基于对流换热边界算法的炉衬烧蚀系统

刘建华

（山钢股份莱芜分公司自动化部，山东莱芜 271104）

信息化建设

基于对流换热边界算法的炉衬烧蚀系统

刘建华

（山钢股份莱芜分公司自动化部，山东莱芜 271104）

利用对流换热边界算法，应用C#高级语言，莱钢为1#1 880 m3高炉开发出了基于OPC技术数据采集、自动绘制截面侵蚀线及温度云图的在线高炉炉衬烧蚀系统。应用表明，该系统可以实时、直观地向使用者展现高炉炉衬烧蚀状况，为高炉生产运行中的护炉工作提供指导。

高炉；炉衬烧蚀；对流换热；边界算法；侵蚀线；温度云图

1 前言

现代高炉的冶炼强度不断提高，铁水对高炉内部炉衬冲涮、化学侵蚀和氧化等破坏性不断加强，为及时发现和控制炉衬侵蚀，避免重大的侵蚀和炉缸烧穿事故发生，延长高炉寿命，采用基于对流换热边界算法的炉衬烧蚀系统可以在线实时监控高炉炉衬侵蚀状况［1］。

2 烧蚀模型

炉衬烧蚀模型主要是通过利用插入高炉炉衬内部的热电偶测出炭砖一定深度的温度，利用对流换热边界算法模型算出炭砖主要温度的等温线，并且利用1 150℃等温线确定炉衬炭砖的侵蚀量［2］。如果测温点热电偶坏或没有测温点就利用差分法估算出测温点温度，再利用烧蚀模型算出炉衬厚度。

2.1 对流换热边界等效法

高炉炉墙主要是由冷却壁、填充材料和炭砖组成，且成圆筒形状依次紧密结合。因此，高炉炉衬烧蚀问题可以简化为无限长圆筒（见图1）问题，利用对流换热边界等效置换的方法对高炉炉衬烧蚀的情况进行分析［3］。

图1 两层圆筒结构

如图1所示，各界面半径分别为R1、R2、R3，导热率分别为K1和K2，给定内温度T1和外侧对流换热参数，设各界面温度为T1、T2、T3，在单位长度和单位弧度扇区内，由两层热流量相等条件和外边界对流换

热条件得出：

将对流换热界面移动到中间界面，则：

假设两个圆筒内的温度场相同，由公式（1）、（2）、（3）得出：由公式（4）可以看出，对流换热边界移动后的换热系数只与被置换的结构热阻有关，而与结构内侧的边界条件无关，并且还可以把对流换热边界向填料或炭砖内部等效置换。边界等效置换后高炉冷却壁导热问题转化为一维长圆筒问题。因此，高炉炉衬厚度可以利用上面公式由炉衬热电偶温度测点换算得出。

2.2 高炉炉衬等温线分析

高炉2层到炉喉之下的冷却壁对称分布热电偶，并且插入炭砖的深度是一定的，这些热电偶测出的温度能反映出高炉炭砖内某点的温度［4］。利用对流换热边界等效算法得出各个界面的对流换热系数，由公式（3）得出各个温度在炭砖内的分布情况，从而计算出高炉炉衬的等温线。1 150℃是铁渣和铁水的温度分水岭，利用该温度可以得出高炉炉衬的侵蚀情况。

3 炉衬烧蚀系统设计

3.1 炉衬侵蚀程序流程

高炉炉衬烧蚀程序流程如图2所示，利用C#高级语言按照流程所示的步骤进行编程计算就可以算出高炉炉衬烧蚀情况。该流程既可以用于高炉炉衬烧蚀边界的计算，也可以用于炉衬结渣边界的计算。

图2 炉衬烧蚀程序流程

3.2 OPC在线技术

本炉炉衬烧蚀系统中的对流换热边界算法以及其他功能的实现需要大量的程序支撑，PLC不能实现这些功能，因此，本系统选用高级语言C#作为开发工具。炉衬烧蚀模型进行分析首先需要炉衬温度数据，本系统在工业以太网作为硬件基础，开发了基于OPC技术的施耐德PLC上位机高炉炉衬烧蚀系统。OPC采用客户端/服务器模式，为工业自动化软件面向对象的开发提供统一标准，第三方软件利用此标准可方便地读取和操作PLC中的数据［5］。

炉衬烧蚀系统利用Kepware软件作为OPC服务器，在运行之前需要配置Kepware针对施耐德PLC的驱动程序，填入PLC的IP地址、组名和各个温度的标签名及地址。利用Kepware自带的客户端检查各个温度点的数据能否读取上来。OPC客户端利用C#开发，在C#程序中需要建立与OPC服务器的链接，建立组，添加项，最后利用OPC协议中的异步读周期性读取高炉炉衬各个温度测点的温度。客户端程序对读取上来的数据进行异常分析，正常的数据再存储到数据库中，等待炉衬烧蚀计算模型读取分析用。系统各个程序模块的结构图如图3所示。

3.3 绘制炉衬侵蚀线及温度云图

图3 OPC数据采集及与其他程序模块结构

在本系统中分别为高炉炉衬每一段截面设立一个数组记录每个测温点炭砖1 150℃侵蚀半径，在每次侵蚀计算完成后，把计算得出的侵蚀半径与之前存储的侵蚀半径相减取绝对值，再与设定的误差阈值进行比较，如果大于误差阈值则舍去该侵蚀半径，相反则利用这次计算得出的侵蚀半径更新之前的数据，得到一个最新的侵蚀半径，按照这个方法依次更新所有测温点的侵蚀半径，得到侵蚀半径后利用C#语言绘出炉衬截面的侵蚀线图。

利用炉衬烧蚀模型分别计算1 150、1 040、920、810、700、580、470、360、240、129℃对应炉衬半径，分别在界面用红色、绿色和蓝色等颜色表示出来形成温度云图。

4 结语

本系统在莱钢1#1 880 m3高炉炉役后期使用过程中，能够实时在线监测高炉炉衬烧蚀情况，为高炉工长采取进一步护炉操作提供了依据，从而有效阻止铁水对炉衬的侵蚀，避免高炉在炉役后期出现炉壁烧穿安全事故。1#1 880 m3高炉自2004年投产已经生产运行11 a，原计划在2014年进行年修，但2012年该系统投运后，指导工长调整布料矩阵和添加护炉料等护炉措施延缓高炉炉衬烧蚀，把年修计划推迟到2015年，为公司带来效益100万元。

［1］于仲洁，宋木森.高炉炉缸炉底破损研究［J］.钢铁研究，2009，37（3）：1-6.

［2］彭顺风，李玉平，葛芦生.基于三段自修正的炉衬侵蚀测量模型与系统［J］.自动化与仪表，2007（4）：32-35.

［3］陈良玉，李玉.高炉炉缸冷却壁对流换热边界的等效置换与导热模型简化［J］.钢铁研究，2007，35（5）：26-29.

［4］李学付，王平，陈淼.高炉炉缸炉底侵蚀模型的研究与开发［J］.山东冶金，2006，28（1）：37-39.

［5］程爱民.基于VB的稳定态多层壁炉衬参数的计算［J］.工业炉，2010，32（1）：37-39.

Furnace Lining Ablation System Based on Convective Heat Transfer Boundary Algorithm

LIU Jianhua
（The Automation Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

Utilizing convective heat transfer boundary algorithm and using C#advanced language,Laiwu Steel developed the online blast furnace lining ablation system with data acquisition based on OPC technology and automatic drawing section line and the temperature nephogram of erosion for the No.1 1 880 m3BF.Applications indicated that the system intuitively showed the real time status of blast furnace lining ablation to the user,providing guidance for furnace protection work in the operation of blast furnace production.

blast furnace;furnace lining ablation;convective heat transfer;boundary algorithm;temperature nephogram

TP277

A

1004-4620（2015）02-0053-02

2015-01-16

刘建华，男，1982年生，2008年毕业于安徽工业大学电力电子与电力传动专业，硕士。现为山钢股份莱芜分公司自动化部工程师，从事高炉自动控制工作。