高炉炉缸侵蚀监控系统的应用研究

1080m3高炉炉缸侵蚀状况的分析

摘要：为了延长某钢厂高炉（有效容积1080m3）炉缸的工作寿命，开发了计算炉缸侵蚀状况的数学模型。利用该模型

计算了高炉从2011年9月至2013年4月十九个月的侵蚀状况，发现该高炉的炉缸受到了较大的侵蚀，炉底已经侵蚀到

第一层陶瓷垫的底部，形成了锅底状的侵蚀。

关键词：高炉；炉缸；侵蚀状况；数学模型

Analysis of erosion situation of hearth in 1080m3Blast Furnace Abstract: For prolonging the campaign of hearth in a 1080 m3 Blast Furnace, a mathematical model is developed to compute the erosion situation of the hearth. With the model, the position of erosion line is calculated from Sep. 2011 to Apr. 2013. It is found that the hearth of the Blast Furnace is seriously eroded, at the bottom the 1150 erosion line touched the bottom of the first layer of ceramic pad.

Key words: Blast Furnace; Hearth; erosion situation; mathematical model

1前言

高炉生产实现高效与长寿的统一，一直是炼铁工作者关注的课题。提高高炉生产效率，可以降低

生铁成本[1]；延长高炉寿命可以节约大修费用，以及减少大修期间产量损失[2]。实际上，高炉寿命受

诸多因素影响，如炉型设计、耐火材料质量等因素，但所有这些因素在投产前已经定型。投产后，炉

缸炉底的是影响高炉寿命的重要因素，原因是在高炉冶炼过程中，高炉炉缸炉底的工作条件尤其恶劣，侵蚀、破坏的速度十分迅速，且不能象高炉其他部位那样，在生产过程中修补，可以说炉龄长短主要

取决于炉缸、炉底耐材的侵蚀状况。而炉缸、炉底的破坏是化学、流体动力学及热变形共同作用的结

果[3]。

炉缸、炉底侵蚀破坏的机理和原因，冶金工作者们做了大量探讨和研究，但由于客观条件的限制，只能局限在停炉、拆炉后才能确定最终的侵蚀状态[4,5,6]。

近二、三十年中，高炉生产被迫停炉的主要原因已经不再是炉体问题，而是炉缸砖衬受到严重侵蚀，这种现象越来越突出[7,8]。因此，对炉缸炉底的监测仅停留在散点跟踪己不能满足需要，开展高炉

炉缸炉底侵蚀数学模型研制，并利用该模型监视炉缸、炉底等温线、热流强度变化具有重要的意义。

本文介绍了炉缸侵蚀数学模型的计算原理，以及运用该模型计算某厂高炉炉缸状况的结果，并进

行了分析。

2计算原理

针对某厂高炉的侵蚀情况，开发了一个计算炉缸侵蚀状况的数学模型，其中，将高炉炉缸、炉底

按传热的特点进行分区计算：采用将炉底中心、炉缸及炉底拐角部分别计算的方法，在传热情况相对

单一的炉底中心区和炉缸区采用一维稳态传热计算，计算中考虑耐火材料导热系数随温度的变化；在

传热情况复杂的炉底拐角区采用定节点、定形状、变步长且耐火材料导热系数随温度变化的稳态有限

差分的方法进行计算。

3炉缸侵蚀情况分析

3.1炉壁侵蚀情况的分析

根据某厂高炉从2011年9月至2013年4月十九个月数据，运用高炉炉缸侵蚀模型，计算出炉缸

炉底的侵入深度。如图1为2011年9月炉缸侵蚀横截面图，图2为2013年4月炉缸侵蚀横截面图，1

号风口侧炉缸拐角处侵蚀较严重。从图3中可以看出炉缸在这十九个月中受到了较大的侵蚀，炉底位

置侵蚀严重，已经侵蚀到第一层陶瓷垫的底部，形成了类似锅底状的侵蚀。在绝对高度8610mm的水

平面，1150线位置在1号至7号风口侧位置发生较大的变化，其余风口处1150侵蚀线位置相应的降低，在各个铁口侧1150侵蚀线的位置均出现向外侧和下部延伸的现象。5号、10号、15号和20号铁口侧

在炉缸拐角处侵蚀较严重。

图 1 2011年9月炉缸侵蚀横纵截面云图和等温线图

图 2 2013年4月炉缸侵蚀纵截面云图和等温线图

图 3 2011年9月-2013年4月炉缸侵蚀线的对比3.2 炉底部分的侵蚀情况

(a) 炉底中心处的1150侵蚀线位置的变化趋势图

(b) 炉底中心处的侵蚀深度的变化趋势图

图4 炉底中心处陶瓷垫的侵蚀深度

由图4可以看出，炉底中心在2011年9月至2012年2月侵蚀较为迅速，从2011年9月侵入的最低深度153mm逐渐加剧侵蚀，侵入深度接近300mm。从2012年2月至2012年8月侵蚀情况非常稳定，并有所缓解。从2012年8月至2012年11月侵蚀情况加剧，并在2011年11月侵入深度达到最高值377mm。2012年11月之后侵蚀情况较为稳定，并且在2013年2月出现较小的侵蚀深度，2013年2月之后的两个月，侵蚀情况有所加剧。总的看来，炉底中心侵蚀情况较为严重，侵蚀线接近第一层陶瓷垫的底部，总体的侵蚀深度的变化波动很大。炉底中心处的1150侵蚀线位置十几个月变化很小，最高位置出现在2012年11月，接近第一层陶瓷垫下沿的位置。

4结论

（1）针对某厂高炉的侵蚀情况，开发了一个计算炉缸侵蚀状况的数学模型，其中，将高炉炉缸、炉底按传热的特点进行分区计算。

（2）根据某厂高炉从2011年9月至2013年4月十九个月数据，运用高炉炉缸侵蚀模型，发现炉缸受到了较大的侵蚀，炉底已经侵蚀到第一层陶瓷垫底部，形成了类似锅底状的侵蚀。

参考文献

[1] 施月循，王德民，王文忠．高炉炉缸炭砖脆化层的形成及防止[J]．东北大学学报，1996（1）：20~24.

[2] 张皖菊，张影，杜钢．高炉炉缸炉底侵蚀机理研究进展[J]．钢铁研究，2001（12）：10～14.

[3] 吴启常，黄晓煜．高炉长寿技术研究[J]．鞍钢技术，2003(1)：1~9.

[4] F. Yan, Q. C. Zhou, D. Huang, et al. 3-D Computational Modeling of a Blast Furnace Hearth [C]. AISTech 2004 Proceedings,

Nashville TN, 2004: 249~260.

[5] D. Roldan, Y. Zhang, R Deshpande, et al. 3-D CFD Analysis for Blast Furnace Hearth Wear [C]. AISTech 2006 Proceedings,

Cleveland OH, 2006: 167~176.

[6] S. P. Mehrotra, Y. C. Nand．Heat balance model to predict salamander penetration and temperature profiles in the sub-hearth

of an iron blast furnace[J]．ISIJ InternationaI，1993 (8)：839~846.

[7] S. J. Gdula, R Biaeecki, K Kurpisz, et a1．Mathematical model of steady state heat transfer in blast furnace hearth and

bottom[J]．Transactions ISIJ，1985：380~385.

[8] H. W. Gudenau, M Scheiwe, A Sieger，et al．Simulation of thermo-chemical and thermo-mechanical load in blast furnace

hearth[J]．Steel Research，1993 (11)：535~541.