基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器

王月明，孫采鷹，董大明，賈 華

( 內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010)

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基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器

王月明，孫采鷹，董大明，賈 華

( 內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010)

介紹了高爐測(cè)溫的應(yīng)用背景，分析現(xiàn)有高爐爐溫測(cè)量研究情況，提出了兩種基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器模型，為高爐爐內(nèi)溫度測(cè)量提供一種新的解決方案。基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器模型能夠充實(shí)和豐富高爐專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)則制定中的參數(shù)，可以指導(dǎo)高爐工長(zhǎng)及時(shí)正確地調(diào)節(jié)高爐控制參數(shù)，把爐溫保持在最佳狀態(tài)，保證爐況平穩(wěn)順行，以延長(zhǎng)高爐壽命。

高爐;爐溫;傳感器;爐襯;在線檢測(cè)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的信息化，我國(guó)在最近幾年制定了“信息化帶動(dòng)工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展”的戰(zhàn)略方針，其中指出：高爐煉鐵工藝應(yīng)該與信息化、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高爐冶煉的自動(dòng)化，從而達(dá)到提高高爐利用系數(shù)、降低焦比的目的。如何有效地獲取高爐運(yùn)行中的爐溫情況，為高爐生產(chǎn)的合理操作提供決策依據(jù)，是目前高爐煉鐵行業(yè)面臨的一個(gè)較難解決同時(shí)又極具現(xiàn)實(shí)意義的重大課題。

由高爐冶煉流程可知，在高溫、高壓、封閉環(huán)境下的高爐煉鐵過程，融化的鐵水、爐渣、熔融狀態(tài)的鐵礦石及焦炭的混合物、熱氣流等構(gòu)成了復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問題。爐襯在這些強(qiáng)物理作用及化學(xué)反應(yīng)下不斷地被侵蝕，使得傳統(tǒng)的直接檢測(cè)手段無法得到應(yīng)用。高爐爐溫、爐襯厚度等數(shù)據(jù)往往是通過外部的、間接的、具有時(shí)滯性的測(cè)量方法得到的。高爐的運(yùn)行機(jī)制往往具有非線性、時(shí)滯、高維、大噪聲、分布參數(shù)等特性[1]，導(dǎo)致目前普遍應(yīng)用的爐溫預(yù)測(cè)控制模型也難以準(zhǔn)確有效。沒有可靠的爐溫預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行指導(dǎo)[2]，使操作帶有一定的不確定性，影響了鐵水質(zhì)量和高爐壽命。鑒于高爐冶煉在工業(yè)生產(chǎn)中的重要地位，近幾年高爐研究者們致力于完善高爐檢測(cè)的方法，其中爐溫的檢測(cè)又是高爐檢測(cè)中的熱點(diǎn)問題。國(guó)內(nèi)對(duì)于鐵水、風(fēng)口和爐頂?shù)臏y(cè)溫研究較充分，方法手段日趨完善，唯獨(dú)對(duì)爐身和爐腹的測(cè)溫鮮有報(bào)道。

文中分析了現(xiàn)有高爐爐溫測(cè)量研究情況，提出兩種基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)模型，在爐身、爐腹部位埋設(shè)傳感器，以結(jié)合爐腹的侵蝕情況，實(shí)時(shí)、在線地檢測(cè)高爐爐溫，以指導(dǎo)填料、送風(fēng)等高爐生產(chǎn)的控制策略，把爐溫保持在最佳狀態(tài)，提高鐵水質(zhì)量和產(chǎn)量，增加高爐壽命。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

目前，多通過鐵水的含硅量來間接預(yù)測(cè)爐溫[3]，由于鐵水含硅量的測(cè)量需要在出鐵后才能進(jìn)行，在時(shí)間上有滯后，而爐溫的波動(dòng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，另外此方法主要是預(yù)測(cè)爐缸溫度的，反映爐身、爐腹的溫度變化有局限性。另一種判斷爐身、爐腹部位和爐內(nèi)溫度場(chǎng)變化的方法，是監(jiān)測(cè)冷卻壁的水溫差和熱負(fù)荷，并利用熱電偶檢測(cè)爐襯溫度來實(shí)現(xiàn)。由于采用了熱電偶，決定了測(cè)溫方法造價(jià)高，在爐襯被侵蝕的情況下，不可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)爐溫。

除了上述的幾種爐溫預(yù)測(cè)方法之外，其他可查的爐溫檢測(cè)方法有：第一，插入式光電溫度傳感器檢測(cè)爐溫[4]，是利用熱輻射的原理進(jìn)行溫度測(cè)量，且只能用于爐頂溫度的預(yù)測(cè)。關(guān)于這種檢測(cè)方法的文獻(xiàn)只見于前幾年，近期大范圍的推廣未見報(bào)道。第二，新型十字測(cè)溫傳感器檢測(cè)[5]，這種方法與傳統(tǒng)的十字測(cè)溫方法均用于爐頂測(cè)溫，而無法解決爐身、爐腹的溫度檢測(cè)問題。第三，非接觸式高爐溫度檢測(cè)方法，比較典型的是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的紅外圖像識(shí)別的檢測(cè)方法[6]，該方法具有非接觸、實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于爐頂測(cè)溫，需要與十字測(cè)溫法相結(jié)合進(jìn)行測(cè)溫定標(biāo)。另外，國(guó)外的一些爐溫檢測(cè)方法不適合國(guó)內(nèi)的爐況，其預(yù)測(cè)模型通常價(jià)格高達(dá)幾百萬到上千萬，與國(guó)內(nèi)高爐的切入點(diǎn)也有很大區(qū)別，同時(shí)存在技術(shù)壁壘，不利于我國(guó)高爐檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

在高爐冶煉生產(chǎn)中，為了預(yù)測(cè)爐內(nèi)溫度，常檢測(cè)與爐溫相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)，之后再建模進(jìn)行爐溫預(yù)測(cè)。近幾年發(fā)展起來的，與高爐爐溫預(yù)報(bào)建模有關(guān)的研究方法有：回歸模型[7]、時(shí)間序列模型[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和專家系統(tǒng)模型[9]。通過對(duì)上述預(yù)報(bào)方法的分析，發(fā)現(xiàn)單純利用回歸模型、時(shí)間序列模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[10]、專家系統(tǒng)模型等中的任何一種方法來預(yù)測(cè)爐溫，具有間接、遲滯的特點(diǎn)。近年來國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了通過包括鐵水含硅量在內(nèi)的4個(gè)參數(shù)來預(yù)測(cè)爐溫的模型，該模型是基于樣條變換的非線性PLS預(yù)測(cè)[11]，該模型同樣不能在線預(yù)測(cè)爐溫。

爐溫預(yù)測(cè)模型所需的大量信息來源于檢測(cè)設(shè)備，而系統(tǒng)推理結(jié)果也需檢測(cè)數(shù)據(jù)來證實(shí)，如果在高爐上安裝對(duì)爐體燒損狀況、料面形狀等參數(shù)行之有效的檢測(cè)設(shè)備，則會(huì)極大地促進(jìn)高爐爐溫預(yù)測(cè)系統(tǒng)[12]的發(fā)展。

2 基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器

文中提出兩種新型的高爐爐溫在線檢測(cè)模型，一種是基于測(cè)桿上一維埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器方案，一種是爐襯中立體埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器方案，其核心數(shù)據(jù)來源于爐溫檢測(cè)傳感器，該傳感器是基于在爐襯測(cè)厚的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳熱學(xué)理論，對(duì)高爐爐溫進(jìn)行檢測(cè)。該方法能有效減少爐襯厚度變化對(duì)檢測(cè)傳感器測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的影響，實(shí)施過程中對(duì)高爐的不同關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)布設(shè)測(cè)溫傳感器，該傳感器能夠進(jìn)行立體、多點(diǎn)測(cè)溫。該測(cè)溫模型是通過傳熱學(xué)理論和數(shù)學(xué)模型，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)所測(cè)爐襯厚度和溫度參數(shù)值，對(duì)爐溫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而解決高爐爐溫預(yù)測(cè)遲滯、非實(shí)時(shí)的問題，是對(duì)高爐專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)的豐富和補(bǔ)充，并最終延長(zhǎng)高爐壽命，穩(wěn)定生產(chǎn)。

2.1 在測(cè)桿上一維埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器

在測(cè)桿上一維埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該傳感器是在爐腹或爐身的爐墻內(nèi)埋入一根特制的金屬測(cè)桿作為傳播介質(zhì)，位于測(cè)桿的冷端安裝壓電晶體(測(cè)距探頭)，并借助超聲波測(cè)距技術(shù)測(cè)出桿長(zhǎng)，即爐襯厚度；在測(cè)桿內(nèi)的一些特定點(diǎn)埋入鉑電阻(測(cè)溫探頭)，測(cè)出測(cè)桿中所埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度。根據(jù)爐襯厚度和測(cè)溫點(diǎn)的溫度，依據(jù)傳熱學(xué)原理，利用系統(tǒng)導(dǎo)熱的微分方程，計(jì)算出爐溫。

圖1 測(cè)桿上一維埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的在線檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖1中，h為爐墻測(cè)厚探頭距冷卻壁里端的距離，x1、x2、x3為測(cè)溫傳感器距冷卻壁里端的距離，具體埋設(shè)點(diǎn)的位置參數(shù)需要進(jìn)一步研究。

由傳熱學(xué)原理可知，在三維的情況下，系統(tǒng)內(nèi)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的微分方程由下式確定：

(1)

式中：x、y、z為三維坐標(biāo)位置；t為溫度場(chǎng)函數(shù)；τ為熱源瞬時(shí)發(fā)熱后的任意時(shí)刻；q為熱流強(qiáng)度；c為比熱容；ρ為密度。

對(duì)式(1)中的一些邊界條件進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，在測(cè)桿上一維埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器模型中，由于測(cè)桿的導(dǎo)熱系數(shù)比爐襯的導(dǎo)熱系數(shù)大2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此將熱量沿測(cè)桿的傳播看作符合固體導(dǎo)熱微分方程下的、無內(nèi)熱源的、穩(wěn)態(tài)的一維導(dǎo)熱問題。由此可以得出檢測(cè)參數(shù)與爐溫的關(guān)系，從而建立數(shù)學(xué)模型，在線檢測(cè)爐溫。

2.2 爐襯中立體埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器

爐襯中立體埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的傳感器結(jié)構(gòu)圖見圖2，同樣在爐腹、爐身的爐墻內(nèi)埋入一根金屬測(cè)桿作為傳播介質(zhì)，在測(cè)桿的冷端安裝壓電晶體(測(cè)距探頭)，利用超聲波測(cè)距技術(shù)測(cè)出桿長(zhǎng)，即爐襯厚度。在以測(cè)桿為中心的Y、Z方向上，距測(cè)桿一定距離處的爐墻內(nèi)，立體埋入鉑電阻(測(cè)溫探頭)，測(cè)出爐襯中所埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度，進(jìn)行爐溫的預(yù)測(cè)。高爐爐襯在爐身、爐腹部位的受熱問題，可以歸結(jié)為無限大面熱源的持續(xù)受熱問題，通過檢測(cè)爐襯厚度和對(duì)應(yīng)埋設(shè)點(diǎn)的溫度，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出爐溫。

1—爐襯厚度；2—測(cè)溫控頭2的位置；3—測(cè)溫探頭1的位置；4—爐襯；5—填料；6—爐殼；7—法蘭；8—測(cè)距探頭；9—測(cè)距信號(hào)；10—爐溫；11—測(cè)距介質(zhì)；12—測(cè)溫探頭3；13—測(cè)溫探頭4；14—測(cè)溫探頭3的信號(hào)；15—測(cè)溫探頭4的信號(hào)圖2 爐襯中立體埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)的在線檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)圖

該傳感器檢測(cè)爐溫的理論依據(jù)是將熱量沿爐襯的傳播，看作符合固體熱傳導(dǎo)理論下的無限大面熱源持續(xù)受熱問題。高爐爐膛對(duì)于檢測(cè)面來說，為持續(xù)無限大的面熱源，爐襯相當(dāng)于無限大導(dǎo)熱介質(zhì)，在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，認(rèn)為測(cè)桿熱端與爐膛接觸面處的位置和溫度沒有變化。而位于空間任意點(diǎn)M(x，y，z)處，無限大面熱源持續(xù)發(fā)熱造成溫升的公式為

(2)

式中：Qm為熱強(qiáng)；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；a為導(dǎo)熱介質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù);τ為在熱源瞬時(shí)發(fā)熱后的任意時(shí)刻;x為測(cè)溫點(diǎn)距熱源的距離；Ψ為特定函數(shù)的積分式。

由式(2)可知，不管是高爐爐內(nèi)溫度，還是爐襯中的溫度值，其大小均與Qm、λ、a、τ、x有關(guān)，根據(jù)這4個(gè)參數(shù)與距離和溫度的關(guān)系，就可以通過檢測(cè)爐厚和爐襯溫度，利用公式，推導(dǎo)出爐溫。該傳感器的特點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)采集爐溫?cái)?shù)據(jù)，多個(gè)測(cè)量點(diǎn)組成檢測(cè)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

介紹了高爐測(cè)溫的應(yīng)用背景，分析了高爐爐內(nèi)溫度測(cè)量方法，并對(duì)高爐爐內(nèi)溫度測(cè)量方面現(xiàn)狀進(jìn)行討論，提出基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器模型，為高爐爐內(nèi)溫度測(cè)量提供一種新的解決方案。該在線檢測(cè)模型還可以在線測(cè)量爐襯厚度，根據(jù)爐襯厚度數(shù)據(jù)，建立高爐侵蝕模型，分析侵蝕形貌。基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測(cè)傳感器模型能夠充實(shí)和豐富高爐專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)則制定中的參數(shù)，可以指導(dǎo)高爐工長(zhǎng)及時(shí)正確地調(diào)節(jié)高爐控制參數(shù)，保證爐況平穩(wěn)順行，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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Study of Online Detection Blast Furnace Temperature Sensor Based on Lining Thickness

WANG Yue-ming ，SUN Cai-ying，DONG Da-ming，JI Hua

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

This paper described the background of the blast furnace temperature online measurement applications and analyzed the study progress of existing blast furnace temperature measurements, then proposed two blast furnace temperature online measurement sensor models based on the thickness of lining, which provided a new solution for the blast furnace temperature measurements. The sensor model of blast furnace temperature online detection enriched blast furnace expert system database, correctly adjusted control parameters of blast furnace, maintained blast furnace temperature in the best condition, ensured anterograde smooth working of blast furnace conditions, and increased the life of the blast furnace.

blast furnace; furnace temperature; sensor; furnace lining; online measurement

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61364029，61463042)

2014-01-09 收修改稿日期：2014-11-20

TB94

A

1002-1841(2015)02-0014-02

王月明(1978—)，副教授，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚砑夹g(shù)。 E-mail：wym_20017@126.com