馬鋼2號高爐爐缸爐底侵蝕監(jiān)測系統(tǒng)研究

曹　海，陶　嶺，狄瞻霞

(1.馬鋼股份公司二鐵總廠；2.安徽工業(yè)大學(xué)　安徽馬鞍山　243000)

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馬鋼2號高爐爐缸爐底侵蝕監(jiān)測系統(tǒng)研究

曹海1，陶嶺1，狄瞻霞2

(1.馬鋼股份公司二鐵總廠；2.安徽工業(yè)大學(xué)安徽馬鞍山243000)

摘要：利用數(shù)值模擬算法繪出馬鋼2號高爐爐缸爐底1150℃等溫線，診斷爐缸爐底侵蝕程度，計算出耐火材料的侵蝕速率，同時對侵蝕狀況進行預(yù)警，研發(fā)出高爐爐缸爐底耐材侵蝕監(jiān)測系統(tǒng)。建立2號高爐熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并采用離線計算冷卻壁進出水溫差以及炭磚熱電偶數(shù)據(jù)，得到爐缸爐底耐火材料侵蝕狀況。

關(guān)鍵詞：爐缸爐底侵蝕；數(shù)值模擬；長壽

馬鋼2號高爐(2500m3)于2003年10月建成投產(chǎn)，一代爐齡設(shè)計為12-15年。現(xiàn)在2號高爐已經(jīng)進入爐役后期，隨著爐缸周期性的排放渣鐵，爐墻的磚襯厚度漸漸變薄，當(dāng)被侵蝕到一定薄的厚度時，高爐內(nèi)部的冷卻設(shè)備溫度升高，這時將會威脅高爐的安全，開發(fā)高爐爐體監(jiān)護系統(tǒng)，監(jiān)測高爐爐缸的操作爐型，為高爐護爐提供技術(shù)支撐是十分必要的。

國內(nèi)外已有相關(guān)高爐爐缸、爐底數(shù)學(xué)模型的研究，但側(cè)重點各不同。Gruber.D.、Andreev.K.等提出了爐缸爐底溫度場數(shù)學(xué)模型，利用有限元進行計算[1]，Deshpande、Rohit等Chaika.A.L.、Sushehev.S.P等人[2]、[3]做出了爐缸爐底的溫度場模型。根據(jù)我國的高爐特性，國內(nèi)也通過“有限差分法”、“有限元法”和“邊界元法”等數(shù)值計算方法，建立出各種傳熱數(shù)學(xué)模型采用不同的方法和途徑提出了很多爐缸爐底侵蝕模型[4]-[7]。

本文是采用邊界元法建立高爐爐缸爐底侵蝕二維模型，用此推定出高爐爐缸爐底侵蝕線的位置和侵蝕的形狀。此模型是通過爐缸爐底處熱電偶測得的溫度作為依據(jù)，通過計算得出1150℃等溫線的位置和形狀。

1　侵蝕模型建立的方案

針對2號2500m3高爐爐缸爐底熱電偶分布狀況，爐底熱電偶測溫點基本不能正常工作，此時采用有限元方法進行侵蝕狀況監(jiān)測時，整個模型存在收斂問題，不宜于實現(xiàn)在線監(jiān)測，所以，爐缸爐底侵蝕模型以兩點法計算為主。

1.1徑向計算

如下圖1所示，利用公式(1)可計算出400℃等溫線(t400)的徑向坐標值r1，500℃.…1150℃等溫線(t500)徑向坐標(r2).…1150℃等溫線(r6)。

(1)

公式(1)中：

t10和t11分別是埋入炭磚的熱電偶對的外點和內(nèi)點的溫度值；

λ0為(t11+t10)/2℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；λ1為(t11+400)/2℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；

λ2為500℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；λ3為700℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；

λ4為900℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；λ5為1075℃時的導(dǎo)熱系數(shù)；

r0和r1分別為熱電偶對中的外點和內(nèi)點與碳磚外層表面的距離(mm)；

r6為1150℃等溫線和碳磚外層表面的距離(mm)。

圖1　兩點法計算

1.2周向處理

因為每一層的碳磚只有有限的N對熱電偶，因此要使用插分法計算熱電偶對的溫度，進而得到一層碳磚的等溫線。

圖2為角度為α、溫度為tx的點的半徑求解示意圖，其中(t10，t11，α1)、(t20，t21，α2)為已知的兩熱電偶對，求角度為α=x時的熱電偶對(tx0，tx1)，則有:

(2)

(3)

圖2　角度為α、溫度為tx的點的半徑求解示意圖

1.31150℃凝固線和炭磚殘存厚度

圖3為爐缸最大侵蝕邊界和1150℃凝固線關(guān)系的示意圖，圖4為爐底和爐缸側(cè)壁1150℃鐵水凝固線和碳磚殘存厚度變化趨勢圖。高爐實際生產(chǎn)過程當(dāng)中，侵蝕與堆積不斷變換，如果發(fā)生爐缸堆積、爐涼或者休風(fēng)時等狀況，爐底爐缸則產(chǎn)生結(jié)厚。如果發(fā)生結(jié)厚現(xiàn)象，此時僅僅采用1150℃等溫線便無法客觀的反映出爐缸爐底侵蝕的狀況。根據(jù)這一問題，本模型采取了相應(yīng)措施，以便更加真實有效的反應(yīng)爐缸爐底侵蝕狀況。

圖3　最大侵蝕邊界與1150℃凝固線關(guān)系示意圖

圖4　爐底和爐缸側(cè)壁1150℃鐵水凝固線及炭磚殘存厚度變化趨勢圖

圖3和圖4中LT是根據(jù)現(xiàn)在的熱電偶測溫值，繪制的1150℃等溫線，其中LTmin是侵蝕最大時的邊界位置。因為在實際的生產(chǎn)過程中，侵蝕和堆積現(xiàn)象的同時存在，因此LT的波動相對較大；相比較與LT，LTmin可以更加真實的反應(yīng)此處的侵蝕狀態(tài)。在本次程序的開發(fā)中，我們將侵蝕邊界LTmin的歷史數(shù)據(jù)都進行了保存，LTmin曲線和LT曲線都繪制在了同一圖中。如果LT減小，表明爐底爐缸正在被侵蝕，反之如果LT增大，則表明爐底爐缸正在結(jié)厚；當(dāng)LT=LTmin，并且LTmin在變小，說明炭磚正在發(fā)生侵蝕，這時令LTmin=LT，LTmin得到更新。

2　在線侵蝕模型的功能和應(yīng)用

2#爐投產(chǎn)已達12年，為防止爐缸燒穿，保證爐役后期的安全生產(chǎn)，開發(fā)了爐缸侵蝕模型，于2015年1月投入使用，可分別實現(xiàn)如下功能：

2.1監(jiān)測炭磚殘存厚度變化

設(shè)定1#鐵口為0°，逆時針為正方向，利用熱電偶系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，繪制出6°、78°(78°、84°)、126°(107.5°、108.75°、112.5°)、174°(125°、132°)、186°(186°、180°)、246°(246°、240°)、294°(294°、300°)、342°(324°、336°)方向二維爐缸爐底1150℃等溫線、殘存厚度線分布圖。繪制出爐缸爐底標高為9250 mm、8650 mm、8100 mm、7600 mm橫截面的1150 ℃、等溫線、殘存厚度線分布圖，如圖5所示，圖中紅色線為鐵水凝固線歷史趨勢圖，藍色線為殘存厚度趨勢圖。

由圖5可看出，各層炭磚的凝固線位置和殘存厚度，其中七層和五層炭磚由于熱電偶數(shù)量少而未能監(jiān)測整個圓周方向上的厚度，炭磚四層由于未被侵蝕，模型中顯示560℃等溫線。五層炭磚在中心位置受到侵蝕，六層、七層炭磚已開始受到侵蝕。2015年11月13日六、七層炭磚各位置殘存厚度見表1。

圖5　炭磚橫向侵蝕全覽

炭磚層數(shù)第六層第七層位置(°)2484132180192240300336192240336殘存厚度(mm)102489210061066104110751040966978984942

2.2凝固層厚度和溫度變化規(guī)律

同時模型可以對歷史數(shù)據(jù)進行記錄的生成趨勢圖，圖6是從2015年2月1日至2015年10月31日之間的七層炭磚在192°殘厚和鐵水凝固線變化趨勢圖。

圖6　爐缸七層炭磚殘厚和凝固線趨勢圖

從圖6中可以看出2015年3月至4月炭磚殘厚有明顯的下降，其中有一段侵蝕加劇的現(xiàn)象。殘存厚度不是每天都在緩慢變化的狀態(tài)，其可以在一段時間保持相對的穩(wěn)定，在另一段時間則發(fā)生突然的變化，這是因為耐材前面存在凝固層，當(dāng)凝固層消失，鐵水直接接觸耐材，此時才發(fā)生耐材的侵蝕現(xiàn)象。而1150℃凝固線的變化則是相對頻繁的，當(dāng)1150℃凝固線大于殘存厚度時，則說明石墨碳等黏結(jié)物或者渣鐵是凝固在耐材前面的。

通過對歷史數(shù)據(jù)進行研究分析，可以得出爐況變化對炭磚溫度和凝固層厚度的影響。圖7是2015年11月2日至7日之間7層炭磚在192°鐵水凝固線的變化趨勢圖，圖8是同時期該點溫度趨勢。

圖7　鐵水凝固線變化趨勢圖

圖8　炭磚溫度變化趨勢圖

由圖7可看出，在2015年11月4日凝固線明顯有上升，在6日后緩慢下降，這是由于高爐在4日8：30至5日6:00休風(fēng)導(dǎo)致的。從圖8中也能明顯看出休風(fēng)使爐缸溫度降低，造成爐缸堆積增加，在休風(fēng)后逐步恢復(fù)至正常。

2.3殘存厚度預(yù)警

當(dāng)殘存厚度小于一定值時，監(jiān)測系統(tǒng)將進行報警，如圖9所示。

圖9　殘厚預(yù)警

圖9中紅色方框內(nèi)的預(yù)警值操作人員可以根據(jù)現(xiàn)場管理要求進行設(shè)置，設(shè)置完成后，當(dāng)耐材厚度小于該值后，橫向侵蝕界面中會出現(xiàn)黃色方框中的淺綠色閃爍現(xiàn)象。

2.4爐缸工作狀態(tài)與爐況關(guān)系

通過對炭磚各點溫度和凝固線變化趨勢進行分析，可以掌握爐缸工作狀態(tài)的變化。2015年9月初，高爐進行干濕焦轉(zhuǎn)換，濕焦比例由15%提高至40%，爐內(nèi)風(fēng)壓波動劇烈，管道氣流頻繁，風(fēng)量逐步萎縮，圖10為干濕轉(zhuǎn)換期間爐缸七層炭磚溫度變化。

圖10　干濕轉(zhuǎn)換期間爐缸七層炭磚溫度變化

由圖10看出，在濕焦比例增加，爐缸七層炭磚溫度呈逐步下降趨勢，另由前面圖6可看出，9月開始炭磚凝固溫度也逐漸升高，表明此處有渣鐵或焦炭堆積，爐缸工作狀況變差引起爐況波動。在此期間，高爐在布料制度上增加中心焦，嘗試堵風(fēng)口增加鼓風(fēng)動能，積極使用風(fēng)量，活躍爐缸，避免堆積增加，到10月10日降低濕焦比例，減少濕焦用量后，爐況穩(wěn)定性好轉(zhuǎn)，炭磚溫度也逐步回升。

3　結(jié)論

(1)實時測繪爐缸爐底等溫線分布圖，并測算1150℃凝固線位置，在線高爐爐缸爐底耐火材料的侵蝕狀況。

(2)記錄每日爐缸爐底侵蝕線的變化，通過統(tǒng)計分析，進而得到侵蝕最嚴重時的位置，通過計算得到耐火材料的殘存厚度，有利于高爐操作者更好的對高爐進行診斷和調(diào)節(jié)。

(3)在線模型的計算是通過熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)進行的，結(jié)果的準確性依賴于爐缸爐底熱電偶溫度的準確， 所以對熱電偶的精確性的監(jiān)測和維護很重要。

(4)理論與實際相結(jié)合，幫助操作人員對爐缸工作狀態(tài)做出更理性的判斷，提高爐役后期高爐生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟技術(shù)指標。

參 考 文 獻

[1]Gruber.D.、Andreev.K.、Harmuth.H.FEM simulation of the thermomechanical behaviour of therefraetory liningofa blast furnaee.Journal of Materials Proeessing Teehnology.2004，155:1539-1543

[2]Deshpande、Rohit、Chaubal.Numerieal analysis of blast furnace hearth inner profile by using heat transfer model for different time periods.Heat&Mass Transfer，2008，51(51):186-197

[3]Chaika.A.L.，Sushchev.S.P，SuSI。nov.A.A，Newmeths for monitoring the technical state of blast furnace enclosure without stopping the technologicalproeess.Refraetories & Industrial Ceramics 2007，48(3):178-182

[4]杜鋼，陳亮.用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法診斷高爐爐缸爐底侵蝕界面[J].鋼鐵，1999，34(增):255-259

[5]李家新，蘇宇，唐成潤.高爐爐底侵蝕狀況動態(tài)監(jiān)測模型的開發(fā)[J].煉鐵，2001，20(4):28-30

[6]李學(xué)付，王平等. 高爐爐缸爐底侵蝕模型的研究與開發(fā)[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006,23(3):245-251

[7]馬富濤.爐缸侵蝕結(jié)厚監(jiān)測模型的研發(fā)與應(yīng)用[J].鋼鐵研究,2013,41(4):9-14.

收稿日期：2016-01-20

作者簡介：曹海(1977-)，男，馬鞍山鋼鐵股份有限公司第二煉鐵總廠，工程師。

中圖分類號：TF543.+4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9994(2016)01-0017-04

Study on Monitoring System for Hearth Bottom Erosion Model of No.2 BF in Ma Steel

CAO Hai1，TAO Ling1，DI Zhan-Xia2

Abstract：Draw Masteel No.2 BF hearth bottom 1150 ℃ isotherm distribution by using numerical simulation method. Diagnosis the erosion and erosion rate of refractory in hearth bottom. Develop the Monitoring System For Bottom Erosion Model. Establish acquisition systems of No.2 blast furnace thermocouple data. Get the situations of furnace hearth refractory erosion by the offline computing of cooling water temperature data as well as the wall and out of charcoal briquette thermocouple data.

Key words：hearth bottom erosion;numerical simulation;bf long campaign