一种高炉炉缸侵蚀状况的检测方法与流程

本发明涉及锂电池化成技术，更具体地是指一种高炉炉缸侵蚀状况的检测方法。

背景技术：

炉缸侵蚀是制约高炉长寿的最关键因素。精准判别炉缸剩余厚度，寻找冷却系统的薄弱环节，是提高高炉一代炉龄的重要手段。寻找出炉缸冷却系统的薄弱环节，有助于高炉操作者及时进行相应的处理，以延长高炉使用寿命。精准判别炉缸剩余厚度，对已运行多年的高炉尤为重要。如果过于低估了炉缸剩余厚度，导致过早大修，则不必要的缩短了高炉一代炉龄。反之,过于高估了炉缸剩余厚度，导致高炉在危险状态下运行，如引发设备事故，导致炉缸烧穿等严重后果。

目前对炉缸剩余厚度，尚无有效的直接测量方法，只能通过间接测量方法实现。间接测量的主要方式，是在炉墙内预先埋设热电偶。通过热电偶的测温数据，反算炉缸剩余厚度。例如专利公开号为cn101457268a，属于这一类。间接测量的另一种方式，是通过对流经冷却元件的冷却水温度和流量进行测量，并结合相应的数学模型计算分析实现的。第三种间接测量方式，是专利公开号cn106868242a所提出的基于对炉壳温度的测量和炉墙内温度场计算来实现的。

无论何种间接测量方式，都离不开对炉墙内部温度场的数值求解。这就需要给出场内各点的传热系数。现行做法是，假定炉墙场内各点的传热系数是均匀分布，或分区均匀分布。

但是，由于炉墙由多种不同材料，粘接剂，冷却设备等组成。即使是同一种材料做成的碳砖，其传热系数也有较大的差异。例如，某钢铁企业的某高炉所用高导热碳砖，其最大/最小传热系数分别为84.9和57.9焦耳/(平方米*秒)。因此，无论是均匀分布，或是分区均匀的假定，都不可避免地会给炉墙内温度场的计算带来误差，从而降低炉缸剩余厚度预测结果的可靠性。

另外，在同类发明中，其传热模型均不能对各冷却效率进行评估，因而无法判别冷却单元与炉体间可能存在的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述缺陷，提供一种高炉炉缸侵蚀状况的检测方法，既能简化锂电池化成工序，又能解决夹具加热加压方法时硬接触及压力不均匀引起的一系列各种问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高炉炉缸侵蚀状况的检测方法，包括以下步骤：

a.建立热电偶测温历史数据的数据库；

b.建立基于有限体积法的炉墙内温度场计算模型及边界条件；

c.采用有限体积法对传热数学模型进行离散化，建立计算网格自动生成模块及传热模型；

d.建立非线性优化模型，以场内选定节点的传热系数，炉壁及炉墙与炉缸铁水的内界面为优化变量，电偶测温点的计算温度与实测温度之差的总和为极小化目标，建立相应的目标函数；

e.以电偶测温数据为基准，结合炉壁及炉底温度场计算，对目标函数进行极小化，从而得到场内传热系数分布和冷却单元的热交换系数；

f.通过对炉墙传热方程的数值求解获得墙内各点温度分布；

g.根据墙内各点温度定义炉墙状态参数；

h.对应不同测温历史记录对非线性优化模型进行求解，可获得各时期炉缸不同位置剩余厚度及固态凝铁区厚度，场内传热系数，温度分布，各冷却单元热交换系数。

在步骤a中，所述的数据库还包括炉缸设计炉型、炉墙碳砖平均传热系数、固态及液态铁的传热系数、热电偶位置坐标。

在步骤c中，所述的计算网格自动生成模块包括二维切片模式或三维模式。

在步骤c中，所述的传热模型为：

▽(k▽t)＝0

k＝f(x,y,z)

式中：k为计算域内各点传热系数；t为场内各点的温度值；x,y,z为空间点的直角坐标。

在步骤d中，所述的电偶测温点的计算温度与实测温度之差的总和计算公式为：

式中，n为计算区域内深电偶个数；ti,tci分别为电偶所在位置的计算温度及电偶实测温度。

在步骤f中，所述的炉墙状态参数定义为：

t＜1150℃为碳砖区或凝铁区，1150≤t≤1450℃为熔融区，t≥1450℃为铁水区。

在步骤g中，还能够获得场内传热系数、温度分布、各冷却单元热交换系数。

根据获得的冷却单元的热交换系数和温度场，计算各冷却单元的单位时间和单位面积的热量交换，并以此对各冷却设备的换热效率进行评估。

在本发明的上述技术方案中，采用本发明具有以下几个优点：

1、把炉墙碳砖传热系数及炉墙与冷却系统的热交换系数当作优化变量，炉墙内测温点计算温度与热电偶实际测量温度之差的总和作为极小化目标，综合利用热电偶测温数据，固体传热计算模型和非线性优化方法对目标函数进行优化。

2、同时获得炉墙碳砖传热系数及炉墙与冷却系统的热交换系数，进而计算不同位置处冷却单元的热量交换率，对各冷却板的传热效率进行评估。

3、通过对热电偶一系列的历史测温数据进行计算分析，可得出不同时期炉缸侵蚀状况及实际操作炉型。

4、通过对不同部位冷却单元传热果的检测，操作人员可及时修复低效冷却单元。本发明有助于指导高炉设计与操作，延长高炉使用寿命。

附图说明

图1是本发明的高炉炉缸侵蚀状况的检测方法的流程图；

图2是本发明的侧壁炉墙及炉底温度场计算边界条件的原理图；

图3是本发明的自动生成的计算个网格的示意图；

图4是本发明的初始状态下炉墙及炉底平均传热系数的示意图；

图5是本发明的通过优化计算获得的炉墙及炉底传热系数的示意图；

图6是本发明的通过优化计算获得的炉墙及炉底某一测温日期的温度分布(k)的示意图；

图7是本发明的通过优化计算获得的炉墙及炉底某一测温日期的状态分布的示意图；

图8是本发明的温度计算总误差随优化迭代次数的变化曲线图；

图9是本发明的温度计算相对总误差随优化迭代次数的变化曲线图；

图10是本发明的通过优化计算获得的炉缸侧壁热流量的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的高炉炉缸侵蚀状况的检测方法，基于炉墙内热电偶测温历史数据，非线性优化，炉墙内温度场数值计算的方法，用于确定当前炉墙内各部位的剩余厚度，并对不同部位冷却设备的冷却效率进行评估。本发明的核心内容为：1)摒弃了均匀或分区均匀传热系数的假定，认为传热系数不仅随空间变化，而且在同一空间点，不同测温日期，传热系数也是不同的。2)由于凝铁层及气隙等的形成和温度的变化的不确定性，炉墙内各点的传热系数不能简单的表达为温度的已知函数，本发明将其视为未知量。其数值通过使温度场计算的误差函数(以下式4)取极小值的方法获得。这种处理方法使计算模型更加切合实际，提高了预测精度和可靠行。3)提出了通过冷却单元与炉体热交换系数的计算，对不同部位冷却设备的冷却效率进行评估的方法，有助于高炉操作人员对低传热效率的冷却单元及时作出应对措施。4)将炉壁及炉墙与炉缸铁水的内界面当作未知量，和热传导系数一起，通过使误差函数取极小值的方法获得。5)采用非线性优化方法对误差函数极小化，提高了算法的稳定性和可靠性。

具体步骤如下：

针对本发明所应用的高炉，建立数据库。数据库的内容包括：炉缸设计炉型，炉墙碳砖平均传热系数，固态及液态铁的传热系数，热电偶位置坐标，热电偶测温历史数据。

计算网格自动生成模块，本发明分两种模式：二维切片模式和三维模式。针对两种模式，建立了网格自动生成软件。

二维切片模式根据热电偶的分布状况将分割成多个二维计算及检测域。各区域的分析是相互独立的。最后的结果采用样条插值方式构建成三维图像。

三维模式直接对三维几何形状进行网格划分，并在三维计算域内求解传热模型。其精度较高，但计算量也较大。由于本发明中，场内传热系数通过对传热方程的“反问题”求解获得，因而在网格划分时无需对不同材料进行特殊处理。

传热模型及其数值求解：以下以二维传热模型为例，介绍本发明所采用的数学模型及求解方法。采用经典的固体传热模型求解炉缸侧壁

▽(k▽t)＝0(式1)

k＝f(x,y,z)

其中：k为计算域内各点传热系数，t为场内各点的温度值。x,y,z为空间点的直角坐标。在对传热方程(式1)进行离散化求解时，将计算区域划分成一系列子区域，假定子区域的个数为nd，而每个子区域内又包含多个计算网格。每个子区域i内，传热系数是相同的，用ki表示。其数学表达式为：其中ωi(i＝1,2,3,...nd)为第i个子区域。ki(i＝1,2,3,...nd)通过使误差函数(4)取极小值的方法获得。

本发明在设计炉型下求解传热控制方程(式1)，将计算域分成4个区域：液态铁水区，熔融铁水区，凝铁区和碳砖区。

在开炉时，各区域均为碳砖区，该状态作为计算域分区的初始状态。此后，凝铁区与熔融铁水区的交界由t＝1150℃等温线确定。液态铁水区由铁水熔化的最低温度tiron确定。这里取tiron＝1450℃

凝铁区的形成通过对高炉操作的历史按时间顺序求解传热方程(式1)获得，是个累积过程它是由原先的熔融铁水区在温度降低后凝固形成。

同样，在高炉生产的进程中，由于各种原因，原先的凝铁区也会因为温度的升高而转变成为熔融铁水区甚至液态铁水区。本发明运用高炉生产的进程中电偶测温历史数据，结合对传热方程(式1)的数值求解和非线性优化方法来确定各区域位置及其交界面。

传热方程(式1)的边界条件：侧壁及炉底内边界：定温边界，其温度为设定的铁水温度。侧壁外边界为浅电偶温度。炉缸顶部为绝热边界，底部为给定温度边界。

对二维模型，切片的前后界面为绝热边界。各边界条件示意图见图2，

以侧壁炉墙为例，说明温度边界条件的应用：假定侧壁浅电偶的标高分别为yci(i＝1,2,3...nc)，其中nc为测壁浅电偶的个数。在某一测温日期，各浅电偶的检测温度为tci，据此可建立一个二次插值曲线函数：

t(y)＝αi(y)ti-1+βi(y)ti+γi(y)ti+1,y≥yi-1,y≤yi+1，其中αi,βi,γi为插值系数，ti-1,ti,ti+1为三个测温点的电偶测温值。对炉底边界，可建立以x为自变量的二阶精度插值函数。

传热模型的离散化：本发明采用有限体积法对控制方程(1)进行离散。离散化后，单元体i的控制方程转变为：

其中：ai,ti,si分别为第i个控制体的中心系数，中心点温度和源项。n为与单元体i相邻的控制体个数，aij,tj分别为单元体i,j间的系数，单元体j的中心点温度。ai,aij满足如下关系

温度误差函数:定义为各热电偶所处位置的计算温度与电偶实测温度之差的绝对值之和

其中：n,ti,tci分别为：计算区域内深电偶个数，电偶所在位置的计算温度及电偶实测温度。

计算域内固体传热系数的确定：如上所示，本发明将计算域内固体传热系数当成未知量，因而在离散化的方程组(式3)中包含了各点传热传热系数的影响。各子区域ωi(i＝1,2,3,...nd)传热系数数值通过非线性优化方法使方程(式4)中的e取极小值而获得。

计算域内边界处理：本发明采用固定边界求解固体温度场，但铁水区域采用铁水物性条件。铁水与熔融区的界面由t＝1450℃等值线确定。以图2右边侧壁边界为例，t＝1450℃等值线到右边侧壁原始边界的距离x(y)可用二界插值函数表示：

x(y)＝λi(y)di-1+μi(y)di+ηi(y)di+1,y≥yi-1,y≤yi+1(式5)

其中：di(i＝1,2,3,...m)为给定的点处t＝1450℃等值线到右边侧壁原始边界的距离，λi,μi,ηi为二解精度插值系数。di和子区域传热系数一起，由通过非线性优化方法使方程(式4)中的e取极小值而获得。

使误差函数(式4)取极小值的非线性优化方法：本发明采用一种由michaelj.d.powell发明的叫做cobyla的优化方法(参考文献m.j.d.powell，2007.aviewofalgorithmsforoptimizationwithoutderivatives.cambridgeuniversitytechnicalreportdamtp2007.)该算法自动计算jacobi矩阵，无须提供目标函数对优化变量的偏导数，从而易于使用，而且计算精度和稳定性都很高。优化计算的程序框图如图1所示。

针对某钢铁股份有限公司某高炉进行具体举例说明，采用二维模型，对开炉以来10年的电偶测温历史数据，选取电偶测温数值大于300℃的测温日期进行了计算。

测温电偶沿周向均匀分布在8断面内，各断面间的夹角为45度。作为演示，本说明书给出了1个测温断面的部分结果。

图3给出由本发明所编制的软件自动生成的计算网格。为清晰起见，图中只给出了部分计算域。

图4给出初始状态下炉壁及炉底在常温下的平均传热系数。本炉缸耐材由两种碳砖组成：普通碳砖，其常温下的平均传热系数为14.8w/(m*k),高热碳砖，其常温下的平均传热系数为72.5w/(m*k),两种碳砖的布置如图3所示。

图5给出通过优化计算获得的和某一测温日期对应的传热系数分布。结果表明，传热系数分布并不是均匀的。其原因是：a)同类碳砖中不同个体其传热系数不尽相同，本例中，普通碳砖及高导热碳砖传热系数的均方差分别为3.75w/(m*k)和8.4w/(m*k).b)不同温度下碳砖传热系数会发生变化。c)在高炉使用过程中，由于渣铁渗入等原因，区域内不同点传热系数会发生变化。

图6给出通过优化计算获得的炉墙及炉底某一测温日期的温度分布，其单位为k，其分布与未经优化的结果相比较具有很大的不同。其计算精度提高20倍以上(如图8，图9所示)。

图7给出通过优化计算获得的炉墙及炉底某一测温日期的状态分布，包括凝铁区、普通碳砖区、高导热碳砖区。

图8给出某一测温日期温度计算总误差(由公式(4)计算)随优化迭代次数的变化。由图可见未经优化(初始迭代)时，温度总误差为400℃，而优化迭代结束时，总误差为9.1℃，降低了44倍。这充分说明了本发明的方法的精确性。同时也说明，未经误差极小化处理的计算结果用于预测炉墙及炉底温度是不可靠的。

图9给出与图8对应的相对误差。由图可见，优化迭代后，相对误差降低到未经迭代时的1.6％.进一步说明了本发明的精确度。

图10给出与图8、图9对应的测温日期下炉缸侧壁热流量随高度的分布。由图可见，热流量的分布是很不均匀的。这反映了和冷却壁相接触的碳砖壁面温度的非均匀性和碳砖传热系数本身的非均匀性。由图可见，在标高0到1米处和标高3到3.7米处，标高4.2到4.5米处热流量严重偏低，表明该处冷却效率偏低，应检测该处冷却设备，采取补缺措施。

综上所述，本发明通过对炉缸侧壁及炉底传热系数的计算，侵蚀线的预测及各冷却单元传热效率评估，进而可给出各不同时期炉缸实际操作炉型，炉墙内碳砖及凝铁层区域，并对冷却壁与炉墙间的气隙存在的可能性及位置进行判别。与同类发明相比，本发明具有如下优点和创新：a)摒弃了均匀或分区均匀传热系数的假定，将场内各点传热系数本身当作优化参数确定，大幅度提高了模型的精度和可靠行。b)采用非线性优化方法，而不是同类发明所采用的线性规划方法，提高了优化的精度和可靠行。c)提供了对不同部位冷却壁换热效率及气隙可能性进行判别的方法。本发明有助于改进高炉设计，延长其一代炉龄，使高炉操作者对炉缸运行及冷却系统换热状况有一个清晰的了解，采取应对措施，提高炉况稳定性，延长高炉使用寿命。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。