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(hào)高爐爐缸爐底侵蝕監(jiān)測(cè)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(hào)高爐爐缸爐底1150℃等溫線，診斷爐缸爐底侵蝕程度，計(jì)算出耐火材料的侵蝕速率，同時(shí)對(duì)侵蝕狀況進(jìn)行預(yù)警，研發(fā)出高爐爐缸爐底耐材侵蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。建立2號(hào)高爐熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并采用離線計(jì)算冷卻壁進(jìn)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(zhǎng)壽

馬鋼2號(hào)高爐(2500m3)于2003年10月建成投產(chǎn)，一代爐齡設(shè)計(jì)為12-15年?，F(xiàn)在2號(hào)高爐已經(jīng)進(jìn)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(shí)，高爐內(nèi)部的冷卻設(shè)備溫度升高，這時(shí)將會(huì)威脅高爐的安全，開(kāi)發(fā)高爐爐體監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)高爐爐缸的操作爐型，為高爐護(hù)爐提供技術(shù)支撐是十分必要的。

國(guó)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(diǎn)各不同。Gruber.D.、Andreev.K.等提出了爐缸爐底溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，利用有限元進(jìn)行計(jì)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(chǎng)模型。根據(jù)我國(guó)的高爐特性，國(guó)內(nèi)也通過(guò)“有限差分法”、“有限元法”和“邊界元法”等數(shù)值計(jì)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(guò)爐缸爐底處熱電偶測(cè)得的溫度作為依據(jù)，通過(guò)計(jì)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(duì)2號(hào)2500m3高爐爐缸爐底熱電偶分布狀況，爐底熱電偶測(cè)溫點(diǎn)基本不能正常工作，此時(shí)采用有限元方法進(jìn)行侵蝕狀況監(jiān)測(cè)時(shí)，整個(gè)模型存在收斂問(wèn)題，不宜于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，所以，爐缸爐底侵蝕模型以兩點(diǎn)法計(jì)算為主。

1.1徑向計(jì)算

如下圖1所示，利用公式(1)可計(jì)算出400℃等溫線(t400)的徑向坐標(biāo)值r1，500℃.…1150℃等溫線(t500)徑向坐標(biāo)(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(duì)的外點(diǎn)和內(nèi)點(diǎn)的溫度值；

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

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

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

r0和r1分別為熱電偶對(duì)中的外點(diǎn)和內(nèi)點(diǎn)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(diǎn)法計(jì)算

1.2周向處理

因?yàn)槊恳粚拥奶即u只有有限的N對(duì)熱電偶，因此要使用插分法計(jì)算熱電偶對(duì)的溫度，進(jìn)而得到一層碳磚的等溫線。

圖2為角度為α、溫度為tx的點(diǎn)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(duì)，求角度為α=x時(shí)的熱電偶對(duì)(tx0，tx1)，則有:

(2)

(3)

圖2　角度為α、溫度為tx的點(diǎn)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(shì)圖。高爐實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(shí)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(shí)僅僅采用1150℃等溫線便無(wú)法客觀的反映出爐缸爐底侵蝕的狀況。根據(jù)這一問(wèn)題，本模型采取了相應(yīng)措施，以便更加真實(shí)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(shì)圖

圖3和圖4中LT是根據(jù)現(xiàn)在的熱電偶測(cè)溫值，繪制的1150℃等溫線，其中LTmin是侵蝕最大時(shí)的邊界位置。因?yàn)樵趯?shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，侵蝕和堆積現(xiàn)象的同時(shí)存在，因此LT的波動(dòng)相對(duì)較大；相比較與LT，LTmin可以更加真實(shí)的反應(yīng)此處的侵蝕狀態(tài)。在本次程序的開(kāi)發(fā)中，我們將侵蝕邊界LTmin的歷史數(shù)據(jù)都進(jìn)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(shuō)明炭磚正在發(fā)生侵蝕，這時(shí)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(dá)12年，為防止?fàn)t缸燒穿，保證爐役后期的安全生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)了爐缸侵蝕模型，于2015年1月投入使用，可分別實(shí)現(xiàn)如下功能：

2.1監(jiān)測(cè)炭磚殘存厚度變化

設(shè)定1#鐵口為0°，逆時(shí)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(biāo)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(shì)圖，藍(lán)色線為殘存厚度趨勢(shì)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(cè)整個(gè)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(kāi)始受到侵蝕。2015年11月13日六、七層炭磚各位置殘存厚度見(jiàn)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(shí)模型可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄的生成趨勢(shì)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(shì)圖。

圖6　爐缸七層炭磚殘厚和凝固線趨勢(shì)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(shí)間保持相對(duì)的穩(wěn)定，在另一段時(shí)間則發(fā)生突然的變化，這是因?yàn)槟筒那懊娲嬖谀虒?，?dāng)凝固層消失，鐵水直接接觸耐材，此時(shí)才發(fā)生耐材的侵蝕現(xiàn)象。而1150℃凝固線的變化則是相對(duì)頻繁的，當(dāng)1150℃凝固線大于殘存厚度時(shí)，則說(shuō)明石墨碳等黏結(jié)物或者渣鐵是凝固在耐材前面的。

通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，可以得出爐況變化對(duì)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(shì)圖，圖8是同時(shí)期該點(diǎn)溫度趨勢(shì)。

圖7　鐵水凝固線變化趨勢(shì)圖

圖8　炭磚溫度變化趨勢(shì)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?fàn)t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(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)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(chǎng)管理要求進(jìn)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(huì)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(guò)對(duì)炭磚各點(diǎn)溫度和凝固線變化趨勢(shì)進(jìn)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(jìn)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(dòng)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(shì)，另由前面圖6可看出，9月開(kāi)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(dòng)。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(dòng)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(shí)時(shí)測(cè)繪爐缸爐底等溫線分布圖，并測(cè)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(guò)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得到侵蝕最嚴(yán)重時(shí)的位置，通過(guò)計(jì)算得到耐火材料的殘存厚度，有利于高爐操作者更好的對(duì)高爐進(jìn)行診斷和調(diào)節(jié)。

(3)在線模型的計(jì)算是通過(guò)熱電偶采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行的，結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于爐缸爐底熱電偶溫度的準(zhǔn)確， 所以對(duì)熱電偶的精確性的監(jiān)測(cè)和維護(hù)很重要。

(4)理論與實(shí)際相結(jié)合，幫助操作人員對(duì)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(jì)技術(shù)指標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(rùn).高爐爐底侵蝕狀況動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型的開(kāi)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(kāi)發(fā)[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,23(3):245-251

[7]馬富濤.爐缸侵蝕結(jié)厚監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(hào)：TF543.+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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