高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护系统技术方案

一种高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护系统，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高炉炉缸炉底在线监测、诊断、预警和维护
，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系统，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 法和工业应用系统。
技术介绍
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系统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系统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系统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5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系统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、碳砖和冷却系统间出现气隙、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系统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系统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系统处于 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系统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系统在基础数据选择、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。
技术实现思路
本专利技术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系统，克 服了已有炉缸炉底监测方法或系统在基础数据选择、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。本专利技术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，应用现代专家系统理论，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。本专利技术包括数据采集模块、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系统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(热电偶一电桥调平一放大滤波一数模转换一微处理器一上位机)。.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 (本文档来自技高网...

【技术保护点】
高炉炉缸三维非稳态监测和异常诊断及维护系统，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ρＣ↓［ｐ］＊Ｔ／＊ｔ＝＊／＊ｚ（ｋ＊Ｔ／＊ｔ）＋ｌ／ｒ＊／＊ｒ（ｋｒ＊Ｔ／＊ｒ）＋ｌ／ｒ＊／＊θ（ｋ／ｒ＊Ｔ／＊θ）＋ｓ，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系统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。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插入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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马金芳，万雷，王尉平，贾国利，郑敬先，高忠信，刘艳玲，程树森，赵宏博，宋小鹏，
申请(专利权)人：河北省首钢迁安钢铁有限责任公司，首钢总公司，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]