高炉炉墙厚度测量的试验研究

　　文献[1,2]中描述的高炉炉墙在线监测技术属于国内首创。其测量原理是将测杆埋入高炉炉墙中,由超声发射系统激发超声探头向测杆中发射超声波,然后检测从测杆前端面反射的回波,在工控机显示屏上形成回波波形图,其回波前沿位置对应炉墙厚度,可进行高温密封环境下的炉墙测量(图1)。

　　冶金高炉上要能应用该项技术的关键问题,一是寻找确定在测杆前端高温情况下能反射回波的测杆材质[3];二是对选定材质的回波波形进行分析,能正确判定波形前沿位置,这样才能测出炉墙厚度。以下在实验室和现场应用的基础上对回波波形进行分析,进而应用该技术确定材质和判定波形前沿位置。

　　1　不同材质测杆超声波幅度随温度变化的规律

　　在实验室,选用直径分别为14,20,32和40 mm的圆柱形不锈钢棒、铜棒、Q235钢棒和DT铁棒几种材质作测杆。杆前端插入加热炉升温,用CST23型超声波探伤仪接收反射波信号,发现升温使反射波波峰高度不断下降。

　　将探伤仪各旋钮调至“增益”最大、“衰减”为零、“抑制”24。超声探头频率2.5 MHz,取当时波峰高度为100%,温度升至1 260℃,不同测杆材质的反射波与温度的试验规律见图2。

　　试验发现测杆直径的变化只影响回波的相对强度,与能检测到回波信号的最高温度值关系不大。由图2可见,探伤仪回波信号的位置随温度的升高而后移。DT铁棒的回波波高接近800℃还基本保持100%,所以选用DT铁棒作测杆,即使高炉内炉腹部位的温度最高达到1 100℃时,DT铁棒仍能检测到回波。

　　2　现场检测时的难点

　　2.1　新开炉炉内升温的波形变化

　　图3是1999年首钢3号高炉上安装的炉墙测厚系统中,某测杆在烘炉期由厚度采集器采回的反映在工控机屏幕上的反射波形。

　　根据实验室对测杆的冷状态标定,预计回波应在P1点出现,新开炉炉内升温,回波应后移到P点才能与试验规律吻合。

　　随着点火后炉温上升至高炉正常出铁时,回波波高大幅度下降,在P点的前方O点出现若干幅度变化的早期反射波,同时主回波位置后移到Q点。这种回波双峰值和回波位置后移的现象将直接影响测杆回波实际位置的判断。

　　2.2　测杆与炉壁被侵蚀后的回波波形

　　在生产现场发现大部分测杆与炉壁厚度同步侵蚀,采回的测量数据与预期结果一致。但是安装在高炉炉腰以上段位的测杆因侵蚀出现锥形前端,回波信号混乱不稳定,无法判断回波前沿(图4)。

　　3　分析和解决

　　3.1　建立物理数学模型

　　测杆在冷却壁的位置接触恒温热源T0,测杆进到炉内端点与高温恒温热源T接触。假设测杆周围耐火炉墙为绝热,导热模型为细杆导热^[4]。设测杆的温度分布函数为u,热传导微分方程为