馬鋼高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型與應(yīng)用初探

廖海歐

馬鋼高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型與應(yīng)用初探

廖海歐

針對(duì)馬鋼第三煉鐵廠2座4000m3高爐投產(chǎn)近十年的變化，通過系統(tǒng)分析，發(fā)明了選用普通稱重傳感器制做的壓板式應(yīng)力檢測(cè)裝置，成功檢測(cè)到高爐生產(chǎn)變化數(shù)據(jù)量化的盲板力、熱應(yīng)力、有害元素分子力、邊緣氣流力，同時(shí)創(chuàng)造性地依靠無損接觸式的方法，用來穩(wěn)定爐底、爐缸的保護(hù)，成功創(chuàng)建了高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)。通過爐底應(yīng)力模型平臺(tái)一年來的實(shí)踐和指導(dǎo)高爐操作，穩(wěn)定使用固體廢料，此新技術(shù)可讓更多同行分享。

高爐爐底 應(yīng)力監(jiān)控 指導(dǎo)操作

1.前言

高爐爐底檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外高爐煉鐵行業(yè)的空白。如何把科學(xué)的基本原理作為支撐做立足點(diǎn)，尋找可采集高爐整體作用產(chǎn)生變化的參數(shù)做切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)、電、儀、控綜合技術(shù)的有機(jī)集成，這些都是全球高爐同行一直在艱苦探索的關(guān)鍵問題。

自18世紀(jì)以來，高爐煉鐵技術(shù)始終是煉鐵的主要生產(chǎn)方式。由于高爐煉鐵技術(shù)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)量大、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、能耗低，這種生產(chǎn)方式成為主流，所生產(chǎn)的鐵占了世界鐵產(chǎn)量的95%以上。我國(guó)作為世界上第一鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，目前已擁有4000m3以上的巨型高爐22座，在這方面應(yīng)該有突破的基礎(chǔ)。

煉鐵高爐橫斷面為圓形，爐殼通常選用熱軋BB503厚20cm-100cm的鋼板制成，殼內(nèi)砌耐火磚內(nèi)襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸5部分。為保護(hù)爐殼穩(wěn)定，在爐殼與耐火材料內(nèi)襯之間安裝有冷卻壁，通過冷卻水進(jìn)行冷卻，以確保爐殼的強(qiáng)度、剛度及工作性能的穩(wěn)定。

高爐生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)的應(yīng)力、溫度、氣流、鐵水液面及物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的各種變化，都全部作用到剛性鋼質(zhì)的爐殼上，產(chǎn)生一定范圍的應(yīng)力變化波動(dòng)，最后自上而下集中作用于爐底。

2.爐底爐缸變化的背景

2.1 高爐生產(chǎn)現(xiàn)狀

馬鋼第三煉鐵總廠兩座（A、B）4000m3高爐，2007年投產(chǎn)三年多后發(fā)現(xiàn)爐底板上翹，爐底板四周翹起，與基礎(chǔ)之間距離高達(dá)200mm左右，引起公司上下高度關(guān)注。

公司曾組織過多次研討，還聘請(qǐng)了日本新日鐵、韓國(guó)浦項(xiàng)的專家進(jìn)行交流。專家有認(rèn)為盲板力、鋅富結(jié)、堿金屬、有害元素的問題，也有認(rèn)為需改進(jìn)焊爐底板、加配重、改水管，最終未形成統(tǒng)一意見。之后，公司又與國(guó)內(nèi)1000m3、2000m3、5000m3高爐有同樣爐底上翹問題的同行交流，發(fā)現(xiàn)這些高爐大都在監(jiān)控安全下，頻繁檢修，基本也都是被動(dòng)維持生產(chǎn)。

從2015年起，公司決定依靠自己的團(tuán)隊(duì)，針對(duì)上翹高爐爐底穩(wěn)定進(jìn)行研究，制定了抑制爐底上翹實(shí)施方案、防止?fàn)t底回落實(shí)施方案、爐底在線檢測(cè)實(shí)施方案，以應(yīng)對(duì)爐底異常變化、爐底上翹，有效控制現(xiàn)狀，保障安全生產(chǎn)。經(jīng)研究首先全面測(cè)量爐底板上翹及高爐整體上漲數(shù)據(jù)。

為防止不確定因素造成系統(tǒng)失去平衡，導(dǎo)致爐底煤氣泄漏，方案首先確定先穩(wěn)定上翹爐底的原則，不打破現(xiàn)有的平衡，不對(duì)現(xiàn)有安全運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行變動(dòng)，不對(duì)高爐本體采取任何施工措施。

2.2 全面測(cè)量爐底板

通過全面測(cè)量上翹引起的高爐整體變化，發(fā)現(xiàn)主要變化來自風(fēng)口以下部分：

（1）鐵口情況

A高爐▽11.5，上漲213mm；B高爐▽11.4，上漲178mm。

（2）風(fēng)口情況

A高爐▽16.05，上漲253mm；B高爐▽15.98，上漲177mm。

（3）煤氣上升管出口情況

A高爐▽46.73，上漲234mm；B高爐▽46.60，上漲98.5mm；。

（4）爐頂鋼法蘭情況

A高爐▽48.97，上漲177mm；B高爐▽48.88，上漲82mm。

在全面分析高爐上漲數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)高爐上漲主要來自下部。從爐底下部入手，采取接觸式、無損穩(wěn)定措施，確保當(dāng)期安全生產(chǎn)。另外，借助穩(wěn)定保護(hù)措施，建立位移、溫度、應(yīng)力檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以尋找對(duì)應(yīng)關(guān)系，制定對(duì)策、采取措施。

3.穩(wěn)定爐底的無損措施

通過分析測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)爐底變化的主導(dǎo)因素是爐缸部分的變化。在穩(wěn)定上翹爐底的方案中，是要確保高爐工藝、設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，不破壞當(dāng)前的各種平衡，不對(duì)爐體本身采取任何措施。既要盡可能多的抵消上漲力，又要防止?fàn)t底回落，保持爐缸耐材工作狀況的穩(wěn)定。在結(jié)合研究原設(shè)計(jì)圖紙、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境和多方面的因素，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)做試驗(yàn)，找出了“可為與不可為”，得出了穩(wěn)定爐底的無損措施。

3.1 抑制爐板上翹的具體措施

由于爐底水冷管對(duì)作業(yè)的限制，采取“見縫插針”的辦法，沿爐底封板一周，采用化學(xué)植筋的方式預(yù)埋108個(gè)M36-M42的錨栓，通過壓板扣住爐底板，從而抑制爐底板上翹。

在爐底H梁位置設(shè)置輔助壓緊裝置，從38根爐底H型鋼梁(HM250×170）兩端設(shè)置76件L型輔助壓緊裝置, L型裝置的底板與爐底H型鋼梁焊接，L型裝置的螺栓螺母壓住爐底板。利用爐底H型鋼梁的拉力來平衡爐殼上漲力，從而增加抑制爐底板上翹的力。同時(shí)又保證了爐底H型鋼梁與爐底板相對(duì)穩(wěn)定，確保爐底板與爐底H型鋼梁的塞焊連接不被進(jìn)一步拉開，防止?fàn)t底板進(jìn)一步損壞發(fā)生煤氣泄漏。

3.2 防止?fàn)t底回落的具體措施

完成抑制上漲力的措施后，及時(shí)對(duì)爐底板下部澆注填料，實(shí)施防止回落的措施。在澆注填料的實(shí)施前，要同步完成爐底測(cè)溫點(diǎn)和位移監(jiān)測(cè)裝置的安裝調(diào)試，同步建立在線監(jiān)控系統(tǒng)，以更準(zhǔn)確地掌握上翹爐底板的溫度、位移變化趨勢(shì)。

4.創(chuàng)建爐底應(yīng)力監(jiān)控模型

根據(jù)抑制力的計(jì)算，創(chuàng)建實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型，并與中控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，形成應(yīng)力曲線圖，運(yùn)用爐底無損的上翹壓緊及裝置系統(tǒng)，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控（見圖1）。

圖1 高爐底板實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型

5.應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)

5.1 上翹爐底應(yīng)力監(jiān)控曲線

根據(jù)一年來幾次有代表性的高爐檢修，通過應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)畫出的曲線，發(fā)現(xiàn)了大型高爐、爐底板上翹的幾個(gè)成因，了解了盲板力的大小、爐缸工作熱應(yīng)力的變化以及有害元素分子力的富集的原因。爐底應(yīng)力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，所對(duì)應(yīng)的高爐應(yīng)力、溫度等各種工藝參數(shù)有機(jī)集成的大數(shù)據(jù)平臺(tái)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，也為及時(shí)掌握爐缸工作狀況的變化，保持高爐生產(chǎn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定順行，延長(zhǎng)高爐壽命及準(zhǔn)確安排大中修，提供了新的數(shù)據(jù)平臺(tái)，在國(guó)內(nèi)同行中屬于首創(chuàng)（見圖2、圖3、圖4、圖5）。

圖2 2015年11月26日 馬鋼A高爐檢修爐底應(yīng)力曲線

圖3 2016年1月28日 馬鋼A高爐檢修爐底應(yīng)力曲線

圖4 馬鋼A、B高爐一年來的應(yīng)力曲線

圖5 2016年測(cè)試B高爐四個(gè)鐵口區(qū)域一天的應(yīng)力變化曲線

5.2 應(yīng)力監(jiān)控模型指導(dǎo)高爐操作的啟示

一年多來，馬鋼創(chuàng)造性地依靠沒有連接、無損、接觸式的方法，用來穩(wěn)定爐底、爐缸的保護(hù)，成功創(chuàng)建了高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)，并以此結(jié)合高爐爐況及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)變化的具體實(shí)踐和分析，證明此平臺(tái)完全可以監(jiān)控高爐的工作狀況，指導(dǎo)高爐操作，及時(shí)調(diào)整對(duì)策實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、低耗、長(zhǎng)周期穩(wěn)定。隨著時(shí)間的延續(xù)和大數(shù)據(jù)的不斷積累分析，還會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)。

（1）高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型可靠、靈敏度高，真實(shí)反映了爐底爐缸的應(yīng)力場(chǎng)的變化和工作變化。

（2）高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型為高爐操作準(zhǔn)確掌握下部變化、提出數(shù)據(jù)分析提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也開創(chuàng)了高爐煉鐵應(yīng)力監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的先河。

（3）高爐爐缸應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)及應(yīng)力場(chǎng)的變化，能夠準(zhǔn)確掌握大型爐窯和設(shè)備的工作狀況，可以拓展到其他領(lǐng)域。

（4）爐底應(yīng)力場(chǎng)的變化，突破了溫度場(chǎng)單一監(jiān)控爐缸的工作狀況?？山Y(jié)合應(yīng)力場(chǎng)配合溫度場(chǎng)共同分析爐缸的侵蝕狀況，為高爐長(zhǎng)壽及大中修提供支持。

（5）爐底應(yīng)力的波動(dòng)能迅速反映爐況的優(yōu)劣，是“高爐爐況新的晴雨表”。

（6）應(yīng)力波動(dòng)與頂壓和送風(fēng)狀況有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但不是爐底板上翹的主要原因，提升頂壓操作參數(shù)不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重后果。

（7）應(yīng)力不會(huì)持續(xù)上升，也有回落的時(shí)間段。通過對(duì)應(yīng)力回落時(shí)間段高爐操作的參數(shù)積累分析，能夠找到控制手段。

6.結(jié)語

在高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)“半周”時(shí)，爐缸工作熱應(yīng)力800噸左右，能及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)爐缸工作的劣化，并及時(shí)調(diào)整出鐵制度，活化爐缸均勻性。在平臺(tái)“滿月”時(shí)，發(fā)現(xiàn)盲板力不超過500噸左右，即使增加頂壓操作也不會(huì)有大影響，可以釋放高爐操作的禁錮。在平臺(tái)“百日”時(shí)，發(fā)現(xiàn)有害元素分子力持續(xù)增加，必須要有效控制，規(guī)范固體廢量使用，使應(yīng)力狀況趨于穩(wěn)定，進(jìn)而基本消除因渣皮脫落造成的爐況波動(dòng)。在平臺(tái)“周歲”時(shí)，發(fā)現(xiàn)邊緣氣流應(yīng)力300噸左右，邊緣氣流的強(qiáng)弱會(huì)引發(fā)爐腹上部爐殼溫度產(chǎn)生應(yīng)力波動(dòng)，邊緣氣流的變化對(duì)排鋅有影響，可以衡量緣氣流調(diào)整效果，減緩冷卻壁熱流強(qiáng)度。

高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型平臺(tái)發(fā)現(xiàn)四個(gè)鐵口工作區(qū)域有明顯不同，與鐵口工作狀況、鐵口區(qū)爐缸的活躍程度等有密切聯(lián)系，準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)了爐缸工作的正常生產(chǎn)、休風(fēng)到零、高爐復(fù)風(fēng)及鐵口打開各個(gè)階段的關(guān)系，尤其是準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)了爐缸休風(fēng)時(shí)段的細(xì)微變化，可以指導(dǎo)并及時(shí)調(diào)整當(dāng)期出鐵制度，達(dá)到活化爐缸的目的。

應(yīng)力場(chǎng)配合溫度場(chǎng)，可以共同分析爐缸的侵蝕狀況，為高爐長(zhǎng)壽及大中修提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。同時(shí)也為大型高爐活躍爐缸，準(zhǔn)確掌握各鐵口的工作狀況，降低燃料比，提高各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，突破高爐操作思維，提升高爐生產(chǎn)操作的技術(shù)水平，創(chuàng)建新的技術(shù)保障平臺(tái)。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，受到自然資源短缺、能源供給不足、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的制約，加上遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，節(jié)能減排的新要求，還有加快“精料入爐”向“經(jīng)濟(jì)料入爐”的轉(zhuǎn)變等，高爐煉鐵生產(chǎn)如何迅速、平衡、再發(fā)展，必須要有新技術(shù)的突破與支撐，需要增加爐底爐缸檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，任重道遠(yuǎn)。

（作者單位：馬鋼第三煉鐵總廠）