基于對流換熱邊界算法的爐襯燒蝕系統

劉建華

（山鋼股份萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104）

信息化建設

基于對流換熱邊界算法的爐襯燒蝕系統

劉建華

（山鋼股份萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104）

利用對流換熱邊界算法，應用C#高級語言，萊鋼為1#1 880 m3高爐開發出了基于OPC技術數據采集、自動繪制截面侵蝕線及溫度云圖的在線高爐爐襯燒蝕系統。應用表明，該系統可以實時、直觀地向使用者展現高爐爐襯燒蝕狀況，為高爐生產運行中的護爐工作提供指導。

高爐；爐襯燒蝕；對流換熱；邊界算法；侵蝕線；溫度云圖

1 前言

現代高爐的冶煉強度不斷提高，鐵水對高爐內部爐襯沖涮、化學侵蝕和氧化等破壞性不斷加強，為及時發現和控制爐襯侵蝕，避免重大的侵蝕和爐缸燒穿事故發生，延長高爐壽命，采用基于對流換熱邊界算法的爐襯燒蝕系統可以在線實時監控高爐爐襯侵蝕狀況［1］。

2 燒蝕模型

爐襯燒蝕模型主要是通過利用插入高爐爐襯內部的熱電偶測出炭磚一定深度的溫度，利用對流換熱邊界算法模型算出炭磚主要溫度的等溫線，并且利用1 150℃等溫線確定爐襯炭磚的侵蝕量［2］。如果測溫點熱電偶壞或沒有測溫點就利用差分法估算出測溫點溫度，再利用燒蝕模型算出爐襯厚度。

2.1 對流換熱邊界等效法

高爐爐墻主要是由冷卻壁、填充材料和炭磚組成，且成圓筒形狀依次緊密結合。因此，高爐爐襯燒蝕問題可以簡化為無限長圓筒（見圖1）問題，利用對流換熱邊界等效置換的方法對高爐爐襯燒蝕的情況進行分析［3］。

圖1 兩層圓筒結構

如圖1所示，各界面半徑分別為R1、R2、R3，導熱率分別為K1和K2，給定內溫度T1和外側對流換熱參數，設各界面溫度為T1、T2、T3，在單位長度和單位弧度扇區內，由兩層熱流量相等條件和外邊界對流換

熱條件得出：

將對流換熱界面移動到中間界面，則：

假設兩個圓筒內的溫度場相同，由公式（1）、（2）、（3）得出：由公式（4）可以看出，對流換熱邊界移動后的換熱系數只與被置換的結構熱阻有關，而與結構內側的邊界條件無關，并且還可以把對流換熱邊界向填料或炭磚內部等效置換。邊界等效置換后高爐冷卻壁導熱問題轉化為一維長圓筒問題。因此，高爐爐襯厚度可以利用上面公式由爐襯熱電偶溫度測點換算得出。

2.2 高爐爐襯等溫線分析

高爐2層到爐喉之下的冷卻壁對稱分布熱電偶，并且插入炭磚的深度是一定的，這些熱電偶測出的溫度能反映出高爐炭磚內某點的溫度［4］。利用對流換熱邊界等效算法得出各個界面的對流換熱系數，由公式（3）得出各個溫度在炭磚內的分布情況，從而計算出高爐爐襯的等溫線。1 150℃是鐵渣和鐵水的溫度分水嶺，利用該溫度可以得出高爐爐襯的侵蝕情況。

3 爐襯燒蝕系統設計

3.1 爐襯侵蝕程序流程

高爐爐襯燒蝕程序流程如圖2所示，利用C#高級語言按照流程所示的步驟進行編程計算就可以算出高爐爐襯燒蝕情況。該流程既可以用于高爐爐襯燒蝕邊界的計算，也可以用于爐襯結渣邊界的計算。

圖2 爐襯燒蝕程序流程

3.2 OPC在線技術

本爐爐襯燒蝕系統中的對流換熱邊界算法以及其他功能的實現需要大量的程序支撐，PLC不能實現這些功能，因此，本系統選用高級語言C#作為開發工具。爐襯燒蝕模型進行分析首先需要爐襯溫度數據，本系統在工業以太網作為硬件基礎，開發了基于OPC技術的施耐德PLC上位機高爐爐襯燒蝕系統。OPC采用客戶端/服務器模式，為工業自動化軟件面向對象的開發提供統一標準，第三方軟件利用此標準可方便地讀取和操作PLC中的數據［5］。

爐襯燒蝕系統利用Kepware軟件作為OPC服務器，在運行之前需要配置Kepware針對施耐德PLC的驅動程序，填入PLC的IP地址、組名和各個溫度的標簽名及地址。利用Kepware自帶的客戶端檢查各個溫度點的數據能否讀取上來。OPC客戶端利用C#開發，在C#程序中需要建立與OPC服務器的鏈接，建立組，添加項，最后利用OPC協議中的異步讀周期性讀取高爐爐襯各個溫度測點的溫度?？蛻舳顺绦驅ψx取上來的數據進行異常分析，正常的數據再存儲到數據庫中，等待爐襯燒蝕計算模型讀取分析用。系統各個程序模塊的結構圖如圖3所示。

3.3 繪制爐襯侵蝕線及溫度云圖

圖3 OPC數據采集及與其他程序模塊結構

在本系統中分別為高爐爐襯每一段截面設立一個數組記錄每個測溫點炭磚1 150℃侵蝕半徑，在每次侵蝕計算完成后，把計算得出的侵蝕半徑與之前存儲的侵蝕半徑相減取絕對值，再與設定的誤差閾值進行比較，如果大于誤差閾值則舍去該侵蝕半徑，相反則利用這次計算得出的侵蝕半徑更新之前的數據，得到一個最新的侵蝕半徑，按照這個方法依次更新所有測溫點的侵蝕半徑，得到侵蝕半徑后利用C#語言繪出爐襯截面的侵蝕線圖。

利用爐襯燒蝕模型分別計算1 150、1 040、920、810、700、580、470、360、240、129℃對應爐襯半徑，分別在界面用紅色、綠色和藍色等顏色表示出來形成溫度云圖。

4 結語

本系統在萊鋼1#1 880 m3高爐爐役后期使用過程中，能夠實時在線監測高爐爐襯燒蝕情況，為高爐工長采取進一步護爐操作提供了依據，從而有效阻止鐵水對爐襯的侵蝕，避免高爐在爐役后期出現爐壁燒穿安全事故。1#1 880 m3高爐自2004年投產已經生產運行11 a，原計劃在2014年進行年修，但2012年該系統投運后，指導工長調整布料矩陣和添加護爐料等護爐措施延緩高爐爐襯燒蝕，把年修計劃推遲到2015年，為公司帶來效益100萬元。

［1］于仲潔，宋木森.高爐爐缸爐底破損研究［J］.鋼鐵研究，2009，37（3）：1-6.

［2］彭順風，李玉平，葛蘆生.基于三段自修正的爐襯侵蝕測量模型與系統［J］.自動化與儀表，2007（4）：32-35.

［3］陳良玉，李玉.高爐爐缸冷卻壁對流換熱邊界的等效置換與導熱模型簡化［J］.鋼鐵研究，2007，35（5）：26-29.

［4］李學付，王平，陳淼.高爐爐缸爐底侵蝕模型的研究與開發［J］.山東冶金，2006，28（1）：37-39.

［5］程愛民.基于VB的穩定態多層壁爐襯參數的計算［J］.工業爐，2010，32（1）：37-39.

Furnace Lining Ablation System Based on Convective Heat Transfer Boundary Algorithm

LIU Jianhua
（The Automation Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

Utilizing convective heat transfer boundary algorithm and using C#advanced language,Laiwu Steel developed the online blast furnace lining ablation system with data acquisition based on OPC technology and automatic drawing section line and the temperature nephogram of erosion for the No.1 1 880 m3BF.Applications indicated that the system intuitively showed the real time status of blast furnace lining ablation to the user,providing guidance for furnace protection work in the operation of blast furnace production.

blast furnace;furnace lining ablation;convective heat transfer;boundary algorithm;temperature nephogram

TP277

A

1004-4620（2015）02-0053-02

2015-01-16

劉建華，男，1982年生，2008年畢業于安徽工業大學電力電子與電力傳動專業，碩士?，F為山鋼股份萊蕪分公司自動化部工程師，從事高爐自動控制工作。