專利名稱：高爐爐襯侵蝕分析監(jiān)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于冶金行業(yè)煉鐵高爐爐襯侵蝕情況在線監(jiān)控、分析，為高爐操作提供必 要指導(dǎo)。
背景技術(shù)：
高爐投產(chǎn)后，爐缸爐底的工作條件特別惡劣，爐缸爐底作為盛裝高溫鐵水的部分， 其耐材內(nèi)襯受鐵水物理的和化學(xué)的作用發(fā)生侵蝕，且侵蝕隨服役時間逐漸加重，不能像高 爐其它部位那樣在生產(chǎn)過程中修補，是高爐一代爐役的主要限制環(huán)節(jié)，研究內(nèi)襯侵蝕情況 對于高爐安全生產(chǎn)和經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)都有重要意義。目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)對爐缸爐底檢測的主要方法有3種(1)超聲波檢測法，即在高爐大修過程中，在爐缸某些部位埋設(shè)陶瓷或金屬棒，與 耐火材料同步侵蝕，定期或不定期用超聲波檢測一次元件殘余厚度來反映出耐火材料剩余 厚度。由于爐缸部位溫度高、條件惡劣，超聲波往往失真，同時埋設(shè)陶瓷或金屬棒數(shù)量有限， 不能全面反映出爐缸的全部狀態(tài)和侵蝕程度。(2)鉬電阻檢測法，鉬電阻雖然檢測精度高，但價格昂貴，一般用于檢測冷卻水進 出水溫度等低溫數(shù)據(jù)。(3)熱流密度計，一般用于對某一局部的離線檢測，很少用于在線連續(xù)測量。以上幾種檢測方法雖然可行，但都是通過積累檢測數(shù)據(jù)估測爐體侵蝕情況，長期 穩(wěn)定運行中還存在許多問題，有待于進一步完善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可在線監(jiān)控高爐爐襯侵蝕的方法，本發(fā) 明基于對爐底、爐缸傳熱過程分析建立數(shù)學(xué)模型，采用“邊界元法”進行數(shù)值分析求解，確定 侵蝕邊界的位置，避免鐵水凝固線及化學(xué)侵蝕線過早在炭磚部位出現(xiàn)，造成炭磚侵蝕速度 增快和環(huán)裂；同時防止鐵水凝固線過分壓往爐內(nèi)，造成爐缸結(jié)厚，影響高爐順行；還能防止 鐵水凝固線形狀在爐底出現(xiàn)“倒鍋”形，形成爐缸中心堆積、爐缸與爐底的交界出現(xiàn)“象腳” 侵蝕等現(xiàn)象；同時指導(dǎo)高爐操作、尤其是冷卻水量調(diào)整，保證爐缸、爐底熱流強度在合適的 范圍內(nèi)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是高爐爐襯侵蝕分析監(jiān)控方法包括以下步驟1)沿爐缸徑向均勻布置熱電偶；2)建立數(shù)據(jù)庫連接，導(dǎo)入耐火材料材質(zhì)和冷卻系統(tǒng)參數(shù)；3)建立邊界條件，根據(jù)步驟2)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)建立傳熱模型；4)利用計算機根據(jù)熱電偶的測量值對傳熱模型進行數(shù)值解析，最終得出等溫線位 置；5)將模型計算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，計算機在實時讀取數(shù)據(jù)庫后，顯示侵蝕邊界的位置變化與形狀，保存計算結(jié)果并形成歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。本發(fā)明具有以下主要的優(yōu)點使用熱電偶作為一次檢測元件，造價低且方便。通過對爐底、爐缸傳熱過程分析建 立數(shù)學(xué)模型，基于“邊界元法”數(shù)值分析求解?！斑吔缭ā敝划a(chǎn)生變動邊界的推移，不涉及 大量的空間節(jié)點，大大節(jié)省計算量，同時它只對邊界離散，離散的誤差僅來源于邊界，區(qū)域 內(nèi)的有關(guān)物理量可由解析式的離散形式直接求得，提高了計算精度。對爐缸爐底處所測數(shù) 據(jù)進行處理，得出1150°C等溫線的位置和形狀，從而推出爐缸爐底的侵蝕情況，實現(xiàn)爐底、 爐缸侵蝕的跟蹤，結(jié)構(gòu)簡單、實用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對高爐生產(chǎn)獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)和 延長高爐使用壽命都具有重要意義。


圖1是爐襯侵蝕數(shù)學(xué)模型框圖。圖2是某高爐侵蝕形貌。
圖3是模型邊界條件示意圖
具體實施例方式爐缸爐底侵蝕分析監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)是確定侵蝕邊界的位置，避免鐵水凝固線及化 學(xué)侵蝕線過早在炭磚部位出現(xiàn)，造成炭磚侵蝕速度增快和環(huán)裂；同時防止鐵水凝固線過分 壓往爐內(nèi)，造成爐缸結(jié)厚，影響高爐順行；還防止鐵水凝固線形狀在爐底出現(xiàn)“倒鍋”形，形 成爐缸中心堆積、爐缸與爐底的交界出現(xiàn)“象腳”侵蝕等現(xiàn)象；同時指導(dǎo)高爐操作、尤其是冷 卻水量調(diào)整，保證爐缸、爐底熱流強度在合適的范圍內(nèi)。本發(fā)明的原理是用爐缸電偶溫度的高低來判別爐缸侵蝕狀況，可認定爐缸爐底部 位是在穩(wěn)態(tài)下進行的傳熱過程，利用某一微元點的溫度或溫度變化，建立求解傳熱方程，確 定求解區(qū)域的等溫線邊界位置與該區(qū)域的熱流強度。在所求解區(qū)域內(nèi)，利用假定邊界條件 進行計算，根據(jù)計算結(jié)果與實際測量值的偏差對爐襯侵蝕邊界進行修正，然后再進行迭代 計算，如此重復(fù)修正、迭代計算，直至計算值與實測值的偏差滿足一定的精度要求。下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明，但不限定本發(fā)明。如圖1所示，高爐爐襯侵蝕分析監(jiān)控方法包括以下步驟1)沿爐缸徑向均勻布置熱電偶；2)建立數(shù)據(jù)庫連接，導(dǎo)入耐火材料材質(zhì)和冷卻系統(tǒng)參數(shù)；3)建立邊界條件，根據(jù)步驟2)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)建立傳熱模型；4)利用計算機根據(jù)熱電偶的測量值對傳熱模型進行數(shù)值解析，最終得出等溫線位 置；5)將模型計算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，計算機在實時讀取數(shù)據(jù)庫后，顯示侵蝕邊界的 位置變化與形狀，保存計算結(jié)果并形成歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。為了測定高爐內(nèi)襯的侵蝕情況，以傳熱理論為基礎(chǔ)，計算爐底或爐缸側(cè)墻的剩余 厚度。根據(jù)熱傳導(dǎo)的傅立葉定律和熱量守恒，可以得到用直角坐標(biāo)表示的傅立葉導(dǎo)熱微分 方程
<formula>formula see original document page 6</formula>式中α為導(dǎo)溫系數(shù)，α = K/c P , m2/s ；c 為熱容，J/ (kg · K) ； P 為密度，kg/m3 ； K為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m · K) ；T為溫度，K ；t為時間，s ；▽為二階偏微分符號。對于高爐爐底，式(1)可以用圓柱坐標(biāo)表示<formula>formula see original document page 6</formula>(,Z)在軸向溫度對稱的情況下，式(2)可表示為<formula>formula see original document page 6</formula>(3)式中r為縱向坐標(biāo)；ζ為軸向坐標(biāo)。當(dāng)爐底傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，爐底內(nèi)部各點溫度不隨時間變化，這時f = 0，于是
式⑶可以改寫為式(4)<formula>formula see original document page 6</formula>邊界元法是用控制微分方程的基本解建立相應(yīng)的邊界積分方程，再對它結(jié)合邊界 的剖分而得到離散算式，由于只在邊界上剖分，因此可以將問題降維處理，減少代數(shù)方程組 的未知數(shù)。求域內(nèi)變量時，只需改變其數(shù)量和坐標(biāo)位置即可。該方法對于只關(guān)心邊界上的 函數(shù)值和梯度值的問題具有優(yōu)越性?？紤]到研究的高爐爐襯熱傳導(dǎo)問題，不需要了解整個 區(qū)域的溫度場，只需要知道邊界上的溫度和外法相導(dǎo)數(shù)即可，因此選擇邊界元法作為穩(wěn)態(tài) 熱傳導(dǎo)問題的數(shù)值求解方法。把高爐爐底、爐襯區(qū)域劃分成若干個單一材質(zhì)的部分區(qū)域，建 立積分方程組，再用邊界元法把它們離散化為若干個代數(shù)方程組聯(lián)立起來求解。邊界元法數(shù)值求解過程有兩個關(guān)鍵步驟一個是問題的邊界化，即將給定區(qū)域上 的定解問題化為可以只考慮邊界取值的問題；第二個關(guān)鍵步驟是邊界的離散化。上述第3)步建立邊界條件，根據(jù)步驟2)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)建立傳熱模型的具體流程如 下301)邊界構(gòu)成Γ如圖3所示，Γ = Γ\υ Γ2 U Γ3 U Γ4 U Γ5，其中Γ i為對 稱邊界，Γ 2為底部邊界，Γ 3為外側(cè)邊界，Γ 4為頂部邊界，Γ 5為侵蝕邊界；302)建立邊界條件如下在對稱邊界Γ工處，熱流為0，故T滿足絕熱邊界條件aT/ar = O位于(5) or在爐襯的底部邊界Γ2和外側(cè)邊界Γ3處，分別有風(fēng)冷卻、水冷卻措施，T滿足熱交換。邊界條件<formula>formula see original document page 6</formula> (6)
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中h2，h3分別是與邊界Γ2，Γ 3與冷卻環(huán)境之間的熱交換系數(shù)，T1, T2分別是冷 卻環(huán)境的溫度，η是邊界上的單位外法向量。<formula>formula see original document page 7</formula>
在頂部邊界Γ 4處，熱交換可以忽略，因此T滿足絕熱條件，即
QrJn<formula>formula see original document page 7</formula>
T在侵蝕邊界「5上，近似等于鐵的熔點1^(11501)，因此有T = T0 位于 Γ5 (10)303)根據(jù)傳熱計算公式
「 ， (D2T 1 dT d2T) Λor TT + --+ ^T =0
^ or r or dz J并聯(lián)立302)的邊界條件，建立傳熱模型。至此，我們建立了高爐底部爐襯熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型，這是一個軸對稱的穩(wěn)態(tài)熱傳 導(dǎo)模型。 上述步驟4)的數(shù)值求解過程如下假定X，y是區(qū)域內(nèi)任意的兩點，設(shè)r為X，y兩點間的距離，可以得到拉普拉斯方程 (4)的基本解f(x，y)為Γ(χ5>；) =-I-In(11)
r(x,y)對于式(4)所計算的區(qū)域，在邊界上的溫度和熱流量的邊界積分方程如下C(x)T(x) = \[T\x,y)q(y)-T(y)q(x,y)]dr(y)(12)
Γ將基本解帶入上式，邊界積分方程可以寫成C(x)T(x) = ^-\{]n 1 f(3;)-r(^)-^-[ln-l-]Wr(j；) (13)
2π ^ r(x,y) dn(y)dn{y) r(x,y)對軸對稱區(qū)域的光滑邊界有當(dāng)χ在內(nèi)部時，C(X) = 1當(dāng)χ處于的光滑邊界時，C(χ) = 0.5,對于邊界上的節(jié)點X，邊界積分方程(11)可離散成下式^T(Xi)+ 敘 jqix^my) = ^. jT\Xi,y)dr(y)(14) L y=i Tj y=i ry式中Xi為邊界單元「i的節(jié)點，yi為邊界單元上的任意點。<formula>formula see original document page 7</formula>
<formula>formula see original document page 7</formula>
G'J = \T\Xl,y)dny)(17) 式(14)可進一步簡化為YHuTj=YiGljqj(18) M ；=1對于η個節(jié)點，得到聯(lián)立一次方程組，可以用下列矩陣形式表示[H] {Τ} = [G] {Q} (19)式中Η和G是ηΧη階的系數(shù)矩陣；T和Q分別是邊界單元節(jié)點的函數(shù)值和函數(shù)的 法向?qū)?shù)值的列向量。把未知量移到等號的左邊，已知量移到等號的右邊，可得[A] {X} = {F} (20){X}為在邊界上節(jié)點未知量的列向量；[Α]為系數(shù)矩陣；{F}為已知列向量，解此線 性方程組求得邊界上未知的T值或q值，再利用式(12)進一步求得區(qū)域內(nèi)任意點的溫度值 T和熱流值q，從而判定爐缸爐底1150°C等溫線的位置。采用邊界元方法求解近似單一介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)問題具有精度高，計算時間少等特 點；同時模型能夠很方便地應(yīng)用于具有類似爐缸爐底結(jié)構(gòu)的不同高爐，不必像有限元法對 爐缸爐底內(nèi)部重新劃分單元，只要給出邊界熱電偶和檢測熱電偶的數(shù)值，就能運行模型。數(shù)學(xué)模型用VC編制，模型計算結(jié)果寫入SQL數(shù)據(jù)庫表中，計算機與數(shù)據(jù)庫采用 ODBC方式通訊，實時讀取數(shù)據(jù)庫，在客戶端顯示侵蝕邊界位置變化與形狀，保存計算結(jié)果并 形成歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。
權(quán)利要求
高爐爐襯侵蝕分析監(jiān)控方法，其特征在于包括以下步驟1)沿爐缸徑向均勻布置熱電偶；2)建立數(shù)據(jù)庫連接，導(dǎo)入耐火材料材質(zhì)和冷卻系統(tǒng)參數(shù)；3)建立邊界條件，根據(jù)步驟2)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)建立傳熱模型；4)利用計算機根據(jù)熱電偶的測量值對傳熱模型進行數(shù)值解析，最終得出等溫線位置；5)將模型計算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，計算機在實時讀取數(shù)據(jù)庫后，顯示侵蝕邊界的位置變化與形狀，保存計算結(jié)果并形成歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟3)具體包括以下步驟301)將邊界Γ分成5塊Γ^ Γ5，其中Γ工為對稱邊界，Γ2為底部邊界，Γ3為外側(cè) 邊界，Γ 4為頂部邊界，Γ 5為侵蝕邊界；302)將301)劃分的5塊邊界分別建立邊界條件<formula>formula see original document page 2</formula>其中T為溫度，r為縱向坐標(biāo)，ζ為軸向坐標(biāo)，α為導(dǎo)溫系數(shù)，h2、h3分別是邊界Γ2、Γ3 與冷卻環(huán)境之間的熱交換系數(shù)，1\、T2分別是邊界Γ2、Γ 3相應(yīng)冷卻環(huán)境的溫度，η是邊界 Γ 5上的單位外法向量，Ttl是侵蝕溫度；h2、h3、I\、T2由1)步導(dǎo)入的冷卻系統(tǒng)參數(shù)決定；303)根據(jù)傳熱計算公式 <formula>formula see original document page 2</formula>并聯(lián)立302)的邊界條件，建立傳熱模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟4)利用計算機的運算過程為41)設(shè)X，y是區(qū)域內(nèi)任意的兩點，r為x，y兩點間的距離，得到拉普拉斯方程的基本解 T*(x，y)為 <formula>formula see original document page 2</formula>42)在邊界上的溫度和熱流量的邊界積分方程如下 <formula>formula see original document page 2</formula>43)將基本解f(x，y)帶入步驟42)的式子，邊界積分方程寫成<formula>formula see original document page 2</formula> 44)對于邊界上的節(jié)點x，將步驟43)的邊界積分方程離散成下式<formula>formula see original document page 3</formula>式中Xi為邊界單元r J^fAjyi為邊界單元q上的任意點。45)令hij={q*(xi,y)dT(y)+1/2如果i≠j i = jGij={T*(xi,y)dT(y)hij={q*(xi,y)dT(y)如果i≠j 將步驟44)的邊界積分方程進一步簡化為∑HijTj=∑Gijqj46)對于η個節(jié)點，根據(jù)45)所得簡化方程得到聯(lián)立一次方程組，用下列矩陣形式表示[H] {Τ} = [G] {Q}式中Η和G是ηΧη階的系數(shù)矩陣，T和Q分別是邊界單元節(jié)點的函數(shù)值和函數(shù)的法向 導(dǎo)數(shù)值的列向量；47)在46)所得方程中，將未知量移到等號的左邊，已知量移到等號的右邊，可得 [A] {X} = {F}{X}為在邊界上節(jié)點未知量的列向量，[Α]為系數(shù)矩陣，{F}為已知列向量，解此線性方 程組求得邊界上未知的T值或q值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高爐爐襯侵蝕分析監(jiān)控方法，其包括以下步驟1)沿爐缸徑向均勻布置熱電偶；2)建立數(shù)據(jù)庫連接，導(dǎo)入耐火材料材質(zhì)和冷卻系統(tǒng)參數(shù)；3)建立邊界條件，根據(jù)步驟2)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)建立傳熱模型；4)利用計算機根據(jù)熱電偶的測量值對傳熱模型進行數(shù)值解析，最終得出等溫線位置；5)將模型計算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，計算機在實時讀取數(shù)據(jù)庫后，顯示侵蝕邊界的位置變化與形狀，保存計算結(jié)果并形成歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。本發(fā)明可避免炭磚侵蝕速度增快和環(huán)裂；同時防止?fàn)t缸結(jié)厚，影響高爐順行；還能防止?fàn)t缸中心堆積、爐缸與爐底的交界出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象；同時指導(dǎo)高爐操作、尤其是冷卻水量調(diào)整，保證爐缸、爐底熱流強度在合適的范圍內(nèi)。
文檔編號C21B7/06GK101812559SQ20091027342
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者周磊 申請人:中冶南方工程技術(shù)有限公司