CN115044721A - 一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统及方法，属于智能制造技术领域。本发明针对大型高炉热风炉管系，通过压力式应力传感器实时检测热风炉出口短管运行应力数据，建立热风管系实时应力监测模型以及换炉应力智能线性上升调节模型，精准调节换炉阀门的运行进程，实现换炉产生的动应力的波动有效控制，降低了应力冲击载荷，减少了设备疲劳负荷、延长了设备使用寿命，实现了热风炉长寿目标，为低碳冶炼提供智能技术保障措施。

Description

一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统及方法

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，更具体地说，涉及一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统及方法。

背景技术

在现代大型高炉炼铁生产的过程中，由于高炉炉容逐步大型化，冶炼风温、风压、风量持续提升。高炉热风炉换炉操作时，6000～7000m³的风量、450Kpa的压力、风速度45m/s，换炉应力波动范围高达5×10⁶～20×10⁶N，导致每座热风炉出口钢壳结构位移高达15～20mm，直接造成热风阀法兰松动漏风、波纹补偿器发红、耐材松动脱落、总管发红、热风炉出口松动脱硫、及热风炉出口区域大墙砖破损等系列问题；更有波纹补偿器爆炸、出口炉壳烧穿、热风总管断裂等恶性事故的发生，热风炉稳定运行直接关系到低碳冶炼。

因此，通过技术应用，实现换炉应力智能线性控制，满足超高炉热风管系应力波动检测的需求，具有一定的必要性，也为低碳冶炼提供智能技术保障措施。

经检索，中国专利申请号2020104327075，公开了一种用于多座高炉热风炉的换炉方法、换炉装置及控制设备；该申请案采集所述多座高炉热风炉的运行数据；根据采集的运行数据的结果，结合多座高炉的个数，对多座高炉热风炉进行换炉的类型分类；根据分类的结果，结合所述多座高炉热风炉运行数据的分析结果，计算高炉热风炉的换炉时间。该申请案能够实现多个热风炉有序和规则地运行。但该申请案没有解决换炉应力波动的相关记载，更无换炉应力检测及平稳控制的相关记载，换炉应力波动仍然存在。

中国专利申请号CN2016107156024，公开了高炉单列式热风炉检测热风出口应力装置及其应用系统和方法，该申请案包括上、下压板、压头和压力传感器；上、下压板的工作面相对；压力传感器底端面紧贴下压板的工作面设置，感应端抵紧压头的底端面；压力传感器连接高炉控制系统。应用系统包括4套应力装置，分成2组，在作为热风总管和热风炉之间拉杆的2段H型钢两侧对称设置，2段H型钢通过法兰固定连接；每组应力装置在法兰的上、下对称式设置，并通过螺栓穿过2个上压板、2个下压板和2个法兰将2套高炉单列式热风炉检测热风出口应力装置固定在一起。该申请案通过在拉杆连接点设置应力装置采集应力变化数据并分析数据。但间接的4套应力装置结构复杂，检测的应力不够精确，无法精准调控。

中国专利申请号CN2016107197081，公开了一种单列式高炉热风炉热风出口应力调节装置及其调节方法，该申请案包括热风支管两侧用以拉紧高炉热风炉和热风总管的2根大拉杆，所述大拉杆由H型钢固定连接而成；每根大拉杆中的H型钢连接处设置有应力检测装置和应力调节机构，应力检测装置的数据采集经过分析后，再通过应力调节机构在H型钢连接点进行调节，保证整个单列式高炉热风炉工作的稳定性。该申请案能够避免由于应力变化的复杂性造成管道和热风炉连接的错位，但该申请案不能进行应力控制。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统及方法，本发明针对大型高炉热风炉管系，通过压力式应力传感器实时检测热风炉出口短管运行应力数据，建立热风管系实时应力监测模型以及换炉应力智能线性上升调节模型，精准调节换炉阀门的运行进程，实现换炉产生的动应力的波动有效控制，降低了应力冲击载荷，减少了设备疲劳负荷、延长了设备使用寿命，实现了热风炉长寿目标，为低碳冶炼提供智能技术支撑。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统，包括高炉和热风炉，热风炉设置冷风阀和热风阀，热风炉为高炉送风，所述热风炉的出口压力管道上设置保护拉杆，保护拉杆上设置应力传感器，应力传感器对热风炉出口压力管道的保护拉杆进行实时测量；所述的应力传感器连接控制系统，将出口压力管道的实时应力数据传输至控制系统，所述控制系统控制热风炉冷风阀、热风阀切换。

更进一步地，单座高炉配备4座热风炉，并成单列式布置，通常采用“三烧一送”的运行方式为高炉送风；每座热风炉采用4套应力传感器实时测量出口压力管道的应力数据。

本发明的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，包括以下步骤：

步骤一：通过应力传感器实时检测热风炉出口短管运行应力数据，建立热风管系实时应力监测模型；

步骤二：对热风管系应力监测数值进行标定；

步骤三：进行热风炉换炉应力上升线性控制，调节换炉阀门的运行进程。

更进一步地，应力传感器在每次热风炉换炉时热风阀切换时采集应力数据，计算应力监测模型F_总＝(f₁+f₂+f₃+f₄)×10⁶N，f₁、f₂、f₃、f₄分别为4套应力传感器采集数据。

更进一步地，步骤二中对应力监测模型F_总的标定具体包括以下步骤：

①出口压力管道应力的初始值为1.3倍F_总，即F_总1＝1.3*F_总；热风炉管系稳定运行时控制系统给定值为F_总1；

②热风炉管系停机检修时控制系统给定值为F_总2；

③热风炉管系稳定运行时的标准应力计算模型为F_标＝F_总1-F_总2；

④热风炉管系再次稳定运行时以F_标数值为系统标准值，重新调整保护拉杆完成应力模型数值的标定。

更进一步地，步骤二中设定1.5F_标≦F₁≦1.9F_标；F_标﹤F₂﹤1.5F_标；

当热风阀工作状态变化时设定应力安全保护控制变量为F_x，且F_x﹥F_标；

当热风阀工作状态变化时F_x＝F₁，控制系统发出指令，热风阀操作暂停；

当F_x＝F₂，控制系统发出指令，热风阀操作恢复；

当连续3次F_x＝F₁，控制系统发出指令，紧急关闭热风阀，停止操作热风阀。

更进一步地，步骤三具体包括：

①应力监测系统标定后，采集热风阀工作应力谷值F_谷及热风阀工作应力峰值F_峰；

②设定应力采集周期为n秒；

③F_x＝(F_峰-F_谷)/T÷n，T为换炉冷、热风阀动作总时间；

④每n秒应力上升值为△F_n＝F_n+1-F_n，n＝1，2，3……；

⑤当△F_n≤F_x，换炉冷、热风阀持续动作；

⑥当△F_n＞F_x，换炉冷、热风阀停止动作，待n秒后下一个循环开始动作；

⑦若△F_n+1＞F_x，△F_n+2＞F_x，△F_n+3＞F_x，则PLC控制系统发出指令，紧急关闭电动阀组，停止操作热风阀，直至人工查找出问题，PLC重新开始计数；

⑧若△F_n+1＞F_x，换炉冷、热风阀继续动作。

更进一步地，4座热风炉的冷风阀、热风阀的任何一组必须同时开到位，且同一时间仅一组冷风阀和热风阀开，其余三组处于关闭状态，本次换炉结束，等待到下一次换炉。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统，设置应力监测单元，该应力监测单元通过搭载4套以上的压力传感器将检测到的信号送到仪表显示箱中，再送入控制系统中，控制系统通过内置式PLC控制模型，计算出当前压力，智能区分后，控制热风炉出口阀门适时切换，实现了换炉应力智能线性控制，满足了超高炉热风管系应力波动检测的需求；

(2)本发明的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，针对大型高炉热风炉管系，通过压力式应力传感器实时检测热风炉出口短管运行应力数据，建立热风管系实时应力监测模型以及换炉应力智能线性上升调节模型，精准调节换炉阀门的运行进程，实现换炉产生的动应力的波动有效控制，降低了应力冲击载荷，减少了设备疲劳负荷、延长了设备使用寿命，实现了热风炉长寿目标。

附图说明

图1为本发明中搭载4套应力传感器的应力监测图。

图2为高炉热风管系换炉应力线性控制实施效果曲线图。

图3为安全控制数学模型图。

图4为高炉热风管系换炉应力实时波动特性曲线图。

图5为本发明中高炉热风管系应力控制图。

图6为本发明中出口短管应力模型结构示意图。

图7为本发明中应力传感装置的结构示意图。

图8为本发明中出口应力检测示意图。

图9为本发明中热风管系换炉控制逻辑图。

示意图中的标号说明：

1、上位机；2、应力传感装置；21、第一拉杆连接法兰；22、第二拉杆连接法兰；23、第一安装法兰；24、第二安装法兰；25、固定螺栓；26、锁紧螺母；27、调整螺母；28、应力传感器；3、保护拉杆；31、第一保护拉杆；32、第二保护拉杆；4、冷风阀；5、热风阀；6、出口压力管道。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本发明的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，设置应力监测单元，该应力监测单元通过搭载4套以上的压力传感器将检测到的信号送到仪表显示箱中，再送入控制系统中，控制系统通过内置式PLC控制模型，计算出当前压力，智能区分后，控制热风炉出口阀门适时切换。图1为搭载4套应力传感器的应力监测图。

该控制方法包括以下步骤：

步骤一：建立热风管系实时应力监测模型；

所述热风管系实时应力监测模型由4座热风炉组成，并成单列式布置，采用“三烧一送”的运行方式为高炉送风，每2h“换炉”一次。结合图5和图8，每座热风炉采用4套应力传感装置2对热风炉出口压力管道6的保护拉杆3进行实时测量，应力传感装置2在每次热风阀5切换时采集应力数据。出口压力管道6的实时应力数据送至上位机1中，计算F_总＝(f₁+f₂+f₃+f₄)×10⁶N，通过现场仪表显示箱显示。

结合图6和图7，所述的应力传感装置2包括第一拉杆连接法兰21、第二拉杆连接法兰22、第一安装法兰23、第二安装法兰24、固定螺栓25、锁紧螺母26和应力传感器28；所述保护拉杆3分为两段，第一拉杆连接法兰21连接第一保护拉杆31，第二拉杆连接法兰22连接第二保护拉杆32，所述的应力传感器28设置于第一安装法兰23、第二安装法兰24之间，且第一拉杆连接法兰21与第二安装法兰24之间、第二拉杆连接法兰22与第一安装法兰23之间通过固定螺栓25、锁紧螺母26配合实现固定连接。

应力传感器28选用压力式称重传感器。压力式称重传感器量程可高达5×10⁶牛顿。且每个保护拉杆中间安装同型号压力式称重传感器，压力式称重传感器输送检测信号给上位机1，数个传感器之和即为压力管道应力量模拟数据。每个保护拉杆初始显示传感器的数据保持一致。

本实施例中第一保护拉杆31、第二保护拉杆32为圆形件，第一拉杆连接法兰21与第一保护拉杆31采用螺纹连接方式，第二拉杆连接法兰22与第二保护拉杆32采用螺纹连接方式，便于调整。

所述的应力传感器28设置于第一安装法兰23、第二安装法兰24之间。

所述的第一拉杆连接法兰21、第二拉杆连接法兰22、第一安装法兰23、第二安装法兰24上开设的法兰孔均为偶数且均匀设置；连接第一拉杆连接法兰21与第二安装法兰24的固定螺栓25从奇数号法兰孔穿过；对应地，连接固定第二拉杆连接法兰22与第一安装法兰23的固定螺栓25从偶数号法兰孔穿过，反之亦可。固定螺栓25交替均匀布置，保障应力传感器28受力均匀。

在实际使用时，需将所有固定螺栓25紧固到应力传感器28有数据显示，并设置调整螺母27，利用调整螺母与锁紧螺母配合，将压力式称重传感器固定牢固。

步骤二：对热风管系应力监测数值进行标定；具体包括：

(1)对应力监测模型F_总的标定：

①出口压力管道应力的初始值为1.3倍F_总，即F_总1＝1.3*F_总；热风炉管系稳定运行时控制系统给定值为F_总1；

②热风炉管系停机检修时控制系统给定值为F_总2；

③热风炉管系稳定运行时的标准应力计算模型为F_标＝F_总1-F_总2；

④热风炉管系再次稳定运行时以F_标数值为系统标准值，重新调整保护拉杆完成应力模型数值的标定。

(2)设定应力安全保护控制变量F_x：

①首先设定1.5F_标≦F₁≦1.9F_标；F_标﹤F₂﹤1.5F_标，当热风阀工作状态变化时设定应力变量为F_x，且F_x﹥F_标；

②当热风阀工作状态变化时F_x＝F₁，控制系统发出指令，热风阀操作暂停；

③当F_x＝F₂，控制系统发出指令，热风阀操作恢复；

④当连续3次F_x＝F₁，控制系统发出指令，紧急关闭热风阀，停止操作热风阀。

步骤三：进行热风炉换炉应力上升线性控制。具体包括：

①应力监测系统标定后，采集热风阀工作应力谷值F_谷及热风阀工作应力峰值F_峰；

②设定应力采集周期为n秒；

③F_x＝(F_峰-F_谷)/T÷n，T为换炉冷、热风阀动作总时间；

④当应力采集周期为n秒时，每n秒应力上升值△F_n＝F_n+1-F_n。(n＝1，2，3……)；

⑤当△F_n≤F_x，换炉冷、热风阀持续动作；

⑥当△F_n＞F_x，换炉冷、热风阀停止动作，待n秒后下一个循环开始动作；

⑦若△F_n+1＞F_x，△F_n+2＞F_x，△F_n+3＞F_x，则PLC控制系统发出指令，紧急关闭电动阀组，停止操作热风阀。直至人工查找出问题，PLC重新开始计数；

⑦若△F_n+1＞F_x，换炉冷、热风阀继续动作。

本发明中1#、2#、3#、4#热风炉中冷风阀4、热风阀5切换都必须满足如图9所示热风管系控制逻辑图的要求。

采用本发明所述方案实现热风阀操作时，应力线性平稳上升到峰值，进而降低冲击载荷，减少设备疲劳损伤。

实施例1

应用于高炉热风管道场景：高炉热风管系连接四座单列式布置热风炉，完成将均匀稳定1230℃～1250℃、450Kpa压力的热风交替送入高炉生产工作中，由于其钢壳结构的位移量高达15～20mm,造成热风补偿器失效、耐材脱落、总管发红、热风炉出口大墙砖松动、破损等系列问题。高炉热风出口在生产换炉操作时，检测到波动盲板应力从39×10⁴N突增到102×10⁴N，增加了2.6倍，造成出口波纹管经常损坏。

通过智能控制换炉操作时，当监测到应力F≥F_阈1＝55×10⁴N时发出指令冷风阀暂停(或缓行)，当监测到应力F≤F_阈2＝45×10⁴N时发出指令冷风阀继续开启，钢壳结构的位移量降低到3～5mm；以上设备损坏现象进步消除，设备运行实现了本质安全。

实施例2

应用于高炉冷风管道场景。高炉冷风管系同样连接四座单列式布置热风炉，协同完成将均匀稳定1230℃～1250℃、450Kpa压力的热风交替送入高炉生产工作中，高炉冷风总管进口在生产换炉操作时，检测到波动盲板应力从27×10⁴N突增到98×10⁴N，△F增加了3.6倍，造成冷风阀进口法兰短管经常出现疲劳裂纹漏风。

通过智能控制换炉操作时，当监测到应力F≥F_阈1＝40×10⁴N时发出指令冷风阀暂停关闭，当监测到应力F≤F_阈2＝33×10⁴N时发出指令冷风阀继续关闭，冷风阀关闭时间7秒延长到15秒，彻底解决了进口法兰短管经常出现疲劳裂纹漏风问题，保障了生产设备长期零故障运行。

实施例3

应用于高炉煤气余压发电TRT操作场景。高炉煤气余压发电TRT进口煤气管补偿器，检测到波动盲板应力从15×10⁴N突增到59×10⁴N，增加了近4倍。补偿器位移量为3mm。

通过智能控制插板阀开启速度，当监测到应力F≥F_阈1＝28×10⁴N时发出指令插板阀暂停开启，当监测到应力F≤F_阈2＝20×10⁴N时发出指令插板阀继续开启，通过智能应力上升线性控制插板阀开启速度，降低了冲击载荷应力峰值，补偿器位移量降到1.6mm，保障了煤气管系更安全。

实施例4

高炉热风出口在生产换炉操作时，检测到波动盲板应力从6×10⁵N突增到18×10⁵N，△F在3个检测周期为300秒内增加了3倍，通过控制模型PLC发出指令，紧急关闭电动阀组，停止操作电动阀组，直至人工查找出问题。通过智能应力上升线性控制系统控制换炉操作阀门，及时发现并调整保护拉杆，将应力调整至安全范围内，降低换炉过程中波动冲击载荷，钢壳结构的位移量从15～20mm降低到了3～5mm；出口波纹管耐材不再松动，使用寿命大大延长，保障了生产设备稳定运行。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统，包括高炉和热风炉，热风炉设置冷风阀(4)和热风阀(5)，热风炉为高炉送风，其特征在于：所述热风炉的出口压力管道(6)上设置保护拉杆(3)，保护拉杆(3)上设置应力传感器，应力传感器对热风炉出口压力管道(6)的保护拉杆(3)进行实时测量；所述的应力传感器连接控制系统，将出口压力管道(6)的实时应力数据传输至控制系统，所述控制系统控制热风炉冷风阀(4)、热风阀(5)切换。

2.根据权利要求1所述的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制系统，其特征在于：单座高炉配备4座热风炉，并成单列式布置，采用“三烧一送”的运行方式为高炉送风；每座热风炉采用4套应力传感器实时测量出口压力管道(6)的应力数据。

3.利用权利要求1或2所述系统进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过应力传感器实时检测热风炉出口短管运行应力数据，建立热风管系实时应力监测模型；

步骤二：对热风管系应力监测数值进行标定；

步骤三：进行热风炉换炉应力上升线性控制，调节换炉阀门的运行进程。

4.根据权利要求3所述的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，其特征在于：应力传感器在每次热风炉换炉时冷风阀(4)、热风阀(5)切换时采集应力数据，计算应力监测模型F_总＝(f₁+f₂+f₃+f₄)×10⁶N，f₁、f₂、f₃、f₄分别为4套应力传感器采集数据。

5.根据权利要求4所述的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，其特征在于：步骤二中对应力监测模型F_总的标定具体包括以下步骤：

①出口压力管道应力的初始值为1.3倍F_总，即F_总1＝1.3*F_总；热风炉管系稳定运行时控制系统给定值为F_总1；

②热风炉管系停机检修时控制系统给定值为F_总2；

③热风炉管系稳定运行时的标准应力计算模型为F_标＝F_总1-F_总2；

④热风炉管系再次稳定运行时以F_标数值为系统标准值，重新调整保护拉杆完成应力模型数值的标定。

6.根据权利要求5所述的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，其特征在于：步骤二中设定1.5F_标≦F₁≦1.9F_标；F_标﹤F₂﹤1.5F_标；

当热风阀工作状态变化时设定应力安全保护控制变量为F_x，且F_x﹥F_标；

当热风阀工作状态变化时F_x＝F₁，控制系统发出指令，热风阀操作暂停；

当F_x＝F₂，控制系统发出指令，热风阀操作恢复；

当连续3次F_x＝F₁，控制系统发出指令，紧急关闭热风阀，停止操作热风阀。

7.根据权利要求6所述的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，其特征在于：步骤三具体包括：

①应力监测系统标定后，采集热风阀工作应力谷值F_谷及热风阀工作应力峰值F_峰；

②设定应力采集周期为n秒；

③F_x＝(F_峰-F_谷)/T÷n，T为换炉冷、热风阀动作总时间；

④每n秒应力上升值为△F_n＝F_n+1-F_n，n＝1，2，3……；

⑤当△F_n≤F_x，换炉冷、热风阀持续动作；

⑥当△F_n＞F_x，换炉冷、热风阀停止动作，待n秒后下一个循环开始动作；

⑦若△F_n+1＞F_x，△F_n+2＞F_x，△F_n+3＞F_x，则PLC控制系统发出指令，紧急关闭电动阀组，停止操作热风阀，直至人工查找出问题，PLC重新开始计数；

⑧若△F_n+1＞F_x，换炉冷、热风阀继续动作。

8.根据权利要求7所述的一种高炉热风管系应力检测及换炉应力线性控制方法，其特征在于：4座热风炉的冷风阀(4)、热风阀(5)的任何一组必须同时开到位，且同一时间仅一组冷风阀(4)和热风阀(5)开，其余三组处于关闭状态，本次换炉结束，等待下一次换炉。

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