一种炉体上涨的量化方法、装置、设备及可读存储介质

摘要

本申请公开了一种炉体上涨的量化方法，属于高炉长寿领域，该方法包括：根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场；根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量；根据所述耐材沿高度方向的膨胀量和砖缝的宽度，确定炉体的上涨量，所述砖缝是所述炉缸各层碳砖间预留的砖缝。本申请可随时根据炉况修改对应参数，得到热应力致炉体上涨的具体量，降低了人工成本，并且可与其他炉体上涨原因进行叠加考虑，综合各因素研究高炉，能更全面的对高炉进行分析以及调控，对高炉炉缸砌筑耐材的选择和实现炉缸的稳定、高炉长寿有指导意义。本申请还提供一种炉体上涨的量化装置、设备及计算机可读存储介质，具有上述有益效果。

说明书

技术领域

本申请涉及高炉长寿领域，特别涉及一种炉体上涨的量化方法、装置、设备及计算机可读存储介质。

背景技术

目前，国内的高炉的目标正在从追求长寿往同时追求长寿和高产方面进行转变。随着高炉操作经验的积累和高炉装备水平的提高，上述目标已逐渐成为可能。但在转变过程中，不少的高炉出现了炉缸烧穿、冷却壁破损、高炉上涨等问题，其中特别是高炉上涨问题引起了广泛的关注，在我国已发现的有上涨情况的高炉已有数十座之多，涉及的高炉类型也包含了巨型高炉、大型高炉、中型高炉和小型高炉，分布地域也遍布南北。

高炉长高后对冶炼有着巨大的影响，经过调研发现，造成高炉炉体上涨的原因有大有小，不同的高炉上涨的原因各不相同。高炉炉缸砖衬的受热产生的热应力也被部分研究者当作一个较大的原因，但此原因的影响有多大未能有人说明，以及同样也未能做到量化处理。因此，需要提供一种炉体上涨的量化方法，对热应力与高炉炉体上涨之间的关系作进一步的研究。

发明内容

本申请的目的是提供一种炉体上涨的量化方法、装置、设备及计算机可读存储介质，从而得到热应力导致炉体上涨的具体量。

为实现上述目的，本申请提供了一种炉体上涨的量化方法，包括：

根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场；

根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量；

根据所述耐材沿高度方向的膨胀量和砖缝的宽度，确定炉体的上涨量，所述砖缝是所述炉缸各层碳砖间预留的砖缝。

可选的，所述根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场，包括：

根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场。

可选的，所述根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场前，还包括：

建立炉缸的计算网格模型，所述炉缸包含多种耐材；

对所述炉缸的计算网格模型进行耐材区域划分，并在划分的区域中设置对应的耐材的物性参数和热物性参数；

相应的，所述根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场，包括：

根据设置有所述物性参数和所述热物性参数的计算网格模型，与所述热弹塑性力学方程，确定所述炉缸的热应力场。

可选的，所述根据设置有所述物性参数和所述热物性参数的计算网格模型，与所述热弹塑性力学方程，确定所述炉缸的热应力场，包括：

对所述计算网格模型采用可执行文件进行所述炉缸的热应力模拟，确定所述炉缸的热应力场；所述可执行文件为采用热弹塑性力学方程编写所述炉缸的热应力模拟求解器源代码，并通过编译形成的可执行文件。

可选的，所述根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场后，还包括：

根据所述物性参数、所述热物性参数和所述热弹塑性力学方程，确定所述炉缸的温度场；

通过将所述温度场与测温装置采集的温度数据进行对比，确定所述热应力场的准确性。

可选的，根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量，包括：

通过热弹塑性力学方程中的本构方程和几何方程，获得所述热应力场沿高度方向的分量；

根据所述沿高度方向的分量，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量。

为实现上述目的，本申请还提供了一种炉体上涨的量化装置，包括：

确定热应力场模块，用于根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场；

确定膨胀量模块，用于根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量；

确定上涨量模块，用于根据所述耐材沿高度方向的膨胀量和砖缝的宽度，确定炉体的上涨量，所述砖缝是所述炉缸各层碳砖间预留的砖缝。

可选的，所述确定热应力场模块，具体用于根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场。

为实现上述目的，本申请还提供了一种炉体上涨的量化设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述的炉体上涨的量化方法的步骤。

为实现上述目的，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的炉体上涨的量化方法的步骤。

本申请提供的一种炉体上涨的量化方法，包括：根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场；根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量；根据所述耐材沿高度方向的膨胀量和砖缝的宽度，确定炉体的上涨量，所述砖缝是所述炉缸各层碳砖间预留的砖缝。

显然，本申请可随时根据炉况修改对应参数，得到热应力致炉体上涨的具体量，降低了人工成本，并且可与其他炉体上涨原因进行叠加考虑，综合各因素研究高炉，能更全面的对高炉进行分析以及调控，对高炉炉缸砌筑耐材的选择和实现炉缸的稳定、高炉长寿有指导意义。本申请还提供一种炉体上涨的量化装置、设备及计算机可读存储介质，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种炉体上涨的量化方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的另一种炉体上涨的量化方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种炉体上涨的量化方法的耐材区域划分示意图；

图4为本申请实施例提供的一种炉体上涨的量化装置的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

高炉长高后对冶炼有着巨大的影响，炉体上涨后造成的危害主要有：1、炉缸变形，高炉炉缸部位的耐材发生异常膨胀之后，会造成横向的彼此挤压的加剧，最终会出现炉壳开裂、炉缸呈锅底状等；2、高炉炉顶设备与连接的钢结构的冲突，造成料罐称量的不准确性；3、冷却壁水管变形破裂；4、风口部位大套的变形，风口中套的上翘。

经过调研发现，造成高炉炉体上涨的原因有大有小，不同的高炉上涨的原因各不相同，主要的原因有炉料中铅、锌、碱金属等有害元素在高炉炉缸部位的富集导致砖衬的异常膨胀；高炉基础中的CaO(氧化钙)和MgO(氧化镁)含量过高，遇水发生反应后致使固相物质体积发生膨胀；高炉鼓风引起的盲板力；高炉炉缸砖衬受热发生膨胀；炉壳受热膨胀等。其中，有害元素在高炉炉缸部位的富集致使耐材异常膨胀被大多数研究者认为是造成高炉上涨的主要原因，但是目前仍未有对此原因造成的上涨的量化分析。同时，高炉炉缸砖衬的受热产生的热应力也被部分研究者当作一个较大的原因，但此原因的影响有多大未能有人说明，以及同样也未能做到量化处理。因此，本申请了提供一种炉体上涨的量化方法，通过从炉缸的热应力场计算出耐材沿高度方向的膨胀量，然后将所得膨胀量与炉缸砌筑时各层碳砖之间的砖缝进行计算，从而得到热应力导致炉体上涨的具体量。

请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种炉体上涨的量化方法的流程图，该方法可以包括：

S101：根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场。

本实施例并不限定耐材的物性参数和热物性参数的具体种类，例如可以是弹性模量、泊松比、屈服强度、导热系数、比热容、线膨胀系数等参数。本实施例并不限定确定炉缸的热应力场的具体方式，例如可以是根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场；也可以是根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹性力学方程，确定炉缸的热应力场。考虑到热弹塑性力学方程相比热弹性力学方程更符合耐材特性，相应的热应力计算结果也更准确，因此本实施例中可以根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场。需要说明的是，上热弹塑性力学方程包括平衡方程、几何方程、弹塑性本构方程、变形协调方程和热传导方程。

进一步的，考虑到炉缸结构一般由多种耐材构成，本实施例在根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场前，还可以建立炉缸的计算网格模型，炉缸包含多种耐材；对炉缸的计算网格模型进行耐材区域划分，并在划分的区域中设置对应的耐材的物性参数和热物性参数；相应的，根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场，包括：根据设置有物性参数和热物性参数的计算网格模型，与热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场。本实施例并不限定耐材的物性参数和热物性参数的具体数值，可以根据高炉设计所用材料的不同以及结合炉缸使用年限调整具体数值。需要说明的是，本实施可根据时间的推移，改变仿真模拟所用的结构以及各耐材的属性，真正做到高炉服役期内的上涨情况跟踪；通过调整耐材的参数，找到最符合各高炉设计结构的耐材种类，从而提高高炉寿命，对砌筑炉缸时耐材的选择和实现炉缸的稳定、高炉长寿有指导意义。本实施例并不限定建立炉缸的计算网格模型的具体方式，例如可以是建立炉缸的三维几何模型；对三维几何模型进行计算网格划分，得到炉缸的计算网格模型。本实施例并不限定建立炉缸的三维几何模型的具体方式，例如可以通过三维造型软件建立炉缸的三维几何模型。本实施例并不限定对三维几何模型进行计算网格划分的具体方式，例如可以是通过网格划分软件对三维几何模型进行计算网格划分。

进一步的，本实施例并不限定根据设置有物性参数和热物性参数的计算网格模型，与热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场的具体方式，例如可以是对计算网格模型采用可执行文件进行炉缸的热应力模拟，确定炉缸的热应力场；可执行文件为采用热弹塑性力学方程编写炉缸的热应力模拟求解器源代码，并通过编译形成的可执行文件。需要说明的是，所述可执行文件为经过编译后生成的自定义命名的文件，是最终用于模拟仿真计算的文件。本实施例并不限定热应力模拟求解器源代码的具体形式，例如可以是自定义命名的.C和多个.H文件，内容为热弹塑性力学方程的源码形式。本实施例并不限定进行炉缸的热应力模拟的具体方式，例如可以是通过物理场计算软件对计算网格模型采用可执行文件进行炉缸的热应力模拟。

进一步的，本实施例还可以在根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场后，根据物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的温度场；通过将温度场与测温装置采集的温度数据进行对比，确定热应力场的准确性。本实施例并不限定测温装置的具体种类，只要能够检测炉缸的温度即可，例如测温装置可以是热电偶。需要说明的是，上述温度场为高炉炉缸模型的温度分布，本实施例通过将上述温度场与实际热电偶等测温装置所得的温度数据进行对比，可以佐证所得的热应力场的准确性。

S102：根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量。

本实施例并不限定确定所述耐材沿高度方向的膨胀量的具体方式，例如可以是通过热弹塑性力学方程中的本构方程和几何方程，获得热应力场沿高度方向的分量；根据沿高度方向的分量，确定耐材沿高度方向的膨胀量。需要说明的是，上述本构方程也称物理方程为描述物体应力和应变关系的方程；上述几何方程为描述物体变形(位移与应变关系)的方程；上述热应力场为高炉炉缸沿模型X、Y和Z方向的正应力，以及在XY、XZ和YZ方向的切应力，沿高度方向的分量为模型的Y方向的热应力分量。

S103：根据所述耐材沿高度方向的膨胀量和砖缝的宽度，确定炉体的上涨量，所述砖缝是所述炉缸各层碳砖间预留的砖缝。

需要说明的是，炉缸砌筑时各层碳砖之间的砖缝为高炉炉缸设计时每层之前碳砖间的预留的水平砖缝和竖直砖缝，由于砖缝中有碳素捣打料等填充物，这些填充物可吸收部分膨胀，通过将热应力造成的膨胀量与砖缝可吸收的膨胀量进行相减，可以得到具体的上涨量。本实施例并不限定砖缝宽度的具体数值，可以根据实际高炉设计图纸确定砖缝宽度的具体数值。

基于上述实施例，本申请可随时根据炉况修改对应参数，得到热应力致炉体上涨的具体量，降低了人工成本，并且可与其他炉体上涨原因进行叠加考虑，综合各因素研究高炉，能更全面的对高炉进行分析以及调控，对高炉炉缸砌筑耐材的选择和实现炉缸的稳定、高炉长寿有指导意义。

下面结合具体的实例说明上述炉体上涨的量化过程，请参考图2和图3，图2为本申请实施例提供的另一种炉体上涨的量化方法的流程示意图，图3为本申请实施例提供的另一种炉体上涨的量化方法的耐材区域划分示意图，本实施例中对莱钢3#3200m3高炉进行热应力致炉体上涨量计算，该过程具体如下：

1、Openfoam软件(物理场计算软件)具体为OpenFoam-extend-4.0；将编写的热弹塑性力学方程源程序编译为MyElasticPlasticSolidFoam(可执行文件的名称)求解器；

2、采用ProE软件(三维造型软件)根据3200m3高炉设计图纸建立三维高炉炉缸几何模型；

3、采用ICEM软件(网格划分软件)进行三维高炉炉缸模型的计算网格划分，并导入Openfaom-extend-4.0平台中，转换网格文件格式为OpenFoam网格文件；

4、根据高炉设计图纸，对网格文件进行耐材区域划分，并设置相关物性参数和热物性参数；

5、运行编写的热应力求解器MyElasticPlaticSolidFoam对配置好的网格文件进行热应力求解，得到三维高炉炉缸温度场和热应力场；

6、对得到的三维高炉炉缸热应力场进行几何方程和本构方程的推到，得到三位高炉炉缸的位移场(膨胀量)；

7、对得到的位移场进行延高度方向(Y方向)的数据提取，获得沿高度方向的膨胀量；

8、将膨胀量与高炉炉缸各层碳砖间预留的砖缝进行数据处理，得到沿高度往上的高炉上涨量。

表1热应力致炉体上涨量的计算结果

注：

高炉炉缸炉底总高9.235m，其中炉底高3.42m，炉缸高5.815m。

高度0m为炉底起始部位，图纸标高为4.5m。

计算值为热应力致耐材的膨胀量，砖缝累积量为随高度往上预留砖缝的累积量，最终上涨为折算掉砖缝的累积量之后，实际高炉的上涨量。

下面对本申请实施例提供的一种炉体上涨的量化装置、设备及计算机可读存储介质进行介绍，下文描述的炉体上涨的量化装置、设备及计算机可读存储介质与上文描述的炉体上涨的量化方法可相互对应参照。

请参考图4，图4为本申请实施例提供的一种炉体上涨的量化装置的结构框图，该装置可以包括：

确定热应力场模块100，用于根据耐材的物性参数和热物性参数，确定炉缸的热应力场；

确定膨胀量模块200，用于根据所述炉缸的热应力场，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量；

确定上涨量模块300，用于根据所述耐材沿高度方向的膨胀量和砖缝的宽度，确定炉体的上涨量，所述砖缝是所述炉缸各层碳砖间预留的砖缝。

基于上述实施例，本申请可随时根据炉况修改对应参数，得到热应力致炉体上涨的具体量，降低了人工成本，并且可与其他炉体上涨原因进行叠加考虑，综合各因素研究高炉，能更全面的对高炉进行分析以及调控，对高炉炉缸砌筑耐材的选择和实现炉缸的稳定、高炉长寿有指导意义。

基于上述实施例，所述确定热应力场模块100，具体用于根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场。

基于上述各实施例，所述炉体上涨的量化装置，还可以包括：

构建模型模块，用于建立炉缸的计算网格模型，所述炉缸包含多种耐材；

对所述炉缸的计算网格模型进行耐材区域划分，并在划分的区域中设置对应的耐材的物性参数和热物性参数；

相应的，所述根据耐材的物性参数、热物性参数和热弹塑性力学方程，确定炉缸的热应力场，包括：

根据设置有所述物性参数和所述热物性参数的计算网格模型，与所述热弹塑性力学方程，确定所述炉缸的热应力场。

基于上述各实施例，所述确定热应力场模块100，具体用于对所述计算网格模型采用可执行文件进行所述炉缸的热应力模拟，确定所述炉缸的热应力场；所述可执行文件为采用热弹塑性力学方程编写所述炉缸的热应力模拟求解器源代码，并通过编译形成的可执行文件。

基于上述各实施例，所述炉体上涨的量化装置，还可以包括：

判断准确性模块，用于根据所述物性参数、所述热物性参数和所述热弹塑性力学方程，确定所述炉缸的温度场；

通过将所述温度场与测温装置采集的温度数据进行对比，确定所述热应力场的准确性。

基于上述各实施例，所述确定膨胀量模块200，具体用于通过热弹塑性力学方程中的本构方程和几何方程，获得所述热应力场沿高度方向的分量；根据所述沿高度方向的分量，确定所述耐材沿高度方向的膨胀量。

基于上述实施例，本申请还提供了一种炉体上涨的量化设备，包括：存储器和处理器，其中，存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现上述各实施例所述的炉体上涨的量化方法的步骤。当然，该炉体上涨的量化设备还可以包括各种必要的网络接口、电源以及其它零部件等。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各实施例所述的炉体上涨的量化方法的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，且各个实施例间为递进关系，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，可参见对应的方法部分说明。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它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它要素，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。