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。
关键词：高炉; 炉衬侵蚀; 测厚Application of blast furnace refractory liningdetection techniqueszhu Lifang(College of Metallurgical Engineering , Xi'an University of Architecture &Technology, Xi'an 710055, China)Abstract: The campaign life of amodern blast furnace is mainly determined by the residual thickness of the refractory lining, therefore it is absolutely necessary to examine lining erosion. Several kinds of typical b last furnace lining detection methods, including electric resistance method, ultrasonic method, acoustoul trasonic echo ( AU -E ) technique and mode l inference method, are presented and discussed in de tail in this paper concerning theirbasic principles, application systems or equipment and their application status. On the basis o f comprehensive comparison and evaluation of the various direct measurement methods and the indirect inference methods, further development trends of blast furnace refractory lin ing detection techniques are suggested.The most promising approach to monitoring lining erosion o f an operating blast furnace is recommended to be based on advanced direct measurement methods that are intergraded with thermal modeling and make fulluse of information derived from valid temperature values of thermocouples and output and feedback o f the detection systems.Key words: blast furnace; 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。
1.1.1TDR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。
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; AU E 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。