王月明，孫采鷹，董大明，賈 華

( 內(nèi)蒙古科技大學，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傳感器

王月明，孫采鷹，董大明，賈 華

( 內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古包頭 014010)

介紹了高爐測溫的應用背景，分析現(xiàn)有高爐爐溫測量研究情況，提出了兩種基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測傳感器模型，為高爐爐內(nèi)溫度測量提供一種新的解決方案?；跔t襯厚度的高爐爐溫在線檢測傳感器模型能夠充實和豐富高爐專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫規(guī)則制定中的參數(shù)，可以指導高爐工長及時正確地調(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，以延長高爐壽命。

高爐;爐溫;傳感器;爐襯;在線檢測

0 引言

為了實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的信息化，我國在最近幾年制定了“信息化帶動工業(yè)化，實現(xiàn)跨越式發(fā)展”的戰(zhàn)略方針，其中指出：高爐煉鐵工藝應該與信息化、自動化、計算機等技術有機結(jié)合，實現(xiàn)高爐冶煉的自動化，從而達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)面臨的一個較難解決同時又極具現(xiàn)實意義的重大課題。

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)成了復雜的流體動力學問題。爐襯在這些強物理作用及化學反應下不斷地被侵蝕，使得傳統(tǒng)的直接檢測手段無法得到應用。高爐爐溫、爐襯厚度等數(shù)據(jù)往往是通過外部的、間接的、具有時滯性的測量方法得到的。高爐的運行機制往往具有非線性、時滯、高維、大噪聲、分布參數(shù)等特性[1]，導致目前普遍應用的爐溫預測控制模型也難以準確有效。沒有可靠的爐溫預測數(shù)學模型進行指導[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的方法，其中爐溫的檢測又是高爐檢測中的熱點問題。國內(nèi)對于鐵水、風口和爐頂?shù)臏y溫研究較充分，方法手段日趨完善，唯獨對爐身和爐腹的測溫鮮有報道。

文中分析了現(xiàn)有高爐爐溫測量研究情況，提出兩種基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測模型，在爐身、爐腹部位埋設傳感器，以結(jié)合爐腹的侵蝕情況，實時、在線地檢測高爐爐溫，以指導填料、送風等高爐生產(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測爐溫[3]，由于鐵水含硅量的測量需要在出鐵后才能進行，在時間上有滯后，而爐溫的波動具有很強的隨機性，另外此方法主要是預測爐缸溫度的，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)溫度場變化的方法，是監(jiān)測冷卻壁的水溫差和熱負荷，并利用熱電偶檢測爐襯溫度來實現(xiàn)。由于采用了熱電偶，決定了測溫方法造價高，在爐襯被侵蝕的情況下，不可能準確地預測爐溫。

除了上述的幾種爐溫預測方法之外，其他可查的爐溫檢測方法有：第一，插入式光電溫度傳感器檢測爐溫[4]，是利用熱輻射的原理進行溫度測量，且只能用于爐頂溫度的預測。關于這種檢測方法的文獻只見于前幾年，近期大范圍的推廣未見報道。第二，新型十字測溫傳感器檢測[5]，這種方法與傳統(tǒng)的十字測溫方法均用于爐頂測溫，而無法解決爐身、爐腹的溫度檢測問題。第三，非接觸式高爐溫度檢測方法，比較典型的是在此基礎上發(fā)展起來的紅外圖像識別的檢測方法[6]，該方法具有非接觸、實時性的特點，主要應用于爐頂測溫，需要與十字測溫法相結(jié)合進行測溫定標。另外，國外的一些爐溫檢測方法不適合國內(nèi)的爐況，其預測模型通常價格高達幾百萬到上千萬，與國內(nèi)高爐的切入點也有很大區(qū)別，同時存在技術壁壘，不利于我國高爐檢測技術的進一步發(fā)展。

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

爐溫預測模型所需的大量信息來源于檢測設備，而系統(tǒng)推理結(jié)果也需檢測數(shù)據(jù)來證實，如果在高爐上安裝對爐體燒損狀況、料面形狀等參數(shù)行之有效的檢測設備，則會極大地促進高爐爐溫預測系統(tǒng)[12]的發(fā)展。

2 基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測傳感器

文中提出兩種新型的高爐爐溫在線檢測模型，一種是基于測桿上一維埋設測溫點的傳感器方案，一種是爐襯中立體埋設測溫點的傳感器方案，其核心數(shù)據(jù)來源于爐溫檢測傳感器，該傳感器是基于在爐襯測厚的基礎上，根據(jù)傳熱學理論，對高爐爐溫進行檢測。該方法能有效減少爐襯厚度變化對檢測傳感器測溫數(shù)據(jù)的影響，實施過程中對高爐的不同關鍵測溫點布設測溫傳感器，該傳感器能夠進行立體、多點測溫。該測溫模型是通過傳熱學理論和數(shù)學模型，根據(jù)測量點所測爐襯厚度和溫度參數(shù)值，對爐溫進行實時檢測，進而解決高爐爐溫預測遲滯、非實時的問題，是對高爐專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)的豐富和補充，并最終延長高爐壽命，穩(wěn)定生產(chǎn)。

2.1 在測桿上一維埋設測溫點的傳感器

在測桿上一維埋設測溫點的傳感器的結(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桿作為傳播介質(zhì)，位于測桿的冷端安裝壓電晶體(測距探頭)，并借助超聲波測距技術測出桿長，即爐襯厚度；在測桿內(nèi)的一些特定點埋入鉑電阻(測溫探頭)，測出測桿中所埋設測溫點的溫度。根據(jù)爐襯厚度和測溫點的溫度，依據(jù)傳熱學原理，利用系統(tǒng)導熱的微分方程，計算出爐溫。

圖1 測桿上一維埋設測溫點的在線檢測傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖1中，h為爐墻測厚探頭距冷卻壁里端的距離，x1、x2、x3為測溫傳感器距冷卻壁里端的距離，具體埋設點的位置參數(shù)需要進一步研究。

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

(1)

式中：x、y、z為三維坐標位置；t為溫度場函數(shù)；τ為熱源瞬時發(fā)熱后的任意時刻；q為熱流強度；c為比熱容；ρ為密度。

對式(1)中的一些邊界條件進行分析簡化，在檢測時間內(nèi)，在測桿上一維埋設測溫點的傳感器模型中，由于測桿的導熱系數(shù)比爐襯的導熱系數(shù)大2～3個數(shù)量級，因此將熱量沿測桿的傳播看作符合固體導熱微分方程下的、無內(nèi)熱源的、穩(wěn)態(tài)的一維導熱問題。由此可以得出檢測參數(shù)與爐溫的關系，從而建立數(shù)學模型，在線檢測爐溫。

2.2 爐襯中立體埋設測溫點的傳感器

爐襯中立體埋設測溫點的傳感器結(jié)構(gòu)圖見圖2，同樣在爐腹、爐身的爐墻內(nèi)埋入一根金屬測桿作為傳播介質(zhì)，在測桿的冷端安裝壓電晶體(測距探頭)，利用超聲波測距技術測出桿長，即爐襯厚度。在以測桿為中心的Y、Z方向上，距測桿一定距離處的爐墻內(nèi)，立體埋入鉑電阻(測溫探頭)，測出爐襯中所埋設測溫點的溫度，進行爐溫的預測。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，通過檢測爐襯厚度和對應埋設點的溫度，可以實時計算出爐溫。

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

該傳感器檢測爐溫的理論依據(jù)是將熱量沿爐襯的傳播，看作符合固體熱傳導理論下的無限大面熱源持續(xù)受熱問題。高爐爐膛對于檢測面來說，為持續(xù)無限大的面熱源，爐襯相當于無限大導熱介質(zhì)，在檢測時間內(nèi)，認為測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；λ為材料的導熱系數(shù)；a為導熱介質(zhì)的擴散系數(shù);τ為在熱源瞬時發(fā)熱后的任意時刻;x為測溫點距熱源的距離；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，根據(jù)這4個參數(shù)與距離和溫度的關系，就可以通過檢測爐厚和爐襯溫度，利用公式，推導出爐溫。該傳感器的特點是可以實時采集爐溫數(shù)據(jù)，多個測量點組成檢測數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

介紹了高爐測溫的應用背景，分析了高爐爐內(nèi)溫度測量方法，并對高爐爐內(nèi)溫度測量方面現(xiàn)狀進行討論，提出基于爐襯厚度的高爐爐溫在線檢測傳感器模型，為高爐爐內(nèi)溫度測量提供一種新的解決方案。該在線檢測模型還可以在線測量爐襯厚度，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?；跔t襯厚度的高爐爐溫在線檢測傳感器模型能夠充實和豐富高爐專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫規(guī)則制定中的參數(shù)，可以指導高爐工長及時正確地調(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

國家自然科學基金資助項目(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，研究方向為智能信息處理技術。 E-mail：wym_20017@126.com