高炉炉缸长寿的智能化控制

高炉炉缸长寿的智能化控制

王刚邹忠平许俊李爱锋

近十来年,高炉炉缸烧穿的事故频发。据不完全统计,在2000年以后,国内外有数十座高炉炉缸被烧穿。而另有大量高炉出现炉缸侧壁温度升高,事故安全隐患给生产单位带来减产甚至停产的巨大经济损失,给生产管理人员和技术人员带来身心上的无尽折磨。如果有一套在线系统,能够对炉缸长寿状况进行准确全面的监控、对凝铁层减薄原因进行智能诊断、针对长寿状况恶化给出准确的建议措施,从而避免炉缸的异常侵蚀,对提高高炉长寿管理的准确性、及时性和便捷性将大有帮助。在此背景下,本研究将高炉炉缸工艺设计、传热学理论与高炉操作工艺相结合,开发了一套炉缸长寿智能管理系统,在炉缸长寿管理方面取得了良好的效果。

1炉缸长寿机制研究

经过多座1000m3级、2000m3级、3000m3级和4000m3级高炉的炉缸解剖调查发现,炉缸炭砖热面存在一层凝铁层,它阻断了炭砖与铁水的直接接触。炭砖的铁水熔蚀指数也表明,如果炭砖直接暴露在高温的铁水中,40min内炭砖被侵蚀掉15%-30%。因此,炭砖热面形成稳定的凝铁层,是炉缸长寿的关键所在。经过试验研究,凝铁层的主要成分是Fe和C的化合物,通常C能达到10%-30%甚至更高,过饱和的C析出来,以石墨碳的形式存在,另有少量的CaO、SiO2等熔渣凝结物。凝铁层的导热系数在2-10w/(m・K)左右,一般低于炭砖导热系数,这为降低炭砖的温度,防止温度过高而失效发挥了重要作用。

凝铁层稳定形成的条件是炉缸建立稳定有效的传热体系。只要传热体系有效,炭砖受到冷却壁的冷却保护,其热面就会形成凝铁层。有凝铁层的炉缸传热体系如图1所示。

凝铁层的厚度可以通过傅里叶一维传热公式进行计算,通过铁水与1150℃凝固线之间的热流强度与插入炭砖的两支热电偶之间的热流强度相等建立方程。

2炉缸长寿智能管理系统的工艺架构

炉缸长寿智能管理系统由炭砖残厚和凝铁层在线监控模块、炉缸气隙判断模块、炉缸长寿状况判断模块、凝铁层减薄原因诊断模块、长寿状况恶化的智能建议模块组成,5个模块呈递进关系,如图2所示。

3炭砖残厚和凝铁层在线监控

在本系统开发之前,已成功开发基于二维有限元算法的炉缸侵蚀模型,凝铁层的计算是在炉缸侵蚀模型中一并进行计算的。侵蚀模型通过推定炭砖侵蚀线和1150℃等温线,两条线之间区域为凝铁层。

由于侵蚀模型通过对炉缸仪表传回的数据进行在线计算,本系统可对炉缸各个标高和方位的炭砖残厚和凝铁层厚度进行在线动态跟踪,极大地方便了高炉操作者及时了解炉缸的残厚及凝铁层状况。

4炉缸气隙判断

炉缸气隙往往产生于冷却壁与碳素捣打料之间,气隙是破坏炉缸传热体系的重要因素。气隙的导热系数为0.0285w/(m・K),仅约相当于炭砖的1/500,铸铁冷却壁的1/1200,一旦形成气隙,整个传热体系的热阻大大增加,热流密度下降,热量导出减少,大量热量在炭砖积聚,引起炭砖温度升高,凝铁层减薄甚至脱落,最终炭砖遭到侵蚀。因此,判断炉缸是否存在气隙非常重要。气隙一般是由于碳素捣打料捣打不密实、烘炉不彻底等建设期的因素造成的,因此很难彻底治理,一般应结合炭砖

残厚采取控制压力灌浆,封住气隙通道。

利用传热学原理,可对炉缸气隙厚度进行计算。通过插入炭砖的两支热电偶之间热流强度与冷面热电偶和冷却水之间的热流强度相等建立方程。

5炉缸长寿状况判断

全面评判一座高炉的炉缸长寿状况,不应仅仅看炭砖的残厚。炭砖残厚虽然很厚,如果凝铁层已经减薄甚至脱落,说明很快将面临新的侵蚀,炉缸仍是不健康的;相反,炭砖残厚虽然较薄,,如果凝铁层长期稳定存在,说明炉缸状况稳定,长寿状况良好。此外,还应结合气隙判断,以便对炉缸长寿状况进行较全面的综合判断。

炉缸长寿状况的判断规则如表1所示,长寿状况共分为非常好、好、一般、不好、差、很差、极差7级。系统将计算的炭砖残厚、凝铁层厚度、气隙厚度与表1进行比对,自动报出长寿状况的诊断结论。

6凝铁层减薄原因的智能诊断及建议

凝铁层减薄的根本原因是传热体系的平衡遭到破坏,来自传热体系内部和外部两方面的原因均可起到破坏作用。

内部原因包括:1)产生气隙;2)炭砖和捣打料受到H2O、CO2等气体侵蚀,导热系数下降,等等。

外部原因包括:1)铁水环流加大,铁水与凝铁层之间的换热系数增加;2)冷却水量变小;3)冷却水温升高。

通过传热学计算研究,对影响凝铁层厚度的各种因素的定量化关系总结如表2所示。

如表2所示,影响凝铁层最大的因素是气隙厚度,其次是铁水环流速度,而冷却水速和冷却水温有一定影响,但相对是很小的,往往不是决定性因素。在高炉投产后,炭砖和碳捣料的导热系数相对变化是很小的,因此,破坏传热体系引起凝铁层减薄的主要因素有两个一个是内部因素即气隙,另一个是外部因素即铁水环流速度。产生气隙的原因主要是施工不到位和烘炉不彻底引起的,引起铁水环流速度变化的原因则更加复杂,利用系数越高,出铁不佳,死料柱肥大及透液性变差,均会引起铁水环流加剧,而死料柱状态又和原燃料质量有密切的关系。经过跟踪多个高炉生产,发现焦炭热态强度CSR、焦炭灰分、焦炭平均粒度是引起死料柱肥大和透液性下降的主要原燃料指标。这样,就对引起凝铁层减薄的因素进行了层层分解,直到找到最底层的原因。

图3是引起凝铁层减薄的因素分解图。如图3所示,将引起凝铁层减薄或脱落的因素分解到末级,主要有产生气隙、利用系数增加、焦炭粒度下降、焦炭CSR下降、焦炭灰分增加、操作上炉缸中心不活。

根据炉缸长寿状况判断,如果诊断结论是不好及以下,则系统会立即进行原因诊断和报出建议措施。系统制定的规则则和对应关系如表3所示。

表3中,如果有1条诊断原因为真,则认为是单单由该原因引起的凝铁层减薄,如果有2条或以上的诊断原因为真,则认为是由这几条原因同时引起的凝铁层减薄。如果前6条原因均不满足诊断依据的条件,则说明是其他原因引起的,超出了系统目前的诊断范围,则需要靠专家凭借经验进行更加深入的诊断。

7结语

本文通过对高炉炉缸长寿智能管理系统的研究、开发与应用,得到以下结论:

1)高炉炉缸长寿的机制是在炉缸炭砖热面形成了稳定的凝铁层,防止炭砖直接与铁水接触,从而避免遭到侵蚀。

2)根据炉缸长寿机制开发了炉缸长寿智能管理系统,具有炭砖残厚及凝铁层在线计算、炉缸长寿状况判断、凝铁层减薄原因诊断和给出针对性建议4项功能。

3)该系统的核心作用不仅仅是计算炭砖已经被侵蚀了多少,而是通过凝铁层厚度减薄的预警和控制来避免炭砖发生侵蚀,从根本上保证炉缸的安全。