摘要：炼钢炉温度场分布直接影响生产安全性，建立科学合理的温度场数学模型对指导生产具有重要意义。实验采用工业级中频感应炼钢炉，通过热电偶阵列测量系统对炉内不同位置进行温度监测。测量结果显示炉内温度场呈现明显分层现象，温度由内向外逐渐降低，熔池区域温度最高达1650℃。实验发现炉壁温度梯度过大是引发安全隐患主要因素，据此提出优化加热曲线、改进炉衬结构两项改进措施。优化后炉体温度场分布更加均匀，最大温差降低30%，炉衬使用寿命提升至320炉次，经济效益显著提高。

　　关键词：炼钢炉；温度场分布；安全性评估；熔化过程；温度梯度

　　钢铁工业作为国民经济支柱产业，炼钢工艺安全性对生产效率具有决定性影响。近年来随着钢铁产能不断扩大，炼钢炉事故时有发生，温度场分布不均成为导致事故主要原因。传统安全评估方法过度依赖经验判断，缺乏科学理论依据。深入研究炼钢炉内温度场分布规律，建立系统安全评估体系，对提高炼钢工艺安全性具有重要意义。通过建立温度场数学模型，结合实验数据验证，揭示温度场分布特征，分析影响因素，提出改进措施，为炼钢生产安全运行提供理论指导。

　　1理论分析与模型构建

　　1.1温度场基础理论研究

　　炼钢炉温度场分布规律研究是确保冶炼过程安全稳定运行的关键。炉内热量传递方式包括热传导、对流传热与辐射传热。在冶炼过程中，炉壁内表面直接与高温熔融金属接触，温度变化剧烈咱1暂。热量通过炉衬向外传导符合导热微分方程式（1）：

　　式中：T为温度，t为时间，琢为热扩散系数。熔池内部液态金属存在强烈对流，加速了热量传递。

　　高温区域辐射传热效应显著，辐射热流密度q与温度T之间满足式（2）：

　　式中：着为辐射系数，滓为辐射常数。

　　三种传热方式相互影响，共同决定了炉内温度场分布特征。炉内温度场呈现明显的非稳态特征，温度分布随时间动态变化。通过分析温度场时空演变规律，确定关键控制参数。建立温度场数学模型时充分考虑热量传递的复杂性，结合实际生产数据对模型进行验证。模型预测结果与实测数据吻合度良好，能够准确反映炉内温度分布规律。

　　1.2安全性评估指标体系

　　炼钢炉安全性评估需要建立科学完备的指标体系，如图1所示。温度场均匀性是评估炉内温度分布状况的核心指标。炉内温度分布越均匀，冶炼过程越稳定，产品质量越有保障。炉壁温度梯度关系到炉衬使用寿命，是安全生产的重要保障。温度梯度过大会导致炉衬产生热应力，引起开裂或剥落。熔池温度稳定性直接影响冶炼质量，温度波动超限会带来安全隐患。评估指标体系采用定量与定性相结合方法，将温度场特征、炉衬状态、熔池稳定性等因素综合考虑。根据生产实践经验，设定各项指标的权重系数，确定评分标准。依据评分结果将炉况分为安全、警戒、危险三个等级，建立分级预警机制。该评估体系在生产实践中表现出较强的适用性，对预防炉况事故发挥重要作用。

　　2实验方案设计

       2.1实验装置设计

　　实验选用工业级中频感应炼钢炉作为研究对象，炉体内径2000mm，有效容积3t。炉衬采用高纯镁铬砖砌筑，内层采用磷酸盐结合高铝质捣打料，形成多层复合结构，如图2所示。

　　为确保实验安全性，炉体外部设计水冷夹套结构，冷却水流量可根据需要实时调节。炉盖选用整体浇注耐火材料制成，开设测温孔、进料孔、排气孔等功能孔。进料系统配备自动上料装置，通过液压机构控制加料速度咱2暂。排气系统采用负压抽气方式，配备除尘装置，确保烟气达标排放。炉底设计固定式放钢结构，通过电动液压系统控制放钢速率。加热系统采用中频电源供电，额定功率800kW，频率1000Hz，配备功率调节装置。炉体底部设计导电线圈，产生电磁感应加热效应。整套装置布局紧凑合理，操作便捷，便于安装测量仪器，满足温度场分布测量需求。

　　2.2测量系统配置

　　温度场测量系统采用分区域多点布置方案。在炉衬内不同深度埋设铂铑热电偶，测点深度分别为30、60、90mm。沿炉体周向均匀布置12个测温点，轴向上分为上、中、下三层，形成立体测温网络。熔池温度采用铂铑合金保护套管，内置光纤测温探头，实现连续测温。每个测点配备独立信号调理电路，将热电偶信号转换为标准电压信号。温度信号经屏蔽电缆传输至数据采集柜，采集柜内置抗干扰模块，有效降低电磁场对测量结果影响。测温系统定期标定，采用标准铂电阻温度计作基准，保证测量精度优于依1℃。为监测炉体运行状态，在水冷夹套进出水管安装温度传感器，记录冷却水温差。配备红外热像仪，定期扫描炉体外表面温度分布。所有测量设备经过严格校准，确保数据准确可靠。

　　2.3实验参数设置

　　实验设计包含三组不同工艺参数，验证温度场分布规律。第一组参数模拟常规生产工艺，加热功率控制在600kW，升温速率保持在150℃/h。第二组参数针对快速熔化工艺，加热功率提升至750kW，升温速率提高到200益/h。第三组参数验证节能工艺，采用阶梯式加热方案，初期功率500kW，后期降至400kW。冷却水流量随炉温变化调节，确保炉壁温度始终处于安全范围。原料选用废钢铁料，装料量控制在2.8t，装料前进行称重分类。进料速度设定为0.5t/min，控制加料均匀性。实验过程中记录各项参数，包括加热功率、冷却水温差、烟气温度等运行数据。每组实验重复进行三次，验证数据可重复性。

　　2.4数据采集与处理方法

　　数据采集系统采用分布式结构，主站负责数据存储、显示，分站负责现场数据采集，如图3所示。采样频率设置为2秒一次，保证捕捉到温度快速变化特征。采集数据包括炉衬各测点温度、熔池温度、冷却水温度、加热功率等工艺参数咱3暂。针对测量噪声干扰，采用滑动平均方法进行数字滤波，选取5个数据点作为滤波窗口。数据存储采用层次化结构，便于后期分析处理。实验数据分类整理，建立数据库，记录实验工况、参数设置、测量结果等信息。对原始数据进行统计分析，剔除异常值，计算各测点温度均值、标准差。通过插值计算获得温度场分布曲线，绘制等温线图。分析不同工艺参数下温度场变化特征，总结规律，为优化工艺提供依据。

　　3结果分析与讨论

       3.1温度场分布特征

　　实验测得炉内温度场呈现明显的分层特征，温度由内向外逐渐降低。熔池区域温度最高，达到1650℃,温度均匀性良好，波动范围控制在±15℃。炉衬内表面温度随深度变化显著，表层温度维持在1450℃左右，向外每隔30mm温度降低约200℃。炉体周向温度分布存在不均匀现象，底部测点温度普遍低于中上部测点，最大温差达120℃咱4暂。快速熔化工艺下温度场呈现出较大波动，局部温差增大至180℃。节能工艺采用阶梯式加热方案，温度场分布更加均匀，最大温差降至90℃。三组实验数据表明炉内温度场具有较强规律性，温度分布特征受工艺参数影响显著。

　　3.2影响因素分析

　　通过对比分析发现加热功率、冷却水流量、装料方式是影响温度场分布的主要因素。加热功率直接决定升温速率，600kW功率下升温均匀，温度梯度维持在合理范围。功率提升至750kW时，升温过快导致温度场分布不均，增大炉衬热应力。冷却水流量对炉壁温度影响明显，流量4m3/h炉壁温度稳定在85℃,流量降至3m3/h导致局部温度升高至120℃。装料方式影响熔化过程稳定性，连续匀速加料工艺下温度波动小，间歇加料导致温度剧烈波动。实验数据揭示工艺参数间存在交互影响，需要协调控制各项参数，确保温度场分布合理。

　　3.3安全性评估结果

　　根据建立的评估指标体系，对三组实验工况进行安全性评估。常规生产工艺评分88分，属于安全运行区间。温度场均匀性指标得分42分，温度梯度指标得分25分，熔池稳定性指标得分21分。快速熔化工艺评分72分，处于警戒区间，主要因温度梯度超限，炉衬应力偏大。节能工艺评分85分，各项指标均衡，运行安全性好。评估结果表明现有工艺参数基本合理，但仍存在优化空间，如表1所示。温度场均匀性指标较低，反映出温度控制精度需要提高。运行数据显示炉衬寿命普遍达到280炉次，符合设计要求。

　　3.4优化措施及效果验证

　　针对评估发现的问题，采取多项优化措施。改进加热曲线，采用变功率控制方案，初期低功率预热，中期高功率快速熔化，后期降功率保温咱5暂。优化冷却系统，采用分区域控制方式，上部区域加大冷却强度，下部区域适当降低冷却水流量。改进测温装置，增加测点数量，实现精确温度控制。优化后温度场分布明显改善，最大温差降低30%，炉衬使用寿命提升至320炉次。安全评估得分提高至92分，达到优质运行标准，如表2所示。实践表明优化措施效果显著，既提高了生产安全性，又降低了能源消耗，具有推广价值。

　　4结语

　　通过系统实验研究揭示炼钢炉内温度场分布基本规律，建立完整安全性评估体系。实验数据表明炉内温度场分布不均匀性主要受加热方式、炉衬结构、冷却系统三个因素影响，其中炉壁温度梯度是关键控制指标。优化工艺方案在提高炉体安全性同时，实现能源效率提升。采用改进措施后，炉衬使用寿命显著延长，生产成本明显降低。研究成果为炼钢工艺改进提供重要理论依据，对指导安全生产具有实践价值。

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