高炉监测先进探针与仪器：实现精准工艺控制

高炉监测探针、仪器与测量概述

高炉（BF）按风口竖井至料面逆流气固传热、熔融带至料面逆流氧交换原理工作。铁质原料（铁矿石、烧结矿、球团）、焦炭、熔剂自炉顶装入，富氧风（有时配辅助燃料）经风口吹入。铁质料在炉内停留长达8小时，气体仅几秒。焦炭在炉底停留长得多，通常1-4周。液态铁水和渣通过炉底多个铁口定期放出。渣铁分离，铁水经铁水罐处理。高炉需高产、低燃料比、灵活稳定高效运行并具长寿命。

高炉常被称为“黑箱”，因“炉况”、“炉温”等术语主导使用，且高炉过程有许多未知领域。原因似为测量困难：高炉内气固液三相共存、反应径向非均匀进行、过程伴随时变、待测参数始终在高温高压含尘气氛中移动。

高炉常用探针：①雷达料位计测料面高度和下料速度；②高炉顶气点火枪；③固定“料面上”探针测温度压力采气；④移动“料面上”剖面仪测料面剖面、下料速度、温度、压力、采气；⑤移动“料面上”探针测温度、压力、装料曲线、采气；⑥水平“料内”探针测温度、压力、料层、采气。其他常用：料面探测器、热像仪、剖面仪、声学顶气测温探针、冲击探针、下降垂直探针、扫描探针、红外热像仪、风口探针等。

高炉操作从经验向科学化演进

高炉操作逐渐从纯经验活动转变为科学冶金原理支撑活动。高炉不再被视为“黑箱”。此演进重要部分是引入使用复杂探针测量装置，向高炉操作员传输工艺状态有用信息。为高炉可靠运行，必须用这些传感装置采集各种运行参数使高炉过程对操作员透明。现代高炉装备大量探针仪器测量装置，意味着监测大量信号，须以有意义方式呈现给操作员。早期高炉典型探针仪器测量装置见图1。

过去40-50年，为高炉过程控制开发多种探针测量装置。为了解料分布，开发垂直探针、水平探针、喉部热像仪。气流分布测量系统与料分布控制系统结合实现高炉柔性控制。此后利用各种剖面仪和磁力计提高料分布测控精度。气体分析仪发展：从常规气相色谱到测量间隔更短精度更高仪器，再向质谱仪发展。风口区测量：风口本体温度计、风口电视、风口探针提供竖井区温度或气体分布信息。结合基于炉温估算和熔融带估算数学模型改进整体高炉操作控制系统。

现代高炉通过精密探针仪器测量装置系统实现的信号极高。这些装置总I/O（输入输出）信号数量级~24,000，其中开关量~18,500-19,000，温度信号~1,200-1,500，其他模拟量~4,000，称重信号~70。

高炉探针测量装置基于电子学、光学、计算机技术近期发展取得巨大进步。用计算机现可更好监测高炉不同参数，因计算机不仅显示变量，还用建立模型、比较变量、建立数据库存储变量及其过程演变。

现代高炉探针测量装置典型应用见图2。

高炉分区与各区域期望测量

高炉内反应极复杂：气固液三相共存、反应径向非均匀、时变、待测参数在高温高压含尘气氛移动，造成测量困难。因测量困难，高炉通常分不同区域。各区域及期望测量如下。

块状区

此区发生间接还原。BF操作员需知区域参数：温度分布、气体渗透性、还原度、负担下降速度、负担物理性能变化。所需测量：固体负担材料数量粒度分布、混合层分布；上升气体数量成分温度压力。典型测量：负担表面剖面层厚分布、表面温度、气体成分温度压力分布。

块状区直接测量相对容易，允许开发提供大量信息不同传感器。此区最重要测量领域：负担分布、气流分布及其随时间变化，均影响还原、传热、气体渗透性、负担下降行为。估算负担分布三因素：①层厚；②负担粒度；③空隙分布。仅层厚分布可用各种剖面仪测量。但剖面仪能力差，仅测表面剖面不测装料致表面剖面变化，且混合层测量无效。近期开发磁力计传感器，可测负担表面剖面变化、含混合层的层厚分布、下降速度分布。

气流分布由负担分布决定。极重要测量因影响高炉操作。气流分布由四因素决定：①流量；②温度；③成分；④压力。正常测温度成分压力分布因易测。水平垂直探针和炉壁压力计提供温度成分压力分布满意测值。负担内气流速度分布直接测量虽理想但目前无高精度方法。故借助气体温度成分压力数据用数学模型估算负担内气流速度分布。

内聚带

高炉内三类反应均发生：①间接还原；②直接还原；③溶解损失反应。三反应均影响内聚带。故块状区所需测量连同负担水平和剖面测量均为内聚带重要测量。

内聚带表现高炉最大气流阻力，故通过炉内气体分布和负担下降形成操作稳定性指数。因此测量内聚带位置和剖面被认为极重要。目前内聚带位置剖面无法直接测量，用各探针直接测量参数通过数学模型估算内聚带。

滴落区、风口区、死人区

此区域高炉活动：①渣形成；②焦炭/辅助燃料燃烧；③锌硫碱等金属类循环；④剩余直接还原和溶解损失反应。期望测量：液体渗透性、金属渣流分布、金属类反应、焦炭下降、焦炭燃烧、死人形成、风口扩散。典型测量：①各风口风量；②风口长度；③风口亮度；④焦炭运动；⑤焦炭尺寸；⑥风口本体温度。

此区发生焦炭下降、死人形成、铁水渣流动、风口竖井焦炭燃烧、金属类反应、脱硫。为更好理解现象，气液渗透性和温度水平被认为重要。此区确定铁水渣最终条件，故一些重要信息需测量理解。但目前这些区实际可能测量仅：①冷却招管温度分布；②风口本体温度；③风口竖井状况。这些区测量装置发展极慢，因测量方法困难且对测什么如何安排现象存在理念混淆。这些区通常用各种数学估算模型尽快估算铁水渣最终状态并控制条件。

炉缸区

此区收集分离储存铁水液态渣。唯一活动：铁水脱硫和渗碳。液体渗透性也重要。期望测量：①铁水渣液位及其行为；②焦炭供给及燃烧移除；③铁水脱硫渗碳、金属类反应。典型需求测量：监测铁水液态渣行为及监测炉缸焦炭更替，目前用各种数学估算模型。

高炉过程控制采用的测量方法

目前用于高炉过程控制测量方法：

• 负担分布：现用方法：①接触式剖面仪；②非接触式剖面仪；③磁力计。接触式剖面仪仅测负担表面剖面，不测装料致表面剖面变化、不测混合层。负担分布扰动时测量误差大。非接触式较好因不干扰负担分布。磁力计测负担内部，允许测装料致表面剖面变化和混合层。
• 气流分布：气流速度分布现用方法：①流体流量计；②热线式气体流量计；③加热热电偶法；④气体示踪法。前三法通常从气压温度成分得气流量。示踪法为瞬时测量不干扰负担分布。
• 内聚带水平和剖面：直接法或间接法。间接法基于假设和测量参数（基本气流压力温度成分分布）。水平探针通常用于气体温度成分分布。又是瞬时测量。炉壁气压测量气流压力分布，为连续测量不干扰负担。直接测量：插入式垂直探针法、RI法、三域反射法（TDR）。三者中TDR连续测量，其他两为瞬时测量。垂直探针优势提供温度压力成分数据。

高炉炉壳维护

为高效稳定运行高炉炉壳和耐火衬里，仪器基于高炉耐火材料内部剖面和炉壳维护。因高炉长寿命极大降低成本，炉壳维护测量对提供耐火材料磨损、脚膨胀堆积信息、保护冷却设备和炉体附属设备免损坏有重要意义。

常规上炉壳耐火材料测量主要温度，测点随要求扩展增加。近期测量方法进展含电势脉冲法或热电偶响应法直接测量耐火厚度。炉壳维护趋向将炉壳控制系统纳入计算机以应对增加测点和用耐火磨损线估算数学模型。常用炉壳耐火维护仪器：

• 耐火磨损和脚膨胀堆积：多种方法。热电偶法为确立方法但测点有限依赖炉温。红外热像仪法产生图谱模式也依赖炉温。热通量计法测点有限依赖炉温。其他：①热电偶响应法；②电势脉冲法；③埋入RI法；④钻孔法。这些测壁厚但不检测壁厚增加。埋入RI法每RI仅测一点，钻孔法正常操作中难实施。
• 炉冷却设备保护：为保护炉冷却设备早期发现损坏作测量：①冷却水溶解CO量测量；②冷却水差流量测量；③冷却水进出口温度测量；④高炉顶气氢测量。第二法敏感水质。第三法告知冷却设备热负荷。第四法不检测受损部位。
• 高炉附属设备保护：附属设备须防故障。煤气净化设备通过测控顶气温度压力保护；风口和风管通过测各风口风量和辅助燃料量保护。