激光測厚儀在150 t 轉(zhuǎn)爐上的應(yīng)用

劉 磊 張 勇 陳曉偉 周 敏

（1.安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司；2.通化鋼鐵集團(tuán)股份有限公司）

0 前言

安鋼第二煉軋廠三座150 t 轉(zhuǎn)爐由于受鐵水成分波動大，鐵水廢鋼比變化大及低碳、低磷系列品種鋼產(chǎn)量大幅增加等因素的影響，轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕嚴(yán)重，危及轉(zhuǎn)爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行。確定不同區(qū)域的爐襯侵蝕程度主要是通過人工判斷，極易出現(xiàn)誤判，無法動態(tài)掌握轉(zhuǎn)爐爐襯的運(yùn)行狀況，做到事故預(yù)知、預(yù)控，造成耐火材料浪費(fèi)和鋼水污染。2019 年5 月購入維蘇威高級陶瓷（中國）有限公司的LCS 轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯測量系統(tǒng)，應(yīng)用該測厚系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的維護(hù)。

1 激光測厚儀組成及工作原理

1.1 激光測厚儀的組成

LCS 激光測厚儀主要由移動式激光測厚儀主機(jī)、定位輔助反射板、轉(zhuǎn)爐傾角測量系統(tǒng)三部分組成。移動式激光測厚儀主機(jī)小車如圖1 所示。

1.2 激光定位技術(shù)

要想精確測量轉(zhuǎn)爐上各點(diǎn)的爐襯厚度，首先必須讓測厚儀知道脈沖激光掃描到的每一點(diǎn)在爐體的位置，也就是測厚儀相對于轉(zhuǎn)爐的位置必須被精確測量，這就是激光測厚儀的定位。

利用單獨(dú)的定位激光器高速掃描固定在現(xiàn)場的三個高反光的反光板，如圖2 所示。反射板的位置及其與轉(zhuǎn)爐的位置關(guān)系，在安裝時通過測繪輸入到系統(tǒng)內(nèi)。

當(dāng)定位激光器掃描三個反射板時，通過激光發(fā)射到3 個反射板的距離及夾角，利用三角幾何關(guān)系計算出系統(tǒng)在爐前的坐標(biāo)。

1.3 工作原理

圖2 激光測厚儀定位系統(tǒng)

測量開始后，首先，定位激光器自動掃描現(xiàn)場的三個固定反射板進(jìn)行定位，當(dāng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動到測量角度時，安裝在耳軸上的傾角儀精確測量轉(zhuǎn)爐的角度，并通過無線信號發(fā)送到移動式主機(jī)中。然后，激光測厚儀主機(jī)在收到位置坐標(biāo)和轉(zhuǎn)爐角度等信息后，主激光器開始連續(xù)發(fā)射特定波段的脈沖激光掃描轉(zhuǎn)爐，反射回來的激光波被測厚儀接收。主機(jī)通過計算激光在空氣中飛行的時間來計算測量點(diǎn)到激光器的距離。最后，計算機(jī)通過數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換，把爐襯內(nèi)壁上的點(diǎn)連接起來形成一個三維的內(nèi)壁模型，通過與爐殼內(nèi)表面的三維模型比較得到爐壁上每一點(diǎn)的爐襯厚度值。激光測厚儀測量原理如圖3 所示。

圖3 激光測厚儀測量原理

爐襯厚度為：

式中：S1 為爐殼內(nèi)表面到中心線的距離，這是一個標(biāo)準(zhǔn)值，是在模型建立的時候預(yù)先輸入到系統(tǒng)中的；S2 為爐壁表面點(diǎn)到中心線的距離，它是根據(jù)激光發(fā)射器的發(fā)射角度，小車的傾斜角度，轉(zhuǎn)爐耳軸中心線中點(diǎn)位置，爐壁上的點(diǎn)到激光發(fā)射器的距離等參數(shù)計算出來的。

2 激光測厚系統(tǒng)的應(yīng)用

安鋼第二煉軋廠煉鋼車間2#150 t 轉(zhuǎn)爐為頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，共有4 支底吹槍，公稱容量為150 t，新砌轉(zhuǎn)爐爐膛內(nèi)高8 664 mm，砌筑后爐體內(nèi)徑為5 190 mm，熔池深度為 1 445 mm。新砌爐體內(nèi)襯磚的厚度：爐帽為600 mm，爐身為650 mm，大面為 750 mm。爐底耐火材料的厚度為 1 100 mm。采用動、靜態(tài)模型，使用副槍。

2.1 測厚儀的測厚結(jié)果實例分析

激光測厚儀的測量結(jié)果具有直觀性，結(jié)合目測，能夠非常精確地知道爐襯各部位的侵蝕情況，對薄弱部位的維護(hù)起到很好的指導(dǎo)作用，極大地提高了轉(zhuǎn)爐壽命[1]。 以下以爐齡10 655 爐的測量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

2.1.1 爐底

在使用激光測厚儀之前，主要通過副槍測量熔池液位來判斷爐底的上漲與下降，在裝入量相對穩(wěn)定的情況下，液面高低反映了爐底的高低，但是受裝入量和爐型的影響會出現(xiàn)一定的偏差。使用激光測厚儀后，通過測量數(shù)據(jù)可以直觀地看到爐底內(nèi)襯磚的厚度，爐底輪廓如圖4 所示。

圖4 爐底輪廓

從圖4 可以看出，爐底靠大面?zhèn)?，由于廢鋼的機(jī)械沖刷，侵蝕最為嚴(yán)重；爐役后期，由于底吹效果不明顯，所以底吹透氣磚處侵蝕性不太明顯。

2.1.2 大小面

通常把裝鐵水加廢鋼側(cè)稱為“大面”，出鋼口所在的面稱為“小面”。大面主要受兌鐵加廢鋼時的機(jī)械沖刷以及在吹煉過程中高溫鋼水、爐渣的沖刷；小面除受在吹煉過程中侵蝕外，在出鋼過程中，渣線長時間處于高溫、高氧化鐵的爐渣和鋼水中的交替浸泡中。在鋼液氧侵蝕和鋼渣沖刷的作用下，濺渣護(hù)爐形成的具有較高耐火度的濺渣層發(fā)生蝕損，爐渣滲入鎂碳磚的氣孔和裂縫，使鎂碳磚脫碳，降低了MgO 顆粒的熔點(diǎn)，鎂碳磚發(fā)生侵蝕，襯磚暴露在惡劣的工作環(huán)境下發(fā)生剝離[2]。出鋼口剖面如圖5 所示。

從圖5 可以看出，由于采取生鐵補(bǔ)爐和補(bǔ)爐料補(bǔ)爐相結(jié)合的方式，大面爐襯厚度變厚，小面在出鋼口下方耳軸處侵蝕最為厲害，爐底靠近大面?zhèn)惹治g明顯比小面?zhèn)葏柡Γ瑺t型呈不規(guī)則的“可樂瓶”型。

圖5 出鋼口剖面

2.1.3 南北耳軸

耳軸是轉(zhuǎn)爐傾動的軸線部分，距爐口3.5～5.5 m。耳軸剖面如圖6 所示。

圖6 耳軸剖面

從測量結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)爐爐體侵蝕最嚴(yán)重的部位是在轉(zhuǎn)爐北側(cè)耳軸距爐口5 ～5.5 m 處。此位置的磚襯處于鋼水和爐渣的劇烈反應(yīng)區(qū)，南北耳軸襯磚最薄在渣線位置。測量數(shù)據(jù)表明北側(cè)耳軸的爐襯厚度明顯比南側(cè)耳軸的薄。這主要是由散裝料倉布置造成的，2 號爐的9 號散裝料倉裝燒結(jié)礦從南邊下料溜槽下料，正好對在北側(cè)耳軸部位。燒結(jié)礦加入后使?fàn)t渣熔點(diǎn)降低，加劇了對北側(cè)耳軸爐襯的侵蝕。為緩解燒結(jié)返礦對北側(cè)耳軸部位的侵蝕，在北側(cè)3 號料倉也裝上燒結(jié)礦，在加料過程中，3 號與9 號料倉的返礦對稱加入，根據(jù)之后的測量結(jié)果，對兩側(cè)燒結(jié)礦各自的加入量進(jìn)行調(diào)整。通過對燒結(jié)返礦加入方式和加入量的調(diào)整，北耳軸侵蝕情況明顯好轉(zhuǎn)，南北耳軸爐襯侵蝕均勻。

此外，激光測厚儀根據(jù)測量結(jié)果和預(yù)設(shè)的裝入量，通過模型計算出熔池液位與副槍測量熔池液位偏差在 2 mm 以內(nèi)。

2.2 爐襯厚度侵蝕情況

2#150 t 轉(zhuǎn)爐自開爐以來，根據(jù)實際生產(chǎn)情況從4 000 爐開始每7—10 天對爐襯磚進(jìn)行1 次測量，以觀察爐襯的變化情況，同時對爐體的侵蝕狀況進(jìn)行評估。爐役期內(nèi)不同爐齡時轉(zhuǎn)爐各部位爐襯襯磚的厚度情況如圖7 所示。

圖7 爐役期內(nèi)轉(zhuǎn)爐各部位襯磚厚度的變化情況

從圖7 可以看出，爐役期內(nèi)，隨著爐齡的增加，爐襯逐漸減薄，8 000 爐時爐襯侵蝕最為嚴(yán)重，通過補(bǔ)爐爐襯厚度略有增加，后又加速變薄，直至爐役結(jié)束。爐底高度和小面爐襯厚度均勻下降，南北耳軸爐襯厚度通過濺渣護(hù)爐和噴補(bǔ)維護(hù)變化比較大，北側(cè)耳軸部位較南側(cè)耳軸部位侵蝕嚴(yán)重。

2.3 爐襯維護(hù)

爐襯的侵蝕速度受入爐鐵水條件、鐵水廢鋼比和所煉鋼種的影響較大。根據(jù)激光測厚儀的測量數(shù)據(jù)及時調(diào)整濺渣護(hù)爐的方式，實踐證明，高槍位易于爐渣的破碎和乳化，有利于轉(zhuǎn)爐上部的濺渣；低槍位易于造成渣液面劇烈波動，有利于轉(zhuǎn)爐的下部濺渣，爐襯各部位濺渣量增加。爐役末期的耳軸和渣線處殘磚減薄，爐體維護(hù)繼續(xù)采用濺渣護(hù)爐，輔以全自動噴補(bǔ)機(jī)對爐襯薄弱部位進(jìn)行局部重點(diǎn)維護(hù)。小面采用補(bǔ)爐料維護(hù)，大面采用生鐵和補(bǔ)爐料相結(jié)合的方式維護(hù)，大面部位的凹坑可采取人工投入手投料的方式來有效改善爐況。

3 結(jié)論

（1）激光測厚儀在安鋼150 t 轉(zhuǎn)爐上成功應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)爐爐襯厚度，達(dá)到了預(yù)期的效果。

（2） 濺渣護(hù)爐仍然是貫穿爐役始終的爐襯維護(hù)的主要手段，通過濺渣護(hù)爐槍位、時間的調(diào)整來控制爐底上漲，達(dá)到減輕爐襯侵蝕的目的。

（3）在爐役末期，根據(jù)激光測厚儀測量數(shù)據(jù)，對爐襯薄弱部位除正常維護(hù)外，采取噴補(bǔ)機(jī)和人工投入手投料的方式進(jìn)行局部重點(diǎn)維護(hù)，達(dá)到延長爐襯壽命的目的。