Контроль состояния футеровки горна и лещади доменных печей

Классификация системы контроля

Система контроля за разгаром периферии кладки горна и лещади доменной печи должна своевременно информировать обслуживающий персонал о возможной аварии для принятия необходимых организационных и технологических мер. Прорывы горна происходят, как правило, внезапно, без видимых признаков надвигающейся аварии, что говорит о малой эффективности существующих методов контроля.

В настоящее время существует несколько прямых и косвенных методов контроля:

1) контроль температуры кладки горна и лещади с помощью термопар;

2) радиоактивный метод;

3) контроль перепада температур охлаждающей воды в холодильниках горна и лещади;

4) контроль температуры воздуха, охлаждающего лещадь;

5) контроль с применением специальных датчиков.

1. Термопары применяют для контроля глубины разгара лещади в центральной части. Обычно их устанавливают в одни или два яруса па разном расстоянии от оси печи, показания используют для определения толщины сохранившейся кладки. Надежный периферийный контроль, осуществляемый при помощи термопар, практически невозможен из-за необходимости большого их числа.

2. Радиоактивный метод осуществляется введением радиоактивных веществ в кладку горна и лещади. При разрушении кладки радиоактивные вещества переходят в продукты плавки. По уменьшению интенсивности или по увеличению радиоактивности чугуна судят о величине разгара. Этот способ не нашел практического применения из-за сложности контроля, большой инерционности и недостаточной точности измерений.

3. Контроль перепада температур воздуха, охлаждающего лещадь, осуществляется установкой термопар на подводящем и отводящем воздуховодах. Повышение температуры указывает на общий разгар кладки в центральной части лещади.

4. Контроль периферийных разгаров кладки по нагреву охлаждающей воды. Наиболее распространенным методом определения периферийных разгаров кладки считают контроль за нагревом воды, охлаждающей холодильник. При значительных разгарах теплосъем с холодильника увеличивается в 3—5 раз. Если принять, что расход воды — величина постоянная, то степень ее нагрева будет зависеть только от толщины оставшейся кладки.

Такой метод контроля принципиально может быть использован при работе печи на технической воде и с испарительным охлаждением. Последнее обусловлено тем, что вода, поступающая из барабана-сепаратора в нижние холодильники лещади, недогрета до кипения на 40—45° С из-за дополнительного давления в нижней части печи.

При работе доменной печи на технической воде измерение перепада температур воды в холодильниках (обычно холодильники горна и лещади соединены по два) осуществляют преимущественно вручную один или два раза в смену.

На доменных печах с испарительным охлаждением действует автоматический контроль температуры с непрерывной регистрацией сигнала.

Измерение перепада температур воды в системе охлаждения как метод контроля разгара кладки характеризуется рядом серьезных недостатков, основными из которых являются:

1) низкая точность метода, обусловленная характером зависимости теплового потока от расстояния между холодильником и жидким чугуном;

2) в случае, если жидкий чугун подходит небольшой массой и фронт его по сечению невелик, общий тепловой поток, даже на один холодильник, может увеличиться незначительно вследствие усреднения его по всей холодильной плите. В результате температура воды мало изменится;

3) большая инерционность нагрева воды, не позволяющая в отдельных случаях своевременно сигнализировать о возможном прорыве;

4) контроль периферийных разгаров, осуществляемый с помощью специальных датчиков.

Известно предложение И.С. Немцова об определении периферийного разгара кладки лещади с помощью электрических проводов с термостойкой изоляцией, уложенных в защитные стальные трубы, которые располагают на границе между углеродистыми блоками и набивкой в виде концентрических колец. В случае прогара провода под действием жидкого чугуна электрическая цепь замыкается и подается сигнал. Место прогара определяется по величине сопротивления провода, который изготавливают из материала с высоким электрическим сопротивлением.

Предложенное устройство обладает рядом недостатков: а) в случае подхода чугуна кольцевыми рядами стальных труб датчики остаются невредимыми, и сигнал не подается; б) возможен лишь одноразовый контроль.

Институтом «ВНИПИчерметэнергоочистка» усовершенствован метод И.С. Немцова. В слое углеродистой набойки устанавливают систему трубчатых змеевиков из легкоплавких металлов (алюминий, латунь и др.), внутри которых проходит контактный провод, изолированный от трубки специальными керамическими элементами. При повышении температуры кладки до температуры плавления трубки, расплавленный металл заполняет внутреннюю полость и замыкает электрическую цепь.

Этот метод позволяет заблаговременно определить подход жидкого чугуна к холодильникам. Недостатком его также является одноразовость контроля. Наиболее перспективно для контроля разгара периферии применение датчиков трансформаторного типа многократного действия, принцип работы которых заключается в изменении магнитной проницаемости ферромагнитных материалов при повышении температуры в зоне установки датчика выше температуры точки Кюри (равной, например, для электротехнической стали 720° С).

Особенности и преимущества контроля за разгаром кладки по нагреву воды при испарительном охлаждении

На рис. 165 представлена принципиальная схема контроля разгара кладки горна и лещади по нагреву воды при работе на испарительном охлаждении.

Из барабана-сепаратора охлаждающая вода через распределительный коллектор поступает в нижний ряд холодильников лещади с температурой около 100°C (рассматривается случай без давления в барабане-сепараторе).

На соединительных калачах холодильников горна и фурменной зоны устанавливают термопары или термометры сопротивления, измеряющие величину нагрева воды после прохождения ею холодильников лещади и горна. Ввиду наличия давления столба воды (3,2 ат) в этом районе температура кипения будет равна 144° С, и при нормальном состоянии кладки парообразования не происходит, т. е. запас по возможному догреву воды составляет 40—44° С.

Температура входящей и выходящей воды фиксируется многоточечным самопишущим прибором, расположенным на пульте управления печью.

Согласно практическим замерам и расчетам циркуляции расход охлаждающей воды на каждый холодильник составляет 10—12 м3/ч, т. е. по 2,5—3,0 м3/ч на каждый вертикальный ряд трубок. Причем экспериментально установленным фактом является практическая независимость циркуляционного расхода от колебаний тепловых нагрузок шахты и заплечиков.

На рис. 166 показана зависимость циркуляционного расхода от тепловой нагрузки на ряд последовательно соединенных холодильников для доменной печи № 8 Криворожского металлургического завода, откуда видно, что даже при минимальных тепловых нагрузках, соответствующих периоду разогрева кладки, расход воды на холодильники составляет более 2 м3/ч па каждую трубку, возрастая по мере разгара кладки до 3,0—3,5 м3/ч при максимально возможных тепловых нагрузках. Для примера на графике нанесен характер изменения температуры воды на выходе из холодильников горна при подходе в этом районе жидкого чугуна и соответственном увеличении тепловой нагрузки (принято, что все тепло Qгорна подх передается жидким чугуном).

Допустимый нагрев воды при разгаре кладки составляет 20° С вместо 4—5° С при водяном охлаждении.

В табл. 57 сравниваются возможности контроля за разгаром кладки при водяном и испарительном охлаждении по нагреву воды с учетом специфики конкретных условий, откуда видно, что при испарительном охлаждении контроль за разгаром осуществляется более точно, и можно говорить более определенно о характере и месте подхода ввиду того, что нагрев воды замеряется с каждой 1/4 части холодильника (по окружности).

При водяном же охлаждении холодильники, как правило, соединены по два-три, но даже когда они и рассоединяются по-одному (поверхность холодильника s = 3 м2), происходит усреднение теплового потока, в результате чего трудно определить характер разгара. Например, из таблицы следует, что для случаев 3, 4 при водяном охлаждении сохраняется одинаковый температурный перепад 8,2 и 7,2 град. Между тем в первом случае разгар не опасен, а во втором такой локальный подход чугуна может вызвать явления кризиса (паровые пробки) и резко нарушить охлаждение.

Для этих же случаев при испарительном охлаждении совершенно четко система контроля отреагирует на подход чугуна повышением нагрева воды до 20 вместо 1°C при неопасном разгаре.

Таким образом, применение существующего метода контроля за разгаром кладки горна и лещади в системах испарительного охлаждения не только не ухудшило, но значительно повысило надежность работы системы контроля. Сказанное справедливо при условии надежной работы системы измерения температур воды, основные требования к которой сводятся к следующим практическим рекомендациям.

1. Измерение температуры охлаждающей воды следует вести при помощи термопар:

а) в качестве стандартной термопары рекомендуется ТХК-200т, применяемая для измерения температуры воды и пара при давлении до 200 кгс/см2. Инерционность термопары не превышает 40 сек.

Чувствительный хромель-копелевый элемент термопары находится в наконечнике (наружный диаметр 6 мм), приваренным к чехлу термопары. Длину погружаемой части термопары следует выбирать 320 мм. Применение указанной термопары позволит производить замену термоэлектродов, не демонтируя защитный чехол;

б) основание клеммных выводов термопары следует изготовить из материала, предназначенного для длительной работы при температуре до 400° С (асбоцемент, керамика, стекло). Этим же требованиям должна удовлетворять изоляция компенсационных проводов, находящихся в зоне высоких температур;

в) в качестве компенсационных проводов, удовлетворяющих требованиям термостойкости и механической прочности, рекомендуется термопарный кабель тина TKMC ТУМИ 070—68. Наиболее целесообразно использование непосредственно в качестве термопары термопарного кабеля, нечувствительного к изменению температуры окружающей среды до 600° С. Погружаемая часть кабеля выполняется в виде спая; конструкция термопары должна обеспечить необходимую герметичность при вводе ее в калач. Длину термопары выбирают так, чтобы холодный конец ее находился в зоне температур, не превышающих 60° С.

2. Применение термопар рекомендуется для измерения абсолютных значений температур воды. При необходимости измерения разности температур в качестве датчиков целесообразнее использовать термометры сопротивления.

В качестве стандартного термометра сопротивления можно применять платиновый термометр сопротивления типа ТСП-ХХП, серийно изготавливаемый Луцким приборостроительным заводом. Инерционность его не более 80 сек, условное давление до 250 кгс/см2.

Установка термометра сопротивления осуществляется так, чтобы середина чувствительного элемента находилась в средней части потока контролируемой среды.

3. Для более надежного контроля разгара кладки горна и лещади на периферии рекомендуется замерять температуру охлаждающей воды из двух трубок каждого холодильника (через одну трубку).

Холодильники, расположенные под чугунными летками, учитывая опыт эксплуатации доменной печи № 8 Криворожского металлургического завода и возможность повреждения жидким чугуном коллекторов, целесообразно охлаждать технической водой.

Новые решения по заблаговременному определению подхода жидкого чугуна с помощью датчиков трансформаторного типа

Для контроля подходов жидкого чугуна к холодильникам горна и лещади предлагается применить периферийный экран из датчиков трансформаторного типа.

Датчик представляет собой замкнутый магнитопровод из ферромагнитного материала, на котором размещены две обмотки (рис. 167). Одна — питается от источника переменного тока, другая — используется в измерительной цепи.

Известно, что с увеличением температуры магнитная проницаемость ферромагнитных материалов изменяется, а при температуре точки Кюри становится равной единице. При прогреве магнитопровода до температуры точки Кюри и выше э. д. с. во вторичной обмотке резко уменьшается (в результате повышения магнитного сопротивления магнитопровода в зоне прогрева) и полученный эффект используется для создания схемы сигнализации.

При падении температуры ниже точки Кюри датчик полностью восстанавливает свои свойства, что позволяет использовать его многократно.

Материалом с наиболее подходящей температурой точки Кюри (720° С) и стоимостью для датчиков трансформаторного типа может служить электротехническая сталь.

Датчики целесообразно устанавливать в слое набивки между холодильниками и кладкой по периметру печи. Зона контроля каждого датчика должна охватывать не менее одного холодильника горна и лещади. Это значит, что минимальная длина датчика должна быть 2—3 м, а минимальная его ширина 0,5 м. Выбор его габаритных размеров (включая сечение магнитопровода) и ампер-витков обмоток осуществляли на основании лабораторных исследований, которые проводили на «холодном» и «огневом» стендах.

Исследования трансформаторного датчика показали, что величина сигнала при прогреве магнитопровода на разном расстоянии от обмотки намагничивания характеризуется различной э. д. с. на вторичной обмотке. Это значит, что при достижении температуры точки Кюри и выше (в случае подхода жидкого чугуна к холодильникам) в зоне расположения датчика участок подхода металла па высоте печи может быть зафиксирован с точностью, определяемой чувствительностью измерительной схемы. Зависимость величины сигнала от места прогрева датчика длиной 2 и шириной 0,5 м для совмещенных на одной стороне магнитопровода обмоток представлена на рис. 107,6.

Полученная зависимость позволяет определить зону прогрева с точностью, достаточной для эксплуатации. Кроме того, совмещение обмоток на одной стороне магнитопровода сделало датчик более технологичным, удобным для эксплуатации и при монтаже.

Экспериментальную проверку прошел трансформаторный датчик длиной 2000, шириной 500 мм; сечение магнитопровода 50х25 мм2, число витков намагничивающей и измерительной обмоток соответственно 200 и 90. Рабочее напряжение намагничивает обмотки 36 в промышленной частоты. Обмотки выполнены из провода с жаростойкой изоляцией типа ПОЖ и снаружи залиты огнеупорным бетоном по рекомендации УНИИО.

Разработана измерительная схема и технический проект системы контроля применительно к доменной печи объемом 2700 ж3. Схема предусматривает регистрацию сигнала всех датчиков системы, а также контроль за целостностью их обмоток и изоляции.

Опытные образцы датчиков трансформаторного типа установлены в июне 1968 г. на печи № 3 завода им. Ильича во время капитального ремонта I разряда. В настоящее время продолжается наблюдение за их работой.

Датчики установлены так, что одна сторона магнитопровода перекрывает стык между холодильниками горна и части лещади, как наиболее опасную зону с точки зрения прорыва.

В зоне чугунных и шлаковых леток сторона магнитопровода подходит вплотную к кирпичному обрамлению.

Обмотки расположены в нижней части датчика в зоне менее высоких температур. Концы обмоток в стальных трубках выводятся за кожух печи через отверстия в болтах крепления холодильных плит к кожуху.

Измерительная схема позволяет осуществить непрерывный контроль за работой датчиков. Она состоит (для каждого датчика) из трансформатора с воздушным зазором, двух выпрямительных диодных мостов, двух регулируемых и двух балансных сопротивлений.

Схема работает следующим образом. Ток протекает в цепи намагничивающей обмотки датчика и вторичной обмотки трансформатора, индуктирует в измерительной обмотке напряжение, величина которого пропорциональна току датчика. Вторичное напряжение трансформатора выпрямляется и сравнивается с выпрямленным напряжением измерительной обмотки датчика.

Сопротивления подобраны таким образом, чтобы обеспечить компенсацию напряжений измерительной обмотки датчика напряжением вторичной обмотки трансформатора.

При нормальной работе печи показания прибора равны нулю. В случае прогрева какого-либо участка магнитопровода до температуры точки Кюри и выше магнитное сопротивление датчика растет, увеличивается ток в намагничивающей обмотке и, соответственно, вторичное напряжение на трансформаторе измерительной схемы.

С другой стороны, нагрев магнитопровода вызывает уменьшение напряжения на измерительной обмотке датчика. Таким образом, показания прибора будут равны удвоенному значению изменения напряжения вторичной обмотки.

В качестве измерительных приборов используют многоточечные электронные самопишущие потенциометры, предусмотрена световая и звуковая сигнализация.