CN112930465A - 用于监测高炉的耐火炉衬的磨损的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使用对高炉的一部分的建模和热场计算来监测高炉的耐火炉衬的磨损的方法。计算机程序允许执行这种方法。

Description

用于监测高炉的耐火炉衬的磨损的方法

本发明涉及一种用于监测高炉的耐火炉衬的磨损的方法，并且涉及一种计算机程序，该计算机程序包括允许执行这种方法的软件指令。

高炉是用于生产熔融的金属特别是生铁的设备。它通常由金属外壳和位于其内部部分上的耐火砖炉衬组成。这种耐火炉衬通过防止熔融的金属到达金属外壳并损坏金属外壳，构成了金属外壳的保护层。这样的耐火炉衬可以例如最初为1米厚。然而，这种耐火炉衬很容易经受磨损。这种磨损可能由多种因素引起，主要的磨损机制之一是碳的溶解。熔融的金属渗透到耐火材料的空隙中，并且使碳细颗粒和粘合剂溶解。因此，较大的晶粒解离，并且熔融的金属进入耐火材料的深处，溶解越来越多的碳，并且减少了剩余的耐火材料厚度。如果所有耐火炉衬都磨损了，熔融的金属会与金属外壳接触，并且可能刺穿结构，导致熔融的金属泄漏和致命事故。因此，监测耐火炉衬的剩余厚度以防止此类问题并且在发生之前进行必要的维修和保养非常重要。高炉炉床尤其如此，这是高炉寿命的最大限制因素。的确，在不炸掉高炉的情况下就不能轻易地改变这部分，这意味着长时间的停工。

专利文件CA 2,296,516描述了一种用于监测这种耐火炉衬磨损的方法。在这种方法中，基于由在炉衬的整个厚度的隔开位置处嵌入的温度探针组测得的平均温度和运动最高温度来计算二维热传递模型。然后，该二维热传递程序进行迭代，直到通过使每个测量点处的测量温度与预测温度之间的差最小化而确定凝固等温线的最终边界为止。在这种方法中，必须限制迭代次数以保持合理的计算时间，这使磨损曲线确定的准确性降低。

专利文件WO 2014/030118描述了用于监测这种耐火炉衬磨损的另一方法。在该方法中，不是从热特性开始以推断温度场，而是迭代地搜索热特性以提供匹配的温度场。对于先前的方法，问题在于迭代步骤可能需要相当长的计算时间，因此会影响精度。

因此，需要一种能够高精度地监测高炉耐火炉衬的磨损的方法。

该问题通过根据发明的方法解决，所述方法包括以下步骤：

a–在初始已知状态下，对高炉的至少一部分进行至少二维建模，

b–限定建模部分的内部热边界条件和外部热边界条件，

c–考虑到耐火炉衬热特性以及内部热边界条件和外部热边界条件，计算高炉的所述建模部分内的热场，所述热场包括温度场和热路径线，每个路径线的起始点是测量点，终点是内部边界，

d–在每个测量点处测量温度T_{meas_n}，

e–基于热场计算：

e1–使用每个测量点处的经测量的温度T_{meas_n}作为起始值，沿着每个热路径线移动控制点，并且确定所述控制点达到临界温度T_crit的位置，e2–确定熔融金属凝固等温线的位置，所述等温线是链接所有先前确定的达到临界温度T_crit的位置的曲线，

f–使用先前确定的熔融金属凝固等温线的位置作为新的内部热边界条件来计算新的热场，

g–使用新计算的热场来估算每个测量点处的温度T_{est_n}，

h–计算每个估算的温度T_{est_n}与相应的测量的温度T_{meas_n}之间的收敛标准CC：

–如果该收敛标准CC低于预定目标Δ，则基于熔融金属凝固等温线的位置来确定耐火炉衬的磨损表面，

–如果该收敛标准CC高于预定目标Δ，则迭代步骤e至h，直到收敛标准CC低于预定目标Δ。

发明的方法也可包括以下分别考虑或根据所有可能的技术组合考虑的可选特征：

–所述收敛标准CC是最小平方根法，

–在建模步骤中，仅对高炉的炉床进行建模，

–仅对炉床的垂直切片进行建模，所述垂直切片包括宽度为W的垫、高度为H的壁以及在垫与壁之间进行接合(make the junction)的拐角，

–对炉床周围的至少六个垂直切片执行该方法，

–对于每个切片，在壁内在不同高度处限定至少四个测量点，在垫内沿着宽度限定至少三个测量点，并在拐角内限定至少两个测量点，

–至少每两个热传感器嵌入在壁的同一高度处或垫的同一宽度处，但是两个传感器中的每个都嵌入在耐火炉衬内的不同深度处，每组热传感器形成测量点，

–使用由热传感器在不同深度处测量的温度来计算测量点处的耐火炉衬热特性，

–临界温度T_crit为1150℃，

–如果在预定的迭代次数之后，收敛标准CC仍高于目标Δ，则执行细化步骤，其中，使用二分法来使由热传感器测量的温度与在测量点处估算的温度之间的差进一步最小化，

–预定的迭代次数小于或等于五，

–高炉包括冷却系统，并且考虑到这种冷却系统的热影响来限定热场计算步骤的外部边界条件。

发明也涉及一种计算机程序，其包括软件指令，软件指令在由处理器执行时实施根据前述实施例中的任何一个的方法。

本发明的其他特征和优点参照附图将从对本发明的描述中清楚地显现，该描述通过指示在下面给出，并且不以任何方式受限，在附图中：

–图1示出了高炉的炉床的耐火炉衬；

–图2示出了由根据发明的方法的实施例得到的建模的示例；

–图3示出了根据发明的方法的不同步骤；

–图4表示在根据发明的方法的实施例中使用的一些参数。

图中的元件是说明性的，可以不必按比例绘制。

图1示出了高炉的炉床1的耐火炉衬。炉床1是高炉的底部部分。它包括圆形壁2、垫3以及在壁2与垫3之间进行接合的拐角4。未示出的外壳围绕该耐火炉衬作为外部保护层。该炉床1配备有热传感器。这些热传感器嵌入耐火炉衬内。在优选的实施例中，如例如图2中所示，切片5配备有多个传感器。

如图2中所示，高炉的炉床的切片5由高度为H的壁2、宽度为W的垫3以及在壁与垫之间进行接合的拐角4构成。多个传感器(7a、7b……)沿着高度H在壁内嵌入在不同的位置处。壁内的传感器优选地位于至少四个不同的高度处。在优选的实施例中，在耐火炉衬内，至少每两个传感器被嵌入给定的高度且不同的深度处。多个传感器(7a、7b……)也在遍及宽度W的不同位置处被嵌入到垫中。垫内的传感器优选地位于至少3个不同的宽度处。在优选的实施例中，在耐火炉衬内，至少每两个传感器被嵌入给定的宽度i且不同的深度处。拐角4也可以包括至少一个热传感器(7a、7b……)。每个热传感器或热传感器组代表用于根据本发明的方法的测量点P₁、P₂……。当考虑传感器组时，仅限定一个测量点P_n，通常是该组的重心。事实上，在优选实施例中，在耐火炉衬内，如将在后面描述的，每两个热传感器被嵌入在不同的深度处的事实允许首先确定在热传感器位置处的外表面处的传热系数，但是这也是安全测量。实际上，如果一个传感器不再响应，则剩下第二个传感器，并且它允许在继续运行根据发明的方法的同时发出警报。这些热传感器优选地为热电偶。

图3示意性地示出了根据发明的实施例的方法的不同步骤。在第一步101中，使用例如有限元件(FE)法在至少二维上对处于已知状态的高炉的至少一部分进行建模。网格可以由不一定均匀的矩形单元组成。已知状态表示例如如下状态：可以通过直接测量来实际上知道耐火材料的厚度。这种已知状态可能是当高炉在其翻新之后或维修活动之后被竖立时。在一个优选的实施例中，如图1中所示，仅对高炉的炉床的切片5进行了建模。然后，可以对围绕炉床周边均匀分布的多个切片优选地六个切片执行本发明的方法，以全面了解炉床炉衬的磨损状态。该模型考虑了耐火材料分区。

在第二步102中，限定了热边界条件。它包括内部热边界21条件(由虚线表示)和外部热边界22条件(由粗线表示)的限定(102A，102B)。内部热边界21是耐火材料被认为损坏的极限。内部热边界21也被称为临界等温线，通常对应于熔融金属凝固的温度。该温度可以是1150℃。外部热边界22条件对应于炉床的外部部分的热条件。它们考虑了热传递系数与最冷温度之间的组合，该最冷温度通常对应于针对壁的用于冷却高炉外壳的冷却介质的温度。实际上，高炉可以配备有有助于冷却耐火材料的冷却系统，在这种情况下，外部热边界条件应考虑这种冷却，尤其是冷却液的温度。在第三步103中，将那些热边界条件与耐火材料的热特性诸如热导率或热传递系数结合，以计算高炉的所考虑部分内的热场。该热场包括温度场23和热路径线L_n。那些热路径线L_n代表在热量从熔融部分转移到最冷部分期间热量所遵循的路径。每条路径线L_n具有针对测量点P_n的起始点以及温度在其处到达内部边界(21)的终点I_n。耐火材料的热导率可以是耐火材料制造商提供的值，但是也可以在专门的实验室中进行计算。在优选的实施例中，其中，热传感器至少成对地嵌入在炉衬内的不同深度处，存在至少两个温度测量值。计算这两个温度之间的差并且知道传感器的位置，然后可以估算所述热传感器被嵌入的耐火材料区域中的热传递系数。计算热场是本领域技术人员已知的。作为示例，下面描述一种计算方法。

二维平面中的傅立叶定律和热方程例如可如下所述并参照图4使用。

其中Φ是热通量，λ_i是所考虑的介质的热导率，T是温度。

使用圆柱坐标给出：

其中，r是沿着方向X的坐标，其对应于沿着垫3的半径R的方向，z是沿着方向Z的坐标，其对应于沿着壁2的高度H的方向。λ_r(T)是在坐标r处的耐火材料的热导率，并且取决于在所述坐标处的温度T。λ_z(T)是耐火材料在坐标z处的热导率，并且取决于该坐标处的温度T。应用于如图4中所示的矩形网格，能量平衡可以被解释为：单元所有四个侧面上的热通量的总和等于零。

已知局部热通量与两个相邻单元之间的温差成正比：

Φ_i＝S_iR_i(T_i-T_C)

其中C是给定的单元，i是单元C的相邻单元中的一个，Φ是单元C与其相邻的i之间的局部热通量，S和R分别是两个连续单元i与C之间的面积和电阻，T是所考虑的单元的温度。

单元C上的热平衡可写为：

(S_NR_N+S_SR_S+S_WR_W+S_ER_E).T_C-(S_NR_NT_N+S_SR_ST_S+S_ER_ET_E+S_WR_WT_W)＝0

其中E、S、W、N是单元C的四个相邻单元。

所有这些方程式构成由i个方程式组成的线性系统，其中i是未知数，i是网格的单元的数目，该系统需要求解以计算热场。

使用该计算的热场，可以确定临界等温线9的位置。如前所述，该临界等温线表示高于临界等温线时耐火材料被认为被损坏的线。该临界等温线由在其处温度等于熔融金属凝固的临界温度T_crit的位置来限定。为了确定该临界等温线，首先必须在每个测量点P_n处测量104实际温度T_{mes_n}。然后，对于每个测量点P_n，控制点X_n沿着相应的热路径线L_n移动，其在测量点P_n处的初始温度为在所述测量点P_n处测量的温度T_{mes_n}，然后其温度沿热路径线L_n且当达到临界温度T_crit时，其运动停止并定位临界等温线点I_n。这样做，对于每个测量点P_n，定位临界等温线点的集合，并且通过链接这些点，可以确定105临界等温线9的位置。

然后该临界等温线9的位置用作内部热边界21条件，以计算106新的热场。基于此新计算的热场，估算107测量点P_n处的温度T_{est_n}。

然后将估算的温度T_{est_n}与在每个测量点P_n处由热传感器在步骤104中实际测量的温度T_{mes_n}进行比较。这些温度之间的差允许计算108收敛标准CC。在优选的实施例中，收敛标准CC是最小均方根。它可以表示为：

其中N是测量点P_n的数目。

为了对临界等温线进行更准确的估算，估算温度T_{est_n}尽可能接近实际测量的温度T_{mes_n}是重要的。因此，如果收敛标准CC高于预定目标Δ，则有必要将其降低。为此，从每个测量点P_n开始，并考虑到该点处的温度为测量的一个T_{meas_n}，控制点X_n沿着其各自的热路径线L_n移动，以及其温度被重新计算，直到它达到临界等温线的温度T_crit为止，并且限定新的临界等温线位置I_n。对每个测量点P_n这样做允许确定临界等温线9的新位置。然后，在步骤102A中将该新的临界等温线用作新的内部边界条件，并允许在步骤103中计算新的热场，优选地使用相同的外部边界条件和相同的耐火材料热特性。根据该新的热场计算来估算在测量点P_n处的新温度T_{est_n}，并将其与通过热探针在所述测量点P_n处测量的实际温度T_{mes_n}进行比较。只要收敛标准CC高于预定目标Δ即可执行此循环，或者如果已经出于时间计算目的设定了预定数目，则此循环仅执行给定次数。该预定数目可以小于或等于五。

发明人已经发现，通过沿着热路径线移动控制点X_n，它们可以获得更好的灵敏度，并且可以更快地减小估算温度与测量温度之间的差距。与现有技术相比，这允许较少的迭代并且如此快地达到低收敛标准和更准确的方法。

在另一实施例中，可以通过进一步使在测量点P_n处的估算温度与测量温度T_{mes_n}之间的差最小化来进一步细化临界等温线的位置。在先前的迭代中，所有控制点X_n都在对临界等温线9的新位置进行限定之前沿着它们的专用路径线L_n移动。如果此方法不允许进一步减小差，则可以逐控制点进行操作。例如，将估算温度T_{est_1}与测量点P₁处的测量温度T_{mes_1}进行比较，如果差值超过给定阈值，则控制点X₁沿着其热路径线L₁或朝着脚手架移动，并且确定在其处达到临界温度T_crit的新位置I₁。然后，使用该新位置作为内部边界条件重新计算该域中的热场，确定临界温度的新位置并估算新温度T₁。重复该循环直到差值低于给定阈值。然后将相同的方法应用于每个控制点X_n，可以精确地绘制新的临界等温线位置。在优选的实施例中，二分法被用作细化方法。

如果或者一旦收敛标准低于预定目标Δ，则精确地估算临界等温线的位置，然后可以估算109耐火炉衬的磨损线。在临界等温线的前面，耐火材料被认为已损坏，而在等温线的后面，则认为是安全的。可以计划进行诸如喷枪修理之类的修理行动，以延长高炉炉床的使用寿命。

除了温度测量104之外，所有这些步骤可以被转化成一系列软件指令，并且该方法可以由包括所述软件指令的计算机程序来执行。

图2示出了可以通过执行根据发明的方法获得的结果。在该实施例中，仅高炉炉床的切片5被建模。四对热电偶被嵌入在高炉炉床的壁2中，两对嵌入在拐角中。热路径线(L₁、L₂……)从那些热电偶的位置延伸到达到临界温度T_crit的位置(I₁、I₂……)。在这种情况下，临界温度为1150℃。然后绘制1150℃等温线9(用三角形的粗线表示)，并表示超过该极限值，耐火材料已磨损且不再履行其保护作用。从该结果可以看出的是，临界等温线部分超出了初始内部边界，这表示存在脚手架。脚手架是在炉壁上建立的堆积层或凸块。这导致高炉烟囱的横截面面积的减小，这不利于生产率。

利用根据发明的方法，可以精确地确定高炉的磨损状态。

Claims (13)

1.一种用于监测高炉的耐火炉衬的磨损的方法，所述方法包括以下步骤：

a.在初始已知状态下，对高炉的至少一部分(5)在至少两个维度上进行建模(101)，

b.对建模部分(5)的内部热边界条件(21)和外部热边界条件(22)进行限定(102A、102B)，

c.考虑到耐火炉衬热特性以及内部热边界条件(21)和外部热边界条件(22)，计算高炉的所述建模部分(5)内的热场(103)，所述热场包括温度场(23)和热路径线(L_n)，每条路径线(L_n)的起始点是测量点(P_n)以及终点是内部边界(21)，

d.在每个测量点(P_n)处测量温度T_{meas_n}(104)，

e.基于热场计算(103)：

e1–使用在每个测量点(P_n)处的经测量的温度T_{meas_n}作为起始值，沿着每个热路径线(L_n)移动控制点(X_n)，并确定所述控制点(X_n)达到临界温度T_crit的位置(I_n)，

e2–确定熔融金属凝固等温线(9)的位置(105)，所述等温线(9)是链接所有先前确定的达到临界温度T_crit的位置(I_n)的曲线，

f.使用先前确定的熔融金属凝固等温线(9)的位置作为新的内部热边界条件(21)来计算新的热场(106)，

g.使用新计算的热场来估算每个测量点(P_n)处的温度T_{est_n}(107)，

h.计算每个估算温度T_{est_n}与相应的测量温度T_{meas_n}之间的收敛标准CC(108)：

–如果该收敛标准CC低于预定目标Δ，则基于熔融金属凝固等温线(9)的位置来确定耐火炉衬的磨损表面(109)，

–如果该收敛标准CC高于预定目标Δ，则重复执行步骤e至h，直到收敛标准CC低于预定目标Δ。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述收敛标准CC是最小平方根法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在建模步骤(101)中，仅对高炉的炉床进行建模。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，仅对炉床的垂直切片进行建模，所述垂直切片包括宽度为W的垫(3)、高度为H的壁(2)以及在垫与壁之间进行接合的拐角(4)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，针对炉床周边周围的至少六个垂直切片执行所述方法。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，对于每个切片，在壁内的不同高度处限定至少四个测量点P_n，在垫内沿着宽度限定至少三个测量点P_n，并且在拐角内限定至少两个测量点P_n。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，至少每两个热传感器被嵌入在壁(2)的同一高度或垫(3)的同一宽度处，但是两个传感器中的每个被嵌入在耐火炉衬内的不同深度处，每组热传感器形成测量点(P_n)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，使用由热传感器在不同深度处测量的温度来计算在测量点(P_n)处的耐火炉衬热特性。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述临界温度T_crit为1150℃。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，如果在预定的迭代次数之后，收敛标准CC仍然高于目标Δ，则执行细化步骤，其中，使用二分法使在测量点处由热传感器测量的温度与估算的温度之间的差进一步最小化。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，预定的迭代次数小于或等于5。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，高炉包括冷却系统，并且考虑到这种冷却系统的热影响来限定所述热场计算步骤的外部边界条件(22)。

13.一种计算机程序，其包括软件指令，软件指令在由处理器执行时实现根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

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