周旭朋1 梁慶峰1 谷莉1 趙磊2
(1.安陽鋼鐵集團有限責任公司；2.電子科技大學)
摘要：介紹了安鋼1#高爐爐缸、爐底的侵蝕現象與解決方法，詳細闡述了監測系統的具體實施方案、侵蝕模型軟件及其功能的實現。系統在應用過程中能夠及時直觀地反映出原料和生產操作變化對爐內侵蝕的影響，程序在線計算監測的正確性和有效性得到了驗證。系統的應用對高爐生產操作起到了很大的指導作用。
關鍵詞：爐缸爐底；侵蝕模型；開發應用
0 引言
高爐建成投產后,爐缸和爐底的壽命是影響高爐運行的重要因素。由于高爐的日益大型化和復雜化,使得高爐大修成本變得很高，而在高爐冶煉過程中，高爐爐缸和爐底的工作環境極其惡劣,被侵蝕和毀壞的速度相當快。由于其在高爐內部，不能像高爐的其他部位一樣在高爐運行中進行維修，因此高爐爐缸和爐底耐火材料的侵蝕程度是影響高爐壽命長短的決定性因素，對于高爐的正常運行以及能否獲得良好的經濟技術指標具有重要意義。
1爐缸、爐底侵蝕現象與解決方法
安鋼1#高爐爐缸、爐底部位采用“國產微孔炭磚+進口超微孔炭磚+陶瓷砌體”復合爐襯，爐缸爐底耐火材料的侵蝕具有不可見的“黑箱”特征,如果爐缸、爐底局部被鐵水燒穿,將可能導致重大的設備事故,造成經濟損失,甚至威脅操作人員的人身安全;如果爐缸過涼，則可能引起生產操作不順。為解決以上問題，根據爐缸、爐底布置的熱電偶溫度和冷卻水溫差,結合其他生產參數,建立了數學模型，利用傳熱學和流體力學來對爐缸、爐底的侵蝕內型、渣鐵殼變化、結厚及活躍狀態進行判斷，并據此做出相應的護爐措施、生產操作和產量調節,從而保證高爐的長期安全穩定高效運行。
為實現1#高爐的長壽安全運行，在高爐爐缸爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內型方面實現在線監測預警非常關鍵，主要在高爐爐缸、爐底的不同縱向和徑向位置布置177個溫度檢測點，對不同部位的耐材溫度進行實時監測,并重點監測爐缸易侵蝕區域，通過爐缸、爐底安裝的專用柔性熱電偶對各測溫點進行在線監測。熱電偶采取預埋的方式與爐缸、爐底耐材砌筑同步安裝，通過專用氣密裝置集中引出并采取嚴格的安全防護措施;再通過數據采集系統采集所有熱電偶的數據，建立測點溫度數據庫,數據存儲周期M—代爐役。通過對采集數據的分析，開發爐缸爐底侵蝕模型及應用軟件，實現爐基、爐缸、爐底溫度場的自動計算、侵蝕狀況圖形繪制與分析等功能。新開發的應用軟件與現有水溫差熱負荷監測系統軟件兼容合并成一個系統，引入目前現有的冷卻壁水溫差熱負荷監測數據,結合耐材溫度對碳搗料導熱系數異常、氣隙、碳磚環裂等情況進行判斷,最終實現了爐缸、爐底侵蝕變化的在線監測和自動預警功能。
2系統方案
2.1系統架構
安鋼1#高爐通過建立熱電偶數據采集系統，將采集到的熱電偶溫度值通過數據采集卡輸入到爐缸爐底侵蝕模型專用工控機，然后采用SQL Server2000構建模型數據庫。SQL Server數據庫的各級溫度表用來存放經過各類統計或處理后的熱電偶溫度值。侵蝕模型計算的一些結果也保存在數據庫中,如碳磚殘存厚度和當前凝固層厚度，以及各層碳磚任意角度的1 150咒等溫線半徑等數據，方便查詢。整個系統的架構圖如圖1所示。
其中，侵蝕模型選取了柱坐標系下的帶有凝固潛熱的三維非穩態溫度場計算模型作為爐缸、爐底監測的基礎數學模型,并在對不同高爐的離線和在線侵蝕監測的實際工作中，明確了提高模型對不同高爐實際生產中所出現異常的自適應能力的重要性，在侵蝕監測計算中引入了“侵蝕診斷知識庫”，解決了耐火材料導熱系數的變化、環裂、滲鐵、鐵水流動影響以及由侵蝕的繼續引起的“邊界不定”等問題,采用傳熱學“正問題”計算溫度場和“反問題”推算侵蝕邊界相結合的方法，使數值模擬和實際更加吻合。
2.2 系統實施內容
在高爐爐缸、爐底的不同縱向和徑向位置布置177個溫度檢測點，對不同部位的耐材溫度進行實時監測，并重點監測爐缸易侵蝕區域，通過爐缸、爐底專用柔性熱電偶對各測溫點進行在線監測;通過數據采集系統采集所有熱電偶的數據，建立測點溫度數據庫;開發爐缸爐底侵蝕模型及應用軟件,實現爐基、爐缸、爐底溫度場的自動計算、侵蝕狀況圖形繪制與分析等功能，實現爐缸、爐底侵蝕變化的在線監測和自動預警;將新開發的應用軟件與現有水溫差熱負荷監測系統軟件兼容合并成一個系統，結合耐材溫度對碳搗料導熱系數異常、氣隙、碳磚環裂等異常情況進行判斷。
2.2.1熱電偶布置方案
(1) 縱剖面的數量及劃分方法。根據高爐的工藝特點，高爐的鐵口下方左右兩側15° ~ 30°。夾角內的爐底與爐缸結合部位是侵蝕較為嚴重的區域，鐵口上下方左右均加密布置溫度檢測點，圓周方向不少于8個剖面。
(2) 每個縱剖面的測溫點布置方案。針對縱剖面的測溫點,綜合考慮“象腳”侵蝕區域、爐底上下層測溫點徑向交錯布置、陶瓷杯的殘余厚度監測、二段冷卻壁搗料層溫度監測、爐役后期耐材和熱電偶安全等因素,每個縱剖面的測溫點布置方案如圖2所示。
2.2.2 侵蝕模型軟件
依據高爐設計結構、爐缸爐底砌筑圖、耐材測溫點布置圖、耐材結構及性能參數、熱電偶溫度數據等建立爐缸爐底侵蝕模型,對爐缸爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內型、渣鐵殼厚度進行在線監測分析，建立在線侵蝕模型，實現實時在線分析。
爐缸爐底侵蝕模型是利用傳熱學“正反問題”相結合的方法，根據高爐實際磚襯尺寸及導熱系數等參數建立的，計算過程中需要考慮凝固潛熱的影響以及導熱系數隨溫度的變化。根據實時采集的爐缸、爐底熱電偶溫度和水溫差數據進行數據統計，存入歷史數據庫中，并且建立專家診斷知識庫，統計的歷史最高溫度作為爐缸、爐底歷史最為嚴重的侵蝕狀況進行計算;而實時采集的數據一方面用于分析當前爐缸、爐底的侵蝕形貌，另一方面用來判斷渣鐵殼的形成并計算渣鐵殼的厚度。
爐缸爐底侵蝕模型在線監測系統軟件采用C+ +語言編程，爐缸、爐底熱電偶溫度數據從現場熱電偶接線箱傳輸到采集柜,再從采集柜采集到爐缸爐底侵蝕模型軟件中,并將采集到的溫度監測數據保存在本地數據庫供程序自身使用和查詢，數據讀取安全、可靠，不影響現場原有PLC監控系統的正常操作。
爐缸爐底侵蝕模型在線監測系統具有實時數據采集、形貌侵蝕計算、顯示不同角度橫、縱向剖面侵蝕形貌、歷史侵蝕數據查詢、歷史數據曲線繪制等功能,爐缸爐底侵蝕縱向剖面如圖3所示。圖中，陰影部分表示鐵水范圍，宜觀地顯示了目前爐缸、爐底的侵蝕形貌。
2.2.3 侵蝕模型功能
爐缸爐底侵蝕模型實現了以下功能：
(1) 對原水溫差熱負荷系統保護性拆除和恢復，將原有水溫差熱流強度監測數據引入侵蝕數學模型，保持二個系統的兼容性,使二者合并成一個完整的軟件系統，進而對高爐碳搗料導熱系數異常、氣隙、碳磚環裂等異情況進行判斷，建立以磚襯內熱電偶溫度監測為主、爐缸冷卻壁熱負荷為輔的全面監測體系，為1#高爐安全、長壽、高效運行提供完善的監測預警機制。
(2) 以圖表的形式動態顯示冷卻壁的水溫差、熱負荷，可隨時選擇單個冷卻器查詢其進水溫度、出水溫度、水流量、熱負荷，或選擇單個溫度或流量監測點查詢其溫度或流量趨勢曲線。
(3) 根據設定的水溫差和熱負荷預警標準，通過圖標顏色、文字提示等對單塊冷卻壁水溫差、超標情況進行自動預警。
(4) 定期采集各測溫點的溫度數據，進行濾波,并建立數據庫。
(5) 用圖形化界面顯示各測溫點的物理位置、當前溫度和趨勢曲線。
(6) 進行爐缸、爐底三維網格劃分，物理建模和數學建模，建立每個節點的三維非穩態傳熱微分控制方程，自動計算和求解爐缸、爐底三維溫度場，耐材侵蝕厚度，渣鐵殼厚度以及每個坐標點的物理坐標、耐材類型、當前溫度、耐材厚度、渣鐵殼厚度。
(7) 根據高爐的工藝特點，設置不同位置溫度監測點的預警標準，并通過圖標顏色、文字提示等方式對每個溫度監測點溫度單點超標情況進行自動預警;通過徑向相鄰熱電偶的溫度，對耐材的實時導熱系數和設計導熱系數進行對比，并對導熱系數異常情況進行自動預警;建立不同爐役階段的數字化預警標準，對耐材異常加速侵蝕和磚襯厚度超限等情況進行自動預警。
(8) 爐缸、爐底任意一坐標點的物理坐標、當前溫度、材質、耐材厚度、渣鐵殼厚度等信息可隨鼠標的移動自動顯示。
(9) 爐缸、爐底等溫線、溫度場(溫度云圖)、殘襯厚度、渣鐵殼厚度的自動計算、存儲、顯示和歷史查詢。
(10) 自動繪制爐缸、爐底不同角度剖面(縱剖面)、不同高度剖面(橫截面)的等溫線、溫度場(溫度云圖)以及爐缸、爐底侵蝕內型和渣鐵殼形狀。
(11) 支持溫度數據、等溫線、溫度場(溫度云圖)、耐材厚度、侵蝕內型、渣鐵殼厚度、渣鐵殼形狀等的歷史查詢功能。
(12) 護爐時能自動計算并顯示爐缸、爐底渣鐵殼的生成位置、厚度、形狀。
(13) 建立爐缸、爐底異常診斷知識庫(環裂、氣隙等異常判斷)。
(14) 爐缸、爐底異常侵蝕、碳磚環裂、氣隙等異常情況的自動預警及預警記錄查詢。
(15) 統計報表功能，圖形、數據、報表的打印和輸出以及設備狀態診斷、顯示與故障報警。
3系統特點
爐缸爐底侵蝕監測系統具有安全可靠、穩定高效、便于維護、監控界面友好等特點，可移植性強，二次開發成本低，適用于任何類型的高爐，具有很大的推廣應用前景。
4應用效果
安鋼1#高爐爐缸爐底侵蝕監測系統的投用，實現了 1#高爐爐缸、爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內型的在線監測和預警，驗證了在線計算監測數據的正確性和有效性，對穩定爐溫、在爐墻結厚期間洗爐操作起到了重要的指導作用，對1#高爐經濟技術指標的提升奠定了基礎,保證了 1#高爐長期、安全、穩定的運行。
該系統避免了爐缸、爐底局部燒穿或因操作不當導致的重大設備事故的發生，高爐經濟技術指標顯著提升。未使用該系統前,1#高爐三個月的平均日產鐵量為4 840 t；2018年9月，1#高爐大修并使用該系統后，1#高爐三個月的平均日產鐵量為5 220 t,產量增加了 380 t/d。通過數據分析可以得出該系統對產量增加的貢獻率超過10%，每月可增產1 140 t鐵，按噸鐵效益200元計算，年創效270余萬元。
5結語
高爐爐缸爐底侵蝕監測系統實現了對高爐爐缸、爐底等溫線、侵蝕厚度、侵蝕內型的在線監測及預警和爐基、爐缸、爐底溫度場的自動計算以及侵蝕狀況圖形繪制與分析。通過半年多的實際運行證明,該系統具有先進科學、安全可靠、高效經濟、監控界面清晰、便于維護等特點,達到了國內先進水平,是高爐高效順行的得力助手，在冶金行業中具有極大的推廣和應用價值。
6參考文獻
[1] 趙宏博，程樹森.爐缸爐底侵蝕及結厚在線監測系統的開發[C].中國金屬學會.中國鋼鐵年會論文集2007.北京市:冶金工業出版社,2007：36-40.
[2] 李洋龍，程樹森，趙宏博，等.高爐三維爐缸爐底侵蝕模型在線監測[C].中國金屬學會生產技術與書刊部.2012年全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵學術年會文集(下)•北京市:冶金工業出版社