断，具体是：若deltR1w(τ)＞0，说明第一组测温元件与冷却壁内侧面之间热阻增加，炉缸内衬出现气隙，诊断为气隙增加；若deltR1w(τ)≤0，说明第一组测温元件与冷却壁内侧面之间热阻没有变化(一般情况下deltR1w(τ)不会出现负值)，诊断为气隙保持。
按照表达式17)计算出现的气隙厚度：
其中：Rq(τ)为τ时刻因气隙造成热阻变化量，Rq(τ)＝R1w(τ)-R1w(0)，R1w(0)为最初时刻第一组测温元件与冷却壁内侧面之间热阻值；rq为填料层中心距离炉缸中心距离；λq为气隙处的导热系数。
为了减小检测数据中随机噪声对诊断结果的干扰，本实施例对所有基础检测数据(即第一组测温元件、第二组测温元件、流量计、热流计、第三组测温元件等检测仪表的实测数据)进行多点平滑处理，即对当前时刻点(τ)及平滑时间周期(Δτ1)以前的时刻点(τ-Δτ1)内的所有有效检测数据取均值。例如，在计算τ时刻点各项热阻时，t1、t2分别取(τ-Δτ1,τ]时间范围内两只热电偶有效测量值的均值。每隔一个诊断时间周期(Δτ2)，即在(τ＝kΔτ2,k＝0,1,2……)对各检测变量进行一次预处理，并存储。平滑时间周期(Δτ1)和诊断时间周期(Δτ2)可设置为相同或不同。
计算角热流密度后的侵蚀、环裂、气隙诊断步骤无特定次序，可同时进行，也可逐一进行。
本实施例的高炉炉缸侧壁的监测方法，还包括炉缸内衬材料参数校准，具体是：
1、在高炉开炉生产初期传热达到稳定后，通过表达式18)计算第二砖衬的实际导热系数：
其中：rt1为第一组测温元件距离炉缸中心的距离，rt2为第二组测温元件距离炉缸中心的距离，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值。
2、在高炉开炉生产初期传热达到稳定后，通过表达式19)计算第一砖衬的实际导热系数：
其中：r1为内衬热面距离炉缸中心的距离，r2为第二砖衬内表面距离炉缸中心的距离，th为内衬热面温度(一般设置为1150℃)，λ2为第二砖衬的实际导热系数。
3、在高炉开炉生产初期传热达到稳定后，通过表达式20)计算第一填料层的实际导热系数：
其中：r4为第一填料层外侧面距离炉缸中心的距离，r3为第一填料层内侧面距离炉缸中心的距离，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进出口平均温度均值；rw为冷却壁与炉缸中心距离；hw(τ)为τ时刻冷却水与冷却壁等效对流换热系数，W/(m2·K)，hw由计算得到，v为冷却水流速，m/s；为(τ-Δτ1,τ]时间范围内冷却水的流量均值，m3/h；rd为冷却水管内半径，m。rt1为第一组测温元件距离炉缸中心的距离。
本实施例中所有的参数计算后进行保存(一般将处理时间一并保存)，以便后续查阅。
将本实施例的技术方案用于2012年8月正式建成投产的高炉，情况如下：
计算得到炉缸两热电偶之间热阻变化值与热电偶与冷却水之间热阻变化值非常小，两组热电偶(设置高炉标高8.7m处)的温度数据详见图2，可认为炉缸既没有出现环裂也没有产生气隙现象处于良好状态。
计算内衬热面与热电偶之间热阻变化值可知，炉缸热面周期性出现正常的侵蚀与结渣现象。其中2013年5月6日与2015年10月21日开始炉缸内衬处于侵蚀状态，从此时开始内衬热面与热电偶之间热阻值小于历史最小值，说明内衬热面渣皮已被完全侵蚀。目前属于高炉炉役前期，此时炉缸状况较为良好无异常状况，诊断结果与实际情况相符。
应用本实施例的技术方案，效果是：
1、本发明方法相比其他方法，直接利用温度变化规律判断高炉炉缸状况，通过不同位置处热阻及其在一定时间内变化速率对炉缸状况进行诊断(根据当前热阻值的实时计算结果，由热阻的变化值即可诊断出实时发生的内衬侵蚀、炭砖环裂、填料层气隙等侧壁损伤)，可排除现场干扰、炉况波动、冷却条件发生变化等情况带来的误判。
2、本发明方法通过冷却水进出口温度及流量计算得到角热流密度，通过一个新的物理量来获取高炉炉缸侧壁的情况，能够在高炉现有检测条件(不增加测点)下实现，实用性强。
3、本发明方法在高炉炉缸侧壁损伤情况诊断后，对损伤情况进行具体计算，得到实际的内衬材料参数值和定量化的损伤值(即在材料导热系数、传热距离等条件已知的条件下根据当前热阻值可反算出当前的侵蚀量、环裂宽度和气隙厚度)，可以为护炉操作与炉缸侵蚀结厚计算提供帮助。
4、本发明方法对所有基础检测数据(即热电偶、流量计等检测仪表的实测数据)进行多点平滑处理，即对当前时刻点(τ)及平滑时间周期(Δτ1)以前的时刻点(τ-Δτ1)内的所有有效检测数据取均值，减小检测数据中随机噪声对诊断结果的干扰，进一步提高诊断的精准度。
实施例2：
实施例2与实施例1不同之处在于：
1、所述高炉炉缸侧壁上装有测量元件组11，所述测量元件组包括测量热量密度的热流计和测量温度的第三组测温元件，此处优选所述热流计和第三组测温元件(可选温度传感器)均设置在所述第一填料层6和冷却壁7之间(此处的测量元件组可选用热流计和第三组测温元件一体化部件)，详见图3。实际应用时热流计安装在两组热电偶测温点的径向方向任意位置均可，所述第三测温元件设置在第一填料层和冷却水管之间。
2、炉缸内衬的角热流密度通过表达式3)’计算得到：
其中：r为热流计所处位置距离炉缸中心的距离；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内热流计检测到的热流密度均值，Δτ1为平滑时间周期。
3、第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值通过表达式15)’计算得到：
其中：为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第三组测温元件的检测温度均值。
应用本实施例的技术方案，与实施例1比较，效果是：通过在第一填料层与冷却壁之间位置加装热流计后简化计算得到角热流密度，能够一定程度上简化计算方法，提高诊断精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，所述高炉炉缸侧壁由内至外包括依次设置的第一砖衬、第二砖衬、第一填料层、冷却壁、第二填料层以及炉壳，第二砖衬内部由炉缸侧壁内侧至外侧方向依次设有第一组测温元件和第二组测温元件，冷却壁内设有冷却水管，监测方法包括以下步骤：
获取炉缸侧壁监测位置的角热流密度，具体通过表达式3)获得：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
其中：Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度，r为监测位置处圆周对应的半径，q(τ)为τ时刻的热流密度；
通过布置在炉缸炭砖中热电偶检测温度值和炉缸内衬的角热流密度计算不同位置处的热阻值并对炉缸侧壁损伤情况进行诊断。
2.根据权利要求1所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，所述第一组测温元件和第二组测温元件均采用热电偶；
表达式3)的获取过程具体是：
在稳态传热条件下，根据傅里叶定律通过表达式1)计算炉缸内衬的热流密度q：
其中：tin为炉缸侧壁沿径向方向由内向外位于内侧的第一点的温度值，tout为炉缸侧壁沿径向方向由内向外位于外侧的第二点的温度值，rin为第一点所在圆周对应的半径，rout为第二点所在圆周对应的半径，λ为导热系数，r为检测热流密度处圆周对应的半径，R为炉缸侧壁的热阻；
稳态传热条件下通过表达式2)计算得到热流量Φ：
其中：l为炉缸侧壁纵向高度；
将表达式1)和表达式2)代入获得τ时刻炉缸内衬的角热流密度的表达式为表达式3)：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
其中：Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度，r为监测位置处圆周对应的半径，q(τ)为τ时刻的热流密度。
3.根据权利要求2所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，所述热流密度通过表达式4)计算得到：
其中：c为冷却水的比热容，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内通过冷却壁的冷却水体积流量均值，ρ为冷却水密度；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进口温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水出口温度均值，A为冷却壁面积，Δτ1为平滑时间周期；
则角热流密度通过表达式3)计算得到：
Q(τ)＝rq(τ) 3)；
或者是，所述高炉炉缸侧壁上装有测量元件组，所述测量元件组包括测量热流密度的热流计和测量温度的第三组测温元件，则角热流密度通过表达式3)’计算得到：
其中：r为热流计所处位置距离炉缸中心的距离；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内热流计检测到的热流密度均值，Δτ1为平滑时间周期。
4.根据权利要求3所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，炉缸侧壁损伤诊断包括内衬结厚与侵蚀诊断，具体是：
先通过表达式5)计算内衬热面与第二组测温元件之间热阻值：
其中：Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值；th为内衬热面温度；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值，Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度；
再通过表达式6)计算内衬热面与第二组测温元件之间热阻值的变化率：
其中：Δτ2为诊断时间周期，Rh2(τ-Δτ2)为前一诊断时刻的热阻值；
最后进行诊断，具体是：若deltRh2(τ)＞0，诊断为结厚；若deltRh2(τ)＜0，当Rh2(τ)＞Rh2min时，诊断为渣皮侵蚀；当Rh2(τ)＜Rh2min，诊断为内衬炭砖侵蚀且将Rh2min更新为Rh2(τ)的数值，其中：Rh2min为内衬热面与第二组测温元件之间热阻值的历史最小值，Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值；若deltRh2(τ)＝0，诊断为内衬状态保持。
5.根据权利要求4所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，根据表达式7)计算τ时刻内衬炭砖侵蚀量ls(τ)：
ls(τ)＝r1-r1min＝r1min[exp(Rs(τ)λ1)-1] 7)；
其中：Rs(τ)为τ时刻因侵蚀造成的热阻变化值，Rh2(0)为最初时刻的内衬热面与第二组测温元件之间热阻值，Rh2(τ)为τ时刻内衬热面与第二组测温元件之间热阻值，r1为内衬热面距离炉缸中心的距离，r1min为第一砖衬未被侵蚀时的内表面到炉缸中心的距离，λ1为第一砖衬的实际导热系数。
6.根据权利要求3所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，炉缸侧壁损伤诊断包括内衬炭砖环裂诊断，具体是：
先通过表达式8)计算第一组测温元件和第二组测温元件之间的热阻值：
其中：R21(τ)为τ时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值，Q(τ)为τ时刻炉缸内衬的角热流密度；
再通过表达式9)计算得到第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值的变化率：
其中：Δτ2为诊断时间周期，R21(τ)为τ时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值，R21(τ-Δτ2)为τ-Δτ2时刻第一组测温元件与第二组测温元件之间热阻值；
最后进行诊断，具体是：若deltR21(τ)＞0，诊断为环裂加剧；若deltR21(τ)≤0，诊断为环裂保持。
7.根据权利要求6所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，通过表达式14)计算内衬炭砖环裂宽度：
其中：Rh(τ)为τ时刻因环裂造成热阻变化值，Rh(τ)＝R21(τ)-R21(0)，R21(0)为最初时刻第一组测温元件和第二组测温元件之间热阻值；rh为第一组测温元件和第二组测温元件测点位置中心距离炉缸中心距离；λh为环裂处的导热系数。
8.根据权利要求3所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，炉缸侧壁损伤诊断包括填料层气隙情况诊断，具体是：
先通过表达式15)计算得到第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值：
或者是，通过表达式15)’计算得到：
其中：为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水进出口平均温度均值；rw为冷却壁与炉缸中心距离；hw(τ)为τ时刻冷却水与冷却壁等效对流换热系数，W/(m2·K)，hw由计算得到，v为冷却水流速，m/s；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内冷却水的流量均值，m3/h；rd为冷却水管内半径，m；为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第三组测温元件的检测温度均值；
再根据表达式16)计算得到第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值的变化速率：
其中：R1w(τ)为τ时刻的第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值，R1w(τ-Δτ2)为τ-Δτ2时刻第一组测温元件与冷却壁内侧面之间的热阻值；
最后进行诊断，具体是：若deltR1w(τ)＞0，诊断为气隙增加；若deltR1w(τ)≤0，诊断为气隙保持。
9.根据权利要求8所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，按照表达式17)计算出现的气隙厚度：
其中：Rq(τ)为τ时刻因气隙造成热阻变化量，Rq(τ)＝R1w(τ)-R1w(0)，R1w(0)为最初时刻第一组测温元件与冷却壁内侧面之间热阻值；rq为填料层中心距离炉缸中心距离；λq为气隙处的导热系数。
10.根据权利要求3所述的高炉炉缸侧壁的监测方法，其特征在于，还包括炉缸内衬材料参数校准，具体是：
通过表达式18)计算第二砖衬的实际导热系数：
其中：rt1为第一组测温元件距离炉缸中心的距离，rt2为第二组测温元件距离炉缸中心的距离，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第二组测温元件的检测温度均值；
通过表达式19)计算第一砖衬的实际导热系数：
其中：r1为内衬热面距离炉缸中心的距离，r2为第二砖衬内表面距离炉缸中心的距离，th为内衬热面温度，λ2为第二砖衬的实际导热系数；
通过表达式20)计算第一填料层的实际导热系数：
其中：r4为第一填料层外侧面距离炉缸中心的距离，r3为第一填料层内侧面距离炉缸中心的距离，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内第一组测温元件的检测温度均值，为(τ-Δτ1，τ]时间范围内τ时刻冷却水进出口平均温度均值；rw为冷却壁与炉缸中心距离；hw(τ)为τ时刻冷却水与冷却壁等效对流换热系数，W/(m2·K)，hw由计算得到，v为冷却水流速，m/s；为(τ-Δτ1,τ]时间范围内冷却水的流量均值，m3/h；rd为冷却水管内半径，m；rt1为第一组测温元件距离炉缸中心的距离。
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