CN110826172A - 一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，包括以下步骤：高炉炉缸横截面为圆环，采用固定计算网格的方法绘制计算域结构化网格，得到初始凝固线位置；通过一系列假设的侵蚀线的位置得到所有靠近圆心圈热电偶的计算温度；利用线性插值方法初步计算出初始的内壁侵蚀线，并根据内壁侵蚀线计算出所有热电偶所在位置对应的温度；将所有热电偶所在位置对应的温度与实际热电偶温度值多次比较并修正，直到误差范围满足要求。本发明有助于缓解现有技术存在的侵蚀检测迭代方法耗时过长、计算量大、不利于工程上快速预估获得结果且普通的计算硬件无法满足计算要求的技术问题。

Description

一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法
技术领域
本发明涉及高炉炉缸侵蚀检测技术领域，尤其是涉及一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法。
背景技术
高炉是钢铁冶金生产中关键设备之一，是炼铁工艺过程的主要设备载体。高炉的使用寿命主要由高炉炉缸部位限制。在影响高炉安全的因素中，内衬侵蚀是最重要的一个因素。由于炉缸内衬侵蚀部位被熔融铁水覆盖，导致炉缸内衬侵蚀状态不能直接观测，这是侵蚀预测的一大难题。为了防止高炉炉缸被烧穿，建立描述高炉炉缸热过程的数学模型，进行炉缸内衬的侵蚀分析计算或诊断技术是非常必要的。在高炉服役中后期，需要判断炉缸内衬侵蚀形貌和厚度，科学安排护炉和大修期，确保炉缸结构的安全。同时也要求尽可能充分地利用现有的热工测量条件参数，作深入综合的数据挖掘，最大限度地真实反映炉缸内衬工作状态。
近年来，在传热学的基础上，根据温度、热流量等热工测量参数所建立的多种数学模型在不断发展中。一般来说，针对高炉炉缸侵蚀问题的研究分为正解模型和逆解模型。正解模型多根据侵蚀机理去预测侵蚀位置，但是由于炉缸内衬侵蚀机理非常复杂，涉及到氧化作用、热应力、机械冲刷等等许多方面，产量和介质也非常复杂，所以从正向问题去预测侵蚀线的位置非常困难。而逆解模型则是直接利用服役高炉炉缸的温度和热流量等现有可测得的热工参数来确定内衬侵蚀状态。即在已知部分几何边界、导热系数、温度、热流密度等参数情况下，求解未知部分几何边界。因此，逆解模型比正解模型更具有实用性，是目前分析高炉炉缸侵蚀问题的主要方法。
依据傅立叶传热原理建立逆解为预测侵蚀边界的可靠途径之一。传统经典的一维计算模型易于掌握，但是精度不够高；三维模型则尚未实用。因此，二维计算模型相对一维能大大提高分析精度，又有很高的技术价值，是目前最实用的方法。其难点在于不能经过一次计算获得可信的侵蚀边界，需要迭代、搜索、逼近多次计算方能获得。常用的二维迭代方法耗时过长，每次迭代需要重新进行网格划分，极大的耗费资源，不利于工程上快速预估获得结果，且普通的计算硬件无法满足计算要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，以解决现有技术存在的侵蚀检测迭代方法耗时过长、计算量大、不利于工程上快速预估获得结果且普通的计算硬件无法满足计算要求的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，包括以下步骤：
步骤一，高炉炉缸横截面为圆环，采用固定计算网格的方法绘制计算域结构化网格，得到初始凝固线位置；
步骤二，通过一系列假设的侵蚀线的位置得到所有靠近圆心圈热电偶的计算温度；
步骤三，利用线性插值方法初步计算出初始的内壁侵蚀线，并根据内壁侵蚀线计算出所有热电偶所在位置对应的温度；
步骤四，将所有热电偶所在位置对应的温度与实际热电偶温度值多次比较并修正，直到误差范围满足要求。
所述步骤一中，计算域结构化网格边界外层由外圈热电偶Pi,out所在位置确定，计算域结构化网格内边界根据一维傅里叶定律反推，由所有的热电偶组Pi依次计算，得到不同的初始凝固线位置；取计算结果中侵蚀厚度的最大值记为δ0，再取△δ作为凝铁层厚度，令δmax＝δ0+△δ，此δmax即为固定网格所描述的计算域的厚度值，由此确定计算域结构化网格的内边界位置。
所述步骤二中，将高炉炉缸横截面的圆心到内壁面的半径值记为r0，由r0开始取间隔△r，获得一系列r1，r2，r3，……，根据所取间隔△r不停将侵蚀线的位置向外层进行假设推进；此时外层热电偶Pi,out的温度值和坐标为已知量；针对不同半径值ri，其坐标和温度值也为已知量，温度为铁水凝固温度1150℃；由上述所取一系列半径值ri和已知的边界条件，分别对每一半径值ri所对应的热电偶Pi,in所在位置对应的温度进行计算，记为Tical,in，直到所有的Tical,in>Ti,in，其中，Ti,in为该热电偶Pi,in所在位置实际温度值。
所述步骤三中，将步骤二得到的一系列半径值ri和计算值Tical,in进行整理，通过线性插值的方法初步预估推测，得到初始的内壁侵蚀线；由初始内壁侵蚀线计算得到一组新的Tical,in，将与实际的Ti,in计算误差范围，当温度数值误差在1.5％以内时，认为此处壁厚即为实际值；对误差范围大于1.5％的进行修正计算。
所述步骤四中，当根据侵蚀线所计算出的所有热电偶Pi,in所在位置对应的温度Tical,in与实际值Ti,in的误差范围都在1.5％以内时，认为此条线即为所求侵蚀线。
有益效果：本发明提供的在固定计算域网格下的高炉炉缸侵蚀边界横截面二维快速计算方法，有助于缓解现有技术存在的侵蚀检测迭代方法耗时过长、计算量大、不利于工程上快速预估获得结果且普通的计算硬件无法满足计算要求的技术问题。
附图说明
图1为本发明的计算域网格示意图；
图2为本发明侵蚀线计算修正示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
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。
本发明的一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法包括以下步骤：
第一步：绘制计算域结构化网格。为了方便展示截取四分之一圆环进行说明。本发明二维方法针对高炉炉缸横截面，其横截面为圆环。为了防止生成凹形边界，导致负网格的产生，同时减小计算量，节约计算时间，本发明采取固定计算网格的方法。
计算域网格边界外层由外圈热电偶Pi,out所在位置确定，热电偶位置如图1所示，每组热电偶都由靠近内壁和外壁的两个热电偶组成。计算域内边界根据一维傅里叶定律反推，由所有的热电偶组Pi依次计算，得到不同的初始凝固线位置。取计算结果中侵蚀厚度的最大值记为δ0，再取△δ作为凝铁层厚度，令δmax＝δ0+△δ，此δmax即为固定网格所描述的计算域的厚度值，在图1中也标注出了δmax所在位置。由此就完成了确定计算域内边界位置。
第二步：如图2所示，将圆心到内壁面的半径值记为r0，由r0开始取间隔△r，获得一系列r1，r2，r3，……，即根据所取间隔△r不停将侵蚀线的位置向外层进行假设推进。此时外层热电偶Pi,out的温度值和坐标为已知量。针对不同半径值ri，其坐标和温度值也为已知量，温度即为铁水凝固温度1150℃。
由上述所取一系列半径值ri和已知的边界条件，分别对每一半径值ri所对应的热电偶Pi,in所在位置对应的温度进行计算，记为Tical,in，直到所有的Tical,in>Ti,in，其中，Ti,in为该热电偶Pi,in所在位置实际温度值。
第三步：将上述一系列半径值ri和计算值Tical,in进行整理，通过线性插值的方法初步预估推测，可以得到初始的内壁侵蚀线。
由初始内壁侵蚀线计算得到一组新的Tical,in，将与实际的Ti,in计算误差范围，当温度数值误差在1.5％以内时，认为此处壁厚即为实际值；对误差范围大于1.5％的进行修正计算。在图2中，浅色区域部分为最新计算获得侵蚀线和外边界所包含的区域，深色线则为上一次计算的得到的侵蚀线。深色区域为两次侵蚀线和外边界包含区域的改变区域。
第四步：当根据侵蚀线所计算出的所有热电偶Pi,in所在位置对应的温度Tical,in与实际值Ti,in的误差范围都在1.5％以内时，认为此条线即为所求侵蚀线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，高炉炉缸横截面为圆环，采用固定计算网格的方法绘制计算域结构化网格，得到初始凝固线位置；
步骤二，通过一系列假设的侵蚀线的位置得到所有靠近圆心圈热电偶的计算温度；
步骤三，利用线性插值方法初步计算出初始的内壁侵蚀线，并根据内壁侵蚀线计算出所有热电偶所在位置对应的温度；
步骤四，将所有热电偶所在位置对应的温度与实际热电偶温度值多次比较并修正，直到误差范围满足要求。
2.根据权利要求1所述的高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，其特征在于：所述步骤一中，计算域结构化网格边界外层由外圈热电偶Pi,out所在位置确定，计算域结构化网格内边界根据一维傅里叶定律反推，由所有的热电偶组Pi依次计算，得到不同的初始凝固线位置；取计算结果中侵蚀厚度的最大值记为δ0，再取△δ作为凝铁层厚度，令δmax＝δ0+△δ，此δmax即为固定网格所描述的计算域的厚度值，由此确定计算域结构化网格的内边界位置。
3.根据权利要求1所述的高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，其特征在于：所述步骤二中，将高炉炉缸横截面的圆心到内壁面的半径值记为r0，由r0开始取间隔△r，获得一系列r1，r2，r3，……，根据所取间隔△r不停将侵蚀线的位置向外层进行假设推进；此时外层热电偶Pi,out的温度值和坐标为已知量；针对不同半径值ri，其坐标和温度值也为已知量，温度为铁水凝固温度1150℃；由上述所取一系列半径值ri和已知的边界条件，分别对每一半径值ri所对应的热电偶Pi,in所在位置对应的温度进行计算，记为Tical,in，直到所有的Tical,in>Ti,in，其中，Ti,in为该热电偶Pi,in所在位置实际温度值。
4.根据权利要求1所述的高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，其特征在于：所述步骤三中，将步骤二得到的一系列半径值ri和计算值Tical,in进行整理，通过线性插值的方法初步预估推测，得到初始的内壁侵蚀线；由初始内壁侵蚀线计算得到一组新的Tical,in，将与实际的Ti,in计算误差范围，当温度数值误差在1.5％以内时，认为此处壁厚即为实际值；对误差范围大于1.5％的进行修正计算。
5.根据权利要求1所述的高炉炉缸横截面侵蚀边界二维快速计算方法，其特征在于：所述步骤四中，当根据侵蚀线所计算出的所有热电偶Pi,in所在位置对应的温度Tical,in与实际值Ti,in的误差范围都在1.5％以内时，认为此条线即为所求侵蚀线。
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