專利名稱：高爐爐缸三維非穩態監測和異常診斷及維護系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于高爐爐缸爐底在線監測、診斷、預警和維護技術領域，特別是提供了一 種高爐爐缸三維非穩態監測和異常診斷及維護系統，如何實時采集和濾波高爐爐缸冷卻水 溫和爐體磚襯中熱電偶溫度，如何依據這兩種基礎數據對爐缸爐底三維非穩態溫度場、侵 蝕內型、渣鐵殼變化進行在線監測和預警，對環裂、氣隙、串氣等異常和爐缸爐底侵蝕加劇 原因進行診斷，以及根據不同侵蝕加劇原因采取有針對性的手段對爐缸進行有效維護的方 法和工業應用系統。
背景技術：
隨著高爐冶煉強度的提高和原料條件的波動，爐缸爐底越來越成為高爐長壽高效 生產的限制性環節。目前國內外多座高爐，都出現了嚴重的“象腳狀”侵蝕甚至爐缸燒穿的 重大事故。因此，準確地監測爐缸爐底工作狀態并據此做出合理的生產操作調節和護爐措 施，是實現高爐長壽高效生產的關鍵，但是高爐是一個高溫高壓密閉的冶金反應器，在生產 時無法利用工業CT及其它一些無損檢測設備對其爐缸爐底的侵蝕內型進行準確檢測，只 能依據爐體可檢測數據來判斷和監測其工作狀態。目前國內外已有的高爐爐缸爐底監測方法，大多是通過單獨采集爐體熱電偶 溫度或爐缸冷卻水溫差熱流，建立“兩點法” 一維傳熱模型，或者是二維穩態/非穩態模 型來進行侵蝕計算，如文獻 1 (S. K. ISIJ International, 2005,45 (8) :1122)、文獻 2 (K. T. ISIJInternational, 2001,41 (10) :1139)、文獻 3 (吳俐俊·上海交通大學學報· 2004， 38(10) :1733.)等報道，這些已有的方法雖然利用神經網絡、“虛擬邊界”等手段考慮了高爐 運行過程中侵蝕邊界不定和渣鐵殼變化對爐缸爐底溫度場和侵蝕的影響，但是在高爐現場 應用中仍存在較大的缺陷，具體如下(1)已有爐缸監測方法或系統在基礎數據選擇上存在問題都是單獨采集爐缸冷 卻壁水溫差或者是磚襯內熱電偶溫度來對爐缸工作狀態進行判斷，但是單獨依靠爐缸冷卻 壁水溫差熱流來判斷爐缸侵蝕時，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燒穿而非面燒穿；單獨依靠磚襯內熱電偶溫度來判斷爐缸侵蝕時， 由于電偶數目有限，沒有電偶的地方將失去侵蝕判斷依據，而且在爐役末期(高爐爐缸需 要重點監測階段)磚襯內電偶往往已損壞較多，這樣因基礎數據不足將導致侵蝕監測的準 確性大大降低。(2)已有爐缸監測方法或系統在基礎數據采集上存在問題大多將采集的數據直 接用于爐缸工作狀態診斷，缺乏對錯誤數據的濾波，如基礎數據錯誤將直接導致判斷結果 錯誤并可能破壞連續監測的準確性。此外，在冷卻水溫采集方面大多采用傳統的多模塊電 路模擬信號傳輸，數據累積誤差大且傳輸過程易受干擾。(3)已有爐缸監測方法或系統在推斷爐缸侵蝕時的計算模型選擇存在問題大多 采用一維或二維、直角坐標(矩形)、不包含鐵水凝固潛熱的穩態計算模型，這和高爐爐缸 爐底在三維方向上設計及侵蝕不對稱、幾何形狀近似為圓柱狀、渣鐵殼形成釋放凝固潛熱
5的實際情況不符，導致爐缸侵蝕推測結果和實際差別較大。(4)已有爐缸監測方法或系統在判斷爐缸是否存在異常時存在空白通過爐缸 爐底侵蝕機理研究和國內數十座高爐的侵蝕監測及破損調研(本專利申請者長期致力于 高爐長壽技術和侵蝕監測研究，承擔并完成了爐缸侵蝕監測相關的國家“八五”、“九五”、 “十一五”、自然科學基金課題和首鋼、太鋼、唐鋼、攀鋼等眾多廠協項目)，我們發現高爐投 產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、熱應力變化以及填搗料 中水分及揮發份的去除，爐缸爐底工作狀態明顯變化和侵蝕加劇的原因往往是由于異常情 況的發生，如爐缸碳磚環裂、碳磚和冷卻系統間出現氣隙、串氣、耐材導熱系數異常變化、爐 底滲鐵等，而目前已有的侵蝕監測方法或系統都沒有對這些異常情況進行判斷和預警。(5)已有爐缸監測方法或系統在顯示預警功能上存在問題大多只顯示單條爐缸 爐底侵蝕線，缺乏對爐缸爐底各個部位不同溫度的顯示；在計算爐缸爐底侵蝕時系統處于 無響應狀態不支持人機對話；在對爐缸狀態進行歷史查詢時只能提供數據查詢缺乏對爐缸 侵蝕內型的直觀查詢顯示；不具備爐缸侵蝕超限、爐缸結厚、爐缸不活等實時預警提示功 能。(6)已有爐缸監測方法或系統在指導爐缸維護上存在空白大多只能對爐缸侵蝕 嚴重程度或者是磚襯剩余厚度做出判斷，都未能對侵蝕加劇的原因做出診斷，也就無法指 導有針對性地爐缸維護和生產操作調節。綜上，目前已有的爐缸爐底監測預警方法或系統在基礎數據選擇、侵蝕計算模型 選擇、爐缸工作狀態預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、指導爐 缸維護方面仍存在著空白，未能和高爐安全高效生產有機地結合。

發明內容
本發明的目的在于提供一種高爐爐缸三維非穩態監測和異常診斷及維護系統，克 服了已有爐缸爐底監測方法或系統在基礎數據選擇、侵蝕計算模型選擇、爐缸工作狀態預 警提示方面存在的不足以及在異常侵蝕加劇原因診斷、指導爐缸維護等方面存在的空白； 能夠實時采集和濾波爐缸冷卻壁水溫和爐體熱電偶溫度，將兩種數據結合起來采用傳熱學 “正反問題”結合“異常診斷”標準，綜合判斷耐火材料導熱系數變化、環裂、滲鐵、氣隙等生 產中可能出現的異常對溫度場分布及侵蝕的影響，聯合梯度正則化和混沌優化法求解，實 現對爐缸爐底三維非穩態溫度場、侵蝕內型、渣鐵殼變化、爐缸熱狀態的在線監測，對異常 情況和侵蝕加劇原因的實時診斷、預警，并根據侵蝕加劇原因智能指導采取有針對性的爐 缸維護手段，已成功實現了此方法的工業應用。本發明的技術方案為通過爐缸爐底侵蝕機理研究，以計算流體力學、計算傳熱學 為基礎，應用現代專家系統理論，對爐缸爐底侵蝕機理進行知識處理，建立高爐爐缸爐底“ 異常診斷"模塊，實時采集爐缸冷卻壁進出水溫和爐體熱電偶溫度，采用傳熱學“正反問 題”結合“異常診斷”的方法，綜合判斷耐火材料導熱系數變化、環裂、滲鐵、氣隙等生產中可 能出現的異常對溫度場分布及侵蝕的影響，聯合梯度正則化和混沌優化法求解，對爐缸爐 底三維非穩態溫度場、侵蝕內型、渣鐵殼變化、爐缸熱狀態進行在線監測，對異常情況和侵 蝕加劇原因進行實時診斷，并根據侵蝕加劇原因指導采取有針對性的爐缸維護手段。本發明包括數據采集模塊、數據過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊、異常診斷模塊、顯示預警模塊、指導爐缸維護模塊，其中數據采集模型負責實時采集爐缸冷卻壁水溫 和爐體熱電偶溫度，數據過濾模型對采集的實時數據進行自動濾波，濾波后的數據傳入異 常診斷模塊進行異常知識判斷，采集過濾的數據和得出的診斷結果一起導入侵蝕結厚計算 模塊進行溫度場和侵蝕結厚的計算，顯示預警模型將計算結果反饋給高爐操作人員，指導 爐缸維護模型依據計算和預警結果給出合理護爐手段建議。1.基礎數據采集模塊本系統判斷爐缸狀態是同時采集和依靠爐缸冷卻壁水溫差熱流以及爐缸爐底磚 襯內熱電偶溫度，不但實現了“點面結合”，還可以判斷爐缸熱狀態以及環裂、氣隙等異常的存在。在采集冷卻壁進出水溫時，摒棄了傳統的復雜、誤差累積較大且傳輸易受干擾的 電路設計(熱電偶一電橋調平一放大濾波一數模轉換一微處理器一上位機)。.基礎數據采集模塊基于數字傳感器的采集模塊設計將高精度數字溫度傳感器 (分辨率0. 030C )封裝在不銹鋼探頭中，傳感器通過在一個由對溫度高度敏感的振蕩器決 定的計數周期內對振蕩器時鐘脈沖計數值的計算來測量溫度，不僅簡化了電路也徹底排除 了電源電壓高低對測量的影響。探頭要迎著來流的方向插入水管中心以最小化探頭對管內 水流的阻損，避免形成旋流或死區，探頭在設計上充分考慮到對溫度變化的敏感性和跟隨 性，測溫探頭壁厚1mm，測溫探頭內部封裝時使用高導熱硅膠將傳感器澆灌固定在探頭中， 測溫探頭中除傳感器以往的空腔均使用低導熱材料填充使用低導熱材料，使測溫探頭對冷 卻水溫變化具有很強的跟隨性和實時性而又不易受到外部熱源的干擾，整個測溫探頭引出 包含4根導線的防水航空接頭(四根導線為電源線(正負)、數據線、時鐘信號線)。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據。此設計節省了放大、濾波、 模數變換電路，消除了模擬信號處理電路易受干擾的中間環節。微處理器的一條串行總線 上可以串行多個傳感器，節省了大量線路，也利于維護。實際應用中對總線使用信號加強電 路，對總線中數字信號采用0V/+12V電平信號，微處理器電路使用0V/+5V信號，保證數字信 號在較長傳輸距離內有很強的抗干擾性能。傳感器經微處理器巡檢收集后進行封裝加CRC 校驗通過485總線傳輸到上位機，在上位機通過串口每分鐘對全部微處理器發送溫度信號 收集指令，完成對高爐爐缸冷卻壁水溫數據的實時采集。在采集爐缸爐底磚襯內熱電偶溫度時，如果高爐現場數據存儲交換采用OPC方 式，則利用DCOM技術依據磚襯內電偶的具體標簽名訪問讀取其溫度數據，如果數據存儲采 用0racle、SQL Server.FoxPro等二級數據庫服務器，則利用ADO技術依據服務器中電偶溫 度數據所在的表名和記錄位置讀取。2.基礎數據濾波模塊由于高爐現場的復雜環境，實時采集的爐缸狀態判斷基礎數據_爐缸冷卻壁水溫 和磚襯內電偶溫度往往可能由于受到干擾而失真，而已有的監測方法或系統大多缺乏對基 礎數據有效性的判斷，在數據失真時可能給出和爐缸內實際狀態相差很大的判斷結果，因 此在數據采集模塊后結合高爐冶煉特點創新性地研發了基礎數據濾波模塊，包含的濾波條 件如下(1)根據傳熱學原理，熱量由爐內高溫鐵水傳至爐外冷卻系統，溫度也是逐漸降 低，因此如果爐體磚襯內同一標高的前后或同一深度的上下熱電偶溫度不符合傳熱學原理，要對此類數據進行校核；(2)如果爐體磚襯內電偶溫度低于20°C或者高于其量程(多數壞點顯示32767)， 要對此類溫度進行過濾；(3)要實時記錄磚襯電偶溫度和冷卻水溫差，如果發現某個電偶的溫度或冷卻水 溫差很短時間內大幅度升高或降低(如某些電偶5分鐘內變化超過50°C，水溫差在1分鐘 內波動超過0. 5°C )，要對此類溫度進行標記，采用時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，對此類溫度也要進行標記，和 相鄰其它電偶的溫度進行比較，并記錄其不變時間來判斷其有效性。3.異常診斷模塊如前所述，高爐在運行過程中爐缸工作失常往往是由于氣隙、環裂等異常引起，如 果不能對這些異常進行準確判斷而僅僅是單獨依靠爐缸水溫差熱流或者是磚襯電偶溫度 來推測爐內狀態變化，將產生很大的偏差。如當爐缸產生氣隙時，冷卻壁水溫差熱流降低但 是實際爐內侵蝕卻在加??；如爐底滲鐵時磚襯電偶溫度升高但實際侵蝕可能并不嚴重。因 此，爐缸異常診斷模塊的建立尤為關鍵，也是此發明區別與其它方法或系統的核心內容之 一，此模塊是針對具體高爐，利用現代專家系統技術對其侵蝕機理進行處理，在對基礎數據 進行采集和濾波后，結合冷卻壁熱流、熱流變化、磚襯電偶實時溫度、最高溫度、電偶溫度變 化、磚襯尺寸、磚襯導熱系數等，創新性地建立如下異常診斷標準(1)建立爐缸冷卻壁熱流和磚襯熱電偶溫度的歷史最高數據庫，將在線采集和濾 波的實時溫度數據T和歷史最高數據Tw進行比較，如果T > Tw則更新歷史最高數據庫并判 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據庫；(2)通過爐缸側壁同一標高處的前后熱電偶實時(Tf、Tb)溫度、溫度變化值(ATf、 △Tb)、熱電偶間距(L)、對應冷卻壁的熱流強度(q)、熱流強度變化值(Aq)磚襯原始導熱 參數(k0)判斷磚襯導熱系數是否異常變化，當(Aq*ATf*ATb3 0)&&(Tf>Tb)時，如果
:k。< ^-^r ’則磚襯導熱系數升高，反之則磚襯導熱系數降低。(3)通過爐缸側壁前后熱電偶溫度比較和不同變化趨勢判斷環裂，如果(Aq
<0)&&(ATf > 0)&&(ATb < 0)，則判斷存在環裂。(4)通過爐缸側壁靠熱面的熱電偶變化結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態侵蝕計算確定拐角區域熱電偶溫度隨爐缸側壁和爐 底厚度變化的敏感性。4.爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊如前所述，目前已有的監測方法或系統在此模塊上所選擇的溫度場計算模型和實 際高爐不符。我們根據高爐爐缸爐底的實際形狀近似為圓柱形，考慮爐缸爐底在侵蝕變化 時屬于非穩態升溫過程，且鐵水在相變過程中要釋放凝固潛熱，創新性地建立了三維非穩 態柱坐標包含凝固潛熱的爐缸爐底溫度場計算模型，根據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-時間，k-單元體導熱系數；S-單元體內的熱源項。選擇凝固潛熱作為源項的方法，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成的源項作為求解對象，直接進行差分計算，源項與時間間隔前后各 自的相變率(溫度)有關，具體處理如下
其中T1液相線溫度，Ts固相線溫度。 建立合理的溫度場計算模型和方法后，通過“正反問題”相結合的方法，建立基 礎數據與計算溫度之差為最小的目標函數，構成求解侵蝕內型的優化模型，其求解步驟如 下Stepl利用爐缸爐底傳熱學正問題，給定初始內邊界；St印2利用已知的高爐設計資料及生產數據，結合“異常診斷”模塊，對可能出現的 異常情況進行判斷和處理；Step3結合爐缸熱流和熱電偶測溫數據及啟發式知識，給出侵蝕內邊界預測的目 標函數及優化數學模型；St印4用梯度正規化方法求得正則解；St印5把待求內邊界由所給取值范圍變換到混沌變量的取值范圍
。St印6進行混沌搜索若干步，若搜索不到比已得到的內邊界更好的點，則計算結 束；否則以所搜索到的更好點取代已求出的內邊界，然后以此為迭代值，轉step4。5.顯示預警模塊此模塊主要是將上述模塊的判斷結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的顯示預警掌握爐缸內部的狀態，但是目前已有的監測方法或 系統在此方面仍存在著不足，如大多只是將計算出的1150°C侵蝕線或者是渣鐵殼線顯示出 來，未能給出整個爐缸爐底的溫度場分布，也不能對爐缸出現的異常進行預警提示。為了克 服這些不足，我們充分依據高爐人員直觀、快速、準確、全面掌握侵蝕情況和爐缸熱負荷的 需求，開發的顯示預警模塊所包含的創新點如下(1)通過采用多線程技術將數據采集和爐缸爐底三維非穩態溫度場計算工作放入 后臺自動處理，實現人機界面始終處于可響應狀態；(2)以列表形式對爐缸冷卻壁水溫差和熱負荷進行自動排序，以圓周餅圖方式顯 示爐缸熱負荷分布，以紅、黃、綠三種顏色對應顯示爐缸熱負荷處于超限、預警和安全工作 狀態；(3)自動更新顯示爐缸爐底橫、縱剖面的三維侵蝕內型和渣鐵殼生成脫落，自動統 計和顯示爐缸和爐底最嚴重侵蝕位置及剩余磚襯厚度，并根據最嚴重侵蝕厚度和預警標準 的比較給出爐缸是否處于安全工作狀態的預警提示；
(4)實時顯示爐缸爐底從50°C到1500°C光滑過渡的三維溫度云圖、多溫度等溫線 分布，支持鼠標移動取點顯示爐缸爐底任一點的溫度、材質和位置參數，實現對整個爐缸爐 底的三維監測。(5)提供爐缸爐底歷史侵蝕內型、渣鐵殼形狀、溫度云圖和等溫線的查詢和繪制。6.指導爐缸維護模塊在對爐缸異常進行實時診斷和對爐缸侵蝕進行計算監測的基礎上，創新性地研發 了智能指導爐缸維護模塊，該模塊的發明內容如下(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平衡，如果侵蝕未達平衡，從爐外冷卻和爐內 鐵水流動兩方面來對爐缸進行維護。(2)如果爐缸側壁存在氣隙，則采取在線壓漿技術，但要注意壓力控制和提高壓入 材料的導熱性。(3)如果爐缸側壁存在串氣或環裂，除了采取壓漿技術外，還要注意對風口漏水的 巡檢，以及對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，尤其是出現嚴重“象腳狀”侵蝕時，要根據侵蝕情況采 取適當時間的堵風口措施；(5)如果爐缸爐底填搗料熱阻在高爐運行中出現異常變化，成為傳熱限制性環節， 要根據侵蝕情況適當采取增布冷卻水管。(6)如果爐缸熱損失過大(針對具體材質結構的爐缸其合理熱負荷也不同)，要適 當控制爐缸爐底冷卻強度和出鐵操作。有益效果本發明的有益效果是相比其它爐缸爐底監測方法或系統，該發明能夠同時監測 爐缸熱狀態、三維侵蝕和渣鐵殼變化，自動判斷環裂、氣隙、串氣等異常的發生，自動對侵蝕 加劇的原因做出診斷，智能指導高爐技術人員采取有效的護爐手段和合理的生產操作調 節。該發明在鋼鐵企業高爐上成功實現了其工業應用，通過及時準確地監測即防止了爐缸 燒穿重大事故的發生，如準確診斷出唐鋼3號高爐和萊鋼3號高爐爐缸“象腳狀”侵蝕指導 了及時護爐和停爐，且模型計算結果和此后停爐大修調研一致；又實現了對爐缸的有效維 護、降低了運行成本并延長了高爐壽命，如遷鋼1號高爐爐缸自動監測診斷系統實時準確 地判斷出不同時期的爐缸侵蝕加劇原因，進而指導高爐現場采取有針對性的維護手段，大 大降低了其護爐成本和爐缸熱損失，帶來的經濟效益超過1000萬元/年，實現了爐缸長壽 和保溫的統一。


圖1為本發明實現對爐缸爐底工作狀態監測的流程圖。圖2為本發明工業應用系統的各模塊組成和關系圖。圖3為本發明中封裝數字傳感器的測溫探頭設計圖。圖4為本發明中爐缸爐底侵蝕結厚監測畫面。圖5為本發明中爐缸爐底等溫線顯示畫面。圖6為本發明中爐缸爐底溫度云圖顯示畫面。
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具體實施例方式本發明包括數據采集模塊、數據過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊、異常診斷 模塊、顯示預警模塊、指導爐缸維護模塊；其中數據采集模型負責實時采集爐缸冷卻壁水溫 和爐體熱電偶溫度，數據過濾模型對采集的實時數據進行自動濾波，濾波后的數據傳入異 常診斷模塊進行異常知識判斷，采集過濾的數據和得出的診斷結果一起導入侵蝕結厚計算 模塊進行溫度場和侵蝕結厚的計算，顯示預警模型將計算結果反饋給高爐操作人員，指導 爐缸維護模型依據計算和預警結果給出合理護爐手段建議?；A數據采集模塊基于數字傳感器的采集模塊設計將分辨率0. 03°C的高精度 數字溫度傳感器封裝在不銹鋼探頭中，傳感器通過在一個由對溫度高度敏感的振蕩器決定 的計數周期內對振蕩器時鐘脈沖計數值的計算來測量溫度，探頭要迎著來流的方向插入水 管中心以最小化探頭對管內水流的阻損，避免形成旋流或死區，測溫探頭壁厚1mm，測溫探 頭內部封裝時使用高導熱硅膠將傳感器澆灌固定在探頭中，測溫探頭中除傳感器以往的 空腔均使用低導熱材料填充使用低導熱材料，使測溫探頭對冷卻水溫變化具有很強的跟 隨性和實時性而又不易受到外部熱源的干擾，整個測溫探頭引出包含4根導線的防水航 空接頭；將航空接頭直接接入微處理器IO端口，讀取傳感器溫度數據，微處理器的一條串 行總線上串行多個傳感器，實際應用中對總線使用信號加強電路，對總線中數字信號采用 0V/+12V電平信號，微處理器電路使用0V/+5V信號，保證數字信號在較長傳輸距離內有很 強的抗干擾性能。傳感器經微處理器巡檢收集后進行封裝加CRC校驗通過485總線傳輸到 上位機，在上位機通過串口每分鐘對全部微處理器發送溫度信號收集指令，完成對高爐爐 缸冷卻壁水溫數據的實時采集；基礎數據濾波模塊包含的濾波條件如下(1)熱量由爐內高溫鐵水傳至爐外冷卻系統，溫度也是逐漸降低，當爐體磚襯內同 一標高的前后或同一深度的上下熱電偶溫度不符合傳熱學原理，要對此類數據進行校核；(2)當爐體磚襯內電偶溫度低于20°C或者高于其量程多數壞點顯示32767時，要 對此類溫度進行過濾；(3)實時記錄磚襯電偶溫度和冷卻水溫差，當發現某個電偶的溫度或冷卻水溫差 很短時間內大幅度升高或降低，對此類溫度進行標記，采用時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，對此類溫度也要進行標記，和 相鄰其它電偶的溫度進行比較，并記錄其不變時間來判斷其有效性；異常診斷模塊是針對具體高爐，利用現代專家系統技術對其侵蝕機理進行處理， 在對基礎數據進行采集和濾波后，結合冷卻壁熱流、熱流變化、磚襯電偶實時溫度、最高溫 度、電偶溫度變化、磚襯尺寸、磚襯導熱系數，建立常診斷標準爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊建立了三維非穩態柱坐標包含凝固潛熱的爐缸爐底 溫度場計算模型，根據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-時間，k-單元體導熱系數；S-單元體內的熱源項；顯示預警模塊是將上述模塊的判斷結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的顯示預警掌握爐缸內部的狀態；指導爐缸維護模塊的內容如下(1)當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平衡，如果侵蝕未達平衡，從爐外冷卻和爐內 鐵水流動兩方面來對爐缸進行維護；(2)當爐缸側壁存在氣隙，則采取在線壓漿技術，但要注意壓力控制和提高壓入材 料的導熱性；(3)當爐缸側壁存在串氣或環裂，除了采取壓漿技術外，還要注意對風口漏水的巡 檢，以及對入爐鋅堿金屬的控制，提高爐渣排堿能力；(4)當局部侵蝕異常加劇，尤其是出現嚴重“象腳狀”侵蝕時，要根據侵蝕情況采取 適當時間的堵風口措施；(5)當爐缸爐底填搗料熱阻在高爐運行中出現異常變化，成為傳熱限制性環節，要 根據侵蝕情況適當采取增布冷卻水管；(6)當爐缸熱損失過大，要控制爐缸爐底冷卻強度和出鐵操作。針對具體高爐，在高爐爐缸冷卻壁的進出水管上安裝高精度數字測溫探頭，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，同時實時采集高爐服務器中的爐 體磚襯電偶溫度，將采集到的數據進行濾波后作為上位機爐缸監測系統所需的基礎數據， 這些基礎數據經過上位機安裝的濾波模塊、異常診斷模塊、侵蝕計算模塊、顯示預警模塊和 維護指導模塊自動處理后，高爐操作人員就可以根據人機界面顯示的爐缸爐底溫度場分 布、侵蝕內型、渣鐵殼形狀、爐缸熱負荷等直觀全面地掌握爐缸是否處于安全正常的工作狀 態，并根據系統自動給出的爐缸維護提示采取有針對性的護爐手段，以實現高爐的長壽和 高效生產。
1權利要求
高爐爐缸三維非穩態監測和異常診斷及維護系統，其特征在于，包括數據采集模塊、數據過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊、異常診斷模塊、顯示預警模塊、指導爐缸維護模塊，其中數據采集模型負責實時采集爐缸冷卻壁水溫和爐體熱電偶溫度，數據過濾模型對采集的實時數據進行自動濾波，濾波后的數據傳入異常診斷模塊進行異常知識判斷，采集過濾的數據和得出的診斷結果一起導入侵蝕結厚計算模塊進行溫度場和侵蝕結厚的計算，顯示預警模型將計算結果反饋給高爐操作人員，指導爐缸維護模型依據計算和預警結果給出合理護爐手段建議；基礎數據采集模塊基于數字傳感器的采集模塊設計將分辨率0.03℃的高精度數字溫度傳感器封裝在不銹鋼探頭中，傳感器通過在一個由對溫度高度敏感的振蕩器決定的計數周期內對振蕩器時鐘脈沖計數值的計算來測量溫度，探頭要迎著來流的方向插入水管中心以最小化探頭對管內水流的阻損，避免形成旋流或死區，測溫探頭壁厚1mm，測溫探頭內部封裝時使用高導熱硅膠將傳感器澆灌固定在探頭中，測溫探頭中除傳感器以往的空腔均使用低導熱材料填充，使用低導熱材料，使測溫探頭對冷卻水溫變化具有很強的跟隨性和實時性而又不易受到外部熱源的干擾，整個測溫探頭引出包含4根導線的防水航空接頭；將航空接頭直接接入微處理器IO端口，讀取傳感器溫度數據，微處理器的一條串行總線上串行多個傳感器，實際應用中對總線使用信號加強電路，對總線中數字信號采用0V/+12V電平信號，微處理器電路使用0V/+5V信號，保證數字信號在較長傳輸距離內有很強的抗干擾性能。傳感器經微處理器巡檢收集后進行封裝加CRC校驗通過485總線傳輸到上位機，在上位機通過串口每分鐘對全部微處理器發送溫度信號收集指令，完成對高爐爐缸冷卻壁水溫數據的實時采集；基礎數據濾波模塊包含的濾波條件如下(1)熱量由爐內高溫鐵水傳至爐外冷卻系統，溫度也是逐漸降低，當爐體磚襯內同一標高的前后或同一深度的上下熱電偶溫度不符合傳熱學原理，要對此類數據進行校核；(2)當爐體磚襯內電偶溫度低于20℃或者高于其量程多數壞點顯示32767時，要對此類溫度進行過濾；(3)實時記錄磚襯電偶溫度和冷卻水溫差，當發現某個電偶的溫度或冷卻水溫差很短時間內大幅度升高或降低，對此類溫度進行標記，采用時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，對此類溫度也要進行標記，和相鄰其它電偶的溫度進行比較，并記錄其不變時間來判斷其有效性；異常診斷模塊是針對具體高爐，利用現代專家系統技術對其侵蝕機理進行處理，在對基礎數據進行采集和濾波后，結合冷卻壁熱流、熱流變化、磚襯電偶實時溫度、最高溫度、電偶溫度變化、磚襯尺寸、磚襯導熱系數，建立常診斷標準；爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊建立了三維非穩態柱坐標包含凝固潛熱的爐缸爐底溫度場計算模型，根據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-時間，k-單元體導熱系數；s-單元體內的熱源項；顯示預警模塊是將上述模塊的判斷結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的顯示預警掌握爐缸內部的狀態；指導爐缸維護模塊的內容如下(1)當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平衡，如果侵蝕未達平衡，從爐外冷卻和爐內鐵水流動兩方面來對爐缸進行維護；(2)當爐缸側壁存在氣隙，則采取在線壓漿技術，但要注意壓力控制和提高壓入材料的導熱性；(3)當爐缸側壁存在串氣或環裂，除了采取壓漿技術外，還要注意對風口漏水的巡檢，以及對入爐鋅堿金屬的控制，提高爐渣排堿能力；(4)當局部侵蝕異常加劇，尤其是出現嚴重“象腳狀”侵蝕時，要根據侵蝕情況采取適當時間的堵風口措施；(5)當爐缸爐底填搗料熱阻在高爐運行中出現異常變化，成為傳熱限制性環節，要根據侵蝕情況適當采取增布冷卻水管；(6)當爐缸熱損失過大，要控制爐缸爐底冷卻強度和出鐵操作。FSA00000159976600021.tif
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述的異常診斷標準包括(1)建立爐缸冷卻壁熱流和磚襯熱電偶溫度的歷史最高數據庫，將在線采集和濾波的 實時溫度數據T和歷史最高數據Tw進行比較，如果T > Tw則更新歷史最高數據庫并判斷此 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據庫；(2)通過爐缸側壁同一標高處的前后熱電偶實時(Tf、Tb)溫度、溫度變化值(ATf、 △Tb)、熱電偶間距(L)、對應冷卻壁的熱流強度(q)、熱流強度變化值(Aq)磚襯原始導熱 參數(k0)判斷磚襯導熱系數是否異常變化，當(Aq*ATf*ATb3 0)&&(Tf>Tb)時，如果kn<，則磚襯導熱系數升高，反之則磚襯導熱系數降低；1J ~Lb(3)通過爐缸側壁前后熱電偶溫度比較和不同變化趨勢判斷環裂，如果(Aq<0) && ( Δ Tf > 0) && ( Δ Tb < 0)，則判斷存在環裂；(4)通過爐缸側壁靠熱面的熱電偶變化結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態侵蝕計算確定拐角區域熱電偶溫度隨爐缸側壁和爐底厚 度變化的敏感性。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述凝固潛熱作為源項的方法，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；將相變熱構成的源項作為求解對象，直接進行差分計算，源項與時間間隔前后各自的相變率(溫度)有關，具體處理如下 ，其中T1液相線溫度，Ts固相線溫度； ΔγTi-Ts建立合理的溫度場計算模型和方法后，通過“正反問題”相結合的方法，建立基礎數據與計算溫度之差為最小的目標函數，構成求解侵蝕內型的優化模型，其求解步驟如下 Stepl利用爐缸爐底傳熱學正問題，給定初始內邊界；St印2利用已知的高爐設計資料及生產數據，結合“異常診斷”模塊，對可能出現的異常 情況進行判斷和處理；Step3結合爐缸熱流和熱電偶測溫數據及啟發式知識，給出侵蝕內邊界預測的目標函 數及優化數學模型；St印4用梯度正規化方法求得正則解；St印5把待求內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進行混沌搜索若干步，若搜索不到比已得到的內邊界更好的點，則計算結束；否 則以所搜索到的更好點取代已求出的內邊界，然后以此為迭代值，轉step4。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，顯示預警模塊包括如下內容(1)通過采用多線程技術將數據采集和爐缸爐底三維非穩態溫度場計算工作放入后臺 自動處理，實現人機界面始終處于可響應狀態；(2)以列表形式對爐缸冷卻壁水溫差和熱負荷進行自動排序，以圓周餅圖方式顯示 爐缸熱負荷分布，以紅、黃、綠三種顏色對應顯示爐缸熱負荷處于超限、預警和安全工作狀 態；(3)自動更新顯示爐缸爐底橫、縱剖面的三維侵蝕內型和渣鐵殼生成脫落，自動統計和 顯示爐缸和爐底最嚴重侵蝕位置及剩余磚襯厚度，并根據最嚴重侵蝕厚度和預警標準的比 較給出爐缸是否處于安全工作狀態的預警提示；(4)實時顯示爐缸爐底從50°C到1500°C光滑過渡的三維溫度云圖、多溫度等溫線分 布，支持鼠標移動取點顯示爐缸爐底任一點的溫度、材質和位置參數，實現對整個爐缸爐底 的三維監測；(5)提供爐缸爐底歷史侵蝕內型、渣鐵殼形狀、溫度云圖和等溫線的查詢和繪制。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述4根導線為電源正負線、數據線、時鐘信號線。
全文摘要
一種高爐爐缸三維非穩態監測和異常診斷及維護系統，屬于高爐在線監測、診斷、預警和維護技術領域。包括數據采集模塊、數據過濾模塊、爐缸爐底侵蝕結厚計算模塊、異常診斷模塊、顯示預警模塊、指導爐缸維護模塊。能夠實時采集和濾波爐缸冷卻壁水溫和爐體電偶溫度，將兩種數據結合起來采用傳熱學“正反問題”結合“異常診斷”標準，綜合判斷耐材導熱系數變化、環裂、氣隙等生產中可能出現的異常對溫度場分布及侵蝕的影響，聯合梯度正則化和混沌優化法求解，實現對爐缸爐底三維非穩態溫度場、侵蝕內型、渣鐵殼變化、爐缸熱狀態的在線監測，對異常情況和侵蝕加劇原因的實時診斷，并根據侵蝕加劇原因智能指導有針對性爐缸維護手段，已成功應用于工業。
文檔編號C21B7/00GK101886152SQ20101019691
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月2日 優先權日2010年6月2日
發明者萬雷, 劉艷玲, 宋小鵬, 王尉平, 程樹森, 賈國利, 趙宏博, 鄭敬先, 馬金芳, 高忠信 申請人:河北省首鋼遷安鋼鐵有限責任公司;首鋼總公司