TWI700372B - 高爐設備及高爐爐渣液位之監測方法 - Google Patents

Abstract

一種高爐設備包含高爐以及監測系統。高爐具有爐壁、鼓風嘴及出鐵口。爐壁定義出容置空間以容置鐵水及位於鐵水之上之爐渣。爐壁包含爐殼。鼓風嘴穿設爐壁並與容置空間連通。出鐵口穿設爐壁並與鐵水連通。監測系統包含應變計及處理模組。應變計設置於爐殼上，且其設置位置低於鼓風嘴之設置位置。當高爐執行煉鐵作業時，應變計取得爐殼之應變資訊。處理模組與應變計耦接以接收應變資訊，且配置以利用應變資訊計算高爐之爐渣之液位。

Description

高爐設備及高爐爐渣液位之監測方法

本揭露實施例是有關於一種高爐設備，特別關於一種高爐設備以及高爐爐渣液位之監測方法。

高爐是煉鐵的一種設施，也是目前最具有規模經濟的煉鐵法。在煉鐵過程中，從高爐爐頂加入煉鐵原料，在爐內上升之還原氣體作用下，原料轉成熔融狀態並向下滴落，最後爐床處就會累積大量的鐵水與爐渣。

一座高爐通常會有2個以上的出鐵口。在出鐵作業中，先在一個出鐵口處局部鑽孔洞，使鐵水與爐渣流出。當爐渣液位下降以致爐氣由出鐵口排出且爐渣噴濺流出時，表示爐渣液位已降至最低點，此時無法再出鐵，亦即完成此出鐵口的出鐵。之後，以堵泥機抵緊孔洞，藉油壓擠入耐火堵塞材將出鐵口關閉。在關閉此出鐵口的同時或之後，對另一個出鐵口重覆上述開孔出鐵以及堵孔停止之出鐵動作，如此不斷循環。最好的出鐵作業是將爐渣液位維持在穩定的高度，且高度越低越好。

當爐渣液位升高時，除了會影響爐內氣流分佈，也會增加浮力，進而造成原料下降的速度減慢、鐵水產量減少。更嚴重的是，若爐渣液位上升至鼓風嘴，則無法送風生產，甚至還有漏銑危險。因此，根據爐床爐渣液位(液體面高度)之高低，決定最佳出鐵、堵泥時機與開孔大小，並將液位控制在適當範圍，為高爐穩定煉鐵的關鍵技術之一。

本揭露之目的在於提出一種高爐設備以及高爐爐渣液位之監測方法，能監測高爐爐渣液位以助於出鐵、堵泥時機之判斷，並穩定高爐的出鐵作業。

根據本揭露之上述目的，提出一種高爐設備包含高爐以及監測系統。高爐具有爐壁、鼓風嘴及出鐵口。爐壁定義出容置空間以容置鐵水及位於鐵水之上之爐渣。爐壁包含爐殼。鼓風嘴穿設爐壁並連通容置空間。出鐵口穿設爐壁並與鐵水連通。監測系統包含應變計及處理模組。應變計設置於爐殼上，且應變計設於鼓風嘴之下方。當高爐執行煉鐵作業時，應變計取得爐殼之應變資訊。處理模組與應變計耦接以接收應變資訊，且可利用應變資訊計算高爐之爐渣之液位。

在一些實施例中，應變計設於出鐵口之上方。

在一些實施例中，應變計之設置位置位於鐵水之底部與該爐渣之液面之間。

在一些實施例中，處理模組包含接收單元及濾波單元。接收單元與應變計耦接以接收應變資訊。濾波單元與接收單元耦接，並配置以濾除應變資訊之雜訊或應變資訊之應力變化之雜訊，以抽取爐殼之周向應力變化。

在一些實施例中，處理模組以關係式計算高爐之爐渣之液位，關係式為△h=△σ*t/(α*ρ*g*r)，△h為爐渣之液位變化，△σ為爐殼之周向應力變化，t為爐殼之厚度，α為爐壁內之側向壓力作用於爐壁上所傳到爐殼之內壁的應力比例，ρ為爐渣之平均密度，g為重力加速度，r為爐殼之內徑。

根據本揭露之上述目的，另提出一種高爐爐渣液位之監測方法，其中高爐包含爐壁、鼓風嘴及出鐵口，爐壁定義出容置空間以容置鐵水及位於鐵水之上之爐渣，爐壁包含爐殼，鼓風嘴穿設爐壁並與容置空間連通，出鐵口穿設爐壁並與鐵水連通。監測方法包含：在爐殼上設置應變計，且使應變計之設置位置低於鼓風嘴之設置位置；當高爐執行煉鐵作業時，由應變計取得爐殼之應變資訊；以及利用應變資訊計算高爐之爐渣之液位。

在一些實施例中，利用應變資訊計算高爐之爐渣之液位包含：利用濾波單元濾除應變資訊之雜訊或應變資訊之應力變化之雜訊，以抽取爐殼之周向應力變化。

在一些實施例中，利用應變資訊計算高爐之爐渣之液位包含：利用關係式計算高爐之爐渣之液位，關係式為△h=△σ*t/(α*ρ*g*r)，△h為爐渣之液位變化，△σ為 爐殼之周向應力變化，t為爐殼之厚度，α為爐壁內之側向壓力作用於爐壁上所傳到爐殼之內壁的應力比例，ρ為爐渣之平均密度，g為重力加速度，r為爐殼之內徑。

在一些實施例中，在爐殼上設置應變計包含：將應變計設於出鐵口之上方。

在一些實施例中，在爐殼上設置應變計包含：將應變計設於鐵水之底部與爐渣之液面之間。

綜上所述，本揭露提出一種高爐設備以及高爐爐渣液位之監測方法，藉由將應變計設置於高爐之爐殼，而能利用爐殼之應變資訊來監測高爐內之爐渣液位，並藉此達到多種功能，例如直接監測爐床處爐渣之液位高度、提供現場決定最佳出鐵時機、堵泥時機及開孔大小，並可將鐵水液位控制在適當範圍。如此，本揭露之高爐設備及其監測系統、以及高爐爐渣液位之監測方法能監測高爐爐渣液位以助於出鐵、堵泥時機之判斷，並穩定高爐的出鐵作業。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

1‧‧‧高爐設備

10‧‧‧高爐

11‧‧‧爐壁

111‧‧‧爐殼

112‧‧‧耐火材

12‧‧‧鼓風嘴

13‧‧‧出鐵口

2‧‧‧監測系統

20‧‧‧監測系統

21‧‧‧應變計

22‧‧‧處理模組

221‧‧‧接收單元

222‧‧‧濾波單元

223‧‧‧計算單元

224‧‧‧通知單元

31‧‧‧鐵水

311‧‧‧底部

32‧‧‧爐渣

321‧‧‧液面

H‧‧‧中空部

S01、S02、S03‧‧‧步驟

從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。

〔圖1〕為本揭露實施例之一種高爐設備的示意圖。

〔圖2〕為本揭露實施例之一種高爐爐渣液位之監測系統的功能方塊圖。

〔圖3〕為本揭露實施例之二個應變計所計算出的爐渣液位高度以及三個出鐵口之出鐵作業的歷程圖表。

〔圖4〕為本揭露實施例之一種高爐爐渣液位之監測方法的流程圖。

以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論與揭示的實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。本揭露的所有實施例揭露多種不同特徵，但這些特徵可依需求而單獨實施或結合實施。另外，關於本文中所使用之「第一」、「第二」、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。此外，本揭露所敘述之二元件之間的空間關係不僅適用於圖式所繪示之方位，亦適用於圖式所未呈現之方位，例如倒置之方位。

圖1為本揭露實施例之一種高爐設備1的示意圖。如圖1所示，高爐設備1包含高爐10及監測系統20。高爐10用以進行煉鐵作業，監測系統20用以監測高爐10之爐渣32之液位。

高爐10包含爐壁11、鼓風嘴12及複數個出鐵口 13。本實施例是以32個鼓風嘴(圖1僅顯示2個)12及4個出鐵口13(圖1僅顯示2個)為例作說明，但本揭露不限於此。爐壁11定義出容置空間H以容置煉鐵原料及煉鐵原料經熔煉所生成之鐵水31及爐渣32。鐵水31及爐渣32位於容置空間H之底部，其中爐渣32位於鐵水31之上。爐壁11在不同處可具有不同厚度及/或結構配置。舉例來說，高爐10底部的爐壁11包含爐殼111及耐火材112。耐火材112例如包含碳磚或其他耐火材料，並且在一些實施例中，耐火材112可由多種材料形成。在本實施例中，爐殼111作為爐壁11之外層，耐火材112作為爐壁111之內層，並且耐火材112相連於爐殼1111之內表面。在其他實施例中可有不同配置，例如爐殼111與耐火材112之間有設置具特定功用的中間層。鼓風嘴12穿設爐壁11並與容置空間H連通。鼓風嘴12可提供加熱的空氣進入高爐10內。出鐵口13穿設爐壁11並可與鐵水31連通。在本實施例中，出鐵口13的位置低於鼓風嘴12的位置，並對應容置空間H之底部，以利將鐵水12引出。

在此簡略說明高爐10之煉鐵過程。在煉鐵過程中，從高爐10之爐頂加入煉鐵原料，煉鐵原料例如包含鐵礦石、焦炭和熔劑。焦炭和鐵礦石在高爐10內形成交替分層結構。鼓風嘴12所排出的熱風會使焦炭燃燒，產生高溫的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑，使其成為液態並向下滴落。最後爐床處就會累積大量的鐵水31與爐渣32。由於爐渣32的密度低於鐵水31的密度，所以爐渣32會浮在鐵水31上方。之後可藉由出鐵口13來進行出 鐵作業。

高爐設備1之監測系統20包含應變計(strain gauge)21與處理模組22，其中應變計21與處理模組22耦接。應變計21設置於爐殼111上。具體來說，應變計21設置於爐殼111之外表面上。在本實施例中，如圖1所示，應變計21設於鼓風嘴12之下方。在另一實施例中，應變計21可設於出鐵口13之上方。在又一實施例中，應變計21可設於鐵水31與爐渣32的範圍內，亦即，在垂直方向上，應變計21係位於鐵水31之底部311與爐渣32之液面321之間。

在一實施例中，監測系統20可包含多個應變計211，並且這些應變計21可沿爐殼111之外周緣分佈設置。舉例來說，若是二個應變計21，則此二應變計21可相對設置；若是三個應變計21，則這三個應變計21可平均設置於爐殼111之外周緣。此外，多個應變計21可設置於相同高度或不同高度，以達到多種應用。本揭露不限制應變計21之種類，其可例如為單軸、雙軸或三軸應變計，亦不限制應變計21之組態，其可例如為四分之一橋接、二分之一橋接或全橋接。

當高爐10執行煉鐵作業時，應變計21可取得爐殼111的應變資訊。由於爐渣32的液位變化以及爐壁11內的高溫所產生的壓力，使得爐殼111產生應變，例如為軸向應變、彎曲應變、剪力應變、扭力應變、或其任一組合。當應變計21取得爐殼111的應變資訊時，與應變計21耦接之處理模組22可利用此應變資訊來監測高爐10內之爐渣32之液 位。在計算上，可直接利用爐殼111的應變資訊計算爐渣32之液位，或是間接利用爐殼111的應變資訊計算爐渣13之液位。舉例來說，可先將爐殼111的應變資訊轉換成其他資訊，例如爐殼111的應力變化，再利用爐殼111的應力變化計算爐渣32之液位，或者是先將爐殼111的應變資訊進行濾波，再利用濾波後的應變資訊計算爐渣32之液位。

圖2為本揭露實施例之一種高爐爐渣液位之監測系統20的功能方塊圖。以下舉例說明如何利用爐殼111的應變資訊計算高爐10之爐渣32之液位。

處理模組22包含接收單元221、濾波單元222、及計算單元223。接收單元221與應變計21耦接，以接收應變計21之應變資訊。接收單元221可由有線傳輸或無線傳輸而與應變計21訊號連接，以接收應變資訊。濾波單元222與接收單元221耦接，並可濾除應變資訊之雜訊、或濾除由應變資訊轉換之應力變化之雜訊，以抽取爐殼111之周向應力變化。

在一實施例中，濾波單元222例如是合適的數位濾波器，例如是電腦上的軟體，可對應變資訊進行濾波，並將僅由爐渣32之液位高低變化△h所引起的爐殼111之周向應力變化△σ抽取出來。由於應變資訊或應力變化△σ亦可能由其他因素造成，例如高溫所產生的壓力，因此需要利用濾波單元222將僅由高低變化△h所引起的爐殼111之周向應力變化△σ抽取出來。

需注意的是，這裡的濾波單元221亦使用應變 資訊△ε與應力變化△σ的關係式(1)，關係式(1)如下：△ε*E=△σ (1)

其中，E為爐殼111之彈性模數(modulus of elastic)。在計算上，可先將應變資訊△ε濾波再用關係式(1)計算出應力變化△σ，或者是先用關係式(1)計算出應力變化△σ，再將應力變化△σ濾波。

計算單元223與濾波單元222耦接，以接收應力變化△σ，並利用應力變化△σ來計算爐渣32之液位變化△h。在一實施例中，使用下述之爐渣32之液位變化△h與爐殼111之周向應力變化△σ之關係式(2)，計算出爐渣液位變化△h：△h=△σ*t/(α*ρ*g*r) (2)

其中，t是爐殼111之厚度；α是在高爐10內之側向壓力作用於整體爐壁11上所傳到爐殼111內壁的應力比例，因有些應力會被耐火材112吸收而無法傳到爐殼111，因此這個比例與爐壁11結構有關，並可例如透過有限元分析(finite element analysis)、或簡化公式、或經驗公式得到；ρ為爐渣32的平均密度；g是重力加速度；r是爐殼111之內徑(半徑)。

在上述關係式(2)中，g是已知常數，△σ可由應變計21之應變資訊得到。另外，當所使用的高爐10決定時，t與r亦可視為常數，而α與ρ幾乎是常數或者是有微小的變化，因此在實務上，可例如半年測一次α與ρ參數。

本實施例是使用上述關係式(2)計算爐渣液位變化△h之外。在其他實施例中，可發現關係式(2)之△h與 △σ有正比的關係，而其他參數可視為常數。因此，在長期的監測中，甚至可不使用關係式(2)，而是直接由應變資訊及/或應力變化△σ與液位變化△h的關係(例如是線性關係或非線性關係)來得到液位變化△h。

根據出鐵作業程序，當爐氣由出鐵口13排出且爐渣噴濺而出時，表示爐渣32液位已經降至最低點，因此在一實施例中可將出鐵口13高度定義為爐渣32的液位零點，藉此可由液位變化△h計算出爐渣32的液位高度。

在一實施例中，監測系統20可更包含通知單元224，其與計算單元223耦接。當所監測到的液位超過預定範圍時，通知單元224可發出警告通知。當然，通知單元224可有其他應用，例如當所監測到的液位處在適當的範圍時，通知單元224發出出鐵通知。

圖3為本揭露實施例之二個應變計所計算出的爐渣液位高度以及三個出鐵口輪流出鐵作業的歷程圖表。圖3上方曲線是從同高度之二個應變計之應變資訊所得到的爐渣液位之歷程曲線，時間長度為24小時。由於爐渣液位不是水平面，所以2條曲線並不會一樣。圖3下方條狀圖是實際出鐵作業的時間表，各長條圖形的起點與終點分別是鑽孔開始出鐵與堵孔停止出鐵的時刻。

綜上所述，本揭露可根據應變資訊即可測得爐渣液位，且僅用一個應變計即可測得爐渣液位。此外，本揭露之上述爐渣液位變化與爐殼周向應力變化之關係式，簡單卻很精準。而且，藉由將多個應變計設置在同高度，可判別 爐渣液面之傾斜程度。當監測到爐渣液位過高時，可調整出鐵作業來降低液位。

圖4為本揭露實施例之一種高爐爐渣液位之監測方法的流程圖。本實施例之監測方法是以應用於圖1所示之高爐10為例。監測高爐爐渣液位時，可進行步驟S01，以在爐殼111上設置應變計21，且使應變計21位在鼓風嘴12之下方。在其他實施例中，可更設置應變計21於出鐵口13之上方。接著，進行步驟S02，以在高爐10執行煉鐵作業時，利用應變計21監測而取得爐殼111的應變資訊。然後，進行步驟S03，以利用應變資訊計算高爐10之爐渣32的液位。

進行步驟S03時可包含利用圖2所示之濾波單元222濾除應變資訊之雜訊、或濾除由應變資訊所轉換之應力變化之雜訊，以抽取爐殼111之周向應力變化。於此，濾波單元222例如為數位濾波器。藉由濾波可將僅由爐渣32之液位高低變化△h所引起之爐殼111的周向應力變化△σ抽取出來。另外，進行步驟S03可利用關係式計算高爐爐渣之液位，關係式可例如為上述關係式(2)。本實施例之監測方法之其他細部特徵可參照上述高爐設備1及其監測系統20之實施例。

綜合上述，本揭露提出一種高爐設備以及高爐爐渣液位之監測方法，藉由將應變計設置於高爐之爐殼，而能利用爐殼之應變資訊來監測高爐內之爐渣液位，並藉此達到多種功能，例如直接監測爐床處爐渣之液位高度、提供現場決定最佳出鐵時機、堵泥時機及開孔大小，並可將鐵水液 位控制在適當範圍。如此，本揭露之高爐設備及其監測系統、以及高爐爐渣液位之監測方法能監測高爐爐渣液位以助於出鐵、堵泥時機之判斷，並穩定高爐的出鐵作業。

以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

1‧‧‧高爐設備

10‧‧‧高爐

11‧‧‧爐壁

111‧‧‧爐殼

112‧‧‧耐火材

12‧‧‧鼓風嘴

13‧‧‧出鐵口

20‧‧‧監測系統

21‧‧‧應變計

22‧‧‧處理模組

31‧‧‧鐵水

311‧‧‧底部

32‧‧‧爐渣

321‧‧‧液面

H‧‧‧容置空間

Claims (8)

1. 一種高爐設備，包含：一高爐，包含：一爐壁，該爐壁定義出一容置空間以容置一鐵水及位於該鐵水之上之一爐渣，該爐壁包含一爐殼；複數個鼓風嘴，穿設該爐壁並與該容置空間連通；以及複數個出鐵口，穿設該爐壁並與該鐵水連通；以及一監測系統，包含：一應變計，設置於該爐殼上，且該應變計設於該些鼓風嘴之下方，其中當該高爐執行一煉鐵作業時，該應變計取得該爐殼之一應變資訊；以及一處理模組，與該應變計耦接，其中該處理模組配置以接收該應變資訊並利用該應變資訊計算該高爐之該爐渣之一液位，其中該處理模組以一關係式計算該高爐之該爐渣之該液位，該關係式為△h=△σ*t/(α*ρ*g*r)，其中，△h為該爐渣之一液位變化，△σ為該爐殼之一周向應力變化，t為該爐殼之一厚度，α為該爐壁內之一側向壓力作用於該爐壁上所傳到該爐殼之一內壁之一應力比例， ρ為該爐渣之一平均密度，g為重力加速度，以及r為該爐殼之一內徑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高爐設備，其中該應變計設於該些出鐵口之上方。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高爐設備，其中該應變計設於該鐵水之一底部與該爐渣之一液面之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高爐設備，其中該處理模組包含：一接收單元，與該應變計耦接以接收該應變資訊；及一濾波單元，與該接收單元耦接，並配置以濾除該應變資訊之一雜訊或該應變資訊之一應力變化之一雜訊，以抽取該爐殼之一周向應力變化。
5. 一種高爐爐渣液位之監測方法，其中該高爐包含一爐壁、複數個鼓風嘴及複數個出鐵口，該爐壁定義出一容置空間以容置一鐵水及位於該鐵水之上之一爐渣，該爐壁包含一爐殼，該些鼓風嘴穿設該爐壁並與該容置空間連通，該些出鐵口穿設該爐壁，該監測方法包含：設置一應變計於該爐殼上，且使該應變計位於該些鼓 風嘴之下方；當該高爐執行一煉鐵作業時，利用該應變計取得該爐殼之一應變資訊；以及利用該應變資訊計算該高爐之該爐渣之一液位，其中利用該應變資訊計算該高爐之該爐渣之該液位包含：利用一關係式計算該高爐之該爐渣之該液位，該關係式為△h=△σ*t/(α*ρ*g*r)，其中，△h為該爐渣之一液位變化，△σ為該爐殼之一周向應力變化，t為該爐殼之一厚度，α為該爐壁內之一側向壓力作用於該爐壁上所傳到該爐殼之一內壁之一應力比例，ρ為該爐渣之一平均密度，g為重力加速度，以及r為該爐殼之一內徑。
6. 如申請專利範圍第5項所述之高爐爐渣液位之監測方法，其中利用該應變資訊計算該高爐之該爐渣之該液位包含：利用一濾波單元濾除該應變資訊之一雜訊或該應變資訊之一應力變化之一雜訊，以抽取該爐殼之一周向應力變化。
7. 如申請專利範圍第5項所述之高爐爐渣液位之監測方法，其中設置該應變計於該爐殼上包含：將該應變計設於該些出鐵口之上方。
8. 如申請專利範圍第5項所述之高爐爐渣液位之監測方法，其中設置該應變計於該爐殼上包含：將該應變計設於該鐵水之一底部與該爐渣之一液面之間。

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