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摘要 ：高炉寿命的长短主要决定于高炉炉缸、炉底。如果炉 缸、炉底严重侵蚀没有及时发现，容易导致烧穿等重大事故, 针 对新钢两座 2500M3 高炉炉缸、炉底侵蚀状况 , 通过利用热电偶 及冷却设备数据监测炉缸炉底侵蚀监测模型，提供了高炉炉缸、 炉底的侵蚀程度与注意事项。本论文详细阐述了本技术的具体 实施方案、思路及其功能的实现。
关键词 ：高炉,炉缸炉底,侵蚀模型,应用
新钢两座2500M3 高炉自2009 年开炉投产以来，已安全运行 约 10 年，目前处于炉役中后期。由于高炉设计时，炉缸侧壁，尤 其是象脚侵蚀区域热电偶预埋偏少，导致形成较大的监控盲区。 高炉炉缸第六层、第七层、第九层、第十一层、第十二层碳砖采 用德国西格里碳砖。炉底封板上下两层热电偶， 炉底碳砖内预埋 三层热电偶，炉缸环砌碳砖内预埋 5层热电偶，热电偶分 8 个角 度监测炉缸炉底耐材安全，合计安装 106 个热电偶监测点。高炉 安全运行至今超过 10 年，已进入高炉服役中后期，炉缸炉底耐 材内预埋的热电偶数据完好率超过 90%，炉缸炉底内耐材及热 电偶保护完好 , 可以继续使用。
1 高炉目前炉缸、炉底侵蚀状况
高炉炉缸炉底侧壁冷却采用密闭循环水方式，单块冷却壁 水管采用四进四出方式，冷却水支管没有安装温度和流量监测 点，不能测算单块冷却壁的热流强度数据。两座高炉每层冷却壁 分别有 176 根冷却水管，但炉缸、炉底 1 层~ 4 层冷却壁只有 8 个水温差在线检测点， 其余均靠人工手动检测， 这种方法既不及 时，又不连续，不容易看到规律和进行数据对比，且工人劳动强 度高，误差大，无法真实反映热流强度变化，容易造成生产事故 影响高炉寿命， 且作业区煤气较大， 存在较高的安全风险。
2500M3 高炉铁口附近均有个别点的温度一直居高不下，受 到现有检测手段的限制，无法得到及时监控和采取相应防范措 施，不能满足高炉20 年长寿目标的需要。此外受限于现有单一 的监测手段和缺乏对热电偶的数据进行实时的采集和存储，单 纯的依靠现有条件无法建立起炉缸、炉底的侵蚀模型。
2500M3 高炉亟需完善监测手段，通过重点区域补栽少量热 电偶， 利用电偶温度结合水温差、热负荷及热流强度等多方面的 数据建立高炉在线监测和高炉炉底、炉缸侵蚀预警系统， 真正的 做到防患于未然， 保证高炉顺行、安全、稳定生产。
2 模型主要内容
2.1 炉缸炉底侵蚀模型实施思路
目前两座高炉铁口附近均有个别点的温度一直居高不下， 根据现有的检测手段的限制，无法得到及时监控和采取相应防 范措施， 不能满足高炉长寿目标的需要。
由于监测手段单一和无法对热电偶的数据进行实时的采集 和存储，以现有条件无法建立起炉缸、炉底的侵蚀模型。需补加 碳砖温度点、进出水温差检测点及流量检测数据。
冷却水系统的热负荷是判断冷却水系统运行状态的数据基 础，为了在线监测高炉关键部位冷却壁，比如炉底水冷管、炉缸 段冷却壁、风口小套、炉腰冷却壁、炉腹冷却壁、炉身冷却壁等 部位的热负荷，可以在这些冷却壁的进水管和出水管上安装在 线式温度传感器和电磁流量计，通过其进水温度、出水温度、水 流量实现对其热负荷的在线监测。
整体思路如下 ：
(1) 把原安装的热电偶温度点数据纳入炉缸侵蚀模型数据 库，提前对每支热电偶现场实测， 确认数据真实有效。
(2) 炉缸炉底重点区域补栽少量热电偶，加强重点区域的温 度监控。
(3) 炉缸部位安装水温差监测点和流量监测点，形成热流强 度，重点为铁口区域附近。
(4) 通过热电偶温度监测、冷却系统热流强度监测 , 数据相互辐射区域，相互验证数据，形成三维的侵蚀模型，全面监测炉 缸炉底安全。
在线检测关键部位冷却壁，尤其是铁口附近以及象脚侵蚀 区域炉缸各段冷却壁的热负荷。主要目的不仅仅是监测冷却壁 本身的安全状态，更重要的是可以进一步依据高炉炼铁工艺特 点和冶金传输原理开发专业数学模型，通过冷却壁热负荷的变 化对炉缸炉通底耐材的侵蚀程度进行在线监测和预警。
生产实践表明，只有建立完善的监测系统，连续在线监测炉 缸段冷却壁的水温差、热负荷，并建立炉缸炉底侵蚀预警系统， 才能实现高炉的安全、长寿和高效生产。
2.2 模型实施主要技术内容
高炉本体热负荷从上至下逐渐增大，根据各部位热负荷强 度不同，需重点监测炉身中下部、炉腰、炉腹以及炉缸部位水温 差变化。炉体中部热负荷可反映出炉衬内部是否存在结厚或者 侵蚀严重情况，炉缸部位热流强度可辅助炉缸炉底侵蚀模型精 确反映出炉缸内衬工作情况。
2500M3 高炉目前已满负荷运转约 12 年，进入炉役末期，为 有效避免烧穿等安全事故， 必须加装相应安全监测系统。根据实 际情况， 通过补栽热电偶和安装水温差在线监测系统， 建立炉缸 侵蚀模型是最直观、最有效的监控手段。
为了更好的监测高炉内衬工作情况，及时了解高炉冷却水 水温差和各部位热流强度情况，尤其是炉缸炉底部位的热流强 度，保证高炉安全生产。该模型拟在炉缸、炉身重点部位安装水 温差温度传感器、流量计， 在炉缸侧壁碳砖中补栽热电偶。
(1) 水温差温度传感器布点方案。由于热电偶插入位置只在冷却壁缝隙间， 不能准确检测有冷却壁保护的炉衬温度， 所以需 要通过测量冷却壁冷却水管水温差来检测有冷却壁保护的炉衬 温度。由于铁口区域属于容易被侵蚀区域，为保证高炉安全生 产，加大了对铁口区域冷却壁水温差的监测。同时由于两块冷却 壁缝隙之间的炉衬没有冷却壁保护、更易发生侵蚀， 所以主要测 量冷却壁边缘的冷却水管水温差。
本模型充分考虑了炉底、炉缸的安全，制定了水温差监测点 设计方案。根据铁口区域重点监测(铁口区域每块冷却壁的每根 水温均安装温度传感器)，非铁口区域局部监测(每块冷却壁四 根中选弱冷区的2 根水管安装温度传感器) 共设计水温差监测点 450 个，流量计 18 台。
(2) 炉缸热电偶补栽方案。高炉是炼铁生产系统的主体，在 整个冶金生产过程中占有重要地位，高炉本体的温度监测事关 热工过程的自动调节和安全生产，据了解该高炉目前已满负荷 运转约 11 年，进入炉役末期，综合判断炉缸炉底侵蚀相对严重， 已对高炉生产安全顺行造成一定威胁 ;炉缸炉底安全是炉役后 期安全生产的重中之重， 且炉内冶炼环境复杂， 根本无法直观监 测，针对目前情况，为有效避免烧穿等安全事故，必须加装相应 安全监测系统，而炭砖埋装热电偶是监测温变，评估侵蚀最直 观、最有效的安监手段。
由于2500m3 高炉砌筑时预埋热电偶数量偏少，且布点设计 存在缺陷，致使炉缸、炉底重点部位温度监控有盲区，不能判断 炉缸、炉底碳砖的真实侵蚀程度。为保证高炉生产安全顺行，全 面监测炉缸炉底碳砖温度和侵蚀程度， 补栽热电偶势在必行， 用 以保证炉缸炉底温度监控， 满足安全生产工艺监测要求。
由于原装热电偶在圆周方向及高度方向上布置均较为稀疏， 同时高炉使用寿命已在 10 年左右，为实现高炉安全长寿生产， 该模型通过补栽热电偶来加大对铁口区域的温度监测。为了更 完善地监测炉缸安全，本着“以铁口为中心，铁口下方为重点” 的原则，特制定热电偶补栽方案如下 ：① 9# 高炉热电偶补栽方 案 ：在铁口中心线以下标高 7.992m、8.393m、8.794m、9.195m、 9.595m、9.995m、10.495m 和 10.995m 八个标高上补栽 53 对单支 双点热电偶， 与原有热电偶“交错布置”，插入碳砖深度 50mm 和 10mm。② 10# 高炉热电偶补栽方案 ：在 10# 高炉炉缸、炉底重 点区域补栽 51 支单支双点热电偶，并判断现有热电偶的正常使 用情况，能够利用的必须利用。建立炉缸、炉底热电偶数据库， 对热电偶的实时数据进行存储。在铁口中心线以下标高 7.992m、 8.393m、8.794m、9.195m、9.595m、9.995m、10.495m 和 10.995m 八个标高上补栽 51 对单支双点热电偶，与原有热电偶“交错布 置”，插入碳砖深度 50mm 和 100mm。
2.3 模型开发的技术原理
新钢2500m3 高炉开发的炉缸侵蚀监测在线分析预警系统采 用多维稳态传热数值算法和计算机软件技术，形成一套多层次、 多角度、全面监测炉缸炉底安全运行状况的数学模型和可视化 工具软件， 具备连续监测分析炉缸炉底温度监测数据、并根据模 型准确计算出炉缸炉底内部等温线以及温度场、凝固层和渣皮 厚度等多项精确数据，高炉操作者可根据该系统预警功能及时 调整操作参数， 预防安全事故的发生。
该系统需达到以下功能 ：
(1) 通过局域网与高炉原PLC 系统完成对接实现数据共享， 通过TCP/IP 协议或者 OPC 协议共享炉缸炉底热电偶温度数据。
(2) 在炉缸重点监测区域补栽部分热电偶，采集热电偶温 度。与PLC 系统共享的热电偶温度数据进行融合，建立炉缸炉 底耐材温度数据库。
(3) 根据耐材的温度数据，结合耐材的热传导特性，在不同角 度上绘制等温线、形成温度场分布、温度云图、计算耐材侵蚀程度、 耐材剩余厚度、渣铁壳厚度等， 有效避免炉缸烧穿事故的发生。
(4) 系统实时采集炉缸炉底部位的冷却壁进出水温度、流量 等信息， 结合冷却壁的面积， 监测整个炉缸部位每块冷却壁的热 流强度， 以冷却壁为单位， 对整个炉缸炉底部位的热流强度进行 监测和分析， 绘制不同横向切面的侵蚀数据分析图， 形成侵蚀模 型，直观的显示高炉内部的运行状态。
(5) 结合炉缸炉底碳砖温度、冷却壁热流强度及其变化趋 势，判断高炉内部复杂的冶炼环境， 实现高炉炉底炉缸横向和纵 向的等温线、侵蚀厚度、侵蚀类型的在线监测预警和对碳捣料导 热系数异常、气隙、碳砖环裂等异常情况判断。
(6) 进行炉缸炉底三维网格划分，结合物理模型和数学模 型，建立每个节点的三维状态， 形成整个炉缸炉底部位的三维温 度场分布、碳砖侵蚀程度、渣铁壳厚度。
(7) 三维模型实现后，将形成一套多层次、多角度、全面监测 炉缸炉底安全运行状态的可视化系统，实时在线监测和分析炉缸炉 底侵蚀模型数据，直观显示炉缸炉底内部 1450℃、1150℃、850℃、 650℃的等温线位置，显示铁水线位置、凝固线位置、警戒线位置、 安全线位置、渣皮厚度等多项数据， 保证高炉运行安全和长寿。
(8) 炉缸炉底碳砖温度监测、侧壁冷却系统的热流强度监 测，数据相互验证，排除异常情况，保证监测全面，数据准确。 为高炉安全生产提供重要依据， 保证高炉安全长寿。高炉运行异 常情况报警， 防止事故的发生。
2.4 模型的技术要点
水温差传感器采用在线带压开孔安装，由于高炉密闭循环 水冷却系统在正常生产过程中不允许停水，并且管道内循环水 存在一定压力。本模型采用“焊接底座 + 球阀 + 带压开孔器”相 结合实现在线带压开孔安装。
补栽的热电偶采用单支多点或单支单点热电偶，安装时使 用磁力钻在炉皮上开 φ32mm 孔，钻头穿过冷却壁缝隙到达碳砖 设计深度上。再将补栽的套管穿过炉皮、灌浆层、冷却壁、捣料 层等到达碳砖内部，将热电偶通过套管安装到碳砖内指定深度， 通过套管上预留的灌浆孔灌浆密封。在碳砖上开孔最深处碳砖 温度≤ 300℃，探头进入碳砖后每次施工钻入碳砖20mm 后测温 一次并及时记录数据。施工过程中， 技术人员和安全人员全程监 护，以保证钻入碳砖时稳定、安全、准确。热电偶安装完成后， 通过套管上预留的压浆孔压浆， 保证孔道无间隙。
炉缸炉底热电偶位置分布 ：
(1) 以铁口为基准点，在炉缸侧壁环炭第六层到第十一层及 炉底平铺炭砖第四层、第五层， 根据高炉实际工况及现场实际情 况，合理规避无法作业的位置，选取不同角度开孔补栽热电偶，上下层交错布置，形成合理监测子午面，用以构建温度场，结合 原有测点，合理利旧，软件系统对接，共建炉缸侵蚀模型，监测 炭砖侵蚀情况， 辅助贵方生产负责人标定生产诸元， 避免炉缸烧 穿等安全事故。
(2) 炉基测温点及碳素捣料找平层设置少量基准测点监测 底层中心及辐射温度， 评估炉底水冷情况。
(3) 炭砖一层为最底层炭砖，一般侵蚀不到此层高炉即大 修，炉役后期可与上层炭砖测点对应，评估炉底冷却实况，结合 本项目实况， 考虑补栽。
(4) 炭砖二层，为高炉大修险肇层(炉底共平铺五层炭砖)， 勾勒等温侵蚀轮廓，构建温度场，此层温度报警，高炉需休风处 理，且与上下层炭砖规格材质均不同， 应布点加强安全监测。
(5) 炭砖三层，为侵蚀线位移警戒层，此层温度报警，高炉 需采取降低冶强等有效措施控制测点温度持续上升，以保证生 产安全， 侵蚀轮廓最具代表性， 需重点监测。(可考虑补栽)。
(6) 炭砖四层，为 1150℃等温线侵蚀预警层，为构建侵蚀轮廓 重要依据，拐角象脚区扩散部位，需重点监测，可有效辅助高炉工 作者根据实际侵蚀情况，调整冶炼强度，明确操作方针，标定生产 诸元 ;且采用复合炭砖，导热传输存在差异，应加强温度关注 ;另 中心点温度相对较低， 热电偶融损几率不大， 因此设置中心测点。
(7) 炭砖五层，为炉底最上层炭砖，较易侵蚀消耗，上部为 高强陶瓷杯，冶炼 1 年~ 2 年后，陶瓷杯便侵蚀殆尽，炉缸底部 已形成死铁层，炉缸侧壁与炉底交界拐点为象脚区侵蚀初始部 位，本层炭砖为渐消层， 残厚评估最具参考价值， 应加强监测。
(8) 炭砖六层、七层，炉缸侧壁与炉底交界处，且上下层炭 砖设计凹凸拐点， 为侧壁炉底象脚区侵蚀初始部位， 易受冲刷侵 蚀，重点布控， 用以评估象脚交界炭砖残厚， 保证生产安全。
(9) 炭砖八层、九层，设计炭砖由上自下长度凸台，较易冲 刷侵蚀， 可有效监测拐点温变， 用以评估炭砖突出部位侵蚀消耗 情况 ;且位于炉缸侧壁中间部位， 温变代表性较强， 用于评估侧 壁炭砖残厚， 已延长炉缸寿命， 确保冶炼安全。
(10) 炭砖十、十一层，位于铁口下方活跃区域，最易冲刷侵 蚀，需重点布控监测， 保证铁口区域安全， 注意规避铁口组合转。
(11) 炭砖十二层、十三层、十四层，渣铁液面界区，铁口处 为组合砖，布点监控，可辅助评估炉缸液位变化及软融带位移， 作为侧壁上部侵蚀程度重要参考依据。
(12) 炭砖十五层以上位于铁口上方，冲刷侵蚀相对较轻， 关注炭砖材质规格不同适当布点即可。
(13) 补栽热电偶必须防止作业过程中铁水渗漏，根据砌筑 图纸，规避炭砖缝隙，标定开孔位置，每钻入 50mm 即插入热电 偶现场测温一次， 高于 350℃即停， 辅以开孔时冒出的烟尘情况， 确保作业安全， 热电偶安装完成后， 通过套管上预留的压浆孔压 浆，保证孔道无间隙。
(14) 铁口区域补栽热电偶作业空间问题，以铁口下方左 右两侧冷却壁缝隙为基准开孔点，如无法作业，可横向位移 800mm ~ 1200mm， 不影响工艺监测效果。
(15) 施工前仔细核对图纸及方案，确保打孔位置、深度准 确，做到不损坏冷却壁及其他设施、尽量不破坏耐材的完整性。
3 炉缸炉底侵蚀模型实施效果
该模型调试完成后，各段冷却壁水管的水温差、热流强度、 补栽的电偶温度都直接显示在电脑上，并可以精准查到各点位 的实时趋势及历史趋势， 有利于对炉缸侵蚀进行实时监测。
高炉工长通过电脑监控画面直观地看出炉缸各部位的温度 变化情况， 可以直观地看出某个点温度变化情况。通过计算可以 得出此区域的残厚，并设定报警值，从而及时采取相应措施，如 在线灌浆、降低富氧控制冶强、临时休风堵高温点区域风口、采 用长风口、停用此区域铁口、含钛矿护炉、炉内操作采取适当收 缩边缘的上部装料制度等针对性措施，可以有效的防止炉缸烧 穿等恶性事故发生。
该模型实施后，系统可以显示高炉周向 8各角位的温度及侵 蚀情况，通过划定 650℃、850℃、1150℃等温线，系统根据温度计 算出碳砖残厚， 对比等温线的情况， 确定高炉 侵蚀的实际状况。
4 该技术的经济、社会效益分析
(1) 生产效益。 自从发现高炉炉缸侧壁温度上升以来，高炉 采取控制冶强限产保安全措施护炉， 风氧量控制较为严格， 产量 降低，随着侵蚀系统的逐步投用，监测手段更加完善，找到各层 碳砖温度与冶强之间的动态平衡， 这样既能保证高炉的安全， 又 能在停炉前尽最大能力提升产能。
(2) 社会效益。通过该系统在线实时监测水温差的变化，达 到监测到高炉冷却壁使用状态的目的。高炉操作人员还可通过 对温度曲线、热流强度趋势进行分析， 使高炉中部运行内况透明 化，实现炼铁高炉中部操作盲区的突破， 为生产操作提供指导依 据，提升了高炉操作的前瞻性和准确性。
利用水温差在线监测技术，可以对高炉冷却制度的变化、煤 气流的分布、冷却壁的漏水等进行分析判断。能够及时发现热负 荷及水温差超值变化， 及时采取相应护炉措施， 对稳定合理的高 炉冷却制度，保证高炉安全生产，强化高炉冶炼，预防炉缸烧穿 等重大事故， 对高炉使用寿命达到20 年目标具有实际意义。
5 炉缸炉底侵蚀模型技术创新点
该模型创新性地采用了电偶套管技术，此技术可以在复杂 的工业生产工况环境下辅助补栽热电偶并密封，达到全面监测 工业生产安全的效果，利用这种套管技术可以利用灌浆达到有 效的密封。此模型设计采用密闭循环系统在线带压开孔新技术， 在高炉正常生产情况下在线开孔、在线安装、在线调试，节省作 业时间， 降低休风率。
6 结语
新钢2500m3 高炉通过补栽热电偶监测高炉炉缸温度、通过 侧壁水冷管安装温度和流量传感器监测高炉冷却系统的热流强 度，准确分析炉缸炉底侵蚀程度。运用有效的在线监测和建立侵 蚀模型等措施， 实现了高炉炉役后期的安全稳定运行。取得了明 显的经济、社会效益， 在同类型高炉中具有很好的推广价值。
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