史東磊，楊曉婷，閆本領(lǐng)，翟 丹，薛金成

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064404）

引言

魚雷罐是盛放高溫液態(tài)鐵水的容器，由內(nèi)部的耐材和鋼質(zhì)外殼組成，魚雷罐使用過程中內(nèi)部的耐材不斷被侵蝕，當(dāng)侵蝕到一定程度時(shí)，就必須重新砌筑耐材；耐材侵蝕嚴(yán)重時(shí)，鐵水可能會燒穿耐材，造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。目前，耐材的侵蝕情況主要依靠人工判斷，會造成魚雷罐侵蝕狀態(tài)的誤判，國內(nèi)由于魚雷罐燒穿漏鐵造成損失和安全事故曾多次發(fā)生[1]。準(zhǔn)確判斷魚雷罐罐體耐材侵蝕情況，同時(shí)對魚雷罐成本及高爐正常運(yùn)行的影響最小，是目前煉鐵生產(chǎn)急需解決的問題。

1 魚雷罐監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施目標(biāo)

（1）對在線運(yùn)行魚雷罐罐號的自動檢測和識別。

（2）運(yùn)行魚雷罐外部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過侵蝕模型計(jì)算魚雷罐內(nèi)襯殘厚。

（3）與魚雷罐實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)相結(jié)合建立魚雷罐的綜合管理系統(tǒng)。

（4）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及綜合管理。

2 魚雷罐監(jiān)測系統(tǒng)的組成

魚雷罐罐體監(jiān)測系統(tǒng)由紅外熱像儀、魚雷罐罐號識別設(shè)備、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)器、魚雷罐侵蝕模型、聲光報(bào)警設(shè)備、PC顯示器等組成。

其中紅外熱像儀及魚雷罐罐號識別設(shè)備安裝在運(yùn)行魚雷罐車的鐵軌附近（≤10 m），采集的魚雷罐數(shù)據(jù)及視頻、圖像信息由數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)傳輸至安裝了魚雷罐耐火材料侵蝕模型的系統(tǒng)服務(wù)器上，顯示器及聲光報(bào)警設(shè)備與服務(wù)器相連，提供相關(guān)信息界面的顯示及聲光報(bào)警功能，系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 魚雷罐監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

當(dāng)裝滿鐵水的魚雷罐經(jīng)過紅外測溫儀及罐號識別設(shè)備時(shí)，由罐號識別設(shè)備讀取安裝在魚雷罐車上的超高頻電子標(biāo)簽卡內(nèi)置信息，并將超高頻電子標(biāo)簽卡的信息通過讀卡器識別出魚雷罐的罐號，然后安裝于魚雷罐車軌道兩側(cè)的紅外熱像儀對整個(gè)魚雷罐罐體表面進(jìn)行掃描及溫度檢測，自動拍攝出被測魚雷罐的熱成像圖像，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將所有的數(shù)據(jù)及信號傳送至系統(tǒng)服務(wù)器，再由安裝在服務(wù)器上的魚雷罐罐體侵蝕模型處理后，將最終的計(jì)算結(jié)果顯示在顯示器上。

該系統(tǒng)提供報(bào)警功能，當(dāng)被測魚雷罐罐體最高溫度超過預(yù)先設(shè)定的報(bào)警溫度時(shí)，由聲光報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。而對于倒空鐵水后的空魚雷罐經(jīng)過檢測設(shè)備時(shí)，則該系統(tǒng)不進(jìn)行檢測(讀取其它項(xiàng)目的魚雷罐實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)信息)，避免對魚雷罐罐體耐火材料侵蝕情況誤判。

魚雷罐綜合管理系統(tǒng)主界面提供溫度監(jiān)測界面、歷史數(shù)據(jù)、魚雷罐定位系統(tǒng)、魚雷罐砌筑信息、報(bào)警信息、魚雷罐跟蹤系統(tǒng)、魚雷罐電子檔案、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)信息、用戶登錄、臨檢罐號等功能區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)多賬號管理及遠(yuǎn)程操控、公司管理內(nèi)網(wǎng)各相關(guān)數(shù)據(jù)庫間調(diào)用及分析，建立魚雷罐電子檔案，并提供相關(guān)信息查詢、下載等功能。

寶寶說：“一次偶然的機(jī)會，我拉下了桌布，發(fā)現(xiàn)桌上的碗會動，我好興奮，就像發(fā)現(xiàn)了新大陸。熱湯熱茶，也不能阻止我繼續(xù)探索的決心。我們幼兒園的老師把桌布鋪在地上，讓我們玩‘地面新大陸’，餐桌上的飯菜就很少再被拽翻了。”

3 魚雷罐監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 罐號識別

為了實(shí)現(xiàn)對魚雷罐罐號的識別不受環(huán)境及機(jī)械磨損等外部因素影響，實(shí)現(xiàn)全天的精準(zhǔn)識別，本系統(tǒng)采用超高頻率電子標(biāo)簽卡識別技術(shù)，射頻識別系統(tǒng)識別距離可達(dá)10 m，抗干擾能力強(qiáng)。

其中超高頻電子標(biāo)簽卡采用無源標(biāo)簽，標(biāo)簽與讀卡器之間的耦合方式為電磁耦合方式，讀卡器天線輻射場為無源標(biāo)簽提供射頻能量。系統(tǒng)投運(yùn)前，先對超高頻電子標(biāo)簽卡設(shè)置對應(yīng)的魚雷罐罐號，并將電子標(biāo)簽卡安裝于魚雷罐車上。當(dāng)魚雷罐車經(jīng)過檢測位置時(shí)，電子標(biāo)簽卡進(jìn)入讀卡器天線輻射場內(nèi)，讀卡器天線將電子標(biāo)簽卡喚醒，通過讀取電子標(biāo)簽卡內(nèi)部的信息，連接罐號自動識別系統(tǒng)API 接口，獲取每個(gè)被檢測魚雷罐的罐號。通過過這種方式，對魚雷罐罐號的識別率可以達(dá)到99.99%，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

3.2 魚雷罐表面溫度的準(zhǔn)確測量

被測魚雷罐經(jīng)過系統(tǒng)檢測點(diǎn)，自動實(shí)時(shí)采集所有魚雷罐表面的溫度照片，見圖2，并傳輸至服務(wù)器統(tǒng)計(jì)計(jì)算,評估出魚雷罐耐材的侵蝕狀況，并進(jìn)行記錄和跟蹤。在此過程中無需魚雷罐停車，無需清空鐵水，24 h 全自動監(jiān)控，自動評估魚雷罐耐材侵蝕狀態(tài)。

圖2 魚雷罐溫度顯示

溫度測量的范圍：-30 ℃～ 1 200 ℃;

溫度測量的精度：±2 ℃或讀數(shù)的±1.5%。

3.3 罐體溫度及侵蝕模型的計(jì)算

通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳遞的所有數(shù)據(jù)及信號傳送至系統(tǒng)服務(wù)器，監(jiān)測系統(tǒng)獲取魚雷罐的熱成像圖像和魚雷罐罐體表面各點(diǎn)的溫度[2]，通過對接魚雷罐罐體侵蝕模型，計(jì)算得出魚雷罐體耐火磚殘厚數(shù)據(jù)。

魚雷罐罐體分為錐環(huán)部位、渣線部位、筑環(huán)部位、沖擊區(qū)四個(gè)不同的區(qū)域（如圖3所示），每個(gè)區(qū)域耐火材料和種類和砌筑厚度都不相同[3]，為了更準(zhǔn)確地計(jì)算魚雷罐罐體耐火磚殘厚數(shù)據(jù)，需要對魚雷罐的侵蝕模型進(jìn)行完善，根據(jù)魚雷罐罐體的不同區(qū)域分別建立不同的侵蝕模型。

圖3 魚雷罐耐火材料砌筑圖

整體的魚雷罐罐體侵蝕模型建模如下：

單位表面熱損失計(jì)算公式：

針對魚雷罐罐實(shí)際情況可分解為：

外表面單位面積熱損失計(jì)算公式：

內(nèi)部材料單位面積熱損失計(jì)算公式：

其中：δ——耐材厚度；

λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)；

α——表面放熱系數(shù)（外殼與空氣對流輻射等換熱系數(shù)）。

3.4 溫度及侵蝕結(jié)果報(bào)警功能

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際每個(gè)魚雷罐的真實(shí)尺寸及材質(zhì)，建立起準(zhǔn)確的侵蝕仿真模型，建模魚雷罐內(nèi)部各部位耐材的侵蝕數(shù)學(xué)模型，通過監(jiān)測傳輸過來的表皮溫度計(jì)算出魚雷罐內(nèi)部耐材的侵蝕情況[4]；同時(shí)設(shè)置魚雷罐表皮最高點(diǎn)溫度自動報(bào)警功能，當(dāng)魚雷罐罐體最高溫度超過所設(shè)定的危險(xiǎn)溫度時(shí)，顯示畫面自動標(biāo)識出魚雷罐監(jiān)測畫面高溫點(diǎn)位置，彈出報(bào)警畫面并啟動聲光報(bào)警裝置，無需崗位操作人員時(shí)刻監(jiān)控，減少勞動強(qiáng)度。同時(shí)根據(jù)侵蝕模型，自動計(jì)算出最高溫度點(diǎn)位置的計(jì)算侵蝕深度，為崗位人員提供參考數(shù)據(jù)。

3.5 數(shù)據(jù)存儲查詢導(dǎo)出功能

提供對魚雷罐罐體溫度的數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行存儲查詢及導(dǎo)出功能，數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的侵蝕數(shù)據(jù)也可查詢及導(dǎo)出，方便不同管理人員需要，可以為各魚雷罐管理部門、人員提供詳實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4 魚雷罐監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行效果及效益說明

自2019 年4 月投運(yùn)至今，在進(jìn)入一煉鋼鐵路道口投入魚雷罐罐體侵蝕監(jiān)測系統(tǒng)，整體設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、測量精度高、操作簡單方便、模型數(shù)據(jù)清晰、顯著提高了魚雷罐管理工作效率，實(shí)現(xiàn)了對所有進(jìn)入一煉鋼的魚雷罐進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，滿足設(shè)備精度及穩(wěn)定性要求。

圖4 報(bào)警顯示界面

效益計(jì)算,2020 年5～8 月份，魚雷罐使用壽命較1～4月份平均提高了14次，節(jié)約資金約64.77萬元。

5 結(jié)論

魚雷罐侵蝕監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測魚雷罐表皮溫度及通過侵蝕模型計(jì)算內(nèi)部耐材侵蝕情況，保證魚雷罐安全穩(wěn)定的運(yùn)行，有效避免漏鐵事故發(fā)生。同時(shí)可準(zhǔn)確地掌握內(nèi)部耐材殘厚信息，避免魚雷罐過度維護(hù)及過早拆除，有助于提高魚雷罐耐材使用壽命。