[发明专利]一种炉缸纵截面侵蚀边界计算的有限元方法

说明书

本发明公开了一种炉缸纵截面侵蚀边界计算的有限元方法，属于高炉炉缸侵蚀检测技术领域。所述方法通过获取布置在炉缸炭砖中热电偶组检测的温度值来计算炉缸侵蚀边界的位置，计算过程中，将侵蚀边界的计算问题转化为函数优化问题，采用粒子群算法解决优化问题，在设计目标函数时，考虑了侵蚀边界的曲率约束，得到更加平滑的侵蚀边界，在优化过程中采用有限元法进行热传导分析，提高了温度计算精度，使所计算得到的高炉炉缸的侵蚀边界更接近实际的侵蚀边界。

技术领域

本发明涉及一种炉缸纵截面侵蚀边界计算的有限元方法，属于高炉炉缸侵蚀检测技术领域。

背景技术

钢铁工业是我国的重要产业，十几年来钢铁产量一直处于世界首位。高炉则是钢铁冶金生产中的关键设备之一，是炼铁工艺过程的主要设备载体。由于其建造和维修费用非常高，所以高炉的使用寿命决定了高炉炼铁的经济性效益。高炉冶炼是在密闭的竖炉中进行的。焦炭、铁矿石和溶剂等固体炉料从高炉上部装入，铁水和炉渣定期或连续的从高炉下部的铁口中排出。根据炉料的温度，化学成分和物理形态，高炉从上到下分为块状带，软熔带，滴下带，风口燃烧带和炉缸五大部分。其中炉缸为高炉的重要区域，铁原子在炉缸中以液态的铁水形式存在。因此，炉缸处的内衬极易遭受侵蚀，从而严重影响高炉使用寿命。而侵蚀预测的难点在于，熔融铁水会覆盖炉缸内衬侵蚀部位，导致炉缸内衬侵蚀状态不能直接观测。

为了防止高炉炉缸被烧穿，需要建立描述高炉炉缸热传导的数学模型，进行炉缸内衬的侵蚀分析计算。在高炉服役中后期，判断炉缸内衬侵蚀形貌和厚度，合理安排护炉和大修期，确保炉缸结构的安全。同时也要求尽可能充分地利用现有的热工测量条件参数，在最大程度上接近真实状态，正确反映炉缸内衬工作状态。

一般来说，针对高炉炉缸内衬侵蚀的数学模型，都是建立在传热学的基础上的。其根据温度、热流量等热工参数建立不同的数学模型，并且不断发展。通过将针对高炉炉缸侵蚀问题的研究氛围正解模型和逆解模型。正解模型多根据侵蚀激励去预测侵蚀位置，但是由于炉缸内衬机理非常复杂，涉及到氧化作用、热应力、机械冲刷等等许多方面，产量和介质也非常复杂，所以从正向问题去预测侵蚀线的位置非常困难。而逆解模型则是直接利用服役高炉炉缸的温度和热流量等现有可测得的热工参数来确定内衬侵蚀状态。即在已知部分几何边界、导热系数、温度、热流密度等参数情况下，求解未知部分几何边界。因此，逆解模型比正解模型更具有实用性，是目前分析高炉炉缸侵蚀问题的主要方法。

为预测侵蚀边界，通过传热学中的傅里叶定律建立逆解是可靠途径之一。传统的一维计算模型易于就散和理解，但是计算结果误差较大，精度不够高；三维模型则过于复杂难度太大。因此，相比之下，二维计算模型能大大提高分析精度，又有很高的实际应用价值，是目前最实用的方法。二维计算模型中常用的数值分析方法是有限差分法，它在概念上比较简单且易于实现，但是有限差分法的限制是求解区域要划分成直线单元，即网格分割必须规则，但是高炉炉缸的侵蚀边界导致求解区域并不规则，因此采用有限差分法获得的侵蚀边界误差较大。

不同于有限差分法用差分近似微分，有限元法用插值函数近似微分，借助于变分原理或加权余量，可以计算非线性不规则的区域问题，真正能够做到对区域边界进行精准模拟。但现有的炉缸侵蚀边界的有限元计算方法中，均只考虑了温度约束，因而所计算得到的侵蚀边界偏理论，但实际的炉缸侵蚀边界比较光滑，因而其精确度有待于进一步提高。

发明内容

为了获得准确的炉缸纵截面侵蚀边界，本发明提供了一种炉缸纵截面侵蚀边界计算的有限元方法，所述方法基于有限元热传导分析，建立高炉炉缸侵蚀边界有限元模型；考虑高炉炉缸侵蚀边界曲率约束，采用改进后的粒子群算法确定侵蚀边界的位置。

可选的，所述方法包括：

Step1：以靠近炉缸外壁面一侧的热电偶相连接构成的边界为外边界、炉缸侵蚀边界为内边界，根据内外边界上各处的温度及对应的坐标建立高炉的几何结构模型，并采用三角形网格对几何结构模型进行剖分以进行有限元热传导分析，从而得到炉缸纵截面的温度域；其中炉缸侵蚀边界由若干移动边界点构成；