一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法与流程

本发明涉及一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，属于炼铁高炉的在线时时监测
技术领域：
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背景技术：
：高炉软熔带的形状与位置决定了炉内还原性气流和温度场的分布，是高炉上部布料方式、下部风口操作参数调节的综合体现，对高炉的冶炼过程以及生产顺行状况产生重要影响。合适的高炉软熔带的形状与位置是使高炉还原性气流稳定运行、实现高产低耗的保证。由于高炉炉内高温、强氧化还原反应、粉尘以及多相流体的恶劣运行环境且封闭等原因，导致软熔带的位置和形状无法直接观测或测量。当前国内外学者对软熔带根部位置的研究多采用cfd仿真、热态实验和神经网络算法等方法。采用cfd仿真技术虽然可以得到直观的软熔带根部位置和形状等信息，但计算量大，且不可实时监测；热态实验法存在难度大、费用高且不能真实反映大尺寸的实际高炉的信息等问题；神经网络算法依赖于大量真实的数据样本，而实际高炉提供的数据样本非常有限，很难应用于实际生产。目前在实际生产过程中，一般参考冷却设备热负荷、冷却设备温度、砖衬温度、高炉上部压差和下部压差、炉喉煤气十字测温等数据，估计出软熔带的大概位置，该方法过于依赖个人现场经验，且数据精度低。因此开发一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法对实现高炉生产过程精细化控制具有重要意义。通过冷却水流量、进出口温差等信息，结合炉衬结构，可计算炉衬热面纵向温度分布；通过铁矿石的物相组成，可计算软熔带上、下边界温度。但通过结合纵向温度分布和软熔带边界温度该二者信息，来判断软熔带根部位置，该方法目前仍未有学者在相关文献中报导。技术实现要素：本发明针对现有技术的不足，提供一种能时时反应高炉软熔带根部位置的监测方法。由于炉衬热面换热过程过于复杂，本领域学者在研究高炉炉衬时，通常假设炉衬热面与炉内环境的换热方法为炉衬热面与高炉煤气的对流换热，本发明基于该假设，提出一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，包括下述步骤：步骤一沿高度方向，以高炉冷却设备的层数为标准对炉衬进行分层；冷却设备所用的冷却管可以包括并列排布的冷却管(简称冷却管)和背部蛇形管(简称蛇形管)，采集高炉炉腹及以上区域的各层冷却设备的冷却介质流量、温度和进出口温差信息，剔除异常数据，并计算各层冷却设备的冷却管中冷却介质的平均流量gi、平均温度tw,i和平均进出口温差δti以及蛇形管中冷却介质的平均流量gi′和平均进出口温差δti′，其中，i表示层数。步骤二依据各层冷却介质的平均温差δti、平均流量gi以及单个冷却设备所对应的热面面积ai计算该层冷却设备所对应炉衬的平均热流密度qi；步骤三根据公式(1)计算得出第i层冷却设备所对应炉衬热面的平均温度ti；ti＝qi·(ri+rs,i)+tw,i(1)公式(1)中；qi为步骤二计算所得第i层冷却设备所对应炉衬的平均热流密度；tw，i为第i层冷却管中冷却介质的平均温度，单位为℃；其为第i层冷却设备中冷却管所用冷却介质在该层进口、出口温度的平均值；rs,i为第i层冷却设备所对应炉衬热面上的渣皮热阻；其取值大于等于0；ri为第i层冷却设备所用冷却介质与其所对应炉衬热面间的总热阻；步骤四以步骤三计算所得的第i层冷却设备所对应热面的平均温度ti，作为该层热面中心点的温度；以第i层冷却设备的中心点所对应的高炉标高hi为横坐标，以该层热面中心点的温度ti为纵坐标，建立二维散点图，并对各层的ti随hi的变化关系进行插值或拟合处理，获得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线图；或以第i层冷却设备的中心点所对应的高炉标高hi为纵坐标，以该层热面中心点的温度ti为横坐标，建立二维散点图，并对各层的ti随hi的变化关系进行插值或拟合处理，获得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线图；步骤五分析待冶炼物的物相组成；依据待冶炼物的物相组成计算该待冶炼物所对应的软熔带上、下边界温度tup和tdown；在步骤四中，获得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线图；当横坐标为高炉标高hi、纵坐标为炉衬热面温度ti时；在步骤四所得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线上，找到纵坐标分别为tup、tdown的两个点；这两个点对应的横坐标分别为标高hup和标高hdown；标高hup和标高hdown即为软熔带根部的上、下边界位置(软熔带根部表示软熔带与炉衬热面或渣皮热面相连的部分)；或在步骤四中，获得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线图中；当纵坐标为高炉标高hi、横坐标为炉衬热面温度ti时；在步骤四所得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线上，找到横坐标分别为tup、tdown的两个点；这两个点对应的纵坐标分别为标高hup和标高hdown；标高hup和标高hdown即为软熔带根部的上、下边界位置。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，步骤一中，异常数据的判定依据为莱以达准则；即若某数据x满足：则认为该数据为异常数据，应予以剔除，其中为该层的该类数据的平均值，σ为该层该类数据的标准差。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，第i层冷却设备所对应炉衬的平均热流密度qi是通过公式(2)计算得出的：公式(2)中；ai为第i层冷却设备对应的炉衬热面面积，单位为m2；q1,i为第i层的冷却介质所带走热量；单位为w；q2,i为第i层的炉壳散热量，单位为w。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，q1,i按公式(3)进行计算；q1,i＝ni·ci·gi·ρi·δti+ci′·gi′·ρi′·δti′(3)公式(3)中ni为第i层冷却设备中的冷却管的数量；ci为第i层冷却设备中的冷却管中所用冷却介质的比热容，单位为j/kg℃；gi为第i层冷却设备中的冷却管每根冷却管中冷却介质的流量；单位为m3/s；ρi为第i层冷却设备中的冷却管中所用冷却介质的密度；单位为kg/m3；δti为第i层冷却设备中的冷却管所用冷却介质在该层的进、出口处的温差，单位为℃；ci′为第i层冷却设备中蛇形管中所用冷却介质的比热容，单位为j/kg℃；gi′为第i层冷却设备中蛇形管中冷却介质流量；单位为m3/s；ρi′为第i层冷却设备中蛇形管中所用冷却介质的密度；单位为kg/m3；δti′为第i层冷却设备中蛇形管中所用冷却介质在该层的进、出口处的温差，单位为℃；q2,i按公式(4)进行计算；q2,i＝h2,i·(t2,i-ta)·ai(4)公式(4)中，t2,i和ta分别为第i层炉壳表面温度和环境温度，单位为℃；h2,i为炉壳与环境的综合换热系数，单位为w/m2℃，依据大空间自然对流传热的实验关联式以及实际物体的斯忒潘-玻尔兹曼定律推算，其公式如式(5)所示；在工业化应用时，本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，第i层中每根冷却水的流量一般是相等的。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，第i层冷却设备所用冷却介质与其所对应炉衬热面间的总热阻ri是通过公式(6)计算得到的：ri＝rb,i+ry,i+(1-β)(rl,i+ra,i+rc,i+rp,i+rh,i)+β(rl′,i+ra′,i+rc′,i+rp′,i+rh′,i)(6)公式(6)中，rb,i为第i层冷却设备所对应的耐火砖导热热阻；ry,i为第i层冷却设备所对应的燕尾槽的导热热阻；β为第i层冷却设备中蛇形管带走热量占冷却水总带走热量的百分比；rl,i为第i层冷却设备中的冷却管与所对应炉衬热面之间冷却壁的导热热阻；ra,i为第i层冷却设备中的冷却管气隙层导热热阻；rc,i为第i层冷却设备中的冷却管上防渗碳涂层的导热热阻；rp,i为第i层冷却设备中的冷却管的管壁导热热阻；rh,i为第i层冷却设备中的冷却管中冷却介质的对流热阻；r′l,i第i层冷却设备中蛇形管与所对应炉衬热面之间冷却壁的导热热阻；r′a,i为第i层冷却设备中蛇形管气隙层导热热阻；r′c,i为第i层冷却设备中蛇形管上防渗碳涂层的导热热阻；r′p,i为第i层冷却设备中蛇形管管壁的导热热阻；r′h,i为第i层冷却设备中蛇形管中冷却介质的对流热阻；其中rb,i、ry,i、rl,i、ra,i、rc,i、rp,i、rh,i、r′l,i、r′a,i、r′c,i、r′p,i、r′h,i的单位均为m2℃/w。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，第i层冷却设备所对应炉衬热面上的渣皮热阻rs,i是通过公式(7)计算得到的：其中，公式(7)、(8)中；hg,i为第i层冷却设备所对应炉内还原性气氛与炉衬热面的对流换热系数；其单位为w/m2℃；rt,i为第i层冷却设备中冷却介质与所对应炉内还原性气氛之间的总热阻；单位为m2℃/w；tg,i为第i层冷却设备所对应炉区域内还原性气氛的温度；tw，i为第i层冷却设备所用冷却介质的平均温度。(即第i层冷却设备所用冷却介质进口温度和出口温度的平均温度)本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，步骤三中，对各层的ti随hi的变化关系；采用三次样条函数对这些热面温度数据进行插值；获得炉衬热面温度ti随标高hi变化的连续曲线图。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，所述冷却介质为水；所述还原气氛为高炉煤气。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，在工业化应用时，一旦冶炼的参数确定下来，ni、ai等炉衬结构参数，ci′、ρi、ρi′、ri等材料物性参数以及gi、gi′、hg,i、tg,i、t2,i、tw,i、ta等运行中基本稳定的运行参数就确定下来。即可视为常量。本发明一种在线监测高炉软熔带根部位置的方法，不同类型的冷却设备和内衬结构，将其拆分后，均由类似的物理结构组成，因此，就不同的物理结构分别推导其热阻通式，再依据冷却壁和内衬类型，选择其包含的物理结构，最终将相关热阻相加即可得到每一层的总热阻ri。各类型热阻的算法为：1)冷却水对流热阻冷却水与冷却通道壁之间对流热阻rh,i计算方法如式(9)所示。式(9)中，αi为第i层冷却设备的修正系数，对于蛇形管，αi＝1，对于并排的冷却管，(该算法来自《周传典.高炉炼铁生产技术手册》)，li为第i层的并列排布冷却通道间距，单位为m；di为第i层并列排布冷却通道的直径或当量直径，单位为m；hw,i为冷却水与冷却通道壁的对流换热系数，单位为w/m2℃，可由管槽内强制对流的实验关联式(dittus-boelter公式)计算，结果如式(10)所示。式(10)中，λw,i为第i层所用冷却介质的热导率，单位为w/m℃；rei为第i层所用冷却介质的雷诺数；pri为第i层所用冷却介质的普朗特数；di为第i层冷却通道的直径或当量直径，单位为m。2)冷却管区域导热热阻铸铁冷却壁生产方式为把冷却管固定在模型内，再浇筑生产冷却壁，该工艺须在冷却管表面喷涂防渗碳涂层，且在冷却管与冷却壁之间存在无法避免的气隙层，结构如图3所示(铜冷却壁为在铜板上钻出冷却通道，因此不存在该结构)。冷却管为圆筒壁结构，依据圆筒壁一维导热热阻算法，冷却管热阻rp、防渗碳涂层热阻rc以及气隙层热阻ra均可当作圆筒壁一维导热热阻，通过式(11)计算。式(11)中，αi为第i层冷却设备的修正系数；di和do分别为圆筒壁内、外径，单位为m；λ为圆筒壁对应材料的热导率，单位为w/m℃，当材料确定后，λ为常数。3)冷却壁导热热阻为贴合高炉的圆筒壁结构，冷却壁的设计也有一定弧度，因此冷却壁也是圆筒壁结构，其导热过程作为圆筒壁一维导热处理，则冷却壁导热热阻rl可由式(12)计算。式(12)中，αi为第i层冷却设备的修正系数；di和do分别为冷却壁所对应圆筒壁的内、外径，单位为m；λl为冷却壁的热导率，单位为w/m℃，当材料确定后，λl为常数。4)燕尾槽导热热阻燕尾槽由冷却壁金属肋和耐火材料交替连接组成，其热阻ry，i由式(13)(该公式来自《吴桐,程树森.高炉铜冷却壁合理操作建议》)计算。式(13)中，al,i和ad,i分别为第i层燕尾槽金属肋和燕尾槽捣打料的面积，单位为m2；λl,i和λd,i分别为第i层燕尾槽金属肋和耐火材料的热导率，w/m℃，当金属肋以及耐火材料的材质确定后，其二者均可视为常数；δy，i为第i层燕尾槽宽度，单位为m。5)耐火砖、渣皮热阻渣皮为软熔带波动区域的冷却设备表面形成的一层渣铁混合物，假设渣皮厚度均一，则耐火砖与渣皮均为平板结构。耐火砖导热热阻rb,i和渣皮导热热阻rs,i均可由一维平板导热热阻算法计算，如式(14)所示。式(14)中，δ为耐火砖或渣皮厚度，单位为m；λ为对应材料的热导率，单位为w/m℃，其可视为常数。炉身下部、炉腰和炉腹区域为软熔带根部位置波动区域，存在厚度未知的渣皮，则渣皮热阻rs,i需通过还原性气氛与冷却介质间的总热阻rt,i与除渣皮外其他热阻之差推算。渣皮热阻计算式为：其中，式(15)中，hg,i为第i层还原性气氛与炉衬热面的对流换热系数，w/m2℃(hg,i为通过文献《李骏峰.高炉炉腹炉腰传热及渣皮厚度的研究》获得的离散数据，根据其数据拟合得到公式(17)，拟合的方式为常规拟合方式)；rt,i为冷却水和还原性气氛间的总热阻，单位为m2℃/w；tg,i和tw，i分别为第i层还原性气氛和冷却介质的温度，单位为℃；其中冷却介质温度tw,i为该层进出口温度的平均值；还原性气氛的温度由cfd仿真获得；其中cfd仿真为常规技术。6)蛇形管的处理对于采用背部蛇形管的铸铁冷却壁，其炉衬带走热包括冷却管带走热qw,i，蛇形管带走热qb,i和炉壳散热q2,i，公式(3)为冷却水带走热的通用计算公式，已经考虑到了蛇形管的处理，在具体处理时，其冷却介质总带走热q1,i为：q1,i＝qw,i+qb,i＝ni·ci·gi·ρi·δti+ci′·gi′·ρi′·δti′(18)式(18)中，qw,i和qb,i分别为第i层冷却设备中冷却管中冷却水带走热和蛇形管中冷却水带走热，单位均为w；ni为第i层冷却设备中的冷却管的数量；ci为第i层冷却设备中的冷却管中所用冷却介质的比热容，单位为j/kg℃；gi为第i层冷却设备中的冷却管每根冷却管中冷却介质的流量；单位为m3/s；ρi为第i层冷却设备中的冷却管中所用冷却介质的密度；单位为kg/m3；δti为第i层冷却设备中的冷却管所用冷却介质在该层的进、出口处的温差，单位为℃；ci′为第i层冷却设备中蛇形管中所用冷却介质的比热容，单位为j/kg℃；gi′为第i层冷却设备中蛇形管中冷却介质流量；单位为m3/s；ρi′为第i层冷却设备中蛇形管中所用冷却介质的密度；单位为kg/m3；δti′为第i层冷却设备中蛇形管中所用冷却介质在该层的进、出口处的温差，单位为℃；对于有蛇形管的冷却设备，其冷却水与炉衬热面之间的热阻算法须做修正，公式(6)为冷却水与炉衬热面之间热阻的通用计算公式，已经考虑到了蛇形管的处理，即：式中β为蛇形管带走热占冷却水带走热的百分比，其算法为：式(19)中，r′h,i和r′l,i分别表示蛇形管的冷却水对流热阻和蛇形管所对应的冷却壁的导热热阻，其算法分别沿用公式(9)和(12)的热阻算法；r′p,i、r′c,i、r′a,i、r′h,i分别表示蛇形管管壁导热热阻、防渗碳涂层导热热阻、气隙层导热热阻，其算法均沿用公式(11)的热阻算法。在工业现场应用时，依据各类型冷却设备和内衬的物理结构，将各部位的热阻加和，即其从冷却水至炉衬热面的总热阻，如表1所示。表1各类型冷却壁和内衬结构热阻分析依据上述步骤计算的各层平均热流密度qi、冷却水平均温度tw,i、冷却水与炉衬热面间的热阻ri以及渣皮热阻rs,i(当不存在渣皮时，则rs,i＝0)，则第i层炉衬热面平均温度ti可由式(1)计算。ti＝qi·(ri+rs,i)+tw,i(1)且由于炉衬结构参数、材料物性参数以及运行中保持稳定的运行参数为基本不变或变化极小的参数，因此可以依据现场实际情况对这些参数取定值(即上述参数可视为常量)，以减少自变量，则影响热面温度ti的主要自变量为冷却水平均流量gi、gi′和冷却水平均进出口温差δti、δti′，以及冷却水平均温度tw,i。将步骤三计算所得的各层热面平均温度作为热面中心点温度，利用热面中心点温度ti与对应的标高hi建立二维散点图，作为优选方案，使用自然三次样条函数对各层中心点之间的温度进行插值。三次样条函数插值方法的描述为：建立各层中心点温度的节点样本集{x0,x1,…,xn}，在样本之间可以用n个三次多项式构建三次样条，样条函数如式(20)所示。其约束条件为：1)插值条件：s(xi)＝f(xi)；2)连续性条件：s(xi-0)＝s(xi+0)，s′(xi-0)＝s′(xi+0)，s″(xi-0)＝s″(xi+0)3)自然边界条件：s″(x0)＝s″(xn)＝0由于增加了自然边界条件，使待定系数与约束条件的数量一致，可以得到确定的插值函数，实现自然三次样条插值，得到炉衬热面的纵向温度插值曲线，即纵向温度分布。在本发明中软熔带上、下边界温度分别为铁矿石开始软化的温度和混合渣相开始熔化的温度。在本发明中，待冶炼物(即铁矿石)开始软化的温度tup与炉料的物相组成相关，其计算方法如式(21)所示(该算法来自文献《andmitriev,gyuvitkina,yuachesnokov,etal.influenceofironorematerialssofteningintervaloncohesivezonelocationandforminblastfurnace》)。式中，软熔带下边界温度td为渣铁混合相的熔化温度，其算法如式(25)和式(26)(该算法来自文献《dfu.numericalsimulationofironmakingblastfurnaceshaft》)所示。td＝ts-8feo(25)式中，化学式代表该物相占cao-mgo-sio2-al2o3混合渣相总量的质量百分比，系数的取值如表2所示。表2下边界温度计算式系数系数sa1b1c1d1a2b2值19230.7-203.96-167.45-220.310-0.6061-1.4049系数c2d2a3b3c3d3值1.83228-5.6680.025120.01752-0.03940.04935本发明通过计算高炉炉衬热面纵向温度分布，进而判断软熔带根部位置；其特别适用于对各层冷却设备中冷却介质流量、温度、进出口温差均有测量的高炉。与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：(1)利用高炉炉衬中现有的温度、流量数据和炉衬结构参数进行计算，无需在高炉上打孔或安装其它设备；(2)依据传热理论计算，计算周期短，可实时在线监测炉衬热面温度和软熔带根部位置。(3)考虑到工业现场的数据处理习惯和条件，自变量只有冷却介质流量和进出口温差，满足了生产现场对时效性、准确性和经济性的要求。附图说明图1为依据冷却介质信息在线监测软熔带根部位置的过程框图；图2为炉衬及冷却壁示意图，图2(1)为铜冷却壁示意图，图2(2)为有蛇形管的球墨铸铁镶砖冷却壁示意图，图2(3)为无蛇形管的球墨铸铁镶砖冷却壁示意图，图2(4)为倒扣型球墨铸铁冷却壁示意图；图3为冷却管区域结构图；图4为计算区域的热面纵向温度插值结果图。具体实施方式以下实例用于说明本发明，但不限制本发明的应用范围。为更合理地说明本发明的实现过程，以下将结合说明书附图以及一座容积为2650m3的高炉在某时刻的实际生产参数对本发明的实现过程做进一步描述。图2为该高炉所使用的各类炉衬及冷却壁结构示意图。该高炉供设置15层，第6～8层炉衬使用铜冷却壁，如图2(1)所示；第9～11层炉衬使用有蛇形管的球墨铸铁镶砖冷却壁，如图2(2)所示；第12～14层炉衬使用普通球墨铸铁镶砖冷却壁，如图2(3)所示；第15层炉衬使用倒扣型球墨铸铁冷却壁，如图2(4)所示。(1)利用这些冷却壁中冷却水流量gi、gi′和冷却水进出口温差δti、δti′，以及冷却水平均温度tw,i信息，结合表1所列的各类冷却设备的热阻算法，依据公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)和公式(5)可得每层热面平均温度的计算通用式，并以该平均温度作为该层炉衬热面中心点位置的温度，各层对应的炉体标高和计算通用式如表3所示。表3各层炉衬热面温度计算通用式(2)将该高炉某时刻的各层冷却水温差、流量取平均值，依据表1的公式计算各层热面平均温度，结果如表4所示。表4各层对应标高的热面平均温度标高/m17.5620.1622.6825.0327.0128.9930.9732.9534.9336.9温度/℃1491.71195.6975.4872.7726.7707.8642.6421.0305.2221.9(3)以各层热面平均温度作为该层热面中心点温度，将各层中心温度沿纵向插值，使用自然三次样条函数插值，插值结果如图4所示。依据软熔带上、下边界温度算法，该高炉软熔带上、下边界温度分别为1161℃和1336℃。因此，由插值结果可得该时刻软熔带根部上、下边界温度所对应的标高位置分别为标高20.53m和18.98m。当前第1页12