TWI824433B - 高爐爐頂溫度模擬系統與方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露提出一種高爐爐頂溫度模擬系統，包括高爐、溫度感測器與電腦系統。溫度感測器設置在高爐的爐頂。電腦系統通訊連接至溫度感測器，用以從溫度感測器取得對應的多個溫度數值。電腦系統用以根據溫度感測器的位置以及溫度數值計算出在爐頂二維平面上的多個模擬值，並透過圖形使用者介面顯示爐頂二維平面。
Description
本揭露是有關於模擬高爐爐頂溫度的方法，藉此可以分析爐料流體化的現象。
高爐是當今最重要的一種煉鐵製程與反應器，操作流程為將各種顆粒狀的爐料裝填於一直立狀爐體的空間內，爐料包含有焦炭與含鐵的原料。一般而言，焦炭與含鐵原料為一層一層交替的填裝於爐內，然而從高爐的下側壁邊鼓入高溫約1000℃到1200℃的熱空氣，熱空氣進入爐內通過顆粒間的通道往上升，在上升過程與焦炭發生燃燒，也對鐵原料進行還原反應，將氧化鐵還原成金屬鐵，然後金屬鐵再被加熱至熔點後融化往爐底滴落。然而，如果爐內空氣流通不順暢會降低產能，累積的空氣也會增加爐內壓力，當爐壓上升到某一定值時，爐氣會衝破填充料床中較鬆散的部位，造成填充料局部床流體化。習知技術是以壓力來判斷是否發生流體化的現象，但高爐爐內壓力是全面性的數值，藉此判斷的流體化現象也是全面性的，這無
法得到流體化現象發生在哪個局部位置。
本揭露實施例提出一種高爐爐頂溫度模擬系統，包括高爐、溫度感測器與電腦系統。溫度感測器設置在高爐的爐頂。電腦系統通訊連接至溫度感測器，用以從溫度感測器取得對應的多個溫度數值。電腦系統用以根據溫度感測器的位置以及溫度數值計算出在爐頂二維平面上的多個模擬值，並透過圖形使用者介面顯示爐頂二維平面溫度。
在一些實施例中，溫度感測器設置在多支測溫桿上，這些測溫桿呈十字型配置。
在一些實施例中，溫度感測器的位置形成外殼(convex hull)，外殼位於爐頂二維平面。對於爐頂二維平面中位於外殼內的模擬值，電腦系統以線性三角內插法來內插出模擬值。
在一些實施例中，對於爐頂二維平面中位於外殼外的模擬值，電腦系統以最小平方法外插出模擬值。
在一些實施例中，電腦系統在圖形使用者介面提供元件以取得一角度，擷取爐頂二維平面在此角度的溫度變化，並且將溫度變化顯示在圖形使用者介面中。
以另一個角度來說，本揭露實施例提出一種高爐爐頂溫度模擬方法，適用於一高爐，多個溫度感測器設置在高爐的爐頂。高爐爐頂溫度模擬方法包括：從溫度感測器取得對應的多個溫度數值；根據溫度感測器的位置以及溫
度數值計算出在爐頂二維平面上的多個模擬值；以及透過圖形使用者介面顯示爐頂二維平面溫度。
在一些實施例中，溫度感測器設置在多支測溫桿上，這些測溫桿呈十字型配置。
在一些實施例中，溫度感測器的位置形成外殼(convex hull)，外殼位於爐頂二維平面。計算出在爐頂二維平面上的模擬值的步驟包括：對於爐頂二維平面中位於外殼內的模擬值，以線性三角內插法來內插出模擬值。
在一些實施例中，計算出在爐頂二維平面上的模擬值的步驟還包括：對於爐頂二維平面中位於外殼外的模擬值，以最小平方法外插出模擬值。
在一些實施例中，高爐爐頂溫度模擬方法還包括：在圖形使用者介面提供元件以取得一角度，擷取爐頂二維平面在此角度的溫度變化，並且將溫度變化顯示在圖形使用者介面中。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:高爐爐頂溫度模擬系統
110:高爐
120:溫度感測器
122:測溫桿
130:電腦系統
P1,P2,P3,P:資料點
d1,h1:高
210:爐頂二維平面
220:外殼
230,240:模擬值
402:爐頂二維平面
410:圖表
510,520,530:圖
601~603:步驟
圖1是根據一實施例繪示高爐爐頂溫度模擬系統的示意圖。
圖2是根據一實施例繪示爐頂二維平面的示意圖。
圖3是根據一實施例繪示線性三角內插法的示意圖。
圖4是根據一實施例繪示的爐頂二維平面。
圖5A至圖5C是根據實施例繪示不同時間的爐頂二維平面。
圖6是根據一實施例繪示高爐爐頂溫度模擬方法的流程圖。
關於本文中所使用之「第一」、「第二」等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。
圖1是根據一實施例繪示高爐爐頂溫度模擬系統的示意圖，請參照圖1，高爐爐頂溫度模擬系統100包括了高爐110與電腦系統130。在高爐110的爐頂設置了多個溫度感測器120，在此實施例中溫度感測器120是分散設置在四支測溫桿122上，這四支測溫桿122呈現十字形配置，相鄰兩支測溫桿之間的角度為90度。然而，在其他實施例中溫度感測器120也可以設置在其他任意合適的支架上，或者也可以設置在爐頂的周圍，或者也可以設置在三支測溫桿或是五支以上的測溫桿上，本揭露不限制溫度感測器120的設置位置，也不限制這些測溫桿的排列形狀。電腦系統130可以是個人電腦、筆記型電腦、伺服器、工業電腦或任意有計算能力的電子裝置。電腦系統130可透過有線或無線的手段通訊連接至溫度感測器120，藉此從溫度感測器120取得所量測到的溫度數值。
在高爐爐料要發生局部流體化之前，爐頂料面的溫度會有不均勻的現象，並在某個局部點溫度會逐步上升。當高爐下部的壓力夠大，大到能發生局部流體化時，高爐下部的爐氣則瞬間從爐頂料面局部區域噴出，該局部區域則發生爐料流體化且爐氣溫度急遽上升。因此，透過溫度感測器可以預先感測到溫度的變化以判斷發生流體化的位置。然而，溫度感測器120無法涵蓋整個高爐爐頂，因此在此電腦系統130會執行一個高爐爐頂溫度模擬方法，用內插以及外插的方式來計算出沒有設置溫度感測器的位置上的溫度數值，以下將說明此方法。
一般高爐爐頂的直徑約是8到12公尺，在此稱爐頂所形成的平面為爐頂二維平面，溫度感測器120是設置在這個爐頂二維平面上。圖2是根據一實施例繪示爐頂二維平面的示意圖。請參照圖2，爐頂二維平面210符合高爐爐頂的形狀，在此實施例中為圓形。溫度感測器120呈十字排列，這些溫度感測器120的位置形成一個外殼(convex hull)220，也就是說所有的溫度感測器120都在此外殼220的範圍內，而且任意兩個溫度感測器120之間的任意一個中間點也在外殼220的範圍內，此外殼220位於爐頂二維平面210的範圍內。在此實施例中，是要計算出爐頂二維平面210上每個位置的溫度數值，因此在沒有設置溫度感測器120的位置上會計算出模擬值。更進一步來說，當模擬值的位置在外殼220內(例如模擬值240)，則以線性三角內插法來內插出模擬值；當模擬值的位置在
外殼220外(例如模擬值230)，則以最小平方法外插出模擬值。
首先說明線性三角內插法，溫度感測器120所量測到的溫度數值根據對應的位置(包含x座標與y座標)可以視為一個資料點，這些分散的資料點會被建構成沃羅諾伊(Voronoi)圖，而相鄰的資料點會連接成德勞內(Delaunay)三角形。圖3是根據一實施例繪示線性三角內插法的示意圖。請參照圖3，給予三個已知溫度數值的資料點P 1~P 3，其座標分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，而資料點P(x,y)則是所需要內插的虛擬值。內插公式如以下數學式1。
[數學式1]P=a1 P 1+a2 P 2+a3 P 3
其中a1、a2、a3為需要求解的三個係數。在此設定三個係數a1、a2、a3的和必需等於1，求解公式如以下數學式2所示。
從圖3可以看出，在加入資料點P(x,y)以後，原本的三角形P 1 P 2 P 3被切割為3個子三角形，分別是P 1 PP 2、P 1 PP 3與PP 2 P 3，其中h1為三角形P 1 P 2 P 3的高，而d1為三角形PP 2 P 3的高。上述的係數a1、a2、a3分別代表每個子三角形佔原本三角形的面積比例，由於每個
子三角形與原三角形P 1 P 2 P 3都有共同的底，因此面積比例也代表高的比例。在得到係數a1、a2、a3以後，可以根據以下數學式3計算出資料點P(x,y)的溫度數值。
[數學式3]T=a1T1+a2T2+a3T3
其中T代表資料點P的溫度數值，T1代表資料點P 1的溫度數值，T2代表資料點P 2的溫度數值，T3代表資料點P 3的溫度數值。在計算出資料點P的溫度數值以後，也可以據此再進一步內插其他的數值，例如三角形PP 2 P 3內的資料點可以根據資料點P、P 2以及P 3作進一步的內插，以此類推。
接下來說明外插，在此可以假設外殼220以外的平面用函式f(x,y,θ)來表示，其中x、y為座標，θ為係數。利用外殼220邊緣上的資料點可以求解這個函示，如以下數學式4所示。
其中p(x,y)為對應資料點上的溫度數值。將外殼220邊緣上的資料點的座標(x,y)以及溫度數值p(x,y)代入數學式4可以求解出係數θ。值得注意的是係數θ的數量可以大於1，例如f(x,y,θ)=θ 1 x+θ 2 y，但本發明並不在此限。在求解出函示f(x,y,θ)，便可以求得外殼220以外任意資料點的溫度數值。
在進行上述的內插與外插以後，接下來可透過圖形
使用者介面顯示爐頂二維平面，此圖形使用者介面可以顯示在任意合適的顯示器上。圖4是根據一實施例繪示的爐頂二維平面402，在此用不同的顏色來表示不同的溫度數值。在一些實施例中，還可以在圖形使用者介面中提供選單、空格等元件讓使用者輸入一個特定的角度，接著可以顯示爐頂二維平面在這個角度的溫度變化。例如，當使用者選擇了45度，則可以顯示爐頂二維平面從左下到右上的溫度變化，如圖表410所示，如此一來使用者可以看到在特定位置上的溫度數值。在一些實施例中，可以在圖形使用者介面中顯示三個圖表，其中兩個圖表繪示預設角度的溫度變化，例如45度與135度，另一個圖表的角度則由使用者決定。然而，本揭露並不限制圖形使用者介面的排版與內容。
在一些實施例中，還可以讓圖表410以及/或者爐頂二維平面402隨著時間改變，使用者可以觀察動態的溫度變化，藉此判斷是否有爐料流體化的發生。舉例來說，圖5A至圖5C是根據實施例繪示不同時間的爐頂二維平面。在某一個日期，在操作時間1：01(代表小時以及分鐘)的爐頂二維平面如圖510所示，此時除了爐中心外其餘區域的溫度較低。在操作時間1：11爐頂二維平面如圖520所示，此時右下角的溫度緩步上升，來到153℃。在操作時間1：25時，爐頂二維平面如圖530所示，右下角的溫度突然升至350度℃。當操作人員觀察到圖520時便可以作出適當的處置，藉此避免爐料流體化的發生。
圖6是根據一實施例繪示高爐爐頂溫度模擬方法的流程圖。請參照圖6，在步驟601，從溫度感測器取得對應的多個溫度數值。在步驟602，根據溫度感測器的位置以及溫度數值計算出在一爐頂二維平面上的多個模擬值。在步驟603，透過圖形使用者介面顯示爐頂二維平面。然而，圖6中各步驟已詳細說明如上，在此便不再贅述。值得注意的是，圖6中各步驟可以實作為多個程式碼或是電路，本發明並不在此限。此外，圖6的方法可以搭配以上實施例使用，也可以單獨使用。換言之，圖6的各步驟之間也可以加入其他的步驟。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:高爐爐頂溫度模擬系統
110:高爐
120:溫度感測器
122:測溫桿
130:電腦系統
Claims (4)
- 一種高爐爐頂溫度模擬系統，包括：一高爐；多個溫度感測器，設置在該高爐的爐頂，其中該些溫度感測器設置在多支測溫桿上，該些測溫桿呈十字型配置；以及一電腦系統，通訊連接至該些溫度感測器，用以從該些溫度感測器取得對應的多個溫度數值，其中該電腦系統用以根據該些溫度感測器的位置以及該些溫度數值計算出在一爐頂二維平面上的多個模擬值，並透過一圖形使用者介面顯示該爐頂二維平面，其中該些溫度感測器的位置形成一外殼(convex hull)，該外殼位於該爐頂二維平面，該電腦系統將該些溫度數值對應的位置視為多個資料點，將該些資料點建構為沃羅諾伊(Voronoi)圖，其中相鄰的該些資料點連接成德勞內(Delaunay)三角形，對於該些資料點其中的三個資料點，其座標分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，該三個資料點對應的該些溫度數值分別為T1、T2、T3，該電腦系統根據以下數學式計算位於該三個資料點之內的一第一虛擬值T，其中a1、a2、a3為係數，
- 如請求項1所述之高爐爐頂溫度模擬系統，其中該電腦系統在該圖形使用者介面提供元件以取得一角度，擷取該爐頂二維平面在該角度的溫度變化，並且將該角度的該溫度變化顯示在該圖形使用者介面中。
- 一種高爐爐頂溫度模擬方法，適用於一高爐，多個溫度感測器設置在該高爐的爐頂，該高爐爐頂溫度模擬方法包括：從該些溫度感測器取得對應的多個溫度數值，其中該些溫度感測器設置在多支測溫桿上，該些測溫桿呈十字型配置；根據該些溫度感測器的位置以及該些溫度數值計算出在一爐頂二維平面上的多個模擬值；將該些溫度數值對應的位置視為多個資料點，將該些資料點建構為沃羅諾伊(Voronoi)圖，其中該些溫度感測器 的位置形成一外殼(convex hull)，該外殼位於該爐頂二維平面，其中相鄰的該些資料點連接成德勞內(Delaunay)三角形；對於該些資料點其中的三個資料點，其座標分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，該三個資料點對應的該些溫度數值分別為T1、T2、T3，根據以下數學式計算位於該三個資料點之內的一第一虛擬值T；
- 如請求項3所述之高爐爐頂溫度模擬方法，還包括：在該圖形使用者介面提供元件以取得一角度，擷取該爐頂二維平面在該角度的溫度變化，並且將該角度的該溫度變化顯示在該圖形使用者介面中。
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