徐兆春 廖海歐 楊 楊

(1：馬鋼股份有限公司設(shè)備管理部 安徽馬鞍山 243003；2：馬鋼股份有限公司煉鐵總廠 安徽馬鞍山 243000)

1 前言

由于冶金固廢的循環(huán)使用，馬鋼第三煉鐵總廠兩座(A、B)4000m3高爐，2007年投產(chǎn)后三年多發(fā)現(xiàn)爐底板上翹，爐底板四周翹起與基礎(chǔ)之間距離達(dá)200mm左右。

為了尋找原因與對(duì)策，組織設(shè)計(jì)和國內(nèi)兄弟單位進(jìn)行研討，盲板力、鋅富結(jié)、堿金屬、有害元素等，意見不一；采取何種處理措施也達(dá)不成共識(shí)，焊爐底板、加配重、改水管，爭論不休。

為了保持大型高爐的安全運(yùn)行，公司組織自己的團(tuán)隊(duì)，對(duì)高爐上翹爐底板的穩(wěn)定進(jìn)行研究，制定了系統(tǒng)的可操作的具體實(shí)施方案，即抑制爐底板上翹的實(shí)施方案、防止?fàn)t底板回落的實(shí)施方案、及爐底應(yīng)力在線檢測(cè)監(jiān)控的實(shí)施方案，同時(shí)獲得了授權(quán)專利9項(xiàng)。

首創(chuàng)的大型高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型，準(zhǔn)確采集爐底應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，及時(shí)分析應(yīng)力曲線變化趨勢(shì)，研判高爐生產(chǎn)及爐缸工作狀況；三年多來發(fā)現(xiàn)了高爐爐內(nèi)數(shù)據(jù)量化的盲板力、熱應(yīng)力、有害元素力、邊緣氣流力，及時(shí)調(diào)整適用高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的操作制度，探索出了一套全新的、具有自身特點(diǎn)的優(yōu)化高爐生產(chǎn)操作、固危廢入爐標(biāo)準(zhǔn)、氣流布料模式、均勻出鐵制度等大高爐操作預(yù)警制度，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2座4000m3高爐長周期穩(wěn)定順行已經(jīng)1900余天。

2 設(shè)計(jì)思想與實(shí)施情況

高爐爐底應(yīng)力數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)監(jiān)控技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，一直是國內(nèi)外高爐煉鐵行業(yè)的空白；如何發(fā)現(xiàn)科學(xué)的基本原理做立足點(diǎn)，如何找到可采集高爐整體變化產(chǎn)生的參數(shù)做切入點(diǎn)，如何應(yīng)用現(xiàn)代成熟機(jī)、電、儀、控綜合技術(shù)有機(jī)集成做突破點(diǎn)；一直是全球同行在“無人區(qū)”不斷探索的工程應(yīng)用目標(biāo)。

高爐煉鐵技術(shù)自18世紀(jì)以來，一直是煉鐵生產(chǎn)的主要生產(chǎn)方法，由于高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，工藝簡單，生產(chǎn)量大,勞動(dòng)生產(chǎn)率高,能耗低，這種方法生產(chǎn)鐵水占世界鐵總產(chǎn)量的95%以上。我國目前已經(jīng)擁有高爐千余座，4000m3以上高爐近30座并持續(xù)增加。

高爐橫斷面為圓形的煉鐵高爐。爐殼通常用熱軋BB503厚20～100mm的鋼板制作而成，殼內(nèi)砌耐火磚內(nèi)襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹 、爐缸。為了保護(hù)爐殼穩(wěn)定，在爐殼與耐火材料內(nèi)襯之間安裝有冷卻壁，通水冷卻確保爐殼的強(qiáng)度剛度穩(wěn)定。

高爐生產(chǎn)過程中，爐內(nèi)的壓力、溫度、氣流、鐵水液面及物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的各種變化，全部都會(huì)以一定的應(yīng)力形式作用到剛性鋼質(zhì)的爐殼上，最后自上而下的集中作用于爐底，爐底應(yīng)力波動(dòng)及時(shí)對(duì)應(yīng)爐內(nèi)變化產(chǎn)生的各種波動(dòng)。

馬鋼設(shè)備技術(shù)團(tuán)隊(duì)，針對(duì)2座4000m3高爐投產(chǎn)近十年來的各種變化，通過系統(tǒng)分析研究，發(fā)現(xiàn)了高爐剛性爐殼整體，承受爐高爐內(nèi)各種變化產(chǎn)生的應(yīng)力，自上而下集中作用于爐基、爐底、的基本原理-方向得以明確。

發(fā)明了壓板式應(yīng)力檢測(cè)裝置，選用普通稱重傳感器，精確檢測(cè)到爐內(nèi)各種變化產(chǎn)生的應(yīng)力變化集中作用于爐底，以應(yīng)力波動(dòng)的方式及時(shí)準(zhǔn)確的表達(dá)-關(guān)鍵得以突破。

創(chuàng)建了爐底應(yīng)力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及鐵口分區(qū)的應(yīng)力監(jiān)控模型，對(duì)應(yīng)高爐內(nèi)部的壓力、溫度、氣流等各種工藝參數(shù)有機(jī)集成的數(shù)據(jù)平臺(tái)-目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)創(chuàng)造性的完成了無損、接觸式，雙重穩(wěn)定爐底的保護(hù)系統(tǒng)為基本保證；成功創(chuàng)建了高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型。

2015年11月先后完成了，馬鋼2座4000m3高爐爐底應(yīng)力監(jiān)控模型建立，三年多來連續(xù)發(fā)現(xiàn)了高爐生產(chǎn)變化對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)量化的盲板力、熱應(yīng)力、有害元素分子力、邊緣氣流力等，為高爐生產(chǎn)操作研判爐況，及時(shí)調(diào)整操作對(duì)策，提供了全新應(yīng)力技術(shù)數(shù)據(jù)支撐，保持高爐爐底應(yīng)力總體水平穩(wěn)定在2800t以下的合理區(qū)間內(nèi)波動(dòng)運(yùn)行。

為了保障爐底應(yīng)力數(shù)據(jù)檢測(cè)的長期穩(wěn)定，首先要研究穩(wěn)定上翹爐底板的方案，即確保高爐工藝、設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定，不破壞當(dāng)前穩(wěn)定的各種平衡，不對(duì)爐體本身采取任何措施。既要盡可能多的抵消上漲力，又要防止?fàn)t底板回落，保持爐缸耐材工作狀況的穩(wěn)定。研究原設(shè)計(jì)圖紙，以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，及多方面因素綜合考慮；同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)做試驗(yàn)，找出了可為與不可為，得出穩(wěn)定方案路徑。

2.1 抑制爐底板上翹措施

由于爐底水冷管對(duì)作業(yè)的限制，采取“見縫插針”的辦法，沿爐底封板一周在高爐基礎(chǔ)上采用化學(xué)植筋的方式預(yù)埋M36～M42的錨栓108個(gè)，通過壓板扣住爐底板。從而抑制爐底板上翹。

在爐底H梁位置設(shè)置輔助壓緊裝置，從38根爐底H型鋼梁(HM250×170)兩端設(shè)置76件輔助壓緊裝置“小鞋子”(L型裝置), 其底板與爐底H型鋼梁焊接,通過壓板扣住爐底板。然后利用爐底H型鋼梁的拉力來平衡爐殼上漲力，從而增加抑制爐底板上翹的力。同時(shí)保證了爐底H型鋼梁與爐底板相對(duì)穩(wěn)定，確保爐底板與爐底H型鋼梁的塞焊連接不被進(jìn)一步拉開，防止?fàn)t底板的進(jìn)一步損壞發(fā)生漏煤氣情況。

2.2 防止?fàn)t底回落措施

完成抑制上漲力的措施后，及時(shí)對(duì)爐底板下部澆注填料，實(shí)施防止回落的措施。在澆注填料的實(shí)施前，要同步完成爐底測(cè)溫點(diǎn)，和位移監(jiān)測(cè)裝置的安裝調(diào)試；同步建立在線監(jiān)控系統(tǒng)。以更加準(zhǔn)確的掌握上翹爐底板的溫度、位移變化趨勢(shì)。

3 實(shí)時(shí)監(jiān)控模型創(chuàng)建

3.1 稱重傳感器檢測(cè)爐底應(yīng)力

發(fā)明了壓板式應(yīng)力檢測(cè)裝置，選用普通稱重傳感器，準(zhǔn)確檢測(cè)到爐底應(yīng)力及其變化，準(zhǔn)確反應(yīng)高爐內(nèi)部變化，其精度達(dá)0.01t水平，幅度達(dá)400～3000t。

一種檢測(cè)高爐爐底封板應(yīng)力變化的裝置ZL201510762476.3，在高爐底面圓周均勻分布4組16個(gè)應(yīng)力感應(yīng)機(jī)構(gòu)4和108個(gè)錨栓加壓機(jī)構(gòu)；如圖1所示，每4個(gè)應(yīng)力傳感器43為1組，共分成4組分別連接4個(gè)儀表箱，稱重傳感器43信號(hào)接入儀表箱內(nèi)的重量變送器，通過變送器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且通過4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)。

安裝時(shí)通過力矩扳手緊固安裝螺帽49對(duì)錨栓加壓機(jī)構(gòu)和應(yīng)力感應(yīng)機(jī)構(gòu)4加壓，并按同樣力矩緊固，保持錨栓加壓機(jī)構(gòu)和應(yīng)力感應(yīng)機(jī)構(gòu)4接近相同壓力；調(diào)整初始顯示重量到15t左右。這樣可近似于108只壓板對(duì)上翹爐底保護(hù)預(yù)應(yīng)力為108×15t=1620t。

圖1 壓緊裝置及稱重傳感器位置

根據(jù)檢測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)制作專門的爐底應(yīng)力模型畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；并對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及記錄，針對(duì)每個(gè)工藝參數(shù)變化制定實(shí)時(shí)秒級(jí)監(jiān)控曲線，同時(shí)顯示每分鐘平均數(shù)據(jù)與各數(shù)據(jù)1分鐘平均數(shù)據(jù)作各種時(shí)段要求的應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線；同時(shí)再按照分鐘平均進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)表格，完成大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建立，便于制作各個(gè)時(shí)段、日、月、年平均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

圖2 應(yīng)力信號(hào)分布及與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通訊

3.2 應(yīng)力模型

根據(jù)抑制力的計(jì)算，建立實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型。

圖3 實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)學(xué)模型

4 模型曲線實(shí)操與探索

應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)畫出了完美的曲線，為研究大型高爐、爐底板上翹成因，及合理控制有害元素，掌握高爐生產(chǎn)情況及爐缸工作狀況的變化；為高爐生產(chǎn)長周期穩(wěn)定順行提供了數(shù)據(jù)支撐，也為高爐長壽及安排各類大中小修提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

4.1 典型監(jiān)控模型曲線

圖4 高爐17小時(shí)檢修應(yīng)力曲線

圖4表達(dá)了爐缸鐵水液面及活躍度的變化。

圖5 高爐四個(gè)鐵口區(qū)域應(yīng)力曲線

圖5表達(dá)了爐缸四個(gè)鐵口工作狀況的差異。

圖6 高爐30天中修應(yīng)力曲線

圖6表達(dá)了停爐與開爐爐缸的工作狀況。

4.2 指導(dǎo)控制固廢使用標(biāo)準(zhǔn)

通過應(yīng)力曲線數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步提高固危廢循環(huán)入爐的認(rèn)識(shí)；如鋅、堿有害元素對(duì)高爐爐缸磚襯破壞作用是煉鐵界的共識(shí)，但一直沒有量化標(biāo)準(zhǔn)，首先停用OG泥進(jìn)行驗(yàn)證，期間爐況及爐底板應(yīng)力均相對(duì)穩(wěn)定，通過量化的應(yīng)力數(shù)據(jù)找到了鋅、堿元素與爐況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，及時(shí)修訂有害元素入爐控制標(biāo)準(zhǔn)，高爐的穩(wěn)定性進(jìn)一步好轉(zhuǎn)，保證了爐況的穩(wěn)定順行；為了高爐科學(xué)消化固廢原料。確定了燒結(jié)分廠月均使用煉鋼污泥6000t的控制標(biāo)準(zhǔn)，既保證了高爐的穩(wěn)定順行，又消耗了固廢，同時(shí)減小燒結(jié)水、碳消耗，達(dá)到降本增效的目的?，F(xiàn)每年可均衡消化煉鋼污泥72000t。

4.3 協(xié)助高爐工藝準(zhǔn)確判斷和驗(yàn)證

三年多來，爐底應(yīng)力監(jiān)控模型曲線應(yīng)用的具體實(shí)踐，結(jié)合高爐爐況變化及長周期穩(wěn)定順行1800多天，爐況及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的持續(xù)進(jìn)步，結(jié)合智能制造，大型高爐的應(yīng)力數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)多方面應(yīng)用拓展與探索。

圖7 爐底應(yīng)力與鋅負(fù)荷對(duì)應(yīng)趨勢(shì)圖

應(yīng)用拓展一 爐底應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏度是高的、可靠的，應(yīng)力場(chǎng)的變化，可以真實(shí)的反應(yīng)爐缸工作狀況的變化，指導(dǎo)高爐綜合分析上下變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

應(yīng)用拓展二 四個(gè)鐵口區(qū)域有明顯不同，與鐵口工作狀況有密切的聯(lián)系，為建立智能高爐出鐵模型提供新的數(shù)據(jù)元素，指導(dǎo)高爐優(yōu)化出鐵操作；

應(yīng)用拓展三 應(yīng)力波動(dòng)與頂壓和送風(fēng)狀況有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)力數(shù)據(jù)平臺(tái)，為強(qiáng)化冶煉進(jìn)一步，指導(dǎo)高爐操作提升頂壓參數(shù)探索最佳頂壓提供支撐；

應(yīng)用拓展四 爐缸應(yīng)力場(chǎng)的變化，突破了溫度場(chǎng)單一監(jiān)控爐缸的工作狀況，應(yīng)力場(chǎng)配合溫度場(chǎng)共同分析爐缸的侵蝕狀況；指導(dǎo)高爐準(zhǔn)確掌握爐缸侵蝕，為長壽及大中修做出準(zhǔn)確判斷；

應(yīng)用拓展五 原料的鋅負(fù)荷、堿金屬及有害因素的富集是爐底應(yīng)力持續(xù)上漲的主要原因之一，但可以結(jié)合應(yīng)力數(shù)據(jù)、有害元素入爐、排出數(shù)據(jù)，指導(dǎo)高爐找到科學(xué)的固危廢循環(huán)入爐的平衡點(diǎn)；

應(yīng)用拓展六 爐底應(yīng)力的波動(dòng)，能夠迅速準(zhǔn)確反應(yīng)各種操作參數(shù)異常，所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系，指導(dǎo)高爐操作及時(shí)做出應(yīng)對(duì)調(diào)整，是“高爐爐況新的晴雨表”；

應(yīng)用拓展七 應(yīng)力監(jiān)控模型技術(shù)、及應(yīng)力場(chǎng)的變化，能夠準(zhǔn)確提供量化數(shù)據(jù)的大型爐窯和設(shè)備的工作狀況，進(jìn)一步分析原因驗(yàn)證對(duì)應(yīng)的波動(dòng)因素，并采取有效的對(duì)策，也可為智能高爐操作專家系統(tǒng)添加新數(shù)據(jù)活力。

5 結(jié)語

進(jìn)入新世紀(jì)以來，高爐煉鐵生產(chǎn)受到自然資源新控制、節(jié)能減排新要求、環(huán)境保護(hù)新目標(biāo)、等多方面的制約，節(jié)能減排的要求更加苛刻；“精料入爐”向“經(jīng)濟(jì)料入爐”，及“固危廢循環(huán)入爐”轉(zhuǎn)變；如何迅速再平衡、再發(fā)展，必須要有新技術(shù)的突破與支撐。

爐底應(yīng)力監(jiān)控技術(shù)，為選擇合適的經(jīng)濟(jì)原料，找到最佳平衡點(diǎn)；為控制有害元素在爐爐缸的富集提供了數(shù)據(jù)支持；為高爐操作采取排鋅、排堿等手段，探索各項(xiàng)操作技能提供準(zhǔn)確的科學(xué)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)配合溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)共同分析爐缸的侵蝕狀況；為高爐長壽及大中修提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。同時(shí)也為大型高爐活躍爐缸，準(zhǔn)確掌握各鐵口的工作狀況；應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)合出鐵數(shù)據(jù)，創(chuàng)建新的爐智能缸均侵蝕出鐵模型，為高爐長壽及降低燃料消耗，提高各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步突破高爐操作思想，提升高爐生產(chǎn)操作的技術(shù)水平；保持長周期穩(wěn)定順行，提供全新的技術(shù)保障數(shù)據(jù)平臺(tái)。