高爐爐缸侵蝕狀態監控關鍵技術

車玉滿，郭天永，孫鵬，姚碩，姜喆（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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高爐爐缸侵蝕狀態監控關鍵技術

車玉滿，郭天永，孫鵬，姚碩，姜喆
（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：高爐爐缸爐底安全是高爐高效、長壽的限制性環節。在應用數學模型監控爐缸侵蝕狀態時，前提需要采用數學方法建立導熱系數與溫度之間的數學表達式，采用數據預處理方法處理有缺陷數據，在有效識別爐缸異常現象特征后，提出正確邊界條件，才能提高預判準確度。

關鍵詞：高爐；爐缸侵蝕；數據預處理；邊界條件

車玉滿，碩士，教授級高工，鞍山鋼鐵集團公司一級專家。E-mail：cheyumang2000@sina.com

隨著高爐向大型化發展，高爐裝備技術進步，業界認為高爐長壽目標是，一代爐齡不中修15年、單位爐容產量1.5萬t/m3［1］。我國寶鋼3號高爐一代爐齡壽命19年，單位爐容產量1.58萬t/m3，達到世界先進水平；武鋼5號高爐一代爐齡壽命15.7年，單位爐容產量1.10萬t/m3；鞍鋼10號高爐一代爐齡壽命13.8年，單位爐容產量1.08萬t/m3，武鋼5號高爐和鞍鋼10號高爐一代爐齡壽命接近世界先進水平。但是，根據中鋼協統計，自2008年以來，我國就有30余座高爐發生爐缸燒穿事故，給企業造成巨大損失，此外還有20余座2000m3以上高爐爐缸存在安全隱患［2］，高爐被迫采取降低冶煉強度和特殊護爐措施，既增加高爐生產成本，又降低高爐生產效率和效益。

在發生爐缸燒穿事故的高爐中，絕大多數高爐存在監測數據失真，或是簡單地使用傳熱模型判斷爐缸侵蝕狀態，導致無法準確判斷爐缸侵蝕狀態。事實上，在爐缸存在安全隱患的高爐中，要區別對待炭磚溫度異常升高現象，一些是由于炭磚出現裂紋，造成煤氣或/和鐵水串入，即使是爐缸異常侵蝕，也要區分炭磚是出現脆化、粉化現象，還是炭磚被鐵水滲透侵蝕［3］，只有準確判斷炭磚溫度異常升高原因后，有針對性制定邊界條件，才能準確判斷爐缸侵蝕狀態。

1　爐缸結構基本形式

1.1爐缸內襯結構形式

爐底第1層為平鋪石墨磚，最上層（爐底熱面）平鋪1～2層陶瓷墊。由于設計風格不同，有的高爐爐底第2層立砌微孔炭磚、第3層立砌超微孔炭；有的高爐第2層平鋪半石墨炭磚、第3層和第4層平鋪微孔炭磚，第5層平鋪超微孔炭磚。爐缸側壁主要有兩種形式：

（1）大塊碳磚結構

一般在鐵口及以下區域使用超微孔炭磚，導熱系數要求＞18w/（m.k）、透氣度＜5mDa、＜1μm容積比＞80％，保證內襯熱量及時向外傳遞，鐵口以上可以使用質量稍差微孔炭磚，在炭磚與冷卻壁之間填充碳素搗料。目前有些高爐，在緊貼冷卻壁砌1層小塊高導熱模壓炭磚，在小塊炭磚與大塊炭磚之間填充碳素搗料，目的是把碳素搗料向爐內移動，在高爐生產后，達到焙燒溫度，使碳素搗料有效固結。大部分高爐在炭磚內側砌1層陶瓷杯，少部分高爐取消陶瓷杯，有陶瓷杯的高爐在炭磚與陶瓷杯之間填充陶瓷質散料。

（2）小塊碳磚結構

小塊炭磚結構爐缸，一般在鐵口區域全部使用具有石墨特性的NMD炭磚，在鐵口側和容易產生“象腳”侵蝕區域也使用一部分NMD磚，其余部位使用NMA磚，磚襯總厚度比大塊炭磚厚許多。采用小塊炭磚結構的高爐大部分不保留陶瓷杯。

1.2爐缸冷卻壁結構形式

爐缸冷卻壁結構形式主要有以下幾種：

（1）爐殼噴淋水冷卻。在爐殼與炭磚之間不安裝冷卻壁，在爐殼外側安裝幾道噴水環管，用噴水形式冷卻爐缸，目前很少有采取該冷卻形式。

（2）采用夾殼式冷卻壁。在爐殼與炭磚之間不安裝冷卻壁，把冷卻壁作成水箱式安裝在爐殼外側，可以有效防止冷卻壁向爐內漏水，而且冷卻面積大，爐皮不開孔，冷卻壁與水管之間不存在鑄造間隙，國外有些高爐采用該種冷卻結構形式。

（3）在爐殼與炭磚之間安裝冷卻壁。我國高爐普遍采用該種結構形式，但具體結構形式有所差異，有些高爐采用全鑄鐵冷卻壁，有些高爐在鐵口區域使用銅冷卻壁，還有些高爐在鐵口及鐵口以下關鍵部位使用銅冷卻壁。

2　爐缸監控方法

2.1熱電偶法

在兩層炭磚縫之間安裝熱電偶，一般是1個監測點安裝2支，1支插入淺點，另1支插入深點，通過各支電偶的溫度變化，以及2支電偶溫度差判斷爐缸內襯的侵蝕狀態。在內襯完整時，2支電偶溫度和溫度梯度基本穩定，如果某點內襯被侵蝕，則該點電偶就會被燒損，溫度數據就會出現異常。一般爐缸每層炭磚圓周方向選擇8～24點，也可以根據需要在鐵口區域適當增加監測點。目前，熱電偶法是最有效，也是最常用爐缸檢測手段。

2.2冷卻壁水溫度差法

在每塊冷卻壁進水管和出水管安裝高精度熱電偶，檢測每塊冷卻壁進、出水溫度，根據每塊冷卻壁中冷卻水流量和冷卻壁面積，間接計算熱流強度，結合熱電偶法中熱電偶溫度，推算爐缸炭磚剩余厚度，其計算公式分別見式（1）和式（2）。

式中，Q為熱負荷，kJ/h；m為冷卻水流量，m3/h；c為冷卻水比熱容，kJ/（kg·℃）；t1、t2分別為冷卻水進、出溫度，℃。q為熱流強度，kW/m2；F為冷卻面積，m2。

2.3超聲波測厚法

根據波傳播理論，當波在介質中傳播時，如遇到孔洞、裂紋等界面不連續處就會發生反射、折射、散射等模式轉換，利用波的這種特性可確定炭磚剩余厚度［4］。超聲波法靈活、方便，但不能用于常規檢測，只能作為輔助方法。

2.4爐皮測溫

在爐殼安裝無線磁性測溫元件，實時測試爐殼溫度，根據爐殼實際溫度與爐殼溫度極限值比值判斷炭磚剩余厚度。溫度數據通過無線發射裝置將溫度數據傳輸至數據采集系統中，實現爐殼溫度遠程監控。

此外，爐缸監控方法還有電容法和熱電阻等方法，但最常用是熱電偶和冷卻壁水溫差法，監測數據可以用于數學模型輸入參數。

2.5應用數學模型判斷爐缸侵蝕狀態法

如果認為爐缸結構體系中無內熱，則可以利用傳熱學原理建立爐缸穩定狀態的傳熱數學模型，其傳熱體系基本構成見圖1。該傳熱體系中包括爐殼、冷卻壁、冷卻壁與炭磚之間的碳素搗料、炭磚、陶瓷杯和渣鐵殼。

爐缸內襯熱面長期經受高溫鐵水環流沖刷侵蝕、鐵水靜壓力滲透侵蝕、爐內堿金屬和水蒸氣化學侵蝕，內襯熱面所承受的熱負荷必須由冷卻壁中冷卻水帶走，通過冷卻水高強度冷卻來降低爐缸內襯熱面工作溫度，減少各種侵蝕行為持續發展，保證鐵水和爐渣在內襯熱面凝固成具有一定厚度的渣鐵殼，有效保護爐缸磚襯被鐵水的進一步侵蝕，即實現所謂的“永久性”內襯。因此，在穩定條件下，爐缸內襯是“被侵蝕”與“自修復”的循環過程。

圖1　爐缸傳熱體系

在爐缸內襯保持完整階段，爐缸內襯所承受的熱負荷均需要由冷卻壁中冷卻水帶走。因此，可以把爐缸傳熱體系簡化成兩部分，一部分為熱負荷承受端，包括冷卻壁與炭磚之間的碳素搗料、炭磚、陶瓷杯和渣鐵殼；另一部分為熱負荷輸出端，介質為冷卻水。

熱負荷輸出端熱流強度計算公式見式（2）。

熱負荷承受端熱流強度計算公式見式（3）。

式中，q1為熱流強度，kW/m2；tp為渣鐵殼溫度，℃；t0為碳素搗料層冷面溫度，℃；x1為搗料層厚度，m；λ1為搗料層導熱系數，w/（m·k）；x2為炭磚層厚度，m；λ2為炭磚層導熱系數，w/（m·k）；x3為陶瓷杯層厚度，m；λ3為陶瓷杯層導熱系數，w/（m·k）；x4為渣鐵殼厚度，m；λ4為渣鐵殼導熱系數，w/（m·k）。

如果炭磚在使用過程出現裂紋和脆化、粉化，則炭磚不再保持完整，其原傳熱體系也將被改變成新的傳熱體系，如圖2所示。

此時，熱負荷承受端熱流強度計算公式見式（4）。

圖2　爐缸內炭磚工作過程結構示意圖

式中，q1為熱流強度，kW/m2；tp為渣鐵殼溫度，℃；t0為碳磚冷面溫度，℃；x1為完整炭磚厚度，m；λ1為炭磚導熱系數，w/（m·k）；x2為氣隙厚度，m；λ2為氣隙導熱系數，w/（m·k）；x3為脆化層厚度，m；λ3為脆化層導熱系數，w/（m·k）。

如果炭磚中監測點安裝2支熱電偶，1支插入淺點（x1），另1支插入深點（x2），見圖2。通過各支電偶的溫度，很容易計算出炭磚所承受熱流強度，其計算公式見式（5）。

式中，q2為炭磚熱流強度，kW/m2；λ2為炭磚導熱系數，w/（m·k）；t2為深電偶溫度，℃；t1為淺電偶溫度，℃；t2為深電偶溫度，℃；x1為淺電偶插入深度，m；x2為深電偶插入深度，m。

在爐缸內襯保持完整階段，各種物質無縫接觸，各層物質所承受的熱流強度均與炭磚相等，利用傳熱學原理，很容易計算出內襯熱面溫度，如果以1150℃作為邊界條件，則可以推斷出炭磚剩余厚度。目前應用數學模型判斷爐缸侵蝕狀態最為廣泛，也是最有效的方法。

3　應用傳熱學模型存在的不足及解決措施

目前基本上都采用以傳熱學原理為基礎，建立爐缸侵蝕數學模型，用于分析與判斷爐缸侵蝕狀態和炭磚剩余厚度，數學模型盡管有一維和二維之分，但高爐停爐后的爐缸破損調查發現，數學模型計算結果與實際測量結果存在較大誤差。因此，人們對爐缸侵蝕數學模型的有效性產生懷疑。事實上產生誤差主要原因有：輸入參數處理方法不當；邊界條件與實際不符。

3.1輸入參數處理方法不當解決措施

3.1.1正確修訂炭磚導熱系數

在爐缸傳熱體系中，各種物質的導熱系數均是一個重要的輸入參數，超微孔炭磚常溫導熱系數一般在18w/（m·k）左右，300℃時導熱系數可以達到20w/（m·k），600℃時導熱系數可以達到24w/（m·k）。模壓小塊炭磚NMD常溫導熱系數一般在90w/（m·k）左右，300℃時導熱系數下降到60w/（m·k），600℃時導熱系數下降到40w/（m·k）。如果把導熱系數認為是常數，則導致計算結果存在較大誤差。因此，需要對導熱系數事先做預處理，處理方法有兩種。

（1）擬合曲線法

利用炭磚不同溫度下導熱系數測試數據擬合成導熱系數與溫度之間關系曲線。例如，對德國SGL超微孔炭磚7RD-N導熱系數擬合曲線如圖3所示，擬合后導熱系數與溫度數學表達式見式（6）。

圖3　7RD-N導熱系數與溫度擬合曲線

式中，λ為導熱系數，w/（m.k）；T為溫度，K。

（2）拉格朗日插值法

利用炭磚在兩個溫度下導熱系數測試數據，采用拉格朗日插值算法，計算兩個溫度區間各溫度的導熱系數，導熱系數與溫度數學表達式見式（7）。

無論采用曲線擬合，還是采用拉格朗日插值方法，均能建立導熱系數與溫度之間數學方程，減少導熱系數作為常數所產生的計算誤差。

3.1.2修補存在缺陷的檢測數據

數學模型中最常用的輸入參數是炭磚熱電偶溫度，由于監測炭磚溫度的熱電偶虛結、信號線連接不牢或長期使用過程人為損壞，往往會造成數據失真或數據丟失，造成數據不完備，產生虛假值，如果直接使用，就會產生錯誤結論。因此，在建立數學模型之前檢驗并剔除虛假值，進行數據預處理是十分必要的。

（1）孤立點數據誤差處理

孤立點數據處理主要是解決孤立點數據丟失或不正確問題。最佳方法是采用上1組數據作為替代數據，或根據經驗人工填寫空缺值，即通過平滑處理臨近點數值替代孤立點數據。

在采用該方法時，首先檢驗炭磚同一點2支不同插入深度電偶溫度的數據連續性和規律性，首先要求2支電偶溫度趨勢相互一致。

（2）不完備數據的處理

如果某支電偶溫度長期數據丟失，形成的不完備數據，如果周期太長，無論使用平均值法或平滑過渡方法，均無法擬補所出現的不完備數據，即采用統計學原理已經無法擬補。

此時，首先判斷正常點電偶溫度與冷卻壁熱流強度變化趨勢，如果趨勢一致，則認定冷卻壁熱流強度為已知數據，利用冷卻壁熱流強度和單點熱電偶溫度作為輸入參數，判斷該位置爐缸侵蝕狀態和炭磚的剩余厚度。由于是替代數據，在分析計算結果時，必須綜合分析臨近點計算結果，否則也會對計算結論產生誤差。

（3）熱電偶溫度無規律性異常

如果炭磚深點熱電偶溫度數據曾在一定時間內出現開路現象，而后又顯示溫度數據，且溫度無規律性波動，而且經常出現深點熱電偶溫度小于淺點熱電偶溫度，在檢測信號線無誤后，則可以認定該點電偶已經被燒損，鐵水已經滲入到該點，即該點位置就是炭磚的剩余厚度。

3.2邊界條件與實際不符解決措施

3.2.1判斷炭磚是否出現裂紋及位置

隨著高爐爐役進程，爐缸內襯熱面長期經受高溫鐵水環流沖刷侵蝕、鐵水靜壓力滲透侵蝕、熱應力侵蝕、爐內堿金屬和水蒸氣化學侵蝕。根據高爐破損調查發現，大塊炭磚普遍存在環裂現象，質量差的炭磚裂縫寬度有的可達100～200mm，質量稍好的炭磚裂縫寬度較小，一般為4～7mm。優質炭磚在合理設計前提下，一般不會出現裂紋侵蝕現象。在發生裂紋內均填充石墨粉并含有數量不等堿金屬，破損調查各種檢測結果和模擬實驗及模擬計算證明，炭磚出現裂紋是在足夠的剪切力、靜壓力、熱應力綜合作用下，在堿金屬和水蒸氣化學侵蝕輔助作用下產生的。炭磚產生裂紋后，炭磚不再是一個整體，出現氣體隔熱層，其內部的熱量向外傳遞受阻，外部的冷卻效果降低，促使炭磚溫度升高，侵蝕速度加快。炭磚產生環裂破壞原為一體的傳熱體系，重新構成了以氣隙為主要熱阻傳熱體系，見圖2，超微孔炭磚導熱系數最小值在18w/（m·k）左右，而炭磚裂紋氣隙導熱系數僅為0.05～0.06w/（m·k），由于氣隙層厚度無法判斷，因此，判斷炭磚裂紋位置就相當于判斷出炭磚有效剩余厚度。

（1）炭磚出現裂紋可能性判斷

首先計算某點鐵水靜壓力。

高爐在設計時均保留一定死鐵層深度，由于死鐵層內儲存一定量鐵水和熔渣，爐缸鐵口以下的炭磚熱面就會承受液態鐵水和熔渣的靜壓力，鐵水和熔渣的靜壓力就會向炭磚熱面微孔中滲透，隨鐵水深度增加，壓力加大而增強，與此相應，炭磚受到的破壞則越來越嚴重。

鐵水靜壓力按公式（8）計算［5］。

式中，P為鐵水靜壓力，kPa；γ鐵、γ渣分別為鐵水密度和液態爐渣密度，t/m3；H鐵、H渣分別為鐵水液面和爐渣液面高度，m；P風為風口截面壓力，kPa。

然后計算某點的熱應力和剪切力，應力計算方程分別見式（9）和式（10）［6］：

式中，r為炭磚徑向兩點距離，r=μ，m；z為縱向兩點距離，z=w，m；T為炭磚檢測溫度，K；λ為拉梅系數。

如果炭磚某點的靜壓力、剪切力和熱應力之和大于炭磚的最大抗折強度，則認定炭磚在各種力作用下能夠發生裂紋。

（2）識別炭磚出現裂紋特征

首先按公式（4）計算炭磚熱流強度（q2），然后按公式（3）計算冷卻壁熱流強度（q1）。當炭磚保持完整時，炭磚熱流強度與冷卻壁熱流強度高度一致，如果炭磚熱流強度大于冷卻壁的熱流強度，體現在炭磚監測點電偶（t1，t2）溫度上升而冷卻壁水溫差不變，或緩慢下降，則可以認定炭磚已經出現裂縫。

（3）炭磚裂紋位置判斷

如果該位置冷卻壁或風口長期漏水，炭磚一旦出現裂紋后，裂紋內炭磚表面在煤氣和水蒸氣共同作用下就形成沉積石墨化碳粉，見式（11）和式（12）。

此時，則應該以水煤氣反應溫度450～706℃作為邊界條件，按公式（5）可以推斷出裂紋位置。

3.2.2判斷炭磚出現脆化層和粉化層位置

破損調查發現，鐵口以下炭磚容易出現嚴重脆化層和粉化現象，鐵口以下炭磚在鐵水靜壓力和環流作用下，鐵水會滲到炭磚內部，尤其是＜1μm容積比指標較差的炭磚，鐵水滲入后，引起膨脹甚至開裂，出現脆化與粉化現象。此外如果高爐鋅負荷和鉀、鈉等堿金屬負荷長期較高，鋅和鉀、鈉等堿金屬侵蝕，引起炭磚內部結構中碳層間距增大，導致體積膨脹，從而降低炭磚強度，形成脆化與粉化層。

（1）識別炭磚出現脆化層和粉化層特征

炭磚粉化后導熱系數也將大幅度降低，導熱系數和脆化層厚度均無法檢測和判斷，并且脆化和粉化后的炭磚基本失去傳熱和抗鐵水侵蝕的能力。首先按公式（5）計算炭磚熱流強度（q2），然后按公式（3）計算冷卻壁熱流強度（q1）。炭磚熱流強度與冷卻壁熱流強度數值高度一致，并且變化趨勢也高度一致時，如果炭磚監測點電偶t1，t2溫度呈同步周期性變化，如圖4所示，即溫度先逐漸升高，表明炭磚熱面開始脆化，然后粉化；溫度開始下降時，則代表粉化層被環流的鐵水剝離，在炭磚熱面形成渣鐵保護殼，該現象呈周期性變化。

圖4　炭磚出現脆化和粉化層t1，t2溫度特征

（2）判斷炭磚脆化層位置

炭磚出現脆化后逐漸粉化，其主要原因是鐵水溶蝕和滲透侵蝕，在鐵口以下位置越深則炭磚表面形成渣鐵保護殼越難，鐵水直接與炭磚熱面接觸，在靜壓力作用下鐵水滲入炭磚內部，同時鋅和鉀、鈉等堿金屬伴隨鐵水一同深入炭磚內部，鋅負荷和鉀、鈉等堿金屬負荷越高，高爐冶煉強度越高，滲透侵蝕越嚴重，炭磚熱面極易出現先脆化，然后粉化現象。

鋅和鉀、鈉對炭磚的侵蝕溫度在800～1000℃之間，此時，則應以800～1000℃作為邊界條件，按公式（5）可以推斷出裂紋位置。

4　結論

隨著鋼鐵行業競爭日益加劇，爐缸燒穿事故無疑造成巨大經濟損失。到目前為止，高爐爐缸、爐底依然是高爐高效、長壽的限制性環節。因此，在高爐投產后就需要加強對爐缸侵蝕狀態的監控。在眾多爐缸檢測技術中，應用傳熱學建立爐缸侵蝕狀態監控的數學模型是最常用，也是最有效的方法，但在開發過程中，有幾項關鍵技術必須引起注意，否則會對判斷結果產生較大誤差。

（1）炭磚的導熱系數不是常數，需要采用數學方法建立導熱系數與溫度之間的數學表達式。

（2）準確處理有缺陷爐缸檢測數據，采取數據預處理方法，補充孤立點數據，采用替代方法處理不完備數據。

（3）當檢測數據出現異常升高時，及時識別異常現象的特征，正確區分炭磚出現脆化、粉化現象、炭磚被鐵水滲透侵蝕、炭磚出現裂紋現象，只有準確判斷異常升高原因后，并有針對性采取措施，才能防止炭磚一出現溫度升高，就采用降低冶煉強度和釩鈦礦護爐措施，既增加生產成本，又降低高爐生產高效性。

參考文獻

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［6］嚴宗達，王洪禮.熱應力［M］.北京，高等教育出版社，1993.

（編輯賀英群）

修回日期：2016-05-06

Key Technology for Monitoring Eroded State in BF Hearth

Che Yuman，Guo Tianyong，Sun Peng，Yao Shuo，Jiang Zhe
（Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract：Keeping blast furnace hearth and blast furnace bottom safe operation is the restrictive part of blast furnace operations with high efficiency and long campaign life.Firstly the mathematical expression between the thermal conductivity coefficient and temperature should be established by mathematical method in monitoring the eroded state of hearth by using the mathematical model.Then the defect data should be processed by the data pre-processing method.When the characteristics of the abnormal phenomenon occurred at hearth were discriminated availably，the correct boundary conditions can be proposed so that the accuracy of pre-judgement for the blast furnace can be improved.

Key words：BF；erosion of hearth；data pre-processing；boundary condition

中圖分類號：TF54

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）03-0001-05