高炉炉缸的安全预警机制_赵宏博（可编辑）

高炉炉缸的安全预警机制_赵宏博（可编辑） 第48卷 第4期 2 0 1 3 年 4 月 钢 铁 Iron and Steel Vol.48,No.4 April 7>2013 高炉炉缸的安全预警机制 赵宏博1,2, 霍守锋2,3, 郝经伟4, 程树森2 (1.北京科技大学高效钢铁冶金国家重点实验室,北京100083; 2.北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京100083; 3.北京北科亿力科技有限公司,北京100041; 4.中国国际工程咨询公司,北京100048) 摘 要:近年国内外多座高炉面临着炉缸侵蚀加剧的问题甚至发生了炉缸烧穿事故,炉缸寿命已成为现代高炉安 全高效生产的限制性环节,但目前由于缺乏系统和量化地研究,炉缸安全预警机制尚未明确。笔者依据对不同容 积、结构及耐材选择的多座高炉炉缸进行的传热学计算、热负荷及侵蚀监测,比较分析了不同类型炉缸的热负荷及 侵蚀特点,对炉缸监测的一次 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 元件、软件模型、评判 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 、预警 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行了探讨,提出了现代高炉炉缸安全预警 机制建议。 关键词:高炉;炉缸;侵蚀;热负荷;预警机制 文献标志码:A 文章编号:0449-749X(2013)04-0024-06 Discussion on Security Early Warning Mechanism of BF Hearth ZHAO Hong-bo1,2, HUO Shou-feng2,3, HAO Jing-wei 4, CHENG Shu-sen2 (1.State Key Laboratory of Advanced Metalurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China; 2.School of Metalurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 3.Beijing North Bilion Technology Co.,Ltd.,Beijing 100041,China; 4.China International Engineering Consulting Corporation,Beijing 100048,China) Abstract:Lots of blast furnaces(BFs)recently face the problem of hearth severe erosion even burnt out accidents. The campaign life of hearth has become the limiting factor for safe and high efficiency production of modern BFs. However,the early warning mechanism of hearth has not been clear due to the lack of system research.Based on the heat transfer calculations,heat load and erosion monitoring for various BF hearths with different volume,structure and refractory,the features of heat load and erosion for different kind hearth were compared and analyzed.The pri- mary detecting elements,software models,evaluating standards and warning methods were discussed.The early warning mechanism of modern BF hearth was proposed. Key words:blast furnace;hearth;erosion;heat load;warning mechanism 作者简介:赵宏博(1981?),男,博士,讲师; E-mail:vczilong@yahoo; 收 稿日期:2012-08-02 高炉工艺因其生产规模大、效率高、成本低、能 源利用充分、工艺技术较成熟等诸多优点,在很长一 段时期内在炼铁工艺中仍将具有重要的主导地位。 炉缸炉底是高炉工作环境最恶劣的区域,此区域内 的耐火材料始终受到高温渣铁的冲刷、侵蚀、高温及 热应力破坏,炉缸烧穿将直接导致高炉一代炉役终 结,停炉大修。国内外工作者在炉缸长寿技术方面 进行了诸多的研究,如从材料制备角度对炉缸耐材 抗渣铁熔蚀性能进行改进[1],从传热学角度对炉缸 结构和耐材搭配进行优化[2-4],从操作角度对炉缸内 铁水环流进行控制[5-6]等。但是,在原燃料条件下 降、变料频繁、冶炼强度提高、追求低焦比冶炼的情 况下,炉缸安全问题仍日益突出,近期国内外多座高 炉出现了炉缸侵蚀加剧甚至炉缸烧穿的重大安全事 故。如何能够在高炉投产后对炉缸进行准确地侵蚀 监测并建立合理、有效的安全预警机制已成为高炉 工作者面临的难题。对于现代不同材质、结构及生 产操作特点的多种类型炉缸而言,传统的、单一的、 经验性的炉缸预警标准已难以满足现代高炉炉缸多 元安全预警需求。炉缸监控对基础检测硬件和机 制诊断模型的性能需求仍未统一,炉缸安全预警 标准和机制尚未明确。针对此问题,本文将依据 对不同 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 结构及耐材选择的多座高炉炉缸的热 负荷及侵蚀在线监测和传热学计算分析,比较实 际生产中不同类型炉缸的热负荷及侵蚀特点,进 而对炉缸监测的一次检测元件、软件模型、评判标 准、预警方法进行探讨,提出现代高炉炉缸安全预 警机制建议。 第4期 赵宏博等:高炉炉缸的安全预警机制 1 不同类型炉缸的热负荷及侵蚀特点 分析 不同容积的高炉所采用的炉缸类型也不同, 通过对国内多座高炉的统计,炉缸类型大体可分 为:大型高炉主要采用以高导热压小块碳砖为主 的“传热法”炉缸或者是“隔热法”陶瓷杯结合碳砖 的复合炉缸,中小高炉主要采用以陶瓷杯结合中 等导热系数的模压碳砖或者是以微孔铝碳砖为主 的炉缸,部分小高炉采用导热系数更低的全高铝 砖炉缸。由不同种类的耐火材料砌筑而成的炉 缸,其整体导热性能也存在着明显的差别。针对 不同类型的炉缸,先后研发和安装了炉缸冷却壁 水温差热负荷无线检测硬件系统、炉缸炉底柔性 电偶测温系统和炉缸炉底三维侵蚀内型及渣铁壳 变化监测模型,通过对实际运行中高炉的监测,发 现不同类型的炉缸所对应的热负荷及侵蚀特点也 各不相同。 1.1 “传热法”高导热压小块碳砖炉缸运行过程中 的热负荷及侵蚀变化特点 某高炉炉缸侧壁耐材主要由高导热的热压小 块碳砖构成,炉缸侧壁碳砖设计厚度约为1.2m, 由靠近冷却壁的导热系数为45~55W/(m?K)的 NMD砖和靠近热面的导热系数为18~22W/ (m?K)的NMA砖构成,基本属于目前导热性能 最好的炉缸结构,通过对该高炉炉缸二段(处于炉 缸炉底拐角区域)冷却壁水温差热负荷以及炉缸 炉底侵蚀内型的在线监测可知,在该高炉运行4 年后当炉缸部位无保护渣铁壳生成时,其二段冷 却壁的最高水温差可达1.3?以上,对应的热负荷 达108.68MJ/(m2?h)以上,远远超过了传统的炉 缸热负荷预警标准41.87MJ/(m2?h),甚至是停 炉标准值62.80MJ/(m2?h),但实际上此“传热 法”炉缸由于其高导热性对应此热负荷的炉缸侧 壁砖衬剩余厚度仍在可控范围,如图1(a)所示,对 应热负荷108.86MJ/(m2?h)的炉缸侧壁最薄处 剩余砖衬厚度为750mm左右,可见依据热负荷检 测数据和对炉缸侵蚀内型做出实时计算才能更为 准确地判断炉缸是否处于安全工作状态。该监测 结果一方面说明传热法炉缸具有更大的热负荷安 全工作上限,即应该依据炉缸导热性能的不同结 合侵蚀内型计算结果制定合理的热负荷安全预警 标准;“传热法”炉缸内死焦堆状态和铁水环流的 控制尤为重要,应充分发挥“传热法”炉缸导热性 能好的特点,使其在炉缸碳砖热面能够形成“自保 护”渣铁壳,否则将带来较大的热损失和侵蚀速 度。进一步通过对该高炉炉缸温度场的在线计算 监测结果可知,在碳砖厚度为750mm时如果炉缸 铁水环流控制有效,则1 150?侵蚀线是可以被推 出碳砖热面的,炉缸维护手段对侵蚀内型和渣铁 壳生成部位及薄厚的影响通过侵蚀模型在线监测 也可以直观地反映出来,进而依据热负荷及侵蚀 监测系统的实时监测结果,通过采取有效的炉缸 维护手段,该高炉目前已形成动态平衡的渣铁壳, 如图1(b)所示,其二段冷却壁水温差基本稳定在0.4~ 0.6?,热负荷控制在33.49~50.24MJ/(m2?h)。 (a)热负荷108.86MJ/(m2?h)对应的侵蚀内型; (b)热负荷41.87MJ/(m2?h) 对应的侵蚀内型。 图1 某“传热法”炉缸对应不同热负荷时的侵蚀内型和渣铁壳形状监测结 果 Fig.1 Erosion profile and skul change with different heat flux of some“heat transfer method”BF ?52? 钢 铁 第48卷 1.2 “隔热法”陶瓷杯结合热压小块碳砖炉缸的热 负荷及侵蚀变化特点 某高炉采用陶瓷杯结合全NMA小块碳砖的复 合炉缸,自90年代投产安全运行长达16年,一代炉 役单位炉容产铁量超过13 000t,后因产能调整原因 安全停炉,达到了国内高炉安全高效生产的较高水 准。通过对该高炉炉缸进行的水温差热负荷在线监 测和温度场及侵蚀计算分析可知,该高炉在炉役前 中期水温差一直较小,基本保持在0.1~0.3?,对 应的热负荷为8.37~25.12MJ/(m2?h),通过传热 学计算可知,这是由于在开炉初期陶瓷杯较厚热阻 较大,在炉缸侧壁从350到1 350?的等温线均集中 在了陶瓷杯内,如图2所示,对应的此阶段的热负荷 也很小。随着炉役的延长和陶瓷杯逐渐被侵蚀,该 高炉炉缸侧壁二段冷却壁的水温差热负荷也逐渐升 高,尤其是当陶瓷杯被侵蚀光后炉缸侧壁残余砖衬 全为NMA碳砖时,炉缸热阻减小,热负荷的升高速 率也加快,但是,随着 NMA砖被侵蚀到一定厚度, 炉缸侧壁热面温度降至1 150?侵蚀线以下时,开始 形成“自保护”渣铁壳,此后炉缸热负荷开始回落并 趋于稳定。如表1为采用考虑凝固潜热的炉缸温度 场数学模型计算的残衬厚度和热负荷的对应关系, 相应地对比该高炉在炉役中后期炉缸热负荷的实时 监测值(炉缸二段冷却壁的热负荷历史最高值为 85.49MJ/(m2?h),停炉前一年炉缸二段冷却壁的 平均热负荷为53.88MJ/(m2?h))可知,该高炉在 全炉役运行过程中发生最严重的侵蚀时炉缸NMA 砖剩余厚度在600~800mm,而在炉役后期达到稳 定时的炉缸热负荷均低于历史最高值,说明剩余的 NMA砖已达到传热动态平衡,基本可以形成稳定 的“自保护”渣铁壳。依据对该高炉炉缸的监测实践 和传热计算分析可知,由不同导热性能的耐材构 成的复合炉缸,在炉役不同侵蚀阶段对应的热负 荷控制标准也在发生着变化,炉缸实现安全生产 的关键是在炉缸砖衬侵蚀到一定热阻时能够在砖 衬热面形成动态平衡的“保护壳”,而此平衡状态 的定义需根据实时热负荷监测结果结合残衬及渣 铁壳厚度的传热学计算来确定,既制定炉缸量化 的安全预警标准应同时具备精准硬件检测数据和 机制侵蚀模型。此外,国内另外一座采用全 NMA 砖炉缸的高炉也同样实现了长达17年的安全工 作,通过对此全NMA砖炉缸的热负荷在线监测可 知,和上述采用陶瓷杯结合NMA砖的复合炉缸相 比,区别只在于炉役前中期即陶瓷杯存在时热负 荷存在着差别,到炉役中后期二者的历史最高热 负荷和稳定热负荷基本相同,说明最终都是在炉 缸热阻减小到一定程度时达到了动态传热平衡形 成了稳定的“保护壳”。 图2 某陶瓷杯结合NMA砖复合炉缸 原始设计结构的等温线分布 Fig.2 Temperature field of some BF hearth using ceramic cup with NMA bricks at early state 表1 某陶瓷杯结合NMA砖复合炉缸不同侵蚀阶段对应的热负荷计算值 Table 1 Calculated heat flux according to different erosion stage for some BF hearth using ceramic cup with NMA bricks 炉缸侧壁结构 原始设计 (陶瓷杯+NMA砖) 无陶瓷杯 侧壁NMA砖 剩余1000mm 侧壁NMA砖 剩余800mm 侧壁NMA砖 剩余600mm 热负荷/(MJ?m-2?h-1) 7.44 45.98 57.06 71.10 93.18 1.3 陶瓷杯结合模压碳砖或微孔铝碳砖炉缸的热 负荷及侵蚀变化特点 中小高炉的炉缸较多采用陶瓷杯结合导热系数 中等的模压碳砖或微孔铝碳砖,这两种砖的导热系 数基本在8~12W/(m?K)。对采用该类型炉缸的 某实际高炉投产后进行的热负荷及砖衬温度的在线 监测和侵蚀计算分析可知,在开炉前期陶瓷杯较厚 时由于炉缸侧壁热阻过大冷却水较难发挥作用,相 应的水温差很低,仅为0.1?以下,高温等温线均积 聚在陶瓷杯内部,造成了陶瓷杯的不可逆侵蚀,在陶 瓷杯被侵蚀光后,由于剩余的模压碳砖或者是微孔 铝碳砖的热阻也相对偏高,1 150?侵蚀线仍难以被 推出碳砖热面且800?碳砖脆化线也进入砖衬较 深,如图3所示,炉缸侵蚀仍将加剧,电偶温度也继 ?62? 第4期 赵宏博等:高炉炉缸的安全预警机制 续升高,该高炉在投产2年后炉缸炉底拐角砖衬内 的电偶温度即攀升至800?以上,通过侵蚀模型计 算可知炉缸侧壁最薄处剩余厚度仅为500mm 左 右,但 炉 缸 水 温 差 仅 为 0.4?,热 负 荷 仅 为 31.40MJ/(m2?h),这是由于该高炉炉缸侧壁填料 层较厚且砖衬本身的导热系数较低,炉缸成为了 “隔热”炉缸,水温差对侵蚀结厚变化的敏感性相 对较低,对水温传感器的检测精度提出更高的要 求。该高炉在炉缸残衬厚度为500mm以内后开 始能够形成渣铁保护壳,对该高炉炉缸微小水温 差变化的监测结合侵蚀诊断及时调控炉缸维护, 目前水温差已由0.4?降低至0.2?,热负荷也由 33.49MJ/(m2?h)降至16.75MJ/(m2?h)左右, 并基本稳定。 图3 某高炉炉缸残衬为模压碳砖时的等温线分布 Fig.3 Temperature field of some BF hearth when residual bricks are only moulded carbon bricks 对于采用更低导热系数的高铝砖炉缸的高炉, 由于炉缸整体热阻过大,即使高铝砖耐高温和抗渣 铁熔蚀性能要优于碳砖,由于炉缸冷却难以发挥作 用热量积聚过多,该类型高炉炉缸侵蚀也较为严重。 对于较严重的侵蚀,高铝砖的低导热系数和炉缸水 温差相对较低,如某高炉在停炉前炉缸最高热负荷 仅为25.12MJ/(m2?h)左右。对该高炉停炉后的 大修破损调研可知,炉缸最薄处剩余高铝砖厚度仅 为300mm左右,对于此类型炉缸其安全预警热负 荷标准更低,可定为29.31MJ/(m2?h)。 1.4 填料层过厚及填料导热系数过低等“先天不 足”或有气隙、环裂等异常的炉缸热负荷及侵蚀变化 特点 某些高炉在设计时炉缸冷却壁和碳砖之间的填 料层厚度达150~200mm,或所选用的填料实际导 热系数过低(如某高炉炉缸部位的填料经化验在室 温时导热系数仅为 0.85W/(m?K),300? 为 1.36W/(m?K)),在高炉投产后由于在传热上存 在“先天不足”,由高温铁水传至耐材的热量难以快 速被冷却水带走,导致高炉投产后炉缸侵蚀速度较 快,而冷却壁热负荷却一直较小且反应滞后,此时为 了实现对炉缸安全状态的准确判断就应以砖衬内电 偶温度为基础数据结合侵蚀模型实时监控残衬厚度 和渣铁壳的变化。 某些高炉在投产后由于炉缸热应力较大,且入 炉碱金属负荷较高,以及串煤气等问题引起炉缸环 裂,在引起炉缸侵蚀加剧的同时不但会造成水温差 反应滞后,还可能引起电偶监测温度失准,此时必须 通过建立炉缸异常诊断及侵蚀监测模型对炉缸环裂 位置进行判断,进而对侵蚀剩余厚度进行计算,才能 准确掌握炉缸安全状态。 某些高炉在投产后由于填料质量问题或砌筑 问题、冷却水管的渗碳及变形或者是升温后砖衬 的收缩等问题,可能导致冷却壁和碳砖间或壁体 和 水 管 间 产 生 气 隙,而 空 气 的 导 热 系 数 为 0.025W/(m?K),仅为铸铁冷却壁导热系数的约 0.1%,为陶瓷杯导热系数的约1%,因此,看似微 小的气隙一旦产生将成为炉缸传热的限制性环 节,进而引起侵蚀的加剧。此时为了实现对炉缸 内部侵蚀的准确计算和判断,首先要依据炉缸热 负荷和砖衬内电偶温度的实时变化,判断是否存 在气隙,进而采用包含“异常诊断知识库”的侵蚀 模型对气隙问题进行处理后再进行侵蚀内型的计 算和预警。 2 炉缸安全预警系统的硬件、软件构 成及性能需求 依据对不同类型炉缸的侵蚀监测和安全预警实 践可知,炉缸水温差热负荷和炉衬内电偶温度的监 测必不可少,但不同设计结构和耐材选用的炉缸其 合理预警标准又存在着明显的差别,这就要在确保 硬件检测数据精准的基础上,建立传热模型对炉缸 三维侵蚀内型和渣铁壳变化进行在线计算和图像重 建,才能明确掌握炉缸不同部位的侵蚀情况以及生 产操作调节对渣铁“保护壳”生成和脱落的影响,判 断炉缸是否达到传热平衡状态,同时侵蚀模型中还 需包含“异常诊断知识库”以自动判断高炉运行中可 能出现的环裂、气隙等异常,最终实现对炉缸安全工 作状态的预警。 ?72? 钢 铁 第48卷 2.1 炉缸炉底测温电偶选型及布置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 1)应充分考虑高炉长寿高效冶炼的需求,本着 能够满足炉缸拐角“象脚状”侵蚀、铁口区域以及炉 缸活跃性等重点监测要求,优化炉缸炉底砖衬测温 电偶布置,建议布置方案见图4。 2)为减少电偶埋设对砖衬的破坏,并保证全炉 役内电偶的安全正常工作,建议采用高精度、高安全 性的柔性N型测温电偶。 图4 炉缸炉底热电偶优化布置 Fig.4 Optimization of layout of couples for hearth and bottom 3)考虑高炉现场粉尘、高温等工况,为了保证 电偶温度采集系统的长期正常稳定工作以及数据传 输的安全性,对电偶引出端采用安全套管保护措施, 对数据采集系统采用抗干扰高集成度设计。 2.2 炉缸水温差热负荷监测系统选型及布置方案 1)为了保证水温差变化对炉缸侵蚀及渣铁壳 变化反映的敏感性和准确性,尤其是满足“隔热法” 炉缸的监测需求,应采用高精度高分辨率的数字温 度传感器,测温精度建议优于0.05?,分辨率优于 0.01?,因为水温差由出水、进水温度相减求得,温 差检测最大误差是传感器精测精度的2倍,传统的 测温元件精度仅为0.1?,所带来的0.2?最大温 差误差代表着热负荷误差至少8.37MJ/(m2?h), 而“隔热法”炉缸的炉况变化引起的温差波动往往在 0.1?以内。 2)在高炉现场水汽大、高温、粉尘的工作环境 下以及日常检修维护不可避免的前提下,建议构 建全部测点数据无线通讯搭配单根耐高温、耐屏 蔽通讯总线的传输方式(图5)。实践证明该方式 安全性、稳定性明显高于有线测温系统,且施工和 维护极为方便,该无线全数字化热负荷监测系统 通过在国内数十座高炉的长期应用已证明了其稳 图5 炉缸热负荷全数字无线采集通讯系统拓扑图 Fig.5 Topological diagram of the wireless digital communicating system for heat flux of BF hearth 定性和优越性。 2.3 “弱冷区”和监测“盲区”采用无线吸附式炉皮 测温装置 高炉炉缸相邻冷却壁之间存在着一定的间隔, 此间隔区域为传热上的“弱冷区”,水温差监测对“弱 冷区”侵蚀变化的敏感性较低,而一些高炉炉缸侵蚀 严重甚至烧穿部位恰为此“弱冷区”;此外,炉缸炉底 热电偶布置数目有限,尤其到了炉役中后期如果砖 衬内电偶损坏将难以恢复,即存在监测的“盲区”。 基于此,为了实现对炉缸的全面监测,还应辅助炉皮 温度监测。目前高炉现场在炉缸侵蚀严重存在安全 隐患时大多采用人工持红外测温枪进行定期检测, 但该方法监测频率低、测试误差大且存在测试人员 的安全隐患,建议在重点侵蚀区域和“弱冷区”以及 “盲区”安装高精度吸附式炉皮无线测温装置,该装 置为磁铁吸附式且测温精度高,可达1?,同时可实 现每分钟对炉皮温度的自动检测和数据无线传输及 显示,可作为炉缸重要的辅助安全监测手段。 如上所述,不同结构、不同耐材选择、不同生产 操作特点的高炉炉缸其安全预警标准存在明显的不 同,因此仅仅依靠一次检测硬件数据对炉缸安全状 态进行判断存在准确性差甚至可能造成误导的问 题,为了建立合理有效的炉缸安全预警机制,应进一 步依据传热学和炉缸炉底侵蚀机制建立专业的侵蚀 及渣铁壳变化和异常诊断模型软件。该智能诊断模 型和预警软件应具有如下功能:1)自动对基础硬件 检测数据进行采集和滤波,保证侵蚀计算基础数据 的准确性;2)自动对炉缸炉底进行网格划分和三维 非稳态温度场进行计算,并能够在模型中考虑铁水 ?82? 第4期 赵宏博等:高炉炉缸的安全预警机制 的凝固潜热对温度场和侵蚀的影响;3)自动对炉缸 炉底的不同横剖面、纵剖面的侵蚀内型进行图像重 建和显示;4)能够自动判断炉缸炉底可能出现的环 裂、渗铁、气隙等异常;5)能够对侵蚀加剧原因做出 智能诊断和维护提示;6)采取炉缸维护手段时能够 自动计算并显示炉缸炉底渣铁壳的生成位置、厚度 及形状变化;7)对炉缸炉底侵蚀严重部位进行预警, 防止炉缸烧穿事故的发生。 3 炉缸安全评判标准及预警机制 通过对国内多座生产中高炉、发生炉缸烧穿的 高炉以及实现长寿高炉的炉缸热负荷、热电偶温度、 侵蚀内型和渣铁壳变化的监测和侵蚀机制研究可 知,不同类型的炉缸其烧穿时或者较理想生产时所 对应的热负荷和电偶温度存在明显不同,但不管何 种类型的高炉,其实现长寿的本质是相同的,都是在 高温的铁水和炉缸砖衬间存在一层相对稳定的“保 护壳”,使炉缸砖衬内的温度场分布较为合理,即达 到了能够把1 150?侵蚀线推出砖衬热面并且把 870?碳砖脆化线推出碳砖的状态,这样即能够促 使“自保护渣铁壳”(炉缸死铁层内虽然基本无渣液, 但由铁水、脱落的耐材、Ti(CN)以及小粒焦炭构成 的混合物其导热系数也较低,称之为“渣铁壳”)达到 生成-脱落-生成的动态平衡,又可降低炉缸不必要 的热损失,且使得热负荷、电偶温度均较为稳定。基 于此,炉缸安全评判标准及预警机制建议如下: 1)依据炉缸初始设计结构和耐材导热性能,模 拟炉缸侵蚀过程,通过传热学计算确定当炉缸砖衬 逐步被侵蚀热阻减小至能将1 150?侵蚀线推出炉 缸热面、870?碳砖催化线推出碳砖热面时的“平衡 标准”,包括“平衡侵蚀厚度”及对应的“平衡热负荷” 和“平衡电偶温度”。当炉缸残衬厚度过低时即使能 够形成渣铁壳但炉况的波动或异常的出现都可能导 致炉缸烧穿事故的发生,因此以炉缸残衬厚度为 350mm时对应的理论计算热负荷及电偶温度值作 为“预警标准”。 2)优化炉缸砖衬内热电偶、炉缸冷却壁水温传 感器以及炉皮测温点的布置方案,建立精准检测硬 件系统,以砖衬温度和热负荷监测为主,炉皮温度监 测为辅。 3)建立包含“异常诊断知识库”和凝固潜热的 炉缸炉底三维温度场、侵蚀内型及渣铁壳变化在线 监测模型,实现对炉缸可能出现的气隙、环裂等异常 的智能诊断,对炉缸炉底三维侵蚀内型的图像重建, 对渣铁壳生成和脱落的实时监测,对炉缸砖衬内不 同温度等温线的实时绘制。 4)通过“异常诊断”发现炉缸存在气隙、环裂等 异常后,侵蚀模型自动重新进行传热计算得到修正 后的“平衡标准”和“预警标准”。 5)当炉缸侵蚀能达到“平衡标准”后会由于渣 铁壳的形成检测值将有所回落并趋于稳定,此稳定 值定义为“工作标准”。 6)综上所述,炉缸监测数据存在“工作标准”、 “平衡标准”和“预警标准”的三级标准,可作为和实 时监测值对比参考的炉缸安全控制指标。当实时监 测数据超过“工作标准”时,如果存在异常则首先解 决异常;如果不存在异常则和“平衡标准”对比。如 果低于“平衡标准”则可能是由于侵蚀未达平衡,此 时炉缸调控应主要以监控水质水温、原燃料质量把 关及稳定冶强和出铁操作为主;如果高于“平衡标 准”而低于“预警标准”则说明目前的炉缸工作状态 已难以达到传热上的平衡,且炉缸热面“自保护”渣 铁壳难以形成,如果只是略高于“平衡标准”则需要 采取相应调控使其达到平衡。通过研究可知,炉内 铁水流动的控制对炉缸传热影响较为显著,故此时 炉缸调控应以活跃炉缸、改善死焦堆透液性、抑制铁 水环流、出铁时“细水长流”为主,如果明显高于“平 衡标准”则说明炉缸侵蚀有了明显加剧,则此时应采 取适当加钛护炉、合理降低产量和焦炭负荷、严格控 制入炉原燃料质量等措施,并通过对渣铁壳形成位 置及厚度的实时监测,明确是否达到了理想的炉缸 维护效果,如果实时检测值继续升高且逼近“预警标 准”,则需采取堵风口、减产、提高加钛护炉量和促进 Ti(CN)析出等手段,确保侵蚀不再加剧。 4 结论 1)不同设计结构和耐材选择的炉缸由于其导 热性能不同,在实际运行中所达到的最高热负荷、最 小残衬厚度以及稳定的热负荷控制标准都存在明显 的差别,因此对于不同类型的炉缸应制定适合自身 的热负荷和残衬厚度的控制标准及安全预警值。 2)合理的炉缸安全预警标准的制定不但要依 据炉缸的导热性能,还应考虑环裂、气隙等可能出现 的异常对炉缸预警标准的影响。 3)炉缸安全预警系统对检测硬件的要求为:炉 缸炉底砖衬内测温电偶的布置应依据侵蚀机制和监 测需求进行优化且电偶应选用高精度、长寿命的N型 (下转第50页) ?92? 钢 铁 第48卷 修正后的辊形与图11中的某钢厂实际凹辊的 辊形测量值进行对比,二者基本一致。 图11 实际凹辊照片 Fig.11 Photo of actual concave roler 5 结论 1)通过理论上对残余曲率变化规律的研究发 现,大的反弯曲率能快速统一残余曲率,但是统一 的残余曲率大;小的反弯曲率则需要多次的反弯 才能达到统一残留曲率,但是统一的残留曲率小。 2)对2种经典的计算辊形的方法进行了比 较,2种方法计算得出的辊形基本一致,而马斯基 列逊的计算方法更简单,更易在工程中得到实施。 3)由于理论的计算不能真实地反映实际矫直 过程中的真实情况,因此对理论提供的弯曲曲率进 行不断修正,需借助大型非线性有限元软件对矫直 过程进行弹塑性模拟,以便对辊形的正确性进行验 证。通过与实际辊形的对比,得出该辊形的设计是 正确的。 参考文献: [1] 马斯基列逊.管材矫直机[M].西安重型机械研究所一室, 译.北京:机械工业出版社,1979. 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(上接第29页) 柔性电偶;炉缸冷却壁热水温差热负荷检测系统应 选用高精度全数字化无线采集结合总线通讯的系 统;炉缸“弱冷区”和“监测盲区”应补充无线吸附式 炉皮测温装置作为辅助。 4)由于不同类型炉缸传热特点不同,在保证基 础硬件检测数据精准的基础上,还必需建立包含“异 常诊断”和“凝固潜热”的炉缸炉底三维侵蚀监测模 型,实现对炉缸温度场、侵蚀内型、渣铁壳生成及脱 落的在线监测,才能为炉缸安全预警和炉缸维护提 供准确、量化、直观地指导。 5)炉缸安全预警标准应综合考虑热负荷、电偶 温度、侵蚀厚度和渣铁壳,炉缸监测数据记录应分为 实时值和历史最高值,并建立“工作标准”、“平衡标 准”和“预警标准”三级预警指标,采取不同的炉缸维 护手段及生产操作调节以实现高炉的安全高效生产。 参考文献: [1] 宋木森,于仲洁,邹祖桥.武钢高炉长寿技术的开发研究[J]. 钢铁,2000,35(7):5. [2] Zhao Hong-bo,Cheng Shu-sen.Optimization for the Structure of BF Hearth Bottom and the Arrangement of Thermal Cou- ples[J].Journal of University of Science and Technology Bei- jing,2006,13(6):497. [3] Kumar Surendra.Heat Transfer Analysis and Estimation of Refractory Wear in an Iron Blast Furnace Hearth Using Finite Element Method[J].ISIJ International,2005,45(8):1122. [4] Barbés-Fernández M F,Marinas-García E,Brandaleze E,et al.Design of Blast Furnace Crucibles by Means of the Nodal Wear Model[J].ISIJ International,2008,48(2):134. 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