高爐爐缸侵蝕狀態(tài)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

車玉滿，郭天永，孫鵬，姚碩，姜喆（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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高爐爐缸侵蝕狀態(tài)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

車玉滿，郭天永，孫鵬，姚碩，姜喆
（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：高爐爐缸爐底安全是高爐高效、長壽的限制性環(huán)節(jié)。在應(yīng)用數(shù)學(xué)模型監(jiān)控爐缸侵蝕狀態(tài)時(shí)，前提需要采用數(shù)學(xué)方法建立導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，采用數(shù)據(jù)預(yù)處理方法處理有缺陷數(shù)據(jù)，在有效識別爐缸異常現(xiàn)象特征后，提出正確邊界條件，才能提高預(yù)判準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：高爐；爐缸侵蝕；數(shù)據(jù)預(yù)處理；邊界條件

車玉滿，碩士，教授級高工，鞍山鋼鐵集團(tuán)公司一級專家。E-mail：cheyumang2000@sina.com

隨著高爐向大型化發(fā)展，高爐裝備技術(shù)進(jìn)步，業(yè)界認(rèn)為高爐長壽目標(biāo)是，一代爐齡不中修15年、單位爐容產(chǎn)量1.5萬t/m3［1］。我國寶鋼3號高爐一代爐齡壽命19年，單位爐容產(chǎn)量1.58萬t/m3，達(dá)到世界先進(jìn)水平；武鋼5號高爐一代爐齡壽命15.7年，單位爐容產(chǎn)量1.10萬t/m3；鞍鋼10號高爐一代爐齡壽命13.8年，單位爐容產(chǎn)量1.08萬t/m3，武鋼5號高爐和鞍鋼10號高爐一代爐齡壽命接近世界先進(jìn)水平。但是，根據(jù)中鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)，自2008年以來，我國就有30余座高爐發(fā)生爐缸燒穿事故，給企業(yè)造成巨大損失，此外還有20余座2000m3以上高爐爐缸存在安全隱患［2］，高爐被迫采取降低冶煉強(qiáng)度和特殊護(hù)爐措施，既增加高爐生產(chǎn)成本，又降低高爐生產(chǎn)效率和效益。

在發(fā)生爐缸燒穿事故的高爐中，絕大多數(shù)高爐存在監(jiān)測數(shù)據(jù)失真，或是簡單地使用傳熱模型判斷爐缸侵蝕狀態(tài)，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判斷爐缸侵蝕狀態(tài)。事實(shí)上，在爐缸存在安全隱患的高爐中，要區(qū)別對待炭磚溫度異常升高現(xiàn)象，一些是由于炭磚出現(xiàn)裂紋，造成煤氣或/和鐵水串入，即使是爐缸異常侵蝕，也要區(qū)分炭磚是出現(xiàn)脆化、粉化現(xiàn)象，還是炭磚被鐵水滲透侵蝕［3］，只有準(zhǔn)確判斷炭磚溫度異常升高原因后，有針對性制定邊界條件，才能準(zhǔn)確判斷爐缸侵蝕狀態(tài)。

1　爐缸結(jié)構(gòu)基本形式

1.1爐缸內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式

爐底第1層為平鋪石墨磚，最上層（爐底熱面）平鋪1～2層陶瓷墊。由于設(shè)計(jì)風(fēng)格不同，有的高爐爐底第2層立砌微孔炭磚、第3層立砌超微孔炭；有的高爐第2層平鋪半石墨炭磚、第3層和第4層平鋪微孔炭磚，第5層平鋪超微孔炭磚。爐缸側(cè)壁主要有兩種形式：

（1）大塊碳磚結(jié)構(gòu)

一般在鐵口及以下區(qū)域使用超微孔炭磚，導(dǎo)熱系數(shù)要求＞18w/（m.k）、透氣度＜5mDa、＜1μm容積比＞80％，保證內(nèi)襯熱量及時(shí)向外傳遞，鐵口以上可以使用質(zhì)量稍差微孔炭磚，在炭磚與冷卻壁之間填充碳素?fù)v料。目前有些高爐，在緊貼冷卻壁砌1層小塊高導(dǎo)熱模壓炭磚，在小塊炭磚與大塊炭磚之間填充碳素?fù)v料，目的是把碳素?fù)v料向爐內(nèi)移動，在高爐生產(chǎn)后，達(dá)到焙燒溫度，使碳素?fù)v料有效固結(jié)。大部分高爐在炭磚內(nèi)側(cè)砌1層陶瓷杯，少部分高爐取消陶瓷杯，有陶瓷杯的高爐在炭磚與陶瓷杯之間填充陶瓷質(zhì)散料。

（2）小塊碳磚結(jié)構(gòu)

小塊炭磚結(jié)構(gòu)爐缸，一般在鐵口區(qū)域全部使用具有石墨特性的NMD炭磚，在鐵口側(cè)和容易產(chǎn)生“象腳”侵蝕區(qū)域也使用一部分NMD磚，其余部位使用NMA磚，磚襯總厚度比大塊炭磚厚許多。采用小塊炭磚結(jié)構(gòu)的高爐大部分不保留陶瓷杯。

1.2爐缸冷卻壁結(jié)構(gòu)形式

爐缸冷卻壁結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：

（1）爐殼噴淋水冷卻。在爐殼與炭磚之間不安裝冷卻壁，在爐殼外側(cè)安裝幾道噴水環(huán)管，用噴水形式冷卻爐缸，目前很少有采取該冷卻形式。

（2）采用夾殼式冷卻壁。在爐殼與炭磚之間不安裝冷卻壁，把冷卻壁作成水箱式安裝在爐殼外側(cè)，可以有效防止冷卻壁向爐內(nèi)漏水，而且冷卻面積大，爐皮不開孔，冷卻壁與水管之間不存在鑄造間隙，國外有些高爐采用該種冷卻結(jié)構(gòu)形式。

（3）在爐殼與炭磚之間安裝冷卻壁。我國高爐普遍采用該種結(jié)構(gòu)形式，但具體結(jié)構(gòu)形式有所差異，有些高爐采用全鑄鐵冷卻壁，有些高爐在鐵口區(qū)域使用銅冷卻壁，還有些高爐在鐵口及鐵口以下關(guān)鍵部位使用銅冷卻壁。

2　爐缸監(jiān)控方法

2.1熱電偶法

在兩層炭磚縫之間安裝熱電偶，一般是1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)安裝2支，1支插入淺點(diǎn)，另1支插入深點(diǎn)，通過各支電偶的溫度變化，以及2支電偶溫度差判斷爐缸內(nèi)襯的侵蝕狀態(tài)。在內(nèi)襯完整時(shí)，2支電偶溫度和溫度梯度基本穩(wěn)定，如果某點(diǎn)內(nèi)襯被侵蝕，則該點(diǎn)電偶就會被燒損，溫度數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)異常。一般爐缸每層炭磚圓周方向選擇8～24點(diǎn)，也可以根據(jù)需要在鐵口區(qū)域適當(dāng)增加監(jiān)測點(diǎn)。目前，熱電偶法是最有效，也是最常用爐缸檢測手段。

2.2冷卻壁水溫度差法

在每塊冷卻壁進(jìn)水管和出水管安裝高精度熱電偶，檢測每塊冷卻壁進(jìn)、出水溫度，根據(jù)每塊冷卻壁中冷卻水流量和冷卻壁面積，間接計(jì)算熱流強(qiáng)度，結(jié)合熱電偶法中熱電偶溫度，推算爐缸炭磚剩余厚度，其計(jì)算公式分別見式（1）和式（2）。

式中，Q為熱負(fù)荷，kJ/h；m為冷卻水流量，m3/h；c為冷卻水比熱容，kJ/（kg·℃）；t1、t2分別為冷卻水進(jìn)、出溫度，℃。q為熱流強(qiáng)度，kW/m2；F為冷卻面積，m2。

2.3超聲波測厚法

根據(jù)波傳播理論，當(dāng)波在介質(zhì)中傳播時(shí)，如遇到孔洞、裂紋等界面不連續(xù)處就會發(fā)生反射、折射、散射等模式轉(zhuǎn)換，利用波的這種特性可確定炭磚剩余厚度［4］。超聲波法靈活、方便，但不能用于常規(guī)檢測，只能作為輔助方法。

2.4爐皮測溫

在爐殼安裝無線磁性測溫元件，實(shí)時(shí)測試爐殼溫度，根據(jù)爐殼實(shí)際溫度與爐殼溫度極限值比值判斷炭磚剩余厚度。溫度數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射裝置將溫度數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)爐殼溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控。

此外，爐缸監(jiān)控方法還有電容法和熱電阻等方法，但最常用是熱電偶和冷卻壁水溫差法，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以用于數(shù)學(xué)模型輸入?yún)?shù)。

2.5應(yīng)用數(shù)學(xué)模型判斷爐缸侵蝕狀態(tài)法

如果認(rèn)為爐缸結(jié)構(gòu)體系中無內(nèi)熱，則可以利用傳熱學(xué)原理建立爐缸穩(wěn)定狀態(tài)的傳熱數(shù)學(xué)模型，其傳熱體系基本構(gòu)成見圖1。該傳熱體系中包括爐殼、冷卻壁、冷卻壁與炭磚之間的碳素?fù)v料、炭磚、陶瓷杯和渣鐵殼。

爐缸內(nèi)襯熱面長期經(jīng)受高溫鐵水環(huán)流沖刷侵蝕、鐵水靜壓力滲透侵蝕、爐內(nèi)堿金屬和水蒸氣化學(xué)侵蝕，內(nèi)襯熱面所承受的熱負(fù)荷必須由冷卻壁中冷卻水帶走，通過冷卻水高強(qiáng)度冷卻來降低爐缸內(nèi)襯熱面工作溫度，減少各種侵蝕行為持續(xù)發(fā)展，保證鐵水和爐渣在內(nèi)襯熱面凝固成具有一定厚度的渣鐵殼，有效保護(hù)爐缸磚襯被鐵水的進(jìn)一步侵蝕，即實(shí)現(xiàn)所謂的“永久性”內(nèi)襯。因此，在穩(wěn)定條件下，爐缸內(nèi)襯是“被侵蝕”與“自修復(fù)”的循環(huán)過程。

圖1　爐缸傳熱體系

在爐缸內(nèi)襯保持完整階段，爐缸內(nèi)襯所承受的熱負(fù)荷均需要由冷卻壁中冷卻水帶走。因此，可以把爐缸傳熱體系簡化成兩部分，一部分為熱負(fù)荷承受端，包括冷卻壁與炭磚之間的碳素?fù)v料、炭磚、陶瓷杯和渣鐵殼；另一部分為熱負(fù)荷輸出端，介質(zhì)為冷卻水。

熱負(fù)荷輸出端熱流強(qiáng)度計(jì)算公式見式（2）。

熱負(fù)荷承受端熱流強(qiáng)度計(jì)算公式見式（3）。

式中，q1為熱流強(qiáng)度，kW/m2；tp為渣鐵殼溫度，℃；t0為碳素?fù)v料層冷面溫度，℃；x1為搗料層厚度，m；λ1為搗料層導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）；x2為炭磚層厚度，m；λ2為炭磚層導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）；x3為陶瓷杯層厚度，m；λ3為陶瓷杯層導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）；x4為渣鐵殼厚度，m；λ4為渣鐵殼導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）。

如果炭磚在使用過程出現(xiàn)裂紋和脆化、粉化，則炭磚不再保持完整，其原傳熱體系也將被改變成新的傳熱體系，如圖2所示。

此時(shí)，熱負(fù)荷承受端熱流強(qiáng)度計(jì)算公式見式（4）。

圖2　爐缸內(nèi)炭磚工作過程結(jié)構(gòu)示意圖

式中，q1為熱流強(qiáng)度，kW/m2；tp為渣鐵殼溫度，℃；t0為碳磚冷面溫度，℃；x1為完整炭磚厚度，m；λ1為炭磚導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）；x2為氣隙厚度，m；λ2為氣隙導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）；x3為脆化層厚度，m；λ3為脆化層導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）。

如果炭磚中監(jiān)測點(diǎn)安裝2支熱電偶，1支插入淺點(diǎn)（x1），另1支插入深點(diǎn)（x2），見圖2。通過各支電偶的溫度，很容易計(jì)算出炭磚所承受熱流強(qiáng)度，其計(jì)算公式見式（5）。

式中，q2為炭磚熱流強(qiáng)度，kW/m2；λ2為炭磚導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·k）；t2為深電偶溫度，℃；t1為淺電偶溫度，℃；t2為深電偶溫度，℃；x1為淺電偶插入深度，m；x2為深電偶插入深度，m。

在爐缸內(nèi)襯保持完整階段，各種物質(zhì)無縫接觸，各層物質(zhì)所承受的熱流強(qiáng)度均與炭磚相等，利用傳熱學(xué)原理，很容易計(jì)算出內(nèi)襯熱面溫度，如果以1150℃作為邊界條件，則可以推斷出炭磚剩余厚度。目前應(yīng)用數(shù)學(xué)模型判斷爐缸侵蝕狀態(tài)最為廣泛，也是最有效的方法。

3　應(yīng)用傳熱學(xué)模型存在的不足及解決措施

目前基本上都采用以傳熱學(xué)原理為基礎(chǔ)，建立爐缸侵蝕數(shù)學(xué)模型，用于分析與判斷爐缸侵蝕狀態(tài)和炭磚剩余厚度，數(shù)學(xué)模型盡管有一維和二維之分，但高爐停爐后的爐缸破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果存在較大誤差。因此，人們對爐缸侵蝕數(shù)學(xué)模型的有效性產(chǎn)生懷疑。事實(shí)上產(chǎn)生誤差主要原因有：輸入?yún)?shù)處理方法不當(dāng)；邊界條件與實(shí)際不符。

3.1輸入?yún)?shù)處理方法不當(dāng)解決措施

3.1.1正確修訂炭磚導(dǎo)熱系數(shù)

在爐缸傳熱體系中，各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均是一個(gè)重要的輸入?yún)?shù)，超微孔炭磚常溫導(dǎo)熱系數(shù)一般在18w/（m·k）左右，300℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到20w/（m·k），600℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到24w/（m·k）。模壓小塊炭磚NMD常溫導(dǎo)熱系數(shù)一般在90w/（m·k）左右，300℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)下降到60w/（m·k），600℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)下降到40w/（m·k）。如果把導(dǎo)熱系數(shù)認(rèn)為是常數(shù)，則導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。因此，需要對導(dǎo)熱系數(shù)事先做預(yù)處理，處理方法有兩種。

（1）擬合曲線法

利用炭磚不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)測試數(shù)據(jù)擬合成導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間關(guān)系曲線。例如，對德國SGL超微孔炭磚7RD-N導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線如圖3所示，擬合后導(dǎo)熱系數(shù)與溫度數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（6）。

圖3　7RD-N導(dǎo)熱系數(shù)與溫度擬合曲線

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m.k）；T為溫度，K。

（2）拉格朗日插值法

利用炭磚在兩個(gè)溫度下導(dǎo)熱系數(shù)測試數(shù)據(jù)，采用拉格朗日插值算法，計(jì)算兩個(gè)溫度區(qū)間各溫度的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)與溫度數(shù)學(xué)表達(dá)式見式（7）。

無論采用曲線擬合，還是采用拉格朗日插值方法，均能建立導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間數(shù)學(xué)方程，減少導(dǎo)熱系數(shù)作為常數(shù)所產(chǎn)生的計(jì)算誤差。

3.1.2修補(bǔ)存在缺陷的檢測數(shù)據(jù)

數(shù)學(xué)模型中最常用的輸入?yún)?shù)是炭磚熱電偶溫度，由于監(jiān)測炭磚溫度的熱電偶虛結(jié)、信號線連接不牢或長期使用過程人為損壞，往往會造成數(shù)據(jù)失真或數(shù)據(jù)丟失，造成數(shù)據(jù)不完備，產(chǎn)生虛假值，如果直接使用，就會產(chǎn)生錯誤結(jié)論。因此，在建立數(shù)學(xué)模型之前檢驗(yàn)并剔除虛假值，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理是十分必要的。

（1）孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差處理

孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)處理主要是解決孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失或不正確問題。最佳方法是采用上1組數(shù)據(jù)作為替代數(shù)據(jù)，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人工填寫空缺值，即通過平滑處理臨近點(diǎn)數(shù)值替代孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)。

在采用該方法時(shí)，首先檢驗(yàn)炭磚同一點(diǎn)2支不同插入深度電偶溫度的數(shù)據(jù)連續(xù)性和規(guī)律性，首先要求2支電偶溫度趨勢相互一致。

（2）不完備數(shù)據(jù)的處理

如果某支電偶溫度長期數(shù)據(jù)丟失，形成的不完備數(shù)據(jù)，如果周期太長，無論使用平均值法或平滑過渡方法，均無法擬補(bǔ)所出現(xiàn)的不完備數(shù)據(jù)，即采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理已經(jīng)無法擬補(bǔ)。

此時(shí)，首先判斷正常點(diǎn)電偶溫度與冷卻壁熱流強(qiáng)度變化趨勢，如果趨勢一致，則認(rèn)定冷卻壁熱流強(qiáng)度為已知數(shù)據(jù)，利用冷卻壁熱流強(qiáng)度和單點(diǎn)熱電偶溫度作為輸入?yún)?shù)，判斷該位置爐缸侵蝕狀態(tài)和炭磚的剩余厚度。由于是替代數(shù)據(jù)，在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，必須綜合分析臨近點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，否則也會對計(jì)算結(jié)論產(chǎn)生誤差。

（3）熱電偶溫度無規(guī)律性異常

如果炭磚深點(diǎn)熱電偶溫度數(shù)據(jù)曾在一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)開路現(xiàn)象，而后又顯示溫度數(shù)據(jù)，且溫度無規(guī)律性波動，而且經(jīng)常出現(xiàn)深點(diǎn)熱電偶溫度小于淺點(diǎn)熱電偶溫度，在檢測信號線無誤后，則可以認(rèn)定該點(diǎn)電偶已經(jīng)被燒損，鐵水已經(jīng)滲入到該點(diǎn)，即該點(diǎn)位置就是炭磚的剩余厚度。

3.2邊界條件與實(shí)際不符解決措施

3.2.1判斷炭磚是否出現(xiàn)裂紋及位置

隨著高爐爐役進(jìn)程，爐缸內(nèi)襯熱面長期經(jīng)受高溫鐵水環(huán)流沖刷侵蝕、鐵水靜壓力滲透侵蝕、熱應(yīng)力侵蝕、爐內(nèi)堿金屬和水蒸氣化學(xué)侵蝕。根據(jù)高爐破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大塊炭磚普遍存在環(huán)裂現(xiàn)象，質(zhì)量差的炭磚裂縫寬度有的可達(dá)100～200mm，質(zhì)量稍好的炭磚裂縫寬度較小，一般為4～7mm。優(yōu)質(zhì)炭磚在合理設(shè)計(jì)前提下，一般不會出現(xiàn)裂紋侵蝕現(xiàn)象。在發(fā)生裂紋內(nèi)均填充石墨粉并含有數(shù)量不等堿金屬，破損調(diào)查各種檢測結(jié)果和模擬實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算證明，炭磚出現(xiàn)裂紋是在足夠的剪切力、靜壓力、熱應(yīng)力綜合作用下，在堿金屬和水蒸氣化學(xué)侵蝕輔助作用下產(chǎn)生的。炭磚產(chǎn)生裂紋后，炭磚不再是一個(gè)整體，出現(xiàn)氣體隔熱層，其內(nèi)部的熱量向外傳遞受阻，外部的冷卻效果降低，促使炭磚溫度升高，侵蝕速度加快。炭磚產(chǎn)生環(huán)裂破壞原為一體的傳熱體系，重新構(gòu)成了以氣隙為主要熱阻傳熱體系，見圖2，超微孔炭磚導(dǎo)熱系數(shù)最小值在18w/（m·k）左右，而炭磚裂紋氣隙導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.05～0.06w/（m·k），由于氣隙層厚度無法判斷，因此，判斷炭磚裂紋位置就相當(dāng)于判斷出炭磚有效剩余厚度。

（1）炭磚出現(xiàn)裂紋可能性判斷

首先計(jì)算某點(diǎn)鐵水靜壓力。

高爐在設(shè)計(jì)時(shí)均保留一定死鐵層深度，由于死鐵層內(nèi)儲存一定量鐵水和熔渣，爐缸鐵口以下的炭磚熱面就會承受液態(tài)鐵水和熔渣的靜壓力，鐵水和熔渣的靜壓力就會向炭磚熱面微孔中滲透，隨鐵水深度增加，壓力加大而增強(qiáng)，與此相應(yīng)，炭磚受到的破壞則越來越嚴(yán)重。

鐵水靜壓力按公式（8）計(jì)算［5］。

式中，P為鐵水靜壓力，kPa；γ鐵、γ渣分別為鐵水密度和液態(tài)爐渣密度，t/m3；H鐵、H渣分別為鐵水液面和爐渣液面高度，m；P風(fēng)為風(fēng)口截面壓力，kPa。

然后計(jì)算某點(diǎn)的熱應(yīng)力和剪切力，應(yīng)力計(jì)算方程分別見式（9）和式（10）［6］：

式中，r為炭磚徑向兩點(diǎn)距離，r=μ，m；z為縱向兩點(diǎn)距離，z=w，m；T為炭磚檢測溫度，K；λ為拉梅系數(shù)。

如果炭磚某點(diǎn)的靜壓力、剪切力和熱應(yīng)力之和大于炭磚的最大抗折強(qiáng)度，則認(rèn)定炭磚在各種力作用下能夠發(fā)生裂紋。

（2）識別炭磚出現(xiàn)裂紋特征

首先按公式（4）計(jì)算炭磚熱流強(qiáng)度（q2），然后按公式（3）計(jì)算冷卻壁熱流強(qiáng)度（q1）。當(dāng)炭磚保持完整時(shí)，炭磚熱流強(qiáng)度與冷卻壁熱流強(qiáng)度高度一致，如果炭磚熱流強(qiáng)度大于冷卻壁的熱流強(qiáng)度，體現(xiàn)在炭磚監(jiān)測點(diǎn)電偶（t1，t2）溫度上升而冷卻壁水溫差不變，或緩慢下降，則可以認(rèn)定炭磚已經(jīng)出現(xiàn)裂縫。

（3）炭磚裂紋位置判斷

如果該位置冷卻壁或風(fēng)口長期漏水，炭磚一旦出現(xiàn)裂紋后，裂紋內(nèi)炭磚表面在煤氣和水蒸氣共同作用下就形成沉積石墨化碳粉，見式（11）和式（12）。

此時(shí)，則應(yīng)該以水煤氣反應(yīng)溫度450～706℃作為邊界條件，按公式（5）可以推斷出裂紋位置。

3.2.2判斷炭磚出現(xiàn)脆化層和粉化層位置

破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鐵口以下炭磚容易出現(xiàn)嚴(yán)重脆化層和粉化現(xiàn)象，鐵口以下炭磚在鐵水靜壓力和環(huán)流作用下，鐵水會滲到炭磚內(nèi)部，尤其是＜1μm容積比指標(biāo)較差的炭磚，鐵水滲入后，引起膨脹甚至開裂，出現(xiàn)脆化與粉化現(xiàn)象。此外如果高爐鋅負(fù)荷和鉀、鈉等堿金屬負(fù)荷長期較高，鋅和鉀、鈉等堿金屬侵蝕，引起炭磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)中碳層間距增大，導(dǎo)致體積膨脹，從而降低炭磚強(qiáng)度，形成脆化與粉化層。

（1）識別炭磚出現(xiàn)脆化層和粉化層特征

炭磚粉化后導(dǎo)熱系數(shù)也將大幅度降低，導(dǎo)熱系數(shù)和脆化層厚度均無法檢測和判斷，并且脆化和粉化后的炭磚基本失去傳熱和抗鐵水侵蝕的能力。首先按公式（5）計(jì)算炭磚熱流強(qiáng)度（q2），然后按公式（3）計(jì)算冷卻壁熱流強(qiáng)度（q1）。炭磚熱流強(qiáng)度與冷卻壁熱流強(qiáng)度數(shù)值高度一致，并且變化趨勢也高度一致時(shí)，如果炭磚監(jiān)測點(diǎn)電偶t1，t2溫度呈同步周期性變化，如圖4所示，即溫度先逐漸升高，表明炭磚熱面開始脆化，然后粉化；溫度開始下降時(shí)，則代表粉化層被環(huán)流的鐵水剝離，在炭磚熱面形成渣鐵保護(hù)殼，該現(xiàn)象呈周期性變化。

圖4　炭磚出現(xiàn)脆化和粉化層t1，t2溫度特征

（2）判斷炭磚脆化層位置

炭磚出現(xiàn)脆化后逐漸粉化，其主要原因是鐵水溶蝕和滲透侵蝕，在鐵口以下位置越深則炭磚表面形成渣鐵保護(hù)殼越難，鐵水直接與炭磚熱面接觸，在靜壓力作用下鐵水滲入炭磚內(nèi)部，同時(shí)鋅和鉀、鈉等堿金屬伴隨鐵水一同深入炭磚內(nèi)部，鋅負(fù)荷和鉀、鈉等堿金屬負(fù)荷越高，高爐冶煉強(qiáng)度越高，滲透侵蝕越嚴(yán)重，炭磚熱面極易出現(xiàn)先脆化，然后粉化現(xiàn)象。

鋅和鉀、鈉對炭磚的侵蝕溫度在800～1000℃之間，此時(shí)，則應(yīng)以800～1000℃作為邊界條件，按公式（5）可以推斷出裂紋位置。

4　結(jié)論

隨著鋼鐵行業(yè)競爭日益加劇，爐缸燒穿事故無疑造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。到目前為止，高爐爐缸、爐底依然是高爐高效、長壽的限制性環(huán)節(jié)。因此，在高爐投產(chǎn)后就需要加強(qiáng)對爐缸侵蝕狀態(tài)的監(jiān)控。在眾多爐缸檢測技術(shù)中，應(yīng)用傳熱學(xué)建立爐缸侵蝕狀態(tài)監(jiān)控的數(shù)學(xué)模型是最常用，也是最有效的方法，但在開發(fā)過程中，有幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)必須引起注意，否則會對判斷結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

（1）炭磚的導(dǎo)熱系數(shù)不是常數(shù)，需要采用數(shù)學(xué)方法建立導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

（2）準(zhǔn)確處理有缺陷爐缸檢測數(shù)據(jù)，采取數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，補(bǔ)充孤立點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用替代方法處理不完備數(shù)據(jù)。

（3）當(dāng)檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常升高時(shí)，及時(shí)識別異常現(xiàn)象的特征，正確區(qū)分炭磚出現(xiàn)脆化、粉化現(xiàn)象、炭磚被鐵水滲透侵蝕、炭磚出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，只有準(zhǔn)確判斷異常升高原因后，并有針對性采取措施，才能防止炭磚一出現(xiàn)溫度升高，就采用降低冶煉強(qiáng)度和釩鈦礦護(hù)爐措施，既增加生產(chǎn)成本，又降低高爐生產(chǎn)高效性。

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（編輯賀英群）

修回日期：2016-05-06

Key Technology for Monitoring Eroded State in BF Hearth

Che Yuman，Guo Tianyong，Sun Peng，Yao Shuo，Jiang Zhe
（Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract：Keeping blast furnace hearth and blast furnace bottom safe operation is the restrictive part of blast furnace operations with high efficiency and long campaign life.Firstly the mathematical expression between the thermal conductivity coefficient and temperature should be established by mathematical method in monitoring the eroded state of hearth by using the mathematical model.Then the defect data should be processed by the data pre-processing method.When the characteristics of the abnormal phenomenon occurred at hearth were discriminated availably，the correct boundary conditions can be proposed so that the accuracy of pre-judgement for the blast furnace can be improved.

Key words：BF；erosion of hearth；data pre-processing；boundary condition

中圖分類號：TF54

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0001-05