激光測厚儀在150 t 轉爐上的應用

劉 磊 張 勇 陳曉偉 周 敏

（1.安陽鋼鐵集團有限責任公司；2.通化鋼鐵集團股份有限公司）

0 前言

安鋼第二煉軋廠三座150 t 轉爐由于受鐵水成分波動大，鐵水廢鋼比變化大及低碳、低磷系列品種鋼產量大幅增加等因素的影響，轉爐爐襯侵蝕嚴重，危及轉爐安全、穩定運行。確定不同區域的爐襯侵蝕程度主要是通過人工判斷，極易出現誤判，無法動態掌握轉爐爐襯的運行狀況，做到事故預知、預控，造成耐火材料浪費和鋼水污染。2019 年5 月購入維蘇威高級陶瓷（中國）有限公司的LCS 轉爐內襯測量系統，應用該測厚系統提供的準確數據可以指導轉爐內襯的維護。

1 激光測厚儀組成及工作原理

1.1 激光測厚儀的組成

LCS 激光測厚儀主要由移動式激光測厚儀主機、定位輔助反射板、轉爐傾角測量系統三部分組成。移動式激光測厚儀主機小車如圖1 所示。

1.2 激光定位技術

要想精確測量轉爐上各點的爐襯厚度，首先必須讓測厚儀知道脈沖激光掃描到的每一點在爐體的位置，也就是測厚儀相對于轉爐的位置必須被精確測量，這就是激光測厚儀的定位。

利用單獨的定位激光器高速掃描固定在現場的三個高反光的反光板，如圖2 所示。反射板的位置及其與轉爐的位置關系，在安裝時通過測繪輸入到系統內。

當定位激光器掃描三個反射板時，通過激光發射到3 個反射板的距離及夾角，利用三角幾何關系計算出系統在爐前的坐標。

1.3 工作原理

圖2 激光測厚儀定位系統

測量開始后，首先，定位激光器自動掃描現場的三個固定反射板進行定位，當轉爐轉動到測量角度時，安裝在耳軸上的傾角儀精確測量轉爐的角度，并通過無線信號發送到移動式主機中。然后，激光測厚儀主機在收到位置坐標和轉爐角度等信息后，主激光器開始連續發射特定波段的脈沖激光掃描轉爐，反射回來的激光波被測厚儀接收。主機通過計算激光在空氣中飛行的時間來計算測量點到激光器的距離。最后，計算機通過數學模型轉換，把爐襯內壁上的點連接起來形成一個三維的內壁模型，通過與爐殼內表面的三維模型比較得到爐壁上每一點的爐襯厚度值。激光測厚儀測量原理如圖3 所示。

圖3 激光測厚儀測量原理

爐襯厚度為：

式中：S1 為爐殼內表面到中心線的距離，這是一個標準值，是在模型建立的時候預先輸入到系統中的；S2 為爐壁表面點到中心線的距離，它是根據激光發射器的發射角度，小車的傾斜角度，轉爐耳軸中心線中點位置，爐壁上的點到激光發射器的距離等參數計算出來的。

2 激光測厚系統的應用

安鋼第二煉軋廠煉鋼車間2#150 t 轉爐為頂底復吹轉爐，共有4 支底吹槍，公稱容量為150 t，新砌轉爐爐膛內高8 664 mm，砌筑后爐體內徑為5 190 mm，熔池深度為 1 445 mm。新砌爐體內襯磚的厚度：爐帽為600 mm，爐身為650 mm，大面為 750 mm。爐底耐火材料的厚度為 1 100 mm。采用動、靜態模型，使用副槍。

2.1 測厚儀的測厚結果實例分析

激光測厚儀的測量結果具有直觀性，結合目測，能夠非常精確地知道爐襯各部位的侵蝕情況，對薄弱部位的維護起到很好的指導作用，極大地提高了轉爐壽命[1]。 以下以爐齡10 655 爐的測量數據為例進行分析。

2.1.1 爐底

在使用激光測厚儀之前，主要通過副槍測量熔池液位來判斷爐底的上漲與下降，在裝入量相對穩定的情況下，液面高低反映了爐底的高低，但是受裝入量和爐型的影響會出現一定的偏差。使用激光測厚儀后，通過測量數據可以直觀地看到爐底內襯磚的厚度，爐底輪廓如圖4 所示。

圖4 爐底輪廓

從圖4 可以看出，爐底靠大面側，由于廢鋼的機械沖刷，侵蝕最為嚴重；爐役后期，由于底吹效果不明顯，所以底吹透氣磚處侵蝕性不太明顯。

2.1.2 大小面

通常把裝鐵水加廢鋼側稱為“大面”，出鋼口所在的面稱為“小面”。大面主要受兌鐵加廢鋼時的機械沖刷以及在吹煉過程中高溫鋼水、爐渣的沖刷；小面除受在吹煉過程中侵蝕外，在出鋼過程中，渣線長時間處于高溫、高氧化鐵的爐渣和鋼水中的交替浸泡中。在鋼液氧侵蝕和鋼渣沖刷的作用下，濺渣護爐形成的具有較高耐火度的濺渣層發生蝕損，爐渣滲入鎂碳磚的氣孔和裂縫，使鎂碳磚脫碳，降低了MgO 顆粒的熔點，鎂碳磚發生侵蝕，襯磚暴露在惡劣的工作環境下發生剝離[2]。出鋼口剖面如圖5 所示。

從圖5 可以看出，由于采取生鐵補爐和補爐料補爐相結合的方式，大面爐襯厚度變厚，小面在出鋼口下方耳軸處侵蝕最為厲害，爐底靠近大面側侵蝕明顯比小面側厲害，爐型呈不規則的“可樂瓶”型。

圖5 出鋼口剖面

2.1.3 南北耳軸

耳軸是轉爐傾動的軸線部分，距爐口3.5～5.5 m。耳軸剖面如圖6 所示。

圖6 耳軸剖面

從測量結果可以看出，轉爐爐體侵蝕最嚴重的部位是在轉爐北側耳軸距爐口5 ～5.5 m 處。此位置的磚襯處于鋼水和爐渣的劇烈反應區，南北耳軸襯磚最薄在渣線位置。測量數據表明北側耳軸的爐襯厚度明顯比南側耳軸的薄。這主要是由散裝料倉布置造成的，2 號爐的9 號散裝料倉裝燒結礦從南邊下料溜槽下料，正好對在北側耳軸部位。燒結礦加入后使爐渣熔點降低，加劇了對北側耳軸爐襯的侵蝕。為緩解燒結返礦對北側耳軸部位的侵蝕，在北側3 號料倉也裝上燒結礦，在加料過程中，3 號與9 號料倉的返礦對稱加入，根據之后的測量結果，對兩側燒結礦各自的加入量進行調整。通過對燒結返礦加入方式和加入量的調整，北耳軸侵蝕情況明顯好轉，南北耳軸爐襯侵蝕均勻。

此外，激光測厚儀根據測量結果和預設的裝入量，通過模型計算出熔池液位與副槍測量熔池液位偏差在 2 mm 以內。

2.2 爐襯厚度侵蝕情況

2#150 t 轉爐自開爐以來，根據實際生產情況從4 000 爐開始每7—10 天對爐襯磚進行1 次測量，以觀察爐襯的變化情況，同時對爐體的侵蝕狀況進行評估。爐役期內不同爐齡時轉爐各部位爐襯襯磚的厚度情況如圖7 所示。

圖7 爐役期內轉爐各部位襯磚厚度的變化情況

從圖7 可以看出，爐役期內，隨著爐齡的增加，爐襯逐漸減薄，8 000 爐時爐襯侵蝕最為嚴重，通過補爐爐襯厚度略有增加，后又加速變薄，直至爐役結束。爐底高度和小面爐襯厚度均勻下降，南北耳軸爐襯厚度通過濺渣護爐和噴補維護變化比較大，北側耳軸部位較南側耳軸部位侵蝕嚴重。

2.3 爐襯維護

爐襯的侵蝕速度受入爐鐵水條件、鐵水廢鋼比和所煉鋼種的影響較大。根據激光測厚儀的測量數據及時調整濺渣護爐的方式，實踐證明，高槍位易于爐渣的破碎和乳化，有利于轉爐上部的濺渣；低槍位易于造成渣液面劇烈波動，有利于轉爐的下部濺渣，爐襯各部位濺渣量增加。爐役末期的耳軸和渣線處殘磚減薄，爐體維護繼續采用濺渣護爐，輔以全自動噴補機對爐襯薄弱部位進行局部重點維護。小面采用補爐料維護，大面采用生鐵和補爐料相結合的方式維護，大面部位的凹坑可采取人工投入手投料的方式來有效改善爐況。

3 結論

（1）激光測厚儀在安鋼150 t 轉爐上成功應用，能夠準確測量轉爐爐襯厚度，達到了預期的效果。

（2） 濺渣護爐仍然是貫穿爐役始終的爐襯維護的主要手段，通過濺渣護爐槍位、時間的調整來控制爐底上漲，達到減輕爐襯侵蝕的目的。

（3）在爐役末期，根據激光測厚儀測量數據，對爐襯薄弱部位除正常維護外，采取噴補機和人工投入手投料的方式進行局部重點維護，達到延長爐襯壽命的目的。