阅读说明：本技术 测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法和高炉 (method for measuring erosion degree of furnace bottom and furnace hearth of blast furnace and blast furnace ) 是由 董立元 张孝博 李立军 武丽帅 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及冶炼技术领域,提供了一种测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法和高炉。该方法包括以下步骤：预先在的预设位置的耐火层中沿高炉的周向埋设光纤,所述预设位置为高炉炉底和高炉炉缸；在高炉的外壳开设引出口；将光纤的两端从引出口穿出后与信号处理器电连接；根据温度信号计算设定温度的等温线处的厚度分布。该高炉包括由外至内依次设置的外壳、耐火层和砖衬,位于高炉炉底和高炉炉缸的耐火层中分别沿高炉的周向埋设有光纤,高炉的外壳开设有引出口,光纤的两端从引出口穿出后与信号处理器电连接。本发明基于光纤测温原理能够对高炉炉底和高炉炉缸的侵蚀程度进行全面、准确的检测,降低事故发生概率、保证高炉安全高效的运行。(The invention relates to the technical field of smelting, and provides a method for measuring erosion degrees of a blast furnace bottom and a blast furnace hearth and a blast furnace. The method comprises the following steps: embedding optical fibers in a flame retardant coating at a preset position along the circumferential direction of the blast furnace, wherein the preset position is a blast furnace bottom and a blast furnace hearth; the shell of the blast furnace is provided with a lead-out opening; two ends of the optical fiber penetrate out of the leading-out port and then are electrically connected with the signal processor; and calculating the thickness distribution at the isothermal line of the set temperature according to the temperature signal. The blast furnace comprises a shell, a fire-resistant layer and a brick lining which are sequentially arranged from outside to inside, optical fibers are respectively embedded in the fire-resistant layer positioned at the bottom of the blast furnace and the fire-resistant layer positioned at the hearth of the blast furnace along the circumferential direction of the blast furnace, a leading-out opening is formed in the shell of the blast furnace, and two ends of the optical fibers are electrically connected with a signal processor after penetrating out of the leading-out opening. The invention can comprehensively and accurately detect the erosion degree of the blast furnace bottom and the blast furnace hearth based on the optical fiber temperature measurement principle, reduce the accident occurrence probability and ensure the safe and efficient operation of the blast furnace.)

测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法和高炉

技术领域

本发明涉及冶炼技术领域，尤其涉及一种测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法和高炉。

背景技术

钢铁不论是在楼层建造还是在铁路建设中，都是不可缺少的一种重要资源。对于钢铁的制造而言有着基本有两个流程，其中一项重要的流程就是生产生铁，高炉冶炼是目前主要的炼铁方法。尽管世界各国研究开发了很多炼铁方法，但由于高炉冶炼工艺简单、产量大、劳动生产率高，因此高炉冶炼仍是现代炼铁的主要方法。

高炉冶炼是指应用焦炭、含铁矿石和熔剂在高炉内连续生产铁水的方法。由于，高炉冶炼的整个过程都是在封闭的高炉中进行的，因此工作人员无法直接观测到高炉内部的情况，只能通过如温度、压力、煤气成分、硅含量、铁水温度等间接数据推断得知。而高炉炉底或炉缸内侧的砖衬在高温铁水的长期冲刷和侵蚀下其厚度会逐渐变薄，当其强度失效而不能支撑高炉时，铁水随时会破炉而出，造成高炉烧穿，导致重大事故和经济损失，因此及时判断高炉炉底或炉缸的侵蚀程度对高炉冶炼的安全生产至关重要。

如图1和图2所示，目前一般是通过在高炉炉墙内间隔1m～2m、甚至5m以上预埋多个热电偶1来获取多个测量点的温度，进而计算1150℃所在位置，再以此判断高炉炉底和炉缸的侵蚀程度。由于高炉的直径通常在10m左右，因此需要在炉墙上开设多个热电偶1安装孔，而开孔太多极易发生漏气、穿铁等事故。此外，相邻两个热电偶1之间的区域属于测量盲区，一旦在该区域发生侵蚀则很难测量到。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种操作简单、可靠性高的测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法，以对高炉炉底和高炉炉缸的侵蚀程度进行全面、准确的检测。

根据本发明第一方面实施例的测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法，包括以下步骤：

预先在高炉的预设位置的耐火层中沿所述高炉的周向埋设光纤，所述预设位置为高炉炉底和高炉炉缸；

在所述高炉的外壳开设引出口；

将所述光纤的两端从所述引出口穿出后与信号处理器电连接，所述信号处理器用于向所述光纤发射激光脉冲以及将所述光纤散射回来的拉曼后向散射光转换为温度信号；

根据所述温度信号计算设定温度的等温线处的厚度分布。

根据本发明实施例的测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法能够对高炉炉底和高炉炉缸的侵蚀程度进行全面、准确的检测，进而便能降低事故发生概率、保证高炉安全高效的运行。

另外，根据本发明实施例的测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法，还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述根据所述温度信号计算设定温度的等温线处的厚度分布的步骤，包括：

将所述预设位置划分为多个区域块；

根据测量温度和以下公式迭代计算所述区域块内各个点的温度：

其中，所述测量温度为与所述光纤在所述区域块内的散射区对应的温度信号；λ表示所述预设位置的导热系数；T表示所述区域块内任意一点的温度；z表示所述区域块内任意一点所处的高度；r表示所述区域块内任意一点距离所述高炉中心轴的径向距离；θ表示所述区域块内任意一点相对所述高炉中心轴的方位角；

根据所有所述区域块内各个点的温度确定1150℃等温线的形状和位置，以获取1150℃等温线处的厚度分布。

根据本发明的一个实施例，还包括以下步骤：在所述高炉的外壳开设备用引出口，将所述光纤从其与所述备用引出口对应的位置剪断、以形成两个备用引出端，将两个所述备用引出端从所述备用引出口中穿出后与所述信号处理器电连接。

根据本发明的一个实施例，所述光纤呈锯齿状或波浪状沿所述高炉的周向设置。

根据本发明的一个实施例，所述预设位置的耐火层中沿所述高炉的径向设有多根所述光纤。

根据本发明的一个实施例，所述预设位置的耐火层中沿所述高炉的高度方向埋设多根所述光纤。

根据本发明的一个实施例，与相邻两根所述光纤对应的所述引出口在同一水平面的投影具有夹角。

根据本发明的一个实施例，所述预先在高炉的预设位置的耐火层中沿所述高炉的周向埋设光纤的步骤包括：在砌高炉内侧砖衬时，沿所述砖衬的外壁开设环槽；将所述光纤部分卡入环槽，并在所述砖衬外壁涂覆耐火材料以形成耐火层。

根据本发明的一个实施例，所述光纤中相邻两个散射区的间距不小于100mm。

根据本发明第二方面实施例的高炉，包括由外至内依次设置的外壳、耐火层和砖衬，位于高炉炉底和高炉炉缸的所述耐火层中分别沿所述高炉的周向埋设有光纤，所述外壳开设有引出口，所述光纤的两端从所述引出口穿出后与信号处理器电连接。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明基于光纤测温原理，通过在高炉炉底的耐火层和高炉炉缸的耐火层中分别沿高炉的周向埋设光纤，就可利用光纤中各个散射区散射的拉曼后向散射光获得对应散射区所处位置的温度。可见，相比现有技术中采用多个热电偶来测量温度，本发明利用光纤不仅可以实现多处测量，而且相邻两个测温区即散射区之间的间距在厘米级别远小于采用热电偶时的米级间距，光纤沿高炉炉底和高炉炉缸的周向基本无盲区，从而显著提高了测量的准确性和全面性，为高炉安全高效的生产提供了可靠保障。此外，采用本发明测量时只需在高炉的外壳开设用于穿出光纤的引出口即可，大幅降低了发生漏气、穿铁等事故的风险。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中热电偶在高炉炉底和高炉炉缸上的安装侧视图；

图2现有技术中热电偶在高炉炉底上的安装俯视图；

图3是本发明实施例中光纤的测温原理图；

图4是本发明实施例中光纤在高炉炉缸上的安装示意图；

图5是本发明实施例中光纤在高炉炉缸上的另一种安装示意图；

图6是本发明实施例中预设位置的区域块的示意图；

图7是本发明实施例中光纤在高炉炉缸上的另一种安装示意图；

图8是本发明实施例中光纤在高炉炉缸上的另一种安装示意图；

图9是本发明实施例中光纤在高炉炉底上的另一种安装示意图。

附图标记：

1：热电偶；2：光纤；2.1：激光脉冲；3：信号处理器；

4：外壳；5：引出口；6：备用引出口。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

结合图3至图9所示，本实施例提供了一种测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法，该方法包括以下步骤：

S1、预先在高炉的预设位置的耐火层中沿高炉的周向埋设光纤2，其中，预设位置为高炉炉底和高炉炉缸，具体地：在砌高炉内侧砖衬时，沿砖衬的外壁开设环槽；将光纤2部分卡入环槽，并在砖衬外壁涂覆耐火材料以形成耐火层。其中，光纤2中相邻两个散射区的间距不小于100mm。例如，相邻两个散射区的间距为100mm，也就是说，光纤2在预设位置的耐火层中沿高炉的周向每隔100mm就有一个散射区即测温点。

S2、在高炉的外壳4开设引出口5；

S3、将光纤2的两端从引出口5穿出后使其分别与信号处理器3电连接，信号处理器3用于向光纤2发射激光脉冲2.1以及将光纤2散射回来的拉曼后向散射光转换为温度信号。根据光纤测温原理可知，当一个激光脉冲2.1从光纤2的一端射入光纤2时，该激光脉冲2.1会沿着光纤2向前传播。在此过程中，激光脉冲3.1与光纤3内部分子发生非弹性碰撞而发生散射，其产生的拉曼后向散射光中的后向反斯托克斯光对温度敏感，即散射区的温度越高后向反斯托克斯光的强度越大。由此信号处理器3基于光时域反射技术对拉曼后向散射光进行处理后，便可得到光纤3沿线任一散射区对应的温度信号。因此，本实施例通过在高炉炉底的耐火层和高炉炉缸的耐火层中分别沿高炉的周向埋设光纤3，就可利用光纤3各个散射区散射的拉曼后向散射光计算出对应位置处的温度。其中，信号处理器3可以包括激光器、光路双向耦合器、分光器和接收器，激光器与光路双向耦合器的第一端连接，光路双向耦合器的第二端与光纤2的两端连接，光路双向耦合器的第三端通过分光器与接收器电连接。从激光器输出的激光脉冲2.1通过光路双向耦合器耦合后进入光纤2，激光脉冲2.1在光纤2中发生散射后，其产生的拉曼后向散射光返回到光路双向耦合器中，光路双向耦合器将拉曼后向散射光耦合至分光器，分光器从拉曼后向散射光中滤出后向反斯托克斯光后输送至接收器，接收器将后向反斯托克斯光转换为温度信号。

S4、根据温度信号计算设定温度的等温线处例如1150℃等温线处的厚度分布，具体地，如图6所示：

S4.1、将预设位置划分为多个区域块；

S4.2、根据测量温度和以下公式迭代计算区域块内各个点的温度：

其中，测量温度为与光纤2在区域块内的散射区对应的温度信号；λ表示预设位置的导热系数；T表示区域块内任意一点的温度；z表示区域块内任意一点所处的高度；r表示区域块内任意一点距离高炉中心轴的径向距离；θ表示区域块内任意一点相对高炉中心轴的方位角；例如，如图6所示，假设光纤2该区域块内的散射区为径向距离为ri的i点，则i点的温度为测量温度，在此基础上再利用公式(1)通过迭代计算就可获得区域块内各个点的温度，例如径向距离为ri的j-1点和j+1点的温度，以及径向距离为径向距离为ri+1的i+1点和径向距离为ri-1的i-1点的温度。

S4.3、根据所有区域块内各个点的温度确定1150℃等温线的形状和位置，以获取1150℃等温线处的厚度分布。

由上可知，该方法基于光纤测温原理，通过在高炉炉底的耐火层和高炉炉缸的耐火层中分别沿高炉的周向埋设光纤3，就可利用光纤2中各个散射区散射的拉曼后向散射光获得对应位置处的温度，进而便能计算出1150℃等温线处高炉炉底和高炉炉缸的厚度分布，由此就可确定高炉炉底和高炉炉缸的侵蚀程度，也就是说，高炉炉底和高炉炉缸的厚度越薄处其侵蚀程度越严重。可见，相比现有技术中采用多个热电偶来测量温度，本实施例利用光纤2不仅可以实现多处测量，而且相邻两个测温区即散射区之间的间距在厘米级别远小于采用热电偶时的米级间距，光纤2沿高炉炉底的周向基本无盲区，从而显著提高了测量的准确性和全面性，为高炉安全高效的生产提供了可靠保障。此外，采用该方法测量时只需在高炉的外壳4开设用于穿出光纤2的引出口5即可，大幅降低了发生漏气、穿铁等事故的风险。

需要说明的是，利用光纤2获得的温度信号除了可以获取高炉炉底和高炉炉缸的厚度分布以外，还可以结合温度场计算模型来绘制高炉周向的温度分布。此外，还可以将光纤2布置在高炉风口处，以获得高炉风口周围的温度信号，以此计算软熔带的位置和悬料发生程度。由于借助温度来绘制高炉周向的温度分布以及计算软熔带的位置和悬料发生程度属于本领域的公知常识，此处不再赘述。

另外，考虑到高炉周向各处的温度可能相差较大，使用过程中光纤2某处可能会被烧断或损坏，为了保证光纤2其他位置仍可继续测量，以高炉炉缸处的光纤2为例，如图4所示，该方法还包括以下步骤：在高炉的外壳4开设备用引出口6，将光纤2从其与备用引出口6对应的位置剪断、以形成两个备用引出端，将两个备用引出端从备用引出口6中穿出后与信号处理器3电连接。例如，高炉的外壳4开设有一个备用引出口6，备用引出口6与引出口5相对设置，光纤2从中部被一分为二，光纤2原来的两端从引出口5穿出后与信号处理器3电连接；光纤2在剪断处形成的两个备用引出端从备用引出口6穿出后也与信号处理器3电连接。当光纤2位于备用引出口6和引出口5之间的其中一段被烧断或损坏时，那么光纤2位于备用引出口6和引出口5之间的剩余一段的两端仍分别与信号处理器3连接，进而嵌设这段光纤2的高炉炉缸的温度仍可继续被测量。进一步地，高炉的外壳4上沿其周向可间隔开设多个备用引出口6，光纤2上与备用引出口6一一对应的位置均被剪断。将光纤2在每个剪断处形成的两个备用引出端从对应的备用引出口6中穿出后，将其与信号处理器3连接，由此就可保证光纤2的某一段或某几段烧坏时剩余部分仍可继续测量。例如，如图5所示，高炉的外壳7上间隔开设有三个备用引出口6，光纤2上与备用引出口6一一对应的位置均被剪断，此时光纤2被分成四段，光纤2原来的两端从引出口5穿出后与信号处理器3电连接，光纤2在每个剪断处形成的两个备用引出端从对应的备用引出口6穿出后也与信号处理器3电连接。

以高炉炉缸处的光纤2为例，如图8所示，光纤2呈锯齿状或波浪状沿高炉的周向设置，也就是说，光纤2上一部分散射区与高炉中心轴的径向距离大于另一部分散射区与高炉中心轴的径向距离。此时，光纤2不仅能够测量高炉周向的温度分布，而且还可以测量高炉径向的温度分布。

优选地，预设位置的耐火层中沿高炉的径向设有多根光纤2，以获取高炉径向的温度分布。以高炉炉缸处的光纤2为例，如图7所示，高炉炉缸的耐火层中沿高炉的径向设有多根光纤2。当然，为了减少高炉的外壳4上引出口5的数量，位于高炉同一高度处的光纤2可共用同一个引出口5。例如，当高炉炉缸的耐火层中沿高炉的径向依次设有三根光纤2时，三根光纤2的两端均从同一个引出口5中穿出。

为了提高测量的准确性，可在预设位置的耐火层中沿高炉的高度方向埋设多根光纤2。例如，可在预设位置的耐火层中沿高炉的高度方向埋设4～6根光纤2，具体地：如图7所示，高炉炉缸的第一层可沿高炉径向设置3根光纤2。而高炉炉缸的第二层可沿高炉径向设置4根或3根光纤2。如图9所示，高炉炉底的第一层可沿高炉径向设置5根光纤2。而高炉炉底的第二层也可沿高炉径向设置5根光纤2。

为了避免光纤2在引出口5处被烧坏，因此引出口5优选设置在高炉温度相对较低的位置。当沿高炉高度方向设置多根光纤2时，若所有引出口5在高炉周向上的位置均相同，也就是说，所有引出口5在同一水平面上的投影重合时，一旦出现意外所有引出口5中的光纤2可能会同时烧坏，为了避免上述现象发生，所有引出口5沿高炉周向交错设置，也就是说，与相邻两根光纤2对应的引出口5在同一水平面的投影具有夹角，其中夹角可优选为90°。

另外，本实施例还提供了一种高炉，该高炉包括由外至内依次设置的外壳4、耐火层和砖衬，位于高炉炉底和高炉炉缸的耐火层中分别沿高炉的周向埋设有光纤2，高炉的外壳4开设有引出口5，光纤2的两端从引出口5穿出后与信号处理器3电连接。

由上可知，该高炉基于光纤2测温原理，通过在高炉炉底的耐火层和高炉炉缸的耐火层中分别沿高炉的周向埋设光纤3，就可利用光纤2中各个散射区散射的拉曼后向散射光获得对应散射区所处位置的温度。可见，相比现有技术中采用多个热电偶来测量温度，本发明利用光纤2不仅可以实现多处测量，而且相邻两个测温区即散射区之间的间距在厘米级别远小于采用热电偶时的米级间距，光纤2沿高炉炉底和高炉炉缸的周向基本无盲区，从而显著提高了测量的准确性和全面性，为高炉安全高效的生产提供了可靠保障。此外，采用本发明测量时只需在高炉的外壳4开设用于穿出光纤2的引出口5即可，大幅降低了发生漏气、穿铁等事故的风险。

此外，本实施例还提供了一种基于上述所述的测量高炉炉底和高炉炉缸侵蚀程度的方法的系统，该系统包括显示模块、光纤温度采集模块和计算模块，光纤温度采集模块和显示模块分别与计算模块电连接，光纤温度采集模块用于采集光纤2沿线各个散射区所处位置的温度信号；计算模块用于根据温度信号获取预设位置的各个区域块内各点的温度，以及根据所有区域块内各个点的温度确定1150℃等温线的形状和位置，并获取1150℃等温线处的厚度分布；显示模块用于显示1150℃等温线以及高炉炉底和高炉炉缸的厚度分布。其中，预设位置为高炉炉底和高炉炉缸；光纤温度采集模块包括光纤2和信号处理器3。其中，信号处理器3可以包括激光器、光路双向耦合器、分光器和接收器。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。