（控制理论与控制工程专业论文）高炉热流强度的监测与炉衬厚度预报.pdf

摘要 摘要 高炉炉衬侵蚀对高炉影响很大，侵蚀严重的将影响高炉的正常生产。热流强度 的监测和炉衬厚度预报对高炉生产具有重要的意义，它可以给高炉操作人员提供有 效的操作指导，减缓炉衬侵蚀。因此，我们研究这一套系统。 根据对高炉系统需求的分析，搭建分布式巡回测温系统，进行硬件性能测试和 软件编程，监测高炉热流强度和炉衬厚度变化情况。整个系统通过温度采集模块完 成传感器的温度采集及管理，并和上位机进行数据通讯，依据在线采集的相关数 据、按相应的数学模型，经计算机分析计算高炉相关部位的热流强度，并在计算机 屏幕上以数据形式和形象的高炉横切面和炉壁展开等图形方式给出热流强度的分布 情况及炉衬厚度的变化情况，为高炉操作人员提供有效的操作指导。 该系统采用数字温度传感器d s l 8 8 2 0 、l t m 8 0 0 2 温度采集模块和4 8 5 总线技 术，组成了数字化的温度测量电路，电路简单，易于扩展，成本低。软件采用 v b 6 ，0 编程，并建立了a c c e s s 数据库，能够完成数据的动态存储并提供了相应的高 炉操作指导界面。 经过实际运行证明，应用该技术可以实时的反映高炉水温差、热流强度和炉衬 厚度的变化情况，及时为高炉工长提供重要的炉况信息，能很好地指导高炉操作， 有利于高炉顺行和长寿，增加经济效益。系统界面友好、直观，操作简单，运行平 稳。 图1 8 表0 参4 4 关键词：高炉；冷却系统水温差；热流强度监测；炉村厚度 分类号t p 2 7 2 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fs u p e r v i s i o no ff u r n a c et h e r m a lc u r r e n t i n t e n s i t ya n dp r e d i c t i o no ff u m a e el i n i n gt h i c k n e s s w ed e v e l o pad i s t r i b u t e dt e m p e r a t u r e m e a s u r i n gs y s t e m t h ed i g i t a ls e n s o r sa r e i n s t a l l e do nt h eb u s i n e s st u r no v e rw a t e rp i p ei nt h ec o o l i n gw a l lo ft h eb l a s tf u m a c ea n d m a n a g e db y t h e t e m p e r a t u r em o d u l e s t h et e m p e r a t u r e m o d u l e sc a r r yo nt h e c o m m u n i c a t i o no ft h ed a t aw i t ht h ec o m p u t e r a c c o r d i n gt or e l e v a n td a t at h a ti sg a t h e r e d o n l i n ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c sm o d e l ，t h e d i s t r i b u t i o no ft h e r m a lc u r r e n t i n t e n s i t yo f r e l e v a n tp o s i t i o na r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e db yt h ec o m p u t e r t h e r m a lc u r r e n t i n t e n s i t ya n dc h a n g eo f f u m a c el i n i n gt h i c k n e s sa r es h o w e do nt h es c r e e no f t h ec o m p u t e r t h et e m p e r a t u r et e s t e q u i p m e n t s m a k eu s eo fd s18 8 2 0a s t e m p e r a t u r e t e s t c o m p o n e n t ，s ot h eh a r d w a r ei sv e r ys i m p l e t h ei n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e ra n dt e m p e r a t u r e t e s te q u i p m e n t sa r el i n k e dt h r o u g hr s 4 8 5 ，s oan e t w o r kt e s ta n dc o n t r o ls y s t e mi sf o r m e d t h es y s t e mi ss t e a d ya n dr e l i a b l e ，a n de a s yt oi n c r e a s et h en u m b e ro f t e s t w ep r o g r a mt h e s o f t w a r ew i t hv b 6 0a n ds e tu pa na c c e s sd a t a b a s et oc o m p l e t et h ed y n a m i cs t o r a g eo f d a t aa n do f f e rs o m eo p e r a t i o ng u i d a n c ep i c t u r e s i th a sb e e np r o v e dt h r o u g hp r a c t i c et h a tu s i n gt h i st e c h n o l o g yc a nr e f l e c tt h ec h a n g e o ft h et h e r m a lc u r r e n ti n t e n s i t ya n dt h i c k n e s ss i t u a t i o no ft h ef u m a e ew a l li nt i m e i tc a n w e l li n s t r u c tt h eb l a s tf u r n a c et ob eo p e r a t e da n db ef a v o r a b l et ot h ed i r e c tm o t i o na n d l o n g e v i t yo f t h e b l a s tf u r n a c e f i g u r ee i g h t e e n t a b l ez e r or e f e r e n c ef o r t y - f o u r k e y w o r d s ：b l a s tf u r n a c e ，w a t e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h ec o o l i n gs y s t e m ， s u p e r v i s i o no f t h e r m a lc u r r e n ti n t e n s i t y ，t h i c k n e s so f f u r n a c ew a l l c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 2 - i i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不毯含其毽入基经发表或撰笃酶硬究成渠，也不雹含为获褥 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使朋过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：强弱良日期：翘啦年立月型日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后威遵循此规定) 签名：孙盈簇 导师签 趁上年三月墨上日 引言 引言 高炉长寿是当今世界炼铁技术进步的重要标志之一，特别是高炉实现强化冶炼 以来，高炉长寿已成为炼铁工作者普遍关心的重要问题。高炉寿命的增长可以直接 给企业带来很大的经济利益。因此，要提高中国在国际钢铁市场的竞争力的措施之 一就是提高高炉炉役寿命，降低生铁成本。高炉炉衬的侵蚀和各种失常炉况的发生 是影响高炉寿命的关键问题之一。而在高炉生产过程中，冶炼工作者无法直接观察 炉衬侵蚀状况、发现各种异常炉况。因此，指导高炉操作的信息不及时、不全面， 就不能尽快采取有效措施减缓炉衬的侵蚀速度、避免炉凉、结瘤、炉缸冻结、炉缸 炉底烧穿等事故，影响高炉寿命。热流强度的监测和炉衬厚度的预报，不仅有助于 发现濒危的冷却壁，而且有助于判断高炉周围工作的均匀程度，可以向操作者提供 多方面的信息。为了及时掌握冷却器的热流强度情况，操作者希望随时对冷却水的 流量和温差及炉衬厚度有所了解。在高炉恶劣的环境下，通过人工检测取得以上信 息，不仅工作量大，而且对迅速掌握高炉冷却壁工作的动态信息也是不利的。因 此，为给炉体冷却壁的维护和热流强度控制提供必要的参考，以有利于高炉的长 寿，建立一个冷却水的热流强度自动监测系统是十分必要的。 本课题采用高炉冷却系统热流强度的监测技术，在冷却壁水管上安装数字温度 传感器测量温度，利用计算机对温度数据进行采集和处理，超声波流量计测其流 量，通过数学模型对热流强度和炉体厚度进行计算和显示，为高炉维护提供及时、 可靠的依据，能很好地指导高炉操作，有利于高炉顺行和长寿，增加效益。 1 文献综述 1文献综述 1 1 高炉炼铁工艺流程 用于炼钢和机械制造等行业的生铁绝大多数是由高炉生产出来的。高炉本体是 冶炼生铁的主体设备，它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体，且中间粗两头 细。按部位分为五段即，炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸。高炉内型由耐火材料砌 成，其外壳为钢板制成，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。 高炉炼铁是用还原剂( 焦炭、煤等) 在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态 生铁的过程。高炉生产所用的原料主要有：铁矿石、焦炭、熔剂和喷吹物。这些原 料( 除喷吹物外) 按一定比例从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入热风，焦炭在风口 前燃烧生成煤气，煤气在上升过程中完成还原和加热炉料的任务，最终作为高炉煤 气从炉顶逸出。 高炉是一个煤气与炉料作逆向运动的竖炉。由矿石、焦炭和熔剂组成的炉料靠 自身的重力作用不断下降，焦炭在风口前燃烧成煤气，矿石则还原和熔化为液态的 生铁和炉渣，并不断的排至炉外，为上边炉料的下降腾出空间，风口前，热风和焦 炭燃烧生成的煤气则受鼓风机压力的推动向上运动。炉料和煤气在逆向运动中相互 接触，煤气作为热载体和还原剂，一方面把热量传给炉料，使其温度升高，为还原 和熔化创造条件，一方面夺取铁氧化物中的氧，同时还原若干其他合金元素。 高炉本体设备包括炉基、炉壳、炉衬、冷却设备及框架等。高炉炉衬是维持合 理炉型的保证，炉衬构成了高炉的工作空间，能起到减少热损失，保护冷却设备和 炉壳免受热应力和化学侵蚀的作用。它是决定高炉寿命的最重要因素【l 】。 1 2 高炉炉衬破损机理 按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体称为高炉炉衬。高炉炉衬的作用在于构 成高炉的工作空间，减少热损失，并保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵 蚀的作用。 1 高炉炉衬的耐火材料 高炉常用的耐火材料主要由陶瓷质材料和炭质材料两大类。陶瓷质材料包括黏 土砖、高铝砖、刚玉砖和不定形耐火材料等；炭质材料包括炭砖、石墨砖、石墨炭 - 3 - 河北联工大学硕士学位论文 砖、石擞炭化硅砖、氮结和炭化撩砖等。高炉内型按部位分海五段即，炉喉、炉 身、炉麟、炉琏、炉艇，高炉静不翮部位所爝耐火材籽不同。如图1 艨示。 l 1| j l 卜炉喉2 _ 妒身3 一炉腰4 _ 炉腹5 一炉缸 图l 嵩舻内型图 1 - s t o v et h r o a t2 一t h es h a f t3 一s o v ew a i s t4 一s t o v eb e l l y f i g1t h eb l a s tf u m a c e 1 ) 炉底；炉底、炉缸承受高温、高压、渣铁冲刷侵蚀和渗透作用，工作条件十 分恶劣。逶去较长一毅瓣趣，炉底炉缸一律采攥黏砖或寒锻砖褒笺，邋数l 年来 大中型辩炉广为采用淡砖砌筑。 2 ) 炉缸：炉缸工作条件与炉底相似，而且装有铁口、风口，有的高炉还有渣 墨。每天鸯大量铁水濂过铁日、帮壤铁西鸯剧烈缝温度波动秘枫辕震动。淡日隧远 有炉渣鹣；串硒和侵蚀。风口镕# 边憩燃烧带，为簿炉肉温度最离的区域。中小型高炉 多采用黏土砖或高铝砖炉缸。炭砖问世以后，炉敞开始采用炭砖砌筑。由于担心炉 缸区域蠢氧化性气氛，最初将炭砖砌至渣口中心线，因冶炼过程中渣蘑将超过渣 日，势且凝砖帮黏主糖或商铝转遥菝处为薄弱舔节，后来撼凝砖砌至鼠誓嗣渣日之 间。现在大中型高炉融把炭砖砌至炉缸上缘，工作效果良好。 3 ) 炉腹、炉腰和炉身下部：从炉腹到炉身下部的炉衬要承受煤气流和炉料的磨 损，碱龛矮耪锌蒸汽渗透豹酸嚣终臻，霹渣静纯攀覆锤竣及潮予瀣度波凌掰产生戆 4 l 文献综述 热震破坏褥弱。舞炉瓣炉腹部使戆砌砖缀快坡侵蚀搏，靠渣疫工终，一般魏一层赢 铝砖或繇士砖，蓐魔为3 4 5 m m 。炉身砌砖厚发为6 9 0 , 一8 0 5 m m ，舀前趋予囱薄的方 向发展，有的炉衬厚魔采用5 7 5 m m 。炉腹、炉腰和炉身下部较长时间采用黏土砖或 高铝砖砌绽。 4 ) 炉身上部和炉喉：炉身上部瀑度较低，燕要受漾气流游耩与炉耨摩擦两酸 损。该部位一般采用高铝砖或黏土砖砌筑。炉喉除承受煤气冲刷、炉料摩撩外，还 承受装料时温度急剧波动的影响，有时受到炉料的直接撞击作用。炉喉衬扳一般以 铸铁、铸钢终到藏，褥失妒喉镶转菠条获缳护援。 2 ，商炉炉衬破损机理 高炉炉衬的寿命决定高炉一代寿命的长短。高炉内不同部位发生不同的物理化 学反震，掰娃震要其舔分辑各部位炉瓣魏疆攫壤疆。 1 ) 炉喉 炉喉受到炉料落下时的撞击作用，故都用众属保护板加以保护，又称炉喉钢 砖，即使如此，它仍会在高漫下失去强度和由予滠度分布不均匀丽产生热变形，炉 内煤气流频繁变化对损坏更为严重。 2 ) 炉身 在炉身上部，炉料比较坚硬，爨有棱角，下降炉料的磨损翻夹带着大量炉尘的 高速漂气滚的洚涮楚这部位妒靖损坏豹主要骧鬻。炉身串下部湛凄较高，敬热应力 的影响较大，同时也蹙到初渣的化学侵蚀以及碱金属和锌的化学侵蚀。沉积在炉衬 上的部分碱金属和锌的氧化物与炉衬中的a 1 2 0 3 、s i 0 2 反威生成低熔点的硅铝酸 登，毽妒毒重软熔著竣潍裂瑟蒺棼。荔终，辕素沉获氇是该黧整炉褪菝琢瓣一令蒙 因。当辙索沉积在砖缝和裂缝中时，它在长期的高温影响下，会改变结晶状态，体 积增大，胀坏砖衬，这对强度较麓的耐火砖和潞浆不饱满的炉衬来说，作用更为明 显。 对于大中型高炉泉说，炉身部位是整个高炉的薄弱环节，炉身砌砖蓐度通常为 6 9 0 8 0 5 m m 。 3 ) 炉腹 诧鲶距风口带邋，故高温热巍力作用狠大。由于炉羧骰籀藏受着料较难力和崩 料、坐料时冲击力的影响。另外还承受初渣的化学侵蚀。由予初渣中f e o 、m n o 以 及自由c a o 含量较高，初渣中f e o 、m n o 、c a o 与砖衬中的s i 0 2 反应，生成低熔 点纯台麓，疆砖褪表露软溶，在液态渣铁帮煤气流豹狰捌下褥麓藩。在实际生产 - 5 河北理工大学硕士学位论文 中，往往开炉不久这部分炉衬便被完全侵蚀掉，增加炉衬厚度也无济于事，而是靠 冷却壁上渣皮维持生产。 炉腹部位一般砌一层高铝砖或黏土砖，厚度为3 4 5 m m 。 4 ) 炉缸 炉缸下部是盛渣铁液的地方，而且周期的进行聚积和排出，所以渣铁的流动、 炉内渣铁液面的升降，大量的煤气流等高温流体对炉衬的冲刷是主要的破坏因素， 特别是渣口、铁口附近的炉衬是冲刷最厉害的部位。高炉炉渣偏碱性而常用的耐火 砖偏酸性，故在高温下化学性渣化，对炉缸砖衬是一个重要的破坏因素。炉缸部位 受的压力虽不算很大，但它是难以对付的侧向压力，故仍然不可忽视。 炉缸砌砖要求有一定的厚度，防止烧穿，一般规定铁口水平面的厚度，小高炉 为5 7 5 m m ；中型高炉为9 2 0 m m ：大型高炉为1 1 5 0 m m 2 1 。 1 3 热流强度的监测 1 3 1 热流强度监测的意义 新建一座高炉或对一座高炉进行改造性大修，投资多达十几亿甚至几十亿，因 此国内外高炉工作者对高炉长寿问题特别重视。高炉长寿不仅节约大量的维修费 用，改善冶炼指标、增加生铁量，还可以充分发挥高炉前后工序的设备能力，提高 整个企业的经济效益。 高炉长寿已成为炼铁技术的发展标志和重要组成，是目前高炉工作者普遍关心 的问题之一。高炉长寿是个系统工程，它涉及到设计、砌转、操作、维护等诸多环 节，其中高炉冷却系统的有效利用和控制对一代炉龄至关重要，尤其是炉身下部， 冷却具有重大意义。而高炉内工作环境恶劣，炉料的机械冲刷、化学侵蚀、热震等 破坏机理同时存在。冷却系统热负荷高，冷却元件热面温度较高，温度升降频繁， 冷却元件易发生材料疲劳，质量退化。同时热应力的作用也可能超出冷却元件材质 的拉伸极限而造成变形及开裂。冷却系统投入运行后，一旦损坏维修、更换相当麻 烦，对生产影响很大。对于高炉炉衬的侵蚀，冷却设备具有间接检测的功能，通过 冷却设备的水温差及其热负荷的变化，可了解冷却设备自身工作状态和高炉周围的 工作情况。在实际高炉生产中，不同部位的热流强度是不同的，热流强度可作为一 个高炉调节参数为高炉操作提供参考依据。热流强度的检测，不仅有助于发现濒危 的冷却壁，而且有助于判断高炉周围工作的均匀程度，可以向操作者提供多方面的 一6 1 文献综述 信息。为了及时掌握冷却器的热流爨度情况，操佟者希望随瓣对冷却东的流量和湿 差有所了解。在高炉恶劣的环境下，通过人工稔渊取褥以上僚怠，不仅工作最大， 而且对迅速掌握高炉冷却壁工作的幼态信息也是不利的。因此，为给炉体冷却壁的 维护和热流强度控制掇供必要的参考，以有利于离炉的长寿，建立一个冷龆水的热 流强菠爨动蓬溺系绫怒十分必要酌。透过溺褥静热流强度配合炉内热电镁掰测的温 度，计算出炉衬的厚魔，反映其工作状态，使其损坏状态控制在期望的比较均匀的 模式。成功的监测是进行有效的维护的前提和保证，热流强度的监测和炉衬厚度预 报豹毯靛主要是了解炉壤稻冷帮壁豹工终绩嚣，在魏基礁上蠢豹敖矢遣袋敬檑痘戆 维护措施。减缓炉衬侵蚀速率，防止高炉突发性灼穿事故，使高炉顺行和长寿”j 。 1 3 2 热流强度监测的豳内外发展状况 热流强度的检测镪括温度的检测和流量的梭测。近年泉，e t 本、歇荚一些国 家，在高炉软水闭路循环系统中，采用昂贵的铂热电阻、电磁流量计，利用计算机 对水遗麓、热负萄及捻漏进行实时簸测。德国露摹梅镪铁公司透过热流搽测嚣直接 测量炉树热流强度米簸浏高炉炉身炉衬锤损情况，直接褥裂关于炉村剩余凝厚的数 值范围。 我豳一部分中小懋高炉对于热流强度的监测由于生产规模稠资金等原因还是采 霜天工测鬟静务法。入工定辩溺量承温，一般簿天测量一次，在高炉寒麓捌楚潺潆 气的情况下，很不安众。另外在高炉冶炼过程中，有时炉缸工作状态不均，局部边 缘煤气流过分发展造成短时间内水濑异常升高现象，如不能即时发现，采取相应的 接藏，会逡残妒基、势髂浇穿、瀑建等重大事敬。磊显天王溺爨劳魂强凌大，又不 连续，测照精度不高。 宝钢、武钢高炉分别引进日本、卢森堡技术及硬件，在软水闭路循环中，对全 炉热受蕊遴行实曩寸整测验j 。 下面楚现阶段部分我国己开发墩用的高炉冷却系统热流强度检测的举例。 1 高炉炉墙状况诊断及冷却壁状态在线检测系统开发与应用 济露钢铁集团总公司第一炼铁厂高炉上斑用高炉炉墙状况在线诊断检测系 统，为冶炼技术入萎的搡苄# 提供了翁； ! | 的参考。 1 ) 传感器：测量冷却水温度的一次元件是a 级薄膜热电阻。其特点是外形尺寸 小，抗热震性强、元件致性好、热容小、热响威时间短、性稳定。 玲稳灏系统静流稷强如图2 蘑示； 7 河北理工大学硕士学位论文 温差巡检仪1 温差巡检仪2 铁水温度表 总管流量表 隔离电路 工业控制计算机 显示l i 打印 图2 在线检测系统的流程图 f i g2t h ep r o c e d u r eo f m e a s u r eo nl i n e 3 ) 计算机系统 工控机采用原装研华机，工控机配置为：p i i i 8 6 6 m h zc p u 、1 2 8 m b 内存、 3 2 m b 显示内存、2 0 g b 硬盘，为了通讯增加了z o o o d e m5 6 kp c i v 9 2 调制解 调器和1 0 1 0 0 m b p s 自适应以太网卡。 4 ) 系统软件 系统软件使用了基于m i c r o s o rw i n d o w s 9 5 、9 8 和m i c r o s o f tw i n d o w sn t 平台的 全中文工控组态软件编制。该软件可以进行从数据采集、报警处理、流程控制、动 画显示、报表输出等工程检测、控制的组态软件。 系统软件具有实用、直观、界面友好、可以人机对话等功能，工控组态软件充 分利用了w i n d o w s 操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能。并且在进行即时 数据采集、处理、设备驱动和异常处理的同时，还可以进行如画面显示等非实时性 任务，如打印数据一类的工作可运行于后台，进行脱机作业【6 1 。 2 高炉冷却系统热负荷及检漏在线监测技术 “高炉冷却系统热负荷及检漏在线监测技术”是由包头钢铁学院研制的。 检测系统由三部分组成：水温检测、流量检测和数据处理中心等三部分组成。 其中水温检测系统是由p t l 0 0 铂电阻传感器和1 6 路w d c 温度采集器组成。温度采 集器由8 0 9 6 单片机、4 0 5 l 多路开关和运算放大电路组成。水温检测系统检测各测 量点的进水、出水温度，并将检测到的数字信号传递到数据处理中心。流量检测系 统由超声波流量传感器和流量采集器组成。 数据处理中心负责将水温检测系统和流量检测系统传送来的测量数据信号进行 处理、运算，在屏幕上显示各测量点的进水温度、水温差、热负荷、流速及检漏变 l 文献综述 化情况，自动保存检测数据，查询、打印任意一天的测量数据，显示2 4 h 水温差态 势图，若水温差和检漏高于设定值时，自动报警。 该监测系统采用了分布式计算机网络结构。考虑到检测点多，线路复杂，施工 布线、维护等困难，温度、流量采集器( 称下位机) 就地安装，采用r s 4 8 5 通讯方 式，控制室与检测现场只用l 根通讯线联系，通讯距离可达数公里。其工艺流程如 图3 所示。 图3 检测工艺流程图 f i g3t h ep r o c e d u r eo f m e a s u r e 该系统既适用于高炉闭路冷却水系统，又适用于高炉开路冷却水系统的流量、 水温检测，对高炉安全生产和提高高炉的使用寿命具有非常实际的意义。 该监测系统的主要技术指标为： 1 ) 温度检测精度：0 2 。 2 ) 温度分辨率：o 0 5 。 3 ) 单点温度量程：0 7 06 c 。 4 ) 流量检测精度：2 。 5 ) 检漏：进出水流量差o 5 h 时，报警【”。 9 河北联工大学硕士学位论文 1 4 主要磷究内容 以上研究采用的都是铂电阻传感器，铂电阻传感器测温范围宽，精度商，制作 误差小，结构简单而鼠已有统一的国际标准，但是铂电阻传感器抗机械搬动能力 差，电黻变纯小，弓l 线电阻影赡大，舞了保证麟发嚣要用瞪线测量技术。掰以需要 更多的接线和数据采黛通道：铂电融传感器输出豹是模拟倍母，需通过赦丈器、滤 波器、a d 转换电路之后才能得到系统需要的数字信号，系统要考虑的环节比较 多。在邀距离温度测爨系统中，需臻很好的熙_ 决弓l 线误差、枣b 偿问题、多点测量切 换误差润题帮放大邀潞零点漂移谈蒺润题等技零运遂，矛麓够这笺较麓瀚涌量精 度，在接口上需要a d 转换器，因此造成结构复杂且成本高，凋试也繁琐。 为此，本论文采厢数字温度传媒器组成数字化的温度测爨电路，通过潺度采集 摸块完戏数字温疫传黪器豹瀣发慕集及管理，势鞫整极逡行数据逶潺。磷究工掌# 包括三方面的内容：一是通过对高炉系统需求的分析，完成黼炉热流监测的硬件设 计并对硬件性能进行测试；二是根据高炉工艺和传热方程对炉衬测厚模型进行分 掇；三楚壤摆硬侉测试结票进行歙终编程，绘爨亳炉操终撵嚣器嚣，撵簿莛炉生 产。 1 0 2 热流强度靛籍系统的硬静设计 2 热流强度监测系统的硬件设计 2 1 热流强度计算的基本理论 热流强度是指单位时间内通过冷却壁单位瞬积的热量。 高炉在开炉以后，当达到预定的技术指标后，其冷却麓的热工作状态表现在迸 出口热濠强度、本滠差是处在一个胡对平鬟戆范鼷建的波动。一旦冷去| 】壁热滚强 度、水温差发生变化，其原来的平衡被破坏，表现在热流强度、水温差与原来的平 稳态肖显著箍异。麓密其稳定簸行的藏菡，魏要进幸亍检查，采取相应的护炉捺菇。 对于墓一个离炉的菜一部位来说，它都有自如适宜的水温差和热流强度值。通过生 产实践可以找到高炉各部位热流强度稳定顺行的工作范围，在这个范围内工作为其 合理搡嚣炉黧时戆热流强度。热滚强震过低域过毫，都不巅于惑妒冶燎。衰势冶炼 过程中在某段特定时间内( 炉龄的初期、中期和晚期等) 可以认为热流强度是常 数。阂诧通过益测商炉的水温差和热流强度就可以知道高炉韵工作情况。 囊常生产高炉冷却器约散热量近似等于冷却水镫走的热量，因此遴过测定冷却 水的参数便可以计算出冷却壁的热流强度。热流强度检测，是首先检测冷却璧的进 丞隶滋秘进斑零豹流量，然后有上位橇逡行数学运算瑟完成瓣。 热流强度计算公式： q ：( v a t c l 0 0 0 ) 式( 1 ) s 式中： q 为热流强度，k 豫瓠。1 1 ) 。 v 为流量，m 3 m 。 a t 为永温差，其中a t t , m - - t 进。氇，t m 怒由安装在冷却壁上的进、出水 磐遂上戆澄发传感缎测出寒羚进、出出滠度毽。 c 为水的比热，4 1 8 6 8 k j ( k g ) 。 s 为冷却建面积，m 2 f 5 j 。 冷却壁设置于炉壳与炉衬之间，一般是由铸铁或锢做成的，导热性好。蕊虽均 布于炉衬之外，冷却均匀。检测冷却系统水温差，出水温度代表的是出水的平均温 度。掰爨我弱霹潋认为校握菠测麓东瀵差帮滚量 算熬热滚强度羧是一块冷帮壁鹃 河北理工大学硕士学位论文 平均热流强度。知道了每块冷却壁的热流强度，也就知道了整个高炉冷却壁系统的 热流强度。 因此，我们首先进行温差和流量的测量。 2 2 温度测量方案的确定 一般的高炉高约二十米，直径达十米，测温面积大，测温点较多。为解决测温 点较多和分布分散的问题，我们决定搭建分布式温度测量系统( 分布式温度测量是 指在较大的范围内同时测量多个测点或大面积的温度) 即单总线温度巡检系统。在 高炉控制室设置主控计算机( 上位机) ，各工业现场就近安装温度采集装置采集现 场参数，上位机与采集模块之间通过r s 4 8 5 总线进行通讯，所有参数在上位机内统 一进行处理、显示、分析、存储、打印等。 分布式的测量系统由上位机、采集模块和传感器构成。每- - n 温模块采集和处 理多点的温度信息，然后通过通讯转换模块把温度信息传送到上位机。根据测温点 的分布情况，可以灵活地决定模块数量的多少。如图4 所示。 图4 测温系统示意图 f i g4t h es k e t c hm a po f t h ew a r n ls y s t e m 1 2 2 热流强度监测系统的硬件设计 2 3 测温系统的硬件选择 2 3 1 温度传感器 1 传感器的选用 高炉冷却水的进水温度一般在3 0 左右，出水温度不超过5 0 。c 6 0 ，因此传 感器的测温范围在5 5 计1 2 5 的范围内可以满足要求。而对一座高炉冷却系统的 水温差进行检测，检测点少则几十个多则几百个，因此一方面要对温度进行精确的 测量，另一方面又要组成测试网络，构成多点温度自动测控系统。由美国d a l l a s 公司生产的单总线数字温度传感器d s l 8 8 2 0 是一种可组网络数字式温度传感器，直 接输出数字信号，可将多个传感器挂接在一条总线上。它可以使用户很容易的组建 数字化测温网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠，方便地实现分布式测 温瞄j 。纯数字传输，使系统具有很强的抗干扰能力。因此，我们选用数字温度传感 器d s l 8 8 2 0 。 2 数字温度传感器d s l 8 8 2 0 d s l 8 8 2 0 是由美国d a l l a s 公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器， 支持多点组网功能，多个d s l 8 8 2 0 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。 d s l 8 8 2 0 的引脚如图5 ： id s l 8 8 2 0 i g n d d q v d d 图5 d s l 8 8 2 0 的引脚图 f i g5t h ep i np i c t u r eo f d s l 8 8 2 0 其中g n d 是地线，d q 是数据输入和输出，v d d 是电源。数字式温度传感器 主要有以下几方面特点：( 1 ) 测量温度范围为5 5 + 1 2 5 ，在- 1 0 + 8 5 范围 内，精度为0 5 。( 2 ) 测量结果以9 1 2 位( 可选) 数字量方式串行传送。( 3 ) 转换 温度时间小于l s 。( 4 ) 能够实施多点测量。( 5 ) 可以通过数据线提供能量。( 6 ) 只有唯 一的一根线与外部进行通讯。( 7 ) 可以设置温度报警系统。 1 ) d s l 8 8 2 0 的结构 d s l 8 8 2 0 内部可分为4 个部分，如图6 所示 1 3 河北理工大学硕士学位论文 图6 部结构图 f i g6t h ec h a r to fi n s i d es t r u c t u r e ( 0 6 4 位光刻r o m 数据存储器。( 2 ) 9 字节的片内r a m ，用于保存芯片检测到 的温度数据以及临时保存温度报警上下限和配置。( 3 ) 3 字节的e p r o m ，用于永久性 保存温度报警上下限、转换位数配置。( 4 ) 温度传感器。 每个传感器含有特定的6 4 位r o m 编码即i d 号，它是区别不同传感器芯片的 唯一编号。所以多个d s l 8 8 2 0 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱，这为温 度的多点测量带来了极大的方便。 温度传感器的转换结果以1 6 位二进制补码的形式存放在存储器中，如果测量结 果的温度值高于温度报警触发器t h 或低于t l 中的值，则d s l g b 2 0 的内部报警标 志位就被置位，表示温度测量值超出范围。温度报警触发器和设置寄存器都由非易 失性电可擦写存储器( e p r o m ) 组成，设置值可以通过相应命令写入，一旦写入不 会因为掉电而丢失。 2 1d s l8 8 2 0 的测温原理 d s l 8 8 2 0 的温度传感器是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振 荡周期的计数来实现温度的测量，如图7 所示。 d s l 8 8 2 0 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温度系数振荡器输出的时钟脉 冲信号在高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器被预置在与- 5 5 。c 相对应 的一个基权值。如果计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零，表示测量的温 度值高于一5 5 。c ，被预置在5 5 。c 的温度寄存器的值就增加1 ，然后重复这个过程， 1 4 - 2 热流强度监测系统的硬件设计 图7 测温原理图 f i g7t h ep i c t u r eo f t h ew a r mp r i n c i p l e 直到高温度系数振荡周期结束为止，这时温度寄存器中的值就是被测温度值，这个 值以1 6 位二进制补玛的形式存放在便笺式存贮器中。温度值由主机通过发读存贮器 命令读出，经过取补和十进制转换，得到实测的温度值。斜率累加器用于补偿和修 正温度振荡器的非线性【9 】。 3 1d s l 8 8 2 0 的命令格式 d s l 8 8 2 0 的命令是靠严格的通信协议来支撑的。为保证数据可靠地传送，同一 时刻单总线上只能有一个控制信号或数据，进行数据通信时一定要符合单总线协 议。用户对于d s l 8 8 2 0 的访问分为三个步骤： ( 1 ) 初始化 用户通过信号线，向d s l 8 8 2 0 发送一个满足特定时序的负脉冲，信号线上的所 有的d s l 8 8 2 0 芯片都被复位，准备接受用户的序列号访问命令。 ( 2 ) 序列号访问命令 接下来，用户通过信号线，发送一个特定的6 4 位序列号编码。这时，信号线上 所有相连d s l 8 8 2 0 都进行编码匹配，只有编码一致的d s l 8 8 2 0 才被激活，可以接 受下面的内存访问命令。 ( 3 ) 内存访问命令 在用户发送序列号访问命令选定特定d s l 8 8 2 0 芯片后，被选中的芯片便可以接 受内存访问命令，读取温度数据，设定温度报警限【l o l 。 1 5 河北理工大学硕士学位论文 由于每片d s l 8 8 2 0 内部都设有一个唯一的i d 号，所以多个d s l 8 8 2 0 可以并联 在同一条线上，而不会产生混乱现象。再加上传感器在使用中不需要任何外围元 件，大大减少了系统的电缆数；布线采用带屏蔽层的双绞线电缆和三线制的连接方 式，传感器探头采用不锈钢密封，因此提高了系统的稳定性和抗干扰性。 d s l 8 8 2 0 独特的结构，决定了它特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温 度检测。高炉水温差的检测就较好地利用了d s l 8 8 2 0 的独到特点，使系统得到了极 大的简化。 2 3 2 温度采集模块 由于测温点在现场，距监控室较远，我们采用远端采集模块，将数据送入监控 室。系统的温度采集模块采用北京长英科技公司生产的l t m 一8 0 0 2 型温度采集装 置。 l t m 8 0 0 2 采集模块是整套系统的核心，是连接传感器和上位管理机的纽带。 温度采集模块的工作受上位机的控制，它与d s l 8 8 2 0 配套使用，构成一个完整的测 温系统。每台温度采集装置最多可挂接6 4 个传感器，温度数据通过r s 4 8 5 总线传 给上位机。 温度采集模块的作用是用来控制数字温度传感器进行温度数据采集，并和上位 机进行数据通讯。模块内置的单片机接收上位机的指令，完成对d s l 8 8 2 0 的寻址、 序号设定、温度转换，数据传输以及c r c 检验等工作，并提供对d s l 8 8 2 0 及模块 自身故障的检测和处理。模块通过r s 4 8 5 串行总线可扩大传输范围，并便于实现系 统硬件的分组管理，保证在复杂的现场条件下能够稳定可靠地工作】。 l t m 8 0 0 2 通用型l “4 点远程温度测量模块，支持“1 - w i r eb u s ”温度传感 器，以r s 4 8 5 方式同上位机通讯，几乎是性能价格比最好的远程多点温度采集模 块，适用于大多数温度测量应用。支持美国d a l l a s 全系列l - w i r e 总线数字化温度 传感器，使用户的应用更方便。每一模块可连接八条测温线缆，每条线缆可安装最 多八个测温点，每个模块支持最多“个温度探头。l t m 8 0 0 2 系列模块自动侦测传 感器数量及i d ，支持传感器排序。模块实时刷新数据缓冲区，其连接方式为三线 制，与上位机之间以r s - 4 8 5 方式进行数据交换。模块自带4 8 5 接口，利用其自身的 r s 4 8 5 口来和上位机一起构成数字多点测温网络系统，一台上位机可带1 2 8 个模 块。每个模块被赋予各自的通讯地址码用以识别身份，这样上位机即能通过r s 一4 8 5 总线对挂在总线上的每个模块进行通讯，实现对采集模块的远程数据采集与监控。 1 6 2 热流强度监测系统的硬件设计 模块使用更适合现场要求接插方便的可插拔端子连接器，通讯端口采取突波保 护( t v s ) 及自恢复保险等多重保护，使用隔离电源，系统应用看门狗 ( w a t c h d o g ) 技术，确保模块的安全及抗干扰特性。 1 ) 测温特性 支持l t m 8 8 7 x 系列1 w i r e 总线数字温度传感器 测温点数：1 6 4 点 测温范围：5 5 + 1 2 5 测温精度：o 5 测温分辨率：o 0 6 2 5 测温速度： 4 0 点s 支持测温电缆长度：_ a a ( 传感器数量) ( 温度数据) ( c r ) ：起始字符( 3 e h ) ( 传感器数量) ：两个字节十六进制数( 不是a s c i i 码) ( 温度数据) ：每个传感器温度用四个字的压缩b c d 码表示，表示为a b c d ， 采集来的( 传感器数量) 多个温度按传感器编号顺序排列 c r ：结束符( 回车符0 d h ) 温度计算方法： 温度= ( ( b a n d 7 ) 2 5 6 + a ) 0 0 6 2 5 式( 2 ) 2 3 f 3 上位机 上位机可采用通用计算机、工业控制计算机等。例如，采用西门子p l c ( s 7 4 0 0 系列) ，利用其r s 4 8 5 接口与温度采集装置通讯，采得温度数据，再利用通讯 模块，将数据传输到上位机。系统中每一个模块的多个d s l 8 8 2 0 的温度转换和数字 温度的采集，以及模块与上位机的通讯都是在上位机的控制下进行的。 上位机的功能是数据处理及用户界面，由它负责接收模块传送的数据，通过显 示器和打印机输出测量、报警等信息。高炉水温差检测系统的上位机为主设备，由 上位机发出通讯控制命令，以保证上位机和采集模块之间准确、可靠的通讯。每个 模块被赋予唯一的通讯地址，采用主机轮询，从机应答的通讯方式。上位机发送命 令前，模块只做内部数据采集，不对外发送任何信息。通讯时，上位机发出模块地 址命令，所有模块都接收地址。模块接收地址后与自己的地址进行比较，地址相同 者与上位机通讯，否则继续进行温度检测，等待下一次通讯。 1 8 2 热流强度监测系统的硬件设计 2 3 4 通讯转换器 监控系统通过通讯转换器完成r s 2 3 2 到r s 4 8 5 的转换，实现上位机与模块的 双向通讯，每个通讯转换器可挂接1 2 8 个温度采集装置。我们采用的转换器是 l t m 8 5 2 0 型的。 l t m 8 5 2 0 是隔离型r s 2 3 2 4 8 5 转换器，r s 2 3 2 接口部件只使用r x d ，t x d 及 g n d 三条信号线，无需其它方向控制信号线。数据流可实现自动判向，自动波特率 适应等双向收发功能，最大通讯距离可达1 2 0 0 m 。 技术指标如下： 1 1 波特率：3 0 0 11 5 2 0 0 b p s 2 1r s 2 3 2 接口使用信号线：r x d 、t x d 、g n d 3 ) r s 4 8 5 通讯距离：1 2 0 0 m ( 9 6 0 0 b p s ) 4 1r s 4 8 5 节点数：6 4 5 ) 隔离电压：1 0 0 0 v d c 6 1r s 4 8 5 保护：6 0 0 w 瞬态过压吸收电路，过流保护 7 1r s 4 8 5 终端电阻：跳线选择 供电电压：8 - 3 7 v d c ， v 2 所以 址：_ 2 v l 式( 6 ) 当检测出时间差r 后，则流速v 为： v ：s ，式( 7 ) 2 上 、。 因此，测量出f 就可以计算出管内水的流速，在乘以管的内截面积即可求出水 的流量f ，如下公式 f = v s 式( 8 ) 超声波流量测试技术实现了对流体的非接触、无妨碍、无扰动测副”】。 一2 3 河北理工大学硕士学位论文 2 7 数据处理中心 数据处理中心是由r s 2 3 2 4 8 5 通讯服务器和上位机组成的。 数据处理中心负责对水温检测传送来的数字信号和流量进行处理、运算。然后 在屏幕上显示各测量点的进水温度、水温差、热流强度等参数变化的情况，自动保 存检测的数据，查询、打印任意一天或某一时刻的测量数据，查询一天的水温差态 势图，水温差超值报警，显示高炉被侵蚀后的操作炉型。 2 8 监测系统的功能 1 ) 在线、连续、直观地反映各测点的进水温度、水温差、热流强度和高炉炉 型。 2 ) 检测各测点的数据，可以存储、查询、打印任意一天或某一时刻的数据。 3 ) 显示天或- - 4 , 时的水温差及热流强度态势图。 4 ) 水温差超值报警。当检测值超过设定的报警值时，通过屏幕颜色提示提醒操 作者注意并采取相应的行动。 2 4 3 炉衬厚度检测的研究 3 炉衬厚度检测的研究 高炉的工作空间是用耐火材料砌筑而成的，高炉投产后，工作一段时间，炉衬 被侵蚀，高炉各部位的炉衬厚度发生变化。高炉操作者关心的不是开炉时的炉衬情 况，而