CN115687844A - 高炉炉缸炭砖残厚的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，基于炭砖的侵蚀特性将炭砖沿炉缸径向方向分为完好层、脆化层和渗铁层，分别利用各区域层的导热系数进行炭砖残厚计算，首先基于炉缸侧壁径向热通量相等的原理计算炭砖完好层与脆化层分界线，获取炭砖完好层长度，然后基于脆化层、渗铁层温度分界线计算脆化层、渗铁层长度，以更加准确的计算得到炭砖残厚。本发明的计算方法简单、数据易获取、可操作性强，通过将不同区域残余炭砖使用对应的导热系数进行计算，更加真实、准确的反映炭砖被侵蚀的程度，能够使高炉操作人员及时准确地获取炉缸内部工作状态，有效避免生产事故的发生，具有广泛的应用前景。

Description

高炉炉缸炭砖残厚的计算方法

技术领域

本发明涉及高炉冶炼技术领域，尤其涉及一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法。

背景技术

高炉炉缸是高温渣铁存储区，其从外到内的砌筑结构一般包括炉皮、冷却壁、捣料层、炭砖、陶瓷杯，其中炭砖采取分层砌筑。进入炉役后期，陶瓷杯消耗后炭砖与炉缸内部的高温渣铁直接接触，随着炉缸工况的波动，炭砖受到热应力、有害元素等的破坏，其内部会产生裂纹、出现渗铁等现象，会导致其导热系数出现较大程度的降低，对应的传热性能也会改变。高炉炉缸作为高炉寿命的限制性环节，炭砖的侵蚀程度关系到高炉的使用寿命，现有技术中通过传热理论计算炭砖残厚进行侵蚀程度判断，然而，在进行计算过程中未充分考虑炭砖因受到侵蚀而导致的结构变化及各结构层导热系数的变化，从而使得计算结果与实际结果有较大出入。

现有技术中，公开号为CN 114896546 A的专利中公开了一种高炉炉缸碳砖残厚的高精度计算方法，首先选择边界条件，再将碳砖的导热系数以温度的函数形式带入传热公式，进而计算高炉服役末期侵蚀线位置及侵蚀程度，然而，该计算方法未考虑到炭砖被侵蚀后其微观结构发生明显的变化，内部出现大量的孔隙及其他物质的富集渗透等等，这会造成其导热系数出现极大的变化，其在计算过程中仍认为其导热系数仅受到温度的影响，整会导致实际结果与计算结果存在一定的偏差。

有鉴于此，有必要设计一种基于残余炭砖不同区域导热系数下的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过根据残余炭砖受到侵蚀后的不同区域层的导热系数进行炭砖残厚计算，以准确反映炭砖的侵蚀程度的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，包括如下步骤：

S1、收集高炉炉缸热电偶布置位置及温度数据，将靠近高炉中心的所述热电偶的插入深度记为H₃，并对所述热电偶的温度数据进行预处理；

S2、将炉缸残余炭砖沿炉缸径向方向分为完好层、脆化层和渗铁层，分别获取各区域层的导热系数λ₁、λ₂、λ₃，并将所述各区域层的残余厚度分别记为L₁、L₂、L₃；

S3、基于高炉炉缸径向热通量相等原理并结合所述热电偶的不同插入深度，通过耦合计算判断所述炭砖完好层厚度L₁与靠近高炉中心的所述热电偶插入深度H₃的大小关系，根据判断结果分别进行不同情况下的所述完好层厚度L₁的计算；

S4、以1150℃为炉缸热面温度临界点，907℃为脆化层与渗铁层分界温度点，分别计算所述脆化层厚度L₂和所述渗铁层厚度L₃，以得到所述炭砖的残余厚度L。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述炉缸中分别设置了至少三个不同插入深度的热电偶1、2、3，所述插入深度的计算起始点以所述炭砖靠近炉壳方向的起始点开始计算，所述插入深度分别为H₁、H₂、H₃，且H₁<H₂<H₃，所述热电偶1、2、3的温度数据分别为T₁、T₂、T₃；所述热电偶的温度数据预处理为将温度不符合T_3>T₂>T₁的数据进行剔除。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述耦合计算是指采用T₁和T₂、T₂和T₃结合的方式，以λ₁作为导热系数计算热通量差异值s以判断完好层厚度L₁与H₃的关系。

作为本发明的进一步改进，若s大于预设差异值a，则认为L₁<H₃；若s小于预设差异值a，则认为L₁>H₃；所述热通量差异值s的计算公式如下：

其中，q₂₁为L₂到L₁的热通量，q₃₂为L₃到L₂的热通量。

作为本发明的进一步改进，q₂₁与q₃₂的计算公式如下：

作为本发明的进一步改进，当L₁<H₃时，L₁和L₂的计算公式如下：

作为本发明的进一步改进，当L₁>H₃时，表明炭砖残存状态良好，取L₁＝H₃计算，得到残余炭砖脆化层L₂的最小长度，L₂最小长度计算公式如下：

作为本发明的进一步改进，当炉缸铁水与炭砖接触时，由于受到冷却作用，会发生渣铁冷凝，从而在所述炭砖的热面形成保护层，所述保护层的导热系数为λ₄，所述渗铁层和所述保护层的温度区间为907-1150℃。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中，所述渗铁层厚度L₃的计算公式如下：

其中，b为保护层厚度，单位为m；λ₄为保护层导热系数，单位为W/m℃。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中，当L₁<H₃时，所述炭砖的残余厚度L＝L₁+L₂+L₃；当L₁>H₃时，所述炭砖的最小残余厚度L_min＝L₁+L₂+L₃。

本发明的有益效果是：

1、本发明根据炭砖的侵蚀变化将炭砖沿炉缸径向方向分为完好层、脆化层和渗铁层，分别利用各区域层的导热系数进行炭砖残厚的计算，避免由于未充分考虑炭砖受到侵蚀后的不同区域层导热系数出现比较大的变化而导致炭砖残厚的计算结果与实际结果偏差较大，以更加准确的计算得到炭砖残厚。

2、本发明的计算方法简单、数据易获取、可操作性强，基于残余炭砖实际受到侵蚀后的导热系数，对炭砖厚度进行分区域计算，得到的计算结果能更加准确的反映炭砖被侵蚀的程度，从而指导进行有利于炉缸安全的措施，并降低炉缸烧穿的风险，为提高高炉的使用寿命提供科学的理论基础，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法的设计思路图。

图2为实施例1中的热电偶布置位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，包括如下步骤：

S1、收集高炉炉缸热电偶布置位置及温度数据，将靠近高炉中心的所述热电偶的插入深度记为H₃，并对热电偶的温度数据进行预处理；

S2、将炉缸残余炭砖沿炉缸径向方向按结构分为完好层、脆化层和渗铁层，分别获取各区域层的导热系数λ₁、λ₂、λ₃，并将各区域层的残余厚度分别记为L₁、L₂、L₃；

S3、基于高炉炉缸径向热通量相等原理并结合热电偶的不同插入深度，通过耦合计算判断炭砖完好层厚度L₁与靠近高炉中心的热电偶插入深度H₃的大小关系，根据判断结果分别进行不同情况下的所述完好层厚度L₁的计算；

S4、以1150℃为炉缸热面温度临界点；脆化层靠近渗铁层一端沉积有有害元素锌，以锌的沸点907℃作为脆化层与渗铁层分界点，分别计算脆化层厚度L₂和渗铁层厚度L₃，以得到炭砖的残余厚度L。

具体的，步骤S1中，炉缸中分别设置了至少三个不同插入深度的热电偶1、2、3，插入深度的计算起始点以炭砖靠近炉壳方向的起始点开始计算，插入深度分别为H₁、H₂、H₃，且H₁<H₂<H₃，热电偶1、2、3的温度数据分别为T₁、T₂、T₃，，根据热电偶的插入深度分布，热电偶1到热电偶3的温度应依次升高，通过对温度数据进行预处理将温度不符合T₃>T₂>T₁的数据进行剔除。

具体的，步骤S3中，所述耦合计算是指采用T₁和T₂、T₂和T₃结合的方式，以λ₁作为导热系数计算热通量差异值s以判断完好层厚度L₁与H₃的关系，若s大于预设差异值a，则认为L₁<H₃；若s小于预设差异值a，则认为L₁>H₃，所述热通量差异值s的计算公式如下：

其中，q₂₁为L₂到L₁的热通量，q₃₂为L₃到L₂的热通量。

具体的，q₂₁与q₃₂的计算公式如下：

具体的，当L₁<H₃时，基于不同热电偶耦合计算热通量一致的原理进行完好层厚度L₁的计算，L₁的计算公式如下：

另外，结合T3和907℃进行脆化层厚度L₂的计算，L₂的计算公式如下：

具体的，当L₁>H₃时，表明炭砖残存状态良好，取L₁＝H₃计算，得到残余炭砖脆化层L₂的最小长度，L₂最小长度计算公式如下：

具体的，当炉缸铁水与炭砖接触时，由于受到冷却作用，会发生渣铁冷凝，从而在炭砖的热面形成保护层，其导热系数为λ₄，渗铁层和保护层的温度区间为907-1150℃，因此，渗铁层厚度L3的计算公式如下：

其中，b为保护层厚度，单位为m；λ₄为保护层导热系数，单位为W/m℃。

具体的，步骤S4中，当L₁<H₃时，所述炭砖的残余厚度L＝L₁+L₂+L₃；当L₁>H₃时，所述炭砖的最小残余厚度L_min＝L₁+L₂+L₃。

下面结合具体的实施例对本发明提供的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法进行说明。

实施例1

本实施例提供了一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，具体包括如下步骤：

S1、收集高炉炉缸热电偶布置位置及温度数据，热电偶1、2、3的插入深度分别为200mm，330mm，730mm，其中，280mm处为模压小块炭砖与大块微孔炭砖的分界处，0-280mm为模压小块炭砖，280mm后为大块微孔炭砖。将热电偶1、2、3的温度分别记为T₁、T₂、T₃，由于热电偶3最接近炉缸中心，因此，将温度不满足T₃>T₂>T₁的数据进行剔除，得到测温区域的温度数据，如表1所示。

表1各热电偶的温度数据

温度点	温度
		T<sub>1</sub>	124
T<sub>2</sub>	203.67
		T<sub>3</sub>	438.75

S2、将炉缸残余炭砖沿炉缸径向方向按结构分为完好层、脆化层和渗铁层，其中完好层前端模压小块炭砖导热系数λ₀为15W/m℃，完好层的大块微孔炭砖导热系数λ₁为20.2W/m℃，完好层长度记为L₁；脆化层炭砖导热系数λ₂为6.5W/m℃，长度记为L₂；渗铁层炭砖导热系数λ₃为8.7W/m℃，长度记为L₃。

S3、基于高炉炉缸径向热通量相等原理并结合热电偶的不同插入深度，通过采用T₁和T₂、T₂和T₃结合的方式，以λ₁作为导热系数计算热通量差异值s，并设定差异值a为0.03，判断完好层厚度L₁与H₃的关系，本实施例中，热通量差异值s的计算结果如下：

因此，L₁<H₃。

在本发明的其他实施例中，还可以只使用一种炭砖，对应的q₂₁和L₁的计算公式如下：

S4、脆化层靠近渗铁层一端沉积有有害元素锌，以锌的沸点907℃作为脆化层与渗铁层分界点，以便于更加准确的计算脆化层与渗铁层的厚度；炉役后期陶瓷杯消耗后，在炭砖前端存在10mm的保护层，保护层的导热系数为2.5W/m℃，907℃到1150℃由渗铁层和保护层组成，根据热电偶1、2进行热通量计算，得到渗铁层长度L₃为：

结合T3和907℃渗铁层开始温度点计算脆化层长度，计算得到L₂为：

因此，得到参与炭砖的总长为：L＝0.6921+0.3165+0.1587＝1.1673m

实施例2

实施例2提供了一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，具体包括如下步骤：

S1、收集高炉炉缸热电偶布置位置及温度数据，热电偶1、2、3的插入深度分别为200mm，330mm，730mm，其中，280mm处为模压小块炭砖与大块微孔炭砖的分界处，0-280mm为模压小块炭砖，280mm后为大块微孔炭砖。将热电偶1、2、3的温度分别记为T₁、T₂、T₃，由于热电偶3最接近炉缸中心，因此，将温度不满足T₃>T₂>T₁的数据进行剔除，得到测温区域的温度数据，如表2所示。

表2各热电偶的温度数据

S2、将炉缸残余炭砖沿炉缸径向方向按结构分为完好层、脆化层和渗铁层，其中完好层前端模压小块炭砖导热系数λ₀为15W/m℃，完好层的大块微孔炭砖导热系数λ₁为20.2W/m℃，完好层长度记为L1；脆化层炭砖导热系数λ₂为6.5W/m℃，长度记为L2；渗铁层炭砖导热系数λ₃为8.7W/m℃，长度记为L3。。

S3、基于热通量相等原理并结合热电偶的不同插入深度，通过采用T₁和T₂、T₂和T₃结合的方式，以λ₁作为导热系数计算热通量差异值s，并设定差异值a为0.03，判断完好层厚度L₁与H₃的关系；热通量差异值s的计算结果如下：

因此，L₁>H₃，另H₃＝L₁，计算得到L₂的最小长度为：

L₃为：

得到残余炭砖最小总长为：L_min＝0.73+0.3422+0.1747＝1.2469m

综上所述，本发明公开了一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，基于炭砖的侵蚀特性将炭砖沿炉缸径向方向按结构分为完好层、脆化层和渗铁层，分别利用各区域层的导热系数进行炭砖残厚计算，避免由于未充分考虑炭砖受到侵蚀后的导热系数的较大变化而导致炭砖残厚的计算结果与实际结果偏差较大，同时通过高炉炉缸径向热通量相等原理判断靠近高炉中心的热电偶的位置，根据热电偶所处区域层分别提出不同的计算方法，以更加准确的计算得到炭砖残厚。本发明的计算方法简单、数据易获取、可操作性强，基于残余炭砖分区域使用导热系数进行计算，能更加准确的反映炭砖被侵蚀的程度，从而指导进行有利于炉缸安全的措施，并降低炉缸烧穿的风险，为提高高炉的使用寿命提供科学的理论基础，具有广泛的应用前景。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、收集高炉炉缸热电偶布置位置及温度数据，将靠近高炉中心的所述热电偶的插入深度记为H₃，并对所述热电偶的温度数据进行预处理；

S2、将炉缸残余炭砖沿炉缸径向方向分为完好层、脆化层和渗铁层，分别获取各区域层的导热系数λ₁、λ₂、λ₃，并将所述各区域层的残余厚度分别记为L₁、L₂、L₃；

S3、基于高炉炉缸径向热通量相等原理并结合所述热电偶的不同插入深度，通过耦合计算判断所述炭砖完好层厚度L₁与靠近高炉中心的所述热电偶插入深度H₃的大小关系，根据判断结果分别进行不同情况下的所述完好层厚度L₁的计算；

S4、以1150℃为炉缸热面温度临界点，907℃为脆化层与渗铁层分界温度点，分别计算所述脆化层厚度L₂和所述渗铁层厚度L₃，以得到所述炭砖的残余厚度L。

2.根据权利要求1所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：步骤S1中，所述炉缸中分别设置了至少三个不同插入深度的热电偶1、2、3，所述插入深度的计算起始点以所述炭砖靠近炉壳方向的起始点开始计算，所述插入深度分别为H₁、H₂、H₃，且H₁<H₂<H₃，所述热电偶1、2、3的温度数据分别为T₁、T₂、T₃；所述热电偶的温度数据预处理为将温度不符合T₃>T₂>T₁的数据进行剔除。

3.根据权利要求1所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：步骤S3中，所述耦合计算是指采用T₁和T₂、T₂和T₃结合的方式，以λ₁作为导热系数计算热通量差异值s以判断完好层厚度L₁与H₃的关系。

4.根据权利要求3所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：若s大于预设差异值a，则认为L₁<H₃；若s小于预设差异值a，则认为L₁>H₃；所述热通量差异值s的计算公式如下：

其中，q₂₁为L₂到L₁的热通量，q₃₂为L₃到L₂的热通量。

5.根据权利要求4所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：q₂₁与q₃₂的计算公式如下：

6.根据权利要求4所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：当L₁<H₃时，L₁和L₂的计算公式如下：

7.根据权利要求4所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：当L₁>H₃时，表明炭砖残存状态良好，取L₁＝H₃计算，得到残余炭砖脆化层L₂的最小长度，L₂最小长度计算公式如下：

8.根据权利要求1所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：当炉缸铁水与炭砖接触时，由于受到冷却作用，会发生渣铁冷凝，从而在所述炭砖的热面形成保护层，所述保护层的导热系数为λ₄，所述渗铁层和所述保护层的温度区间为907-1150℃。

9.根据权利要求8所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：步骤S4中，所述渗铁层厚度L₃的计算公式如下：

其中，b为保护层厚度，单位为m；λ₄为保护层导热系数，单位为W/m℃。

10.根据权利要求1所述的高炉炉缸炭砖残厚的计算方法，其特征在于：步骤S4中，当L₁<H₃时，所述炭砖的残余厚度L＝L₁+L₂+L₃；当L₁>H₃时，所述炭砖的最小残余厚度L_min＝L₁+L₂+L₃。

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