COREX气化炉炉缸侵蚀模型的预测与实践

6宝钢技术2014年第4期分析与研究COREX气化炉炉缸侵蚀模型的预测与实践李晓清',王臣”,储 文2(1.西格里特种石墨上海有限公司,上海200041;2.宝山钢铁股份有限公司,上海200941)摘要:COREX炉缸与全氧高炉类似,面临着炉缸侵蚀加剧的问题,甚至发生了炉缸烧穿事故,炉缸寿命已成为安全高效生产的限制性环节。根据数值分析、有限元法、传热学等理论,建立了COREX气化炉炉缸二维稳态传热模型。在此基础上,利用BP神经网络开发了COREX气化炉炉缸侵蚀预测模型。应用该炉缸侵蚀模型对炉缸侵蚀曲线进行计算,计算出的炉缸侵蚀曲线与实际情况基本相符。模型应用表明,该侵蚀预测模型具有可靠性,能为COREX炉缸安全生产提供技术依据。关键词:COREX;气化炉;炉缸侵蚀模型中图分类号:TF557文献标志码:B 文章编号 :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与高炉几百年的发展相比较,COREX仅经历过程中修补异常困难。炉缸、炉底的寿命是影响了20多年的生产实践,在工艺、技术上还有很多代炉龄的主要限制性环节。因此,开发使用炉方面需要完善川。COREX 使用纯氧,炉缸工作条缸侵蚀模型,对延长COREX炉缸寿命以及现场件极其恶劣,其侵蚀、破坏速度很快,而且在生产操作分析.判断与调节炉况都有很大帮助。本文简要介绍了宝钢1号COREX炉缸温度李晓清高级工程师 1975 年生1996 年毕业于上海冶金高等场的计算和中国煤化工i用炉缸侵蚀专科学校现从事炼铁专业 电话60976941模型预测了YHCNMH G .E-mail amwaylxaoqing@ 163. com.李晓清等COREX 气化炉炉缸侵蚀模型的预测与实践7求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成1气化炉炉缸结构由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数气化炉炉缸炉底采用“陶瓷杯”结构,如图1组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量所示。炉底的下部为水平砌筑的碳砖,碳砖上部法,将微分方程离散求解(6]。为2层莫来石砖、1层黏土砖和2层中心刚玉质3炉缸温度场预制块。炉缸侧壁是由通过一层厚度灰缝(60mm)分隔的两个独立的圆环组成,外环为碳利用MATLAB进行有限元分析的步骤为:定砖,内环是Sialon结合刚玉砖。炉缸侧壁和炉底义计算模拟区域;在计算区域上定义边界类型,并交接部位为微孔碳砖和超微孔碳砖。给参数赋值;确定微分方程的类型并给系数赋值;有限元网格划分;数值求解并模拟结果。针对炉缸炉底导热问题,各步骤的具体内容如下。Sialon结 合刚玉砖微孔碳砖(1)区域划分。熔化气化炉炉缸炉底区域划分如图2所示。整个炉缸炉底的二维半剖面划分超微孔碳砖-刚玉预制块为9个区域,各个区域的材质不同,即热传导系数不同:黏土砖-莫来石砖.在区域R1中,λ=4.534 193 -0.001 71T;普通碳砖:在区域R2中,λ =6.406 292 +0. 002 16T;在区域R3中,λ=1.397 783 +0.000 202T;商导石墨砖-在区域R4中,λ =2.192 255 +4. 28 x10-'T;图1 COREX 熔化气化炉炉缸炉底结构在区域P1中,λ=12.514 4 +0.002 959T;Fig. 1 Schematic diagram of the hearth structure of在区域P2中,λ =20.677 53 +0.001 412T;COREX melter gasifer在区域P3中,λ=10.64613+0.003201T;在区域P4中,λ=19.8;2炉缸数学模型在区域P5中,λ=13.9。建立炉缸炉底温度场模型时,进行如下简化和假设[(2-5):8000(1)通过炉缸炉底温度场的计算来反映炉缸7000.P1炉底的侵蚀状况,1 150 C等温线即为侵蚀参6000考线。5000(2)考虑到炉缸水平界面的切线方向传热量2很小，故炉缸炉底的传热方程可简化为二维的。t 3000元二 R34\(3)炉底中心及炉缸侧壁上边缘为绝热2000边界。1000P3(4)将炉缸炉底的传热过程视为稳态过程,14门P5且内部无热源。4000 6000 8 000半径1 mm根据以上简化,炉缸炉底的热传导方程可以写为:图2炉缸炉底的区域划分Fig.2 Regional division of hearth四+点(\凹=0(1)(2)边界条件。模型的边界划分如图3所式中,x为径向距离, m;y为轴向距离,m;λ为热示。 ①炉缸内腔边界,温度为1150 C ,即假定为传导系数,W/(m. C);T为温度,C。侵蚀边界,T=1150C;②炉底中心及炉缸侧壁求解方法是基于数值解法中的有限元法,其上边缘为绝热中国煤化工);③炉缸基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠外侧壁和炉底MHCN M H G对流边界，的单元,在每个单元内,选择-些合适的节点作为q=a(T- T)。其中，炉党温度维符25 C,aw =8宝钢技术2014年第4期6 000 W/(m2●C);炉底用25 C水冷却,ap=1000I 10030 W/(m2. C)。9 0001 0008 000900根据边界划分,可以确定相应的边界条件类型7000o以及参数。图3中红色的边界为狄利克雷，600700。(Dirichlet)边界,蓝色边界为纽曼( Neumann)边界。目5000-600500足400080004003 0000070002 0006000100昌50002000 4000 6000 8000半径1mm3000图5炉 缸炉底等温线Fig. 5 Isotherm of hearth100009 000-4000 6000 8 0008000-图3炉缸炉底的边界条件类型Fig. 3 Boundary condition secifications of hearthE5000500。(3)设定各区域求解方程。本文中要解决的6 400问题属于无内热源稳态热传导问题,可以利用MATLAB的PDETolbox工具求解,选用椭圆型)0方程。椭圆型方程为:20004000 6000 8 000. div(c●grad(T)) +aT=f, inQl (2)式中,n是平面有界区域;c、a、f以及未知函数T图6炉缸炉底温度梯度图为求解变量,即炉缸炉底的温度,本文中参数a、fFig. 6 Temperature gradient of hearth为0,参数c由热传导系数确定。(4)划分和细化网格。采用三角形网格来划4炉缸侵蚀模型分和细化炉缸炉底区域,如图4所示。(5)求解方程,得到每个节点的温度并绘制对COREX气化炉炉缸进行合理的简化,利用炉缸中所埋置的热电偶的温度及其位置、炉缸等温线,结果如图5.6。各部位耐火材料的传热特性、炉内外的温度和炉8000 I缸冷却条件,依据传热学、数值分析、有限元法等理论,建立炉缸的传热数学模型。通过炉缸传热数学模型计算出炉缸的温度场,求出测温点的温眉5000度值,然后将其与相应设置的侵蚀边界组成侵蚀区4000样本。在炉缸炉底温度场数值计算的基础上,以BP神经网络作为工具,建立炉缸侵蚀预测模型。2000具体步骤是:(1)建立炉缸二维稳态传热数学模型。2000 4000 6 0008 000(2)设置不同的侵蚀状况,由传热模型得到半径/mm此时炉缸炉衬的温度场,计算出测温点的温度值，图4炉缸炉底自动网格划分和细化然后将其与”中国煤化工侵蚀样本。Fig. 4 Automated mesh generation and(3)用MHCNM H行训练,使其refinement of hearth达到-定的精度要水。李晓清等COREX 气化炉炉缸侵蚀模型的预测与实践9(4)对测得的热电偶温度值进行可靠性判断,位置的预测，在一定程度上接近目标数据。但样包括物理剔除和数学剔除,然后根据热电偶的温度本中的目标数据是通过传热模型精确计算出来利用训练好的神经网络预测炉缸炉底的侵蚀形状。的,故能取得较好的预测结果。应用炉缸侵蚀模(5)根据预测的炉缸炉底侵蚀形状参数做出型之前,需要剔除热电偶中异常数据，保证数据可炉缸炉底侵蚀形状。靠性,方可利用训练好的神经网络预测炉缸炉底的侵蚀形状。5炉缸 侵蚀模型验证和应用0.06侵蚀样本训练共迭代1 000次,结果已经收0.04敛,如图7所示。可见,经过训练后,网络误差达到要求。0.02 t旨宫召得8虽昌眉目官。君组训练误差平方和-0.038 7747茫-0.020 100200300400500600700 8009001000长-0.04训练步数至-0.06权重值-10.3177-0.0812345678910 1112 13样本序号) 100200300400500600700800 9001000图8网络预测误差Fig. 8 Predictive error of back propagation network人600-有效参数个数-476.55最400把气化炉炉缸热电偶的实测温度输人炉缸侵物200蚀模型,模型计算炉缸的侵蚀边界如图9~11所01002003004005006007008009001000示。图9中,1号COREX开炉1个多月炉缸炉底内衬的温度明显升高,这表明开炉初期“陶瓷杯”图7网 络训练结果炉衬侵蚀速度较快。Fig.7 Results of back propagation network training图9~11所示，在投产的半年时间,内炉缸侧训练好的网络还需要进行测试，判断其是否壁内衬温度- 开始上升较快,但随后其温度上升势可以投人实际应用。网络测试后的预报误差曲线头变缓,炉底和炉缸侧壁内侧耐材侵蚀了一半左如图8所示。由图8可见,网络预测值和真实值右,形成了相对稳定的侵蚀边界。2008年3月至之间的误差很小,满足应用要求。2009年3月侵蚀边界稍微扩大了一些,但侵蚀速度从上述测试结果可以看出,BP网络对侵蚀线明显降低,侵蚀边界基本稳定,说明这一阶段渣铁-热电偶温度值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半径/mm中国煤化工图9 2007 年12月炉缸炉底侵蚀形MHCNMHGFig. 9 Erosion prediction of hearth in December ,20.10宝钢技术2014年第4期热电锅温度值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输入1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000图102008年3月炉缸炉底侵蚀形状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图112009年3月炉缸炉底侵蚀形状Fig. 11 Erosion prediction of hearth in March ,2009与炉底和炉缸侧壁水冷却之间热流稳定,形成了相中心有稳定的铁壳形成;并没有出现明显的“蒜头对稳定的渣铁保护层。-方面, Sialon结合刚玉砖状”侵蚀,气化炉炉缸侵蚀状况基本正常。具有优良的理化性能,低导热率使其具有良好的“隔热”效果,高的体积密度和良好的抗渣铁渗透:参考文献性能使其更耐侵蚀;另-方面,1号COREX产能一[1] 杨天钧,刘述临. 熔融还原技术[ M].北京:冶金工业出版社,1991:14-15.直较低,仅仅达到设计产能的70%,大大减轻了炉2] 杜钢,陈亮.炉缸炉底侵蚀数学模型的研究[J].钢铁,缸和炉底的熔炼负荷,有利于气化炉炉缸的长寿。1997 ,32(增) :440 -443.6结论[3] 李肇毅 ,顾祥林,敖爱国,等.宝钢2号高炉炉缸侵蚀在线检测模型[J].炼铁,2002 ,21(2):37 -40.(1)建立了气化炉炉缸二维稳态传热数学模[4] TAKATANI Kouji, INADA Takanobu, TAKATA Kouzo.Mathematical model for transient erosion process of blast型,并以BP神经网络作为核心,开发了炉缸侵蚀fumace hearth[J]. ISU Int. ,2001 ,41( 10) :1139 -1145.预测模型。该模型可以比较直观、准确地反映气5] KUMAR Surendra. Heat transfer analysis and estimation of化炉炉底、炉缸的工作情况,达到了监视或预报炉refractory wear in an iron blast fumace hearth using finite缸炉底侵蚀的目的。element method[J]. ISU Int. ,2005 ,45(8):1122 -1128.(2)预测结果表明,炉缸侵蚀线(1150 C等温[6] 陶文铨. 数值传热学[ M1.第2版.陕西西安:西安交通大学出版社,2中国煤化工线)已经进人炉缸侧壁的中部,侵蚀掉了大半炉缸YHCNMH G侧壁“陶瓷杯”;炉底“陶瓷杯”侵蚀较为严重,炉底(收稿日期:2013 -10 -28).