高炉铁沟侵蚀监测装置的构建与开发

芶毅，张作程

（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照　276827）

高炉铁沟侵蚀监测装置的构建与开发

芶毅，张作程

（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照276827）

通过对高炉铁沟耐材特点和铁沟侵蚀监测现状的分析，与炉缸侵蚀监测模型特点进行对比研究，以炉缸侵蚀模型为基础，对铁沟永久衬表面进行网格化划分，建立了高炉铁沟侵蚀监测与判断系统，避免了铁沟烧穿事故发生，实现了铁沟侵蚀的自动预警，有效地预防了铁沟烧穿，从而降低吨铁耐材消耗，提高高炉生产的安全性。

高炉铁沟；侵蚀监测；监测装置

高炉实现强化冶炼以来，长寿越来越受到炼铁工作者的重视，炉缸侵蚀的监测和判断越来越精确。但是随着高炉的强化冶炼和炼铁成本压力的增大，铁沟烧穿的情况越来越多，给高炉生产和安全带来了重大隐患。为更好的对铁沟侵蚀情况进行监测，开发了一种模拟炉缸侵蚀系统的装置和计算方法，对铁沟侵蚀情况进行监测。

1　高炉铁沟侵蚀监测存在的问题

1.1操作人员主观判断

在铁沟使用寿命的判断上，大多数高炉铁沟侵蚀情况通常凭经验（例如出铁量、出铁天数等）来判断，缺乏可靠的检测手段。为了准确把握铁沟残余耐材厚度，国内外开发出一些测量残余耐材厚度的工具，定期对薄弱部位进行测量，作为判断残余耐材厚度的依据，但准确度不高，不能有效地探知铁沟侵蚀最严重区域（也就是烧穿危险区域）。

1.2测温电偶监测区域小

为了实时监控高炉炉前铁沟的运行情况，防止铁沟烧穿事故发生，在新铁沟制作时安装测温电偶，预埋到铁沟易侵蚀重点部位，实时监控铁沟的侵蚀情况，通过温度变化结合生产经验来判断铁沟侵蚀程度。因为铁沟制作材料为硅铝质耐高温、耐侵蚀的隔热耐火材料，导热系数低，预埋电偶仅能监测很小的一片区域，生产阶段很难精确判断铁沟侵蚀严重位置，在电偶不能覆盖的盲区极易发生烧穿事故；如果要全面对整个铁沟重点部位进行有效监控，需要布置大量电偶，设计、监控难度很大。即使建立铁沟侵蚀模型，没有庞大的测温电偶作为基础，也无法适应隔热耐材结构下铁沟复杂的工作环境，系统计算结果依然存在盲区。

目前判断铁沟侵蚀程度主要依靠操作人员经验，随意性较大，在实际生产过程中很难做到准确判断，由于无法全面了解整个铁沟工作情况，常常由于耐材自身质量波动或操作人员日常点检不到位等原因，发生主沟局部烧穿造成漏铁事故。

2　高炉铁沟侵蚀监测与判断系统

2.1铁沟监测装置的建立

根据铁沟的设计结构和侵蚀机理，参考高炉炉缸侵蚀系统中成熟的有限元计算方法，通过物理方法在隔热材料（铁沟浇注料）外侧敷设网格，建立监控网络，网格材料使用导热系数稳定材料，能够建立稳定的二维稳态导热模型，降低建立铁沟侵蚀模型的难度、提高计算精度。在网格节点上布置电偶，全面监测铁沟温度变化和分布，做到对整个铁沟尤其是重点部位的全面监控。

高导热网格的设置和热电偶需要在高炉铁沟砌筑的过程中预埋，施工砌筑时在铁沟外侧预埋一层网格状高导热材料，提高整个铁沟外侧的热传导能力，选择部分网格节点设置可更换式热电偶，消除普通电偶监测装置的盲区。该装置包括铜质高导热网格装置，热电偶，保护套管，补偿导线，热电偶采集箱。铁沟电偶布置见图1、图2。

图1　铁沟网格、电偶设置剖面

高导热网格装置使用导热系数高、材质较软、延展性优良的铜片制作，铁沟浇筑时预设在永久层外表面，不影响整个铁沟结构及其他性能；为保护并便于更换电偶，在相应位置安装热电偶保护套管；通过补偿导线将信号引至热电偶采集箱。

图2　铁沟网格、电偶布置示意图

高导热网格的建立能够全面无死区的监测铁沟温度变化，判断铁沟侵蚀情况，适应铁沟复杂的工作环境，采用物理方法设立网格式监控网络，全面掌握铁沟温度变化，解决因铁沟耐火材料导热系数低而无法检测局部温度过高的问题；采用可更换式电偶，当电偶损坏以后，能够方便地更换热电偶。

2.2铁沟侵蚀线位置的判定

铁沟侵蚀监测装置网格位置固定，虽然铁沟分侧壁、底部及结合部位等不同区域，但使用材料导热系数稳定，而浇筑铁沟耐材为隔热材料、侧壁和底部所使用同样材料，对整个温度场影响很小，因此可认为形成了稳定的二维温度场，利用网格节点上设置的热电偶提供数据，采用有限元法计算铁沟外侧网格上各个节点的温度。其传热控制方程［1］:

式中γ为径向距离，χ为轴向距离。

将计算结果建立铁沟外侧的二维温度场，采用两点法计算铁沟此部位1 150℃侵蚀线的位置，得到该部位残余内衬厚度。根据铁沟内衬使用耐材材质的不同，将内衬分为永久层和工作层两个部分，铁沟的维护、修筑都在工作层进行，铁沟侵蚀线应控制在工作层残余厚度。分布将永久层和工作层传热认为是一维稳态传热过程，可得到传热控制方程［1］:

式中:λ1为铁沟工作层的导热系数；λ2为铁沟永久层的导热系数；t1为永久层与工作层交界面的温度；△h为铁沟工作层残余厚度，mm；h1为铁沟永久层，mm。

计算得到△h即为工作层残余厚度，通过与传热控制方程结合和有限元的划分，得到铁沟侵蚀线。铁钩侵蚀装置构建流程见图3。

图3　铁沟侵蚀装置构建流程

需要特别重视的是:高炉铁沟热电偶工作环境很恶劣，比较容易损坏，虽然可以更换，仍不能完全剔除坏点的存在，为保证计算结果的正确性，必须剔除不合理的数据，以提高侵蚀线判定的准确度。

依据稳态导热方程，直接使用稳定网格的有限元及两点法的方法计算铁沟内衬中的温度场，计算方法简单，计算量小，适合铁沟侵蚀特点，计算稳定性和精确度高。这种方法以可实现对铁沟温度场分布的在线监测和自动预警，有利于高炉操作人员及时掌握铁沟内衬侵蚀演变规律、侵蚀厚度变化，预防铁沟烧穿，建立合理的铁沟维修机制和耐材使用标准，最终降低吨铁耐材消耗，预防和减少安全事故。

3　结语

铁沟监测装置使用后，解决了因铁沟耐材导热系数低而无法全面监控局部严重侵蚀、温度过高的问题；通过建立模型，可计算出铁沟残余耐材的厚度，实现了铁沟侵蚀的自动预警，有效地预防了铁沟烧穿；对铁沟侵蚀过程的监控后，可以建立合理的铁沟维修机制和耐材使用标准，最终降低吨铁耐材消耗，提高高炉生产的安全性。

［1］赵宏博，程树森，霍守峰，等.高炉炉缸炉底温度场及异常侵蚀在线监测诊断系统［J］.钢铁，2010，45（5）:11-16.

Abstrraacctt::Through analyzing the characteristics of the refractory material and monitoring status of the trench erosion in the blast furnace，the characteristics of hearth erosion monitoring model were compared.Based on the hearth erosion model，the meshing of the permanent lining surface of the trench is divided.The monitoring and judging system for the gully erosion of blast furnace is established，it can help avoid the iron ditch burn through accidents，the automatic warning of trench erosion and the effective prevention of the iron ditch burn through is realized.Thereby the consumption of tons of iron refractory can be reduced，the safety of blast furnace production can be improved.

Key worrddss::blast furnace erosion；main iron trench monitoring；monitoring device

Construction and Development of Monitoring Device for Iron Gully Erosion in BF

GOU Yi，ZHANG Zuocheng
（Shandong Steel Group Rizhao Co.，Ltd.，Rizhao 276826，China）

TP277.3

B

1004-4620（2016）05-0057-02

2016-06-14

芶毅，男，1980年生，2004年毕业于东北大学材料与冶金学院冶金工程专业。现为山东钢铁集团日照有限公司工程师，从事高炉炼铁工作。