龙钢新2#高炉水改造方案syh.docx

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龙钢新2#高炉水改造方案syh

龙钢新2＃号高炉改造方案

（技术方案）

北京中科创新园高新技术有限公司

2009-08

目录

1高炉炉缸炉底侵蚀监测的意义3

2FE系统概述4

2.1FE系统在高炉炼铁中的作用4

2.2FE系统的功能4

2.3我公司FE系统的特点4

2.4FE系统结构原理概述5

3FE系统设备选型6

3.1FE系统的组成6

3.2FE系统选型6

4FE系统设备安装11

4.1传感器的安装11

4.2气密引出装置和信号采集接线箱安装14

5龙钢*号高炉现状15

5.1炉缸、炉底的测温点分布15

5.2现状分析17

6系统改造方案介绍18

6.1系统改造设计思想18

6.2系统改造方案18

1高炉炉缸炉底侵蚀监测的意义

高炉长寿是当代冶金工作者最关心的问题之一。

国外先进高炉一代炉役（无中修）寿命可达15年以上，部分达20年以上。

国内高炉一代炉役（无中修）寿命在10年以下，少数10~15年，故近年来急起直追。

高炉长寿涉及炉子设计、冷却设备、耐材、自动化、操作、维护等，无疑自动化是关键问题之一。

高炉长寿中的自动化主要包括以下5方面：

1）各风口支管的热风流量检测；

2）高炉冷却水监视；

3）炉身砌体温度检测；

4）风口热风量分布自动控制；

5）炉缸炉底侵蚀监视。

其中炉缸炉底侵蚀程度最能直接反应炉子的寿命

目前国内外高炉的薄弱环节仍然是炉身下部炉腰和炉腹等部位的冷却器以及炉缸炉底砖衬等部位，这些位置的过早损坏将严重影响到高炉的寿命。

因此，前人在炉墙厚度测定上进行了较多探索和广泛研究，其中减缓炉缸炉底内衬侵蚀越来越成为延长一代炉役的主要因素，是保证高炉长寿最有效的手段。

在我国，高炉大体上采用的是由工长依据炉衬热电偶测温和冷却器进出水温差对炉缸炉底侵蚀状况进行判断的，但它是散点的、非连续的。

高炉冶炼过程中，有时会出现炉缸局部工作不均、局部边缘煤气流过分发展等造成短时间内局部水温异常现象，如不能及时发现、采取相应措施，会造成炉缸、炉体结厚、烧穿等重大事故。

所以，为了准确、及时的掌握炉缸砌体的安全工作状况，高炉操作者希望随时对炉缸砌体内的温度分布有所了解和监控。

因此，现代高炉需要建立一个炉缸炉底侵蚀监测模型，以便对炉缸炉底侵蚀状况进行监测预警。

同时指导高炉顺产，延长高炉寿命。

有鉴于此，我公司与北京科技大学合作，在学习和借鉴国内外相关技术的基础上，研发出这套具有国际先进水准的高炉炉缸炉底侵蚀监测系统（简称“FE”系统）。

面向冶金行业，为高炉安全生产保驾护航。

在多年的应用中得到了用户的认可和好评。

2FE系统概述

2.1FE系统在高炉炼铁中的作用

FE系统是在炉缸炉底区域的每一层冷却器或耐火材料受热面下的碳砖中预埋若干只热电偶，监测碳砖温度。

利用传热学原理并通过数学模型解析，转换成直观显示耐火材料厚度的二维画面。

直接向高炉操作者显示耐火内衬的参与厚度及炉缸炉底1150℃铁水凝固线（面）和870℃碳砖侵蚀线（面）.使整个炉缸炉底耐火炉衬的残余厚度始终处于受控状态，从而使生产的安全处于监控下，保证了生产的安全。

FE系统的主要作用如下：

在炉役前期：

高炉投产后，炉身下部和炉缸炉底是高炉长寿高效的限制性环节，FE系统能够对炉缸炉底的工作状态进行及时准确的监测。

合理的炉墙热负荷对炉内热状态及高炉的顺行起着至关重要的影响。

因此对炉身下部和炉缸炉底热面温度、闸皮的形成脱落、炉墙热负荷进行在线监测，对高炉的稳产顺行具有重要意义。

在炉役中期：

由于铁水环流对炉缸炉底的冲刷、氧化及化学侵蚀，炉缸炉底耐火内衬已有明显的侵蚀。

为了延长炉缸炉底的寿命，就要减少或避免高温渣铁水直接冲刷侵蚀炉缸炉底的耐火材料，使炙热的铁水与炉缸炉底耐火材料隔离，因此必须及时掌握炉缸炉底的温度场分布、侵蚀集结厚内型和渣铁壳变化；同时在高炉生产时，还要保证炉缸的活跃性和稳定性，这就要求对炉缸结厚及活跃状态也作出实时判断。

据此作出生产调节或护炉措施，以实现高炉长寿高效。

在炉役后期：

对高炉炉缸炉底可能烧穿的部位进行预警，以便高炉车间采取正确和及时的措施，防止高炉炉缸炉底烧穿事故。

2.2FE系统的功能

1）FE系统能够直观显示各切面炉底和炉缸耐火内衬侵蚀状态图；各温度点分布图；历史曲线图；统计图等。

2）FE系统能够自动不间断的对高炉炉底及炉缸的内衬实际温度分布进行自动检测记录和处理。

3）FE系统可直观的彩色显示当前及过去任意时刻（根据硬盘容量而定）的高炉不同切面的内衬表面温度实际分布。

4）FE系统对高炉炉缸、炉底可能烧穿的部位进行预报警，以便高炉车间采取正确和及时的措施，防止高炉炉缸炉底发生烧穿事件。

2.3我公司FE系统的特点

我公司研发的FE系统是利用在高炉炉缸炉底的耐火砖内埋设的俄罗斯杰斯科技有限公司的专利产品——高炉专用温度传感器，来检测高炉炉缸和炉底内的温度分布情况；结合国内高炉的运行情况，利用传热学原理,运用多极边界元法，我公司及北京科技大学合作研发出FE系统专用软件，通过计算机信息处理技术来确定高炉炉缸炉底的侵蚀状况的自动化系统。

FE系统能使工长能在线观察到炉内状况，能更好地操控高炉，避免事故的发生，使高炉实现安全、稳产、高产、低耗和长寿的目标，具有巨大的经济效益和良好的社会效益。

FE系统软、硬件运行寿命大于现代高炉的一代炉龄，并结合国内高炉的运行情况，利用传热学原理,运用多极边界元法，对炉缸炉底的侵蚀数学模型进行了改进,开发出了具有良好的用户界面、强大数据处理能力的应用软件,在线监视炉缸炉底的侵蚀形状。

2.4FE系统结构原理概述

高炉炉缸炉底侵蚀自动监测及预警系统的结构原理如下图所示：

FE系统原理图

该拓扑结构为三级拓扑结构，一为现场数据采集级，二为监控管理级，三为网络管理级。

1.现场数据采集级：

包括高炉炉缸炉底所埋设的高炉专用传感器。

用于高炉炉缸炉底内衬耐火墙中各预测点的温度采集。

2.监控管理级：

包括上位机、下位机和通讯转换器。

进行现场数据采集，显示现场各采集点的信息，完成人机对话。

3.网络管理级：

完成对监控管理级的信息交换及处理，对生产过程起监督管理的作用，并与上级的管理网络连通，把生产过程的动态数据送到网上，实现网络管理一体化。

3FE系统设备选型

3.1FE系统的组成

FE系统由现场数据采集级、监控管理级、网络管理级组成的，共同完成对高炉炉缸炉底的侵蚀情况的监视工作。

其中现场数据采集级所包含的设备有：

专用测温传感器、气密引出装置、信号采集接线箱（内含专用接线排）；

监控管理级所包含的设备有：

软件、工业控制计算机、显示器、通讯设备、专用电源模块、专用控制器、配电箱、报表打印机等；

网络管理级（可根据需方要求选配）所包含的设备有：

网络交换机、ERP系统服务器等；

3.2FE系统选型

●专用测温传感器

专业测温传感器为俄罗斯杰斯科技有限公司生产的专利产品。

其定购人在俄罗斯和独联体已经超过了500家企业。

专业传感器在检测中具有工艺性并且很方便；具有稳定性，不易弯曲和受振动影响，有很小的惯性，高度的稳固性和长工作寿命（大于一代炉龄）；在0-48mV区间具有很好的线性再生特性。

专用传感器的外直径：

≤3.5mm。

专用传感器的长度可达到60m。

●气密引出装置

FE系统专用测温传感器的引线在安装时必须分组，沿高炉冷却壁与冷却壁之间夹缝敷设到气密引出装置钢管内并作密封处理以保证其足够搞的致密性。

FE系统的气密引出装置是管式结构，由不锈钢金属制成，缝隙用特殊密封材料填充，将传感器固定、封牢，以保证其密封性。

●信号采集接线箱（内含专用接线排）

不同高炉采用不同的接线箱

●工业控制计算机

FE系统采用研华工业控制计算机。

P43.0G/1G/160G/100M网卡

研华IPC-610P4-30ZF

●显示器

FE系统采用三星21’液晶显示器

●软件

北京中科创新园高新技术有限公司与北京科技大学合作，结合国内高炉的运行情况，利用传热学原理,运用多极边界元法，开发出了具有良好的用户界面、强大数据处理能力的应用软件,可以实时在线监视炉缸炉底的侵蚀形状。

其先进的数学模型能准确地推算内衬侵蚀的程度、计算内衬的残留厚度和人性化的界面使工长能直观的观察到炉内状况，能更好地操控高炉，避免事故的发生，使高炉实现安全、稳产、高产、低耗和长寿的目标，具有巨大的经济效益和良好的社会效益。

多极边界元法模型采用VisualC与Matlab混合编程，通过建立传热数学模型来实现以下主要功能模块：

（1）炉缸炉底温度场计算的数值模拟：

包括不同冷却壁材质、不同炉缸内衬、不同冷却参数等结构的温度场计算数值模拟；

（2）菜单及对话框人机对话输入：

包括关键参数系数的数据库，尺寸及材质的导热系数，报警上、下限设置等；

（3）侵蚀预测：

根据来自测温元件的数据，对炉缸的侵蚀状况进行修正推测，确定炉缸内部铁水凝固线1150℃和870℃炭砖侵蚀线的位置；

（4）计算结果的曲线/图形输出：

包括温度场和侵蚀线预测曲线和图形显示；

（5）历史数据查询、打印模块。

系统界面如下图：

纵切面监视图

横切面监视图

●通讯设备

ADAM-4521是一款智能RS-422/485到RS-232转换器。

它专门为将RS422/485设备与RS-232网络相连而设计的。

RS-232是一种最通用的传输标准，在大多数计算机系统，测量设备，PLC及工业设备中得到了广泛得应用。

但由于RS-232是一种不平衡的传输，它在传输速度，通信距离，特别是网络能力等方面都受到了很大的限制。

ADAM-4521可寻址转换器解决了这个问题，它能为每个RS-232设备分配一个地址，使用RS-232设备组件一个易于通信的RS-485网络。

主要性能

◆内置微处理器

◆最高传输速率可达115.2kbps

◆1000Vdc隔离保护

◆RS-485线路过压保护

◆RS-232和RS-485可设定不同波特率

●专用控制器

FE系统采用研华专业控制器模块ADAM-5000/485，系统使用EIA标准RS-485协议，这是工业界广泛使用的用于双向、平衡传输的通讯标准。

RS-485标准协议是特别为工业多站系统需要在远距离高速传输数据而开发的。

ADAM-5000/485系统使用带屏蔽的双绞线来传送和接收数据。

这样可减少布线数量、连接器和额外的通讯装置（如中继器和滤波器）以简化安装，并能使整个网络的成本大幅降低。

主要性能

◆单个RS-485网络可以支持到256个ADAM-5000/485系统

◆通讯速度可达115.2kbps

◆涌流和电压反相保护

◆宽电源范围：

未经调理的电压+10~+30VDC

◆启动时硬件自检

◆通过插入式螺钉接线端子块容易进行接线

●FE配电柜

FE系统配电柜

4FE系统设备安装

4.1传感器的安装

在高炉初建时，将若干支高炉专用测温传感器预埋在高炉的炉底和炉缸的耐火砖中。

将高炉的炉缸炉底按不同的层和不同的纵面，将其分为若干个横断面和若干个纵面。

传感器按照一定的规律预埋在炉底和炉缸的耐火砖中。

具体方法如下：

炉底区域横断面：

在每一个横断面的耐火砖上开凿出沟槽（沟槽的长度取决于新建高炉的直径大小，深度为5mm。

）

炉缸区域横断面：

在每一个横断面的耐火砖上开凿出沟槽（沟槽的长度小于等于0.5m，深度12－15mm，宽度小于等于4mm）

埋设后的沟槽采用特殊材料进行填充，以便保证其密封性。

具体施工尺寸根据不同的高炉进行不同的设计。

炉底某层专用传感器分布示意图（不同高炉设置不同）

炉缸某层专业传感器分布示意图（不同高炉设置不同）

FE系统传感器埋设示意图

4.2气密引出装置和信号采集接线箱安装

FE系统高炉专用测温传感器的引线先分组，然后沿高炉冷却壁与冷却壁之间的缝隙敷设到气密性引出装置钢管内并作密封处理以保证其足够搞的致密性。

同时根据不同高炉的设计，设置若干个气密引出装置，和若干个信号采集接线箱。

气密引出装置及信号采集接线箱安装示意图

气密引出装置安装示意图

5龙钢*号高炉现状

5.1炉缸、炉底的测温点分布

具体*高炉炉缸、炉底砌砖图及温度点分布图如下：

图1（15°,195°）

图2（75°,135°,255°,135°）

Layer1，3，6-10；高度分别4.95m，5.765m，6.595-8.73m

Layer4,5;高度6.157m,6.558m

图3

图4

图5

5.2现状分析

龙钢*号高炉投产已一年多，在设计中没有专家系统和侵蚀模型这部分，只有在炉缸炉底关键部位预埋了热电偶。

根据现场勘查情况，目前*号高炉指标不太好：

热电偶数量少,设计仅在炉底关键部位预埋了多个热电偶。

有鉴于此，炼铁厂计划修复损坏测温点或利用现有炉缸炉底测温点的数据，增加炉缸侵蚀监测模型系统。

从而达到密切监测炉缸侵蚀状况、保护高炉安全生产的目的。

6系统改造方案介绍

6.1系统改造设计思想

1.结合龙钢高炉现状，引入高炉炉缸炉底侵蚀监测及预警系统；

2.利用先进的数学模型，建立炉缸炉底温度场。

3.利用炉壁冷却水测温点辅助修正炉缸炉底温度场

4.确定1150℃侵蚀线和870℃碳化线

6.2系统改造方案

由于预埋的热电偶数量少，仅依靠从热电偶的温度数据难以进行侵蚀推算，不能得到完整的侵蚀轮廓和温度场分布，而且无法掌握异常情况的出现，只有建立侵蚀模型，才能及时准确的在线监控炉缸炉底的侵蚀情况，为此：

做好热电偶标识工作

1、确认可用的热电偶数量，比较分析可获取温度数据与建立数学模型

需要数据匹配情况。

数学模型需足够的数据才能建立和解析，因而确认可用的热电偶数量与系统需求匹配程度，进而采取修正弥补手段，获得足够的数据。

2、弥补温度数据缺失的处理方法

硬处理：

根据热电偶损坏分传感器本身损坏、控制器AD转换通道损坏、传输线路问题等不同原因分别进行修复；对于炉缸部分，可以在冷却壁的进出水管上安装水温差传感器，辅助校正侵蚀模型和热流温度场。

软处理：

利用传热学原理，根据炉缸炉底材料的不同传热系数，推算出相邻测量点位的温度。

由于传热系数是一个动态变化量，利用相邻完好的两点温度推算出近似动态传热系数，对材料的传热系数进行校正，以保证推算出来温度的准确性。

这样可以弥补一维或二维模型只顾“面”，不顾“点”的缺陷。

3、多极边界元法数学模型

原理：

高炉炉缸、炉底的传热过程中，通过傅立叶定理和能量守恒定理，可以推导出系统的基本能量守恒方程为：

由于炉缸、炉底传热过程的复杂性，所以建立传热模型时要根据炉缸、炉底的传热特点作简化和假设：

在稳态或准稳态传热情况下，炉缸、炉底的侵蚀过程是比较缓慢的，温度场相对稳定，故可忽略时间变化的影响；

炉缸、炉底耐火材料内部不存在内热源，传热过程为无内热源的稳态传热过程；

轴对称系统：

炉缸、炉底水平截面切线方向的传热可忽略不计，故炉缸、炉底为二维传热过程；

炉缸侧面外部和炉底底层水冷区的温度为已知的，即由炉缸最外层靠近炉壳和炉底靠近炉基的测温元件测出的温度值作为温度边界条件；

炉底中心线两侧的热流为零，同时炉缸上部界线两侧没有热流，即为绝热边界条件。

基于以上假设，模型算法分三步：

Step1炉缸炉底切面划分

选定直角坐标系：

径向为x轴，对称轴向（高度方向）为z轴。

在周向（圆周方向）将炉缸炉底分成6个纵切面，以Sec**表示，以1#铁口旁切面为Sec01，（俯视图）顺时针方向旋转增加，直至1#铁口另一旁的切面为Sec06，如图1所示：

如图1

Step2边界单元分割

选定单元，对边界予以分割，如图2；

图2纵切面边界分割（除中心8点共用外，其余共28点。

）

Step3边界条件赋值求解

程序流程图

●以1150℃侵蚀线为活动边界，假定初始位置，利用可测和已知的边界T和q值，求出未知边界T和q值；

●利用论域内非边界上的测温点对1150℃侵蚀线再进行修正、侵蚀边界逼近，获得最优的侵蚀边界，进而建立温度场。

由于1150℃侵蚀线（铁水凝固线）是波动边界（侵蚀或结厚），所以采用将计算温度与实测温度比较，找出最小的Tmin=T（计算值）－T'（测量值），从而确定侵蚀边界。

检定函数为：

以炉底中心和炉缸侧壁上部炉衬作为一部分，根据偏差大小通过上下或左右移动与修正点相对应的边界侵蚀线上的点来调整，每次移动量。

再返回重新迭代计算温度场，如此重复修正、迭代计算，直到小于一定要求——即给定值时，即输出节点温度值，绘制侵蚀图（线）。