瑞爾動(dòng)態(tài)
高爐出鐵主溝永久層襯體的改進(jìn)與數(shù)字化智慧管理
2022-05-24 | 數(shù)字化智慧管理
（ 此圖為中國(guó)冶金報(bào)截圖）
高爐出鐵主溝是高爐生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，直接關(guān)系著高爐冶煉生產(chǎn)的渣鐵排放、分離以及安全生產(chǎn)。鐵水主溝型式改為儲(chǔ)鐵式、工作層襯體由傳統(tǒng)的搗打型升級(jí)為澆注型后，通鐵量得以顯著提高。同時(shí)，由于儲(chǔ)鐵式鐵水主溝的耐火內(nèi)襯幾乎完全被高溫渣鐵所掩蔽，不能直接觀察到工作層襯體的侵蝕形態(tài)，主溝燒穿漏鐵的發(fā)生幾率也同時(shí)上升。尤其在超高強(qiáng)度冶煉、一次出鐵量大幅增加、采用內(nèi)襯承包服務(wù)的模式場(chǎng)合，持續(xù)提高主溝通鐵量以改善經(jīng)濟(jì)效益為常態(tài)，常見(jiàn)因未能及時(shí)準(zhǔn)確探查到工作層襯體的侵蝕形態(tài)而出現(xiàn)燒穿漏鐵的安全事故。
鐵水主溝通鐵量與內(nèi)襯耐火材料的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能、工藝設(shè)計(jì)特征、渣鐵成分、施工制作等因素密切相關(guān)，其中的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)與技術(shù)性能是獲得高鐵量的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)鐵水主溝采用澆注型工作襯體時(shí)，工作層襯體與鋼殼之間的永久層一般均采用標(biāo)普型小塊耐火磚砌成，同時(shí)在鋼殼熱面砌筑一層隔熱磚以降低鋼殼的溫度；有的超大型高爐的鐵水主溝為防止渣鐵意外接觸鋼殼出現(xiàn)瞬間燒穿，在鋼殼內(nèi)面還砌筑一層高鋁-碳化硅磚。由于鐵水主溝使用過(guò)程中存在振動(dòng)、冷-熱循環(huán)、工作層襯體解體沖擊等，這種小塊耐火磚永久層襯體不可避免地存在移位、松動(dòng)、磚縫松脫等現(xiàn)象，導(dǎo)致工作層襯體不能獲得良好的背部支撐而出現(xiàn)應(yīng)力裂紋；移位、松動(dòng)的永久層也不能較好地限制空氣從工作層背部滲入，進(jìn)而影響工作層冷端的耐材抗侵蝕性能，降低了工作層的有效厚度。
傳統(tǒng)爐前維護(hù)中，由于鐵水主溝內(nèi)襯處于高溫渣鐵完全遮蔽不可見(jiàn)的狀態(tài)，操作者多采用人工棒探的方式在鐵后探測(cè)工作層襯體的侵蝕深度、是否出現(xiàn)溝槽等；為了保險(xiǎn)，有的高爐采用放殘鐵檢查工作層襯體的侵蝕形態(tài)，但此時(shí)會(huì)降低鐵水主溝的通鐵量。人工棒探的探查方式既不能全面地探查到工作層襯體的侵蝕形態(tài)，又難以及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)工作層襯體的裂縫、孔洞等危險(xiǎn)點(diǎn)，因而埋下鐵水主溝燒穿漏鐵的危險(xiǎn)隱患。
上述可見(jiàn)，改進(jìn)鐵水主溝永久層襯體結(jié)構(gòu)、提高通鐵量，利用先進(jìn)成熟的數(shù)字化智慧工業(yè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控主溝內(nèi)襯侵蝕進(jìn)程應(yīng)該是提高高爐爐前裝備水平的重要內(nèi)容之一。
永久層襯體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
某公司針對(duì)標(biāo)普型小塊耐火磚、隔熱磚砌成鐵水主溝永久層的技術(shù)不足，早在2009 年即在超大型高爐的鐵水主溝上開(kāi)始采用特異型大塊耐火制品永久層，近年又連續(xù)為中國(guó)寶武集團(tuán)超大型高爐的多條鐵水主溝上提供了特異型大塊制品永久層項(xiàng)目，斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
圖1 所示的鐵水主溝永久層中，側(cè)壁采用高鋁-碳化硅質(zhì)大塊耐火制品，底角采用高鋁質(zhì)大塊耐火制品，側(cè)壁大塊耐火制品與鋼殼之間設(shè)有隔熱緩沖墊與澆注襯。這種鐵水主溝永久層襯體中，側(cè)壁大塊制品具有抵抗熔融渣鐵侵蝕的能力，當(dāng)出現(xiàn)鐵水意外鉆透工作層襯體時(shí)可阻礙鐵水迅速接觸、燒損側(cè)壁鋼殼；大塊耐火制品之間均設(shè)有細(xì)部密閉結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化了永久層襯體對(duì)熔融鐵水、空氣的阻斷能力；永久層中設(shè)置膨脹縫，消除熱膨脹對(duì)鋼殼與工作層襯體的不利影響；鋼殼工作溫度低、壽命長(zhǎng)、能在整個(gè)工作周期中為工作層襯體提供有力支撐；根據(jù)工作層侵蝕特征，分區(qū)設(shè)置可更換的測(cè)溫熱電偶與溫度監(jiān)視系統(tǒng)，建立工作層侵蝕形貌的推測(cè)模型，實(shí)時(shí)監(jiān)視內(nèi)襯溫度、工作層侵蝕量、侵蝕速率等。
內(nèi)襯溫度監(jiān)視與侵蝕推測(cè)系統(tǒng)
該公司在提供圖1 所示的鐵水主溝大塊制品永久層時(shí)，同時(shí)整體提供由熱電偶測(cè)溫、溫度采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、PLC、
數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的溫度監(jiān)視與內(nèi)襯侵蝕形貌推測(cè)系統(tǒng)。利用此數(shù)字化智慧管理系統(tǒng)，操作人員通過(guò)終端顯示的大塊制品實(shí)時(shí)溫度，能夠及時(shí)掌握工作層的侵蝕情況。同時(shí)，該系統(tǒng)根據(jù)傳熱原理，采用有限元方法建立了大塊耐火制品溫度、工作層侵蝕深度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用溝襯三維掃描技術(shù)提高推測(cè)模型精度，從而實(shí)時(shí)將工作層侵蝕深度、侵蝕趨勢(shì)直觀地提供給管理員，使其能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握鐵水主溝的安全狀態(tài)。無(wú)疑，這種數(shù)字化智慧管理較傳統(tǒng)人工棒探方式提高了時(shí)效與精度，將工作層內(nèi)襯的利用控制在了合理的冗余程度。
上述內(nèi)襯溫度監(jiān)視與侵蝕推測(cè)系統(tǒng)的主要功能包括：鐵水主溝內(nèi)襯溫度的自動(dòng)采集、分析、存儲(chǔ)和顯示，結(jié)構(gòu)材料特性修正與自學(xué)習(xí)，自動(dòng)繪制、顯示各溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線，溫度管理值設(shè)定與二級(jí)自動(dòng)報(bào)警，統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，圖形、數(shù)據(jù)、報(bào)表的輸出功能，工作層襯體侵蝕形貌判斷與推測(cè)。
與普通場(chǎng)合應(yīng)用的溫度監(jiān)視系統(tǒng)比較，上述系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于系統(tǒng)能夠對(duì)構(gòu)成鐵水主溝的物理體系特性進(jìn)行自學(xué)習(xí)、修正，從而提高了工作層襯體侵蝕形貌的推測(cè)速度與精度，使得該系統(tǒng)能夠為管理員提供更加接近實(shí)際的推測(cè)結(jié)果。該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功基于矩陣測(cè)溫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的鐵水主溝數(shù)字化智慧管理系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)能夠獲得更高精度的鐵水主溝工作層襯體侵蝕形貌。
應(yīng)用概況
近幾年，該公司已經(jīng)完成了國(guó)內(nèi)外8 條、正在進(jìn)行6 條超大型高爐的鐵水主溝大塊制品永久層和數(shù)字化智慧改造，主要改造內(nèi)容包括：鐵水主溝大塊制品永久層襯體、溫度監(jiān)視系統(tǒng)與工作層侵蝕形貌推測(cè)數(shù)學(xué)模型。其中，國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司4700m3高爐已經(jīng)于2020 年11 月份順利投產(chǎn)，截至目前，鐵水主溝在各運(yùn)行周期中未出現(xiàn)異常膨脹、渣鐵滲漏、空氣串漏、鋼殼溫度超限等現(xiàn)象。
結(jié) 語(yǔ)
由標(biāo)普型小塊耐火磚、隔熱磚構(gòu)成的鐵水主溝永久層、人工棒探檢查方式，在現(xiàn)代超高冶煉強(qiáng)度高爐上存在通鐵量提升效率與安全保障能力的不足，應(yīng)該予以有效改進(jìn)。
采用特異型大塊耐火制品構(gòu)筑的鐵水主溝永久層襯體，在穩(wěn)定性、密閉性、對(duì)工作層襯體的支撐能力等方面優(yōu)于傳統(tǒng)型式的永久層，對(duì)降低工作層襯體、提高鐵水主溝通鐵量具有明顯效果。
利用大塊制品永久層襯體中預(yù)置的熱電偶實(shí)時(shí)檢測(cè)襯體溫度，并集成溫度采集、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)學(xué)模型建立的鐵水主溝數(shù)字化智慧管理的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確度等優(yōu)于傳統(tǒng)的人工棒探，可實(shí)時(shí)、直觀地為管理員提供鐵水主溝工作層襯體的侵蝕形貌與趨勢(shì)，指導(dǎo)管理員進(jìn)行鐵水主溝運(yùn)行、休止的準(zhǔn)確管理，提高了爐前安全生產(chǎn)保障能力。
裝備特異型大塊制品永久層、數(shù)字化智慧管理系統(tǒng)的鐵水主溝已經(jīng)在多條超大型高爐的鐵水主溝得到實(shí)際應(yīng)用，獲得預(yù)期使用效果。