МЕТОД ОЦЕНКИ ЭРОЗИИ ГОРНА, ЭЛЕКТРОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И НОСИТЕЛЬ ДАННЫХ Российский патент 2025 года по МПК G06F30/23 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области доменного производства чугуна, а более конкретно – к методу оперативной оценки эрозии горна.

Уровень техники

С развитием технологий производства чугуна все больше внимания уделяется долговечности доменных печей. Из-за длительной эксплуатации в суровых условиях, таких как высокая температура и высокое давление, горн и под доменной печи подвергаются длительной эрозии высокотемпературным жидким чугуном и повреждаются термическим напряжением; поэтому в процессе эксплуатации и производства доменной печи эрозия горна и пода стала слабым звеном долговечности доменной печи. Поскольку доменная печь представляет собой герметичный контейнер с высокой температурой и высоким давлением, на реальном производстве людям трудно узнать фактическое состояние эрозии огнеупорных материалов горна, поэтому время от времени происходят крупные аварии, связанные с прожогом горна доменной печи. С целью мониторинга эрозии огнеупорных материалов горна во время производственного процесса и избежания возникновения таких крупных аварий исследование модели оперативного мониторинга эрозии горна становится особенно важным.

В настоящее время не существует эффективного метода прямого измерения степени эрозии горна, и добиться этого можно только косвенными методами измерения. Основным методом косвенного измерения является предварительное встраивание термопар в стенку печи. На основе данных измерения температуры термопарой производится обратный расчет остаточной толщины горна. Модель оперативного мониторинга эрозии горна в основном рассчитывает поле температур методом конечных элементов или методом конечных объемов, традиционные модели анализа эрозии обшивки горна доменной печи представляют собой одномерные модели эрозии и двумерные модели эрозии, из-за большого объема расчетов трехмерная модель эрозии не применяется. В то же время для характеристики состояния эрозии горна при различных температурах часто приходится восстанавливать геометрию огнеупорного материала горна и заново разбивать его на квадраты. Однако, с одной стороны, поскольку это включает в себя восстановление геометрии и разбивку сетки, при обнаружении кривой эрозии горна с удлиненной эрозией, неравномерной эрозией и другими состояниями нерегулярной эрозии реконструкция сетки часто дает сбой, поэтому стабильность расчета модели является низкой и не может удовлетворить потребности на местах. С другой стороны, для прогнозирования каждой кривой эрозии требуются тысячи итераций, если реконструкция геометрии и сетки выполняется для каждой итерации, объем вычислений и время расчета будет большим, что затруднит выполнение требований для вычислений в режиме реального времени на месте. Поэтому необходимо разработать трехмерную модель оперативной оценки эрозии горна с высокой вычислительной стабильностью, высокой эффективностью и точностью.

Сущность изобретения

Чтобы преодолеть вышеуказанные технические проблемы, настоящее изобретение предлагает метод оценки степени коррозии горна, основанный на характеристиках обычных горнов, представленных на рынке, который позволяет трехмерно определять использование и состояние эрозии горна, техническое решение настоящего изобретения заключается в следующем: Оценка эрозии горна выполняется с помощью оценочной модели, которая определяет форму эрозии горна с помощью метода онлайн-расчета трехмерной теплопередачи конечных элементов. А именно:

S1. Получение внешних входных данных изображения;

S2. Модуль нелинейной оптимизации рассчитывает степень эрозии;

S3. Выведение результатов обнаружения для определения формы эрозии горна;

При этом расчет модуля нелинейной оптимизации включает в себя следующие шаги:

Разделите целевой горн на квадраты, постройте трехмерное изображение и измерьте исходные данные эрозии;

На основе исходных данных проведите итеративный расчет, методом конечных элементов получите поле температур, методом линейной интерполяции получите температуру точки измерения температуры, а также рассчитайте расчетное значение точки измерения температуры и среднеквадратичное отклонение rms между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры, рассчитайте степень эрозии;

Решение принимается на основе результатов итерации, если условия выполнены, выведите результат, если условия не выполнены, повторите итерационный процесс.

Положительные эффекты, обеспечиваемые техническим решением, предусмотренным настоящим изобретением, заключаются в следующем:

Решение проблемы плохой стабильности сеточной модели, слишком сложных и трудоемких итерационных расчетов в традиционном процессе идентификации и оценки эрозии горна, конкретная реализация заключается в следующем:

1: Для каждого ряда узловых точек переместите к контрольной точке узловую точку, ближайшую к контрольной точке, установите температуру данной узловой точки и узловых точек внутри на 1150°C, чтобы можно было представить различные сложные границы эрозии, и сетка не была быть слишком плотной, размер сетки находится в пределах [0.03, 0.2]m, нет необходимости в повторной разбивке сетки, что позволяет избежать проблем сбоя реконструкции и ухудшения качества сетки. Таким образом, эффективность вычислений может быть значительно повышена.

2: Использование предыдущей границы эрозии в качестве начального значения итерации позволяет значительно сократить время расчета и повысить точность идентификации и оценки.

3: Алгоритм оптимизации с использованием последовательного квадратичного программирования позволяет повысить эффективность оптимизации.

4: Использование трехмерной модели конечных элементов, более приближенной к реальности; сеточная модель представляет собой сетку шестигранной структуры с высоким качеством сетки.

Описание прилагаемых фигур

На фиг. 1 представлена блок-схема метода оперативной оценки эрозии горна настоящего изобретения;

На фиг. 2 представлен вид разделения сетки спереди;

На фиг. 3 представлена схема разделения сетки и и контрольных точек.

Конкретные методы осуществления

Вариант осуществления 1

Во-первых, объясняются недостатки современных технологий. Поскольку идентификация и оценка эрозии горна включает в себя реконструкцию геометрии и разделение сетки, реконструкция сетки часто не дает результатов при обнаружении кривой эрозии горна с удлиненной эрозией, неравномерной эрозией и другими состояниями нерегулярной эрозии. По указанной причине применяется топологическая структура узловых точек сетки, это не только делает процесс идентификации и оценки более понятным, но и является более удобным для программирования и повышает эффективность вычислений.

Усовершенствование: выполняется расчет модуля нелинейной оптимизации, и выводятся результаты таких данных, как граница эрозии и поле температур. Для прогнозирования каждой кривой эрозии требуются тысячи итераций, если реконструкция геометрии и сетки выполняется для каждой итерации, объем вычислений и время расчета будет большим, что затруднит выполнение требований для вычислений в режиме реального времени на месте. Поэтому процесс расчета сначала устанавливает параметры контрольной точки через начальное значение предыдущего момента времени расчета, а затем корректирует модель и определяет граничные условия. Для каждого ряда узловых точек на сетке переместите к контрольной точке узловую точку, ближайшую к контрольной точке, установите температуру данной узловой точки и узловых точек внутри на 1150°C, чтобы можно было представить различные сложные границы эрозии, и сетка не была быть слишком плотной, размер сетки находится в пределах [0,03, 0,2]m, нет необходимости в повторной разбивке сетки, что позволяет избежать проблем сбоя реконструкции и ухудшения качества сетки. Таким образом, эффективность вычислений может быть значительно повышена.

Чтобы сделать цель, технические решения и преимущества настоящего изобретения более понятными, варианты осуществления настоящего изобретения более подробно описаны ниже вместе с прилагаемыми изображениями.

На изображении 1 описания, на котором представлена блок-схема метода оперативной оценки эрозии горна настоящего изобретения, показаны конкретные шаги осуществления данного метода, и они включают в себя:

S1. Получение внешних входных данных изображения;

S2. Модуль нелинейной оптимизации рассчитывает степень эрозии;

S3. Выведение результатов обнаружения для определения формы эрозии горна;

При этом расчет модуля нелинейной оптимизации включает в себя следующие шаги:

Разделите целевой горн на квадраты, постройте трехмерное изображение и измерьте исходные данные эрозии;

На основе исходных данных проведите итеративный расчет, методом конечных элементов получите поле температур, методом линейной интерполяции получите температуру точки измерения температуры, а также рассчитайте расчетное значение точки измерения температуры и среднеквадратичное отклонение rms между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры, рассчитайте степень эрозии;

Решение принимается на основе результатов итерации, если условия выполнены, выведите результат, если условия не выполнены, повторите итерационный процесс.

В частности, подробные правила осуществления шагов следующие:

1: Инициализируйте заданную модель горна и после выбора исходных данных, таких как начальная граница эрозии и точки измерения температуры, создайте трехмерную модель для разбивки сетки, правила разбивки сетки являются следующими:

Исходная модель горна представляет собой трехмерную осесимметричную модель, осью симметрии является центральная линия горна, внутренней границей является стенка печи и внутренняя поверхность пода печи, внешней границей является стенка печи и наружная поверхность пода печи. Разбивка сетки показана на изображении 2 описания, сетчатая модель состоит из шестигранников, узловые точки блока равномерно распределены вдоль направления окружности и направления толщины. Горн разделяется на p секций, ось симметрии разделяется на m строк узловых точек, а внутренняя и внешняя границы разделяются на n рядов узловых точек.

2: На основе исходных данных проводится итеративный расчет, рассчитывается среднеквадратичное отклонение rms между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры и степень эрозии, конкретный процесс выглядит следующим образом:

Горн разделяется на p секций, на каждой секции имеется n контрольных точек. На изображении 3 представлена схема сетки и контрольных точек на каждой секции. В каждом ряду имеется одна контрольная точка (окружность) в качестве контрольной точки границы эрозии, эти n контрольных точек соединены между собой, образуя границу эрозии горна. Для каждого ряда узловых точек переместите к контрольной точке узловую точку, ближайшую к контрольной точке, установите температуру данной узловой точки и узловых точек внутри на 1150°C.

Метод конечных элементов используется для получения поля температур, а метод линейной интерполяции используется для получения температуры точки измерения температуры, к тому же рассчитывается расчетное значение точки измерения температуры и среднеквадратичное значение rms, метод расчета представляет собой: rms=sqrt{[(dt1/t1)^2+(dt2/t2)^2+...(dtn/tn)^2]/n}; где, ti – это измеренное значение точки измерения температуры, а dti – это измеренное значение точки измерения температуры – расчетное значение точки измерения температуры, то есть отклонение между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры, и на основе этого рассчитывается среднеквадратичное значение горна rms.

3: Правила определения заключаются в следующем: Решение принимается по полученному среднеквадратичному значению rms, если среднеквадратичное значение rms больше или равно допустимой погрешности горна и число итераций не достигло первоначально заданного максимального значения, процесс продолжается, и итерация повторяется до тех пор, пока среднеквадратичное значение rms не окажется меньше допустимой погрешности горна или количество итераций не достигнет первоначально заданного максимального значения, тогда процесс завершается, и выводятся текущие результаты расчета границы эрозии и поля температур.

После расчета модулем нелинейной оптимизации степень эрозии горна можно оценить на основе границы эрозии, поля температур и других результатов расчета для достижения цели настоящего изобретения.

Вариант осуществления 2

Настоящее изобретение также предлагает систему/электронное устройство, которое включает в себя процессор, запоминающее устройство и компьютерную программу, которая хранится в запоминающем устройстве и выполняется процессором, когда процессор выполняет компьютерную программу, реализуются шаги описанного выше варианта осуществления 1 настоящего изобретения.

Усовершенствование: в качестве выполняемого решения система/электронное устройство может представлять собой вычислительное устройство, такое как настольный компьютер, ноутбук, КПК, облачный сервер и т.д. Система/электронное устройство может включать в себя, помимо прочего, процессор и запоминающее устройство. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что вышеупомянутая составная структура системы/электронного устройства является лишь примером системы/электронного устройства и не представляет собой ограничение системы/электронного устройства, она может включать больше или меньше компонентов, чем указано выше, комбинацию определенных компонентов или разные компоненты. Например, система/электронное устройство может также включать в себя устройства ввода и вывода, устройства доступа к сети, шины и т.д., которые не ограничены этим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Усовершенствование: в качестве выполняемого решения так называемый процессор может представлять собой центральный процессор (Central Processing Unit, CPU) или другой процессор общего назначения, процессор цифровых сигналов (Digital Signal Processor, DSP), интегральную схему специального назначения (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), программируемую пользователем вентильную матрицу (Field-Programmable Gate Array, FPGA) или другие программируемые логические устройства, дискретные вентильные или транзисторные логические устройства, дискретные аппаратные компоненты и т.д. Процессор общего назначения может представлять собой микропроцессор или может быть любым обычным процессором, процессор является центром управления системой/электронным устройством и использует различные интерфейсы и линии для соединения различных частей всей системы/электронного устройства.

Запоминающее устройство может использоваться для хранения компьютерных программ и/или модулей, а процессор управляет или выполняет компьютерные программы и/или модули, хранящиеся в запоминающем устройстве, и выполняет вызов данных, хранящихся в запоминающем устройстве, для реализации различных функций системы/электронного устройства. Запоминающее устройство может в основном включать в себя область хранения программ и область хранения данных, при этом область хранения программ может хранить операционную систему и, как минимум, одно приложение, необходимое для выполнения функций; в области хранения данных могут храниться данные, созданные в результате использования мобильного телефона и т.д. Кроме того, запоминающее устройство может включать в себя высокоскоростное запоминающее устройство с произвольным доступом, а также может включать в себя энергонезависимое запоминающее устройство, такое как жесткий диск, внутреннюю память, подключаемый жесткий диск, интеллектуальную карту памяти (Smart Media Card, SMC), защищенную цифровую память (Secure Digital, SD), флэш-карту (Flash Card), как минимум, одно запоминающее устройство на магнитном диске, устройство флэш-памяти или другие энергозависимые твердотельные накопители.

Вариант осуществления 3

Настоящее изобретение также предлагает читаемый компьютером носитель данных, читаемый компьютером носитель данных хранит компьютерную программу, когда процессор выполняет компьютерную программу, реализуются шаги описанного выше варианта осуществления настоящего изобретения.

Если интегрированные модули/блоки системы/электронного устройства реализованы в виде программных функциональных блоков и продаются или используются как самостоятельные продукты, они могут храниться на читаемом компьютером носителе данных. Исходя из понимания этого, настоящее изобретение реализует все или часть процессов в вышеописанных вариантах осуществления и также может быть реализовано путем управления соответствующим оборудованием с помощью компьютерной программы, компьютерная программа может храниться на читаемом компьютером носителе данных, когда процессор выполняет компьютерную программу, реализуются все шаги описанного выше варианта осуществления. При этом компьютерная программа включает в себя программный код, который может быть в форме исходного кода, объектного кода, исполняемого файла или некоторой промежуточной формы. Читаемый компьютером носитель данных может включать в себя: Любой объект или устройство, носитель записи, USB-накопитель, мобильный жесткий диск, магнитный диск, лазерный диск, машинную память, постоянное запоминающее устройство (ROM, Read-Onny Memory), произвольное запоминающее устройство (RAM, Random Access Memory), которое может хранить программный код, и средства распространения программного обеспечения. Следует отметить, что информация, содержащаяся на читаемом компьютером носителе данных, может быть соответствующим образом увеличена или уменьшена в соответствии с требованиями законодательства и патентной практики в зоне юрисдикции.

Хотя предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения были конкретно показаны и описаны, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что, не отступая от принципов и объема настоящего изобретения, в настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения по форме и в деталях, определенные прилагаемой формулой изобретения, и все они входят в объем защиты настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к области доменного производства чугуна и может быть использована для оперативной оценки эрозии горна. Техническим результатом является повышение точности определения эрозии. Способ осуществляется компьютерным устройством с использованием оценочной модели, которая определяет форму эрозии горна с помощью онлайн-расчета трехмерной теплопередачи конечных элементов. Решение принимается по результату среднеквадратичного отклонения rms между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Реализуемый с помощью компьютерного устройства способ оценки эрозии горна, отличающийся тем, что оценку эрозии горна выполняют с помощью оценочной модели, которая определяет форму эрозии горна с помощью метода онлайн-расчета трехмерной теплопередачи конечных элементов, при этом указанный способ содержит следующие этапы:

S1. получение внешних входных данных изображения;

S2. расчет степени эрозии с помощью модуля нелинейной оптимизации;

S3. выведение результатов обнаружения для определения формы эрозии горна;

при этом расчет модуля нелинейной оптимизации включает в себя следующие этапы:

- разделение целевого горна на квадраты и постройка трехмерного изображения с измерением исходных данных эрозии, при этом исходные данные представляют собой начальную границу эрозии и точки измерения температуры;

- проведение итеративного расчета на основе исходных данных;

- получение поля температур методом конечных элементов;

- получение температуры точки измерения температуры методом линейной интерполяции;

- расчет расчетного значения точки измерения температуры и среднеквадратичного отклонения rms между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры; и

- расчет степени эрозии,

при этом решение принимают на основе результатов итерации, при этом если условия выполнены, то выводят результат, а если условия не выполнены, то итерационный процесс повторяют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при разделении целевого горна на квадраты исходная модель горна представляет собой трехмерную осесимметричную модель, осью симметрии является центральная линия горна, внутренней границей является стенка печи и внутренняя поверхность пода печи, внешней границей является стенка печи и наружная поверхность пода печи, сетчатая модель состоит из шестигранников, узловые точки блока равномерно распределены вдоль направления окружности и направления толщины, горн разделен на p секций, ось симметрии разделена на m строк узловых точек, а внутренняя и внешняя границы разделены на n рядов узловых точек; на каждой секции имеется n контрольных точек, соединенных между собой с образованием границы эрозии горна, и для каждого ряда узловых точек перемещают к контрольной точке узловую точку, ближайшую к контрольной точке.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что перемещение ближайшей к контрольной точке узловой точки к контрольной точке дополнительно включает в себя установку температуры ближайшей узловой точки и узловых точек внутри на 1150°C.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что метод расчета среднеквадратичного отклонения rms между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры представляет собой:

где ti представляет собой измеренное значение точки измерения температуры, а dti представляет собой измеренное значение точки измерения температуры - расчетное значение точки измерения температуры, то есть отклонение между расчетным значением и измеренным значением точки измерения температуры, и на основе этого рассчитывают среднеквадратичное значение горна rms.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что степень эрозии рассчитывают по результатам итерации, при этом решение принимают по полученному среднеквадратичному значению rms; если среднеквадратичное значение rms больше или равно допустимой погрешности горна и число итераций не достигло первоначально заданного максимального значения, процесс продолжают и итерацию повторяют до тех пор, пока среднеквадратичное значение rms не окажется меньше допустимой погрешности горна или количество итераций не достигнет первоначально заданного максимального значения, тогда процесс завершают и выводят текущие результаты расчета границы эрозии и поля температур.

6. Компьютерное устройство для оценки эрозии горна, отличающееся тем, что оно содержит процессор и носитель данных, причем на носителе данных хранится по меньшей мере одна компьютерная программа, и когда процессор выполняет по меньшей мере одну компьютерную программу, реализуется способ оценки эрозии горна по любому из пп. 1-5.

7. Читаемый компьютером носитель данных, отличающийся тем, что на нем хранится по меньшей мере одна компьютерная программа, и когда процессор выполняет по меньшей мере одну компьютерную программу, реализуется способ оценки эрозии горна по любому из пп. 1-5.