CN116362085B - 一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，涉及高炉炉缸侵蚀检测技术领域。本发明通过使用三维软件建立基准计算模型与侵蚀计算模型，对比不同侵蚀位置与基准计算模型得到侵蚀位置变化对冷却壁热流强度的影响规律；计算各侵蚀计算模型与基准计算模型中对应冷却壁热流强度的百分比差δ_d，标定δ_d与各侵蚀位置间的关系，从而获得实际凹陷侵蚀的大概位置范围，进而获得准确位置，建立相应的初始侵蚀边界及侵蚀边界移动搜索方法，将冷却壁热流强度作为所求侵蚀边界的核定参数，反推求得炉缸内衬实际侵蚀边界及最小剩余厚度，本发明可实现炉缸热电偶测温盲区侵蚀形貌识别，避免炉缸烧穿的恶性事故发生，有效提高炉缸安全性和耐久性。

Description

一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法

技术领域

本发明涉及高炉炉缸侵蚀检测技术领域，尤其涉及一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法。

背景技术

高炉作为一种大型炼铁设备，其中下部的炉缸是安全事故的多发部位。炉缸中的耐火材料内衬直接与高温熔融铁水接触，在热铁冲刷、化学侵蚀和热应力等综合因素作用下会出现不可逆转的侵蚀。由于侵蚀原因复杂，其侵蚀形貌往往不规则，常出现局部凹陷，严重时可引发炉缸烧穿事故，导致炉缸内部的高温铁水外泄引发设备损坏甚至剧烈爆炸等恶性后果。此外，炉缸长期处于封闭状态且被高温铁水浸没，导致其侵蚀状态无法直接探查。因此判断炉缸内衬是否发生侵蚀并准确识别侵蚀位置与侵蚀程度是提高炉缸安全性与耐久性的重要技术。

现有技术中对高炉炉缸侵蚀边界的计算一般是对预埋在炉缸内衬中热电偶测温数据进行传热学计算，得到内衬侵蚀边界和热铁凝固边界。

发明专利“一种高炉炉缸纵截面侵蚀边界二维快速计算方法”，申请公布号：CN110765623A，利用炉缸中布置的热电偶的检测温度值逆向求解炉缸侵蚀边界位置，通过外层热电偶P_i,out的温度和坐标确定外边界层的温度，利用线性插值方法初步计算出初始的内壁侵蚀线，再与实际内层热电偶P_i,in温度值多次比较并修正，直到误差满足范围要求。

发明专利“一种炉缸纵截面侵蚀边界计算的有限元方法”申请公布号：CN114996997 A，通过布置在炉缸炭砖中热电偶组检测的温度值结合粒子群算法实现了炉缸侵蚀边界位置的计算，同时考虑了侵蚀边界的曲率约束，得到更加平滑的侵蚀边界。发明专利“一种高炉炉缸侵蚀状况的检测方法”申请公布号：CN 109929955 A，建立了热电偶测温历史数据数据库与炉墙内温度场计算模型，通过目标函数对一系列的热电偶历史测温数据进行计算分析，得到不同时期炉缸侵蚀状况。

Feng提出了一种炉缸侵蚀监测模型，该模型可对炉缸进行未知边界问题反演求解，基于炉缸中热电偶反馈温度监测炉缸内衬剩余厚度，得到炉缸侵蚀边界。

Brannbacka基于炉缸中嵌入热电偶数据建立了一个包含侵蚀边界的数学模型。通过调整模型的侵蚀边界，使数学模型的温度分布逼近实际，实现内衬侵蚀形貌诊断。Zagaria等二维传热理论为基础，基于热电偶测温数据实现炉缸内衬侵蚀边界的求解，并针对热电偶损坏问题，提出了插补新热电偶的解决方案。

上述技术中对高炉炉缸侵蚀边界的计算一般是对预埋在炉缸内衬中热电偶测温数据进行传热学计算后，得到内衬侵蚀边界和热铁凝固边界。但炉缸内衬中预埋的热电偶因长期在高温下工作往往会出现相当比例的失效，且补插热电偶具有危险性，尤其是内衬剩余厚度较薄时常会导致漏铁事故。

其次，现有中小高炉内衬中预埋的热电偶数量普遍偏少，导致炉缸内衬中存在测温盲区，盲区内的侵蚀形貌无法准确诊断，而其侵蚀形貌对炉缸结构安全具有重要性，尤其是在发生凹陷侵蚀的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，并在此基础上提出了一种基于冷却壁热流强度的移动边界搜索法，实现了热电偶测温盲区内衬侵蚀形貌的识别，对炉缸结构安全评估工作有重要意义。解决炉缸内存在热电偶失效现象或热电偶测温盲区导致的侵蚀诊断难题，避免炉缸烧穿的恶性事故发生，保证高炉安全性和耐久性。

一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，包括以下步骤：

步骤1：基于高炉炉缸结构与冷却壁分布，使用三维仿真软件建立基准计算模型与侵蚀计算模型，通过对比不同侵蚀位置与基准计算模型的计算结果得到侵蚀位置变化对冷却壁热流强度的影响规律；

所述基准计算模型为无侵蚀发生时的计算模型；

所述侵蚀计算模型为纵向上五种典型位置A1-A5分别发生局部凹陷侵蚀的计算模型；A1-A5五个位置位于同一参考线上，按序号由高至低排列，其中A1与A2位于冷却壁中左上部，A3位于冷却壁交界处，A4与A5位于冷却壁右下部。

步骤2：计算各侵蚀计算模型与基准计算模型中对应冷却壁热流强度的百分比差δ_d，标定百分比差值与各侵蚀位置间的关系；

其中百分比差δ_d的计算公式为：

式中，q_iE为侵蚀计算模型中冷却壁i热流强度值，q_iS为基准计算模型中冷却壁i热流强度值。

步骤3：将同段所有冷却壁平均热流强度值等效为基准计算模型，根据步骤1中影响规律结合实测冷却壁热流强度变化判断侵蚀的位置范围；

步骤4：确定侵蚀的位置范围后，计算其位置范围所在冷却壁与基准模型的热流强度百分比差，并根据步骤2中的标定结果判定实际凹陷侵蚀的准确位置。

步骤5：结合步骤4中实际凹陷侵蚀的准确位置，建立相应的初始侵蚀边界及侵蚀边界移动搜索方法，将冷却壁热流强度作为所求侵蚀边界的核定参数，利用侵蚀边界移动搜索方法得到炉缸内衬的实际侵蚀边界。

所述侵蚀边界移动搜索方法由折线或样条曲线依次连接7个边界控制点构建初始侵蚀边界，且设定3个控制动点分别与三段冷却壁热流强度保持强相关。若冷却壁热流强度模拟值小于实测值，对应边界控制点向炉缸外侧移动，反之则向内侧移动，满足收敛判定式时停止搜索，所得边界即为炉缸实际侵蚀边界。

其中7个边界控制点分别为边界控制点1-7，点3、点4、点5是与三段冷却壁热流强度保持强相关的控制动点；由炉底热电偶温度计算确定点1；过点1做水平直线L₁，过内炉角点做侧壁边界的延长线，与直线L₁交于点2′；取点1和点2′的中点为点2；过内炉角点做与第一段冷却壁中点的连线，与直线L₁交于点3；由第二、三段冷却壁的冷却条件和热流强度分别计算出内衬1150℃等温线位置，记为直线L₂和L₃，取直线L₃的中点为点6。若侵蚀发生在第二段冷却壁，过第二段冷却壁中心位置做水平线确定点4；过第二、三段冷却壁交界位置做水平线，分别与直线L₂和L₃交于点5′和点5″，取点5′和点5″中点为点5；过点5和点6做直线，与顶部交于点7；点6和点7随点5同步移动。若侵蚀发生在第二、三段冷却壁交界处，取直线L2的中点为点4；过第二、三段冷却壁交界位置做水平线L₄；过点6做与水平方向呈θ角的直线，与炉缸顶部交于点7，与L₄交于点5；点6和点7随点5同步移动，三点始终共线且与水平方向保持θ角。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，本发明可以根据冷却壁热流强度变化判断局部侵蚀发生位置，基于侵蚀边界移动搜索方法反求侵蚀边界，得到炉缸内衬最小剩余厚度，实现热电偶测温盲区内衬侵蚀形貌识别，进而丰富炉缸内衬侵蚀诊断方法，可有效避免炉缸烧穿恶性事故发生，对延长高炉寿命，提高炉缸安全性和耐久性具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法整体流程图；

图2为本发明实施例提供的冷却壁位置分布及凹陷侵蚀位置分布示意图；

图3为本发明实施例提供的不同计算模型的冷却壁热流强度百分比差标定结果；

图4为本发明实施例提供的侵蚀发生在第二段冷却壁上初始边界规划示意图；

图5为本发明实施例提供的侵蚀发生在二、三段冷却壁交界处初始边界规划示意图；

图6为本发明实施例提供的计算所得侵蚀边界示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：基于高炉炉缸结构与冷却壁分布，使用三维仿真软件建立基准计算模型与侵蚀计算模型，通过对比不同侵蚀位置与基准计算模型的计算结果得到侵蚀位置变化对冷却壁热流强度的影响规律；

所述基准计算模型为无侵蚀发生时的计算模型；

所述侵蚀计算模型为纵向上五种典型位置(A1-A5)分别发生局部凹陷侵蚀的计算模型；

如图2所示，炉缸部分共有三段冷却壁，各段冷却壁间相互交错排列，每段冷却壁由32块冷却壁组成，沿圆周方向均匀分布。建立未发生侵蚀的基准计算模型与图2中纵向上五种位置(A1-A5)分别发生凹陷侵蚀的侵蚀计算模型。A1-A5五个位置位于同一参考线上，按序号由高至低排列，其中A1与A2位于2-2冷却壁中左上部，A3位于2-2与3-1冷却壁交界处，A4与A5位于3-1冷却壁右下部。

基于有限元法模拟两种计算模型的传热过程，提取各计算模型中各冷却壁的平均热流强度值列于表1，冷却壁编号见图2，对比侵蚀位置与热流强度变化规律如下：

(1)如果某冷却壁热流强度显著增加而其相邻冷却壁的热流强度增幅较小，则局部凹陷侵蚀发生在该冷却壁所对应的区域内。

(2)如果两块或三块相邻冷却壁的热流强度同时增加，并且与它们相邻的其它冷却壁没有异常，则局部凹陷侵蚀处于这些冷却壁的交界位置。

(3)如果冷却壁热流强度的增幅不同，则局部凹陷侵蚀位置偏向增幅偏大的冷却壁。

表1冷却壁的平均热流强度模拟值(W/m²)

步骤2：计算各侵蚀计算模型与基准计算模型中对应冷却壁热流强度的百分比差δ_d，标定百分比差值与各侵蚀位置间的关系，如图3所示；

其中百分比差δ_d的计算公式为：

式中，q_iE为侵蚀计算模型中冷却壁i热流强度值，q_iS为基准计算模型中冷却壁i热流强度值。

具体计算侵蚀位置范围处与基准模型的冷却壁百分比差，实测中同段所有冷却壁的平均热流强度值等效为基准模型来计算百分比差；

确定侵蚀的大致范围后，计算其周围所有冷却壁的热流强度百分比差，模型A1-A5中各冷却壁热流强度百分比差标定结果如图3，标定结果的规律如下：

(1)若侵蚀位置发生在单块冷却壁，则该冷却壁的热流强度增幅最大。

(2)随着局部凹陷侵蚀接近冷却壁的中心，其热流强度的增幅逐渐升高。

(3)若侵蚀发生在两块冷却壁的交界时，热量由两块冷却壁共同承担，导致每块冷却壁热流强度百分比差增量均小于10％。

步骤3：将同段所有冷却壁平均热流强度值等效为基准计算模型，根据步骤1中影响规律结合实测冷却壁热流强度变化判断侵蚀的位置范围；

实际测试中冷却壁变化符合规律(1)，可以初步判定局部凹陷侵蚀大致发生在2-2冷却壁上。

步骤4：确定侵蚀的位置范围后，计算其位置范围所在冷却壁与基准模型的热流强度百分比差，并根据步骤2中的标定结果判定实际凹陷侵蚀的准确位置。

冷却壁变化符合步骤1中的规律(1)，初步判定局部凹陷侵蚀大致发生在2-2冷却壁上。将实测中同段所有冷却壁的平均热流强度值等效为基准模型来计算百分比差，计算结果与标定结果对比，得出2-2的热流强度百分比差远大于其他，且1-1与1-2冷却壁热流强度大于3-1与3-2，表明侵蚀位置发生在第二段冷却壁上且距第一段冷却壁更近的位置上，对比确定侵蚀发生在第二段冷却壁中的A1位置。

步骤5：结合步骤4中实际凹陷侵蚀的准确位置，建立相应的初始侵蚀边界及侵蚀边界移动搜索方法，将冷却壁热流强度作为所求侵蚀边界的核定参数，利用侵蚀边界移动搜索方法得到炉缸内衬的实际侵蚀边界。

初始侵蚀边界由边界控制点1-7通过折线或样条曲线依次连接得到，其中，点3、点4、点5为与第一、二、三段冷却壁热流强度保持强相关的对应控制动点，且可沿图4与图5中所示方向移动；炉底中心边界控制点1由炉底水管热流强度按一维传热计算确定；过点1做水平直线L₁，过内炉角点做原侧壁内边界的延长线，与直线L₁交与点2′；取点1和点2′的中点为边界控制点2；点1、点2距冷却壁较远，均做定点处理；过内炉角点做与第一段冷却壁中点的连线，与直线L₁交于边界控制点3；由第二、三段冷却壁的冷却条件和热流强度分别计算出内衬1150℃等温线位置，记为直线L₂和L₃，取直线L₃的中点为边界控制点6。

若侵蚀发生在第二段冷却壁，如图4中的初始边界规划所示，过第二段冷却壁中心位置做水平线确定边界控制点4；过第二、三段冷却壁交界位置做水平线，分别与直线L₂和L₃交于点5′和点5″，取点5′和点5″中点为边界控制点5；过点5和点6做直线，与顶部交于边界控制点7；点6和点7随点5同步移动。

若侵蚀发生在第二、三段冷却壁交界处，如图5中的初始边界规划所示，取直线L₂的中点为边界控制点4；过第二、三段冷却壁交界位置做水平线L₄；过点6做与水平方向呈θ角的直线，与炉缸顶部交于边界控制点7，与水平线L₄交于边界控制点5；点6和点7随点5同步移动，三点始终共线且与水平方向保持θ角，角度θ的大小根据具体情况确定，理论上θ越小，点5位置的内衬剩余厚度越小。

确定侵蚀发生位置与初始搜索边界后，由第二段和第三段冷却壁实测热流强度q_2T、q_3T，按一维平壁传热理论计算出1150℃等温线L₂和L₃的位置及其距炉缸内衬外沿的距离，边界控制点按既定移动策略移动，若冷却壁热流强度模拟值小于实测值，对应的边界控制点向炉缸外侧移动，反之则向内侧移动。当三段冷却壁的热流强度模拟值和实测值的相对误差δi均属于合理区间e时，便可求得侵蚀边界，即满足：

|δ_i|≤e(i＝1,2,3)

对不同的高炉要求的计算精度不同，应视具体情况而定，通常可取e＝1-2％。

冷却壁实测热流强度q_iT的计算公式为：

式中，c_p为冷却水的比热容，J/(kg·K)；M_s为冷却水流量，kg/s；ΔT为水温差，℃；S为冷却面积，m²。

冷却壁热流强度模拟值与实测值的相对误差δi的计算公式为：

式中，q_iC(i＝1,2,3)和q_iT(i＝1,2,3)分别为冷却壁热流强度的模拟值和实测值，W/m²。

确定侵蚀发生在A1位置后，选取图4中的初始侵蚀边界，利用有限元法对初始侵蚀边界进行传热过程模拟计算。实施例中，将冷却水管内壁面的对流换热条件等效到内衬冷面，算得等效对流换热系数h_e为67.7W/(m²·K)，炉底内衬底面等效对流换热系数h_d为40W/(m²·K)，内衬的导热系数取12.0W/(m·K)，空气平均温度T_f取30℃。实际侵蚀诊断时现场测量值q_1T、q_2T、q_3T作为求解侵蚀边界的核定参数，现场测试值如图6所示，q_1T＝6130W/m²，q_1T＝26457W/m²，q_3T＝18039W/m²。

由第二、三冷却壁的冷却条件和热流强度，按一维平壁传热理论计算出1150℃等温线L₂与L₃分别距炉缸内衬外沿331mm和528mm。边界移动策略为点6和点7随点5同步移动，初始搜索步长设置为40mm。迭代搜索过程见表2，在完成第6步搜索后，|δi|(i＝1,2,3)均小于1％，满足收敛判定式，求得图6所示的侵蚀边界。凹陷位置边界控制点4的半径为3930mm，炉缸半径为4200mm，计算得内衬剩余厚度为270mm。

表2迭代搜索过程

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (4)

1.一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：基于高炉炉缸结构与冷却壁分布，使用三维仿真软件建立基准计算模型与侵蚀计算模型，通过对比不同侵蚀位置与基准计算模型的计算结果得到侵蚀位置变化对冷却壁热流强度的影响规律；

步骤2：计算各侵蚀计算模型与基准计算模型中对应冷却壁热流强度的百分比差δ_d，标定百分比差值与各侵蚀位置间的关系；

步骤3：将同段所有冷却壁平均热流强度值等效为基准计算模型，根据步骤1中影响规律结合实测冷却壁热流强度变化判断侵蚀的位置范围；

步骤4：确定侵蚀的位置范围后，计算其位置范围所在冷却壁与基准模型的热流强度百分比差，并根据步骤2中的标定结果判定实际凹陷侵蚀的准确位置；

步骤5：结合步骤4中实际凹陷侵蚀的准确位置，建立相应的初始侵蚀边界及侵蚀边界移动搜索方法，将冷却壁热流强度作为所求侵蚀边界的核定参数，利用侵蚀边界移动搜索方法得到炉缸内衬的实际侵蚀边界；

所述侵蚀边界移动搜索方法由折线或样条曲线依次连接7个边界控制点构建初始侵蚀边界，且设定3个控制动点分别与三段冷却壁热流强度保持强相关；

所述搜索方法具体为：若冷却壁热流强度模拟值小于实测值，对应边界控制点向炉缸外侧移动，反之则向内侧移动，满足收敛判定式时停止搜索，所得边界即为炉缸实际侵蚀边界；

所述7个边界控制点分别为边界控制点1-7，点3、点4、点5是与三段冷却壁热流强度保持强相关的控制动点；由炉底热电偶温度计算确定点1；过点1做水平直线L₁，过内炉角点做侧壁边界的延长线，与直线L₁交于点2′；取点1和点2′的中点为点2；过内炉角点做与第一段冷却壁中点的连线，与直线L₁交于点3；由第二、三段冷却壁的冷却条件和热流强度分别计算出内衬1150℃等温线位置，记为直线L₂和L₃，取直线L₃的中点为点6；若侵蚀发生在第二段冷却壁，过第二段冷却壁中心位置做水平线确定点4；过第二、三段冷却壁交界位置做水平线，分别与直线L₂和L₃交于点5′和点5″，取点5′和点5″中点为点5；过点5和点6做直线，与顶部交于点7；点6和点7随点5同步移动；若侵蚀发生在第二、三段冷却壁交界处，取直线L₂的中点为点4；过第二、三段冷却壁交界位置做水平线L₄；过点6做与水平方向呈θ角的直线，与炉缸顶部交于点7，与L₄交于点5；点6和点7随点5同步移动，三点始终共线且与水平方向保持θ角。

2.根据权利要求1所述的一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，其特征在于，步骤1中所述基准计算模型为无侵蚀发生时的计算模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，其特征在于，步骤1中所述侵蚀计算模型为纵向上五种典型位置A1-A5分别发生局部凹陷侵蚀的计算模型；A1-A5五个位置位于同一参考线上，按序号由高至低排列，其中A1与A2位于冷却壁中左上部，A3位于冷却壁交界处，A4与A5位于冷却壁右下部。

4.根据权利要求1所述的一种基于冷却壁热流强度的炉缸内衬侵蚀形貌识别方法，其特征在于，步骤2中所述百分比差δ_d的计算公式为：

式中，i＝1,2,3，q_iE为侵蚀计算模型中冷却壁i热流强度值，q_iS为基准计算模型中冷却壁i热流强度值。