马钢高炉炉底应力监控模型与应用初探

廖海欧

马钢高炉炉底应力监控模型与应用初探

廖海欧

针对马钢第三炼铁厂2座4000m3高炉投产近十年的变化，通过系统分析，发明了选用普通称重传感器制做的压板式应力检测装置，成功检测到高炉生产变化数据量化的盲板力、热应力、有害元素分子力、边缘气流力，同时创造性地依靠无损接触式的方法，用来稳定炉底、炉缸的保护，成功创建了高炉炉底应力监控模型平台。通过炉底应力模型平台一年来的实践和指导高炉操作，稳定使用固体废料，此新技术可让更多同行分享。

高炉炉底 应力监控 指导操作

1.前言

高炉炉底检测监控技术一直是国内外高炉炼铁行业的空白。如何把科学的基本原理作为支撑做立足点，寻找可采集高炉整体作用产生变化的参数做切入点，实现应用现代机、电、仪、控综合技术的有机集成，这些都是全球高炉同行一直在艰苦探索的关键问题。

自18世纪以来，高炉炼铁技术始终是炼铁的主要生产方式。由于高炉炼铁技术的经济指标好、工艺简单、生产量大、劳动生产率高、能耗低，这种生产方式成为主流，所生产的铁占了世界铁产量的95%以上。我国作为世界上第一钢铁生产大国，目前已拥有4000m3以上的巨型高炉22座，在这方面应该有突破的基础。

炼铁高炉横断面为圆形，炉壳通常选用热轧BB503厚20cm-100cm的钢板制成，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。为保护炉壳稳定，在炉壳与耐火材料内衬之间安装有冷却壁，通过冷却水进行冷却，以确保炉壳的强度、刚度及工作性能的稳定。

高炉生产过程中，炉内的应力、温度、气流、铁水液面及物理、化学反应产生的各种变化，都全部作用到刚性钢质的炉壳上，产生一定范围的应力变化波动，最后自上而下集中作用于炉底。

2.炉底炉缸变化的背景

2.1 高炉生产现状

马钢第三炼铁总厂两座（A、B）4000m3高炉，2007年投产三年多后发现炉底板上翘，炉底板四周翘起，与基础之间距离高达200mm左右，引起公司上下高度关注。

公司曾组织过多次研讨，还聘请了日本新日铁、韩国浦项的专家进行交流。专家有认为盲板力、锌富结、碱金属、有害元素的问题，也有认为需改进焊炉底板、加配重、改水管，最终未形成统一意见。之后，公司又与国内1000m3、2000m3、5000m3高炉有同样炉底上翘问题的同行交流，发现这些高炉大都在监控安全下，频繁检修，基本也都是被动维持生产。

从2015年起，公司决定依靠自己的团队，针对上翘高炉炉底稳定进行研究，制定了抑制炉底上翘实施方案、防止炉底回落实施方案、炉底在线检测实施方案，以应对炉底异常变化、炉底上翘，有效控制现状，保障安全生产。经研究首先全面测量炉底板上翘及高炉整体上涨数据。

为防止不确定因素造成系统失去平衡，导致炉底煤气泄漏，方案首先确定先稳定上翘炉底的原则，不打破现有的平衡，不对现有安全运行的设备进行变动，不对高炉本体采取任何施工措施。

2.2 全面测量炉底板

通过全面测量上翘引起的高炉整体变化，发现主要变化来自风口以下部分：

（1）铁口情况

A高炉▽11.5，上涨213mm；B高炉▽11.4，上涨178mm。

（2）风口情况

A高炉▽16.05，上涨253mm；B高炉▽15.98，上涨177mm。

（3）煤气上升管出口情况

A高炉▽46.73，上涨234mm；B高炉▽46.60，上涨98.5mm；。

（4）炉顶钢法兰情况

A高炉▽48.97，上涨177mm；B高炉▽48.88，上涨82mm。

在全面分析高炉上涨数据后，发现高炉上涨主要来自下部。从炉底下部入手，采取接触式、无损稳定措施，确保当期安全生产。另外，借助稳定保护措施，建立位移、温度、应力检测监控系统，进行数据采集、完成数据统计分析，以寻找对应关系，制定对策、采取措施。

3.稳定炉底的无损措施

通过分析测量数据，发现炉底变化的主导因素是炉缸部分的变化。在稳定上翘炉底的方案中，是要确保高炉工艺、设备状态稳定，不破坏当前的各种平衡，不对炉体本身采取任何措施。既要尽可能多的抵消上涨力，又要防止炉底回落，保持炉缸耐材工作状况的稳定。在结合研究原设计图纸、现场作业环境和多方面的因素，同时进行了实做试验，找出了“可为与不可为”，得出了稳定炉底的无损措施。

3.1 抑制炉板上翘的具体措施

由于炉底水冷管对作业的限制，采取“见缝插针”的办法，沿炉底封板一周，采用化学植筋的方式预埋108个M36-M42的锚栓，通过压板扣住炉底板，从而抑制炉底板上翘。

在炉底H梁位置设置辅助压紧装置，从38根炉底H型钢梁(HM250×170）两端设置76件L型辅助压紧装置, L型装置的底板与炉底H型钢梁焊接，L型装置的螺栓螺母压住炉底板。利用炉底H型钢梁的拉力来平衡炉壳上涨力，从而增加抑制炉底板上翘的力。同时又保证了炉底H型钢梁与炉底板相对稳定，确保炉底板与炉底H型钢梁的塞焊连接不被进一步拉开，防止炉底板进一步损坏发生煤气泄漏。

3.2 防止炉底回落的具体措施

完成抑制上涨力的措施后，及时对炉底板下部浇注填料，实施防止回落的措施。在浇注填料的实施前，要同步完成炉底测温点和位移监测装置的安装调试，同步建立在线监控系统，以更准确地掌握上翘炉底板的温度、位移变化趋势。

4.创建炉底应力监控模型

根据抑制力的计算，创建实时应力监控数学模型，并与中控计算机系统实现无缝对接，形成应力曲线图，运用炉底无损的上翘压紧及装置系统，完成对整个系统的监控（见图1）。

图1 高炉底板实时应力监控数学模型

5.应力监控模型平台

5.1 上翘炉底应力监控曲线

根据一年来几次有代表性的高炉检修，通过应力监控模型平台画出的曲线，发现了大型高炉、炉底板上翘的几个成因，了解了盲板力的大小、炉缸工作热应力的变化以及有害元素分子力的富集的原因。炉底应力实时数据采集，所对应的高炉应力、温度等各种工艺参数有机集成的大数据平台目标的实现，也为及时掌握炉缸工作状况的变化，保持高炉生产长周期稳定顺行，延长高炉寿命及准确安排大中修，提供了新的数据平台，在国内同行中属于首创（见图2、图3、图4、图5）。

图2 2015年11月26日 马钢A高炉检修炉底应力曲线

图3 2016年1月28日 马钢A高炉检修炉底应力曲线

图4 马钢A、B高炉一年来的应力曲线

图5 2016年测试B高炉四个铁口区域一天的应力变化曲线

5.2 应力监控模型指导高炉操作的启示

一年多来，马钢创造性地依靠没有连接、无损、接触式的方法，用来稳定炉底、炉缸的保护，成功创建了高炉炉底应力监控模型平台，并以此结合高炉炉况及经济技术指标变化的具体实践和分析，证明此平台完全可以监控高炉的工作状况，指导高炉操作，及时调整对策实现高产、低耗、长周期稳定。随着时间的延续和大数据的不断积累分析，还会有更多的发现。

（1）高炉炉底应力监控模型可靠、灵敏度高，真实反映了炉底炉缸的应力场的变化和工作变化。

（2）高炉炉底应力监控模型为高炉操作准确掌握下部变化、提出数据分析提供了技术支撑，同时也开创了高炉炼铁应力监控技术发展的先河。

（3）高炉炉缸应力监控模型平台及应力场的变化，能够准确掌握大型炉窑和设备的工作状况，可以拓展到其他领域。

（4）炉底应力场的变化，突破了温度场单一监控炉缸的工作状况。可结合应力场配合温度场共同分析炉缸的侵蚀状况，为高炉长寿及大中修提供支持。

（5）炉底应力的波动能迅速反映炉况的优劣，是“高炉炉况新的晴雨表”。

（6）应力波动与顶压和送风状况有明显的对应关系，但不是炉底板上翘的主要原因，提升顶压操作参数不会发生严重后果。

（7）应力不会持续上升，也有回落的时间段。通过对应力回落时间段高炉操作的参数积累分析，能够找到控制手段。

6.结语

在高炉炉底应力监控模型平台“半周”时，炉缸工作热应力800吨左右，能及时、准确发现炉缸工作的劣化，并及时调整出铁制度，活化炉缸均匀性。在平台“满月”时，发现盲板力不超过500吨左右，即使增加顶压操作也不会有大影响，可以释放高炉操作的禁锢。在平台“百日”时，发现有害元素分子力持续增加，必须要有效控制，规范固体废量使用，使应力状况趋于稳定，进而基本消除因渣皮脱落造成的炉况波动。在平台“周岁”时，发现边缘气流应力300吨左右，边缘气流的强弱会引发炉腹上部炉壳温度产生应力波动，边缘气流的变化对排锌有影响，可以衡量缘气流调整效果，减缓冷却壁热流强度。

高炉炉底应力监控模型平台发现四个铁口工作区域有明显不同，与铁口工作状况、铁口区炉缸的活跃程度等有密切联系，准确对应了炉缸工作的正常生产、休风到零、高炉复风及铁口打开各个阶段的关系，尤其是准确地对应了炉缸休风时段的细微变化，可以指导并及时调整当期出铁制度，达到活化炉缸的目的。

应力场配合温度场，可以共同分析炉缸的侵蚀状况，为高炉长寿及大中修提供更准确的依据。同时也为大型高炉活跃炉缸，准确掌握各铁口的工作状况，降低燃料比，提高各项经济技术指标，突破高炉操作思维，提升高炉生产操作的技术水平，创建新的技术保障平台。

进入新世纪以来，受到自然资源短缺、能源供给不足、生态环境保护等方面的制约，加上遵循循环经济理念，节能减排的新要求，还有加快“精料入炉”向“经济料入炉”的转变等，高炉炼铁生产如何迅速、平衡、再发展，必须要有新技术的突破与支撑，需要增加炉底炉缸检测监控系统，任重道远。

（作者单位：马钢第三炼铁总厂）