魚雷罐侵蝕監測系統的開發

史東磊，楊曉婷，閆本領，翟 丹，薛金成

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

魚雷罐是盛放高溫液態鐵水的容器，由內部的耐材和鋼質外殼組成，魚雷罐使用過程中內部的耐材不斷被侵蝕，當侵蝕到一定程度時，就必須重新砌筑耐材；耐材侵蝕嚴重時，鐵水可能會燒穿耐材，造成安全事故和經濟損失。目前，耐材的侵蝕情況主要依靠人工判斷，會造成魚雷罐侵蝕狀態的誤判，國內由于魚雷罐燒穿漏鐵造成損失和安全事故曾多次發生[1]。準確判斷魚雷罐罐體耐材侵蝕情況，同時對魚雷罐成本及高爐正常運行的影響最小，是目前煉鐵生產急需解決的問題。

1 魚雷罐監測系統的實施目標

（1）對在線運行魚雷罐罐號的自動檢測和識別。

（2）運行魚雷罐外部溫度的實時監測，通過侵蝕模型計算魚雷罐內襯殘厚。

（3）與魚雷罐實時定位系統相結合建立魚雷罐的綜合管理系統。

（4）實現遠程監控及綜合管理。

2 魚雷罐監測系統的組成

魚雷罐罐體監測系統由紅外熱像儀、魚雷罐罐號識別設備、數據通訊系統、系統服務器、魚雷罐侵蝕模型、聲光報警設備、PC顯示器等組成。

其中紅外熱像儀及魚雷罐罐號識別設備安裝在運行魚雷罐車的鐵軌附近（≤10 m），采集的魚雷罐數據及視頻、圖像信息由數據通訊系統傳輸至安裝了魚雷罐耐火材料侵蝕模型的系統服務器上，顯示器及聲光報警設備與服務器相連，提供相關信息界面的顯示及聲光報警功能，系統構成示意圖如圖1所示。

圖1 魚雷罐監測系統構成示意圖

當裝滿鐵水的魚雷罐經過紅外測溫儀及罐號識別設備時，由罐號識別設備讀取安裝在魚雷罐車上的超高頻電子標簽卡內置信息，并將超高頻電子標簽卡的信息通過讀卡器識別出魚雷罐的罐號，然后安裝于魚雷罐車軌道兩側的紅外熱像儀對整個魚雷罐罐體表面進行掃描及溫度檢測，自動拍攝出被測魚雷罐的熱成像圖像，通過數據傳輸系統將所有的數據及信號傳送至系統服務器，再由安裝在服務器上的魚雷罐罐體侵蝕模型處理后，將最終的計算結果顯示在顯示器上。

該系統提供報警功能，當被測魚雷罐罐體最高溫度超過預先設定的報警溫度時，由聲光報警器發出聲光報警。而對于倒空鐵水后的空魚雷罐經過檢測設備時，則該系統不進行檢測(讀取其它項目的魚雷罐實時定位系統信息)，避免對魚雷罐罐體耐火材料侵蝕情況誤判。

魚雷罐綜合管理系統主界面提供溫度監測界面、歷史數據、魚雷罐定位系統、魚雷罐砌筑信息、報警信息、魚雷罐跟蹤系統、魚雷罐電子檔案、系統參數設置、系統信息、用戶登錄、臨檢罐號等功能區塊，實現多賬號管理及遠程操控、公司管理內網各相關數據庫間調用及分析，建立魚雷罐電子檔案，并提供相關信息查詢、下載等功能。

寶寶說：“一次偶然的機會，我拉下了桌布，發現桌上的碗會動，我好興奮，就像發現了新大陸。熱湯熱茶，也不能阻止我繼續探索的決心。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 魚雷罐監測系統的系統參數及特點

3.1 罐號識別

為了實現對魚雷罐罐號的識別不受環境及機械磨損等外部因素影響，實現全天的精準識別，本系統采用超高頻率電子標簽卡識別技術，射頻識別系統識別距離可達10 m，抗干擾能力強。

其中超高頻電子標簽卡采用無源標簽，標簽與讀卡器之間的耦合方式為電磁耦合方式，讀卡器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量。系統投運前，先對超高頻電子標簽卡設置對應的魚雷罐罐號，并將電子標簽卡安裝于魚雷罐車上。當魚雷罐車經過檢測位置時，電子標簽卡進入讀卡器天線輻射場內，讀卡器天線將電子標簽卡喚醒，通過讀取電子標簽卡內部的信息，連接罐號自動識別系統API 接口，獲取每個被檢測魚雷罐的罐號。通過過這種方式，對魚雷罐罐號的識別率可以達到99.99%，系統運行穩定、準確。

3.2 魚雷罐表面溫度的準確測量

被測魚雷罐經過系統檢測點，自動實時采集所有魚雷罐表面的溫度照片，見圖2，并傳輸至服務器統計計算,評估出魚雷罐耐材的侵蝕狀況，并進行記錄和跟蹤。在此過程中無需魚雷罐停車，無需清空鐵水，24 h 全自動監控，自動評估魚雷罐耐材侵蝕狀態。

圖2 魚雷罐溫度顯示

溫度測量的范圍：-30 ℃～ 1 200 ℃;

溫度測量的精度：±2 ℃或讀數的±1.5%。

3.3 罐體溫度及侵蝕模型的計算

通過數據傳輸系統傳遞的所有數據及信號傳送至系統服務器，監測系統獲取魚雷罐的熱成像圖像和魚雷罐罐體表面各點的溫度[2]，通過對接魚雷罐罐體侵蝕模型，計算得出魚雷罐體耐火磚殘厚數據。

魚雷罐罐體分為錐環部位、渣線部位、筑環部位、沖擊區四個不同的區域（如圖3所示），每個區域耐火材料和種類和砌筑厚度都不相同[3]，為了更準確地計算魚雷罐罐體耐火磚殘厚數據，需要對魚雷罐的侵蝕模型進行完善，根據魚雷罐罐體的不同區域分別建立不同的侵蝕模型。

圖3 魚雷罐耐火材料砌筑圖

整體的魚雷罐罐體侵蝕模型建模如下：

單位表面熱損失計算公式：

針對魚雷罐罐實際情況可分解為：

外表面單位面積熱損失計算公式：

內部材料單位面積熱損失計算公式：

其中：δ——耐材厚度；

λ——材料導熱系數；

α——表面放熱系數（外殼與空氣對流輻射等換熱系數）。

3.4 溫度及侵蝕結果報警功能

根據現場實際每個魚雷罐的真實尺寸及材質，建立起準確的侵蝕仿真模型，建模魚雷罐內部各部位耐材的侵蝕數學模型，通過監測傳輸過來的表皮溫度計算出魚雷罐內部耐材的侵蝕情況[4]；同時設置魚雷罐表皮最高點溫度自動報警功能，當魚雷罐罐體最高溫度超過所設定的危險溫度時，顯示畫面自動標識出魚雷罐監測畫面高溫點位置，彈出報警畫面并啟動聲光報警裝置，無需崗位操作人員時刻監控，減少勞動強度。同時根據侵蝕模型，自動計算出最高溫度點位置的計算侵蝕深度，為崗位人員提供參考數據。

3.5 數據存儲查詢導出功能

提供對魚雷罐罐體溫度的數據及圖像進行存儲查詢及導出功能，數學模型計算出的侵蝕數據也可查詢及導出，方便不同管理人員需要，可以為各魚雷罐管理部門、人員提供詳實、準確的數據。

4 魚雷罐監測系統的運行效果及效益說明

自2019 年4 月投運至今，在進入一煉鋼鐵路道口投入魚雷罐罐體侵蝕監測系統，整體設備運行穩定、測量精度高、操作簡單方便、模型數據清晰、顯著提高了魚雷罐管理工作效率，實現了對所有進入一煉鋼的魚雷罐進行實時在線監測，滿足設備精度及穩定性要求。

圖4 報警顯示界面

效益計算,2020 年5～8 月份，魚雷罐使用壽命較1～4月份平均提高了14次，節約資金約64.77萬元。

5 結論

魚雷罐侵蝕監測系統可以準確地檢測魚雷罐表皮溫度及通過侵蝕模型計算內部耐材侵蝕情況，保證魚雷罐安全穩定的運行，有效避免漏鐵事故發生。同時可準確地掌握內部耐材殘厚信息，避免魚雷罐過度維護及過早拆除，有助于提高魚雷罐耐材使用壽命。