提高玉鋼高爐熱風測溫熱電偶使用壽命方法

摘要：通過對玉鋼高爐熱風總管中的管道熱風流體的雷諾指數(Re)計算分析,確定熱風總管的熱風為紊流流體,測量管道中的熱風溫度時,可采用淺插式熱電偶安裝方式進行熱風溫度的測量,熱電偶使用壽命得到明顯提高。
1前言
　　高爐熱風爐的作用是為高爐持續不斷的提供1000℃以上的高溫熱風，熱風溫度是煉鐵工藝中的一項關鍵參數。在熱風爐與高爐連接總管.上安裝兩套鉑銠10-鉑熱電偶測溫裝置進行熱風溫度測量，兩套測溫裝置互為備用。在高爐熱風高溫、高壓和高流速環境條件下，熱電偶存在使用壽命短，更換成本高(需停風造成工藝中斷)，容易發生泄漏等問題，熱電偶平均壽命只有1~2個月。為此玉鋼對高爐熱風溫度測量用熱電偶(WRP--130,鉑銠10-鉑,L=1.1m)進行了改進，縮短熱電偶長度，采用淺插式熱電偶安裝方式，使熱電偶使用壽命達到5個月以上。
2基本概況
　　玉鋼煉鐵高爐有效容積1080m³,熱風總管長度60m，正常情況下熱風溫度1100℃，熱風流速3312m/min,熱風流量2600Nm³/min，熱風壓力0.28MPa。
　　熱風總管外徑2.2m，由外而內鋪砌針剌纖維毯(保溫層)、輕質磚(保溫層)、高鋁磚(耐火層),耐火保溫層總厚度0.6m,流通直徑1.0m(半徑0.5.m)，如圖1所示。
 
　　熱風溫度測量方法改進前熱電偶(WRP-130,鉑銠10-鉑)長度1.1m,插人管徑中心點，直接測.量熱風總管中心溫度，與熱風接觸長度0.5m。插人熱電偶受高溫、高壓、高流速的熱風不斷沖刷著，使熱電偶保護套管在熱風作用下空隙率逐步增大，很快就失去熱電偶保護套管的保護作用，高溫氣體滲透到了保護套管內部，鉑銠鉑熱電偶的偶絲在高溫、高壓和有害介質條件下工作，很快會變脆、損壞，平均壽命只有1~2個月。針對測量環境惡劣，檢測元件易損、故障率高、使用壽命短等問題，同時也為了減小保護套管對流體的阻力和防止保護套在流體用下發生斷裂，償試了淺插式熱電偶安裝方式，減少熱電偶與熱風的接觸長度，從而減小了熱電偶與熱風的接觸面積，使熱電偶壽命得到了提高。
　　工藝流程及熱風溫度檢測點如圖2所示:
 
3提高玉鋼高爐熱風溫度測量熱電偶壽命的方法
　　基于熱電偶的損壞原因，為提高使用壽命，首先可以選用好的保護套管，比如高純氧化鋁(耐溫:1800℃)或氧化鎂(耐溫:2000℃)保護套管等，但成本高，其次可以減小熱電偶與熱風的接觸面積，即采用，縮短熱電偶長度，既節約成本(可降低每支熱電偶的購買成本)，又簡單易行。但縮短了長度檢測端不能到達工藝管道中心線，是否會影響測量的準確度是該方法是否可行的關鍵。
3.1淺插式熱電偶安裝方式的理論依據
　　理論上，流體在管道中沿直徑方向的溫度場是隨著流體流速不同而改變的。當流體的流速較低、雷諾指數(Re)低于臨界值(2200)時，流體的流動為層流狀態。管道內的流體流速以管道中心為最高，離開中心線后流速會很快的降低并沿管道直徑方向呈拋物線形變化。而管道截面上的溫度分布情況與流速分布情況相似，也是管道中心溫度最高，越接近管壁，溫度就越低。其溫度場也類似拋物線形，如圖3中的(a)所示。因此，在層流流體的管道中測量溫度時，必須將熱電偶的熱點準確安置在管道中心。
 
　　當管道中的流體流速較高、其雷諾指數超過臨界值時，流體的流動為紊流狀態。這時，管道內流體分子相互作用加強，以至只有緊靠管壁的一薄層流體還保持著層流特性。流體大部分截面上的流速幾乎是相同的，而管道內溫度場的情況也類似，如圖五中的(b)所示。因此，在紊流流體的管道中測量溫度時，只需將熱電偶的熱點插人流體的等溫區就可以準確地測量出流體的溫度，而插人深度完全無需達到管道的中心。
公式(1)為雷諾數計算公式2。
Re=0.354Q/(V·D).....(1)
式中Q----體積流量,Nm³/h;
運動粘度固，Nm²/s(熱風:14.5x10^-6Nm²/s)
D---管道內徑，mm;
　　正常生產時，玉鋼煉鐵高爐熱風總管熱風基本參數為:體積流量Q----600Nm³/min(156000Nm³/h),流通直徑D----1000mm,代人公式(1)，計算得雷諾數為3.81x106。
　　高爐慢風時，玉鋼熱風基本參數為:體積流量一1560Nm³/min(93600Nm2/h),流通直徑----1000mm,代人公式(1),計算得雷諾數為2.28x106。
　　根據計算結果，玉鋼煉鐵高爐熱風總管雷諾數遠遠高于臨界值(2200)，流體的流動為紊流狀態。因此，理論上，只需將熱電偶的熱點插人流體的等溫區就可以準確地測量出流體的溫度，而插人深度完全無需達到管道的中心。
3.2淺插式熱電偶安裝方式的實驗驗證
　　為確定準確可靠的熱電偶測溫插人長度，選取長度為0.7m和0.8m兩種熱電偶與長度1.1m熱電偶進行比較，如圖1中所示的測溫點(風溫1,風溫2)進行實驗。
　　首先在正常生產時，風溫1用1.1m熱電偶測溫，風溫2用0.7m熱電偶測溫。溫度測量實驗結果如表1所示。
 
　　在高爐生產不順而慢風時，進行了同樣的測溫實驗，其結果見表2。
　　從表1、表2的實驗結果可看出，正常生產時,1.1m熱電偶的測溫結果與0.7m熱電偶的測溫幾乎相同，但在高爐生產不順而慢風時，0.7m熱電偶在慢風狀態下測量溫度有一-定的誤差。為此更換成0.8m熱電偶，在風溫1用1.1m熱電偶，風溫2用0.8m熱電偶進行測溫實驗，其實驗結果如表3所示。
 
　　從表3可看出，用0.8m熱電偶的測溫結果與用1.1m熱電偶測溫的結果無差別。因此，選用0.8m.熱電偶進行測溫，在現在的生產工藝情況下，對于直徑為2.2m(流通直徑1.0m)的熱風總管來說，可滿足正常生產送風或非正常生產(慢風)狀態下的測溫要求，即可認為0.8m長度的熱電偶插人深度已經達到了管道熱風流體的等溫區。
　　根據上述理論分析和試驗結果，可以看出:玉鋼煉鐵高爐熱風總管的熱風為紊流流體，對管道中的熱風測量溫度時，熱電偶的插人深度選擇在0.8m可以準確地測量出熱風的溫度。
4淺插式熱電偶安裝方式的使用壽命
　　玉鋼煉鐵高爐熱風總管的熱風溫度測量熱電偶的插人深度由原來1.1m改成了0.8m，總長縮短了0.3m,試用后，熱電偶的使用壽命得到了明顯提高。以一年為統計周期對風溫2使用1.1m和0.8m熱電偶測量熱風溫度使用壽命進行統計，統計結果如表4和表5所示(風溫1與風溫2相同)。
 
　　如表4，表5所示，改進后熱電偶的使用壽命由1~2個月提高到了5~6個月。取得了明顯效果。并且選用0.8m熱電偶進行熱風溫度的測量，熱電偶購買成本每支可降低約3100.00元人民幣。
5結束語
1)玉鋼煉鐵高爐熱風總管的熱風為素流流體，對管道中的熱風測量溫度時，可采用淺插式熱電偶安裝方式。熱電偶的插人深度選擇在0.8m可以準確地測量出熱風的溫度。
2)采用淺插式熱電偶安裝方式，熱電偶使用壽命得到明顯提高，其平均壽命由原來的1~2個月提高到了5~6個月。解決了熱電偶使用壽命短，更換成本高，容易發生泄漏而沒有安全生產保障的問題。
3)采用淺插式熱電偶安裝方式，不僅提高了熱電偶的使用壽命，而且降低了熱電偶購買成本，從而達到降低維護費用，節能降耗，穩產、高產、安全生產的目的。