1、检测技术在高炉炉衬中的应用朱丽芳 1004240710（西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西西安 710055）摘要：连续监测、分析和控制高炉耐火材料的侵蚀量是延长高炉寿命的有效手段之一, 是高炉安全生产的重要保障。本文论述了TDR法、电容法、电阻法、超声波法、声超声回波法( AU-E )、模型推断法等几种高炉炉衬检测技术的基本原理、结构、系统或设备及应用状况。通过对各种直接测量法和间接推断法的综合比较, 指出了高炉炉衬检测技术的未来发展趋势。基于炉内热电偶的有效温度读数和应力波发射等先进直接测量技术, 并结合热模拟及结果输出和反馈的检测方法, 将是未来监测生产高炉炉衬侵蚀状况的最完善方法。关
2、键词：高炉; 炉衬侵蚀; 测厚Application of blast furnace refractory lining detection techniqueszhu Lifang(College of Metallurgical Engineering , Xian University of Architecture lining erosion; thickness measurement我国钢铁产量已连续多年稳居世界首位, 大型高炉长寿技术也已取得长足进步 1 , 但高炉使用寿命与国外相比仍存在一定差距, 首要原因之一是我国缺乏先进的高炉检测技术。对于已合理设计的生产高炉, 其寿命
3、主要取决于炉衬的使用寿命。对生产高炉炉衬的侵蚀状况进行实时监测, 准确预测其厚度变化, 并及时采取有效维护修补措施, 能促进高炉安全高效生产、延长高炉寿命。因此, 对炼铁工作者而言, 高炉炉衬检测技术的开发和应用意义重大。20世纪60年代以来, 国内外研究人员相继开发出多种高炉炉衬检测技术。典型的高炉炉衬检测技术可分为两大类: ( 1)直接测量法。利用无损检测手段获得与炉衬厚度直接相关的数据, 判断炉衬侵蚀状况。( 2)间接推断法。利用热电偶等获得必要数据或参数, 借助数学模型、数值模拟等方法对炉衬厚度或侵蚀状况进行合理预测。1 炉衬厚度检测技术1.1 直接测量法直接测量法通常需预先埋设与炉衬
4、同步侵蚀的特制传感器, 通过检测传感器的剩余长度等直接测量炉衬厚度并监测炉衬侵蚀状况。直接测量法包括TDR法、电容法、电阻法、电容法、电磁波法、超声波法、声超声回波法和多头热电偶法等, 本文主要介绍TDR法、电容法、电阻法、超声波法和声超声回波法这3 种典型直接测量法的原理、设备及应用状况。1.1.1 TDR法TDR法 2是由美国伯利恒钢铁公司和日本住友金属工业株式会社及我国鞍山钢铁公司开发的。该技术利用时域反射仪, 通过探测器发送和接受各种脉冲波信号直接测量高炉砖衬厚度的方法。其工作原理是：由脉冲发生器发出脉冲信号, 经插入耐火材料内的传感器传至其在炉壁内侧的端点, 然后反射回反射仪, 脉冲
5、信号从发出至反射回反射仪有一时间滞后, 根据脉冲波在传感器中的传递速度和时间滞后, 示波器上直接显示出传感器的长度,传感器长度与所测耐火材料同步磨损, 测出的传感器长度即为耐火材料的厚度。1.1.2 电容法日本安立电气株式会社开发了这一方法 2。在待测部位埋入（或插人）电容器, 初始状态下这些电容器具有一定的电容基准值。炉衬被侵蚀后, 电容器同时被侵蚀,其电容值发生变化。因电容器的电容值与其面积有对应关系, 当其断面形状在长度方向上衡定时,则电容值就与其长度有对应关系。由此可通过测定电容器电容值的变化得出其磨损量,即可得出高炉炉衬的磨损量。电容法的检测系统如图1所示。其中1 为传感器, 2为静
6、电容量 电信号转换线路 , 3为炉墙厚度显示电路。1.1.3 电阻法为了使操作人员及时准确地了解炉衬的侵蚀状况, 使高炉稳产长寿,1988年初宝钢与钢铁研究总院合作开发电阻法高炉炉衬测厚技术, 目前已在宝钢1 、2 号高炉上应用 3。该技术是在炉衬内沿垂直炉衬方向埋设特制电阻元件, 使其前端与炉衬内表面相齐。随着高炉生产的进行, 元件与炉衬被同步侵蚀, 其阻值及输出信号相应改变,对该信号进行处理便可得出相应部位炉衬的剩余厚度。通过对各测点巡回检测, 可得出某段时间内测点对应部位炉衬厚度, 进一步处理后显示、打印相关图表。该技术配套研制了分别适用于炉身、炉腰、炉腹和炉缸部位的3 种电阻测厚元件。
7、电阻法测厚的系统组成如图2所示。图1 电容法检测示意图图2 电阻法测厚的系统组成1.1.3 超声波法超声波法即利用超声波无损检测的方法进行测厚, 国内外都对其进行了研究 4，其中国内应用最广的是QHCZ 型炉墙厚度在线监测系统, 该技术由包头钢铁学院与包头钢铁公司共同研发 5。改进后的QHCZ型测厚系统利用超声波脉冲回波分贝差原理进行测厚 6。回波分贝差的测量原理是在声波的传播过程中, 单位面积上的声压随距离的增加而减小,通过测量回波分贝差, 便可计算超声波的传播距离, 即炉衬厚度。QHCZ型炉墙测厚系统由超声传感器(包括特制铁质圆棒测杆和超声探头)、炉墙厚度数据采集器(包括高压脉冲、模拟运放
8、和数字电路) 和数据处理中心(包括通信服务器和PC工控机)组成。测量前需预先将测杆置入炉墙内, 测杆和炉墙同步侵蚀。测量时, 先由数据采集器发射高压脉冲至超声探头, 探头再发射超声波信号传入测杆并在其前端面发生反射, 该反射回波传至探头后转换为模拟电信号, 然后按原路传至数据采集器, 最后进行计算机处理并显示出测量结果。QHCZ 型炉墙测厚装置的系统组成与电阻法类似, 如图3所示。图3 QHCZ型炉墙测厚法的系统组成1.1.4 超声声回波法声超声回波法即AU-E ( Acousto Ultrasonic-Echo)技术, 是一项由加拿大于1990年开发的用于耐火材料厚度及质量控制的专利技术。加
9、拿大郝氏(Hatch)公司对AU -E技术在工业生产中的应用进行了深入研究, 实现了高炉炉衬的在线无损检测。声超声回波技术是一种应力波发射技术, 目前国内对其研究较少, 我国炼铁工作者未提及声超声回波这个概念。根据应力波传播理论, 应力波动信号对结构缺陷有很高的敏感性, 当应力波在介质中传播时, 如遇到孔洞、裂纹等界面不连续处, 就会发生反射、折射、散射和模式转换 7，利用应力波的这种特性可确定各种粗晶材料如高炉耐火材料和冷却壁材料的厚度。声超声回波法的设备包括撞击器、接收器和数据采集系统等, 如图4所示。利用撞击器在结构表面进行机械撞击, 进而产生应力波脉冲传进炉墙各层。其撞击头为球状或半球
10、状, 能产生易于分析的球状波。该波是宽带波, 撞击头的直径决定其频率范围。该波部分被反射, 但主要脉冲将穿过固体耐火材料层直至其能量消散耗尽。该信号主要被内部各层间或外部边界处形成的耐火材料-界面或耐火材料-空气界面所反射。在撞击器附近设置一个接收器(位移传感器) , 用于检测内外部界面处反射信号所导致的表面位移。对于AU -E技术, 用于质量评估而获取和分析的主要应力波是P( Primary Wave)或压缩波。压缩波的波速受材料的密度、温度梯度、形状和尺寸因素及弹性性能影响, 材料密度和/或弹性性能的急剧变化以及无应力区(裂纹和非连续区)会导致该应力波被部分或全部反射。对信号进行时域和频域
11、分析, 经过数据校正, 即可利用公式计算出炉衬厚度。声超声回波(应力波)技术与常规超声波技术的区别是: 撞击产生的AU-E脉冲与压电产生的超声波脉冲相比具有高能量; AUE 信号的频带宽,而超声波信号的频带窄; 对于AU- E 技术 , 界面的多重反射有助于确定耐火材料层参数, 但对于超声波技术, 回响和多重回波是噪声; AU-E信号不会像超声波信号那样因高温而发生路径弯曲; 应力波检测沿外载荷作用方向进行, 能检测超声方法检测不到的、与被检测面垂直的缺陷。图4 声超声回波检测的系统组成12 间接推断法与直接测量法相比, 国内外对于间接推断法的研究较多, 间接推断法主要包括模型推断法、热流强度
12、法和放射线法等。模型推断法即以热电偶测得的温度为基础,对炉衬温度场进行合理的计算及模拟, 建立相应的导热模型, 进而推断炉衬的侵蚀状况或剩余厚度。该方法首先要建立合理的温度场物理数学模型。国内外研究人员依据传热学等理论, 利用边界元法、有限元法、有限差分法、一维两点法等建立并求解了一系列炉衬温度场数学模型 8-9 。在建模过程中需根据实际情况对复杂的高炉过程进行简化和假设, 有的考虑一维或二维传热、有的考虑稳态或非稳态传热、有的考虑直角坐标系或柱坐标系下的传热、有的考虑凝固潜热等 10 。通常情况下, 与实际情况符合越好的模型, 其考虑的条件便越多, 计算处理也越复杂。建立合理的炉衬温度场模型
13、是实现良好模拟计算效果的基础, 在模型建立后, 要确定其假设条件、已知条件和边界条件等, 据此再选用相应的数值方法对模型进行离散和求解。一般的模型计算比较复杂, 需进行大量的调试和数据准备等工作。最后, 根据相应的模型计算结果可推定炉缸炉底铁水凝固线和碳砖侵蚀线的位置, 及时了解和反映炉衬的侵蚀状况, 对实际生产过程进行监测。为了提供形象直观的监测结果, 常需利用Matlab, VC+ 等软件绘制图形来显示炉衬的侵蚀状况。热流强度法是根据冷却系统的热流强度等推断炉衬侵蚀情况。高炉冷却系统的热流强度可敏感地反映炉衬变化情况, 通过测得的热流强度结合炉内热电偶温度进行计算, 可间接推断高炉炉衬厚度
14、的变化情况。一般情况下, 热流强度变小,炉衬厚度增大; 热流强度变大, 炉衬厚度减小。近年来, 国外对利用宇宙射线介子探测高炉内部结构或碳衬厚度进行了一系列研究 11-12 。负介子的核吸收与物质质子数( Z )的4 次方成比例, 因此与碳(Z = 6)相比, 铁(Z = 26)更易吸收负介子。由核吸收产生的核激发会引起中子释放,利用较高质子数物质(铁)的较大中子释放量可以区分铁和碳这两种材料。通过向高炉内发射 介子并诱导产生中子, 测量返流中子的长期平均计数率, 再通过计算处理得出碳衬厚度。据研究称,该法是一种监测高炉炉衬侵蚀的简单、低成本方法, 能够长期连续监测炉衬厚度, 具有一定的工业应
15、用前景。2 检测技术在炉衬方面的应用状况2.1 直接测量法实践证明, 直接测量法的应用对及时掌握炉衬侵蚀程度和发展趋势、确定修补位置和时机、减少盲目修补起到了重要作用, 使高炉操作和维护更主动, 对高炉安全、高效生产及长寿有积极作用。2.1.1 TDR法美国伯利恒钢铁公司和日本住友金属工业株式会社, 都开发了TDR 法中的电磁波脉冲式监测高炉炉衬厚度。如上所述, 这是一种用发送和接收电磁波信号来检测炉壁厚度的方法。美国伯利恒钢铁公司L号高炉和日本住友金属工业株式会社的和歌山4号高炉及小仓2 号高炉使用此项技术均得到了满意效果 2。2.1.2电阻法电阻法高炉炉衬测厚技术可应用于各种容积的高炉上,
16、 随炉子的新建和大修而安装。电阻法的测厚元件规格化, 安装简便, 使用可靠; 能进行巡回检测, 用计算机采集、处理数据和打印结果;能显示高炉炉衬的纵横截面图、炉衬的变化趋势图以及炉衬厚度报表等。电阻法测厚要求电阻元件与炉衬同步侵蚀, 且其阻值随侵蚀的进行均匀、稳定变化。此外, 要控制系统线路的阻损, 使其在适当范围内, 否则会影响检测结果的准确性。这就要求慎重选择电阻元件、引线等设备的材料, 并加强维护。电阻法测厚技术自1989 年开始试用于宝钢1#高炉, 后又应用于宝钢2#高炉、本溪钢铁(集团)公司5#高炉等。实践证明, 其电阻测厚元件能较正确地反映炉衬厚度变化, 测厚误差小于30mm,可较
17、好地指导高炉生产。2.1.3 超声波法超声波测厚法应用广泛, 其信号频率高、波长小、穿透深度小, 由于耐火材料层的异质特性等因素, 超声波衰减迅速, 因此, 应用该法至少需要一个强大的能量来源或一个2 000 10 000 V 的高能脉冲发生器。另外, 超声波的传播路径会因高温而“弯曲”, 即耐火材料热面处的反射波不会直接回到波源, 其偏差角度取决于信号频率、介质材料性能和热面的温度。因此, 超声波信号长距离传输产生的衰减、畸变, 现场的多种信号源、场源, 以及元器件质量等都会影响该法的最终结果。从1995年开始, 该系统先后应用于包头钢铁(集团) 有限责任公司1# , 3# 和4# 高炉、首
18、钢总公司1# 4# 高炉、太原钢铁(集团)公司3#和4# 高炉、首钢水城钢铁(集团)有限责任公司1#和2#高炉等, 实现了对高炉炉墙厚度的在线、连续监测, 为高炉喷补造衬提供了参考数据, 对炼铁生产操作具有较大指导意义。 2.1.4 声超声回波法在国外, AU-E 技术已被广泛应用于高炉、电炉、闪速熔炼炉、回转窑等冶金反应器的耐火材料和渣皮或结壳厚度的检测。中心钻探验证表明,AU-E 检测结果与物理测量结果表现出良好的相关性, 通常比数值模拟的准确性高。除此之外,AU-E 技术还应用于检测炉缸内衬中铁水的渗透、炉缸内渣铁壳、出铁口耐火材料厚度、耐火炉衬中的裂纹和层裂等。国内某钢铁厂聘请加拿大H
19、 atch公司, 对修复后的高炉炉缸砖衬进行了AU-E 检测。沿高炉周向布置20条检测线, 每条检测线设定14个检测点, 共对280个检测点进行了剩余耐火材料厚度的检测, 然后通过内推法计算各试验站的厚度数据, 最终形成每条检测线的耐火材料轮廓。AU-E检测数据显示炉缸区域没有更进一步的异常情况, 说明炉缸砖衬修复工作很成功。2.2 间接推断法间接推断法通常使用热电偶作为检测元件,应用传热学等理论建立炉缸和炉底温度场的数学模型, 通过软件编程和数值分析的方法, 可计算铁水凝固线和碳砖侵蚀线的大概位置, 据此将等温线压往炉内, 使炉缸和炉底热面冻结一层渣铁壳,可有效阻止炉衬侵蚀。间接推断法可及时
20、反映炉缸工作状态和炉衬侵蚀状况, 实现对生产过程的在线、离线监测, 对高炉操作具有很大参考价值。2002年, 该系统应用于武钢1#高炉( 2 200m3 ) , 对炉缸炉底侵蚀的结果进行分析, 2006年, 该系统应用于济钢1#高炉( 1 750m3 ) , 对其炉缸炉底侵蚀进行了分析, 得到了炉缸炉底砖衬的实时剩余厚度, 该系统预测结果精度很高, 模拟结果与现场以往经验相一致。该系统应用于南钢4#高炉的结果表明, 在开炉后一年多的时间里,炉底两层共690 mm 厚陶瓷垫已经被侵蚀掉约400mm。目前正处于系统调试阶段的还有我国某3000m3级、4000m3 级和5000m3 级高炉。3 结束
21、语耐火炉衬的侵蚀状况直接影响高炉寿命, 能够对生产中的高炉炉衬进行全面、连续、准确的实时监测, 是炼铁工作者的不懈追求。高炉炉衬无损检测技术更新迅速、前景广阔, 各种先进检测技术的应用对高炉生产的安全、高效、低成本及长寿起到了重要作用。超声波检测方法具有较深厚的理论基础, 并得到广泛应用, 但仍有改进和完善的潜力; AU-E技术具有较大优越性, 若能结合其他方法对其加以改进并开发出适合生产的先进监测技术, 对于我国高炉炉衬检测技术的发展及高炉的长寿将是一个极大的促进; 模型推断法作为一种常规和传统的炉衬监测方法, 对于直接测量法是必要的补充和参考。实践证明, 目前的高炉炉衬检测方法在不同检测条件下虽然显示出各自的优越性, 但并没有一种普遍适用的方法。建议以后深入研究各检测方法, 扬长避短, 在生产中综合运用, 以实现对高炉炉衬侵蚀状况的全面、准确、实时在线检测。
