專利名稱：高爐爐缸三維非穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)和異常診斷及維護(hù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高爐爐缸爐底在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警和維護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一 種高爐爐缸三維非穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)和異常診斷及維護(hù)系統(tǒng)，如何實(shí)時(shí)采集和濾波高爐爐缸冷卻水 溫和爐體磚襯中熱電偶溫度，如何依據(jù)這兩種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、侵 蝕內(nèi)型、渣鐵殼變化進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)環(huán)裂、氣隙、串氣等異常和爐缸爐底侵蝕加劇 原因進(jìn)行診斷，以及根據(jù)不同侵蝕加劇原因采取有針對(duì)性的手段對(duì)爐缸進(jìn)行有效維護(hù)的方 法和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著高爐冶煉強(qiáng)度的提高和原料條件的波動(dòng)，爐缸爐底越來越成為高爐長(zhǎng)壽高效 生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)外多座高爐，都出現(xiàn)了嚴(yán)重的“象腳狀”侵蝕甚至爐缸燒穿的 重大事故。因此，準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)爐缸爐底工作狀態(tài)并據(jù)此做出合理的生產(chǎn)操作調(diào)節(jié)和護(hù)爐措 施，是實(shí)現(xiàn)高爐長(zhǎng)壽高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，但是高爐是一個(gè)高溫高壓密閉的冶金反應(yīng)器，在生產(chǎn) 時(shí)無法利用工業(yè)CT及其它一些無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)其爐缸爐底的侵蝕內(nèi)型進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，只 能依據(jù)爐體可檢測(cè)數(shù)據(jù)來判斷和監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外已有的高爐爐缸爐底監(jiān)測(cè)方法，大多是通過單獨(dú)采集爐體熱電偶 溫度或爐缸冷卻水溫差熱流，建立“兩點(diǎn)法” 一維傳熱模型，或者是二維穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)模 型來進(jìn)行侵蝕計(jì)算，如文獻(xiàn) 1 (S. K. ISIJ International, 2005,45 (8) :1122)、文獻(xiàn) 2 (K. T. ISIJInternational, 2001,41 (10) :1139)、文獻(xiàn) 3 (吳俐俊·上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)· 2004， 38(10) :1733.)等報(bào)道，這些已有的方法雖然利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、“虛擬邊界”等手段考慮了高爐 運(yùn)行過程中侵蝕邊界不定和渣鐵殼變化對(duì)爐缸爐底溫度場(chǎng)和侵蝕的影響，但是在高爐現(xiàn)場(chǎng) 應(yīng)用中仍存在較大的缺陷，具體如下(1)已有爐缸監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇上存在問題都是單獨(dú)采集爐缸冷 卻壁水溫差或者是磚襯內(nèi)熱電偶溫度來對(duì)爐缸工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，但是單獨(dú)依靠爐缸冷卻 壁水溫差熱流來判斷爐缸侵蝕時(shí)，冷卻壁熱流只能反映整塊冷卻壁前磚襯的平均侵蝕程 度，而爐缸燒穿往往是點(diǎn)燒穿而非面燒穿；單獨(dú)依靠磚襯內(nèi)熱電偶溫度來判斷爐缸侵蝕時(shí)， 由于電偶數(shù)目有限，沒有電偶的地方將失去侵蝕判斷依據(jù)，而且在爐役末期(高爐爐缸需 要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)階段)磚襯內(nèi)電偶往往已損壞較多，這樣因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足將導(dǎo)致侵蝕監(jiān)測(cè)的準(zhǔn) 確性大大降低。(2)已有爐缸監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集上存在問題大多將采集的數(shù)據(jù)直 接用于爐缸工作狀態(tài)診斷，缺乏對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的濾波，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤將直接導(dǎo)致判斷結(jié)果 錯(cuò)誤并可能破壞連續(xù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，在冷卻水溫采集方面大多采用傳統(tǒng)的多模塊電 路模擬信號(hào)傳輸，數(shù)據(jù)累積誤差大且傳輸過程易受干擾。(3)已有爐缸監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在推斷爐缸侵蝕時(shí)的計(jì)算模型選擇存在問題大多 采用一維或二維、直角坐標(biāo)(矩形)、不包含鐵水凝固潛熱的穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，這和高爐爐缸 爐底在三維方向上設(shè)計(jì)及侵蝕不對(duì)稱、幾何形狀近似為圓柱狀、渣鐵殼形成釋放凝固潛熱
5的實(shí)際情況不符，導(dǎo)致爐缸侵蝕推測(cè)結(jié)果和實(shí)際差別較大。(4)已有爐缸監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在判斷爐缸是否存在異常時(shí)存在空白通過爐缸 爐底侵蝕機(jī)理研究和國(guó)內(nèi)數(shù)十座高爐的侵蝕監(jiān)測(cè)及破損調(diào)研(本專利申請(qǐng)者長(zhǎng)期致力于 高爐長(zhǎng)壽技術(shù)和侵蝕監(jiān)測(cè)研究，承擔(dān)并完成了爐缸侵蝕監(jiān)測(cè)相關(guān)的國(guó)家“八五”、“九五”、 “十一五”、自然科學(xué)基金課題和首鋼、太鋼、唐鋼、攀鋼等眾多廠協(xié)項(xiàng)目)，我們發(fā)現(xiàn)高爐投 產(chǎn)后隨著爐缸爐底耐火材料的逐漸升溫、出鐵操作、鋅堿金屬侵蝕、熱應(yīng)力變化以及填搗料 中水分及揮發(fā)份的去除，爐缸爐底工作狀態(tài)明顯變化和侵蝕加劇的原因往往是由于異常情 況的發(fā)生，如爐缸碳磚環(huán)裂、碳磚和冷卻系統(tǒng)間出現(xiàn)氣隙、串氣、耐材導(dǎo)熱系數(shù)異常變化、爐 底滲鐵等，而目前已有的侵蝕監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)都沒有對(duì)這些異常情況進(jìn)行判斷和預(yù)警。(5)已有爐缸監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在顯示預(yù)警功能上存在問題大多只顯示單條爐缸 爐底侵蝕線，缺乏對(duì)爐缸爐底各個(gè)部位不同溫度的顯示；在計(jì)算爐缸爐底侵蝕時(shí)系統(tǒng)處于 無響應(yīng)狀態(tài)不支持人機(jī)對(duì)話；在對(duì)爐缸狀態(tài)進(jìn)行歷史查詢時(shí)只能提供數(shù)據(jù)查詢?nèi)狈?duì)爐缸 侵蝕內(nèi)型的直觀查詢顯示；不具備爐缸侵蝕超限、爐缸結(jié)厚、爐缸不活等實(shí)時(shí)預(yù)警提示功 能。(6)已有爐缸監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在指導(dǎo)爐缸維護(hù)上存在空白大多只能對(duì)爐缸侵蝕 嚴(yán)重程度或者是磚襯剩余厚度做出判斷，都未能對(duì)侵蝕加劇的原因做出診斷，也就無法指 導(dǎo)有針對(duì)性地爐缸維護(hù)和生產(chǎn)操作調(diào)節(jié)。綜上，目前已有的爐缸爐底監(jiān)測(cè)預(yù)警方法或系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇、侵蝕計(jì)算模型 選擇、爐缸工作狀態(tài)預(yù)警提示方面仍存在著缺陷，在爐缸異常和侵蝕加劇原因診斷、指導(dǎo)爐 缸維護(hù)方面仍存在著空白，未能和高爐安全高效生產(chǎn)有機(jī)地結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高爐爐缸三維非穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)和異常診斷及維護(hù)系統(tǒng)，克 服了已有爐缸爐底監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇、侵蝕計(jì)算模型選擇、爐缸工作狀態(tài)預(yù) 警提示方面存在的不足以及在異常侵蝕加劇原因診斷、指導(dǎo)爐缸維護(hù)等方面存在的空白； 能夠?qū)崟r(shí)采集和濾波爐缸冷卻壁水溫和爐體熱電偶溫度，將兩種數(shù)據(jù)結(jié)合起來采用傳熱學(xué) “正反問題”結(jié)合“異常診斷”標(biāo)準(zhǔn)，綜合判斷耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)變化、環(huán)裂、滲鐵、氣隙等生 產(chǎn)中可能出現(xiàn)的異常對(duì)溫度場(chǎng)分布及侵蝕的影響，聯(lián)合梯度正則化和混沌優(yōu)化法求解，實(shí) 現(xiàn)對(duì)爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼變化、爐缸熱狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)異常 情況和侵蝕加劇原因的實(shí)時(shí)診斷、預(yù)警，并根據(jù)侵蝕加劇原因智能指導(dǎo)采取有針對(duì)性的爐 缸維護(hù)手段，已成功實(shí)現(xiàn)了此方法的工業(yè)應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案為通過爐缸爐底侵蝕機(jī)理研究，以計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué) 為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代專家系統(tǒng)理論，對(duì)爐缸爐底侵蝕機(jī)理進(jìn)行知識(shí)處理，建立高爐爐缸爐底“ 異常診斷"模塊，實(shí)時(shí)采集爐缸冷卻壁進(jìn)出水溫和爐體熱電偶溫度，采用傳熱學(xué)“正反問 題”結(jié)合“異常診斷”的方法，綜合判斷耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)變化、環(huán)裂、滲鐵、氣隙等生產(chǎn)中可 能出現(xiàn)的異常對(duì)溫度場(chǎng)分布及侵蝕的影響，聯(lián)合梯度正則化和混沌優(yōu)化法求解，對(duì)爐缸爐 底三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼變化、爐缸熱狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)異常情況和侵 蝕加劇原因進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，并根據(jù)侵蝕加劇原因指導(dǎo)采取有針對(duì)性的爐缸維護(hù)手段。本發(fā)明包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊、異常診斷模塊、顯示預(yù)警模塊、指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊，其中數(shù)據(jù)采集模型負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集爐缸冷卻壁水溫 和爐體熱電偶溫度，數(shù)據(jù)過濾模型對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濾波，濾波后的數(shù)據(jù)傳入異 常診斷模塊進(jìn)行異常知識(shí)判斷，采集過濾的數(shù)據(jù)和得出的診斷結(jié)果一起導(dǎo)入侵蝕結(jié)厚計(jì)算 模塊進(jìn)行溫度場(chǎng)和侵蝕結(jié)厚的計(jì)算，顯示預(yù)警模型將計(jì)算結(jié)果反饋給高爐操作人員，指導(dǎo) 爐缸維護(hù)模型依據(jù)計(jì)算和預(yù)警結(jié)果給出合理護(hù)爐手段建議。1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)判斷爐缸狀態(tài)是同時(shí)采集和依靠爐缸冷卻壁水溫差熱流以及爐缸爐底磚 襯內(nèi)熱電偶溫度，不但實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)面結(jié)合”，還可以判斷爐缸熱狀態(tài)以及環(huán)裂、氣隙等異常的存在。在采集冷卻壁進(jìn)出水溫時(shí)，摒棄了傳統(tǒng)的復(fù)雜、誤差累積較大且傳輸易受干擾的 電路設(shè)計(jì)(熱電偶一電橋調(diào)平一放大濾波一數(shù)模轉(zhuǎn)換一微處理器一上位機(jī))。.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊基于數(shù)字傳感器的采集模塊設(shè)計(jì)將高精度數(shù)字溫度傳感器 (分辨率0. 030C )封裝在不銹鋼探頭中，傳感器通過在一個(gè)由對(duì)溫度高度敏感的振蕩器決 定的計(jì)數(shù)周期內(nèi)對(duì)振蕩器時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值的計(jì)算來測(cè)量溫度，不僅簡(jiǎn)化了電路也徹底排除 了電源電壓高低對(duì)測(cè)量的影響。探頭要迎著來流的方向插入水管中心以最小化探頭對(duì)管內(nèi) 水流的阻損，避免形成旋流或死區(qū)，探頭在設(shè)計(jì)上充分考慮到對(duì)溫度變化的敏感性和跟隨 性，測(cè)溫探頭壁厚1mm，測(cè)溫探頭內(nèi)部封裝時(shí)使用高導(dǎo)熱硅膠將傳感器澆灌固定在探頭中， 測(cè)溫探頭中除傳感器以往的空腔均使用低導(dǎo)熱材料填充使用低導(dǎo)熱材料，使測(cè)溫探頭對(duì)冷 卻水溫變化具有很強(qiáng)的跟隨性和實(shí)時(shí)性而又不易受到外部熱源的干擾，整個(gè)測(cè)溫探頭引出 包含4根導(dǎo)線的防水航空接頭(四根導(dǎo)線為電源線(正負(fù))、數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘信號(hào)線)。將航 空接頭直接接入微處理器IO端口，就可以讀取傳感器溫度數(shù)據(jù)。此設(shè)計(jì)節(jié)省了放大、濾波、 模數(shù)變換電路，消除了模擬信號(hào)處理電路易受干擾的中間環(huán)節(jié)。微處理器的一條串行總線 上可以串行多個(gè)傳感器，節(jié)省了大量線路，也利于維護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中對(duì)總線使用信號(hào)加強(qiáng)電 路，對(duì)總線中數(shù)字信號(hào)采用0V/+12V電平信號(hào)，微處理器電路使用0V/+5V信號(hào)，保證數(shù)字信 號(hào)在較長(zhǎng)傳輸距離內(nèi)有很強(qiáng)的抗干擾性能。傳感器經(jīng)微處理器巡檢收集后進(jìn)行封裝加CRC 校驗(yàn)通過485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)通過串口每分鐘對(duì)全部微處理器發(fā)送溫度信號(hào) 收集指令，完成對(duì)高爐爐缸冷卻壁水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在采集爐缸爐底磚襯內(nèi)熱電偶溫度時(shí)，如果高爐現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交換采用OPC方 式，則利用DCOM技術(shù)依據(jù)磚襯內(nèi)電偶的具體標(biāo)簽名訪問讀取其溫度數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采 用0racle、SQL Server.FoxPro等二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，則利用ADO技術(shù)依據(jù)服務(wù)器中電偶溫 度數(shù)據(jù)所在的表名和記錄位置讀取。2.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)濾波模塊由于高爐現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境，實(shí)時(shí)采集的爐缸狀態(tài)判斷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)_爐缸冷卻壁水溫 和磚襯內(nèi)電偶溫度往往可能由于受到干擾而失真，而已有的監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)大多缺乏對(duì)基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)有效性的判斷，在數(shù)據(jù)失真時(shí)可能給出和爐缸內(nèi)實(shí)際狀態(tài)相差很大的判斷結(jié)果，因 此在數(shù)據(jù)采集模塊后結(jié)合高爐冶煉特點(diǎn)創(chuàng)新性地研發(fā)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)濾波模塊，包含的濾波條 件如下(1)根據(jù)傳熱學(xué)原理，熱量由爐內(nèi)高溫鐵水傳至爐外冷卻系統(tǒng)，溫度也是逐漸降 低，因此如果爐體磚襯內(nèi)同一標(biāo)高的前后或同一深度的上下熱電偶溫度不符合傳熱學(xué)原理，要對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行校核；(2)如果爐體磚襯內(nèi)電偶溫度低于20°C或者高于其量程(多數(shù)壞點(diǎn)顯示32767)， 要對(duì)此類溫度進(jìn)行過濾；(3)要實(shí)時(shí)記錄磚襯電偶溫度和冷卻水溫差，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)電偶的溫度或冷卻水 溫差很短時(shí)間內(nèi)大幅度升高或降低(如某些電偶5分鐘內(nèi)變化超過50°C，水溫差在1分鐘 內(nèi)波動(dòng)超過0. 5°C )，要對(duì)此類溫度進(jìn)行標(biāo)記，采用時(shí)間序列的方法來判斷其有效性；(4)某些爐體電偶溫度顯示正常，但始終保持不變，對(duì)此類溫度也要進(jìn)行標(biāo)記，和 相鄰其它電偶的溫度進(jìn)行比較，并記錄其不變時(shí)間來判斷其有效性。3.異常診斷模塊如前所述，高爐在運(yùn)行過程中爐缸工作失常往往是由于氣隙、環(huán)裂等異常引起，如 果不能對(duì)這些異常進(jìn)行準(zhǔn)確判斷而僅僅是單獨(dú)依靠爐缸水溫差熱流或者是磚襯電偶溫度 來推測(cè)爐內(nèi)狀態(tài)變化，將產(chǎn)生很大的偏差。如當(dāng)爐缸產(chǎn)生氣隙時(shí)，冷卻壁水溫差熱流降低但 是實(shí)際爐內(nèi)侵蝕卻在加??；如爐底滲鐵時(shí)磚襯電偶溫度升高但實(shí)際侵蝕可能并不嚴(yán)重。因 此，爐缸異常診斷模塊的建立尤為關(guān)鍵，也是此發(fā)明區(qū)別與其它方法或系統(tǒng)的核心內(nèi)容之 一，此模塊是針對(duì)具體高爐，利用現(xiàn)代專家系統(tǒng)技術(shù)對(duì)其侵蝕機(jī)理進(jìn)行處理，在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 進(jìn)行采集和濾波后，結(jié)合冷卻壁熱流、熱流變化、磚襯電偶實(shí)時(shí)溫度、最高溫度、電偶溫度變 化、磚襯尺寸、磚襯導(dǎo)熱系數(shù)等，創(chuàng)新性地建立如下異常診斷標(biāo)準(zhǔn)(1)建立爐缸冷卻壁熱流和磚襯熱電偶溫度的歷史最高數(shù)據(jù)庫(kù)，將在線采集和濾 波的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)T和歷史最高數(shù)據(jù)Tw進(jìn)行比較，如果T > Tw則更新歷史最高數(shù)據(jù)庫(kù)并判 斷此部位渣鐵殼脫落，反之則判斷存在渣鐵殼而不更新歷史最高數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)通過爐缸側(cè)壁同一標(biāo)高處的前后熱電偶實(shí)時(shí)(Tf、Tb)溫度、溫度變化值(ATf、 △Tb)、熱電偶間距(L)、對(duì)應(yīng)冷卻壁的熱流強(qiáng)度(q)、熱流強(qiáng)度變化值(Aq)磚襯原始導(dǎo)熱 參數(shù)(k0)判斷磚襯導(dǎo)熱系數(shù)是否異常變化，當(dāng)(Aq*ATf*ATb3 0)&&(Tf>Tb)時(shí)，如果
:k。< ^-^r ’則磚襯導(dǎo)熱系數(shù)升高，反之則磚襯導(dǎo)熱系數(shù)降低。(3)通過爐缸側(cè)壁前后熱電偶溫度比較和不同變化趨勢(shì)判斷環(huán)裂，如果(Aq
<0)&&(ATf > 0)&&(ATb < 0)，則判斷存在環(huán)裂。(4)通過爐缸側(cè)壁靠熱面的熱電偶變化結(jié)合冷卻壁熱流變化判斷氣隙，如果(Δ q
<0) &&( Δ Tf > 0) &&( Δ Tb > 0)，則判斷出現(xiàn)氣隙；(5)通過爐底耐火磚原始熱阻和爐底熱電偶溫度及爐底冷卻參數(shù)判斷滲鐵，如果 Tu < Td則判斷爐底存在滲鐵；(6)通過爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)侵蝕計(jì)算確定拐角區(qū)域熱電偶溫度隨爐缸側(cè)壁和爐 底厚度變化的敏感性。4.爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊如前所述，目前已有的監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)在此模塊上所選擇的溫度場(chǎng)計(jì)算模型和實(shí) 際高爐不符。我們根據(jù)高爐爐缸爐底的實(shí)際形狀近似為圓柱形，考慮爐缸爐底在侵蝕變化 時(shí)屬于非穩(wěn)態(tài)升溫過程，且鐵水在相變過程中要釋放凝固潛熱，創(chuàng)新性地建立了三維非穩(wěn) 態(tài)柱坐標(biāo)包含凝固潛熱的爐缸爐底溫度場(chǎng)計(jì)算模型，根據(jù)殼體能量平衡原理建立控制微分 方程

其中P-控制單兀體的密 ot Oz OZ r or or r οθ r οθ
度；CP-單元體的熱容；T-單元體的溫度；t-時(shí)間，k-單元體導(dǎo)熱系數(shù)；S-單元體內(nèi)的熱源項(xiàng)。選擇凝固潛熱作為源項(xiàng)的方法，如下
其中H= (ls+CpT)，L-鐵水 的相變熱，S-為凝固率，Cp-鐵水等壓熱容將相變熱構(gòu)成的源項(xiàng)作為求解對(duì)象，直接進(jìn)行差分計(jì)算，源項(xiàng)與時(shí)間間隔前后各 自的相變率(溫度)有關(guān)，具體處理如下
其中T1液相線溫度，Ts固相線溫度。 建立合理的溫度場(chǎng)計(jì)算模型和方法后，通過“正反問題”相結(jié)合的方法，建立基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)與計(jì)算溫度之差為最小的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)成求解侵蝕內(nèi)型的優(yōu)化模型，其求解步驟如 下Stepl利用爐缸爐底傳熱學(xué)正問題，給定初始內(nèi)邊界；St印2利用已知的高爐設(shè)計(jì)資料及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合“異常診斷”模塊，對(duì)可能出現(xiàn)的 異常情況進(jìn)行判斷和處理；Step3結(jié)合爐缸熱流和熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及啟發(fā)式知識(shí)，給出侵蝕內(nèi)邊界預(yù)測(cè)的目 標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；St印4用梯度正規(guī)化方法求得正則解；St印5把待求內(nèi)邊界由所給取值范圍變換到混沌變量的取值范圍
。St印6進(jìn)行混沌搜索若干步，若搜索不到比已得到的內(nèi)邊界更好的點(diǎn)，則計(jì)算結(jié) 束；否則以所搜索到的更好點(diǎn)取代已求出的內(nèi)邊界，然后以此為迭代值，轉(zhuǎn)step4。5.顯示預(yù)警模塊此模塊主要是將上述模塊的判斷結(jié)果直觀明了地顯示給高爐操作人員，使高爐人 員能夠最大限度地通過系統(tǒng)的顯示預(yù)警掌握爐缸內(nèi)部的狀態(tài)，但是目前已有的監(jiān)測(cè)方法或 系統(tǒng)在此方面仍存在著不足，如大多只是將計(jì)算出的1150°C侵蝕線或者是渣鐵殼線顯示出 來，未能給出整個(gè)爐缸爐底的溫度場(chǎng)分布，也不能對(duì)爐缸出現(xiàn)的異常進(jìn)行預(yù)警提示。為了克 服這些不足，我們充分依據(jù)高爐人員直觀、快速、準(zhǔn)確、全面掌握侵蝕情況和爐缸熱負(fù)荷的 需求，開發(fā)的顯示預(yù)警模塊所包含的創(chuàng)新點(diǎn)如下(1)通過采用多線程技術(shù)將數(shù)據(jù)采集和爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算工作放入 后臺(tái)自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面始終處于可響應(yīng)狀態(tài)；(2)以列表形式對(duì)爐缸冷卻壁水溫差和熱負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)排序，以圓周餅圖方式顯 示爐缸熱負(fù)荷分布，以紅、黃、綠三種顏色對(duì)應(yīng)顯示爐缸熱負(fù)荷處于超限、預(yù)警和安全工作 狀態(tài)；(3)自動(dòng)更新顯示爐缸爐底橫、縱剖面的三維侵蝕內(nèi)型和渣鐵殼生成脫落，自動(dòng)統(tǒng) 計(jì)和顯示爐缸和爐底最嚴(yán)重侵蝕位置及剩余磚襯厚度，并根據(jù)最嚴(yán)重侵蝕厚度和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn) 的比較給出爐缸是否處于安全工作狀態(tài)的預(yù)警提示；
(4)實(shí)時(shí)顯示爐缸爐底從50°C到1500°C光滑過渡的三維溫度云圖、多溫度等溫線 分布，支持鼠標(biāo)移動(dòng)取點(diǎn)顯示爐缸爐底任一點(diǎn)的溫度、材質(zhì)和位置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)爐缸爐 底的三維監(jiān)測(cè)。(5)提供爐缸爐底歷史侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼形狀、溫度云圖和等溫線的查詢和繪制。6.指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊在對(duì)爐缸異常進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷和對(duì)爐缸侵蝕進(jìn)行計(jì)算監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地研發(fā) 了智能指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊，該模塊的發(fā)明內(nèi)容如下(1)如果爐缸爐底不存在異常，通過磚襯熱面溫度是否高于1150°C侵蝕線以及 800°C碳磚脆化線的位置來判斷是否侵蝕未達(dá)平衡，如果侵蝕未達(dá)平衡，從爐外冷卻和爐內(nèi) 鐵水流動(dòng)兩方面來對(duì)爐缸進(jìn)行維護(hù)。(2)如果爐缸側(cè)壁存在氣隙，則采取在線壓漿技術(shù)，但要注意壓力控制和提高壓入 材料的導(dǎo)熱性。(3)如果爐缸側(cè)壁存在串氣或環(huán)裂，除了采取壓漿技術(shù)外，還要注意對(duì)風(fēng)口漏水的 巡檢，以及對(duì)入爐鋅堿金屬的控制，提高爐渣排堿能力；(4)如果局部侵蝕異常加劇，尤其是出現(xiàn)嚴(yán)重“象腳狀”侵蝕時(shí)，要根據(jù)侵蝕情況采 取適當(dāng)時(shí)間的堵風(fēng)口措施；(5)如果爐缸爐底填搗料熱阻在高爐運(yùn)行中出現(xiàn)異常變化，成為傳熱限制性環(huán)節(jié)， 要根據(jù)侵蝕情況適當(dāng)采取增布冷卻水管。(6)如果爐缸熱損失過大(針對(duì)具體材質(zhì)結(jié)構(gòu)的爐缸其合理熱負(fù)荷也不同)，要適 當(dāng)控制爐缸爐底冷卻強(qiáng)度和出鐵操作。有益效果本發(fā)明的有益效果是相比其它爐缸爐底監(jiān)測(cè)方法或系統(tǒng)，該發(fā)明能夠同時(shí)監(jiān)測(cè) 爐缸熱狀態(tài)、三維侵蝕和渣鐵殼變化，自動(dòng)判斷環(huán)裂、氣隙、串氣等異常的發(fā)生，自動(dòng)對(duì)侵蝕 加劇的原因做出診斷，智能指導(dǎo)高爐技術(shù)人員采取有效的護(hù)爐手段和合理的生產(chǎn)操作調(diào) 節(jié)。該發(fā)明在鋼鐵企業(yè)高爐上成功實(shí)現(xiàn)了其工業(yè)應(yīng)用，通過及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)即防止了爐缸 燒穿重大事故的發(fā)生，如準(zhǔn)確診斷出唐鋼3號(hào)高爐和萊鋼3號(hào)高爐爐缸“象腳狀”侵蝕指導(dǎo) 了及時(shí)護(hù)爐和停爐，且模型計(jì)算結(jié)果和此后停爐大修調(diào)研一致；又實(shí)現(xiàn)了對(duì)爐缸的有效維 護(hù)、降低了運(yùn)行成本并延長(zhǎng)了高爐壽命，如遷鋼1號(hào)高爐爐缸自動(dòng)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確 地判斷出不同時(shí)期的爐缸侵蝕加劇原因，進(jìn)而指導(dǎo)高爐現(xiàn)場(chǎng)采取有針對(duì)性的維護(hù)手段，大 大降低了其護(hù)爐成本和爐缸熱損失，帶來的經(jīng)濟(jì)效益超過1000萬元/年，實(shí)現(xiàn)了爐缸長(zhǎng)壽 和保溫的統(tǒng)一。


圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)爐缸爐底工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)的流程圖。圖2為本發(fā)明工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的各模塊組成和關(guān)系圖。圖3為本發(fā)明中封裝數(shù)字傳感器的測(cè)溫探頭設(shè)計(jì)圖。圖4為本發(fā)明中爐缸爐底侵蝕結(jié)厚監(jiān)測(cè)畫面。圖5為本發(fā)明中爐缸爐底等溫線顯示畫面。圖6為本發(fā)明中爐缸爐底溫度云圖顯示畫面。
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具體實(shí)施例方式本發(fā)明包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊、異常診斷 模塊、顯示預(yù)警模塊、指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊；其中數(shù)據(jù)采集模型負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集爐缸冷卻壁水溫 和爐體熱電偶溫度，數(shù)據(jù)過濾模型對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濾波，濾波后的數(shù)據(jù)傳入異 常診斷模塊進(jìn)行異常知識(shí)判斷，采集過濾的數(shù)據(jù)和得出的診斷結(jié)果一起導(dǎo)入侵蝕結(jié)厚計(jì)算 模塊進(jìn)行溫度場(chǎng)和侵蝕結(jié)厚的計(jì)算，顯示預(yù)警模型將計(jì)算結(jié)果反饋給高爐操作人員，指導(dǎo) 爐缸維護(hù)模型依據(jù)計(jì)算和預(yù)警結(jié)果給出合理護(hù)爐手段建議?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊基于數(shù)字傳感器的采集模塊設(shè)計(jì)將分辨率0. 03°C的高精度 數(shù)字溫度傳感器封裝在不銹鋼探頭中，傳感器通過在一個(gè)由對(duì)溫度高度敏感的振蕩器決定 的計(jì)數(shù)周期內(nèi)對(duì)振蕩器時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值的計(jì)算來測(cè)量溫度，探頭要迎著來流的方向插入水 管中心以最小化探頭對(duì)管內(nèi)水流的阻損，避免形成旋流或死區(qū)，測(cè)溫探頭壁厚1mm，測(cè)溫探 頭內(nèi)部封裝時(shí)使用高導(dǎo)熱硅膠將傳感器澆灌固定在探頭中，測(cè)溫探頭中除傳感器以往的 空腔均使用低導(dǎo)熱材料填充使用低導(dǎo)熱材料，使測(cè)溫探頭對(duì)冷卻水溫變化具有很強(qiáng)的跟 隨性和實(shí)時(shí)性而又不易受到外部熱源的干擾，整個(gè)測(cè)溫探頭引出包含4根導(dǎo)線的防水航 空接頭；將航空接頭直接接入微處理器IO端口，讀取傳感器溫度數(shù)據(jù)，微處理器的一條串 行總線上串行多個(gè)傳感器，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)總線使用信號(hào)加強(qiáng)電路，對(duì)總線中數(shù)字信號(hào)采用 0V/+12V電平信號(hào)，微處理器電路使用0V/+5V信號(hào)，保證數(shù)字信號(hào)在較長(zhǎng)傳輸距離內(nèi)有很 強(qiáng)的抗干擾性能。傳感器經(jīng)微處理器巡檢收集后進(jìn)行封裝加CRC校驗(yàn)通過485總線傳輸?shù)?上位機(jī)，在上位機(jī)通過串口每分鐘對(duì)全部微處理器發(fā)送溫度信號(hào)收集指令，完成對(duì)高爐爐 缸冷卻壁水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)濾波模塊包含的濾波條件如下(1)熱量由爐內(nèi)高溫鐵水傳至爐外冷卻系統(tǒng)，溫度也是逐漸降低，當(dāng)爐體磚襯內(nèi)同 一標(biāo)高的前后或同一深度的上下熱電偶溫度不符合傳熱學(xué)原理，要對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行校核；(2)當(dāng)爐體磚襯內(nèi)電偶溫度低于20°C或者高于其量程多數(shù)壞點(diǎn)顯示32767時(shí)，要 對(duì)此類溫度進(jìn)行過濾；(3)實(shí)時(shí)記錄磚襯電偶溫度和冷卻水溫差，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)電偶的溫度或冷卻水溫差 很短時(shí)間內(nèi)大幅度升高或降低，對(duì)此類溫度進(jìn)行標(biāo)記，采用時(shí)間序列的方法來判斷其有效 性；(4)某些爐體電偶溫度顯示正常，但始終保持不變，對(duì)此類溫度也要進(jìn)行標(biāo)記，和 相鄰其它電偶的溫度進(jìn)行比較，并記錄其不變時(shí)間來判斷其有效性；異常診斷模塊是針對(duì)具體高爐，利用現(xiàn)代專家系統(tǒng)技術(shù)對(duì)其侵蝕機(jī)理進(jìn)行處理， 在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和濾波后，結(jié)合冷卻壁熱流、熱流變化、磚襯電偶實(shí)時(shí)溫度、最高溫 度、電偶溫度變化、磚襯尺寸、磚襯導(dǎo)熱系數(shù)，建立常診斷標(biāo)準(zhǔn)爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊建立了三維非穩(wěn)態(tài)柱坐標(biāo)包含凝固潛熱的爐缸爐底 溫度場(chǎng)計(jì)算模型，根據(jù)殼體能量平衡原理建立控制微分方程^Cp芋=〕+丄一汝^ +丄丟(主蕓)十“其中P-控制單元體的密
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度；CP-單元體的熱容；T-單元體的溫度；t-時(shí)間，k-單元體導(dǎo)熱系數(shù)；S-單元體內(nèi)的熱源項(xiàng)；顯示預(yù)警模塊是將上述模塊的判斷結(jié)果直觀明了地顯示給高爐操作人員，使高爐 人員能夠最大限度地通過系統(tǒng)的顯示預(yù)警掌握爐缸內(nèi)部的狀態(tài)；指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊的內(nèi)容如下(1)當(dāng)爐缸爐底不存在異常，通過磚襯熱面溫度是否高于1150°C侵蝕線以及 800°C碳磚脆化線的位置來判斷是否侵蝕未達(dá)平衡，如果侵蝕未達(dá)平衡，從爐外冷卻和爐內(nèi) 鐵水流動(dòng)兩方面來對(duì)爐缸進(jìn)行維護(hù)；(2)當(dāng)爐缸側(cè)壁存在氣隙，則采取在線壓漿技術(shù)，但要注意壓力控制和提高壓入材 料的導(dǎo)熱性；(3)當(dāng)爐缸側(cè)壁存在串氣或環(huán)裂，除了采取壓漿技術(shù)外，還要注意對(duì)風(fēng)口漏水的巡 檢，以及對(duì)入爐鋅堿金屬的控制，提高爐渣排堿能力；(4)當(dāng)局部侵蝕異常加劇，尤其是出現(xiàn)嚴(yán)重“象腳狀”侵蝕時(shí)，要根據(jù)侵蝕情況采取 適當(dāng)時(shí)間的堵風(fēng)口措施；(5)當(dāng)爐缸爐底填搗料熱阻在高爐運(yùn)行中出現(xiàn)異常變化，成為傳熱限制性環(huán)節(jié)，要 根據(jù)侵蝕情況適當(dāng)采取增布冷卻水管；(6)當(dāng)爐缸熱損失過大，要控制爐缸爐底冷卻強(qiáng)度和出鐵操作。針對(duì)具體高爐，在高爐爐缸冷卻壁的進(jìn)出水管上安裝高精度數(shù)字測(cè)溫探頭，采用 有線或無線通訊方式每分鐘采集爐缸冷卻水溫度和流量，同時(shí)實(shí)時(shí)采集高爐服務(wù)器中的爐 體磚襯電偶溫度，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后作為上位機(jī)爐缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過上位機(jī)安裝的濾波模塊、異常診斷模塊、侵蝕計(jì)算模塊、顯示預(yù)警模塊和 維護(hù)指導(dǎo)模塊自動(dòng)處理后，高爐操作人員就可以根據(jù)人機(jī)界面顯示的爐缸爐底溫度場(chǎng)分 布、侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼形狀、爐缸熱負(fù)荷等直觀全面地掌握爐缸是否處于安全正常的工作狀 態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)給出的爐缸維護(hù)提示采取有針對(duì)性的護(hù)爐手段，以實(shí)現(xiàn)高爐的長(zhǎng)壽和 高效生產(chǎn)。
1權(quán)利要求
高爐爐缸三維非穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)和異常診斷及維護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊、異常診斷模塊、顯示預(yù)警模塊、指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊，其中數(shù)據(jù)采集模型負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集爐缸冷卻壁水溫和爐體熱電偶溫度，數(shù)據(jù)過濾模型對(duì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濾波，濾波后的數(shù)據(jù)傳入異常診斷模塊進(jìn)行異常知識(shí)判斷，采集過濾的數(shù)據(jù)和得出的診斷結(jié)果一起導(dǎo)入侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊進(jìn)行溫度場(chǎng)和侵蝕結(jié)厚的計(jì)算，顯示預(yù)警模型將計(jì)算結(jié)果反饋給高爐操作人員，指導(dǎo)爐缸維護(hù)模型依據(jù)計(jì)算和預(yù)警結(jié)果給出合理護(hù)爐手段建議；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集模塊基于數(shù)字傳感器的采集模塊設(shè)計(jì)將分辨率0.03℃的高精度數(shù)字溫度傳感器封裝在不銹鋼探頭中，傳感器通過在一個(gè)由對(duì)溫度高度敏感的振蕩器決定的計(jì)數(shù)周期內(nèi)對(duì)振蕩器時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值的計(jì)算來測(cè)量溫度，探頭要迎著來流的方向插入水管中心以最小化探頭對(duì)管內(nèi)水流的阻損，避免形成旋流或死區(qū)，測(cè)溫探頭壁厚1mm，測(cè)溫探頭內(nèi)部封裝時(shí)使用高導(dǎo)熱硅膠將傳感器澆灌固定在探頭中，測(cè)溫探頭中除傳感器以往的空腔均使用低導(dǎo)熱材料填充，使用低導(dǎo)熱材料，使測(cè)溫探頭對(duì)冷卻水溫變化具有很強(qiáng)的跟隨性和實(shí)時(shí)性而又不易受到外部熱源的干擾，整個(gè)測(cè)溫探頭引出包含4根導(dǎo)線的防水航空接頭；將航空接頭直接接入微處理器IO端口，讀取傳感器溫度數(shù)據(jù)，微處理器的一條串行總線上串行多個(gè)傳感器，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)總線使用信號(hào)加強(qiáng)電路，對(duì)總線中數(shù)字信號(hào)采用0V/+12V電平信號(hào)，微處理器電路使用0V/+5V信號(hào)，保證數(shù)字信號(hào)在較長(zhǎng)傳輸距離內(nèi)有很強(qiáng)的抗干擾性能。傳感器經(jīng)微處理器巡檢收集后進(jìn)行封裝加CRC校驗(yàn)通過485總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在上位機(jī)通過串口每分鐘對(duì)全部微處理器發(fā)送溫度信號(hào)收集指令，完成對(duì)高爐爐缸冷卻壁水溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)濾波模塊包含的濾波條件如下(1)熱量由爐內(nèi)高溫鐵水傳至爐外冷卻系統(tǒng)，溫度也是逐漸降低，當(dāng)爐體磚襯內(nèi)同一標(biāo)高的前后或同一深度的上下熱電偶溫度不符合傳熱學(xué)原理，要對(duì)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行校核；(2)當(dāng)爐體磚襯內(nèi)電偶溫度低于20℃或者高于其量程多數(shù)壞點(diǎn)顯示32767時(shí)，要對(duì)此類溫度進(jìn)行過濾；(3)實(shí)時(shí)記錄磚襯電偶溫度和冷卻水溫差，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)電偶的溫度或冷卻水溫差很短時(shí)間內(nèi)大幅度升高或降低，對(duì)此類溫度進(jìn)行標(biāo)記，采用時(shí)間序列的方法來判斷其有效性；(4)某些爐體電偶溫度顯示正常，但始終保持不變，對(duì)此類溫度也要進(jìn)行標(biāo)記，和相鄰其它電偶的溫度進(jìn)行比較，并記錄其不變時(shí)間來判斷其有效性；異常診斷模塊是針對(duì)具體高爐，利用現(xiàn)代專家系統(tǒng)技術(shù)對(duì)其侵蝕機(jī)理進(jìn)行處理，在對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和濾波后，結(jié)合冷卻壁熱流、熱流變化、磚襯電偶實(shí)時(shí)溫度、最高溫度、電偶溫度變化、磚襯尺寸、磚襯導(dǎo)熱系數(shù)，建立常診斷標(biāo)準(zhǔn)；爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊建立了三維非穩(wěn)態(tài)柱坐標(biāo)包含凝固潛熱的爐缸爐底溫度場(chǎng)計(jì)算模型，根據(jù)殼體能量平衡原理建立控制微分方程其中ρ-控制單元體的密度；Cp-單元體的熱容；T-單元體的溫度；t-時(shí)間，k-單元體導(dǎo)熱系數(shù)；s-單元體內(nèi)的熱源項(xiàng)；顯示預(yù)警模塊是將上述模塊的判斷結(jié)果直觀明了地顯示給高爐操作人員，使高爐人員能夠最大限度地通過系統(tǒng)的顯示預(yù)警掌握爐缸內(nèi)部的狀態(tài)；指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊的內(nèi)容如下(1)當(dāng)爐缸爐底不存在異常，通過磚襯熱面溫度是否高于1150℃侵蝕線以及800℃碳磚脆化線的位置來判斷是否侵蝕未達(dá)平衡，如果侵蝕未達(dá)平衡，從爐外冷卻和爐內(nèi)鐵水流動(dòng)兩方面來對(duì)爐缸進(jìn)行維護(hù)；(2)當(dāng)爐缸側(cè)壁存在氣隙，則采取在線壓漿技術(shù)，但要注意壓力控制和提高壓入材料的導(dǎo)熱性；(3)當(dāng)爐缸側(cè)壁存在串氣或環(huán)裂，除了采取壓漿技術(shù)外，還要注意對(duì)風(fēng)口漏水的巡檢，以及對(duì)入爐鋅堿金屬的控制，提高爐渣排堿能力；(4)當(dāng)局部侵蝕異常加劇，尤其是出現(xiàn)嚴(yán)重“象腳狀”侵蝕時(shí)，要根據(jù)侵蝕情況采取適當(dāng)時(shí)間的堵風(fēng)口措施；(5)當(dāng)爐缸爐底填搗料熱阻在高爐運(yùn)行中出現(xiàn)異常變化，成為傳熱限制性環(huán)節(jié)，要根據(jù)侵蝕情況適當(dāng)采取增布冷卻水管；(6)當(dāng)爐缸熱損失過大，要控制爐缸爐底冷卻強(qiáng)度和出鐵操作。FSA00000159976600021.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的異常診斷標(biāo)準(zhǔn)包括(1)建立爐缸冷卻壁熱流和磚襯熱電偶溫度的歷史最高數(shù)據(jù)庫(kù)，將在線采集和濾波的 實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)T和歷史最高數(shù)據(jù)Tw進(jìn)行比較，如果T > Tw則更新歷史最高數(shù)據(jù)庫(kù)并判斷此 部位渣鐵殼脫落，反之則判斷存在渣鐵殼而不更新歷史最高數(shù)據(jù)庫(kù)；(2)通過爐缸側(cè)壁同一標(biāo)高處的前后熱電偶實(shí)時(shí)(Tf、Tb)溫度、溫度變化值(ATf、 △Tb)、熱電偶間距(L)、對(duì)應(yīng)冷卻壁的熱流強(qiáng)度(q)、熱流強(qiáng)度變化值(Aq)磚襯原始導(dǎo)熱 參數(shù)(k0)判斷磚襯導(dǎo)熱系數(shù)是否異常變化，當(dāng)(Aq*ATf*ATb3 0)&&(Tf>Tb)時(shí)，如果kn<，則磚襯導(dǎo)熱系數(shù)升高，反之則磚襯導(dǎo)熱系數(shù)降低；1J ~Lb(3)通過爐缸側(cè)壁前后熱電偶溫度比較和不同變化趨勢(shì)判斷環(huán)裂，如果(Aq<0) && ( Δ Tf > 0) && ( Δ Tb < 0)，則判斷存在環(huán)裂；(4)通過爐缸側(cè)壁靠熱面的熱電偶變化結(jié)合冷卻壁熱流變化判斷氣隙，如果(Aq<0) &&( Δ Tf > 0) &&( Δ Tb > 0)，則判斷出現(xiàn)氣隙；(5)通過爐底耐火磚原始熱阻和爐底熱電偶溫度及爐底冷卻參數(shù)判斷滲鐵，如果Tu<Td則判斷爐底存在滲鐵；(6)通過爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)侵蝕計(jì)算確定拐角區(qū)域熱電偶溫度隨爐缸側(cè)壁和爐底厚 度變化的敏感性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述凝固潛熱作為源項(xiàng)的方法，如下 其中Η= (LS+CPT)，L-鐵水的相變熱，S-為凝固率，Cp-鐵水等壓熱容；將相變熱構(gòu)成的源項(xiàng)作為求解對(duì)象，直接進(jìn)行差分計(jì)算，源項(xiàng)與時(shí)間間隔前后各自的相變率(溫度)有關(guān)，具體處理如下 ，其中T1液相線溫度，Ts固相線溫度； ΔγTi-Ts建立合理的溫度場(chǎng)計(jì)算模型和方法后，通過“正反問題”相結(jié)合的方法，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與計(jì)算溫度之差為最小的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)成求解侵蝕內(nèi)型的優(yōu)化模型，其求解步驟如下 Stepl利用爐缸爐底傳熱學(xué)正問題，給定初始內(nèi)邊界；St印2利用已知的高爐設(shè)計(jì)資料及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合“異常診斷”模塊，對(duì)可能出現(xiàn)的異常 情況進(jìn)行判斷和處理；Step3結(jié)合爐缸熱流和熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及啟發(fā)式知識(shí)，給出侵蝕內(nèi)邊界預(yù)測(cè)的目標(biāo)函 數(shù)及優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；St印4用梯度正規(guī)化方法求得正則解；St印5把待求內(nèi)邊界由所給取值范圍變換到混沌變量的取值范圍W，l]； St印6進(jìn)行混沌搜索若干步，若搜索不到比已得到的內(nèi)邊界更好的點(diǎn)，則計(jì)算結(jié)束；否 則以所搜索到的更好點(diǎn)取代已求出的內(nèi)邊界，然后以此為迭代值，轉(zhuǎn)step4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，顯示預(yù)警模塊包括如下內(nèi)容(1)通過采用多線程技術(shù)將數(shù)據(jù)采集和爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算工作放入后臺(tái) 自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面始終處于可響應(yīng)狀態(tài)；(2)以列表形式對(duì)爐缸冷卻壁水溫差和熱負(fù)荷進(jìn)行自動(dòng)排序，以圓周餅圖方式顯示 爐缸熱負(fù)荷分布，以紅、黃、綠三種顏色對(duì)應(yīng)顯示爐缸熱負(fù)荷處于超限、預(yù)警和安全工作狀 態(tài)；(3)自動(dòng)更新顯示爐缸爐底橫、縱剖面的三維侵蝕內(nèi)型和渣鐵殼生成脫落，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和 顯示爐缸和爐底最嚴(yán)重侵蝕位置及剩余磚襯厚度，并根據(jù)最嚴(yán)重侵蝕厚度和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的比 較給出爐缸是否處于安全工作狀態(tài)的預(yù)警提示；(4)實(shí)時(shí)顯示爐缸爐底從50°C到1500°C光滑過渡的三維溫度云圖、多溫度等溫線分 布，支持鼠標(biāo)移動(dòng)取點(diǎn)顯示爐缸爐底任一點(diǎn)的溫度、材質(zhì)和位置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)爐缸爐底 的三維監(jiān)測(cè)；(5)提供爐缸爐底歷史侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼形狀、溫度云圖和等溫線的查詢和繪制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述4根導(dǎo)線為電源正負(fù)線、數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘信號(hào)線。
全文摘要
一種高爐爐缸三維非穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)和異常診斷及維護(hù)系統(tǒng)，屬于高爐在線監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)警和維護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結(jié)厚計(jì)算模塊、異常診斷模塊、顯示預(yù)警模塊、指導(dǎo)爐缸維護(hù)模塊。能夠?qū)崟r(shí)采集和濾波爐缸冷卻壁水溫和爐體電偶溫度，將兩種數(shù)據(jù)結(jié)合起來采用傳熱學(xué)“正反問題”結(jié)合“異常診斷”標(biāo)準(zhǔn)，綜合判斷耐材導(dǎo)熱系數(shù)變化、環(huán)裂、氣隙等生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的異常對(duì)溫度場(chǎng)分布及侵蝕的影響，聯(lián)合梯度正則化和混沌優(yōu)化法求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)爐缸爐底三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼變化、爐缸熱狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)異常情況和侵蝕加劇原因的實(shí)時(shí)診斷，并根據(jù)侵蝕加劇原因智能指導(dǎo)有針對(duì)性爐缸維護(hù)手段，已成功應(yīng)用于工業(yè)。
文檔編號(hào)C21B7/00GK101886152SQ20101019691
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者萬雷, 劉艷玲, 宋小鵬, 王尉平, 程樹森, 賈國(guó)利, 趙宏博, 鄭敬先, 馬金芳, 高忠信 申請(qǐng)人:河北省首鋼遷安鋼鐵有限責(zé)任公司;首鋼總公司