blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-3-316-323blackmet-2916Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИINFORMATION TECHNOLOGIES AND AUTOMATIC CONTROL IN FERROUS METALLURGYМатематическая модель состояния горна доменной печи на основе показаний термопар, находящихся в поясах холодильниковMathematical model of blast furnace hearth condition based on data from thermocouples in refrigerator beltshttps://orcid.org/0000-0001-6446-0215ДмитриевА. Н.DmitrievA. N.

Андрей Николаевич Дмитриев, д.т.н., главный научный сотрудник лаборатории пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Andrei N. Dmitriev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Chief Researcher of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amund­sena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

andrey.dmitriev@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-7023-5734ВитькинД. А.Vit’kinD. A.

Дмитрий Александрович Витькин, инженер-конструктор

Россия, 620078, Екатеринбург, ул. Мира, 33)

Dmitrii A. Vit’kin, Design Engineer

33 Mira Str., Yekaterinburg 620078, Russian Federation

dimantg85@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8923-9872ЗолотыхМ. О.ZolotykhM. O.

Максим Олегович Золотых, к.т.н., ведущий инженер лаборатории пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Maksim O. Zolotykh, Cand. Sci. (Eng.), Leading Engineer of Laboratory for Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amund­sena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

max@zolotyh.suhttps://orcid.org/0000-0002-1076-2709ВитькинаГ. Ю.Vit’kinaG. Yu.

Галина Юрьевна Витькина, к.т.н., ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией пирометаллургии восстановительных процессов

Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101

Galina Yu. Vit’kina, Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher, Head of the Laboratory of Pyrometallurgy of Reduction Processes

101 Amund­sena Str., Yekaterinburg 620016, Russian Federation

20procents@mail.ruИнститут металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАНРоссияInstitute of Metallurgy named after Academician N.A. Vatolin, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationАО «Калугин»РоссияJSC KaluginRussian Federation202501072025683316323Copyright © Дмитриев А.Н., Витькин Д.А., Золотых М.О., Витькина Г.Ю., 20252025Дмитриев А.Н., Витькин Д.А., Золотых М.О., Витькина Г.Ю.Dmitriev A.N., Vit’kin D.A., Zolotykh M.O., Vit’kina G.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2916

Контроль футеровки горна доменной печи является важным аспектом в обеспечении эффективной и безопасной работы доменного производства. Футеровка горна играет ключевую роль в защите стен доменной печи от воздействия высоких температур и химически агрессивного шлакового расплава. Раннее выявление зон повышенного износа позволяет планировать профилактические работы, минимизируя простои и потери производительности. Более того, это способствует эффективному расходованию ресурсов, так как позволяет оптимизировать замену поврежденных участков футеровки, избегая излишних затрат на превентивные меры. В работе приведено описание разработанной трехмерной нестационарной модели горна доменной печи, базирующейся на показаниях термопар. Модель позволяет оценить форму разгара горна и распределение температур в кладке горна в трехмерной и двумерной (графической) формах. Для оценки разгара футеровки горна использованы показания термопар, установленных в районе трех нижних поясов холодильников. Указанная математическая модель может быть внедрена в доменный процесс в любое время после капитального ремонта I разряда. В случае, если прошло достаточно много времени после задувки доменной печи и в футеровке горна возможно образование разгара или гарнисажа, необходимо также использовать результаты ультразвукового контроля нижней части доменной печи. Математическая модель состояния горна доменной печи позволяет принимать пользователю обоснованные решения по предотвращению аварийных ситуаций, связанных с прогаром футеровки, и является перспективным инструментом для повышения эффективности и безопасной эксплуатации доменных печей.

The control of blast furnace hearth lining is of critical importance in ensuring efficient and safe operation of blast furnace production process. Hearth lining plays a fundamental role in protecting the blast furnace walls from high temperatures and chemically aggressive slag melt. Early detection of high wear areas allows planning of preventive maintenance, thereby minimizing downtime and lost productivity. Furthermore, it contributes to the efficient use of resources by optimizing the replacement of damaged lining sections, thus avoiding unnecessary expenditure on preventive measures. The paper presents a three-dimensional unsteady model of blast furnace hearth, developed based on thermocouple data. This model facilitates estimation of the crucible heat-up and temperature distribution in the crucible masonry in three-dimensional and two-dimensional (graphical) forms. Estimation of the hearth lining burnout is achieved through the utilization of readings of the thermocouples installed in the hearth lining of blast furnace in the area encompassing the three lower refrigerator belts. Implementation of the mathematical model is permissible at any juncture following the overhaul of the first discharge. If a sufficient amount of time passed since the blast furnace was blown in, and there is a possibility of burnout or skull formation in the hearth lining, it is also necessary to utilize the results of ultrasonic control (USC) of the blast furnace lower part. The mathematical model of the blast furnace hearth condition enables informed decision-making by users regarding prevention of the emergency situations related to lining burnout, thus demonstrating its potential as a tool for enhancing the efficiency and safe operation of blast furnaces.

доменная печьгорнматематическое моделированиетермопараразгарфутеровкаконтрольтеплопередачаblast furnacehearthmathematical modellingthermocoupleheatingliningcontrolheat transferРабота выполнена в рамках реализации Государственного задания Института металлургии имени академика Н.А. Ватолина Уральского отделения РАН.The work was performed within the framework of the State assignment of the Institute of Metallurgy named after Academician N.A. Vatolin, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.ReferencesЧайка А.Л., Лебедь В.В., Сохацкий А.А., Цюпа К.С., Корнилов Б.В., Шостак В.Ю., Панчоха Г.В., Москалина А.А., Гоман С.В., Фоменко А.П. Опыт и перспективы комплексного применения систем автоматизированного контроля разгара футеровки, тепловых потерь и теплоэнергетических параметров на доменных печах. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2017;(3):2–9.Chaika A.L., Lebed’ V.V., Sokhatskii A.A., Tsyupa K.S., Kornilov B.V., Shostak V.Yu., Panchokha G.V., Moskalina A.A., Goman S.V., Fomenko A.P. Experience and prospects of complex application of automated control systems for lining burnout, heat losses and heat energy parameters at blast furnaces. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost'. 2017;(3):2–9. (In Russ.).Пинчук Д.А., Панчоха Г.В., Канаев В.В., Можаренко Н.М. Современные методы контроля остаточной толщины футеровки металлоприемника доменной печи: Сборник научных трудов «Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии». 2005;(11):247–253.Pinchuk D.A., Panchokha G.V., Kanaev V.V., Mozharenko N.M. Modern methods of control of residual thickness of the lining of the blast furnace metal receiver. In: Proceedings of the “Fundamental and Applied Problems of Ferrous Metallurgy”. 2005;(11):247–253. (In Russ.).Филатов С.В., Курунов И.Ф., Гордон Я.М., Тихонов Д.Н., Грачев С.Н. Продление кампании доменной печи при ее интенсивной работе. Металлург. 2016;(9):17–22.Filatov S.V., Kurunov I.F., Gordon Ya.M., Tikhonov D.N., Grachev S.N. Extension of blast furnace campaign at its intensive operation. Metallurg. 2016;(9):17–22. (In Russ.).Тараканов А.К., Иващенко В.П., Еремин О.О., Си­­бир А.В., Лялюк В.П., Кассим Д.А. Контроль состояния футеровки металлоприемника доменной печи. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2016;(2):32–38.Tarakanov A.K., Ivashchenko V.P., Eremin O.O., Sibir A.V., Lyalyuk V.P., Kassim D.A. Control of condition of lining in blast furnace metal receiver. Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost'. 2016;(2):32–38. (In Russ.).Муравьева И.Г., Тогобицкая Д.Н., Белошапка Е.А., Шумельчик Е.И., Семенов Ю.С. Разработка комплексного критерия оценки воздействия расплавов на футеровку металлоприемника доменной печи: Сборник научных трудов «Системные технологии». 2012;(2):79.Murav’eva I.G., Togobitskaya D.N., Beloshapka E.A., Shumel’chik E.I., Semenov Yu.S. Development of complex criterion for assessment of melts impact on lining in blast furnace metal receiver. In: Proceedings of the “System Technologies”. 2012;(2):79. (In Russ.).Jiao K.-x., Zhang J.-l., Liu Z.-j., Deng Y., Chen C.-l. Cooling phenomena in blast furnace hearth. Journal of Iron and Steel Research International. 2018;25:1010–1016. https://doi.org/10.1007/s42243-018-0160-xJiao K.-x., Zhang J.-l., Liu Z.-j., Deng Y., Chen C.-l. Cooling phenomena in blast furnace hearth. Journal of Iron and Steel Research International. 2018;25:1010–1016. https://doi.org/10.1007/s42243-018-0160-xAndreev K., Louwerse G., Peeters T., van der Stel J. Blast furnace campaign extension by fundamental understanding of hearth processes. Ironmaking & Steelmaking. 2017;44(2): 81–91. https://doi.org/10.1080/03019233.2016.1154716Andreev K., Louwerse G., Peeters T., van der Stel J. Blast furnace campaign extension by fundamental understanding of hearth processes. Ironmaking & Steelmaking. 2017;44(2): 81–91. https://doi.org/10.1080/03019233.2016.1154716Liu Z Recent progress on long service life design of Chinese blast furnace hearth. ISIJ International. 2012;52(101): 1713–1723. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1713Liu Z Recent progress on long service life design of Chinese blast furnace hearth. ISIJ International. 2012;52(101): 1713–1723. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1713Li Y., Chen L., Wang L., Ma J. Monitoring the safety status of a blast furnace hearth using cooling stave heat flux. AIP Advances. 2020;10(2):025308. https://doi.org/10.1063/1.5137827Li Y., Chen L., Wang L., Ma J. Monitoring the safety status of a blast furnace hearth using cooling stave heat flux. AIP Advances. 2020;10(2):025308. https://doi.org/10.1063/1.5137827Dmitriev A.N., Chesnokov Yu.A., Chen K., Ivanov O.Yu., Zolotykh M.O. Monitoring system of firebrick lining erosion of blast furnace hearth. IFAC Proceedings Volumes. 2013;46(16):294–301. https://doi.org/10.3182/20130825-4-US-2038.00027Dmitriev A.N., Chesnokov Yu.A., Chen K., Ivanov O.Yu., Zolotykh M.O. Monitoring system of firebrick lining erosion of blast furnace hearth. IFAC Proceedings Volumes. 2013;46(16):294–301. https://doi.org/10.3182/20130825-4-US-2038.00027Дмитриев А.Н., Золотых М.О., Витькина Г.Ю. Мониторинг состояния огнеупорной футеровки горна доменной печи на основе цифровых технологий. Екатеринбург: АМБ;2022:154.Dmitriev A.N., Zolotykh M.O., Vit’kina G.Yu. Monitoring of Condition of Refractory Lining of Blast Furnace Hearth by Digital Technologies. Yekaterinburg: AMB; 2022:154. (In Russ.).Пат. 2299910 RU. Способ контроля состояния футеровки горна доменной печи. Кошелев А.Е., Криволапова Л.И., Кравцова О.А.; заявлено 07.07.2005; опубликовано 27.05.2007.Koshelev A.E., Krivolapova L.I., Kravtsova O.A. Method of control of blast furnace hearth lining condition. Pat. 2299910 RU. Applied 07.07.2005; Publ. 27.05.2007. (In Russ.).Torrkulla J., Saxén H. Model of the state of the blast furnace hearth. ISIJ International. 2000;40(5):438–447. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.438Torrkulla J., Saxén H. Model of the state of the blast furnace hearth. ISIJ International. 2000;40(5):438–447. https://doi.org/10.2355/isijinternational.40.438Duarte R.M., Ruiz-Bustinza I., Carrascal D., Verdeja L.F., Mochón J., Cores A. Monitoring and control of hearth refractory wear to improve blast furnace operation. Ironmaking & Steelmaking. 2013;40(5):350–359. https://doi.org/10.1179/1743281212Y.0000000045Duarte R.M., Ruiz-Bustinza I., Carrascal D., Verdeja L.F., Mochón J., Cores A. Monitoring and control of hearth refractory wear to improve blast furnace operation. Ironmaking & Steelmaking. 2013;40(5):350–359. https://doi.org/10.1179/1743281212Y.0000000045Swartling M., Sundelin B., Tilliander A., Jönsson P.G. Heat transfer modelling of a blast furnace hearth. Steel Research International. 2010;81(3):186–196. https://doi.org/10.1002/srin.200900145Swartling M., Sundelin B., Tilliander A., Jönsson P.G. Heat transfer modelling of a blast furnace hearth. Steel Research International. 2010;81(3):186–196. https://doi.org/10.1002/srin.200900145Swartling M. A study of the heat flow in the blast furnace hearth lining: Doctoral dissertation. 2010:51.Swartling M. A study of the heat flow in the blast furnace hearth lining: Doctoral dissertation. 2010:51.Li Y., Chen L., Ma J. Numerical study on the relationship between the localized depression erosion of a commercial blast furnace hearth lining and the heat flux of cooling staves. IEEE Access. 2019;(7):60984–60994. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2915915Li Y., Chen L., Ma J. Numerical study on the relationship between the localized depression erosion of a commercial blast furnace hearth lining and the heat flux of cooling staves. IEEE Access. 2019;(7):60984–60994. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2915915Swartling M., Sundelin B., Tilliander A., Jönsson P. Experimentally determined temperatures in blast furnace hearth. Ironmaking & Steelmaking. 2010;37(1):21–26. https://doi.org/10.1179/030192309X12506804200627Swartling M., Sundelin B., Tilliander A., Jönsson P. Experimentally determined temperatures in blast furnace hearth. Ironmaking & Steelmaking. 2010;37(1):21–26. https://doi.org/10.1179/030192309X12506804200627Zhao H., Cheng S. Optimization for the structure of BF hearth bottom and the arrangement of thermal couples. Journal of University of Science and Technology Beijing, Mine­ral, Metallurgy, Material. 2006;13(6):497–503. https://doi.org/10.1016/S1005-8850(06)60101-1Zhao H., Cheng S. Optimization for the structure of BF hearth bottom and the arrangement of thermal couples. Journal of University of Science and Technology Beijing, Mine­ral, Metallurgy, Material. 2006;13(6):497–503. https://doi.org/10.1016/S1005-8850(06)60101-1Zhang C., Hou B., Shao L., Zou Z., Saxén H. Estimation of the blast furnace hearth state using an inverse-problem-based wear model. Metals. 2022;12(8):1302. https://doi.org/10.3390/met12081302Zhang C., Hou B., Shao L., Zou Z., Saxén H. Estimation of the blast furnace hearth state using an inverse-problem-based wear model. Metals. 2022;12(8):1302. https://doi.org/10.3390/met12081302Дмитриев А.Н., Золотых М.О., Чэнь К., Витькина Г.Ю. Сравнительный технологический анализ систем конт­роля разгара огнеупорной футеровки горна доменной печи. Черная металлургия. Бюллетень научно-техничес­кой и экономической информации. 2018;(8):82–91.Dmitriev A.N., Zolotykh M.O., Chen K., Vit’kina G.Yu. Comparative technological analysis of control systems of refractory lining heat-up of blast furnace hearth. Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific, Technical and Economic Information. 2018;(8):82–91. (In Russ.).Мороз В.Ф., Тогобицкая Д.Н., Можаренко Н.М., Нестеров А.С., Белькова А.И., Степаненко Д.А. Влияние состава и свойств материалов гарнисажа на его образование и стойкость: Сборник научных трудов «Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии». 2010;22:85–95.Moroz V.F., Togobitskaya D.N., Mozharenko N.M., Neste­rov A.S., Bel’kova A.I., Stepanenko D.A. Influence of composition and properties of skull materials on its formation and durability. In: Proceedings of the “Fundamental and Applied Problems of Ferrous Metallurgy”. 2010;22:85–95. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.