鱼雷罐侵蚀监测系统的开发

史东磊，杨晓婷，闫本领，翟 丹，薛金成

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064404）

引言

鱼雷罐是盛放高温液态铁水的容器，由内部的耐材和钢质外壳组成，鱼雷罐使用过程中内部的耐材不断被侵蚀，当侵蚀到一定程度时，就必须重新砌筑耐材；耐材侵蚀严重时，铁水可能会烧穿耐材，造成安全事故和经济损失。目前，耐材的侵蚀情况主要依靠人工判断，会造成鱼雷罐侵蚀状态的误判，国内由于鱼雷罐烧穿漏铁造成损失和安全事故曾多次发生[1]。准确判断鱼雷罐罐体耐材侵蚀情况，同时对鱼雷罐成本及高炉正常运行的影响最小，是目前炼铁生产急需解决的问题。

1 鱼雷罐监测系统的实施目标

（1）对在线运行鱼雷罐罐号的自动检测和识别。

（2）运行鱼雷罐外部温度的实时监测，通过侵蚀模型计算鱼雷罐内衬残厚。

（3）与鱼雷罐实时定位系统相结合建立鱼雷罐的综合管理系统。

（4）实现远程监控及综合管理。

2 鱼雷罐监测系统的组成

鱼雷罐罐体监测系统由红外热像仪、鱼雷罐罐号识别设备、数据通讯系统、系统服务器、鱼雷罐侵蚀模型、声光报警设备、PC显示器等组成。

其中红外热像仪及鱼雷罐罐号识别设备安装在运行鱼雷罐车的铁轨附近（≤10 m），采集的鱼雷罐数据及视频、图像信息由数据通讯系统传输至安装了鱼雷罐耐火材料侵蚀模型的系统服务器上，显示器及声光报警设备与服务器相连，提供相关信息界面的显示及声光报警功能，系统构成示意图如图1所示。

图1 鱼雷罐监测系统构成示意图

当装满铁水的鱼雷罐经过红外测温仪及罐号识别设备时，由罐号识别设备读取安装在鱼雷罐车上的超高频电子标签卡内置信息，并将超高频电子标签卡的信息通过读卡器识别出鱼雷罐的罐号，然后安装于鱼雷罐车轨道两侧的红外热像仪对整个鱼雷罐罐体表面进行扫描及温度检测，自动拍摄出被测鱼雷罐的热成像图像，通过数据传输系统将所有的数据及信号传送至系统服务器，再由安装在服务器上的鱼雷罐罐体侵蚀模型处理后，将最终的计算结果显示在显示器上。

该系统提供报警功能，当被测鱼雷罐罐体最高温度超过预先设定的报警温度时，由声光报警器发出声光报警。而对于倒空铁水后的空鱼雷罐经过检测设备时，则该系统不进行检测(读取其它项目的鱼雷罐实时定位系统信息)，避免对鱼雷罐罐体耐火材料侵蚀情况误判。

鱼雷罐综合管理系统主界面提供温度监测界面、历史数据、鱼雷罐定位系统、鱼雷罐砌筑信息、报警信息、鱼雷罐跟踪系统、鱼雷罐电子档案、系统参数设置、系统信息、用户登录、临检罐号等功能区块，实现多账号管理及远程操控、公司管理内网各相关数据库间调用及分析，建立鱼雷罐电子档案，并提供相关信息查询、下载等功能。

宝宝说：“一次偶然的机会，我拉下了桌布，发现桌上的碗会动，我好兴奋，就像发现了新大陆。热汤热茶，也不能阻止我继续探索的决心。我们幼儿园的老师把桌布铺在地上，让我们玩‘地面新大陆’，餐桌上的饭菜就很少再被拽翻了。”

3 鱼雷罐监测系统的系统参数及特点

3.1 罐号识别

为了实现对鱼雷罐罐号的识别不受环境及机械磨损等外部因素影响，实现全天的精准识别，本系统采用超高频率电子标签卡识别技术，射频识别系统识别距离可达10 m，抗干扰能力强。

其中超高频电子标签卡采用无源标签，标签与读卡器之间的耦合方式为电磁耦合方式，读卡器天线辐射场为无源标签提供射频能量。系统投运前，先对超高频电子标签卡设置对应的鱼雷罐罐号，并将电子标签卡安装于鱼雷罐车上。当鱼雷罐车经过检测位置时，电子标签卡进入读卡器天线辐射场内，读卡器天线将电子标签卡唤醒，通过读取电子标签卡内部的信息，连接罐号自动识别系统API 接口，获取每个被检测鱼雷罐的罐号。通过过这种方式，对鱼雷罐罐号的识别率可以达到99.99%，系统运行稳定、准确。

3.2 鱼雷罐表面温度的准确测量

被测鱼雷罐经过系统检测点，自动实时采集所有鱼雷罐表面的温度照片，见图2，并传输至服务器统计计算,评估出鱼雷罐耐材的侵蚀状况，并进行记录和跟踪。在此过程中无需鱼雷罐停车，无需清空铁水，24 h 全自动监控，自动评估鱼雷罐耐材侵蚀状态。

图2 鱼雷罐温度显示

温度测量的范围：-30 ℃～ 1 200 ℃;

温度测量的精度：±2 ℃或读数的±1.5%。

3.3 罐体温度及侵蚀模型的计算

通过数据传输系统传递的所有数据及信号传送至系统服务器，监测系统获取鱼雷罐的热成像图像和鱼雷罐罐体表面各点的温度[2]，通过对接鱼雷罐罐体侵蚀模型，计算得出鱼雷罐体耐火砖残厚数据。

鱼雷罐罐体分为锥环部位、渣线部位、筑环部位、冲击区四个不同的区域（如图3所示），每个区域耐火材料和种类和砌筑厚度都不相同[3]，为了更准确地计算鱼雷罐罐体耐火砖残厚数据，需要对鱼雷罐的侵蚀模型进行完善，根据鱼雷罐罐体的不同区域分别建立不同的侵蚀模型。

图3 鱼雷罐耐火材料砌筑图

整体的鱼雷罐罐体侵蚀模型建模如下：

单位表面热损失计算公式：

针对鱼雷罐罐实际情况可分解为：

外表面单位面积热损失计算公式：

内部材料单位面积热损失计算公式：

其中：δ——耐材厚度；

λ——材料导热系数；

α——表面放热系数（外壳与空气对流辐射等换热系数）。

3.4 温度及侵蚀结果报警功能

根据现场实际每个鱼雷罐的真实尺寸及材质，建立起准确的侵蚀仿真模型，建模鱼雷罐内部各部位耐材的侵蚀数学模型，通过监测传输过来的表皮温度计算出鱼雷罐内部耐材的侵蚀情况[4]；同时设置鱼雷罐表皮最高点温度自动报警功能，当鱼雷罐罐体最高温度超过所设定的危险温度时，显示画面自动标识出鱼雷罐监测画面高温点位置，弹出报警画面并启动声光报警装置，无需岗位操作人员时刻监控，减少劳动强度。同时根据侵蚀模型，自动计算出最高温度点位置的计算侵蚀深度，为岗位人员提供参考数据。

3.5 数据存储查询导出功能

提供对鱼雷罐罐体温度的数据及图像进行存储查询及导出功能，数学模型计算出的侵蚀数据也可查询及导出，方便不同管理人员需要，可以为各鱼雷罐管理部门、人员提供详实、准确的数据。

4 鱼雷罐监测系统的运行效果及效益说明

自2019 年4 月投运至今，在进入一炼钢铁路道口投入鱼雷罐罐体侵蚀监测系统，整体设备运行稳定、测量精度高、操作简单方便、模型数据清晰、显著提高了鱼雷罐管理工作效率，实现了对所有进入一炼钢的鱼雷罐进行实时在线监测，满足设备精度及稳定性要求。

图4 报警显示界面

效益计算,2020 年5～8 月份，鱼雷罐使用寿命较1～4月份平均提高了14次，节约资金约64.77万元。

5 结论

鱼雷罐侵蚀监测系统可以准确地检测鱼雷罐表皮温度及通过侵蚀模型计算内部耐材侵蚀情况，保证鱼雷罐安全稳定的运行，有效避免漏铁事故发生。同时可准确地掌握内部耐材残厚信息，避免鱼雷罐过度维护及过早拆除，有助于提高鱼雷罐耐材使用寿命。