6寶鋼技術(shù)2014年第4期分析與研究COREX氣化爐爐缸侵蝕模型的預(yù)測(cè)與實(shí)踐李曉清',王臣”,儲(chǔ) 文2(1.西格里特種石墨上海有限公司,上海200041;2.寶山鋼鐵股份有限公司,上海200941)摘要:COREX爐缸與全氧高爐類似,面臨著爐缸侵蝕加劇的問(wèn)題,甚至發(fā)生了爐缸燒穿事故,爐缸壽命已成為安全高效生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)。根據(jù)數(shù)值分析、有限元法、傳熱學(xué)等理論,建立了COREX氣化爐爐缸二維穩(wěn)態(tài)傳熱模型。在此基礎(chǔ)上,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了COREX氣化爐爐缸侵蝕預(yù)測(cè)模型。應(yīng)用該爐缸侵蝕模型對(duì)爐缸侵蝕曲線進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算出的爐缸侵蝕曲線與實(shí)際情況基本相符。模型應(yīng)用表明,該侵蝕預(yù)測(cè)模型具有可靠性,能為COREX爐缸安全生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。關(guān)鍵詞:COREX;氣化爐;爐缸侵蝕模型中圖分類號(hào):TF557文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào) :1008 -0716(2014)04 -0006 -05doi:10. 3969/j. issn. 1008 - 0716.2014. 04.002Prediction and application of COREX meltergasifier hearth wear modelL Xiaoqing'，WANG Chen2 and CHU Wen'(1. SGL Group, Shanghai 200041, China;2. Baoshan Iron & Steel Co. , Ltd. , Shanghai 200941, China)Abstract :The hearth of COREX is similar to oxygen blast fumace, which is facing the problemof hearth erosion even burnt out accidents. The campaign life of hearth has become the limitingfactor for safe and high efficiency production. Based on numerical analysis, finite element methodand heat transfer theory, a heat transfer model of two-dimensional steady state of the COREX hearthand bottom has been established. On the base of the temperature fields, a prediction model forCOREX hearth wear profile is developed with the BP( back propagation ) neural network. The modelhas been applied to calculate the erosion line of COREX hearth. The calculating result is in goodaccordance with the observed result, which validates the model to be suitable in actual application.The examples show that the prediction model for COREX heath wear is reliable that can providetechnical support for the safe production of COREX hearth.Key words:COREX ; melter gasifier; hearth wear model與高爐幾百年的發(fā)展相比較,COREX僅經(jīng)歷過(guò)程中修補(bǔ)異常困難。爐缸、爐底的壽命是影響了20多年的生產(chǎn)實(shí)踐,在工藝、技術(shù)上還有很多代爐齡的主要限制性環(huán)節(jié)。因此,開(kāi)發(fā)使用爐方面需要完善川。COREX 使用純氧,爐缸工作條缸侵蝕模型,對(duì)延長(zhǎng)COREX爐缸壽命以及現(xiàn)場(chǎng)件極其惡劣,其侵蝕、破壞速度很快,而且在生產(chǎn)操作分析.判斷與調(diào)節(jié)爐況都有很大幫助。本文簡(jiǎn)要介紹了寶鋼1號(hào)COREX爐缸溫度李曉清高級(jí)工程師 1975 年生1996 年畢業(yè)于上海冶金高等場(chǎng)的計(jì)算和中國(guó)煤化工i用爐缸侵蝕專科學(xué)?，F(xiàn)從事煉鐵專業(yè) 電話60976941模型預(yù)測(cè)了YHCNMH G .E-mail amwaylxaoqing@ 163. com.李曉清等COREX 氣化爐爐缸侵蝕模型的預(yù)測(cè)與實(shí)踐7求解函數(shù)的插值點(diǎn),將微分方程中的變量改寫(xiě)成1氣化爐爐缸結(jié)構(gòu)由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)氣化爐爐缸爐底采用“陶瓷杯”結(jié)構(gòu),如圖1組成的線性表達(dá)式,借助于變分原理或加權(quán)余量所示。爐底的下部為水平砌筑的碳磚,碳磚上部法,將微分方程離散求解(6]。為2層莫來(lái)石磚、1層黏土磚和2層中心剛玉質(zhì)3爐缸溫度場(chǎng)預(yù)制塊。爐缸側(cè)壁是由通過(guò)一層厚度灰縫(60mm)分隔的兩個(gè)獨(dú)立的圓環(huán)組成,外環(huán)為碳利用MATLAB進(jìn)行有限元分析的步驟為:定磚,內(nèi)環(huán)是Sialon結(jié)合剛玉磚。爐缸側(cè)壁和爐底義計(jì)算模擬區(qū)域;在計(jì)算區(qū)域上定義邊界類型,并交接部位為微孔碳磚和超微孔碳磚。給參數(shù)賦值;確定微分方程的類型并給系數(shù)賦值;有限元網(wǎng)格劃分;數(shù)值求解并模擬結(jié)果。針對(duì)爐缸爐底導(dǎo)熱問(wèn)題,各步驟的具體內(nèi)容如下。Sialon結(jié) 合剛玉磚微孔碳磚(1)區(qū)域劃分。熔化氣化爐爐缸爐底區(qū)域劃分如圖2所示。整個(gè)爐缸爐底的二維半剖面劃分超微孔碳磚-剛玉預(yù)制塊為9個(gè)區(qū)域,各個(gè)區(qū)域的材質(zhì)不同,即熱傳導(dǎo)系數(shù)不同:黏土磚-莫來(lái)石磚.在區(qū)域R1中,λ=4.534 193 -0.001 71T;普通碳磚:在區(qū)域R2中,λ =6.406 292 +0. 002 16T;在區(qū)域R3中,λ=1.397 783 +0.000 202T;商導(dǎo)石墨磚-在區(qū)域R4中,λ =2.192 255 +4. 28 x10-'T;圖1 COREX 熔化氣化爐爐缸爐底結(jié)構(gòu)在區(qū)域P1中,λ=12.514 4 +0.002 959T;Fig. 1 Schematic diagram of the hearth structure of在區(qū)域P2中,λ =20.677 53 +0.001 412T;COREX melter gasifer在區(qū)域P3中,λ=10.64613+0.003201T;在區(qū)域P4中,λ=19.8;2爐缸數(shù)學(xué)模型在區(qū)域P5中,λ=13.9。建立爐缸爐底溫度場(chǎng)模型時(shí),進(jìn)行如下簡(jiǎn)化和假設(shè)[(2-5):8000(1)通過(guò)爐缸爐底溫度場(chǎng)的計(jì)算來(lái)反映爐缸7000.P1爐底的侵蝕狀況,1 150 C等溫線即為侵蝕參6000考線。5000(2)考慮到爐缸水平界面的切線方向傳熱量2很小，故爐缸爐底的傳熱方程可簡(jiǎn)化為二維的。t 3000元二 R34\(3)爐底中心及爐缸側(cè)壁上邊緣為絕熱2000邊界。1000P3(4)將爐缸爐底的傳熱過(guò)程視為穩(wěn)態(tài)過(guò)程,14門P5且內(nèi)部無(wú)熱源。4000 6000 8 000半徑1 mm根據(jù)以上簡(jiǎn)化,爐缸爐底的熱傳導(dǎo)方程可以寫(xiě)為:圖2爐缸爐底的區(qū)域劃分Fig.2 Regional division of hearth四+點(diǎn)(\凹=0(1)(2)邊界條件。模型的邊界劃分如圖3所式中,x為徑向距離, m;y為軸向距離,m;λ為熱示。 ①爐缸內(nèi)腔邊界,溫度為1150 C ,即假定為傳導(dǎo)系數(shù),W/(m. C);T為溫度,C。侵蝕邊界,T=1150C;②爐底中心及爐缸側(cè)壁求解方法是基于數(shù)值解法中的有限元法,其上邊緣為絕熱中國(guó)煤化工);③爐缸基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊外側(cè)壁和爐底MHCN M H G對(duì)流邊界，的單元,在每個(gè)單元內(nèi),選擇-些合適的節(jié)點(diǎn)作為q=a(T- T)。其中，爐黨溫度維符25 C,aw =8寶鋼技術(shù)2014年第4期6 000 W/(m2●C);爐底用25 C水冷卻,ap=1000I 10030 W/(m2. C)。9 0001 0008 000900根據(jù)邊界劃分,可以確定相應(yīng)的邊界條件類型7000o以及參數(shù)。圖3中紅色的邊界為狄利克雷，600700。(Dirichlet)邊界,藍(lán)色邊界為紐曼( Neumann)邊界。目5000-600500足400080004003 0000070002 0006000100昌50002000 4000 6000 8000半徑1mm3000圖5爐 缸爐底等溫線Fig. 5 Isotherm of hearth100009 000-4000 6000 8 0008000-圖3爐缸爐底的邊界條件類型Fig. 3 Boundary condition secifications of hearthE5000500。(3)設(shè)定各區(qū)域求解方程。本文中要解決的6 400問(wèn)題屬于無(wú)內(nèi)熱源穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題,可以利用MATLAB的PDETolbox工具求解,選用橢圓型)0方程。橢圓型方程為:20004000 6000 8 000. div(c●grad(T)) +aT=f, inQl (2)式中,n是平面有界區(qū)域;c、a、f以及未知函數(shù)T圖6爐缸爐底溫度梯度圖為求解變量,即爐缸爐底的溫度,本文中參數(shù)a、fFig. 6 Temperature gradient of hearth為0,參數(shù)c由熱傳導(dǎo)系數(shù)確定。(4)劃分和細(xì)化網(wǎng)格。采用三角形網(wǎng)格來(lái)劃4爐缸侵蝕模型分和細(xì)化爐缸爐底區(qū)域,如圖4所示。(5)求解方程,得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度并繪制對(duì)COREX氣化爐爐缸進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化,利用爐缸中所埋置的熱電偶的溫度及其位置、爐缸等溫線,結(jié)果如圖5.6。各部位耐火材料的傳熱特性、爐內(nèi)外的溫度和爐8000 I缸冷卻條件,依據(jù)傳熱學(xué)、數(shù)值分析、有限元法等理論,建立爐缸的傳熱數(shù)學(xué)模型。通過(guò)爐缸傳熱數(shù)學(xué)模型計(jì)算出爐缸的溫度場(chǎng),求出測(cè)溫點(diǎn)的溫眉5000度值,然后將其與相應(yīng)設(shè)置的侵蝕邊界組成侵蝕區(qū)4000樣本。在爐缸爐底溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為工具,建立爐缸侵蝕預(yù)測(cè)模型。2000具體步驟是:(1)建立爐缸二維穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型。2000 4000 6 0008 000(2)設(shè)置不同的侵蝕狀況,由傳熱模型得到半徑/mm此時(shí)爐缸爐襯的溫度場(chǎng),計(jì)算出測(cè)溫點(diǎn)的溫度值，圖4爐缸爐底自動(dòng)網(wǎng)格劃分和細(xì)化然后將其與”中國(guó)煤化工侵蝕樣本。Fig. 4 Automated mesh generation and(3)用MHCNM H行訓(xùn)練,使其refinement of hearth達(dá)到-定的精度要水。李曉清等COREX 氣化爐爐缸侵蝕模型的預(yù)測(cè)與實(shí)踐9(4)對(duì)測(cè)得的熱電偶溫度值進(jìn)行可靠性判斷,位置的預(yù)測(cè)，在一定程度上接近目標(biāo)數(shù)據(jù)。但樣包括物理剔除和數(shù)學(xué)剔除,然后根據(jù)熱電偶的溫度本中的目標(biāo)數(shù)據(jù)是通過(guò)傳熱模型精確計(jì)算出來(lái)利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)爐缸爐底的侵蝕形狀。的,故能取得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。應(yīng)用爐缸侵蝕模(5)根據(jù)預(yù)測(cè)的爐缸爐底侵蝕形狀參數(shù)做出型之前,需要剔除熱電偶中異常數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)可爐缸爐底侵蝕形狀?？啃?方可利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)爐缸爐底的侵蝕形狀。5爐缸 侵蝕模型驗(yàn)證和應(yīng)用0.06侵蝕樣本訓(xùn)練共迭代1 000次,結(jié)果已經(jīng)收0.04斂,如圖7所示。可見(jiàn),經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后,網(wǎng)絡(luò)誤差達(dá)到要求。0.02 t旨宮召得8雖昌眉目官。君組訓(xùn)練誤差平方和-0.038 7747茫-0.020 100200300400500600700 8009001000長(zhǎng)-0.04訓(xùn)練步數(shù)至-0.06權(quán)重值-10.3177-0.0812345678910 1112 13樣本序號(hào)) 100200300400500600700800 9001000圖8網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差Fig. 8 Predictive error of back propagation network人600-有效參數(shù)個(gè)數(shù)-476.55最400把氣化爐爐缸熱電偶的實(shí)測(cè)溫度輸人爐缸侵物200蝕模型,模型計(jì)算爐缸的侵蝕邊界如圖9~11所01002003004005006007008009001000示。圖9中,1號(hào)COREX開(kāi)爐1個(gè)多月?tīng)t缸爐底內(nèi)襯的溫度明顯升高,這表明開(kāi)爐初期“陶瓷杯”圖7網(wǎng) 絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果爐襯侵蝕速度較快。Fig.7 Results of back propagation network training圖9~11所示，在投產(chǎn)的半年時(shí)間,內(nèi)爐缸側(cè)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)還需要進(jìn)行測(cè)試，判斷其是否壁內(nèi)襯溫度- 開(kāi)始上升較快,但隨后其溫度上升勢(shì)可以投人實(shí)際應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試后的預(yù)報(bào)誤差曲線頭變緩,爐底和爐缸側(cè)壁內(nèi)側(cè)耐材侵蝕了一半左如圖8所示。由圖8可見(jiàn),網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值和真實(shí)值右,形成了相對(duì)穩(wěn)定的侵蝕邊界。2008年3月至之間的誤差很小,滿足應(yīng)用要求。2009年3月侵蝕邊界稍微擴(kuò)大了一些,但侵蝕速度從上述測(cè)試結(jié)果可以看出,BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)侵蝕線明顯降低,侵蝕邊界基本穩(wěn)定,說(shuō)明這一階段渣鐵-熱電偶溫度值TIR04558.29 342.918000TRO4558.27 [307.81TIR04558.23 257.617 000TIRO4558.11 145.406 000TIRO455924 181.55TIRO4559.23 124.83昌5000TRO4561.23 199.10”g 4000 |TRO4561.20 194473 000TR04565.13 [361.707T04556.13 305 422 000TIR04574.04 353 951 000TIR04558.13 301.08入|1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000半徑/mm中國(guó)煤化工圖9 2007 年12月?tīng)t缸爐底侵蝕形MHCNMHGFig. 9 Erosion prediction of hearth in December ,20.10寶鋼技術(shù)2014年第4期熱電鍋溫度值9000TRO4558.9 446.818000TIR04558.27 399.94TRO4558.23 345 66TRO455.1 230.006 000TIR04559.24 (284.24TRO4559.23 191.825 000TIRO4561.23 203.394 000TIRO4561.20 (281.993 000TIR04565.13 516.93TIR0456.13 583.822000TIR04574.04 540.091 000TIR04568.13 [452.93輸入1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000圖102008年3月?tīng)t缸爐底侵蝕形狀Fig. 10 Erosion prediction of hearth in March ,2008TIR04558.29 463.52TIR04558.22 407.85TRO4558.23 363.4E7 000TR0455811 246.566000TIRO455924 (309.21TRO4559.232 204.21TIR04561.23 289.36TR04561.20 297.7TIR04565.13 521.42T0556.13 [547.77TIR04574.04 487.45TIR04568.3 423.78圖112009年3月?tīng)t缸爐底侵蝕形狀Fig. 11 Erosion prediction of hearth in March ,2009與爐底和爐缸側(cè)壁水冷卻之間熱流穩(wěn)定,形成了相中心有穩(wěn)定的鐵殼形成;并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的“蒜頭對(duì)穩(wěn)定的渣鐵保護(hù)層。-方面, Sialon結(jié)合剛玉磚狀”侵蝕,氣化爐爐缸侵蝕狀況基本正常。具有優(yōu)良的理化性能,低導(dǎo)熱率使其具有良好的“隔熱”效果,高的體積密度和良好的抗渣鐵滲透:參考文獻(xiàn)性能使其更耐侵蝕;另-方面,1號(hào)COREX產(chǎn)能一[1] 楊天鈞,劉述臨. 熔融還原技術(shù)[ M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991:14-15.直較低,僅僅達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能的70%,大大減輕了爐2] 杜鋼,陳亮.爐缸爐底侵蝕數(shù)學(xué)模型的研究[J].鋼鐵,缸和爐底的熔煉負(fù)荷,有利于氣化爐爐缸的長(zhǎng)壽。1997 ,32(增) :440 -443.6結(jié)論[3] 李肇毅 ,顧祥林,敖愛(ài)國(guó),等.寶鋼2號(hào)高爐爐缸侵蝕在線檢測(cè)模型[J].煉鐵,2002 ,21(2):37 -40.(1)建立了氣化爐爐缸二維穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模[4] TAKATANI Kouji, INADA Takanobu, TAKATA Kouzo.Mathematical model for transient erosion process of blast型,并以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為核心,開(kāi)發(fā)了爐缸侵蝕fumace hearth[J]. ISU Int. ,2001 ,41( 10) :1139 -1145.預(yù)測(cè)模型。該模型可以比較直觀、準(zhǔn)確地反映氣5] KUMAR Surendra. Heat transfer analysis and estimation of化爐爐底、爐缸的工作情況,達(dá)到了監(jiān)視或預(yù)報(bào)爐refractory wear in an iron blast fumace hearth using finite缸爐底侵蝕的目的。element method[J]. ISU Int. ,2005 ,45(8):1122 -1128.(2)預(yù)測(cè)結(jié)果表明,爐缸侵蝕線(1150 C等溫[6] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[ M1.第2版.陜西西安:西安交通大學(xué)出版社,2中國(guó)煤化工線)已經(jīng)進(jìn)人爐缸側(cè)壁的中部,侵蝕掉了大半爐缸YHCNMH G側(cè)壁“陶瓷杯”;爐底“陶瓷杯”侵蝕較為嚴(yán)重,爐底(收稿日期:2013 -10 -28).