魚(yú)雷罐侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

史東磊，楊曉婷，閆本領(lǐng)，翟 丹，薛金成

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

魚(yú)雷罐是盛放高溫液態(tài)鐵水的容器，由內(nèi)部的耐材和鋼質(zhì)外殼組成，魚(yú)雷罐使用過(guò)程中內(nèi)部的耐材不斷被侵蝕，當(dāng)侵蝕到一定程度時(shí)，就必須重新砌筑耐材；耐材侵蝕嚴(yán)重時(shí)，鐵水可能會(huì)燒穿耐材，造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。目前，耐材的侵蝕情況主要依靠人工判斷，會(huì)造成魚(yú)雷罐侵蝕狀態(tài)的誤判，國(guó)內(nèi)由于魚(yú)雷罐燒穿漏鐵造成損失和安全事故曾多次發(fā)生[1]。準(zhǔn)確判斷魚(yú)雷罐罐體耐材侵蝕情況，同時(shí)對(duì)魚(yú)雷罐成本及高爐正常運(yùn)行的影響最小，是目前煉鐵生產(chǎn)急需解決的問(wèn)題。

1 魚(yú)雷罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施目標(biāo)

（1）對(duì)在線運(yùn)行魚(yú)雷罐罐號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別。

（2）運(yùn)行魚(yú)雷罐外部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)侵蝕模型計(jì)算魚(yú)雷罐內(nèi)襯殘厚。

（3）與魚(yú)雷罐實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)相結(jié)合建立魚(yú)雷罐的綜合管理系統(tǒng)。

（4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及綜合管理。

2 魚(yú)雷罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

魚(yú)雷罐罐體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由紅外熱像儀、魚(yú)雷罐罐號(hào)識(shí)別設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)器、魚(yú)雷罐侵蝕模型、聲光報(bào)警設(shè)備、PC顯示器等組成。

其中紅外熱像儀及魚(yú)雷罐罐號(hào)識(shí)別設(shè)備安裝在運(yùn)行魚(yú)雷罐車(chē)的鐵軌附近（≤10 m），采集的魚(yú)雷罐數(shù)據(jù)及視頻、圖像信息由數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)傳輸至安裝了魚(yú)雷罐耐火材料侵蝕模型的系統(tǒng)服務(wù)器上，顯示器及聲光報(bào)警設(shè)備與服務(wù)器相連，提供相關(guān)信息界面的顯示及聲光報(bào)警功能，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 魚(yú)雷罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

當(dāng)裝滿鐵水的魚(yú)雷罐經(jīng)過(guò)紅外測(cè)溫儀及罐號(hào)識(shí)別設(shè)備時(shí)，由罐號(hào)識(shí)別設(shè)備讀取安裝在魚(yú)雷罐車(chē)上的超高頻電子標(biāo)簽卡內(nèi)置信息，并將超高頻電子標(biāo)簽卡的信息通過(guò)讀卡器識(shí)別出魚(yú)雷罐的罐號(hào)，然后安裝于魚(yú)雷罐車(chē)軌道兩側(cè)的紅外熱像儀對(duì)整個(gè)魚(yú)雷罐罐體表面進(jìn)行掃描及溫度檢測(cè)，自動(dòng)拍攝出被測(cè)魚(yú)雷罐的熱成像圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)及信號(hào)傳送至系統(tǒng)服務(wù)器，再由安裝在服務(wù)器上的魚(yú)雷罐罐體侵蝕模型處理后，將最終的計(jì)算結(jié)果顯示在顯示器上。

該系統(tǒng)提供報(bào)警功能，當(dāng)被測(cè)魚(yú)雷罐罐體最高溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)，由聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。而對(duì)于倒空鐵水后的空魚(yú)雷罐經(jīng)過(guò)檢測(cè)設(shè)備時(shí)，則該系統(tǒng)不進(jìn)行檢測(cè)(讀取其它項(xiàng)目的魚(yú)雷罐實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)信息)，避免對(duì)魚(yú)雷罐罐體耐火材料侵蝕情況誤判。

魚(yú)雷罐綜合管理系統(tǒng)主界面提供溫度監(jiān)測(cè)界面、歷史數(shù)據(jù)、魚(yú)雷罐定位系統(tǒng)、魚(yú)雷罐砌筑信息、報(bào)警信息、魚(yú)雷罐跟蹤系統(tǒng)、魚(yú)雷罐電子檔案、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)信息、用戶登錄、臨檢罐號(hào)等功能區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)多賬號(hào)管理及遠(yuǎn)程操控、公司管理內(nèi)網(wǎng)各相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)間調(diào)用及分析，建立魚(yú)雷罐電子檔案，并提供相關(guān)信息查詢、下載等功能。

寶寶說(shuō)：“一次偶然的機(jī)會(huì)，我拉下了桌布，發(fā)現(xiàn)桌上的碗會(huì)動(dòng)，我好興奮，就像發(fā)現(xiàn)了新大陸。熱湯熱茶，也不能阻止我繼續(xù)探索的決心。我們幼兒園的老師把桌布鋪在地上，讓我們玩‘地面新大陸’，餐桌上的飯菜就很少再被拽翻了?！?/p>

3 魚(yú)雷罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 罐號(hào)識(shí)別

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)魚(yú)雷罐罐號(hào)的識(shí)別不受環(huán)境及機(jī)械磨損等外部因素影響，實(shí)現(xiàn)全天的精準(zhǔn)識(shí)別，本系統(tǒng)采用超高頻率電子標(biāo)簽卡識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別距離可達(dá)10 m，抗干擾能力強(qiáng)。

其中超高頻電子標(biāo)簽卡采用無(wú)源標(biāo)簽，標(biāo)簽與讀卡器之間的耦合方式為電磁耦合方式，讀卡器天線輻射場(chǎng)為無(wú)源標(biāo)簽提供射頻能量。系統(tǒng)投運(yùn)前，先對(duì)超高頻電子標(biāo)簽卡設(shè)置對(duì)應(yīng)的魚(yú)雷罐罐號(hào)，并將電子標(biāo)簽卡安裝于魚(yú)雷罐車(chē)上。當(dāng)魚(yú)雷罐車(chē)經(jīng)過(guò)檢測(cè)位置時(shí)，電子標(biāo)簽卡進(jìn)入讀卡器天線輻射場(chǎng)內(nèi)，讀卡器天線將電子標(biāo)簽卡喚醒，通過(guò)讀取電子標(biāo)簽卡內(nèi)部的信息，連接罐號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)API 接口，獲取每個(gè)被檢測(cè)魚(yú)雷罐的罐號(hào)。通過(guò)過(guò)這種方式，對(duì)魚(yú)雷罐罐號(hào)的識(shí)別率可以達(dá)到99.99%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

3.2 魚(yú)雷罐表面溫度的準(zhǔn)確測(cè)量

被測(cè)魚(yú)雷罐經(jīng)過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)，自動(dòng)實(shí)時(shí)采集所有魚(yú)雷罐表面的溫度照片，見(jiàn)圖2，并傳輸至服務(wù)器統(tǒng)計(jì)計(jì)算,評(píng)估出魚(yú)雷罐耐材的侵蝕狀況，并進(jìn)行記錄和跟蹤。在此過(guò)程中無(wú)需魚(yú)雷罐停車(chē)，無(wú)需清空鐵水，24 h 全自動(dòng)監(jiān)控，自動(dòng)評(píng)估魚(yú)雷罐耐材侵蝕狀態(tài)。

圖2 魚(yú)雷罐溫度顯示

溫度測(cè)量的范圍：-30 ℃～ 1 200 ℃;

溫度測(cè)量的精度：±2 ℃或讀數(shù)的±1.5%。

3.3 罐體溫度及侵蝕模型的計(jì)算

通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳遞的所有數(shù)據(jù)及信號(hào)傳送至系統(tǒng)服務(wù)器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取魚(yú)雷罐的熱成像圖像和魚(yú)雷罐罐體表面各點(diǎn)的溫度[2]，通過(guò)對(duì)接魚(yú)雷罐罐體侵蝕模型，計(jì)算得出魚(yú)雷罐體耐火磚殘厚數(shù)據(jù)。

魚(yú)雷罐罐體分為錐環(huán)部位、渣線部位、筑環(huán)部位、沖擊區(qū)四個(gè)不同的區(qū)域（如圖3所示），每個(gè)區(qū)域耐火材料和種類(lèi)和砌筑厚度都不相同[3]，為了更準(zhǔn)確地計(jì)算魚(yú)雷罐罐體耐火磚殘厚數(shù)據(jù)，需要對(duì)魚(yú)雷罐的侵蝕模型進(jìn)行完善，根據(jù)魚(yú)雷罐罐體的不同區(qū)域分別建立不同的侵蝕模型。

圖3 魚(yú)雷罐耐火材料砌筑圖

整體的魚(yú)雷罐罐體侵蝕模型建模如下：

單位表面熱損失計(jì)算公式：

針對(duì)魚(yú)雷罐罐實(shí)際情況可分解為：

外表面單位面積熱損失計(jì)算公式：

內(nèi)部材料單位面積熱損失計(jì)算公式：

其中：δ——耐材厚度；

λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)；

α——表面放熱系數(shù)（外殼與空氣對(duì)流輻射等換熱系數(shù)）。

3.4 溫度及侵蝕結(jié)果報(bào)警功能

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際每個(gè)魚(yú)雷罐的真實(shí)尺寸及材質(zhì)，建立起準(zhǔn)確的侵蝕仿真模型，建模魚(yú)雷罐內(nèi)部各部位耐材的侵蝕數(shù)學(xué)模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳輸過(guò)來(lái)的表皮溫度計(jì)算出魚(yú)雷罐內(nèi)部耐材的侵蝕情況[4]；同時(shí)設(shè)置魚(yú)雷罐表皮最高點(diǎn)溫度自動(dòng)報(bào)警功能，當(dāng)魚(yú)雷罐罐體最高溫度超過(guò)所設(shè)定的危險(xiǎn)溫度時(shí)，顯示畫(huà)面自動(dòng)標(biāo)識(shí)出魚(yú)雷罐監(jiān)測(cè)畫(huà)面高溫點(diǎn)位置，彈出報(bào)警畫(huà)面并啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，無(wú)需崗位操作人員時(shí)刻監(jiān)控，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)根據(jù)侵蝕模型，自動(dòng)計(jì)算出最高溫度點(diǎn)位置的計(jì)算侵蝕深度，為崗位人員提供參考數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢導(dǎo)出功能

提供對(duì)魚(yú)雷罐罐體溫度的數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行存儲(chǔ)查詢及導(dǎo)出功能，數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的侵蝕數(shù)據(jù)也可查詢及導(dǎo)出，方便不同管理人員需要，可以為各魚(yú)雷罐管理部門(mén)、人員提供詳實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4 魚(yú)雷罐監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果及效益說(shuō)明

自2019 年4 月投運(yùn)至今，在進(jìn)入一煉鋼鐵路道口投入魚(yú)雷罐罐體侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整體設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單方便、模型數(shù)據(jù)清晰、顯著提高了魚(yú)雷罐管理工作效率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有進(jìn)入一煉鋼的魚(yú)雷罐進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，滿足設(shè)備精度及穩(wěn)定性要求。

圖4 報(bào)警顯示界面

效益計(jì)算,2020 年5～8 月份，魚(yú)雷罐使用壽命較1～4月份平均提高了14次，節(jié)約資金約64.77萬(wàn)元。

5 結(jié)論

魚(yú)雷罐侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測(cè)魚(yú)雷罐表皮溫度及通過(guò)侵蝕模型計(jì)算內(nèi)部耐材侵蝕情況，保證魚(yú)雷罐安全穩(wěn)定的運(yùn)行，有效避免漏鐵事故發(fā)生。同時(shí)可準(zhǔn)確地掌握內(nèi)部耐材殘厚信息，避免魚(yú)雷罐過(guò)度維護(hù)及過(guò)早拆除，有助于提高魚(yú)雷罐耐材使用壽命。