本發(fā)明涉及一種軟測量方法，特別是涉及一種高爐內(nèi)部軟熔帶形狀的軟測量方法。

背景技術：

軟測量應用計算機技術，對難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構成某種數(shù)學關系來推斷或者估計，并實現(xiàn)在線監(jiān)測重要變量的方法。

高爐是一種內(nèi)部填充滿礦物和焦炭的逆流反應器。在生產(chǎn)過程中，煤氣流穿過礦物和焦炭上升，而礦物和焦炭緩慢下降，運動方向與煤氣流相反。鐵礦石、焦炭和熔劑從高爐爐頂投入高爐，同時富氧空氣和碳氫化合物從風口鼓入高爐，熱風爐加熱后的熱空氣和煤粉顆粒在高爐風口回旋區(qū)燃燒，生成含有還原性氣體的高爐煤氣。高爐煤氣在上升的過程中逐漸加熱爐料，與此同時，與鐵的氧化物發(fā)生還原反應獲得單質鐵。熔融態(tài)的生鐵和爐渣通過出鐵口排出，高爐煤氣從高爐頂部逸出高爐。

高爐是煉鐵工藝中的重要設備，但由于高爐的封閉性和爐況的復雜性，高爐內(nèi)部信息獲取非常困難?，F(xiàn)有的在線監(jiān)測手段主要通過安裝在爐襯內(nèi)部的熱電偶或料層邊部的壓力傳感器，間接獲取爐內(nèi)的溫度以及壓力信息，但關于軟熔帶形狀信息仍然處于黑箱狀態(tài)。高爐的操作主要憑經(jīng)驗，從而使得高爐的順行成為生產(chǎn)過程中的一大難題。

對高爐爐身的傳熱傳質過程進行數(shù)值模擬，可以獲得高爐內(nèi)部全時空的信息，并確定軟熔帶形狀信息，但數(shù)值模擬從監(jiān)測操作參數(shù)到獲取計算結果的周期較長，難以實時獲取軟熔帶形狀信息，因此數(shù)值模擬結果僅為高爐的優(yōu)化操作提供理論依據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種高爐內(nèi)部軟熔帶形狀的軟測量方法，用于在線監(jiān)測并顯示高爐內(nèi)部軟熔帶形狀信息。

本發(fā)明一種高爐內(nèi)部軟熔帶形狀的軟測量方法，包括下述步驟：

步驟一

基于計算流體力學，建立高爐的物理模型，并進行網(wǎng)格的劃分；同時分別建立煤氣和爐料連續(xù)性方程、能量方程、動量方程以及各組成成分的組分輸運等方程。

步驟二

對爐料下降速度賦予一個定值a、選取一種固定的布料制度，定義該布料制度為b，并確定該布料制度下鐵礦石的軟化溫度和熔融溫度。

步驟三

在a、b確定的情況下對步驟一中的方程進行耦合計算，得到在a、b確定條件下，高爐內(nèi)部各個空間位置的爐料溫度分布情況，根據(jù)鐵礦石軟化溫度和熔融溫度確定軟熔帶形狀信息。

步驟四

替換a、b，重復步驟二、三，得到不同爐料下降速度和布料制度下，軟熔帶形狀信息；收集數(shù)據(jù)，構成數(shù)據(jù)庫。

步驟五

基于現(xiàn)場監(jiān)測的冷卻水溫差及流量，計算軟熔帶底部位置的實時信息；在數(shù)據(jù)庫中匹配并輸出軟熔帶形狀信息的數(shù)值模擬結果。

作為優(yōu)選，步驟一中，物理模型簡化為二維、軸對稱的物理模型，網(wǎng)格劃分優(yōu)先選用結構化網(wǎng)格。

作為優(yōu)選，步驟一中，煤氣和爐料的物性參數(shù)由組分的物性參數(shù)和組分的質量分數(shù)確定。

作為優(yōu)選，步驟一中，爐料對煤氣流動的阻力，以源項的形式加載在動量方程中進行計算；化學反應引起的煤氣和爐料中各組成成分的生成和消耗，以源項的形式加載在相應的組分輸運方程；反應的吸熱和放熱現(xiàn)象，以源項的形式加載在能量方程。

作為優(yōu)選，步驟二中，待冶煉的鐵礦石組成成分計算其軟化溫度和熔融溫度。

作為優(yōu)選，步驟三中，軟熔帶需要同時滿足兩個條件：條件一為爐料溫度介于鐵礦石軟化溫度和熔融溫度之間；條件二為網(wǎng)格的坐標位于鐵礦石層指定的區(qū)域內(nèi)。

作為優(yōu)選，步驟三中，形狀信息包括軟熔帶頂部位置、底部位置和軟熔帶形狀示意圖；軟熔帶頂部位置為軟熔帶最高的位置；軟熔帶底部位置為靠近爐壁處軟熔帶的最低位置。

作為優(yōu)選，步驟五中，基于現(xiàn)場監(jiān)測的冷卻水溫差及流量，通過熱阻分析法，計算獲得高爐近壁面區(qū)域溫度分布，并確定軟熔帶底部位置；在數(shù)據(jù)庫中匹配軟熔帶形狀信息中軟熔帶底部位置信息；輸出軟熔帶形狀信息。

本發(fā)明一種高爐內(nèi)部軟熔帶形狀的軟測量方法，以爐內(nèi)封閉的高爐為研究對象，能實時獲取高爐內(nèi)部軟熔帶形狀信息。

本發(fā)明的積極效果：

1.通過離線計算與在線監(jiān)測相結合的方法，可解決cfd技術計算周期長的不足。采用離線計算構建成大數(shù)據(jù)庫，基于現(xiàn)場監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，匹配離線計算的結果，可實時獲取軟熔帶的形狀信息，有利于實時調(diào)控高爐，及時調(diào)節(jié)異常工況。

2.本發(fā)明基于cfd技術，可較準確獲得軟熔帶形狀信息，為高爐的優(yōu)化操作提供理論指導。

3.通過大量離線的計算，獲取不同操作參數(shù)下的數(shù)值模擬結果，預先構建關于軟熔帶形狀信息的數(shù)據(jù)庫，解決了cfd技術計算周期長的不足。

4.采用離線計算與在線監(jiān)測相結合的方法，通過現(xiàn)場監(jiān)測的高爐實時信息，實時調(diào)取并顯示軟熔帶形狀，有利于及時調(diào)節(jié)異常工況，保持爐況順行，優(yōu)化高爐操作，降低能耗。

附圖說明:

圖1為高爐結構示意圖。

圖2為數(shù)據(jù)庫中部分軟熔帶形狀示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和示例性實例對本發(fā)明進一步說明。

以某企業(yè)有效容積為2650m³的高爐為研究對象，高爐結構示意圖如圖1所示。高爐爐料分層布滿整個高爐，布料過程中，鐵礦石和焦炭逐批投入高爐。1)建立物理模型并劃分網(wǎng)格

將高爐在計算過程中簡化為二維、軸對稱的物理模型。其中，爐腰半徑為6.28m，爐腰高度為2.3m，爐身梯形上底為4.15m，下底為6.28m，高為16.6m。網(wǎng)格個數(shù)為830001個。

2)布料制度及爐料下降速度的確定

在實際生產(chǎn)過程中，高爐的布料制度如表2所示。數(shù)據(jù)庫中，此布料制度對應編號為b1。

在實際生產(chǎn)過程中，爐料下降速度范圍為3.1mm/s-0.9mm/s。以0.4mm/s為速度間隔，取55個爐料下降速度進行計算。

表1高爐布料制度

3)軟熔帶溫度范圍的確定

鐵礦石料層由球團礦、燒結礦和塊狀礦的混合物組成，各組分質量分數(shù)和比重分布范圍如表1所示，其中塊狀礦含量少，故現(xiàn)場未進行成分的測定。

表2鐵礦石層各種礦石組分質量分數(shù)和比重分布范圍

作為優(yōu)選，計算鐵礦石軟化溫度和熔融溫度所采用的爐料成分暫時定為近三個月的平均值。計算得到的軟化溫度和熔融溫度分別為1432k、1605k。

4)耦合計算

爐料下降速度為3)中所述的55種不同爐料下降速度；布料制度如表2所示。通過耦合計算，獲得了高爐內(nèi)部爐料溫度分布情況?；谟嬎愕玫降能浕瘻囟群腿廴跍囟??？色@得軟熔帶形狀信息；形狀信息包括軟熔帶頂部位置、底部位置和軟熔帶形狀示意圖。

5)數(shù)據(jù)庫的建立

進行不同爐料下降速度下的數(shù)值模擬，計算得到各網(wǎng)格爐料溫度數(shù)據(jù)，結合x方向坐標、y方向坐標和料層分布結構數(shù)據(jù)，可獲得軟熔帶形狀信息，并構建數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中部分數(shù)據(jù)信息如表3所示，數(shù)據(jù)庫中部分軟熔帶形狀示意圖如圖2所示。

表3數(shù)據(jù)庫部分數(shù)據(jù)信息

6)實時數(shù)據(jù)的分析

利用冷卻壁中冷卻水流量gi、gi′和冷卻水進出口溫差δti、δti′，以及冷卻水平均溫度tw,i信息，可得每層熱面平均溫度如表4所示：

表4各層對應標高的熱面平均溫度

以各層熱面平均溫度作為該層熱面中心點溫度，將各層中心溫度沿縱向插值，使用自然三次樣條函數(shù)插值。依據(jù)軟熔帶下邊界溫度算法，該高爐軟熔帶下邊界溫度為1336℃。因此，由插值結果可得該時刻軟熔帶根部標高位置分別為標高i為18.98m。

7)數(shù)據(jù)庫信息的匹配

由于計算的標高i為18.98m，在數(shù)據(jù)庫中搜索得到與底部位置最近的兩組數(shù)據(jù)為：

云圖編號42對應的底部位置為18.95m，云圖編號43對應的底部位置為19.21m。由于|18.98-18.95|比|18.98-19.21|小，即云圖編號42對應的底部位置和計算的標高i更接近，因此從數(shù)據(jù)庫中提取云圖編號42的云圖，并計算獲得軟熔帶頂部位置信息為21.1135m，保留兩位小數(shù)點輸出即21.11m。