CN101886152A - 高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护*** - Google Patents

Abstract

一种高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护***，属于高炉在线监测、诊断、预警和维护技术领域。包括数据采集模块、数据过滤模块、炉缸炉底侵蚀结厚计算模块、异常诊断模块、显示预警模块、指导炉缸维护模块。能够实时采集和滤波炉缸冷却壁水温和炉体电偶温度，将两种数据结合起来采用传热学“正反问题”结合“异常诊断”标准，综合判断耐材导热系数变化、环裂、气隙等生产中可能出现的异常对温度场分布及侵蚀的影响，联合梯度正则化和混沌优化法求解，实现对炉缸炉底三维非稳态温度场、侵蚀内型、渣铁壳变化、炉缸热状态的在线监测，对异常情况和侵蚀加剧原因的实时诊断，并根据侵蚀加剧原因智能指导有针对性炉缸维护手段，已成功应用于工业。

Description

高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护***

技术领域

本发明属于高炉炉缸炉底在线监测、诊断、预警和维护技术领域，特别是提供了一种高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护***，如何实时采集和滤波高炉炉缸冷却水温和炉体砖衬中热电偶温度，如何依据这两种基础数据对炉缸炉底三维非稳态温度场、侵蚀内型、渣铁壳变化进行在线监测和预警，对环裂、气隙、串气等异常和炉缸炉底侵蚀加剧原因进行诊断，以及根据不同侵蚀加剧原因采取有针对性的手段对炉缸进行有效维护的方法和工业应用***。

背景技术

随着高炉冶炼强度的提高和原料条件的波动，炉缸炉底越来越成为高炉长寿高效生产的限制性环节。目前国内外多座高炉，都出现了严重的“象脚状”侵蚀甚至炉缸烧穿的重大事故。因此，准确地监测炉缸炉底工作状态并据此做出合理的生产操作调节和护炉措施，是实现高炉长寿高效生产的关键，但是高炉是一个高温高压密闭的冶金反应器，在生产时无法利用工业CT及其它一些无损检测设备对其炉缸炉底的侵蚀内型进行准确检测，只能依据炉体可检测数据来判断和监测其工作状态。

目前国内外已有的高炉炉缸炉底监测方法，大多是通过单独采集炉体热电偶温度或炉缸冷却水温差热流，建立“两点法”一维传热模型，或者是二维稳态/非稳态模型来进行侵蚀计算，如文献1(S.K.ISIJ International，2005，45(8)：1122)、文献2(K.T.ISIJInternational，2001，41(10)：1139)、文献3(吴俐俊.上海交通大学学报.2004，38(10)：1733.)等报道，这些已有的方法虽然利用神经网络、“虚拟边界”等手段考虑了高炉运行过程中侵蚀边界不定和渣铁壳变化对炉缸炉底温度场和侵蚀的影响，但是在高炉现场应用中仍存在较大的缺陷，具体如下：

(1)已有炉缸监测方法或***在基础数据选择上存在问题：都是单独采集炉缸冷却壁水温差或者是砖衬内热电偶温度来对炉缸工作状态进行判断，但是单独依靠炉缸冷却壁水温差热流来判断炉缸侵蚀时，冷却壁热流只能反映整块冷却壁前砖衬的平均侵蚀程度，而炉缸烧穿往往是点烧穿而非面烧穿；单独依靠砖衬内热电偶温度来判断炉缸侵蚀时，由于电偶数目有限，没有电偶的地方将失去侵蚀判断依据，而且在炉役末期(高炉炉缸需要重点监测阶段)砖衬内电偶往往已损坏较多，这样因基础数据不足将导致侵蚀监测的准确性大大降低。

(2)已有炉缸监测方法或***在基础数据采集上存在问题：大多将采集的数据直接用于炉缸工作状态诊断，缺乏对错误数据的滤波，如基础数据错误将直接导致判断结果错误并可能破坏连续监测的准确性。此外，在冷却水温采集方面大多采用传统的多模块电路模拟信号传输，数据累积误差大且传输过程易受干扰。

(3)已有炉缸监测方法或***在推断炉缸侵蚀时的计算模型选择存在问题：大多采用一维或二维、直角坐标(矩形)、不包含铁水凝固潜热的稳态计算模型，这和高炉炉缸炉底在三维方向上设计及侵蚀不对称、几何形状近似为圆柱状、渣铁壳形成释放凝固潜热的实际情况不符，导致炉缸侵蚀推测结果和实际差别较大。

(4)已有炉缸监测方法或***在判断炉缸是否存在异常时存在空白：通过炉缸炉底侵蚀机理研究和国内数十座高炉的侵蚀监测及破损调研(本专利申请者长期致力于高炉长寿技术和侵蚀监测研究，承担并完成了炉缸侵蚀监测相关的国家“八五”、“九五”、“十一五”、自然科学基金课题和首钢、太钢、唐钢、攀钢等众多厂协项目)，我们发现高炉投产后随着炉缸炉底耐火材料的逐渐升温、出铁操作、锌碱金属侵蚀、热应力变化以及填捣料中水分及挥发份的去除，炉缸炉底工作状态明显变化和侵蚀加剧的原因往往是由于异常情况的发生，如炉缸碳砖环裂、碳砖和冷却***间出现气隙、串气、耐材导热系数异常变化、炉底渗铁等，而目前已有的侵蚀监测方法或***都没有对这些异常情况进行判断和预警。

(5)已有炉缸监测方法或***在显示预警功能上存在问题：大多只显示单条炉缸炉底侵蚀线，缺乏对炉缸炉底各个部位不同温度的显示；在计算炉缸炉底侵蚀时***处于无响应状态不支持人机对话；在对炉缸状态进行历史查询时只能提供数据查询缺乏对炉缸侵蚀内型的直观查询显示；不具备炉缸侵蚀超限、炉缸结厚、炉缸不活等实时预警提示功能。

(6)已有炉缸监测方法或***在指导炉缸维护上存在空白：大多只能对炉缸侵蚀严重程度或者是砖衬剩余厚度做出判断，都未能对侵蚀加剧的原因做出诊断，也就无法指导有针对性地炉缸维护和生产操作调节。

综上，目前已有的炉缸炉底监测预警方法或***在基础数据选择、侵蚀计算模型选择、炉缸工作状态预警提示方面仍存在着缺陷，在炉缸异常和侵蚀加剧原因诊断、指导炉缸维护方面仍存在着空白，未能和高炉安全高效生产有机地结合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护***，克服了已有炉缸炉底监测方法或***在基础数据选择、侵蚀计算模型选择、炉缸工作状态预警提示方面存在的不足以及在异常侵蚀加剧原因诊断、指导炉缸维护等方面存在的空白；能够实时采集和滤波炉缸冷却壁水温和炉体热电偶温度，将两种数据结合起来采用传热学“正反问题”结合“异常诊断”标准，综合判断耐火材料导热系数变化、环裂、渗铁、气隙等生产中可能出现的异常对温度场分布及侵蚀的影响，联合梯度正则化和混沌优化法求解，实现对炉缸炉底三维非稳态温度场、侵蚀内型、渣铁壳变化、炉缸热状态的在线监测，对异常情况和侵蚀加剧原因的实时诊断、预警，并根据侵蚀加剧原因智能指导采取有针对性的炉缸维护手段，已成功实现了此方法的工业应用。

本发明的技术方案为：通过炉缸炉底侵蚀机理研究，以计算流体力学、计算传热学为基础，应用现代专家***理论，对炉缸炉底侵蚀机理进行知识处理，建立高炉炉缸炉底″异常诊断″模块，实时采集炉缸冷却壁进出水温和炉体热电偶温度，采用传热学“正反问题”结合“异常诊断”的方法，综合判断耐火材料导热系数变化、环裂、渗铁、气隙等生产中可能出现的异常对温度场分布及侵蚀的影响，联合梯度正则化和混沌优化法求解，对炉缸炉底三维非稳态温度场、侵蚀内型、渣铁壳变化、炉缸热状态进行在线监测，对异常情况和侵蚀加剧原因进行实时诊断，并根据侵蚀加剧原因指导采取有针对性的炉缸维护手段。

本发明包括数据采集模块、数据过滤模块、炉缸炉底侵蚀结厚计算模块、异常诊断模块、显示预警模块、指导炉缸维护模块，其中数据采集模型负责实时采集炉缸冷却壁水温和炉体热电偶温度，数据过滤模型对采集的实时数据进行自动滤波，滤波后的数据传入异常诊断模块进行异常知识判断，采集过滤的数据和得出的诊断结果一起导入侵蚀结厚计算模块进行温度场和侵蚀结厚的计算，显示预警模型将计算结果反馈给高炉操作人员，指导炉缸维护模型依据计算和预警结果给出合理护炉手段建议。

1.基础数据采集模块

本***判断炉缸状态是同时采集和依靠炉缸冷却壁水温差热流以及炉缸炉底砖衬内热电偶温度，不但实现了“点面结合”，还可以判断炉缸热状态以及环裂、气隙等异常的存在。

在采集冷却壁进出水温时，摒弃了传统的复杂、误差累积较大且传输易受干扰的电路设计(热电偶→电桥调平→放大滤波→数模转换→微处理器→上位机)。

.基础数据采集模块基于数字传感器的采集模块设计：将高精度数字温度传感器(分辨率0.03℃)封装在不锈钢探头中，传感器通过在一个由对温度高度敏感的振荡器决定的计数周期内对振荡器时钟脉冲计数值的计算来测量温度，不仅简化了电路也彻底排除了电源电压高低对测量的影响。探头要迎着来流的方向***水管中心以最小化探头对管内水流的阻损，避免形成旋流或死区，探头在设计上充分考虑到对温度变化的敏感性和跟随性，测温探头壁厚1mm，测温探头内部封装时使用高导热硅胶将传感器浇灌固定在探头中，测温探头中除传感器以往的空腔均使用低导热材料填充使用低导热材料，使测温探头对冷却水温变化具有很强的跟随性和实时性而又不易受到外部热源的干扰，整个测温探头引出包含4根导线的防水航空接头(四根导线为电源线(正负)、数据线、时钟信号线)。将航空接头直接接入微处理器IO端口，就可以读取传感器温度数据。此设计节省了放大、滤波、模数变换电路，消除了模拟信号处理电路易受干扰的中间环节。微处理器的一条串行总线上可以串行多个传感器，节省了大量线路，也利于维护。实际应用中对总线使用信号加强电路，对总线中数字信号采用0V/+12V电平信号，微处理器电路使用0V/+5V信号，保证数字信号在较长传输距离内有很强的抗干扰性能。传感器经微处理器巡检收集后进行封装加CRC校验通过485总线传输到上位机，在上位机通过串口每分钟对全部微处理器发送温度信号收集指令，完成对高炉炉缸冷却壁水温数据的实时采集。

在采集炉缸炉底砖衬内热电偶温度时，如果高炉现场数据存储交换采用OPC方式，则利用DCOM技术依据砖衬内电偶的具体标签名访问读取其温度数据，如果数据存储采用Oracle、SQL Server、FoxPro等二级数据库服务器，则利用ADO技术依据服务器中电偶温度数据所在的表名和记录位置读取。

2.基础数据滤波模块

由于高炉现场的复杂环境，实时采集的炉缸状态判断基础数据-炉缸冷却壁水温和砖衬内电偶温度往往可能由于受到干扰而失真，而已有的监测方法或***大多缺乏对基础数据有效性的判断，在数据失真时可能给出和炉缸内实际状态相差很大的判断结果，因此在数据采集模块后结合高炉冶炼特点创新性地研发了基础数据滤波模块，包含的滤波条件如下：

(1)根据传热学原理，热量由炉内高温铁水传至炉外冷却***，温度也是逐渐降低，因此如果炉体砖衬内同一标高的前后或同一深度的上下热电偶温度不符合传热学原理，要对此类数据进行校核；

(2)如果炉体砖衬内电偶温度低于20℃或者高于其量程(多数坏点显示32767)，要对此类温度进行过滤；

(3)要实时记录砖衬电偶温度和冷却水温差，如果发现某个电偶的温度或冷却水温差很短时间内大幅度升高或降低(如某些电偶5分钟内变化超过50℃，水温差在1分钟内波动超过0.5℃)，要对此类温度进行标记，采用时间序列的方法来判断其有效性；

(4)某些炉体电偶温度显示正常，但始终保持不变，对此类温度也要进行标记，和相邻其它电偶的温度进行比较，并记录其不变时间来判断其有效性。

3.异常诊断模块

如前所述，高炉在运行过程中炉缸工作失常往往是由于气隙、环裂等异常引起，如果不能对这些异常进行准确判断而仅仅是单独依靠炉缸水温差热流或者是砖衬电偶温度来推测炉内状态变化，将产生很大的偏差。如当炉缸产生气隙时，冷却壁水温差热流降低但是实际炉内侵蚀却在加剧；如炉底渗铁时砖衬电偶温度升高但实际侵蚀可能并不严重。因此，炉缸异常诊断模块的建立尤为关键，也是此发明区别与其它方法或***的核心内容之一，此模块是针对具体高炉，利用现代专家***技术对其侵蚀机理进行处理，在对基础数据进行采集和滤波后，结合冷却壁热流、热流变化、砖衬电偶实时温度、最高温度、电偶温度变化、砖衬尺寸、砖衬导热系数等，创新性地建立如下异常诊断标准：

(1)建立炉缸冷却壁热流和砖衬热电偶温度的历史最高数据库，将在线采集和滤波的实时温度数据T和历史最高数据T_w进行比较，如果T＞T_w则更新历史最高数据库并判断此部位渣铁壳脱落，反之则判断存在渣铁壳而不更新历史最高数据库；

(2)通过炉缸侧壁同一标高处的前后热电偶实时(T_f、T_b)温度、温度变化值(ΔT_f、ΔT_b)、热电偶间距(L)、对应冷却壁的热流强度(q)、热流强度变化值(Δq)砖衬原始导热参数(k₀)判断砖衬导热系数是否异常变化，当(Δq*ΔT_f*ΔT_b≥0)&&(T_f＞T_b)时，如果

则砖衬导热系数升高，反之则砖衬导热系数降低。

(3)通过炉缸侧壁前后热电偶温度比较和不同变化趋势判断环裂，如果(Δq＜0)&&(ΔT_f＞0)&&(ΔT_b＜0)，则判断存在环裂。

(4)通过炉缸侧壁靠热面的热电偶变化结合冷却壁热流变化判断气隙，如果(Δq＜0)&&(ΔT_f＞0)&&(ΔT_b＞0)，则判断出现气隙；

(5)通过炉底耐火砖原始热阻和炉底热电偶温度及炉底冷却参数判断渗铁，如果T_u＜T_d则判断炉底存在渗铁；

(6)通过炉缸炉底三维非稳态侵蚀计算确定拐角区域热电偶温度随炉缸侧壁和炉底厚度变化的敏感性。

4.炉缸炉底侵蚀结厚计算模块

如前所述，目前已有的监测方法或***在此模块上所选择的温度场计算模型和实际高炉不符。我们根据高炉炉缸炉底的实际形状近似为圆柱形，考虑炉缸炉底在侵蚀变化时属于非稳态升温过程，且铁水在相变过程中要释放凝固潜热，创新性地建立了三维非稳态柱坐标包含凝固潜热的炉缸炉底温度场计算模型，根据壳体能量平衡原理建立控制微分方程：

其中：ρ-控制单元体的密度；C_p-单元体的热容；T-单元体的温度；t-时间，k-单元体导热系数；s-单元体内的热源项。

选择凝固潜热作为源项的方法，如下：

其中：H＝(LS+C_pT)，L-铁水的相变热，S-为凝固率，C_p-铁水等压热容

将相变热构成的源项作为求解对象，直接进行差分计算，源项与时间间隔前后各自的相变率(温度)有关，具体处理如下：

其中T_l液相线温度，T_s固相线温度。

建立合理的温度场计算模型和方法后，通过“正反问题”相结合的方法，建立基础数据与计算温度之差为最小的目标函数，构成求解侵蚀内型的优化模型，其求解步骤如下：

Step1利用炉缸炉底传热学正问题，给定初始内边界；

Step2利用已知的高炉设计资料及生产数据，结合“异常诊断”模块，对可能出现的异常情况进行判断和处理；

Step3结合炉缸热流和热电偶测温数据及启发式知识，给出侵蚀内边界预测的目标函数及优化数学模型；

Step4用梯度正规化方法求得正则解；

Step5把待求内边界由所给取值范围变换到混沌变量的取值范围[0，1]。

Step6进行混沌搜索若干步，若搜索不到比已得到的内边界更好的点，则计算结束；否则以所搜索到的更好点取代已求出的内边界，然后以此为迭代值，转step4。

5.显示预警模块

此模块主要是将上述模块的判断结果直观明了地显示给高炉操作人员，使高炉人员能够最大限度地通过***的显示预警掌握炉缸内部的状态，但是目前已有的监测方法或***在此方面仍存在着不足，如大多只是将计算出的1150℃侵蚀线或者是渣铁壳线显示出来，未能给出整个炉缸炉底的温度场分布，也不能对炉缸出现的异常进行预警提示。为了克服这些不足，我们充分依据高炉人员直观、快速、准确、全面掌握侵蚀情况和炉缸热负荷的需求，开发的显示预警模块所包含的创新点如下：

(1)通过采用多线程技术将数据采集和炉缸炉底三维非稳态温度场计算工作放入后台自动处理，实现人机界面始终处于可响应状态；

(2)以列表形式对炉缸冷却壁水温差和热负荷进行自动排序，以圆周饼图方式显示炉缸热负荷分布，以红、黄、绿三种颜色对应显示炉缸热负荷处于超限、预警和安全工作状态；

(3)自动更新显示炉缸炉底横、纵剖面的三维侵蚀内型和渣铁壳生成脱落，自动统计和显示炉缸和炉底最严重侵蚀位置及剩余砖衬厚度，并根据最严重侵蚀厚度和预警标准的比较给出炉缸是否处于安全工作状态的预警提示；

(4)实时显示炉缸炉底从50℃到1500℃光滑过渡的三维温度云图、多温度等温线分布，支持鼠标移动取点显示炉缸炉底任一点的温度、材质和位置参数，实现对整个炉缸炉底的三维监测。

(5)提供炉缸炉底历史侵蚀内型、渣铁壳形状、温度云图和等温线的查询和绘制。

6.指导炉缸维护模块

在对炉缸异常进行实时诊断和对炉缸侵蚀进行计算监测的基础上，创新性地研发了智能指导炉缸维护模块，该模块的发明内容如下：

(1)如果炉缸炉底不存在异常，通过砖衬热面温度是否高于1150℃侵蚀线以及800℃碳砖脆化线的位置来判断是否侵蚀未达平衡，如果侵蚀未达平衡，从炉外冷却和炉内铁水流动两方面来对炉缸进行维护。

(2)如果炉缸侧壁存在气隙，则采取在线压浆技术，但要注意压力控制和提高压入材料的导热性。

(3)如果炉缸侧壁存在串气或环裂，除了采取压浆技术外，还要注意对风口漏水的巡检，以及对入炉锌碱金属的控制，提高炉渣排碱能力；

(4)如果局部侵蚀异常加剧，尤其是出现严重“象脚状”侵蚀时，要根据侵蚀情况采取适当时间的堵风口措施；

(5)如果炉缸炉底填捣料热阻在高炉运行中出现异常变化，成为传热限制性环节，要根据侵蚀情况适当采取增布冷却水管。

(6)如果炉缸热损失过大(针对具体材质结构的炉缸其合理热负荷也不同)，要适当控制炉缸炉底冷却强度和出铁操作。

有益效果

本发明的有益效果是：相比其它炉缸炉底监测方法或***，该发明能够同时监测炉缸热状态、三维侵蚀和渣铁壳变化，自动判断环裂、气隙、串气等异常的发生，自动对侵蚀加剧的原因做出诊断，智能指导高炉技术人员采取有效的护炉手段和合理的生产操作调节。该发明在钢铁企业高炉上成功实现了其工业应用，通过及时准确地监测即防止了炉缸烧穿重大事故的发生，如准确诊断出唐钢3号高炉和莱钢3号高炉炉缸“象脚状”侵蚀指导了及时护炉和停炉，且模型计算结果和此后停炉大修调研一致；又实现了对炉缸的有效维护、降低了运行成本并延长了高炉寿命，如迁钢1号高炉炉缸自动监测诊断***实时准确地判断出不同时期的炉缸侵蚀加剧原因，进而指导高炉现场采取有针对性的维护手段，大大降低了其护炉成本和炉缸热损失，带来的经济效益超过1000万元/年，实现了炉缸长寿和保温的统一。

附图说明

图1为本发明实现对炉缸炉底工作状态监测的流程图。

图2为本发明工业应用***的各模块组成和关系图。

图3为本发明中封装数字传感器的测温探头设计图。

图4为本发明中炉缸炉底侵蚀结厚监测画面。

图5为本发明中炉缸炉底等温线显示画面。

图6为本发明中炉缸炉底温度云图显示画面。

具体实施方式

本发明包括数据采集模块、数据过滤模块、炉缸炉底侵蚀结厚计算模块、异常诊断模块、显示预警模块、指导炉缸维护模块；其中数据采集模型负责实时采集炉缸冷却壁水温和炉体热电偶温度，数据过滤模型对采集的实时数据进行自动滤波，滤波后的数据传入异常诊断模块进行异常知识判断，采集过滤的数据和得出的诊断结果一起导入侵蚀结厚计算模块进行温度场和侵蚀结厚的计算，显示预警模型将计算结果反馈给高炉操作人员，指导炉缸维护模型依据计算和预警结果给出合理护炉手段建议。

基础数据采集模块基于数字传感器的采集模块设计：将分辨率0.03℃的高精度数字温度传感器封装在不锈钢探头中，传感器通过在一个由对温度高度敏感的振荡器决定的计数周期内对振荡器时钟脉冲计数值的计算来测量温度，探头要迎着来流的方向***水管中心以最小化探头对管内水流的阻损，避免形成旋流或死区，测温探头壁厚1mm，测温探头内部封装时使用高导热硅胶将传感器浇灌固定在探头中，测温探头中除传感器以往的空腔均使用低导热材料填充使用低导热材料，使测温探头对冷却水温变化具有很强的跟随性和实时性而又不易受到外部热源的干扰，整个测温探头引出包含4根导线的防水航空接头；将航空接头直接接入微处理器IO端口，读取传感器温度数据，微处理器的一条串行总线上串行多个传感器，实际应用中对总线使用信号加强电路，对总线中数字信号采用0V/+12V电平信号，微处理器电路使用0V/+5V信号，保证数字信号在较长传输距离内有很强的抗干扰性能。传感器经微处理器巡检收集后进行封装加CRC校验通过485总线传输到上位机，在上位机通过串口每分钟对全部微处理器发送温度信号收集指令，完成对高炉炉缸冷却壁水温数据的实时采集；

基础数据滤波模块包含的滤波条件如下：

(1)热量由炉内高温铁水传至炉外冷却***，温度也是逐渐降低，当炉体砖衬内同一标高的前后或同一深度的上下热电偶温度不符合传热学原理，要对此类数据进行校核；

(2)当炉体砖衬内电偶温度低于20℃或者高于其量程多数坏点显示32767时，要对此类温度进行过滤；

(3)实时记录砖衬电偶温度和冷却水温差，当发现某个电偶的温度或冷却水温差很短时间内大幅度升高或降低，对此类温度进行标记，采用时间序列的方法来判断其有效性；

(4)某些炉体电偶温度显示正常，但始终保持不变，对此类温度也要进行标记，和相邻其它电偶的温度进行比较，并记录其不变时间来判断其有效性；

异常诊断模块是针对具体高炉，利用现代专家***技术对其侵蚀机理进行处理，在对基础数据进行采集和滤波后，结合冷却壁热流、热流变化、砖衬电偶实时温度、最高温度、电偶温度变化、砖衬尺寸、砖衬导热系数，建立常诊断标准：

炉缸炉底侵蚀结厚计算模块建立了三维非稳态柱坐标包含凝固潜热的炉缸炉底温度场计算模型，根据壳体能量平衡原理建立控制微分方程：

其中：ρ-控制单元体的密度；C_p-单元体的热容；T-单元体的温度；t-时间，k-单元体导热系数；s-单元体内的热源项；

显示预警模块是将上述模块的判断结果直观明了地显示给高炉操作人员，使高炉人员能够最大限度地通过***的显示预警掌握炉缸内部的状态；

指导炉缸维护模块的内容如下：

(1)当炉缸炉底不存在异常，通过砖衬热面温度是否高于1150℃侵蚀线以及800℃碳砖脆化线的位置来判断是否侵蚀未达平衡，如果侵蚀未达平衡，从炉外冷却和炉内铁水流动两方面来对炉缸进行维护；

(2)当炉缸侧壁存在气隙，则采取在线压浆技术，但要注意压力控制和提高压入材料的导热性；

(3)当炉缸侧壁存在串气或环裂，除了采取压浆技术外，还要注意对风口漏水的巡检，以及对入炉锌碱金属的控制，提高炉渣排碱能力；

(4)当局部侵蚀异常加剧，尤其是出现严重“象脚状”侵蚀时，要根据侵蚀情况采取适当时间的堵风口措施；

(5)当炉缸炉底填捣料热阻在高炉运行中出现异常变化，成为传热限制性环节，要根据侵蚀情况适当采取增布冷却水管；

(6)当炉缸热损失过大，要控制炉缸炉底冷却强度和出铁操作。

针对具体高炉，在高炉炉缸冷却壁的进出水管上安装高精度数字测温探头，采用有线或无线通讯方式每分钟采集炉缸冷却水温度和流量，同时实时采集高炉服务器中的炉体砖衬电偶温度，将采集到的数据进行滤波后作为上位机炉缸监测***所需的基础数据，这些基础数据经过上位机安装的滤波模块、异常诊断模块、侵蚀计算模块、显示预警模块和维护指导模块自动处理后，高炉操作人员就可以根据人机界面显示的炉缸炉底温度场分布、侵蚀内型、渣铁壳形状、炉缸热负荷等直观全面地掌握炉缸是否处于安全正常的工作状态，并根据***自动给出的炉缸维护提示采取有针对性的护炉手段，以实现高炉的长寿和高效生产。

Claims (5)

1.高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护***，其特征在于，包括数据采集模块、数据过滤模块、炉缸炉底侵蚀结厚计算模块、异常诊断模块、显示预警模块、指导炉缸维护模块，其中数据采集模型负责实时采集炉缸冷却壁水温和炉体热电偶温度，数据过滤模型对采集的实时数据进行自动滤波，滤波后的数据传入异常诊断模块进行异常知识判断，采集过滤的数据和得出的诊断结果一起导入侵蚀结厚计算模块进行温度场和侵蚀结厚的计算，显示预警模型将计算结果反馈给高炉操作人员，指导炉缸维护模型依据计算和预警结果给出合理护炉手段建议；

基础数据采集模块基于数字传感器的采集模块设计：将分辨率0.03℃的高精度数字温度传感器封装在不锈钢探头中，传感器通过在一个由对温度高度敏感的振荡器决定的计数周期内对振荡器时钟脉冲计数值的计算来测量温度，探头要迎着来流的方向***水管中心以最小化探头对管内水流的阻损，避免形成旋流或死区，测温探头壁厚1mm，测温探头内部封装时使用高导热硅胶将传感器浇灌固定在探头中，测温探头中除传感器以往的空腔均使用低导热材料填充，使用低导热材料，使测温探头对冷却水温变化具有很强的跟随性和实时性而又不易受到外部热源的干扰，整个测温探头引出包含4根导线的防水航空接头；将航空接头直接接入微处理器IO端口，读取传感器温度数据，微处理器的一条串行总线上串行多个传感器，实际应用中对总线使用信号加强电路，对总线中数字信号采用0V/+12V电平信号，微处理器电路使用0V/+5V信号，保证数字信号在较长传输距离内有很强的抗干扰性能。传感器经微处理器巡检收集后进行封装加CRC校验通过485总线传输到上位机，在上位机通过串口每分钟对全部微处理器发送温度信号收集指令，完成对高炉炉缸冷却壁水温数据的实时采集；

基础数据滤波模块包含的滤波条件如下：

(1)热量由炉内高温铁水传至炉外冷却***，温度也是逐渐降低，当炉体砖衬内同一标高的前后或同一深度的上下热电偶温度不符合传热学原理，要对此类数据进行校核；

(2)当炉体砖衬内电偶温度低于20℃或者高于其量程多数坏点显示32767时，要对此类温度进行过滤；

(3)实时记录砖衬电偶温度和冷却水温差，当发现某个电偶的温度或冷却水温差很短时间内大幅度升高或降低，对此类温度进行标记，采用时间序列的方法来判断其有效性；

(4)某些炉体电偶温度显示正常，但始终保持不变，对此类温度也要进行标记，和相邻其它电偶的温度进行比较，并记录其不变时间来判断其有效性；

异常诊断模块是针对具体高炉，利用现代专家***技术对其侵蚀机理进行处理，在对基础数据进行采集和滤波后，结合冷却壁热流、热流变化、砖衬电偶实时温度、最高温度、电偶温度变化、砖衬尺寸、砖衬导热系数，建立常诊断标准；

炉缸炉底侵蚀结厚计算模块建立了三维非稳态柱坐标包含凝固潜热的炉缸炉底温度场计算模型，根据壳体能量平衡原理建立控制微分方程：

其中：ρ-控制单元体的密度；C_p-单元体的热容；T-单元体的温度；t-时间，k-单元体导热系数；s-单元体内的热源项；

显示预警模块是将上述模块的判断结果直观明了地显示给高炉操作人员，使高炉人员能够最大限度地通过***的显示预警掌握炉缸内部的状态；

指导炉缸维护模块的内容如下：

(1)当炉缸炉底不存在异常，通过砖衬热面温度是否高于1150℃侵蚀线以及800℃碳砖脆化线的位置来判断是否侵蚀未达平衡，如果侵蚀未达平衡，从炉外冷却和炉内铁水流动两方面来对炉缸进行维护；

(2)当炉缸侧壁存在气隙，则采取在线压浆技术，但要注意压力控制和提高压入材料的导热性；

(3)当炉缸侧壁存在串气或环裂，除了采取压浆技术外，还要注意对风口漏水的巡检，以及对入炉锌碱金属的控制，提高炉渣排碱能力；

(4)当局部侵蚀异常加剧，尤其是出现严重“象脚状”侵蚀时，要根据侵蚀情况采取适当时间的堵风口措施；

(5)当炉缸炉底填捣料热阻在高炉运行中出现异常变化，成为传热限制性环节，要根据侵蚀情况适当采取增布冷却水管；

(6)当炉缸热损失过大，要控制炉缸炉底冷却强度和出铁操作。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的异常诊断标准包括：

(1)建立炉缸冷却壁热流和砖衬热电偶温度的历史最高数据库，将在线采集和滤波的实时温度数据T和历史最高数据T_w进行比较，如果T＞T_w则更新历史最高数据库并判断此部位渣铁壳脱落，反之则判断存在渣铁壳而不更新历史最高数据库；

(2)通过炉缸侧壁同一标高处的前后热电偶实时(T_f、T_b)温度、温度变化值(ΔT_f、ΔT_b)、热电偶间距(L)、对应冷却壁的热流强度(q)、热流强度变化值(Δq)砖衬原始导热参数(k₀)判断砖衬导热系数是否异常变化，当(Δq*ΔT_f*ΔT_b≥0)&&(T_f＞T_b)时，如果

则砖衬导热系数升高，反之则砖衬导热系数降低；

(3)通过炉缸侧壁前后热电偶温度比较和不同变化趋势判断环裂，如果(Δq＜0)&&(ΔT_f＞0)&&(ΔT_b＜0)，则判断存在环裂；

(4)通过炉缸侧壁靠热面的热电偶变化结合冷却壁热流变化判断气隙，如果(Δq＜0)&&(ΔT_f＞0)&&(ΔT_b＞0)，则判断出现气隙；

(5)通过炉底耐火砖原始热阻和炉底热电偶温度及炉底冷却参数判断渗铁，如果T_u＜T_d则判断炉底存在渗铁；

(6)通过炉缸炉底三维非稳态侵蚀计算确定拐角区域热电偶温度随炉缸侧壁和炉底厚度变化的敏感性。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述凝固潜热作为源项的方法，如下：

其中：H＝(LS+C_pT)，L-铁水的相变热，S-为凝固率，C_p-铁水等压热容；

将相变热构成的源项作为求解对象，直接进行差分计算，源项与时间间隔前后各自的相变率(温度)有关，具体处理如下：

其中T_l液相线温度，T_s固相线温度；

建立合理的温度场计算模型和方法后，通过“正反问题”相结合的方法，建立基础数据与计算温度之差为最小的目标函数，构成求解侵蚀内型的优化模型，其求解步骤如下：

Step1利用炉缸炉底传热学正问题，给定初始内边界；

Step2利用已知的高炉设计资料及生产数据，结合“异常诊断”模块，对可能出现的异常情况进行判断和处理；

Step3结合炉缸热流和热电偶测温数据及启发式知识，给出侵蚀内边界预测的目标函数及优化数学模型；

Step4用梯度正规化方法求得正则解；

Step5把待求内边界由所给取值范围变换到混沌变量的取值范围[0，1]；

Step6进行混沌搜索若干步，若搜索不到比已得到的内边界更好的点，则计算结束；否则以所搜索到的更好点取代已求出的内边界，然后以此为迭代值，转step4。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，显示预警模块包括如下内容：

(1)通过采用多线程技术将数据采集和炉缸炉底三维非稳态温度场计算工作放入后台自动处理，实现人机界面始终处于可响应状态；

(2)以列表形式对炉缸冷却壁水温差和热负荷进行自动排序，以圆周饼图方式显示炉缸热负荷分布，以红、黄、绿三种颜色对应显示炉缸热负荷处于超限、预警和安全工作状态；

(3)自动更新显示炉缸炉底横、纵剖面的三维侵蚀内型和渣铁壳生成脱落，自动统计和显示炉缸和炉底最严重侵蚀位置及剩余砖衬厚度，并根据最严重侵蚀厚度和预警标准的比较给出炉缸是否处于安全工作状态的预警提示；

(4)实时显示炉缸炉底从50℃到1500℃光滑过渡的三维温度云图、多温度等温线分布，支持鼠标移动取点显示炉缸炉底任一点的温度、材质和位置参数，实现对整个炉缸炉底的三维监测；

(5)提供炉缸炉底历史侵蚀内型、渣铁壳形状、温度云图和等温线的查询和绘制。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述4根导线为电源正负线、数据线、时钟信号线。

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