高爐鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)建與開發(fā)

芶毅，張作程

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照　276827）

高爐鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)裝置的構(gòu)建與開發(fā)

芶毅，張作程

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東日照276827）

通過對(duì)高爐鐵溝耐材特點(diǎn)和鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀的分析，與爐缸侵蝕監(jiān)測(cè)模型特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比研究，以爐缸侵蝕模型為基礎(chǔ)，對(duì)鐵溝永久襯表面進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，建立了高爐鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)與判斷系統(tǒng)，避免了鐵溝燒穿事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了鐵溝侵蝕的自動(dòng)預(yù)警，有效地預(yù)防了鐵溝燒穿，從而降低噸鐵耐材消耗，提高高爐生產(chǎn)的安全性。

高爐鐵溝；侵蝕監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)裝置

高爐實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化冶煉以來，長壽越來越受到煉鐵工作者的重視，爐缸侵蝕的監(jiān)測(cè)和判斷越來越精確。但是隨著高爐的強(qiáng)化冶煉和煉鐵成本壓力的增大，鐵溝燒穿的情況越來越多，給高爐生產(chǎn)和安全帶來了重大隱患。為更好的對(duì)鐵溝侵蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，開發(fā)了一種模擬爐缸侵蝕系統(tǒng)的裝置和計(jì)算方法，對(duì)鐵溝侵蝕情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1　高爐鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)存在的問題

1.1操作人員主觀判斷

在鐵溝使用壽命的判斷上，大多數(shù)高爐鐵溝侵蝕情況通常憑經(jīng)驗(yàn)（例如出鐵量、出鐵天數(shù)等）來判斷，缺乏可靠的檢測(cè)手段。為了準(zhǔn)確把握鐵溝殘余耐材厚度，國內(nèi)外開發(fā)出一些測(cè)量殘余耐材厚度的工具，定期對(duì)薄弱部位進(jìn)行測(cè)量，作為判斷殘余耐材厚度的依據(jù)，但準(zhǔn)確度不高，不能有效地探知鐵溝侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域（也就是燒穿危險(xiǎn)區(qū)域）。

1.2測(cè)溫電偶監(jiān)測(cè)區(qū)域小

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控高爐爐前鐵溝的運(yùn)行情況，防止鐵溝燒穿事故發(fā)生，在新鐵溝制作時(shí)安裝測(cè)溫電偶，預(yù)埋到鐵溝易侵蝕重點(diǎn)部位，實(shí)時(shí)監(jiān)控鐵溝的侵蝕情況，通過溫度變化結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來判斷鐵溝侵蝕程度。因?yàn)殍F溝制作材料為硅鋁質(zhì)耐高溫、耐侵蝕的隔熱耐火材料，導(dǎo)熱系數(shù)低，預(yù)埋電偶僅能監(jiān)測(cè)很小的一片區(qū)域，生產(chǎn)階段很難精確判斷鐵溝侵蝕嚴(yán)重位置，在電偶不能覆蓋的盲區(qū)極易發(fā)生燒穿事故；如果要全面對(duì)整個(gè)鐵溝重點(diǎn)部位進(jìn)行有效監(jiān)控，需要布置大量電偶，設(shè)計(jì)、監(jiān)控難度很大。即使建立鐵溝侵蝕模型，沒有龐大的測(cè)溫電偶作為基礎(chǔ)，也無法適應(yīng)隔熱耐材結(jié)構(gòu)下鐵溝復(fù)雜的工作環(huán)境，系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果依然存在盲區(qū)。

目前判斷鐵溝侵蝕程度主要依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)，隨意性較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中很難做到準(zhǔn)確判斷，由于無法全面了解整個(gè)鐵溝工作情況，常常由于耐材自身質(zhì)量波動(dòng)或操作人員日常點(diǎn)檢不到位等原因，發(fā)生主溝局部燒穿造成漏鐵事故。

2　高爐鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)與判斷系統(tǒng)

2.1鐵溝監(jiān)測(cè)裝置的建立

根據(jù)鐵溝的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和侵蝕機(jī)理，參考高爐爐缸侵蝕系統(tǒng)中成熟的有限元計(jì)算方法，通過物理方法在隔熱材料（鐵溝澆注料）外側(cè)敷設(shè)網(wǎng)格，建立監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)格材料使用導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定材料，能夠建立穩(wěn)定的二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，降低建立鐵溝侵蝕模型的難度、提高計(jì)算精度。在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上布置電偶，全面監(jiān)測(cè)鐵溝溫度變化和分布，做到對(duì)整個(gè)鐵溝尤其是重點(diǎn)部位的全面監(jiān)控。

高導(dǎo)熱網(wǎng)格的設(shè)置和熱電偶需要在高爐鐵溝砌筑的過程中預(yù)埋，施工砌筑時(shí)在鐵溝外側(cè)預(yù)埋一層網(wǎng)格狀高導(dǎo)熱材料，提高整個(gè)鐵溝外側(cè)的熱傳導(dǎo)能力，選擇部分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)置可更換式熱電偶，消除普通電偶監(jiān)測(cè)裝置的盲區(qū)。該裝置包括銅質(zhì)高導(dǎo)熱網(wǎng)格裝置，熱電偶，保護(hù)套管，補(bǔ)償導(dǎo)線，熱電偶采集箱。鐵溝電偶布置見圖1、圖2。

圖1　鐵溝網(wǎng)格、電偶設(shè)置剖面

高導(dǎo)熱網(wǎng)格裝置使用導(dǎo)熱系數(shù)高、材質(zhì)較軟、延展性優(yōu)良的銅片制作，鐵溝澆筑時(shí)預(yù)設(shè)在永久層外表面，不影響整個(gè)鐵溝結(jié)構(gòu)及其他性能；為保護(hù)并便于更換電偶，在相應(yīng)位置安裝熱電偶保護(hù)套管；通過補(bǔ)償導(dǎo)線將信號(hào)引至熱電偶采集箱。

圖2　鐵溝網(wǎng)格、電偶布置示意圖

高導(dǎo)熱網(wǎng)格的建立能夠全面無死區(qū)的監(jiān)測(cè)鐵溝溫度變化，判斷鐵溝侵蝕情況，適應(yīng)鐵溝復(fù)雜的工作環(huán)境，采用物理方法設(shè)立網(wǎng)格式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，全面掌握鐵溝溫度變化，解決因鐵溝耐火材料導(dǎo)熱系數(shù)低而無法檢測(cè)局部溫度過高的問題；采用可更換式電偶，當(dāng)電偶損壞以后，能夠方便地更換熱電偶。

2.2鐵溝侵蝕線位置的判定

鐵溝侵蝕監(jiān)測(cè)裝置網(wǎng)格位置固定，雖然鐵溝分側(cè)壁、底部及結(jié)合部位等不同區(qū)域，但使用材料導(dǎo)熱系數(shù)穩(wěn)定，而澆筑鐵溝耐材為隔熱材料、側(cè)壁和底部所使用同樣材料，對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)影響很小，因此可認(rèn)為形成了穩(wěn)定的二維溫度場(chǎng)，利用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上設(shè)置的熱電偶提供數(shù)據(jù)，采用有限元法計(jì)算鐵溝外側(cè)網(wǎng)格上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度。其傳熱控制方程［1］:

式中γ為徑向距離，χ為軸向距離。

將計(jì)算結(jié)果建立鐵溝外側(cè)的二維溫度場(chǎng)，采用兩點(diǎn)法計(jì)算鐵溝此部位1 150℃侵蝕線的位置，得到該部位殘余內(nèi)襯厚度。根據(jù)鐵溝內(nèi)襯使用耐材材質(zhì)的不同，將內(nèi)襯分為永久層和工作層兩個(gè)部分，鐵溝的維護(hù)、修筑都在工作層進(jìn)行，鐵溝侵蝕線應(yīng)控制在工作層殘余厚度。分布將永久層和工作層傳熱認(rèn)為是一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程，可得到傳熱控制方程［1］:

式中:λ1為鐵溝工作層的導(dǎo)熱系數(shù)；λ2為鐵溝永久層的導(dǎo)熱系數(shù)；t1為永久層與工作層交界面的溫度；△h為鐵溝工作層殘余厚度，mm；h1為鐵溝永久層，mm。

計(jì)算得到△h即為工作層殘余厚度，通過與傳熱控制方程結(jié)合和有限元的劃分，得到鐵溝侵蝕線。鐵鉤侵蝕裝置構(gòu)建流程見圖3。

圖3　鐵溝侵蝕裝置構(gòu)建流程

需要特別重視的是:高爐鐵溝熱電偶工作環(huán)境很惡劣，比較容易損壞，雖然可以更換，仍不能完全剔除壞點(diǎn)的存在，為保證計(jì)算結(jié)果的正確性，必須剔除不合理的數(shù)據(jù)，以提高侵蝕線判定的準(zhǔn)確度。

依據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程，直接使用穩(wěn)定網(wǎng)格的有限元及兩點(diǎn)法的方法計(jì)算鐵溝內(nèi)襯中的溫度場(chǎng)，計(jì)算方法簡單，計(jì)算量小，適合鐵溝侵蝕特點(diǎn)，計(jì)算穩(wěn)定性和精確度高。這種方法以可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵溝溫度場(chǎng)分布的在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)預(yù)警，有利于高爐操作人員及時(shí)掌握鐵溝內(nèi)襯侵蝕演變規(guī)律、侵蝕厚度變化，預(yù)防鐵溝燒穿，建立合理的鐵溝維修機(jī)制和耐材使用標(biāo)準(zhǔn)，最終降低噸鐵耐材消耗，預(yù)防和減少安全事故。

3　結(jié)語

鐵溝監(jiān)測(cè)裝置使用后，解決了因鐵溝耐材導(dǎo)熱系數(shù)低而無法全面監(jiān)控局部嚴(yán)重侵蝕、溫度過高的問題；通過建立模型，可計(jì)算出鐵溝殘余耐材的厚度，實(shí)現(xiàn)了鐵溝侵蝕的自動(dòng)預(yù)警，有效地預(yù)防了鐵溝燒穿；對(duì)鐵溝侵蝕過程的監(jiān)控后，可以建立合理的鐵溝維修機(jī)制和耐材使用標(biāo)準(zhǔn)，最終降低噸鐵耐材消耗，提高高爐生產(chǎn)的安全性。

［1］趙宏博，程樹森，霍守峰，等.高爐爐缸爐底溫度場(chǎng)及異常侵蝕在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)［J］.鋼鐵，2010，45（5）:11-16.

Abstrraacctt::Through analyzing the characteristics of the refractory material and monitoring status of the trench erosion in the blast furnace，the characteristics of hearth erosion monitoring model were compared.Based on the hearth erosion model，the meshing of the permanent lining surface of the trench is divided.The monitoring and judging system for the gully erosion of blast furnace is established，it can help avoid the iron ditch burn through accidents，the automatic warning of trench erosion and the effective prevention of the iron ditch burn through is realized.Thereby the consumption of tons of iron refractory can be reduced，the safety of blast furnace production can be improved.

Key worrddss::blast furnace erosion；main iron trench monitoring；monitoring device

Construction and Development of Monitoring Device for Iron Gully Erosion in BF

GOU Yi，ZHANG Zuocheng
（Shandong Steel Group Rizhao Co.，Ltd.，Rizhao 276826，China）

TP277.3

B

1004-4620（2016）05-0057-02

2016-06-14

芶毅，男，1980年生，2004年畢業(yè)于東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院冶金工程專業(yè)?，F(xiàn)為山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司工程師，從事高爐煉鐵工作。