COREX氣化爐爐缸侵蝕模型的預測與實(shí)踐

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測與實(shí)踐李曉清',王臣”,儲 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(lèi)似,面臨著(zhù)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。根據數值分析、有限元法、傳熱學(xué)等理論,建立了COREX氣化爐爐缸二維穩態(tài)傳熱模型。在此基礎上,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)了COREX氣化爐爐缸侵蝕預測模型。應用該爐缸侵蝕模型對爐缸侵蝕曲線(xiàn)進(jìn)行計算,計算出的爐缸侵蝕曲線(xiàn)與實(shí)際情況基本相符。模型應用表明,該侵蝕預測模型具有可靠性,能為COREX爐缸安全生產(chǎn)提供技術(shù)依據。關(guān)鍵詞:COREX;氣化爐;爐缸侵蝕模型中圖分類(lèi)號:TF557文獻標志碼:B 文章編號 :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。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,對延長(cháng)COREX爐缸壽命以及現場(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.判斷與調節爐況都有很大幫助。本文簡(jiǎn)要介紹了寶鋼1號COREX爐缸溫度李曉清高級工程師 1975 年生1996 年畢業(yè)于上海冶金高等場(chǎng)的計算和中國煤化工i用爐缸侵蝕專(zhuān)科學(xué)?，F從事煉鐵專(zhuān)業(yè) 電話(huà)60976941模型預測了YHCNMH G .E-mail amwaylxaoqing@ 163. com.李曉清等COREX 氣化爐爐缸侵蝕模型的預測與實(shí)踐7求解函數的插值點(diǎn),將微分方程中的變量改寫(xiě)成1氣化爐爐缸結構由各變量或其導數的節點(diǎn)值與所選用的插值函數氣化爐爐缸爐底采用“陶瓷杯”結構,如圖1組成的線(xiàn)性表達式,借助于變分原理或加權余量所示。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)預制塊。爐缸側壁是由通過(guò)一層厚度灰縫(60mm)分隔的兩個(gè)獨立的圓環(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,內環(huán)是Sialon結合剛玉磚。爐缸側壁和爐底義計算模擬區域;在計算區域上定義邊界類(lèi)型,并交接部位為微孔碳磚和超微孔碳磚。給參數賦值;確定微分方程的類(lèi)型并給系數賦值;有限元網(wǎng)格劃分;數值求解并模擬結果。針對爐缸爐底導熱問(wèn)題,各步驟的具體內容如下。Sialon結 合剛玉磚微孔碳磚(1)區域劃分。熔化氣化爐爐缸爐底區域劃分如圖2所示。整個(gè)爐缸爐底的二維半剖面劃分超微孔碳磚-剛玉預制塊為9個(gè)區域,各個(gè)區域的材質(zhì)不同,即熱傳導系數不同:黏土磚-莫來(lái)石磚.在區域R1中,λ=4.534 193 -0.001 71T;普通碳磚:在區域R2中,λ =6.406 292 +0. 002 16T;在區域R3中,λ=1.397 783 +0.000 202T;商導石墨磚-在區域R4中,λ =2.192 255 +4. 28 x10-'T;圖1 COREX 熔化氣化爐爐缸爐底結構在區域P1中,λ=12.514 4 +0.002 959T;Fig. 1 Schematic diagram of the hearth structure of在區域P2中,λ =20.677 53 +0.001 412T;COREX melter gasifer在區域P3中,λ=10.64613+0.003201T;在區域P4中,λ=19.8;2爐缸數學(xué)模型在區域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[(2-5):8000(1)通過(guò)爐缸爐底溫度場(chǎng)的計算來(lái)反映爐缸7000.P1爐底的侵蝕狀況,1 150 C等溫線(xiàn)即為侵蝕參6000考線(xiàn)。5000(2)考慮到爐缸水平界面的切線(xiàn)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)程視為穩態(tài)過(guò)程,14門(mén)P5且內部無(wú)熱源。4000 6000 8 000半徑1 mm根據以上簡(jiǎn)化,爐缸爐底的熱傳導方程可以寫(xiě)為:圖2爐缸爐底的區域劃分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爐缸內腔邊界,溫度為1150 C ,即假定為傳導系數,W/(m. C);T為溫度,C。侵蝕邊界,T=1150C;②爐底中心及爐缸側壁求解方法是基于數值解法中的有限元法,其上邊緣為絕熱中國煤化工);③爐缸基本求解思想是把計算域劃分為有限個(gè)互不重疊外側壁和爐底MHCN M H G對流邊界，的單元,在每個(gè)單元內,選擇-些合適的節點(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根據邊界劃分,可以確定相應的邊界條件類(lèi)型7000o以及參數。圖3中紅色的邊界為狄利克雷，600700。(Dirichlet)邊界,藍色邊界為紐曼( 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(xiàn)Fig. 5 Isotherm of hearth100009 000-4000 6000 8 0008000-圖3爐缸爐底的邊界條件類(lèi)型Fig. 3 Boundary condition secifications of hearthE5000500。(3)設定各區域求解方程。本文中要解決的6 400問(wèn)題屬于無(wú)內熱源穩態(tài)熱傳導問(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是平面有界區域;c、a、f以及未知函數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a、fFig. 6 Temperature gradient of hearth為0,參數c由熱傳導系數確定。(4)劃分和細化網(wǎng)格。采用三角形網(wǎng)格來(lái)劃4爐缸侵蝕模型分和細化爐缸爐底區域,如圖4所示。(5)求解方程,得到每個(gè)節點(diǎn)的溫度并繪制對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(xiàn),結果如圖5.6。各部位耐火材料的傳熱特性、爐內外的溫度和爐8000 I缸冷卻條件,依據傳熱學(xué)、數值分析、有限元法等理論,建立爐缸的傳熱數學(xué)模型。通過(guò)爐缸傳熱數學(xué)模型計算出爐缸的溫度場(chǎng),求出測溫點(diǎn)的溫眉5000度值,然后將其與相應設置的侵蝕邊界組成侵蝕區4000樣本。在爐缸爐底溫度場(chǎng)數值計算的基礎上,以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )作為工具,建立爐缸侵蝕預測模型。2000具體步驟是:(1)建立爐缸二維穩態(tài)傳熱數學(xué)模型。2000 4000 6 0008 000(2)設置不同的侵蝕狀況,由傳熱模型得到半徑/mm此時(shí)爐缸爐襯的溫度場(chǎng),計算出測溫點(diǎn)的溫度值，圖4爐缸爐底自動(dòng)網(wǎng)格劃分和細化然后將其與”中國煤化工侵蝕樣本。Fig. 4 Automated mesh generation and(3)用MHCNM H行訓練,使其refinement of hearth達到-定的精度要水。李曉清等COREX 氣化爐爐缸侵蝕模型的預測與實(shí)踐9(4)對測得的熱電偶溫度值進(jìn)行可靠性判斷,位置的預測，在一定程度上接近目標數據。但樣包括物理剔除和數學(xué)剔除,然后根據熱電偶的溫度本中的目標數據是通過(guò)傳熱模型精確計算出來(lái)利用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測爐缸爐底的侵蝕形狀。的,故能取得較好的預測結果。應用爐缸侵蝕模(5)根據預測的爐缸爐底侵蝕形狀參數做出型之前,需要剔除熱電偶中異常數據，保證數據可爐缸爐底侵蝕形狀?？啃?方可利用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測爐缸爐底的侵蝕形狀。5爐缸 侵蝕模型驗證和應用0.06侵蝕樣本訓練共迭代1 000次,結果已經(jīng)收0.04斂,如圖7所示?？梢?jiàn),經(jīng)過(guò)訓練后,網(wǎng)絡(luò )誤差達到要求。0.02 t旨宮召得8雖昌眉目官。君組訓練誤差平方和-0.038 7747茫-0.020 100200300400500600700 8009001000長(cháng)-0.04訓練步數至-0.06權重值-10.3177-0.0812345678910 1112 13樣本序號) 100200300400500600700800 9001000圖8網(wǎng)絡(luò )預測誤差Fig. 8 Predictive error of back propagation network人600-有效參數個(gè)數-476.55最400把氣化爐爐缸熱電偶的實(shí)測溫度輸人爐缸侵物200蝕模型,模型計算爐缸的侵蝕邊界如圖9~11所01002003004005006007008009001000示。圖9中,1號COREX開(kāi)爐1個(gè)多月?tīng)t缸爐底內襯的溫度明顯升高,這表明開(kāi)爐初期“陶瓷杯”圖7網(wǎng) 絡(luò )訓練結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,內爐缸側訓練好的網(wǎng)絡(luò )還需要進(jìn)行測試，判斷其是否壁內襯溫度- 開(kāi)始上升較快,但隨后其溫度上升勢可以投人實(shí)際應用。網(wǎng)絡(luò )測試后的預報誤差曲線(xiàn)頭變緩,爐底和爐缸側壁內側耐材侵蝕了一半左如圖8所示。由圖8可見(jiàn),網(wǎng)絡(luò )預測值和真實(shí)值右,形成了相對穩定的侵蝕邊界。2008年3月至之間的誤差很小,滿(mǎn)足應用要求。2009年3月侵蝕邊界稍微擴大了一些,但侵蝕速度從上述測試結果可以看出,BP網(wǎng)絡(luò )對侵蝕線(xiàn)明顯降低,侵蝕邊界基本穩定,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與爐底和爐缸側壁水冷卻之間熱流穩定,形成了相中心有穩定的鐵殼形成;并沒(méi)有出現明顯的“蒜頭對穩定的渣鐵保護層。-方面, Sialon結合剛玉磚狀”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:參考文獻性能使其更耐侵蝕;另-方面,1號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,僅僅達到設計產(chǎn)能的70%,大大減輕了爐2] 杜鋼,陳亮.爐缸爐底侵蝕數學(xué)模型的研究[J].鋼鐵,缸和爐底的熔煉負荷,有利于氣化爐爐缸的長(cháng)壽。1997 ,32(增) :440 -443.6結論[3] 李肇毅 ,顧祥林,敖愛(ài)國,等.寶鋼2號高爐爐缸侵蝕在線(xiàn)檢測模型[J].煉鐵,2002 ,21(2):37 -40.(1)建立了氣化爐爐缸二維穩態(tài)傳熱數學(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.預測模型。該模型可以比較直觀(guān)、準確地反映氣5] KUMAR Surendra. Heat transfer analysis and estimation of化爐爐底、爐缸的工作情況,達到了監視或預報爐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)預測結果表明,爐缸侵蝕線(xiàn)(1150 C等溫[6] 陶文銓. 數值傳熱學(xué)[ M1.第2版.陜西西安:西安交通大學(xué)出版社,2中國煤化工線(xiàn))已經(jīng)進(jìn)人爐缸側壁的中部,侵蝕掉了大半爐缸YHCNMH G側壁“陶瓷杯”;爐底“陶瓷杯”侵蝕較為嚴重,爐底(收稿日期:2013 -10 -28).