高爐鐵溝侵蝕監測裝置的構建與開發

芶毅，張作程

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東日照　276827）

高爐鐵溝侵蝕監測裝置的構建與開發

芶毅，張作程

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東日照276827）

通過對高爐鐵溝耐材特點和鐵溝侵蝕監測現狀的分析，與爐缸侵蝕監測模型特點進行對比研究，以爐缸侵蝕模型為基礎，對鐵溝永久襯表面進行網格化劃分，建立了高爐鐵溝侵蝕監測與判斷系統，避免了鐵溝燒穿事故發生，實現了鐵溝侵蝕的自動預警，有效地預防了鐵溝燒穿，從而降低噸鐵耐材消耗，提高高爐生產的安全性。

高爐鐵溝；侵蝕監測；監測裝置

高爐實現強化冶煉以來，長壽越來越受到煉鐵工作者的重視，爐缸侵蝕的監測和判斷越來越精確。但是隨著高爐的強化冶煉和煉鐵成本壓力的增大，鐵溝燒穿的情況越來越多，給高爐生產和安全帶來了重大隱患。為更好的對鐵溝侵蝕情況進行監測，開發了一種模擬爐缸侵蝕系統的裝置和計算方法，對鐵溝侵蝕情況進行監測。

1　高爐鐵溝侵蝕監測存在的問題

1.1操作人員主觀判斷

在鐵溝使用壽命的判斷上，大多數高爐鐵溝侵蝕情況通常憑經驗（例如出鐵量、出鐵天數等）來判斷，缺乏可靠的檢測手段。為了準確把握鐵溝殘余耐材厚度，國內外開發出一些測量殘余耐材厚度的工具，定期對薄弱部位進行測量，作為判斷殘余耐材厚度的依據，但準確度不高，不能有效地探知鐵溝侵蝕最嚴重區域（也就是燒穿危險區域）。

1.2測溫電偶監測區域小

為了實時監控高爐爐前鐵溝的運行情況，防止鐵溝燒穿事故發生，在新鐵溝制作時安裝測溫電偶，預埋到鐵溝易侵蝕重點部位，實時監控鐵溝的侵蝕情況，通過溫度變化結合生產經驗來判斷鐵溝侵蝕程度。因為鐵溝制作材料為硅鋁質耐高溫、耐侵蝕的隔熱耐火材料，導熱系數低，預埋電偶僅能監測很小的一片區域，生產階段很難精確判斷鐵溝侵蝕嚴重位置，在電偶不能覆蓋的盲區極易發生燒穿事故；如果要全面對整個鐵溝重點部位進行有效監控，需要布置大量電偶，設計、監控難度很大。即使建立鐵溝侵蝕模型，沒有龐大的測溫電偶作為基礎，也無法適應隔熱耐材結構下鐵溝復雜的工作環境，系統計算結果依然存在盲區。

目前判斷鐵溝侵蝕程度主要依靠操作人員經驗，隨意性較大，在實際生產過程中很難做到準確判斷，由于無法全面了解整個鐵溝工作情況，常常由于耐材自身質量波動或操作人員日常點檢不到位等原因，發生主溝局部燒穿造成漏鐵事故。

2　高爐鐵溝侵蝕監測與判斷系統

2.1鐵溝監測裝置的建立

根據鐵溝的設計結構和侵蝕機理，參考高爐爐缸侵蝕系統中成熟的有限元計算方法，通過物理方法在隔熱材料（鐵溝澆注料）外側敷設網格，建立監控網絡，網格材料使用導熱系數穩定材料，能夠建立穩定的二維穩態導熱模型，降低建立鐵溝侵蝕模型的難度、提高計算精度。在網格節點上布置電偶，全面監測鐵溝溫度變化和分布，做到對整個鐵溝尤其是重點部位的全面監控。

高導熱網格的設置和熱電偶需要在高爐鐵溝砌筑的過程中預埋，施工砌筑時在鐵溝外側預埋一層網格狀高導熱材料，提高整個鐵溝外側的熱傳導能力，選擇部分網格節點設置可更換式熱電偶，消除普通電偶監測裝置的盲區。該裝置包括銅質高導熱網格裝置，熱電偶，保護套管，補償導線，熱電偶采集箱。鐵溝電偶布置見圖1、圖2。

圖1　鐵溝網格、電偶設置剖面

高導熱網格裝置使用導熱系數高、材質較軟、延展性優良的銅片制作，鐵溝澆筑時預設在永久層外表面，不影響整個鐵溝結構及其他性能；為保護并便于更換電偶，在相應位置安裝熱電偶保護套管；通過補償導線將信號引至熱電偶采集箱。

圖2　鐵溝網格、電偶布置示意圖

高導熱網格的建立能夠全面無死區的監測鐵溝溫度變化，判斷鐵溝侵蝕情況，適應鐵溝復雜的工作環境，采用物理方法設立網格式監控網絡，全面掌握鐵溝溫度變化，解決因鐵溝耐火材料導熱系數低而無法檢測局部溫度過高的問題；采用可更換式電偶，當電偶損壞以后，能夠方便地更換熱電偶。

2.2鐵溝侵蝕線位置的判定

鐵溝侵蝕監測裝置網格位置固定，雖然鐵溝分側壁、底部及結合部位等不同區域，但使用材料導熱系數穩定，而澆筑鐵溝耐材為隔熱材料、側壁和底部所使用同樣材料，對整個溫度場影響很小，因此可認為形成了穩定的二維溫度場，利用網格節點上設置的熱電偶提供數據，采用有限元法計算鐵溝外側網格上各個節點的溫度。其傳熱控制方程［1］:

式中γ為徑向距離，χ為軸向距離。

將計算結果建立鐵溝外側的二維溫度場，采用兩點法計算鐵溝此部位1 150℃侵蝕線的位置，得到該部位殘余內襯厚度。根據鐵溝內襯使用耐材材質的不同，將內襯分為永久層和工作層兩個部分，鐵溝的維護、修筑都在工作層進行，鐵溝侵蝕線應控制在工作層殘余厚度。分布將永久層和工作層傳熱認為是一維穩態傳熱過程，可得到傳熱控制方程［1］:

式中:λ1為鐵溝工作層的導熱系數；λ2為鐵溝永久層的導熱系數；t1為永久層與工作層交界面的溫度；△h為鐵溝工作層殘余厚度，mm；h1為鐵溝永久層，mm。

計算得到△h即為工作層殘余厚度，通過與傳熱控制方程結合和有限元的劃分，得到鐵溝侵蝕線。鐵鉤侵蝕裝置構建流程見圖3。

圖3　鐵溝侵蝕裝置構建流程

需要特別重視的是:高爐鐵溝熱電偶工作環境很惡劣，比較容易損壞，雖然可以更換，仍不能完全剔除壞點的存在，為保證計算結果的正確性，必須剔除不合理的數據，以提高侵蝕線判定的準確度。

依據穩態導熱方程，直接使用穩定網格的有限元及兩點法的方法計算鐵溝內襯中的溫度場，計算方法簡單，計算量小，適合鐵溝侵蝕特點，計算穩定性和精確度高。這種方法以可實現對鐵溝溫度場分布的在線監測和自動預警，有利于高爐操作人員及時掌握鐵溝內襯侵蝕演變規律、侵蝕厚度變化，預防鐵溝燒穿，建立合理的鐵溝維修機制和耐材使用標準，最終降低噸鐵耐材消耗，預防和減少安全事故。

3　結語

鐵溝監測裝置使用后，解決了因鐵溝耐材導熱系數低而無法全面監控局部嚴重侵蝕、溫度過高的問題；通過建立模型，可計算出鐵溝殘余耐材的厚度，實現了鐵溝侵蝕的自動預警，有效地預防了鐵溝燒穿；對鐵溝侵蝕過程的監控后，可以建立合理的鐵溝維修機制和耐材使用標準，最終降低噸鐵耐材消耗，提高高爐生產的安全性。

［1］趙宏博，程樹森，霍守峰，等.高爐爐缸爐底溫度場及異常侵蝕在線監測診斷系統［J］.鋼鐵，2010，45（5）:11-16.

Abstrraacctt::Through analyzing the characteristics of the refractory material and monitoring status of the trench erosion in the blast furnace，the characteristics of hearth erosion monitoring model were compared.Based on the hearth erosion model，the meshing of the permanent lining surface of the trench is divided.The monitoring and judging system for the gully erosion of blast furnace is established，it can help avoid the iron ditch burn through accidents，the automatic warning of trench erosion and the effective prevention of the iron ditch burn through is realized.Thereby the consumption of tons of iron refractory can be reduced，the safety of blast furnace production can be improved.

Key worrddss::blast furnace erosion；main iron trench monitoring；monitoring device

Construction and Development of Monitoring Device for Iron Gully Erosion in BF

GOU Yi，ZHANG Zuocheng
（Shandong Steel Group Rizhao Co.，Ltd.，Rizhao 276826，China）

TP277.3

B

1004-4620（2016）05-0057-02

2016-06-14

芶毅，男，1980年生，2004年畢業于東北大學材料與冶金學院冶金工程專業。現為山東鋼鐵集團日照有限公司工程師，從事高爐煉鐵工作。