本發(fā)明屬于高爐內(nèi)型監(jiān)控及高爐長壽技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種高爐高熱負荷區(qū)域爐襯、渣皮厚度的計算方法。

背景技術(shù)：

目前，從煉鐵技術(shù)的發(fā)展來看，還沒有一種冶煉形式能夠完全取代高爐煉鐵過程，另外高爐冶煉工藝已經(jīng)達到了一個相對完善的階段，想通過進一步的優(yōu)化高爐冶煉工藝來降低能耗，在短期內(nèi)也是不可能實現(xiàn)的。因此，想要實現(xiàn)高爐的進一步節(jié)能降耗，還應(yīng)從提高高爐的使用壽命和自動化控制水平上著手。高爐一直以“黑箱”的形象示人，其內(nèi)部情況不易被外界得知，操作人員無法直觀的了解爐內(nèi)操作爐型的變化，這使得高爐操作帶有較大的經(jīng)驗性和隨意性，不利于煉鐵生產(chǎn)的優(yōu)化實現(xiàn)。因此，為實現(xiàn)高爐的長壽和可視化，本發(fā)明提出了一種高爐高負荷區(qū)域操作爐型計算方法，動態(tài)展示高爐高負荷區(qū)域爐襯、渣皮、冷卻壁熱面溫度的變化情況及趨勢，為工長判斷煤氣流分布、合理布料提供幫助，為提高煉鐵生產(chǎn)操作自動化水平提供借鑒意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供高爐高熱負荷區(qū)域操作爐型計算方法，采用計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對各冷卻壁熱面爐襯、渣皮厚度的變化趨勢的實時監(jiān)控，實現(xiàn)高爐高負荷區(qū)域的可視化。

所述的一種高爐高熱負荷區(qū)域操作爐型計算方法，操作步驟如下：

步驟一：數(shù)據(jù)準備及有效性判斷模塊：測量每塊冷卻壁冷卻水流量、冷卻水進口水溫、冷卻水出口水溫、銅冷卻壁熱電偶溫度，采用1min的平均值。對冷卻水流量、冷卻水進口水溫、冷卻水出口水溫、銅冷卻壁熱電偶溫度值的正常值范圍進行判定，剔除異常數(shù)據(jù)，組成計算樣本。

步驟二：剩余爐襯厚度計算的主要步驟如下：

步驟a：冷卻壁熱電偶溫度最高時熱流密度的求解：圖1為通常銅冷卻壁爐墻傳熱結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)能量守恒定律，冷卻壁熱電偶溫度最高時傳過爐墻的熱量與爐墻傳遞的熱量損失Q相等，爐墻傳遞的熱量損失Q又等于冷卻水帶走的熱量Q_水與爐殼散失的熱量Q_散之和，則通過爐墻的平均熱流密度q的計算公式為：

q為通過爐墻的平均熱流密度，W/m²；

Q_水為冷卻水帶走的熱量，W；

Q_散為爐殼散失的熱量，W；

S為冷卻壁的熱面面積，m²。

Step1：冷卻水帶走熱量Q_水求解，計算公式為：

ρ_水為冷卻水密度，kg/m³，計算公式為：C_p為水的比熱容，J/(kg·℃)，計算公式為：C_p＝4.21137-0.00222*T_水；

T₁為冷卻水進水溫度，℃；

T_水為冷卻水平均溫度，℃；

W為冷卻壁內(nèi)單管冷卻水流量，m³/h。

Step2：爐殼散失的熱量Q_散求解，計算公式為：

Q_散＝(α_殼1+α_殼2)*(t_殼-t_空)*S，

t_殼為爐殼溫度，℃；

t_空為爐殼周圍空氣溫度，℃；

α_殼1為爐殼外表面與空氣的自然對流換熱系數(shù)，W/(m²·℃)；

t_m為定性溫度，℃；

g為重力加速度，m/s²；

l為爐殼的特征尺寸，m；

η_空為空氣的粘度系數(shù)，m²/s，計算公式為：η_空＝1.31041×10^-5+t_m*9.92273×10^-8；

P_r為普朗特數(shù)，計算公式為：P_r＝0.70686-t_m·1.86364×10^-4；

λ_空為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，計算公式為：λ_空＝0.0244+t_m*7.66364×10^-5。

α_殼2為爐殼外表面與空氣的輻射換熱系數(shù)，W/(m²·℃)；

ε為爐殼表面黑度，常數(shù)；

C₀為黑體輻射系數(shù)，W/(m²·K⁴)。

步驟b：高熱負荷區(qū)域剩余爐襯厚度d_襯的求解：在冷卻壁熱電偶溫度達到歷史最高值時，認為渣皮完全脫落。此時根據(jù)步驟a得到的通過爐墻的平均熱流密度q，結(jié)合模型爐墻傳熱結(jié)構(gòu)示意圖2、熱阻示意圖進行剩余爐襯厚度的求解。計算公式如下：

d_襯為剩余爐襯厚度，mm；

T為銅冷卻壁熱電偶溫度，℃；

T_g為煤氣溫度，℃，計算公式為；

T_理為理論燃燒溫度，計算公式為：

T_f為鼓風(fēng)溫度，℃；Q_o為富氧量，m³/h；Q_m為噴吹煤量，t/h；Q_f為風(fēng)量，m³/min；

T_頂為不同方位爐頂十字測溫煤氣溫度，℃；(現(xiàn)場采集了“西北”“東北”“西南”“東南”的頂溫，“東”“西”“南”“北”四個方向的爐頂溫度需要進行計算，然后將每塊冷卻壁分配到上述8個方向，獲得各自的頂溫)即：

h_{風(fēng)口}為風(fēng)口的實際標高，m；

h_頂為爐頂十字測溫實際標高，m；

h_電偶為冷卻壁熱電偶標高，m。

R_銅為熱電偶位置到冷卻壁熱面的導(dǎo)熱熱阻，計算公式為：

d_銅為熱電偶位置到冷卻壁熱面的距離，m；

λ_銅為銅冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，計算公式為：λ_銅＝400-0.055*T；

λ_襯為剩余爐襯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

R_f為煤氣與渣皮對流換熱熱阻，計算公式為：

α_f為爐內(nèi)煤氣與渣皮的對流換熱系數(shù)，計算公式為：

步驟c：剩余爐襯厚度修正計算：若步驟b中剩余爐襯厚度的計算合理，在冷卻壁熱電偶溫度達到最高值時，爐墻表面的渣皮厚度應(yīng)該為0。如果不為0，說明剩余爐襯厚度計算存在偏差，需要進行修正。

由于爐墻傳遞的熱量損失與傳遞過程中各段的熱流量相等，即爐墻傳遞的熱量損失Q等于煤氣與渣皮、冷卻水與冷卻水管內(nèi)壁的對流換熱過程的熱流量Q₁，所以熱流密度q也應(yīng)該相等，計算公式為：

T_g為煤氣溫度，℃；

S為冷卻壁的熱面面積，m²；

T_水1為熱電偶標高位置處冷卻水溫度，℃，計算公式為：

T_進為冷卻水進口溫度，℃；

T_出為冷卻水出口溫度，℃；

△h為冷卻壁上、下端高度差，m；

h_電偶為冷卻壁熱電偶標高，m；

R_a為冷卻水與銅冷卻壁的對流換熱熱阻，計算公式為：

λ_水為水的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，計算公式為：λ_水＝0.567+0.0017*T_水1；

ρ_水為冷卻水密度，kg/m³，計算公式為：

C_p為水的比熱容，J/(kg·℃)，計算公式為：C_p＝4.21137-0.00222*T_水1；

v_水為冷卻水平均速度，m/s；

d為冷卻水通道截面直徑，m；

η_水為冷卻水粘度，m²/s；計算公式為：η_水＝(1.243-0.0146*T_水1)*0.000001；

R_b為冷卻壁體的導(dǎo)熱熱阻，計算公式為：

λ_銅為銅冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

d_b為壁體的厚度，m；

R_c為混合層的導(dǎo)熱熱阻，計算公式為：

d_c為混合層厚度，m；

λ_混為混合層導(dǎo)熱系系數(shù)，W/(m·℃)；

R_d為磚襯導(dǎo)熱熱阻，計算公式為：

d_襯為剩余爐襯厚度，m；

λ_襯為剩余爐襯導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

R_f為煤氣與渣皮對流換熱熱阻，計算公式為：

α_f為爐內(nèi)煤氣與渣皮的對流換熱系數(shù)，W/(m²·℃)，計算公式為：

T_g為煤氣溫度，℃。

計算得到的渣皮厚度值d_渣后，判斷剩余爐襯厚度值d_襯是否準確，判斷邏輯如下：

如果求得的|d_渣|<1mm，則認為剩余爐襯厚度計算準確，保存d_襯值；如果|d_渣|>1mm，則認為剩余爐襯厚度計算存在偏差，對剩余爐襯厚度公式進行修正，然后利用修正后d_襯重新計算d_渣，具體步驟如下：

1)如果d_渣>1mm，說明剩余爐襯厚度值d_襯過薄，需要增加額外的熱阻值R_額修正d_襯，R_額＝0.0001ζ(ζ＝1,2,3……)，剩余爐襯厚度計算公式為：

2)如果d_渣<―1mm，說明剩余爐襯厚度值d_襯過厚，需要減小額外的熱阻值R_額修正d_襯，R_額＝0.0001ζ(ζ＝1,2,3……)，剩余爐襯厚度計算公式為：

步驟三：高熱負荷區(qū)域渣皮厚度的計算：步驟二中剩余爐襯厚度值d_襯達到精度要求后，將剩余爐襯厚度值d_襯作為已知條件，選取當前的爐頂煤氣溫度、冷卻壁水流量、冷卻水進口溫度、冷卻水出口溫度、銅冷卻壁熱電偶溫度數(shù)據(jù)，帶入新的渣皮厚度計算公式求解，計算公式及判斷邏輯為：

λ_渣為爐渣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

q為通過爐墻的平均熱流密度，W/m²；

T_g為煤氣溫度，℃；

T_水1為熱電偶標高位置處冷卻水溫度，℃；

S為冷卻壁的熱面面積，m²；

R_a為冷卻水與銅冷卻壁的對流換熱熱阻；

R_b為冷卻壁體的導(dǎo)熱熱阻；

R_c為混合層的導(dǎo)熱熱阻；

R_d為磚襯導(dǎo)熱熱阻；

R_f為煤氣與渣皮對流換熱熱阻。

如果求得的渣皮厚度d_渣為負值，說明此時沒有渣皮生成，爐襯被進一步侵蝕。如果此時剩余爐襯厚度d_襯>0，需要對d_襯進行再次修正，計算公式為：

此時如果d_襯<0，則說明爐襯已經(jīng)侵蝕完全，不需再修正。

步驟四：銅冷卻壁熱面溫度的計算：根據(jù)步驟二中的計算得到的通過爐墻的平均熱流密度q，同時結(jié)合銅冷卻壁的熱阻情況，即可計算銅冷卻壁熱面溫度，計算公式為：

T_熱為冷卻壁熱面溫度，℃；

q為通過爐墻的平均熱流密度，W/m²；

T為冷卻壁熱電偶溫度，℃；

d_銅為熱電偶位置到冷卻壁熱面的距離，m；

λ_銅為銅冷卻壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)，計算公式為：λ_銅＝400-0.055*T。

本發(fā)明的有益效果是：通過計算得到高爐高熱負荷區(qū)域銅冷卻壁表面渣皮厚度、剩余爐襯厚度、銅冷卻壁熱面溫度，可以實現(xiàn)高爐高負荷區(qū)域操作爐型的實時監(jiān)控，對操作爐型的變化趨勢做出判斷，減少高熱負荷區(qū)域的熱損失，有助于延長高爐的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的爐墻傳熱結(jié)構(gòu)示意圖1。1為爐殼，2為填料，3為冷卻壁壁體，4為冷卻水，5為冷卻壁筋肋，6為渣皮，7為鑲磚，8為爐襯，9為熱電偶1，10為熱電偶2。

圖2為本發(fā)明所述的爐墻傳熱結(jié)構(gòu)示意圖2；11為第一絕熱邊界，12為冷卻水對流邊界、13為第二絕熱邊界、14為爐內(nèi)煤氣對流邊界、15為第一熱電偶，16為第二熱電偶。

圖3為本發(fā)明所述的熱阻示意圖。

圖4為本發(fā)明所述的渣皮厚度計算流程圖。

圖5為本發(fā)明所述的剩余爐襯厚度計算流程圖。

圖6為本發(fā)明所述的第8段冷卻壁結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更加明顯易懂，結(jié)合附圖以遷鋼3號高爐第8段A_TSS5M08212號冷卻壁的結(jié)構(gòu)和參數(shù)為例，如圖6所示，對本發(fā)明作進一步詳細說明：

步驟一：數(shù)據(jù)準備及有效性判斷模塊：測量每塊冷卻壁冷卻水流量、冷卻水進口水溫、冷卻水出口水溫、銅冷卻壁熱電偶溫度，采用1min的平均值。并分別對水流量、冷卻水進口水溫、冷卻水出口水溫、銅冷卻壁熱電偶溫度值的正常值范圍進行判定，剔除異常數(shù)據(jù)，組成計算樣本。

步驟二：剩余爐襯厚度計算，表―1為計算用到的基礎(chǔ)量，具體步驟如下：

表―1第8段冷卻壁剩余爐襯厚度計算基礎(chǔ)量

步驟a：冷卻壁熱電偶溫度最高時熱流密度的求解：

Step1：冷卻水帶走熱量Q_水：

Step2：爐殼散失的熱量Q_散：

Q_散＝(α_殼1+α_殼2)·(t_殼-t_空)·S

＝(3.068827806+3.880357012)*(70-30)*2.459，

＝683.52W

根據(jù)能量守恒定律，冷卻壁熱電偶溫度最高時傳過爐墻的熱量與爐墻傳遞的熱量損失Q相等，而爐墻傳遞的熱量損失Q又等于冷卻水帶走的熱量Q_水與爐殼散失的熱量Q_散之和，則通過爐墻的平均熱流密度q為：

步驟b：高熱負荷區(qū)域剩余爐襯厚度d_襯的求解：在冷卻壁熱電偶溫度達到歷史最高值時，認為渣皮完全脫落。此時根據(jù)步驟b得到的熱流密度q，進行剩余爐襯厚度的求解。模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖2、3所示：

步驟c：剩余爐襯厚度修正計算：若步驟c中剩余爐襯厚度的計算合理，在冷卻壁熱電偶溫度最高值點，爐墻傳熱計算得到的渣皮厚度值應(yīng)該為0。如果不為0，剩余爐襯厚度值需要進行修正，模型示意圖如圖4所示。利用步驟b中得到的剩余爐襯厚度d_襯，計算冷卻壁熱電偶溫度達到最高值時的渣皮厚度：

此時|d_渣|<1mm，認為剩余爐襯厚度計算準確，剩余爐襯厚度d_襯＝32mm。

步驟三：高熱負荷區(qū)域渣皮厚度的計算：將剩余爐襯厚度d_襯作為已知條件，選取當前時間的爐頂煤氣溫度、冷卻壁水流量、冷卻水進口溫度、冷卻水出口溫度、銅冷卻壁熱電偶溫度數(shù)據(jù)，帶入新的渣皮厚度計算公式，進行渣皮厚度d_渣求解，表―2為計算用到的基礎(chǔ)量：

表―2第8段冷卻壁渣皮厚度計算基礎(chǔ)量

步驟四：銅冷卻壁熱面溫度的計算：由表-2可知，熱電偶距冷卻壁熱面的距離d_銅＝0.02m，銅冷卻壁熱面溫度為：