一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算装置及方法与流程

本发明属于高炉技术领域，涉及一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算装置及方法。

背景技术：

高炉作为目前现代炼铁的主要方法，高炉产铁量占世界炼铁总产量的90％以上，是目前最高效、低耗、环境友好的主导炼铁设备。但近年来国内外高炉频繁出现其内衬烧穿的事故，以及遭受炉缸内衬炭砖发生异常侵蚀的困扰，有的高炉甚至投产1年到2年就被烧穿，高炉的生产寿命大大缩减，严重威胁高炉的安全生产，给企业造成巨大的经济损失。因此实时监控高炉内衬的厚度，防止高炉被烧穿，对于高炉生产和操作有着极为重要的意义。

高炉是一个环境极其恶劣的黑匣子，目前针对高炉炉缸主要依靠布置在高炉内衬中的热电偶对内衬温度进行监控，并根据热电偶温度及传热模型来推算高炉炉缸的内衬厚度。但受炉壳开孔个数的安全限制，圆周方向热电偶一般都间隔1m～3m，因此温度监测个数有限，不足以对炉缸周向实施全覆盖的检测，得到的炉缸内衬残余厚度监测存在较大监测盲区，无法实现对高炉内衬厚度进行全方位、全覆盖的监测，给高炉生产带来极大的安全隐患。

因此，如何实现对高炉内衬厚度24小时无盲区、全覆盖的监测，精准、快速定位炉缸内衬异常侵蚀点，确保高炉安全长寿生产是当前急迫解决的关键问题之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算装置及方法，实现对高炉内衬，特别是高炉炉缸内衬厚度24小时无盲区、全方位的监测，精准、快速定位炉缸内衬异常侵蚀点，降低了高炉生产的安全风险，为高炉的高效安全生产提供保障。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算装置，包括耐火内衬、填缝料、冷却设备、高炉炉壳、分布式光纤、光纤传感测温系统和高炉炉缸温度数据库；

所述耐火内衬呈圆环状，向外依次覆有填缝料、冷却设备和高炉炉壳；

所述耐火内衬上开设有槽，沿高炉炉缸圆周和高度方向铺设有分布式光纤；

所述分布式光纤的始端与末端与光纤传感测温系统进行连接；

所述光纤传感测温系统与高炉炉缸温度数据库连接。

可选的，所述分布式光纤沿耐火内衬周向至少铺设2环。

可选的，所述分布式光纤沿耐火内衬高度方向铺设多层。

可选的，所述槽的位置位于耐火内衬上表面。

一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算方法，包括以下步骤：

1)在高炉炉缸内衬上面开槽，沿高炉炉缸圆周、高度方向铺设分布式光纤；

2)将分布式光纤始端与末端与光纤传感测温系统进行连接；

3)光纤传感测温系统采集沿光纤路径的炉缸内衬温度tij、tij’，并将温度tij、tij’存储到高炉炉缸温度数据库中；

4)初始化炉缸内衬最高温度tmax；

5)从高炉炉缸温度数据库中提取每层光纤测温点的温度数据tij、tij’；

6)将提取的光纤温度数据tij与初始化炉缸内衬最高温度tmax进行比较；

7)当tij＞tmax时，将tij数据赋值给tmax；

8)导入高炉炉缸耐材参数、高炉炉缸设计参数及光纤布置参数，利用傅里叶传热公式计算光纤测温点间的热流强度qij；

9)根据得到的热流强度qij及1150℃等温线计算得到炉缸内衬的厚度sij；

10)根据计算得到的炉缸内衬厚度sij绘制炉缸内衬侵蚀线，包括绘制圆周方向内衬侵蚀线和高度方向内衬侵蚀线；

11)当tij≤tmax时，炉缸内衬未侵蚀，不进行计算，直接到步骤10)绘制炉缸内衬侵蚀线；

12)最后在线实时显示炉缸内衬侵蚀线，指导高炉生产和操作；

13)重复步骤5)～步骤12)，不断反复计算炉缸内衬侵蚀厚度，实现动态监测炉缸内衬厚度的变化。

可选的，所述分布式光纤沿高炉内衬周向至少铺设2环；所述分布式光纤沿高炉内衬高度方向铺设多层。

可选的，所述分布式光纤沿周向、高度方向铺设的空间分辨率小于0.5m。

可选的，所述开槽的位置位于所述高炉内衬上表面。

可选的，所述步骤8)中，热流强度qij，计算公式为：

式中，qij表示内、外环光纤测温点间的热流强度，w/m²；

tij表示每层铺设在高炉内衬内环的光纤温度点，℃；

tij’表示每层铺设在高炉内衬外环的光纤温度点，℃；

l0表示每层内、外环光纤的布置间距，m；

λ表示高炉内衬的导热系数，w/m.℃；

i表示沿圆周方向光纤的测温点数，i＝1、2、3.......n；

j表示沿高度方向的光纤层数，j＝1、2、3.......n。

可选的，所述步骤中，炉缸内衬的厚度sij，计算公式为：

式中，sij表示高炉的内衬剩余厚度，m；

qij表示内、外环光纤测温点间的热流强度，w/m²；

1150℃表示高炉渣铁凝固线温度，通常以此温度来表示内衬侵蚀的等温线；

l1表示内环光纤距高炉内衬冷面的距离，m。

本发明的有益效果在于：本方案基于光纤测温原理，通过在工业炉窑内衬中分别沿炉窑内衬的周向、高度方向铺设光纤，就可以利用光纤中各个散射区获得的瑞利、拉曼、布里渊散射光获得对应散射区对应位置的温度，相邻测温点距离最低可达毫米级；同时利用传热学原理，可实时快速准确的计算高炉炉缸内衬的热流强度和残余厚度，从而可代替传统热电偶温度监测方式，实现对高炉炉缸内衬温度及残余厚度的24小时无盲区、全方位的监测，精准、快速定位内衬异常侵蚀点，从而降低了高炉的安全生产风险，为高炉的高效安全生产提供了保障。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算方法的结构示意图；

图2为光纤布置在高炉炉缸内衬圆周方向的结构示意图；

图3为光纤布置在高炉炉缸内衬高度方向的结构示意图；

图4为图2中a-a断面结构示意图；

图5为高炉炉缸内衬的圆周方向侵蚀轮廓线示意图；

图6为高炉炉缸内衬的高度方向侵蚀轮廓线示意图。

附图标记：1-耐火内衬；2-填缝料；3-冷却设备；4-高炉炉壳；5-分布式光纤；6-高温铁水；7-高炉炉缸内衬圆周侵蚀轮廓线；8-高炉炉缸内衬高度方向侵蚀轮廓线；9-光纤传感测温系统；10-高炉炉缸温度数据库。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1～图6所示，本实施例提供了一种基于分布式光纤测温的高炉炉衬厚度计算方法，包括以下步骤：

1)针对新建或大修高炉，在高炉炉缸内砌筑炉缸耐火内衬1时，在耐火内衬1的上表面开设2环环形槽，利用现有的热电偶孔或新开孔，将分布式光纤2引入高炉炉缸内，将分布式光纤5沿环形槽铺设在耐火内衬1中，铺设完毕后，用与耐材内衬1相同性能的不定型耐材将环形槽进进行填满，保证分布式光纤2与耐火内衬1紧密接触。每铺设一层耐火内衬1，都在耐火内衬1上表面铺设2环分布式光纤2。

2)铺设在高炉耐火内衬1中的分布式光纤2始段与末端与光纤传感测温系统9进行连接，光纤传感测温系统9与高炉炉缸温度数据库10进行连接。

3)启动光纤传感测温系统9，光纤传感测温系统9将采集沿分布式光纤1路径的高炉炉缸耐火内衬1的温度tij、tij’，并存储到高炉炉缸温度数据库10中。

4)初始化高炉炉缸耐火内衬最高温度tmax＝25℃，便于系统第一次计算时的判断依据。

5)从高炉炉缸温度数据库10中提取每层耐火内衬1中2环分布式光纤2的测温点的温度数据tij、tij’。

6)开始进行炉缸内衬厚度计算，提取的每层内环光纤的温度数据tij与初始化炉缸内衬最高温度tmax进行比较。

7)当tij＞tmax时，将本次提出的内环温度数据tij数据赋值给tmax，并进行存储，以替代初始炉缸内衬最高温度tmax值，作为下次循环计算时的tmax值。

8)导入高炉炉缸耐材参数、高炉炉缸设计参数及光纤布置参数，利用傅里叶传热公式计算分布式光纤2测温点间的热流强度qij，其计算公式为：

式中，qij—为内、外环光纤测温点间的热流强度，w/m²；

tij—每层铺设在高炉内衬内环的光纤温度点，℃；

tij’—每层铺设在高炉内衬外环的光纤温度点，℃；

l0—为每层内、外环光纤的布置间距，m；

λ—为高炉内衬的导热系数，w/m.℃；

i—表示沿圆周方向光纤的测温点数，i＝1、2、3.......n；

j—表示沿高度方向的光纤层数，j＝1、2、3.......n。

9)根据得到的热流强度qij及1150℃等温线温度计算得到炉缸耐材内衬1的厚度sij，其计算公式为：

式中，sij—为高炉的内衬剩余厚度，m；

qij—为内、外环光纤测温点间的热流强度，w/m²；

1150℃为高炉渣铁凝固线温度，通常以此温度来表示内衬侵蚀的等温线；

l1—为内环光纤距高炉内衬冷面的距离，m。

10)根据计算得到的炉缸耐火内衬1的厚度sij绘制炉缸内衬侵蚀线，采集每层圆周方向耐火内衬1的厚度值s1j、s2j、s3j、s4j、……、snj，绘制每层圆周方向内衬侵蚀线7；采集每断面高度方向耐火内衬1的厚度值si1、si2、si3、si4、……、sin，绘制高度方向内衬侵蚀线8，从而对高炉炉缸耐材内衬1的厚度实时全覆盖监测。

11)当tij≤tmax时，表示本次提取温度数据期间，炉缸内衬未侵蚀，不进行计算，直接到步骤10)绘制炉缸内衬侵蚀线。

12)最后在线实时显示炉缸内衬侵蚀线，指导高炉生产和操作。

13)重复步骤5)～步骤12)，不断反复计算炉缸内衬侵蚀厚度，实现动态监测炉缸内衬厚度的变化。

具体实施例：以某高炉炉缸为例，在高炉炉缸每层内环内衬1布置2环分布式光纤2，由于分布式光纤可沿光纤路径设置多个点，为便于展示，每层内环内衬1圆周方向只设25个光纤测温点。

圆周方向的2层测温光纤2间距l0＝100mm,内环光纤距内衬冷面距离l1＝200mm。

耐火内衬1的导热系数λ＝18w/m.℃；

凝铁层熔化温度，1150℃；

初始化高炉炉缸耐火内衬最高温度tmax＝25℃

当某次从高炉炉缸温度数据库10中提取每层耐火内衬1中2环分布式光纤2的测温数据tij、tij’为下表1所示。

表1

按照上述计算方法，可计算得到炉缸内衬1的厚度sij，此时tij＞tmax，计算时将tij数值赋值给tmax进行存储，便于下次计算。具体如下表2所示。

表2

根据表2可绘制圆周方向的内衬侵蚀线7，如图3所示。

当某次从高炉炉缸温度数据库10中提取每层耐火内衬1中2环分布式光纤2的测温数据tij、tij’中有些点的数值低于tmax值时，表示改点对应的耐火内衬1未发生侵蚀，则这些点在本次不进行计算，仍用上次计算的sij代替，如下表3所示。

表3

根据表3绘制圆周方向的内衬侵蚀线7，以此不断提取分布式光纤2温度，实时计算炉缸内衬1的厚度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。