化工学报 ›› 2023, Vol. 74 ›› Issue (12): 4863-4880.DOI: 10.11949/0438-1157.20231119
收稿日期:
2023-10-30
修回日期:
2023-12-02
出版日期:
2023-12-25
发布日期:
2024-02-19
通讯作者:
潘冬
作者简介:
徐思远(2000—),男,硕士研究生,csuxsy0614@csu.edu.cn
基金资助:
Siyuan XU(), Dong PAN(), Zhaohui JIANG, Shaoqiang LIU, Haoyang YU
Received:
2023-10-30
Revised:
2023-12-02
Online:
2023-12-25
Published:
2024-02-19
Contact:
Dong PAN
摘要:
高炉炉壁温度场是掌握炉内热负荷状态和燃料燃烧情况、及时发现高炉异常工况、保障高炉稳定顺行的重要信息。针对现有炉壁温度场获取难及温度场建模过程中未考虑渣皮脱落与生成现象等问题,提出一种基于稳态传热分析的高炉炉壁温度场建模方法。首先,利用COMSOL仿真软件搭建炉壁三维仿真模型;其次,充分考虑渣皮对炉壁温度变化的影响,建立包含渣皮热源项的稳态传热模型,获得初始炉壁内表面温度场;然后,为提高温度场模型精度,基于热传导反问题理论,以冷却壁中热电偶的实测温度为参考,构建炉壁温度场修正模型,实现炉壁温度场数据的迭代修正。实验表明经温度场修正模型修正后,传热模型的计算误差控制在5%以内,满足现场检测精度要求,并能可视化展示炉壁温度场,为高炉调控操作提供了可靠的炉壁温度场数据。
中图分类号:
徐思远, 潘冬, 蒋朝辉, 刘少强, 余浩洋. 基于稳态传热分析的高炉炉壁温度场建模方法[J]. 化工学报, 2023, 74(12): 4863-4880.
Siyuan XU, Dong PAN, Zhaohui JIANG, Shaoqiang LIU, Haoyang YU. Modeling method of blast furnace wall temperature field based on steady-state heat transfer analysis[J]. CIESC Journal, 2023, 74(12): 4863-4880.
物理结构 | 数值 | 物理结构 | 数值 |
---|---|---|---|
炉壳厚度 | 60 mm | 第7层冷却壁高度 | 2290 mm |
填充层厚度 | 100 mm | 燕尾槽厚度(径向方向) | 40 mm |
冷却壁本体厚度 | 125 mm | 燕尾槽宽度(高度方向) | 55 mm |
耐火砖厚度(初始厚度) | 130 mm | 燕尾槽个数 | 21个 |
热电偶埋点与冷却壁热面距离 | 65 mm | 相邻燕尾槽之间的距离 | 52 mm |
冷却水管间距 | 213.2 mm | 组成冷却水管孔型的圆直径 | 22.5 mm |
冷却壁外边缘与冷却水管中心距离 | 42.5 mm | 单块冷却壁的圆周角 | 7.5° |
单块冷却壁的内弦长 | 801.2 mm | 单块冷却壁的外弦长 | 817.5 mm |
冷却壁外边缘与高炉中心线径向距离 | 6555 mm | 渣皮厚度 | 20 mm |
表1 炉壁主要物理结构及尺寸
Table 1 The main physical structure and size of furnace wall
物理结构 | 数值 | 物理结构 | 数值 |
---|---|---|---|
炉壳厚度 | 60 mm | 第7层冷却壁高度 | 2290 mm |
填充层厚度 | 100 mm | 燕尾槽厚度(径向方向) | 40 mm |
冷却壁本体厚度 | 125 mm | 燕尾槽宽度(高度方向) | 55 mm |
耐火砖厚度(初始厚度) | 130 mm | 燕尾槽个数 | 21个 |
热电偶埋点与冷却壁热面距离 | 65 mm | 相邻燕尾槽之间的距离 | 52 mm |
冷却水管间距 | 213.2 mm | 组成冷却水管孔型的圆直径 | 22.5 mm |
冷却壁外边缘与冷却水管中心距离 | 42.5 mm | 单块冷却壁的圆周角 | 7.5° |
单块冷却壁的内弦长 | 801.2 mm | 单块冷却壁的外弦长 | 817.5 mm |
冷却壁外边缘与高炉中心线径向距离 | 6555 mm | 渣皮厚度 | 20 mm |
修正前/后 | MAE | RMSE | MRE/% |
---|---|---|---|
修正前 | 34.667 | 38.373 | 18.623 |
修正后 | 3.157 | 3.786 | 4.359 |
表2 炉壁温度场修正模型实验误差统计
Table 2 Furnace wall temperature field correction model experimental error statistics
修正前/后 | MAE | RMSE | MRE/% |
---|---|---|---|
修正前 | 34.667 | 38.373 | 18.623 |
修正后 | 3.157 | 3.786 | 4.359 |
1 | Dong H, Liu Y, Wang L J, et al. Roadmap of China steel industry in the past 70 years[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2019, 46(10): 922-927. |
2 | 宋菁华, 杨春节, 周哲, 等. 改进型EMD-Elman神经网络在铁水硅含量预测中的应用[J]. 化工学报, 2016, 67(3): 729-735. |
Song J H, Yang C J, Zhou Z, et al. Application of improved EMD-Elman neural network to predict silicon content in hot metal[J]. CIESC Journal, 2016, 67(3): 729-735. | |
3 | 朱雄卓, 张瀚文, 杨春节. 基于高斯混合模型的MWPCA高炉异常监测算法[J]. 化工学报, 2021, 72(3): 1539-1548. |
Zhu X Z, Zhang H W, Yang C J. MWPCA blast furnace anomaly monitoring algorithm based on Gaussian mixture model[J]. CIESC Journal, 2021, 72(3): 1539-1548. | |
4 | Peacey J G, Davenport W G. The Iron Blast Furnace: Theory and Practice[M]. Holland: Elsevier, 2016. |
5 | 薛曦. 基于ANSYS的大型高炉炉壳结构有限元分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2016. |
Xue X. Finite element analysis of shell structure of large blast furnace based on ANSYS[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2016. | |
6 | 杨新龙. 热-结构耦合作用下高炉炉壳厚度优化分析[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2012. |
Yang X L. Optimization analysis of blast furnace shell thickness under thermal-structural coupling[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2012. | |
7 | Xu X, Wu L J, Lu Z A. Performance optimization criterion of blast furnace stave[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 105: 102-108. |
8 | Vázquez-Fernández S, García-Lengomín Pieiga A, Lausín-Gónzalez C, et al. Mathematical modelling and numerical simulation of the heat transfer in a trough of a blast furnace[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2019, 137: 365-374. |
9 | Zhang H, Jiao K X, Zhang J L, et al. A new method for evaluating cooling capacity of blast furnace cooling stave[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2019, 46(7): 671-681. |
10 | 刘永. 铸铁冷却壁稳态传热分析[J]. 河北冶金, 2017(7): 13-18, 23. |
Liu Y. Steady-state-heat transfer analysis of cast iron cooling wall[J]. Hebei Metallurgy, 2017(7): 13-18, 23. | |
11 | Li F G, Zhang J, Guo R. Study on the influence of materials on heat transfer characteristics of blast furnace cooling staves[C]//8th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing. Cham: Springer, 2017: 799-810. |
12 | Wu L J, Xu X, Zhou W G, et al. Heat transfer analysis of blast furnace stave[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, 51(11/12): 2824-2833. |
13 | Shen L, Chen Z P, Jiang Z H, et al. Soft sensor modeling of blast furnace wall temperature based on temporal-spatial dimensional finite-element extrapolation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2021, 70: 1-14. |
14 | Li Y, Chen L Y, Ma J C. Numerical study on the relationship between the localized depression erosion of a commercial blast furnace hearth lining and the heat flux of cooling staves[J]. IEEE Access, 2019, 7: 60984-60994. |
15 | Su F Y, Song R, Ni P W, et al. Numerical simulation for inverse heat conduction problem of single-layer lining erosion of blast furnace[J]. Frontiers in Heat and Mass Transfer, 2019, 12: 1-5. |
16 | 石琳, 程素森, 左海滨. 高炉炉衬侵蚀边界识别的数值模拟[J]. 钢铁研究学报, 2006, 18(4): 1-5. |
Shi L, Cheng S S, Zuo H B. Numerical simulation of erosion boundary identification of blast furnace lining[J]. Journal of Iron and Steel Research, 2006, 18(4): 1-5. | |
17 | Swartling M, Sundelin B, Tilliander A, et al. Heat transfer modelling of a blast furnace hearth[J]. Steel Research International, 2010, 81(3): 186-196. |
18 | 安剑奇, 彭凯, 曹卫华, 等. 基于动态神经网络的高炉炉壁不完备温度检测信息软测量方法[J]. 化工学报, 2016, 67(3): 903-911. |
An J Q, Peng K, Cao W H, et al. A soft-sensing method for missing temperature information based on dynamic neural network on BF wall[J]. CIESC Journal, 2016, 67(3): 903-911. | |
19 | 马丁·戈德斯. 现代高炉炼铁[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2021. |
Godes M. Modern Blast Furnace Ironmaking[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 2021. | |
20 | Qian Z, Du Z H, Wu L J. Heat transfer analysis of blast furnace cast steel cooling stave[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2007, 34(5): 415-421. |
21 | 刘增勋. 高炉冷却壁热力耦合分析[D]. 沈阳: 东北大学, 2009. |
Liu Z X. Thermal-mechanical coupling analysis of blast furnace cooling stave[D]. Shenyang: Northeastern University, 2009. | |
22 | 贾艳, 李文兴. 高炉炼铁基础知识[M]. 2版. 北京: 冶金工业出版社, 2010. |
Jia Y, Li W X. Basic Knowledge of Blast Furnace Ironmaking[M]. 2nd ed. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2010. | |
23 | Dong X F, Zulli P. Prediction of blast furnace hearth condition(part Ⅰ): A steady state simulation of hearth condition during normal operation[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2020, 47(3): 307-315. |
24 | Dong X F, Zulli P, Biasutti M. Prediction of blast furnace hearth condition(part Ⅱ): A transient state simulation of hearth condition during blast furnace shutdown[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2020, 47(5): 561-566. |
25 | Zhang L, Zhang J L, Zuo H B, et al. Temperature field distribution of a dissected blast furnace[J]. ISIJ International, 2019, 59(6): 1027-1032. |
26 | Liu Q, Cheng S S, Niu J P, et al. Numerical simulation of the copper steel composite stave heat transfer in the belly and lower shaft region of the blast furnace[J]. Characterization of Minerals, Metals, and Materials 2015, 2016: 743-753. |
27 | Liu Q, Cheng S S. Heat transfer and thermal deformation analyses of a copper stave used in the belly and lower shaft area of a blast furnace[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2016, 100: 202-212. |
28 | 胡先. 高炉热风炉操作技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2006. |
Hu X. Operation Technology of Blast Furnace Hot Blast Stove[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2006. | |
29 | 范广权. 高炉炼铁操作[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2008. |
Fan G Q. Blast Furnace Ironmaking Operation[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2008. | |
30 | 刘云彩. 高炉渣皮脱落分析[J]. 中国冶金, 2014, 24(12): 32-35. |
Liu Y C. Analysis of blast furnace slag fall-off[J]. China Metallurgy, 2014, 24(12): 32-35. | |
31 | An J Q, Zhang J L, Wu M, et al. Soft-sensing method for slag-crust state of blast furnace based on two-dimensional decision fusion[J]. Neurocomputing, 2018, 315: 405-411. |
32 | Heinrich P, Hille H, Bachhofen H J, et al. Copper blast furnace staves developed for multiple campaigns[J]. Iron and Steel Engineer(USA), 1992, 69(2): 49-55. |
33 | Zhang S F, Wen L Y, Bai C G, et al. The temperature field digitization of radiation images in blast furnace raceway[J]. ISIJ International, 2006, 46(10): 1410-1415. |
[1] | 张双星, 刘舫辰, 张义飞, 杜文静. R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 165-171. |
[2] | 张义飞, 刘舫辰, 张双星, 杜文静. 超临界二氧化碳用印刷电路板式换热器性能分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 183-190. |
[3] | 陈爱强, 代艳奇, 刘悦, 刘斌, 吴翰铭. 基板温度对HFE7100液滴蒸发过程的影响研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 191-197. |
[4] | 刘明栖, 吴延鹏. 导光管直径和长度对传热影响的模拟分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 206-212. |
[5] | 王志国, 薛孟, 董芋双, 张田震, 秦晓凯, 韩强. 基于裂隙粗糙性表征方法的地热岩体热流耦合数值模拟与分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 223-234. |
[6] | 杨欣, 王文, 徐凯, 马凡华. 高压氢气加注过程中温度特征仿真分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 280-286. |
[7] | 宋嘉豪, 王文. 斯特林发动机与高温热管耦合运行特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 287-294. |
[8] | 晁京伟, 许嘉兴, 李廷贤. 基于无管束蒸发换热强化策略的吸附热池的供热性能研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 302-310. |
[9] | 常明慧, 王林, 苑佳佳, 曹艺飞. 盐溶液蓄能型热泵循环特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 329-337. |
[10] | 程成, 段钟弟, 孙浩然, 胡海涛, 薛鸿祥. 表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 74-86. |
[11] | 张化福, 童莉葛, 张振涛, 杨俊玲, 王立, 张俊浩. 机械蒸汽压缩蒸发技术研究现状与发展趋势[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 8-24. |
[12] | 李艺彤, 郭航, 陈浩, 叶芳. 催化剂非均匀分布的质子交换膜燃料电池操作条件研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3831-3840. |
[13] | 王玉兵, 李杰, 詹宏波, 朱光亚, 张大林. R134a在菱形离散肋微小通道内的流动沸腾换热实验研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3797-3806. |
[14] | 胡建波, 刘洪超, 胡齐, 黄美英, 宋先雨, 赵双良. 有机笼跨细胞膜易位行为的分子动力学模拟研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3756-3765. |
[15] | 齐聪, 丁子, 余杰, 汤茂清, 梁林. 基于选择吸收纳米薄膜的太阳能温差发电特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3921-3930. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||