一种基于冷却壁热负荷和炉衬测厚的炉温在线检测方法

摘要

本发明涉及一种基于冷却壁热负荷和炉衬测厚的高炉炉温在线检测方法。本发明包括检测冷却水流量及温度数据、检测炉衬厚度数据、根据炉墙传热数学模型构建炉温在线检测模型，并将炉温在线检测模型嵌入上位机系统。根据热负荷数据以及炉衬厚度数据，通过炉温在线检测模型计算得到炉温。利用该方法实现了高炉炉温实时在线的检测。对于提高高炉的生产效率，确保高炉的炉况稳定顺行，有重大意义。同时，相比其他在线检测手段更加可靠，成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于冷却壁热负荷和炉衬测厚的高炉炉身、炉腹的炉温在线检测方法，属高炉炉温检测领域。

背景技术

通常在炉身、炉腹部位的炉温检测，是通过在炉衬内埋设热电偶来实现的。由于热电偶很容易随炉衬侵蚀而烧蚀，现场常采用分段热电偶，无论采用什么样的热电偶测温，都存在着偶丝损坏、电偶随炉衬侵蚀而烧蚀、无炉衬侵蚀厚度作参照和测温不连续，不能检测炉腔温度的缺点，而且造成了很大的成本消耗。除了上述的炉温检测方法之外，其它可查的炉温检测方法有：第一，插入式光电温度传感器检测炉温，是利用红外辐射的原理进行温度测量，关于这种检测方法的文献只见于前几年，近期大范围的推广应用未见报道；第二，新型十字测温传感器检测，该方法无法解决炉腹的温度检测问题。第三，非接触式高炉温度检测方法，比较典型的是在此基础上发展起来的红外图像识别的检测方法，该方法具有非接触、实时性的特点，但该方法需要与十字测温法相结合进行测温定标，以上的测温方法主要用于炉顶测温。国外的一些炉温检测方法并不适合国内的炉况，其预测模型通常价格高达几百万到上千万，与国内高炉的切入点也有很大区别，同时存在技术壁垒，不利于我国高炉检测技术的进一步发展。

本发明是基于冷却壁热负荷和炉衬测厚，针对高炉炉身、炉腹部位进行炉内温度的在线检测方法。炉身主要起着炉料加热、还原和熔融的作用，炉腹部位形成大量的熔渣，炉身和炉腹温度的实时在线检测，对于提高高炉的生产效率，确保高炉的炉况稳定顺行，是十分重要且必要的。目前国内外基于冷却壁热负荷和炉衬测厚，对于高炉炉身、炉腹部位的炉温在线检测的方法，还没有见到相关的研究文献，因此本发明是非常有研究意义和现实推广前景的。

发明内容

为了对高炉炉身、炉腹的炉温在线检测提供一种方法，提出了一种高炉炉身、炉腹的炉温在线检测方法的发明，以便获取高炉炉身、炉腹部位的温度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括：冷却壁中进出口冷却水温度和流量的检测，并计算得到冷却壁热负荷、炉衬厚度的检测、炉温在线检测模型的构建。

进一步：将冷却水温度和流量数据，炉衬厚度数据传到上位机。

进一步：根据冷却水流量及温度，计算得到热负荷；根据热负荷数据和炉衬厚度数据，通过炉温在线检测模型计算得到炉温。

具体为：

在冷却壁进出口的适当位置安装水温及流量检测传感器，将水温及流量数据传入上位机，根据水温差及流量计算得到冷却壁热负荷;借助超声波测距技术，在炉墙内埋入一根金属制成的测杆作为传播介质，在测杆的冷端安装压电晶体探头测出杆长，从而计算出炉衬厚度，并将炉衬厚度数据传入上位机。根据传热学理论，以冷却壁热负荷及炉衬厚度作为已知量，建立高炉炉墙传热过程数学模型，计算不同炉衬厚度和热负荷工况下的炉墙传热过程，提取炉衬内部各点的温度数据、热负荷数据以及炉衬厚度数据。这样可以得到炉温与热负荷、炉衬厚度组成的多组数据。根据这些数据，分析炉温与热负荷、炉衬厚度之间的关系，拟合出根据热负荷以及炉衬厚度计算炉温的计算公式，即炉温在线检测模型。

其中，炉温在线检测模型的构建方法具体为：

1）炉墙传热过程计算

检测出的炉衬厚度作为已知参数，相同炉衬厚度时的不同热负荷也是已知条件，将这两类已知条件代入炉墙温度场数学模型，得到不同工况下炉墙的温度分布；并提取x方向炉衬内部各点的温度数据；

2）炉温在线检测模型的构建

经过炉墙传热过程的计算，提取炉衬内部各点的温度数据、热负荷数据以及炉衬厚度数据，得到炉温与热负荷、炉衬厚度组成的多组数据；根据所述多组数据，分析炉衬内部各点温度与热负荷、炉衬厚度之间的关系，拟合出根据热负荷以及炉衬厚度计算炉衬内各点温度的计算公式，即炉温在线检测模型，如下式所示：

式中表示炉衬中各点的温度，其中靠近炉腔的炉衬温度即为炉温，l表示炉衬的厚度，表示热负荷，a和b为常数。

本发明的有益效果是，通过在炉身、炉腹测量冷却水温度和流量，同时测量炉衬厚度，根据嵌入上位机中的炉温在线检测模型计算得到炉温。在高炉测温技术领域，解决炉身、炉腹部位难以进行炉内温度的实时在线测量的难题，提高高炉的生产效率，确保高炉的炉况稳定顺行和优质高产。

附图说明

图1是本发明涉及的一种基于冷却壁热负荷和炉衬测厚的高炉炉身、炉腹的炉温在线检测方法原理示意图。图中测杆长度为L。

图2是本发明涉及的一种基于冷却壁热负荷和炉衬测厚的高炉炉身、炉腹的炉温在线检测方法中炉墙物理模型三维结构图。其中水流量表示为q，水温表示为。

图3是本发明涉及的一种基于冷却壁热负荷和炉衬测厚的高炉炉身、炉腹的炉温在线检测方法中炉温在线检测模型的构建过程图。

附图标记说明：1、冷却壁；2、炉衬；3、渣皮；4、填料；5、炉壳；6、测杆；7、冷却水管；12、凸肋。

具体实施方式

分析炉墙的传热过程，运用传热学理论建立炉墙温度场数学模型，经过多种工况下炉墙温度场的计算，构建炉温在线检测模型：

(1)  炉墙传热物理模型

炉墙计算模型三维结构示意图如图2所示，在x方向炉墙厚度方向，从原点开始分别是炉壳、填料、冷却壁、炉衬，渣皮会随着炉温以及气流的变化而不同程度存在。根据冷却壁在炉墙中布置的几何对称性，在y，z方向选取适当的计算区域。由于测距传感器并不能检测渣皮的厚度，因此选择包括炉壳、填料、冷却壁以及炉衬在内的炉墙作为研究对象来分析计算传热过程。

(2)  炉墙传热数学模型

高炉炉墙的传热可视为稳态导热问题。

模型中边界条件的确定：

1）冷却壁中，冷却水流量大，冷却水进出口温差较小，冷却水温度取进口水温和出口水温的平均值。将冷却壁与冷却水之间的换热，设置为对流换热边界条件。

2） x=0，炉壳表面，炉壳与空气之间的对流换热与辐射换热边界条件；

3） x= L，炉衬与炉料或渣皮接触面，设置为定热流密度边界条件。根据能量守恒定律，x= L处流入炉墙的热量等于冷却水带走的热量Q加上炉壳处散失的热量，从而能计算出x= L处的热流密度。

4） 由于对称性，其它表面设置为绝热边界条件

根据冷却水管的流量（q）、水温差（△t），能得到冷却壁的热负荷（），根据热负荷计算得到冷却水通过对流换热带走的热量（Q）；通过测距传感器能够实时检测出炉墙的厚度L，亦可知炉衬的厚度，但不能检测出渣皮的厚度，因此物理模型x方向的长度取为L，并不考虑渣皮的厚度。

采用ANSYS仿真软件求解炉墙温度场数学模型，在计算结果得到实验数据验证的基础上，计算多种工况下（炉衬厚度发生变化、冷却壁热负荷发生变化等），炉墙内部的温度分布（t₁，t₂，t₃等）。

(3)  炉温在线检测模型的构建

炉温在线检测模型的构建方法如图3所示。分为两部分，炉墙传热过程计算，以及炉温在线检测模型的构建。

1）炉墙传热过程计算

检测出的炉衬厚度作为已知参数，相同炉衬厚度时的不同热负荷也是已知条件(热负荷1，热负荷2，热负荷3，热负荷n等)，将这两类已知条件带入炉墙温度场数学模型，得到不同工况下炉墙的温度分布。并提取x方向炉衬内部各点（x₁，x₂，x₃等）的温度数据（t₁，t₂，t₃等），如图2所示。

2）炉温在线检测模型的构建

经过炉墙传热过程的计算，提取炉衬内部各点的温度数据、热负荷数据以及炉衬厚度数据。这样可以得到炉温与热负荷、炉衬厚度组成的多组数据。根据这些数据，分析炉衬内部各点温度与热负荷、炉衬厚度之间的关系，拟合出根据热负荷以及炉衬厚度计算炉衬内各点温度的计算公式，即炉温在线检测模型，如下式所示。

                                                (2)

式中表示炉衬中各点的温度，其中靠近炉腔的炉衬温度即为炉温，l表示炉衬的厚度，表示热负荷，a和b为常数。

并根据实测数据对炉温在线检测模型进行校核和修正，提高模型的适用性和准确性。

将炉温在线检测模型嵌入上位机系统，炉温在线检测模型根据热负荷和炉衬厚度数据实时计算出炉温。实现在线检测炉温。为高炉的冶炼过程提供了直观的、新的炉温在线技术。