一种高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统及方法与流程

本发明涉及高炉监测领域，具体涉及一种高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统及方法。

背景技术：

目前，基于冷却效果好、制造低成本等特点，埋纯铜管式铸铜冷却壁已经在多座高炉上成功应用且效果良好。而渣皮是高炉炉腹和炉腰等高温区域最好的炉衬，是冷却壁和高温炉气相互作用的产物，其厚度随着煤气流分布和冷却制度等因素的改变很容易发生变化：一是渣皮脱落，二是渣皮结厚，进而破坏炉型，造成炉况异常，甚至威胁高炉寿命。所以加强对炉型管理，实现对冷却壁热面状况的在线监测是很有必要的。但在铜冷却壁热面状况计算方面，尤其是在应用铸铜冷却壁的高炉上，国内自主开发的模型数量及其稀少。

技术实现要素：

解决的技术问题

针对现有背景中的问题，本发明提供了一种高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统及方法。

技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种高炉铸铜冷却壁热面状况的监测方法，包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，建立铸铜冷却壁物理模型，炉墙由外到内依次包括炉壳、填充层、冷却壁本体和渣皮，所述冷却壁本体内设置有冷却水管；根据一维稳态传热原理，整块所述冷却壁本体的传热分为二部分，一部分为筋肋并认为材质为一种，另一部分为铜与镶砖的组合。

步骤二：利用冷却水参数计算整块冷却壁的热流强度q。

进一步地，整块冷却壁的热流强度q可以利用冷却水参数计算，

式中q为整块冷却壁热流强度(kw/m²)；c为冷却水比热容(kj/(kg·℃))；m为单位时间内冷却水流量(kg/s)；t出为冷却水出水温度(℃)；t进为冷却水进水温度(℃)；δt为冷却水温差(℃)；f为铸铜冷却壁表面积(m²)。

步骤三：计算筋肋热流强度q1和铜与镶砖热流强度q2。

进一步地，筋肋热流强度

式中q1为筋肋热流强度(kw/m²)；λcu为铜导热系数(w/(m·℃))；tx2为筋肋热面温度(℃)；t2为筋肋监测点温度(℃)；δx2为热面与监测点距离(m)。

进一步地，铜与镶砖组合部分热流强度

式中q2为铜与镶砖热流强度(kw/m²)；tx1为镶砖热面温度(℃)；tw为冷却水温度(℃)；r为热面与冷却水之间的传热总热阻,数值为热阻的总和r＝r1+r2+r3+r4+r5。

步骤四：

(1)计算冷却水管内表面与水的对流换热热阻r1。

进一步地，其中

式中α为冷却水管内表面与水之间的对流换热系数(w/(m²·℃))；do,di分别为冷却水管外径和内径(m)；ν为冷却水管内冷却水的流速(m/s)；λl,cp,ρ,υ分别为冷却水的导热系数(w/(m·℃))，等压比热容(j/(kg·℃))，密度(kg/m³)和运动粘度(m²/s)。

(2)计算冷却水管管壁的导热热阻r2。

进一步地，式中λw为水管管壁的导热系数(w/(m·℃))。

(3)计算冷却水管管壁和冷却壁间气隙层的热阻r3。

进一步地，在铸造铸铜冷却壁的过程中，冷却壁体和冷却水管管壁之间会形成气隙层，气隙层一般为0.05mm～0.15mm，虽然很薄，但会影响传热过程，因此不能忽略。所以计算气隙层热阻r3时按平壁传热处理。

气隙层的传热由两部分组成：冷却壁壁体与冷却水管涂层外表面的辐射换热和气隙层的气体导热。为了方便起见，把这两部分传热用一个等效导热过程表示：

其中，而

式中λe为气隙层的总传热系数(w/(m·℃))；λg,δg分别为气隙层中气体的导热系数(w/(m·℃))和气隙层厚度(m)；c0为黑体的辐射系数，w/(m²·k⁴)；ts,tc分别为与ts和tc分别相对应的绝对温度(k)；ts为冷却壁壁体与冷却水管涂层接触面的表面温度(℃)；tc为冷却水管涂层的表面温度(℃)；εs,εc分别为冷却壁壁体和冷却水管涂层的黑度。

(4)计算冷却壁本体部分的热阻r4。

进一步地，式中δb为冷却壁壁体厚度(m)；λcu为铜导热系数(w/(m·℃))。

(5)计算镶砖部分的热阻r5。

进一步地，式中δa为镶砖厚度(m)；λf为镶砖导热系数(w/(m·℃))。

(6)计算热面与冷却水之间的传热总热阻r：

步骤五：根据上述步骤生成铜冷却壁面热面温度数学计算模型并计算出铸铜冷却壁热面温度tx。

在实际工程中我们可以认为整块冷却壁的热流强度为二部分热流强度的平均值，即所以整块铜冷却壁热流强度由于tx1和tx2反映的是纵向距离非常近的两点的温度值，又同时处于铜冷却壁的热面，因此可令热面温度tx1＝tx2＝tx，计算出铸铜冷却壁热面温度tx：

步骤六：根据上述步骤生成渣皮厚度计算数学模型并计算渣皮厚度δx。

由于高炉炉渣的熔化性温度在1330℃左右，碳饱和的液态铁水的凝固温度为1150℃，也就是说液态渣铁在低于1150℃时才能完全凝固成渣皮。因此，形成稳定渣皮时，理论上渣皮表面温度t应为1150℃。

在求得铸铜冷却壁热面温度和热流强度的情况下，以t＝1150℃为渣皮凝固边界温度条件，

因此由进一步可得

式中q为热流强度(kw/m²)；λ渣皮为渣皮导热系数(w/(m·℃))；t为渣皮凝固边界温度(℃)；tx为热面温度(℃)；δx为渣皮厚度(m)。

进一步地，本发明还提供了一种高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统，包括后台系统和客户端系统。所述客户端系统包括热面状况计算参数设置模块、热面温度即时显示模块、渣皮厚度即时显示模块、渣皮厚度报警模块。

所述后台系统包括数据采集模块，用于采集监测数据；数据处理模块，用于对采集的数据进行处理并除去噪声和坏点的干扰；热流强度计算模块，用于实现对热流强度的计算；冷却水与热面间热阻计算模块，用于实现冷却水与热面间热阻的计算；热面温度计算模块，用于实现对冷却壁热面温度的计算；渣皮厚度计算模块，用于实现对渣皮厚度的计算。

由于上述步骤中的计算过程涉及到变量之间的迭代，计算过程繁琐，因此采用计算机来求解不同条件下的热面温度和渣皮厚度。如图4所示,依次输入常量参数、操作参数、变量参数，并对参数进行平滑计算。

其中，常量参数包括冷却水比热容、铸铜冷却壁表面积、铜的导热系数、冷却水管外径和内径等已知且不变的数据；操作参数包括人为通过热面状况计算参数设置模块输入的控制变量；变量参数包括通过数据采集模块采集并通过数据处理模块处理后得到的变量数据，以及通过热流强度计算模块、冷却水与热面间热阻计算模块进行计算得到的变量数据。

然后调用铜冷却壁面热面温度数学计算模型，通过热面温度计算模块进行热面温度的计算，调用渣皮厚度计算数学模型，通过渣皮厚度计算模块进行渣皮厚度的计算，然后输出结果。

输出结果的数据可以通过客户端系统中的热面温度即时显示模块、渣皮厚度即时显示模块对应显示，也可以通过图表的方式体现，当渣皮的厚度小于等于或大于等于临界值时，渣皮厚度报警模块在客户端系统中报警显示。

有益效果

本发明基于对铸铜冷却壁特点的分析，提供一种高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统和方法，为高炉冶炼过程中实时把握铜冷却壁前热面温度和渣皮厚度提供量化的依据，帮助高炉操作者及时了解操作炉型的状况，采取合理的操作措施，从而延长高炉使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高炉铸铜冷却壁热面状况的监测系统结构图

图2为本发明铸铜冷却壁物理模型示意图；

图3为本发明铸铜冷却壁侧面剖视图；

图4为本发明热面温度和渣皮厚度计算流程图；

图5为本发明铸铜冷却壁热面状况计算模型参数设置图；

图6为本发明铸铜冷却壁热面某一时间渣皮厚度示意图；

图7为本发明铸铜冷却壁热面某一时间渣皮厚度示意图；

图8为本发明铸铜冷却壁热面某一时间渣皮厚度示意图；

图9为本发明某一段铸铜冷却壁的渣皮厚度变化曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1，高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统已经试用于国内某高炉的生产实践。如图5所示，根据铸铜冷却壁物理模型的结构参数、各种物质(如冷却水、冷却水管、冷却壁等)的物性值、冷却水温差以及监测点热电偶温度等参数，可以计算得出高炉铜冷却壁热面温度tx和渣皮厚度δx。

如图6-8所示，定时刷新高炉冷却壁内部各方向的渣皮厚度，并对渣皮厚度定义三个区间(单位)：[0，50]，(50，100)，[100，150]，并通过不同的颜色对三个区间内的渣皮厚度点进行表示，高炉冷却壁圆周方向上均匀分布着8个监测点，并分别用a-h对监测点进行标注。

例如，当某一层冷却壁某个方向上的渣皮厚度计算结果在第一区间内时，红色表示该区域的渣皮厚度点，表明该方向渣皮脱落现象比较频繁。当某一层冷却壁某个方向落渣皮厚度计算结果在第二区间内时，绿色表示该区域的渣皮厚度点，表示此阶段的高炉内型是正常的。当某一层冷却壁某个方向上渣皮厚度计算结果在第三区间内时，蓝色表示该区域的渣皮厚度点，说明在该方向渣皮有结厚的趋势。因此，通过不同颜色在不同区间的分布简单形象地体现了高炉冷却壁内部渣皮厚度的分布状况。

如图7所示的某一段铸铜冷却壁的渣皮厚度变化曲线表明，此铸铜冷却壁整体运行稳定，各监测点的渣皮厚度长期稳定在50mm～90mm之间，没有渣皮大面积脱落现象的发生，操作炉型保持在合理范围内。

本发明基于对铸铜冷却壁特点的分析，提供一种高炉铸铜冷却壁热面状况监测系统和方法，为高炉冶炼过程中实时把握铜冷却壁前热面温度和渣皮厚度提供量化的依据，帮助高炉操作者及时了解操作炉型的状况，采取合理的操作措施，从而延长高炉使用寿命。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。