激光测厚仪在150 t 转炉上的应用

刘 磊 张 勇 陈晓伟 周 敏

（1.安阳钢铁集团有限责任公司；2.通化钢铁集团股份有限公司）

0 前言

安钢第二炼轧厂三座150 t 转炉由于受铁水成分波动大，铁水废钢比变化大及低碳、低磷系列品种钢产量大幅增加等因素的影响，转炉炉衬侵蚀严重，危及转炉安全、稳定运行。确定不同区域的炉衬侵蚀程度主要是通过人工判断，极易出现误判，无法动态掌握转炉炉衬的运行状况，做到事故预知、预控，造成耐火材料浪费和钢水污染。2019 年5 月购入维苏威高级陶瓷（中国）有限公司的LCS 转炉内衬测量系统，应用该测厚系统提供的准确数据可以指导转炉内衬的维护。

1 激光测厚仪组成及工作原理

1.1 激光测厚仪的组成

LCS 激光测厚仪主要由移动式激光测厚仪主机、定位辅助反射板、转炉倾角测量系统三部分组成。移动式激光测厚仪主机小车如图1 所示。

1.2 激光定位技术

要想精确测量转炉上各点的炉衬厚度，首先必须让测厚仪知道脉冲激光扫描到的每一点在炉体的位置，也就是测厚仪相对于转炉的位置必须被精确测量，这就是激光测厚仪的定位。

利用单独的定位激光器高速扫描固定在现场的三个高反光的反光板，如图2 所示。反射板的位置及其与转炉的位置关系，在安装时通过测绘输入到系统内。

当定位激光器扫描三个反射板时，通过激光发射到3 个反射板的距离及夹角，利用三角几何关系计算出系统在炉前的坐标。

1.3 工作原理

图2 激光测厚仪定位系统

测量开始后，首先，定位激光器自动扫描现场的三个固定反射板进行定位，当转炉转动到测量角度时，安装在耳轴上的倾角仪精确测量转炉的角度，并通过无线信号发送到移动式主机中。然后，激光测厚仪主机在收到位置坐标和转炉角度等信息后，主激光器开始连续发射特定波段的脉冲激光扫描转炉，反射回来的激光波被测厚仪接收。主机通过计算激光在空气中飞行的时间来计算测量点到激光器的距离。最后，计算机通过数学模型转换，把炉衬内壁上的点连接起来形成一个三维的内壁模型，通过与炉壳内表面的三维模型比较得到炉壁上每一点的炉衬厚度值。激光测厚仪测量原理如图3 所示。

图3 激光测厚仪测量原理

炉衬厚度为：

式中：S1 为炉壳内表面到中心线的距离，这是一个标准值，是在模型建立的时候预先输入到系统中的；S2 为炉壁表面点到中心线的距离，它是根据激光发射器的发射角度，小车的倾斜角度，转炉耳轴中心线中点位置，炉壁上的点到激光发射器的距离等参数计算出来的。

2 激光测厚系统的应用

安钢第二炼轧厂炼钢车间2#150 t 转炉为顶底复吹转炉，共有4 支底吹枪，公称容量为150 t，新砌转炉炉膛内高8 664 mm，砌筑后炉体内径为5 190 mm，熔池深度为 1 445 mm。新砌炉体内衬砖的厚度：炉帽为600 mm，炉身为650 mm，大面为 750 mm。炉底耐火材料的厚度为 1 100 mm。采用动、静态模型，使用副枪。

2.1 测厚仪的测厚结果实例分析

激光测厚仪的测量结果具有直观性，结合目测，能够非常精确地知道炉衬各部位的侵蚀情况，对薄弱部位的维护起到很好的指导作用，极大地提高了转炉寿命[1]。 以下以炉龄10 655 炉的测量数据为例进行分析。

2.1.1 炉底

在使用激光测厚仪之前，主要通过副枪测量熔池液位来判断炉底的上涨与下降，在装入量相对稳定的情况下，液面高低反映了炉底的高低，但是受装入量和炉型的影响会出现一定的偏差。使用激光测厚仪后，通过测量数据可以直观地看到炉底内衬砖的厚度，炉底轮廓如图4 所示。

图4 炉底轮廓

从图4 可以看出，炉底靠大面侧，由于废钢的机械冲刷，侵蚀最为严重；炉役后期，由于底吹效果不明显，所以底吹透气砖处侵蚀性不太明显。

2.1.2 大小面

通常把装铁水加废钢侧称为“大面”，出钢口所在的面称为“小面”。大面主要受兑铁加废钢时的机械冲刷以及在吹炼过程中高温钢水、炉渣的冲刷；小面除受在吹炼过程中侵蚀外，在出钢过程中，渣线长时间处于高温、高氧化铁的炉渣和钢水中的交替浸泡中。在钢液氧侵蚀和钢渣冲刷的作用下，溅渣护炉形成的具有较高耐火度的溅渣层发生蚀损，炉渣渗入镁碳砖的气孔和裂缝，使镁碳砖脱碳，降低了MgO 颗粒的熔点，镁碳砖发生侵蚀，衬砖暴露在恶劣的工作环境下发生剥离[2]。出钢口剖面如图5 所示。

从图5 可以看出，由于采取生铁补炉和补炉料补炉相结合的方式，大面炉衬厚度变厚，小面在出钢口下方耳轴处侵蚀最为厉害，炉底靠近大面侧侵蚀明显比小面侧厉害，炉型呈不规则的“可乐瓶”型。

图5 出钢口剖面

2.1.3 南北耳轴

耳轴是转炉倾动的轴线部分，距炉口3.5～5.5 m。耳轴剖面如图6 所示。

图6 耳轴剖面

从测量结果可以看出，转炉炉体侵蚀最严重的部位是在转炉北侧耳轴距炉口5 ～5.5 m 处。此位置的砖衬处于钢水和炉渣的剧烈反应区，南北耳轴衬砖最薄在渣线位置。测量数据表明北侧耳轴的炉衬厚度明显比南侧耳轴的薄。这主要是由散装料仓布置造成的，2 号炉的9 号散装料仓装烧结矿从南边下料溜槽下料，正好对在北侧耳轴部位。烧结矿加入后使炉渣熔点降低，加剧了对北侧耳轴炉衬的侵蚀。为缓解烧结返矿对北侧耳轴部位的侵蚀，在北侧3 号料仓也装上烧结矿，在加料过程中，3 号与9 号料仓的返矿对称加入，根据之后的测量结果，对两侧烧结矿各自的加入量进行调整。通过对烧结返矿加入方式和加入量的调整，北耳轴侵蚀情况明显好转，南北耳轴炉衬侵蚀均匀。

此外，激光测厚仪根据测量结果和预设的装入量，通过模型计算出熔池液位与副枪测量熔池液位偏差在 2 mm 以内。

2.2 炉衬厚度侵蚀情况

2#150 t 转炉自开炉以来，根据实际生产情况从4 000 炉开始每7—10 天对炉衬砖进行1 次测量，以观察炉衬的变化情况，同时对炉体的侵蚀状况进行评估。炉役期内不同炉龄时转炉各部位炉衬衬砖的厚度情况如图7 所示。

图7 炉役期内转炉各部位衬砖厚度的变化情况

从图7 可以看出，炉役期内，随着炉龄的增加，炉衬逐渐减薄，8 000 炉时炉衬侵蚀最为严重，通过补炉炉衬厚度略有增加，后又加速变薄，直至炉役结束。炉底高度和小面炉衬厚度均匀下降，南北耳轴炉衬厚度通过溅渣护炉和喷补维护变化比较大，北侧耳轴部位较南侧耳轴部位侵蚀严重。

2.3 炉衬维护

炉衬的侵蚀速度受入炉铁水条件、铁水废钢比和所炼钢种的影响较大。根据激光测厚仪的测量数据及时调整溅渣护炉的方式，实践证明，高枪位易于炉渣的破碎和乳化，有利于转炉上部的溅渣；低枪位易于造成渣液面剧烈波动，有利于转炉的下部溅渣，炉衬各部位溅渣量增加。炉役末期的耳轴和渣线处残砖减薄，炉体维护继续采用溅渣护炉，辅以全自动喷补机对炉衬薄弱部位进行局部重点维护。小面采用补炉料维护，大面采用生铁和补炉料相结合的方式维护，大面部位的凹坑可采取人工投入手投料的方式来有效改善炉况。

3 结论

（1）激光测厚仪在安钢150 t 转炉上成功应用，能够准确测量转炉炉衬厚度，达到了预期的效果。

（2） 溅渣护炉仍然是贯穿炉役始终的炉衬维护的主要手段，通过溅渣护炉枪位、时间的调整来控制炉底上涨，达到减轻炉衬侵蚀的目的。

（3）在炉役末期，根据激光测厚仪测量数据，对炉衬薄弱部位除正常维护外，采取喷补机和人工投入手投料的方式进行局部重点维护，达到延长炉衬寿命的目的。