周旭朋¹  梁慶峰¹  谷莉¹   趙磊²

(1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.電子科技大學(xué))

摘要：介紹了安鋼1#高爐爐缸、爐底的侵蝕現(xiàn)象與解決方法，詳細(xì)闡述了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體實(shí)施方案、侵蝕模型軟件及其功能的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在應(yīng)用過程中能夠及時(shí)直觀地反映出原料和生產(chǎn)操作變化對(duì)爐內(nèi)侵蝕的影響，程序在線計(jì)算監(jiān)測(cè)的正確性和有效性得到了驗(yàn)證。系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)高爐生產(chǎn)操作起到了很大的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：爐缸爐底；侵蝕模型；開發(fā)應(yīng)用

0  引言

高爐建成投產(chǎn)后,爐缸和爐底的壽命是影響高爐運(yùn)行的重要因素。由于高爐的日益大型化和復(fù)雜化,使得高爐大修成本變得很高，而在高爐冶煉過程中，高爐爐缸和爐底的工作環(huán)境極其惡劣,被侵蝕和毀壞的速度相當(dāng)快。由于其在高爐內(nèi)部，不能像高爐的其他部位一樣在高爐運(yùn)行中進(jìn)行維修，因此高爐爐缸和爐底耐火材料的侵蝕程度是影響高爐壽命長(zhǎng)短的決定性因素，對(duì)于高爐的正常運(yùn)行以及能否獲得良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)具有重要意義。

1爐缸、爐底侵蝕現(xiàn)象與解決方法

安鋼1#高爐爐缸、爐底部位采用“國(guó)產(chǎn)微孔炭磚+進(jìn)口超微孔炭磚+陶瓷砌體”復(fù)合爐襯，爐缸爐底耐火材料的侵蝕具有不可見的“黑箱”特征,如果爐缸、爐底局部被鐵水燒穿,將可能導(dǎo)致重大的設(shè)備事故,造成經(jīng)濟(jì)損失,甚至威脅操作人員的人身安全;如果爐缸過涼，則可能引起生產(chǎn)操作不順。為解決以上問題，根據(jù)爐缸、爐底布置的熱電偶溫度和冷卻水溫差,結(jié)合其他生產(chǎn)參數(shù),建立了數(shù)學(xué)模型，利用傳熱學(xué)和流體力學(xué)來對(duì)爐缸、爐底的侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼變化、結(jié)厚及活躍狀態(tài)進(jìn)行判斷，并據(jù)此做出相應(yīng)的護(hù)爐措施、生產(chǎn)操作和產(chǎn)量調(diào)節(jié),從而保證高爐的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)1#高爐的長(zhǎng)壽安全運(yùn)行，在高爐爐缸爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內(nèi)型方面實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警非常關(guān)鍵，主要在高爐爐缸、爐底的不同縱向和徑向位置布置177個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同部位的耐材溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)爐缸易侵蝕區(qū)域，通過爐缸、爐底安裝的專用柔性熱電偶對(duì)各測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。熱電偶采取預(yù)埋的方式與爐缸、爐底耐材砌筑同步安裝，通過專用氣密裝置集中引出并采取嚴(yán)格的安全防護(hù)措施;再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集所有熱電偶的數(shù)據(jù)，建立測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)周期M—代爐役。通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，開發(fā)爐缸爐底侵蝕模型及應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)爐基、爐缸、爐底溫度場(chǎng)的自動(dòng)計(jì)算、侵蝕狀況圖形繪制與分析等功能。新開發(fā)的應(yīng)用軟件與現(xiàn)有水溫差熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件兼容合并成一個(gè)系統(tǒng)，引入目前現(xiàn)有的冷卻壁水溫差熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合耐材溫度對(duì)碳搗料導(dǎo)熱系數(shù)異常、氣隙、碳磚環(huán)裂等情況進(jìn)行判斷,最終實(shí)現(xiàn)了爐缸、爐底侵蝕變化的在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警功能。

2系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

安鋼1#高爐通過建立熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的熱電偶溫度值通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到爐缸爐底侵蝕模型專用工控機(jī)，然后采用SQL Server2000構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的各級(jí)溫度表用來存放經(jīng)過各類統(tǒng)計(jì)或處理后的熱電偶溫度值。侵蝕模型計(jì)算的一些結(jié)果也保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,如碳磚殘存厚度和當(dāng)前凝固層厚度，以及各層碳磚任意角度的1 150咒等溫線半徑等數(shù)據(jù)，方便查詢。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

其中，侵蝕模型選取了柱坐標(biāo)系下的帶有凝固潛熱的三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型作為爐缸、爐底監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型,并在對(duì)不同高爐的離線和在線侵蝕監(jiān)測(cè)的實(shí)際工作中，明確了提高模型對(duì)不同高爐實(shí)際生產(chǎn)中所出現(xiàn)異常的自適應(yīng)能力的重要性，在侵蝕監(jiān)測(cè)計(jì)算中引入了“侵蝕診斷知識(shí)庫(kù)”，解決了耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化、環(huán)裂、滲鐵、鐵水流動(dòng)影響以及由侵蝕的繼續(xù)引起的“邊界不定”等問題,采用傳熱學(xué)“正問題”計(jì)算溫度場(chǎng)和“反問題”推算侵蝕邊界相結(jié)合的方法，使數(shù)值模擬和實(shí)際更加吻合。

2.2 系統(tǒng)實(shí)施內(nèi)容

在高爐爐缸、爐底的不同縱向和徑向位置布置177個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同部位的耐材溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)爐缸易侵蝕區(qū)域，通過爐缸、爐底專用柔性熱電偶對(duì)各測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè);通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集所有熱電偶的數(shù)據(jù)，建立測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)庫(kù);開發(fā)爐缸爐底侵蝕模型及應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)爐基、爐缸、爐底溫度場(chǎng)的自動(dòng)計(jì)算、侵蝕狀況圖形繪制與分析等功能，實(shí)現(xiàn)爐缸、爐底侵蝕變化的在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警;將新開發(fā)的應(yīng)用軟件與現(xiàn)有水溫差熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件兼容合并成一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)合耐材溫度對(duì)碳搗料導(dǎo)熱系數(shù)異常、氣隙、碳磚環(huán)裂等異常情況進(jìn)行判斷。

2.2.1熱電偶布置方案

(1) 縱剖面的數(shù)量及劃分方法。根據(jù)高爐的工藝特點(diǎn)，高爐的鐵口下方左右兩側(cè)15° ~ 30°。夾角內(nèi)的爐底與爐缸結(jié)合部位是侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，鐵口上下方左右均加密布置溫度檢測(cè)點(diǎn)，圓周方向不少于8個(gè)剖面。

(2) 每個(gè)縱剖面的測(cè)溫點(diǎn)布置方案。針對(duì)縱剖面的測(cè)溫點(diǎn),綜合考慮“象腳”侵蝕區(qū)域、爐底上下層測(cè)溫點(diǎn)徑向交錯(cuò)布置、陶瓷杯的殘余厚度監(jiān)測(cè)、二段冷卻壁搗料層溫度監(jiān)測(cè)、爐役后期耐材和熱電偶安全等因素,每個(gè)縱剖面的測(cè)溫點(diǎn)布置方案如圖2所示。

2.2.2 侵蝕模型軟件

依據(jù)高爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、爐缸爐底砌筑圖、耐材測(cè)溫點(diǎn)布置圖、耐材結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)、熱電偶溫度數(shù)據(jù)等建立爐缸爐底侵蝕模型,對(duì)爐缸爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼厚度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)分析，建立在線侵蝕模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線分析。

爐缸爐底侵蝕模型是利用傳熱學(xué)“正反問題”相結(jié)合的方法，根據(jù)高爐實(shí)際磚襯尺寸及導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)建立的，計(jì)算過程中需要考慮凝固潛熱的影響以及導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化。根據(jù)實(shí)時(shí)采集的爐缸、爐底熱電偶溫度和水溫差數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且建立專家診斷知識(shí)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)的歷史最高溫度作為爐缸、爐底歷史最為嚴(yán)重的侵蝕狀況進(jìn)行計(jì)算;而實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)一方面用于分析當(dāng)前爐缸、爐底的侵蝕形貌，另一方面用來判斷渣鐵殼的形成并計(jì)算渣鐵殼的厚度。

爐缸爐底侵蝕模型在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用C+ +語言編程，爐缸、爐底熱電偶溫度數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)熱電偶接線箱傳輸?shù)讲杉?再?gòu)牟杉癫杉綘t缸爐底侵蝕模型軟件中,并將采集到的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)供程序自身使用和查詢，數(shù)據(jù)讀取安全、可靠，不影響現(xiàn)場(chǎng)原有PLC監(jiān)控系統(tǒng)的正常操作。

爐缸爐底侵蝕模型在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、形貌侵蝕計(jì)算、顯示不同角度橫、縱向剖面侵蝕形貌、歷史侵蝕數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)曲線繪制等功能,爐缸爐底侵蝕縱向剖面如圖3所示。圖中，陰影部分表示鐵水范圍，宜觀地顯示了目前爐缸、爐底的侵蝕形貌。

2.2.3 侵蝕模型功能

爐缸爐底侵蝕模型實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1) 對(duì)原水溫差熱負(fù)荷系統(tǒng)保護(hù)性拆除和恢復(fù)，將原有水溫差熱流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)引入侵蝕數(shù)學(xué)模型，保持二個(gè)系統(tǒng)的兼容性,使二者合并成一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)高爐碳搗料導(dǎo)熱系數(shù)異常、氣隙、碳磚環(huán)裂等異情況進(jìn)行判斷，建立以磚襯內(nèi)熱電偶溫度監(jiān)測(cè)為主、爐缸冷卻壁熱負(fù)荷為輔的全面監(jiān)測(cè)體系，為1#高爐安全、長(zhǎng)壽、高效運(yùn)行提供完善的監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制。

(2) 以圖表的形式動(dòng)態(tài)顯示冷卻壁的水溫差、熱負(fù)荷，可隨時(shí)選擇單個(gè)冷卻器查詢其進(jìn)水溫度、出水溫度、水流量、熱負(fù)荷，或選擇單個(gè)溫度或流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)查詢其溫度或流量趨勢(shì)曲線。

(3) 根據(jù)設(shè)定的水溫差和熱負(fù)荷預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，通過圖標(biāo)顏色、文字提示等對(duì)單塊冷卻壁水溫差、超標(biāo)情況進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警。

(4) 定期采集各測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波,并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

(5) 用圖形化界面顯示各測(cè)溫點(diǎn)的物理位置、當(dāng)前溫度和趨勢(shì)曲線。

(6) 進(jìn)行爐缸、爐底三維網(wǎng)格劃分，物理建模和數(shù)學(xué)建模，建立每個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱微分控制方程，自動(dòng)計(jì)算和求解爐缸、爐底三維溫度場(chǎng)，耐材侵蝕厚度，渣鐵殼厚度以及每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的物理坐標(biāo)、耐材類型、當(dāng)前溫度、耐材厚度、渣鐵殼厚度。

(7) 根據(jù)高爐的工藝特點(diǎn)，設(shè)置不同位置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，并通過圖標(biāo)顏色、文字提示等方式對(duì)每個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度單點(diǎn)超標(biāo)情況進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警;通過徑向相鄰熱電偶的溫度，對(duì)耐材的實(shí)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)和設(shè)計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)異常情況進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警;建立不同爐役階段的數(shù)字化預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)耐材異常加速侵蝕和磚襯厚度超限等情況進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警。

(8) 爐缸、爐底任意一坐標(biāo)點(diǎn)的物理坐標(biāo)、當(dāng)前溫度、材質(zhì)、耐材厚度、渣鐵殼厚度等信息可隨鼠標(biāo)的移動(dòng)自動(dòng)顯示。

(9) 爐缸、爐底等溫線、溫度場(chǎng)(溫度云圖)、殘襯厚度、渣鐵殼厚度的自動(dòng)計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示和歷史查詢。

(10) 自動(dòng)繪制爐缸、爐底不同角度剖面(縱剖面)、不同高度剖面(橫截面)的等溫線、溫度場(chǎng)(溫度云圖)以及爐缸、爐底侵蝕內(nèi)型和渣鐵殼形狀。

(11) 支持溫度數(shù)據(jù)、等溫線、溫度場(chǎng)(溫度云圖)、耐材厚度、侵蝕內(nèi)型、渣鐵殼厚度、渣鐵殼形狀等的歷史查詢功能。

(12) 護(hù)爐時(shí)能自動(dòng)計(jì)算并顯示爐缸、爐底渣鐵殼的生成位置、厚度、形狀。

(13) 建立爐缸、爐底異常診斷知識(shí)庫(kù)(環(huán)裂、氣隙等異常判斷)。

(14) 爐缸、爐底異常侵蝕、碳磚環(huán)裂、氣隙等異常情況的自動(dòng)預(yù)警及預(yù)警記錄查詢。

(15) 統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，圖形、數(shù)據(jù)、報(bào)表的打印和輸出以及設(shè)備狀態(tài)診斷、顯示與故障報(bào)警。

3系統(tǒng)特點(diǎn)

爐缸爐底侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安全可靠、穩(wěn)定高效、便于維護(hù)、監(jiān)控界面友好等特點(diǎn)，可移植性強(qiáng)，二次開發(fā)成本低，適用于任何類型的高爐，具有很大的推廣應(yīng)用前景。

4應(yīng)用效果

安鋼1#高爐爐缸爐底侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的投用，實(shí)現(xiàn)了 1#高爐爐缸、爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內(nèi)型的在線監(jiān)測(cè)和預(yù)警，驗(yàn)證了在線計(jì)算監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的正確性和有效性，對(duì)穩(wěn)定爐溫、在爐墻結(jié)厚期間洗爐操作起到了重要的指導(dǎo)作用，對(duì)1#高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的提升奠定了基礎(chǔ),保證了 1#高爐長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

該系統(tǒng)避免了爐缸、爐底局部燒穿或因操作不當(dāng)導(dǎo)致的重大設(shè)備事故的發(fā)生，高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)顯著提升。未使用該系統(tǒng)前,1#高爐三個(gè)月的平均日產(chǎn)鐵量為4 840 t；2018年9月，1#高爐大修并使用該系統(tǒng)后，1#高爐三個(gè)月的平均日產(chǎn)鐵量為5 220 t,產(chǎn)量增加了 380 t/d。通過數(shù)據(jù)分析可以得出該系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)率超過10%，每月可增產(chǎn)1 140 t鐵，按噸鐵效益200元計(jì)算，年創(chuàng)效270余萬元。

5結(jié)語

高爐爐缸爐底侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高爐爐缸、爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內(nèi)型的在線監(jiān)測(cè)及預(yù)警和爐基、爐缸、爐底溫度場(chǎng)的自動(dòng)計(jì)算以及侵蝕狀況圖形繪制與分析。通過半年多的實(shí)際運(yùn)行證明,該系統(tǒng)具有先進(jìn)科學(xué)、安全可靠、高效經(jīng)濟(jì)、監(jiān)控界面清晰、便于維護(hù)等特點(diǎn),達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平,是高爐高效順行的得力助手，在冶金行業(yè)中具有極大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

6參考文獻(xiàn)

[1] 趙宏博，程樹森.爐缸爐底侵蝕及結(jié)厚在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)[C].中國(guó)金屬學(xué)會(huì).中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集2007.北京市:冶金工業(yè)出版社,2007：36-40.

[2] 李洋龍，程樹森，趙宏博，等.高爐三維爐缸爐底侵蝕模型在線監(jiān)測(cè)[C].中國(guó)金屬學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)與書刊部.2012年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)文集(下)•北京市:冶金工業(yè)出版社