高炉在线激光料面形状可视化技术
高炉可视化技术
University of Science & Technology Beijing
北京神网创新科技有限公司Shenwang Pioneer Tech. Corporation Beijing
激光网格和料流切断激光网格的图像
laser grid image in the furnace
激光网格
laser grid
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沙钢5800 m3高炉料面形状测量结果
Burden Profile Measured at 5800 m3 BF of Shagang
south north east west
激光扫描仪
北 京 科 技 大 学
高炉布料仿真模型
Burden Distribution Model on BF
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布料仿真模型在美钢联Fairfield 厂8号高炉的应用
风口摄像仪
高炉热像仪
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激光开炉装料测量 及布料规律的研究
• 激光网格测量料流轨迹 • 激光扫描仪测量料面形状
US Steel Application at Fairfield No.8 BF (2326 m3 )
北京科技大学科技成果——高炉大修项目的可视化管理
北京科技大学科技成果——高炉大修项目的可视化管理项目简介1、项目的简单概述项目的可视化管理，指的是项目团队和项目相关人员为了更加有效地收集和传递信息，更好地对项目进行管理，而采用一些可视化技术，使项目管理过程可以用图形、图像、动画、视频等方式展现出来。
高炉大修项目的可视化管理主要有以下几个方面的内容：（1）在IE浏览器上实现高炉大修项目进度二维可视化的动态显示和跟踪，Web上的二维图形能同时反映出计划进度和实际进度，并具有一定的统计功能，自动生成所需要的各种统计图表；（2）利用实时数据和可视化三维建模技术，建立高炉的三维数字化模型，采用三维模型各模块的动态化组装来动态反映大修工程的进度，在IE浏览器上实现B/S模式下的高炉大修过程三维可视化的动态显示，并可以在IE浏览器上对高炉信息进行查询和浏览；（3）能够对拖期工作进行报警和初步的原因分析；自动调整项目计划，如果对某个子项目的进度计划进行调整，则系统将根据自定义的规则对项目整体计划和项目跟踪情况进行自动调整。
2、项目来源本项目的来源是北京冶金设备研究院为上海宝钢的高炉大修工程开发的“高炉大修工程计算机管理系统”中的项目进度管理模块，功能是提供B/S模式下基于Web的项目进度可视化管理，包括二维可视和三维可视。
3、项目的最新进展、所达到的水平传统的项目管理系统是非可视化的，不能直观明了地表达项目管理过程，从而导致项目团队和项目管理人员不能在日常工作中方便有效地使用相关信息。
在项目管理中采用可视化技术，可以使项目相关人员及能够更好地了解项目活动的内容和项目的进展情况，及时发现问题，对项目进行适时有效的调整，使项目保持合理的进展状态。
基于B/S模式，根据高炉大修项目的实际进度在IE浏览器上动态显示高炉的三维模型，在技术上属于国内外首创。
4、项目的关键数据基于B/S模式，根据高炉大修项目的实际进度在IE浏览器上动态显示高炉的三维模型，并可以在IE浏览器上对高炉信息进行查询和浏览，系统还具有一定的统计分析和进度预警功能。
高炉块状区物料可视化监测的前期研究_邵富群
1999年 2月第20卷第1期东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University(Natural Science)Feb.1999Vol.20,No.1高炉块状区物料可视化监测的前期研究邵富群 颜 华 王 师(东北大学信息科学与工程学院,沈阳 110006)摘 要 提出使用电容断层成象技术对高炉内部块状区物料分布形态进行可视化监测,论述了该项技术实现的可行性,报道了研究的一些前期成果,包括验证矿石与焦炭介电性能差异的实验,适于高炉成象系统的电容传感器测量电路的设计以及冷态下矿石与焦炭简单分布的成象实验·这些成果的取得,为高炉成象的进一步的深入研究奠定了基础·关键词 高炉,ECT技术,块状区,可视化·分类号 T B216.1块状物料(主要为矿石与焦炭)流在高炉3种物流中,起着主导地位,即块状物料流决定了其它2种物流(液流,气流)的分布,因此,若高炉块状带物料的分布状态能够监视到,便可由此推断出其它2种物料流的分布·迄今,为监视高炉的状态,已有一些传感器及仪表处于应用·如,热电偶或热电阻,压力传感器,超声波,热象仪及雷达以及十字测温技术等等·这些传感器或仪表多数为插入式或侵入式的“单点”测量技术,且无一种可用来获取有关炉内块状料分布的详尽信息·近年来,国际上兴起利用电容断层成象技术[1～3],即EC T技术(Electrical Capacitance Tomog raphy),对生产设备内部物料状态进行定性或定量测量的研究·已有的报道主要对管道内多相流动(气/固,气/液),流化床流态化进行过程以及内燃机火焰发生过程等进行可视化监测·电容传感器具有非插入,响应快,简单,坚固,寿命长,成本低等优点,因此基于电容传感器的断层成象技术具有很广阔的应用前景·1 可 行 性一个ECT系统可否被应用,主要取决于成象区域中被探测的2种物质(体)是否在介电常数上存在有足够的差异·至于高炉中的焦炭和烧结矿,情况要复杂得多·为简化研究,本文假设高炉煤气,烧结矿及焦炭以均匀的温度分布共存于块状区域中,烧结矿及焦炭皆充满煤气(烧结矿和焦炭皆为多孔状物)·这种情况下,含有煤气的烧结矿看做具有介电常数为ε1的物质,而含有煤气的焦炭则看作是具有介电常数为ε2另一种物质·由于块状区总是被含有煤气的矿石和含有煤气的焦炭所充满,因此,只要ε1和ε2具有足够的差异,则矿石和焦炭的分布便可通过EC T系统进行成象探测·绕结矿主要由多种氧化物如Fe3O4,SiO2, CaO,MgO等组成·而焦炭则主要由碳,灰分及一些杂质组成·因此,烧结矿的介电常数将与焦炭的不同·含有煤气的矿石的介电常数与含有煤气的焦炭的介电常数也会不同·准确测量烧结矿和焦炭的介电常数是非常困难的,其原因主要有三:其一,烧结矿与焦炭中的化学组分及其含量难于控制在某一固定的水平上,因此二者介电常数不可能恒定;其二,烧结矿与焦炭的粒度是变化的,可从几毫米到几十毫米变化,有的甚至成粉未状态,不同粒度的同种物质具有不同的密实系数,密实系数不同会使得介电常数也不同;其三,有关研究业已证明物质的介电常数与温度有关·高炉中块状区的温度可高达几百度以至千度左右,因此不可能在如此高的温度下测得二者的介电常数·由于以上3种原因,ε1和ε2皆将在某一范围内变化,因而也难于获得一准确值·但是,高炉成象中,人们关心的是烧结矿与焦炭的定性的分布测量,而非二者的定量测量·19980513收到· 邵富群,男,53,副教授;王师,男,64,教授,博士生导师·国家自然科学基金资助项目(编号:59674016).因此,只要ε1和ε2有差异,烧结矿和焦炭的分布便可通过合适的成象算法加以识别·高炉的炉衬由绝缘的耐火砖砌成,可做为安装电容传感器阵列的支撑物·炉衬外的炉壳(包括冷却壁)可起到保护电容传感器免受外部电磁干扰的屏蔽罩的作用·这一点对使用ECT 技术对高炉成象是至关重要的,因为象高炉这样的庞大工业设备是无法另装屏蔽的·高炉成象的前期研究阶段主要要解决的问题有:烧结矿及焦炭在介电性能上的差异如何,这种差异下的成象效果以及适于高炉ECT 成象系统的传感器检测电路·2 几项实验2.1 烧结矿及焦炭介电性能的实验将烧结矿及焦炭(粒度在10mm 以下)用量杯各量取200ml 同样体积的烧结矿及焦炭并分别将其放入一电容传感器的检测空间中,记录下电容传感器的一组输出值·实验中采用的测量电路如图1所示·图中的556构成2个多谐震荡器,其中一个作为参比电路,另一个作为测量电路·两路信号经异或电路相减输出,再经一RC 滤波电路输出至一数字电压表进行测量·所用电容传感器如图2示,由一段内径为50m m 聚乙烯管的外表面粘附2块纯铜板构成·传感器用一屏蔽罩屏蔽·测量电路紧贴屏蔽罩放置,同时也加以屏蔽保护·烧结矿及焦炭分别由管道的一端送入电容传感器的检测场中进行测量·图1 测量电路图2 电容传感器测量的结果表明,绕结矿情况下电容传感器的输出与焦炭的输出大不相同,电性能上的差异较大·2.2 烧结矿与焦炭分布的成象实验实验装置如图3所示·在一内径为22cm 的陶瓷管道周围等间隔地安放8块13cm ×7cm 的纯铜板·这8块铜板即构成具有8个极板的电容传感器阵列·将与2.1中同样大小的烧结矿及焦炭按图4a ,4b 的情况放置,分别模拟矿焦的2种分布·采用如文献[1]中的充/放电电路分别测取8个极板中两两不同组合下的电容值,共得28个电容测量值·将这28个测量值用反投影图象重组算法进行重建,得到图4c ,4d 2幅图象·由所成图象的效果可以看出,尽管所成图象与原始分布有差异,或者说图象有失真,但已能确定分布的基本形态·可以肯定的说,如改进成象算法,图象的质量也会改进·图3 成象实验装置图4 成象结果黑为焦炭,白为矿石·(a ),(b )—为原分布; (c ),(d )—为所成图象·2.3 电容传感器检测电路的设计及实验用于ECT 系统中的电容传感器检测电路,国际上已有成功的范例,如Huang [4],Yang [5]及Faschigig [6]等研制开发的系统·然而,用在高炉这种特定对象上时,这几种检测电路便皆不适用·文献[4,5]的电路皆用集成电路作为激励与检测的器件·集成电路的使用电压最高不超过20V ,使得依靠提高电压提高检测电路的灵敏度和分辨率受到限制·而文献[6]中的电路虽然激励电压可高达500V ,但因其利用等电位驱动屏蔽罩的办法防止杂散电容的干扰,这在高炉上是无法实现的·因为高炉的外壳是牢固接地的,无法驱动,也不安全·针对上述问题,本文研制了一种适于高炉成象用的微小电容量检测方法·该法利用高压交流单边激励及磁性C /V 转换方法实现测量·如图5示,e 为700V 100kHz 交流电源,C x 为被测电容,C S1,C S2为杂散电容·由于激励源直接加到激励极板上,因此C S1对测量无影响·又因为磁环转换器的原边绕组设计中只有一匝,其阻抗值是C S2阻抗值的万分之一数量级,使得i ex 被C S2分流的比例可略·因此,C S2的影响也可略·该电路的性能指标经测试,分辨率为0.1fF 数量级[7]具38东北大学学报(自然科学版) 第20卷有较好的稳定性及线性度(线性相关系数为0.9977),可以满足高炉成象中的需要·图5 高压交流单边激励及磁性C /V 转换电路3 结 束 语目前国际上正在研究中的几类过程成象技术中,如声学法、射线法、电学法等,唯ECT 技术适合于高炉环境·前期研究结果表明,烧结矿与焦炭的介电性能有较大的差异;利用反投影算法获得了烧结矿与焦炭简单分布的图形;针对高炉所设计的高压交流单边激励及磁性C /V 转换电路测量微小电容的方法具有较高的分辨率,稳定性及线性度·所有这些都为实现高炉成象的进一步的深入研究奠定了基础·高炉成象用的ECT 系统不同于其它对象上的EC T 系统,具有其自身的特殊性,如,因高炉直径太大而无法加装消除电容传感器边缘效应的保护极板,以及介电常数受温度影响等问题·下步的工作将集中在解决这2个问题上·而这2个问题的解决将预示着高炉成象技术开始迈向更成熟的阶段·参考文献1Beck M S ,Williams R A .Process tomography :a euripean innovation and its applications .M easurement Science and Technology ,1996,7(3):215～2242Reineke N ,M ew es D .R ecent developmen t and industrial /res earch applications of capacitance tomography .M easurement S cience and Technology 1996,7(3):233～2463Isaks en4.A reviewofreconstructiontechniques for capacitancetomography .M eas u rementS cienceandTechnology ,1996,7(3):325～3374Huand S M ,Xie C G ,T horn R ,et al .Design of sensor electronics for electrical capacitance tomography .IEE Proc ,1992,139G :83～885Yang W Q ,Sttot A L ,Beck M S .High frequency and high res olutioncapacitancemeasuringcircuitforprocesstomography .IEE Proc Circuits Divices Syst ,1994,141:215～2196Fasching G E ,Smith N S .A capacitive system for th ree -dimensional imaging of fl uidized beds .Rev Sci Instrum ,1991,622:243～2517孟庆国·电容成象系统微小电容检测方法的研究:[学位论文]·沈阳:东北大学,1996Preliminary S tudy of Imaging Sintering O re and Cokes in Lump Zonein Blast FurnaceShao Fuqun ,Y an Hua ,Wang Shi(School of Information Science and Engineering ,N EU ,Sheny ang 110006)ABSTRAC T A n electrical capacitance tomog raphy technique was proposed to imag e the distribution of sintering ore and cokes in the lump zone of Blast F urnace .I t w as discussed the possibilities and difficulties of the technique and obtained some preliminary results ,including the experiment of dielectric characteristics of o re and cocks ,the design of sensing circuit of capacitance sensor and the reconstructed image of simple distribution of ore and cocks in cool state .KEY W ORDS blast furnace ,ECT ,lump zone ,imaging .(Received May 13,1998)39第1期 邵富群等:高炉块状区物料可视化监测的前期研究。
219463770_基于运动轨迹和径向距离的高炉料面堆积形状建模方法
基于运动轨迹和径向距离的高炉料面堆积形状建模方法蒋朝辉 1, 2周 科 1桂卫华 1, 2曹 婷 2潘 冬 1朱既承1摘 要 高炉料面形貌是反映煤气流分布和煤气利用率的关键指标, 研究高炉料面炉料堆积形状数学建模方法对实现高炉精准布料控制和“双碳”战略在钢铁行业落地具有重要意义. 针对高炉多环布料情况下料面堆积形状预测难的问题, 本文提出了一种基于炉料运动轨迹和径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状建模方法. 首先, 提出了一种与炉料初始状态和溜槽状态相关的炉料运动轨迹建模方法, 获取炉料从节流阀至料面的炉料运动轨迹, 并确定炉料在炉喉空区的内轨迹曲线和外轨迹曲线. 然后, 基于炉料运动轨迹和初始料面形状, 以体积守恒原则为约束, 提出了一种基于炉料径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状数学建模方法, 获取炉料在料面的堆积形状. 最后, 基于某钢铁厂2# 高炉的尺寸建立离散单元法 (Dis-crete element method, DEM) 仿真模型, 模型仿真结果验证了所提方法的准确性和有效性.关键词 高炉料面, 数学建模, 运动轨迹, 径向距离, 堆积形状, 离散单元法引用格式 蒋朝辉, 周科, 桂卫华, 曹婷, 潘冬, 朱既承. 基于运动轨迹和径向距离的高炉料面堆积形状建模方法. 自动化学报,2023, 49(6): 1155−1169DOI 10.16383/j.aas.c220768A Modeling Method of Blast Furnace Burden Surface Accumulation ShapeBased on the Motion Trajectory and Radial DistanceJIANG Zhao-Hui 1, 2 ZHOU Ke 1 GUI Wei-Hua 1, 2 CAO Ting 2 PAN Dong 1 ZHU Ji-Cheng 1Abstract The blast furnace burden surface is the key index to reflect the distribution of gas flow and the utiliza-tion rate of gas. Studying the mathematical modeling method of burden flow accumulation shape on the blast fur-nace burden surface is of great significance to realize the precise charging control and the implementation of “dual carbon” strategy in the steel industry. Aiming at the difficulty of predicting the burden flow accumulation shape in the blast furnace multi-ring charging, a modeling method for the accumulation shape of the burden flow on the blast furnace burden surface based on the burden flow motion trajectory and radial movement distance is proposed.Firstly, a modeling method of burden flow motion trajectory relate to the burden flow state and chute state is pro-posed to obtain the motion trajectory of burden flow from throttle valve to the burden surface, and further determ-ine the internal and external trajectory of burden flow in the blast throat. Secondly, a mathematical modeling meth-od of burden flow accumulation on the blast furnace burden surface based on the radial moving distance is pro-posed to obtain the accumulation shape of burden flow on the burden surface according to the motion trajectory,initial shape of burden surface, and the principle of volume conservation. Finally, a discrete element method (DEM)simulation model is established based on the 2# blast furnace of a steel plant, and the simulation results verify the accuracy and effectiveness of the proposed method.Key words Blast furnace burden surface, mathematical model, motion trajectory, radial distance, accumulation shape, discrete element method (DEM)Citation Jiang Zhao-Hui, Zhou Ke, Gui Wei-Hua, Cao Ting, Pan Dong, Zhu Ji-Cheng. A modeling method of blast furnace burden surface accumulation shape based on the motion trajectory and radial distance. Acta Automat-ica Sinica , 2023, 49(6): 1155−1169钢铁工业是国民经济的重要基础产业, 是国家工业发展的重要支柱产业, 也是衡量国家经济水平和综合国力的重要标志. 高炉炼铁是钢铁工业中的上游核心工序, 其炼铁产量占世界生铁产量的95%收稿日期 2022-10-04 录用日期 2023-02-10Manuscript received October 4, 2022; accepted February 10,2023国家重大科研仪器研制项目(61927803), 国家自然科学基金基础科学中心项目(61988101), 湖南省科技创新计划(2021RC4054), 国家自然科学基金青年基金(62103206), 中国博士后科学基金(2021M701804)资助Supported by National Major Scientific Research Equipment of China (61927803), National Natural Science Foundation of China Basic Science Center Project (61988101), Science and Techno-logy Innovation Program of Hunan Province (2021RC4054), Na-tional Natural Science Foundation for Young Scholars of China (62103206), and Postdoctoral Science Foundation of China (2021M701804)本文责任编委 董峰Recommended by Associate Editor DONG Feng1. 中南大学自动化学院 长沙 4100832. 鹏城实验室 深圳5180001. School of Automation, Central South University, Changsha 4100832. Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518000第 49 卷 第 6 期自 动 化 学 报Vol. 49, No. 62023 年 6 月ACTA AUTOMATICA SINICAJune, 2023以上, 是钢铁制造过程中能耗最大、CO2排放最多和成本最高的环节[1−2]. 炉料在高炉料面的堆积形状是判断煤气流分布是否合理、及时发现异常情况的关键指标, 而高炉布料制度直接决定了炉料在高炉料面的堆积形状. 因此, 研究高炉料面炉料堆积形状数学建模方法对实现高炉精准布料控制和“双碳”战略在钢铁行业中落地具有重要意义.当前料面形状建模主要有基于实体模型的比例模型实验法、基于数值计算的离散单元法(Discrete element method, DEM)和基于物料运动规律的机理模型法. 比例模型实验法是以实体高炉为参考,搭建等比例或缩比例的物理模型, 模拟高炉布料全过程, 并安装高精度检测设备获取料流运动轨迹和料面堆积形状. 例如, Jimenez等[3]用1/10的比例高炉测试布料模式和煤气流对炉料分布的影响. Mitra 等[4]用多段折线描述料面堆积轮廓, 并在1/10的高炉模型中进行验证. Kajiwara等[5]使用等比例模型研究高炉布料全流程, 发现高炉料面混合层的存在,并基于实验结果建立高炉布料仿真模型. 比例模型实验法能够直接观察炉料运动状态及料面堆积形状, 但模型费用高、实施过程繁琐、数据精度难保证, 该方法难以作为一种常规研究方法为研究者提供帮助.DEM以数值仿真软件为基础, 设定高炉布料初始条件, 仿真分析高炉布料运动过程. 随着计算机性能的增强, 国内外研究学者采用DEM对高炉炉顶炉料运动进行了大量的研究, 包括高炉布料操作参数[6−9]、旋转溜槽形状[10−12]、颗粒属性[13−15]等对炉料运动速度的影响. 此外, 诸多学者将比例模型实验法和DEM结合进行了大量相关研究. 例如, Mio 等[16]使用高速相机记录1/3比例模型的高炉布料行为, 并与DEM仿真结果进行对比, 验证了DEM仿真预测粒子运动轨迹具有较高的可靠性. Wei等[17]基于DEM研究了粒子滚动系数和摩擦系数对炉料堆积休止角的影响, 并利用比例模型实验确定了DEM 仿真中粒子的摩擦系数. Holzinger等[18]基于DEM 研究了溜槽起始倾斜角度和旋转方向对布料过程料面堆积料层的质量分数的影响, 并用工业生产温度数据进行了验证. Yu等[19]将物理试验和DEM结合, 研究了高炉炉顶料流运动轨迹及料面堆积轮廓的形成, 发现焦炭在下落轨迹与料面的交汇处堆积,而球团则向高炉中心运动. Mitra等[20−21]使用1/10比例模型和DEM研究了高炉料面焦炭的塌陷和混合层的形成, 并定量评估了焦炭的混合和塌陷程度. DEM不仅能很容易获取粒子的空间运动状态, 还具有较高的精度, 获得了大量研究者的青睐, 被广泛应用于实验室环境仿真高炉冶炼, 但因其计算时间长、对计算机性能要求高, 难以应用于工业现场.机理模型法是通过物料的受力情况分析炉料运动轨迹及炉料在料面的堆积形状. Radhakrish-nan等[22]提出了一种二维数学模型来描述高炉顶部料流的运动轨迹和料面堆积形状. 朱清天等[23]在考虑煤气流的情况下建立料流运动轨迹模型, 为实现布料控制奠定了基础. 杜鹏宇等[24]在建立料流运动数学模型时重点考虑了炉料受力变化对料流宽度的影响, 进而建立了无钟炉顶布料的料流宽度数学模型. Fu等[25]建立了料面分布数学模型, 并考虑了料面下降对料面分布的影响. 张森等[26]提出了一种基于雷达数据和机理模型双驱动的高炉料面形状建模方法, 用一条概率分布的带来描述高炉料面形状. Fojtik等[27]根据料流落点位置、颗粒半径和最大休止角确定内外堆积角度, 并通过大量实验来确定修正系数, 进而确定料面堆积形状. Nag等[28]基于激光检测仪获取料线高度, 提出了一种正态分布函数来描述料面堆积轮廓, 并基于体积守恒原则确定正态分布曲线的参数. Li等[29]以料流运动轨迹模型为基础, 并基于炉料运动散射距离建立料面轮廓模型,进而开发高炉布料模型.前人的研究对高炉高效冶炼做出了巨大的贡献, 但仍存在一些问题需要解决: 1) 所建炉料运动轨迹模型仅能获取单质点的运动轨迹, 难以确定料流在料面的落点宽度; 2) 料面堆积形状建模需要通过大量实验获取散射距离, 忽视了炉料运动速度与料面堆积形状之间的关系. 因此, 本文提出了一种基于炉料运动轨迹和径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状建模方法.本文的主要贡献是:1)提出了一种基于坐标变换的炉料运动轨迹建模方法. 该方法分别计算节流阀不同位置处炉料颗粒在高炉炉顶的运动轨迹, 形成料流运动轨迹集合, 并找出料流运动轨迹在炉喉空区的内轨迹与外轨迹以进一步计算料面堆积形状. 在计算炉料在溜槽上滑动的初始运动速度时充分考虑碰撞位置和炉料碰撞前的速度, 以此求解炉料与溜槽碰撞后的三维运动速度. 同时, 利用绝对运动与相对运动和牵连运动之间的关系, 将炉料在溜槽上的运动分析从静坐标系转移到与溜槽一同旋转的动坐标系中, 减小炉料在旋转溜槽上运动建模的复杂程度.2)提出了一种基于径向移动距离的炉料堆积形状建模方法. 以炉料在炉喉空区的内外轨迹和运动速度为基础, 计算炉料在料面的落点位置以及炉料落到料面后的最大径向移动距离, 并以体积守恒原则为约束建立料面堆积形状描述方法, 实现高炉多环布料时的料面堆积形状预测.1156自 动 化 学 报49 卷1 基于坐标变换的炉料运动轨迹建模高炉布料过程实际上是炉料颗粒从节流阀流出经中心喉管、旋转溜槽、炉喉空区落到料面, 堆积形成新的料面形状的运动过程, 如图1所示. 为简化数学模型, 炉料运动过程机理建模时做出以下假设[22]:1) 炉料颗粒离开节流阀时的水平速度分量为零;2) 炉料颗粒只有质量, 没有形状大小; 3) 高炉布料过程中炉料颗粒之间互不影响; 4) 炉料在溜槽上运动时始终在溜槽上滑动且不存在滚动摩擦力; 5) 炉料在料面运动中其摩擦系数保持不变, 且只存在滑动摩擦.称量料罐节流阀中心喉管旋转溜槽高炉料面炉喉空区图 1 高炉炉顶炉料运动过程示意图Fig. 1 Schematic diagram of the moving process ofburden flow on the blast furnace top1.1 坐标变换方法n 高炉布料过程中料流由 个初始速度相同、初OXY Z Z βY r γO ′X ′Y ′Z ′始位置不同的小颗粒组成. 因此, 不同位置的颗粒离开节流阀时的运动轨迹不同, 为快速计算不同初始位置炉料在高炉炉顶的运动轨迹, 建立相对高炉静止的静坐标系和与溜槽一同旋转的动坐标系, 如图2所示. 溜槽运动过程中, 溜槽到达的任意位置均可由溜槽初始位置经两次旋转到达. 围绕静坐标系 的 轴旋转角度 , 得到过度旋转坐标系;再绕过度旋转坐标系的 轴旋转角度 即可得到溜槽当前的位置, 即动坐标系 . 颗粒在静坐标系和动坐标系之间的位置关系为(x,y,z )(x ′,y ′,z ′)其中 为颗粒在静坐标系中的位置; 为颗粒在动坐标系中的位置.1.2 炉料运动轨迹建模n 炉料运动过程机理建模分为5个部分: 炉料离开节流阀、炉料在中心喉管自由下落、炉料与溜槽发生碰撞、炉料在旋转溜槽上运动、炉料在炉喉空区运动. 本节对料流运动过程进行力学分析, 建立炉料到达料面的运动轨迹数学模型,并根据 个炉料颗粒的运动轨迹集合确定料流在炉喉空区的内轨迹曲线和外轨迹曲线.1.2.1 节流阀排料模型节流阀是高炉炉顶布料操作的关键设备之一,(a) 整体示意图(a) Overall schematic(b) 绕 Z 轴旋转(b) Rotate around the Z -axis(c) 绕 Y r 轴旋转(c) Rotate around the Y r -axisY r图 2 坐标变换过程示意图Fig. 2 Schematic diagram of the coordinate transformation process6 期蒋朝辉等: 基于运动轨迹和径向距离的高炉料面堆积形状建模方法1157v 0是调节排料速度和排料时间的唯一手段. 炉料离开节流阀时的速度可以通过水力学连续性方程计算,炉料离开节流阀时的位置和速度可以表示为Q ρS L s d x 0,y 0,h a 其中 为料流质量流量, 单位为kg/s; 为炉料的堆积密度, 单位为kg/m 3; 为料流在节流阀处的流通面积, 单位为m 2; 为节流阀打开长度, 单位为m; 为炉料的平均直径, 单位为m. 分别表示炉料离开节流阀时在静坐标系中的三维空间位置.1.2.2 炉料在中心喉管下落模型炉料离开节流阀后进入中心喉管, 在重力的作用下做自由落体运动, 则炉料落到溜槽前其运动速度表示为g h w β0γ0h w 其中 为重力加速度, 单位为m/s 2; 为溜槽悬挂点到炉料与溜槽接触时的有效高度, 单位为m. 假设炉料从节流阀开始运动至到达溜槽表面, 溜槽水平旋转了 , 倾斜了 , 则 可以表示为e θ0R 其中 为溜槽倾动距, 单位为m; 为炉料落到溜槽上时在溜槽上的偏析角度, 单位为 °; 为溜槽半径, 单位为m. 则炉料与溜槽碰撞前的位置和速度在动坐标系中表示为r ′1v ′1其中 和 分别表示炉料与溜槽碰撞前在动坐标系中的位置和速度.1.2.3 炉料与溜槽碰撞模型n 炉料与溜槽碰撞后存在速度损失, 且速度损失可以分解为法向速度损失和切向速度损失. 图3显示了炉料与溜槽碰撞前后的入射速度与出射速度之间的关系, 其中 为碰撞点的法向量, 由碰撞点的位置直接决定, 表示为f (·)θint 其中 为溜槽曲面表达式. 为入射速度与法向量之间的夹角, 与入射速度和碰撞点法向量相关,表示为v ′2=[v ′2,x ,v ′2,y ,v ′2,z ]T当炉料与溜槽碰撞时入射速度和碰撞点均已求出, 即法向量和入射角度可求出. 角 为待求出射速度, 表示为θout为炉料与溜槽碰撞后出射速度与碰撞点法向量之间的夹角, 出射角与出射速度和法向量之间的关系表示为根据图3的几何关系可得e n e t 其中 为炉料与溜槽的法向碰撞恢复系数, 与碰撞物的材质有关, 为定值. 为炉料与溜槽碰撞的切向恢复系数, 与碰撞物的材质及碰撞时的入射角相关, 表示为θout 根据式(10)可以求出炉料与溜槽碰撞后的出射角 为1图 3 炉料与溜槽碰撞前后速度关系示意图Fig. 3 Schematic diagram of the velocity relationshipbetween the burden flow and chute collision1158自 动 化 学 报49 卷()进一步可以求出炉料与溜槽碰撞后的速度大小同时, 炉料与溜槽碰撞前后的速度以及碰撞点的法向量符合共面性质, 即出射速度可以表示为a b 其中 和 为常数. 将式(14)展开表示为a b v ′2,x v ′2,y v ′2,z v ′2联立式(8)、(9)和(15)可分别求出 、 、 、 和 , 即可求出颗粒与溜槽碰撞后的出射速度 .1.2.4 炉料在溜槽上滑动模型炉料在旋转溜槽上运动时受到重力、支持力、摩擦力、科氏力等的作用, 在动坐标系内分析炉料的受力情况有助于减少分析复杂程度, 能简单、快速解出炉料在溜槽上的运动轨迹.在动坐标系中, 颗粒相对溜槽的位置如图4所示. 炉料在溜槽内的相对位置、速度和加速度分别表示为[30]θY ′其中 为颗粒在溜槽上的偏析角, 规定颗粒在 负轴时为正值.在溜槽上与颗粒接触的点为牵连点, 牵连点的位置、速度和加速度分别为ωa a r a e a c 其中 为溜槽的角速度, 为溜槽的角加速度. 溜槽旋转时, 炉料的绝对加速度为相对加速度 、牵连加速度 和科氏加速度 之和, 表示为a c =2ω×v r G ′F ′N F ′f 其中 , 为科氏加速度. 在动坐标系中,炉料受到重力、支持力和摩擦力 的作用,分别表示为F N µ其中 为颗粒受到支持力大小, 单位为N; 为颗粒与溜槽的摩擦系数. 则颗粒在溜槽上受到的合力为(a) 整体示意图(a) Overall schematic (b) O ′X ′Z ′ 截面(b) O ′X ′Z ′ section(c) O ′Y ′Z ′ 截面(c) O ′Y ′Z ′ section图 4 炉料在溜槽上位置示意图Fig. 4 Schematic diagram of the positionof the burden flow on the chute6 期蒋朝辉等: 基于运动轨迹和径向距离的高炉料面堆积形状建模方法1159结合牛顿第二定律, 联立式(18)和(20)并进行化简, 得到r 3v 3Runge-Kutta 算法是一种求解微分方程使用最广泛、最有效的方法之一, 利用计算机仿真求解时可以省去求解微分方程的复杂过程[31]. 调用MAT-LAB 软件中的ode45函数迭代求解炉料在溜槽上运动不同时刻的位置、速度和加速度. 则炉料离开溜槽末端时在静坐标系中的位置 和速度 可以表示为β1γ1r ′3v ′3其中 和 分别表示炉料颗粒到达溜槽末端时, 相对离开节流阀水平旋转的角度和倾斜的角度. 和 分别表示在动坐标系中炉料在溜槽末端的位置和速度.1.2.5 炉料在炉喉空区斜抛模型X Y Z 炉料离开溜槽后, 在炉喉空区受到重力和煤气阻力的影响. 若在炉喉空区只考虑重力对炉料运动轨迹的影响, 则炉料在 轴和 轴做匀速运动, 在 轴做匀加速运动, 则炉料在空区的运动轨迹表示为v 3,x v 3,y v 3,z x 3y 3z 3其中 、 和 表示炉料离开溜槽末端时的三维空间速度; 、 和 表示炉料离开溜槽末端t 时的三维空间位置; 表示炉料从溜槽末端到料面的运行时间, 由炉料离开溜槽末端时的位置和速度以及料面高度直接决定.在多环布料中, 假设料面形状对称, 布料操作所形成的料流落点也对称, 因此, 可以用炉料在炉喉的径向移动距离和落点高度表示炉料落点位置,表示为S r S z Z 其中 和 分别表示炉料的径向移动距离和 轴移动距离.Z v 4,z OXY v 4,p OXY v 4,r v 4,n OXY OP θ3炉料落到料面后的速度可以分解为 轴速度 和 平面速度 , 其中 平面速度又可以分解为径向速度和切向速度 . 图5显示了炉料在炉喉水截面的速度分布几何关系, 根据几何关系可以求出 平面速度与 之间的夹角 , 表示为P 4Z 则炉料在落点 处的 轴速度、径向速度和切向速度分别表示为v 4,r 根据炉料在落点处的径向速度 可以求出炉料在料面处的最大径向移动距离.图 5 炉料在料面落点位置和速度分布示意图Fig. 5 Schematic diagram of the position and velocity distribution of the burden flow on the burden surface1160自 动 化 学 报49 卷1.2.6 炉料在炉喉空区内外轨迹模型n f int f out 节流阀不同位置处的炉料在高炉炉顶形成不同的运动轨迹, 根据第1.2.1 ~ 1.2.5节求出 个颗粒在高炉炉顶的运动轨迹集, 并确定炉喉空区中距离高炉中心轴最近的轨迹为内轨迹 , 距离高炉炉壁最近的轨迹为外轨迹 .2 基于径向移动距离的料面堆积形状建模炉料离开溜槽落到料面后堆积形成料面形状.料面形状可以采用高斯分布[28]、两段直线[32]、两段直线和一段曲线[33]等方法描述. 为了简化模型, 本文采用两段直线方法描述料面堆积形状. 根据物料堆积特性, 当物料自由堆积时形成圆锥形状, 即堆积的截面为等腰三角形. 高炉布料时在料面的堆积截面也可看作三角形, 但由于炉料落到料面时存在径向速度, 即炉料会向炉墙方向移动一段距离, 因此,炉料的外堆角比内堆角小.2.1 等体积原则基于质量守恒原理, 离开节流阀的炉料质量与堆积在料面的炉料质量相同. 为更好研究基于高炉布料矩阵的料面堆积形状, 作出如下假设: 1) 炉料堆积过程中堆积密度保持不变; 2) 同一节流阀开度下炉料经过节流阀的流量恒定; 3) 高炉布料过程中溜槽旋转的圈数为整数, 即保证炉料在料面堆积形状高度对称. 则高炉布料的实际体积为Q ∆t ρ其中 为炉料离开节流阀的质量流量, 单位为kg/s; 为炉料经过节流阀的时间, 单位为s; 为炉料在称量料罐和料面的堆积密度, 单位为kg/m 3.则高炉布料操作完成后, 炉料在料面的堆积体积为f b 1(r )f b 0(r )R f 其中 为布料结束后料面形状, 为布料开始前料面形状, 为炉喉半径. 根据体积守恒原则, 料面堆积炉料的体积与离开节流阀的炉料体积应一致, 即η式中 为允许的误差范围, 本文为2.5%.2.2 料面堆积形状建模f b 0(r )f int (r )f out (r )S 0Q 0O ′′R ′′Z ′′R ′′OXY Z X Y R ′′=√X 2+Y 2Z ′′Z 高炉料面对称时, 料面形状可以用料面径向轮廓表示. 炉料堆积过程如图6所示. 图6(a)展示了炉料在料面的堆积过程, 原始料面函数表示为, 料流内轨迹函数为 , 料流外轨迹函数为 , 料流内轨迹和外轨迹分别与初始料面相较于点 和 . 在炉喉建立局部二维坐标系, 径向坐标系的原点与静坐标系的原点重合; 径向坐标系的 轴为静坐标系 的 轴和 轴的二维范数, 即 ; 径向坐标系的 轴为静坐标系的 轴. 图6(b)和6(c)分别展示了炉料未到达炉壁和到达炉壁的两种料面堆积示意图.φint φmax S (r s ,z s )φint g int (r )炉料落到料面后在内外轨迹间开始堆积, 形成料面, 当内堆积角 小于最大自然堆角 时,炉料从 点开始堆积, 且内堆角 逐渐增大, 则内堆积直线 表示为g int (r )f out (r )联立 和 可求解内堆直线与料流f (r )f b 0(r )S 0Q 0f out (r)高炉中心高炉中心(a) 炉料堆积(a) Accumulation(b) 炉料未到达炉壁(b) The burden flow can not reachthe wall(c) 炉料到达炉壁(c) The burden flow reach the wall图 6 炉料堆积过程示意图Fig. 6 Schematic diagram of burden flow accumulation6 期蒋朝辉等: 基于运动轨迹和径向距离的高炉料面堆积形状建模方法1161Q (r Q ,z Q )Q T QT 外轨迹函数的交点 . 炉料落到料面后, 因存在径向移动速度而会向右继续移动, 直到径向移动速度为零. 设 点的炉料会移动到位置 , 则 之间的距离表示为v Q,r Q v 4,r µ1η2∈(0,1]其中 为 点的径向移动速度, 可根据式(26)中的 计算获取; 为炉料与料面的摩擦系数,与原始料面粒子属性和当前布料炉料属性有关;, 为径向移动距离修正系数. 则炉料到达的最远位置为r max ≤R f T 若 , 即炉料未到达炉壁, 如图6(b)所示, 点的位置表示为QT g out (r )直线 所形成的直线为外堆角直线 表示为r max >R f 若 , 即炉料到达高炉炉壁时其径向移动速度还不为零, 则炉料开始纵向堆积, 如图6(c).此时修正外堆角直线, 表示为T 点的位置表示为g int (r )g out (r )f b 0(r )函数 、 和 包围的形状即为二维径向坐标系中的炉料堆积形状.Q 当内堆积角度达到最大自然堆角所形成的料面堆积形状仍然不满足体积守恒原则, 则堆积过程中内堆角为最大自然堆积角度, 且 点将会向左移进行炉料堆积.2.3 料面堆积形状求解过程V cal V act 根据料流运动轨迹可以确定料流在料面的落点范围, 再根据炉料在料面落点处的径向移动速度即可求出料流在料面的最大径向移动距离, 进而可以求出炉料在料面的堆积区域及堆积形状. 进一步的,根据体积约束原则, 使得新料面形状与原始料面形状之间的堆积体积 与离开节流阀的炉料体积 在误差范围内, 即可求出布料完成后的新料面形状, 主要流程如图7所示, 具体步骤说明如下:f b 0(r )i =1步骤 1. 初始化. 设置高炉参数, 包括中心喉管高度、溜槽倾动距、溜槽长度等几何参数; 炉料属性, 包括炉料与溜槽的摩擦系数、炉料与溜槽碰撞的法向恢复系数等; 高炉布料参数, 包括节流阀开度、溜槽旋转速度和溜槽倾斜角度等; 初始料面形状 ; .f int (r )f out (r )S i Q i 步骤 2. 确定炉料运动轨迹及炉料落点位置. 根据第2.2节的炉料运动轨迹模型计算出节流阀不同位置处炉料在高炉炉顶的运动轨迹, 并求出在炉喉空区最靠近中心的内轨迹曲线函数 和最靠近炉墙的外轨迹曲线函数 ; 同时计算内轨迹曲线函数与料面轮廓函数的交点 和外轨迹曲线函数与料面轮廓函数的交点 .T i Q i D i T i 步骤 3. 计算料面轮廓最远点 . 根据外轨迹曲线计算炉料在料面落点位置的径向移动速度, 并根据式(31)计算 在料面的最远移动距离 , 进而根据式(32) ~ (36)计算堆积形状最远点 的位置.S i Q i T i V cal S i Q i Q i T i S i Q i T i V cal 步骤 4. 确定料面堆积轮廓 , 计算料面堆积体积 . 以 所形成的直线为内堆直线, 内堆直线与水平面所形成的夹角为内堆角; 所形成的直线为外堆直线, 外堆直线与水平面所形成的夹角为外堆角; 为料面堆积轮廓. 根据料面堆积轮廓和初始料面形状计算料面堆积体积 .|V cal −V act |/V act <η步骤 5. 判断布料是否结束. 判断当前料面堆积体积与实际布料体积的绝对误差百分比, 若 , 则转到步骤11, 否则转到步骤6.|φint,i −φmax |≥1◦步骤 6. 判断内堆角是否需要更新. 若 , 则转到步骤7, 否则转到步骤10.φint,i <φmax −1◦步骤 7. 更新内堆角. 若 , 则转到步骤8, 否则转到步骤9.Q i i =i +1φint,i =φint,i −1+1◦S i S i Q i 步骤 8. 更新 . , , 保证 的位置不变, 根据 的位置和内堆角计算内堆积直线函数, 更新 , 使其为内堆角直线与外轨迹曲线函数的交点坐标; 转到步骤3.i =i +1φint,i =φint,i −1−1◦Q i Q i S i 步骤 9. 更新 , ,保证 的位置不变, 根据 的位置和内堆角计算内堆积直线函数, 计算内堆积直线与料面的交点 ;转到步骤3.S i Q i φint,i =φint,i −1Q ir Q,i =r Q,i −1−∆r Q i Z Q i Q i S i 步骤 10. 更新 和 . , 令 的径向坐标为 , 根据外轨迹曲线计算此时 的 轴坐标, 更新 ; 根据 的位置和内堆角更新内堆积直线函数, 更新 , 使其为内堆角直线与料面轮廓函数的交点坐标; 转到步骤3.步骤 11. 输出料面轮廓, 结束.通过上述步骤, 可以获取单环布料时的料面堆积形状. 改变布料操作参数, 并重复步骤1 ~ 11, 即1162自 动 化 学 报49 卷。
高炉冶炼设备可视化控制与故障诊断
高炉冶炼设备可视化控制与故障诊断随着科技的不断发展，高炉冶炼设备的自动化程度也在不断提高。
可视化控制与故障诊断技术的应用，为高炉冶炼过程带来了革命性的变化。
本文将从可视化控制和故障诊断两个方面来介绍这一技术的应用。
一、可视化控制可视化控制是指通过图形化界面，将高炉冶炼设备的实时数据以可视化的形式展示出来，并通过操作界面进行参数调整和控制。
这一技术的应用使得操作人员可以直观地了解设备的运行状态，及时发现并解决问题。
通过可视化控制，操作人员可以实时监测高炉冶炼过程中的关键参数，如温度、压力、流量等。
同时，也可以监测设备的运行状态，如设备的开启与停止、故障报警等。
这些信息的实时展示，使得操作人员可以及时采取措施，以保证高炉冶炼过程的安全稳定。
可视化控制还可以通过历史数据的分析，为操作人员提供参考依据。
通过对历史数据的回顾和分析，可以找出设备运行中的规律和异常，帮助操作人员更好地控制和调整设备。
例如，通过对温度变化的分析，可以找出温度过高或过低的原因，及时调整操作参数，避免设备损坏或冶炼质量下降。
二、故障诊断故障诊断是指通过高炉冶炼设备的实时数据和历史数据，对设备的故障进行分析和诊断，并给出解决方案。
这一技术的应用可以大大提高设备的可靠性和运行效率。
故障诊断主要分为两个方面：故障检测和故障预测。
故障检测是指通过实时数据的监测和分析，及时发现设备的故障。
例如，通过对温度、压力等参数的监测，当参数超出设定范围时，系统会自动报警，提醒操作人员注意。
这样可以避免因故障未被及时发现而导致的设备损坏或冶炼质量下降。
故障预测是指通过历史数据的分析，预测设备未来可能出现的故障，并给出相应的解决方案。
例如，通过对历史数据的回顾和分析，可以找出设备在某种特定工况下容易出现的故障模式，从而提前采取预防措施，避免故障的发生。
故障诊断技术的应用，不仅可以提高设备的可靠性和运行效率，还可以减少设备维修时间和成本。
通过故障诊断，可以及时发现和解决设备的故障，避免因故障导致的生产中断和损失。
高炉在线激光料面形状可视化技术
高炉在线激光料面形状可视化技术高征铠（北京科技大学，北京 100083）摘要在高炉生产中，用激光在料面上扫描，用专用摄像仪实时录像，用计算机采集图像，通过图像合成得到高炉料面的直观图像，用图像处理软件得到料面形状的数据和曲线，实现了高炉生产时料面形状可视化。
2006年第一个试验装置安装在杭钢500 m3高炉上。
经过7年的试验和开发，这一系统已经在杭钢1250 m3高炉、济钢1750m3和3200 m3高炉、包钢2200m3高炉、首钢首迁钢铁公司2650m3高炉、邯钢3200 m3等多座高炉上试验和应用。
在线激光料面形状可视化技术与炉料分布仿真模型相结合将开创改善高炉操作的新途径。
关键词高炉激光料面形状可视化Blast Furnace Burden Surface Profile Online LaserVisualization TechnologyGao Zhengkai(University of Science & Technology Beijing, Beijing, 100083)Abstract Blast furnace burden surface profile visualization by using online laser was realized. On the blast furnace production, by laser scanning on the burden surface with special real-time video camera, image collected by computer, the burden surface image is obtained by image synthesis, use image processing software to get data and curves of burden surface profile. After seven years of experiments and development, the system has been test and used at several blast furnaces, such as 1250 m3 BF of Hangzhou Steel, 1750 m3 BF and 3200m3 BF of Jinan Steel, 2200m3 BF of Baotou Steel, 2650 m3 BF of Shouqian Steel , 3200m3 BF of Handan Steel. Combination of this online laser profile visualization and our burden distribution computer simulation will create great potential to improve blast furnace operation.Key words blast furnace, laser, burden surface profile , visualization1前言高炉在高温、高压下操作，只能通过温度、压力、流量等常规检测仪表的数值去推断炉内生产和设备运行的状况。
高炉可视化
高炉可视化技术这次讲座是高征铠老师讲的高炉可视化技术，主要讲了高炉料面摄像仪（CCD）、高炉风口摄像仪、用激光技术做开炉装料、高炉布料仿真模型、在线扫描料面形状。
高炉可视化技术是监测高炉内装料和冶炼状况用于指导高炉操作的新技术。
利用激光网格和扫描仪进行开炉落料研究, 测量炉料的料流轨迹和料面形状, 得到装料设备的布料规律用以指导布料操作，布料仿真模型可以模拟高炉的布料和料面下降过程, 计算出料层厚度和矿焦比曲线, 可以离线或在线指导高炉操作，高炉炉顶摄像仪和热图像仪能够在线观察炉内料面和炉顶设备的运行情况, 使操作人员及时了解炉内气流分布和炉况变化并及时发现炉内异常情况, 主动地调控高炉运行。
高炉风口摄像装置能同时实时观察高炉各个风口的工作状况与喷煤情况, 当风口工作和喷煤出现异常时会及时提示和报警。
利用激光扫描探测技术可以在线观察高炉生产中的料面形状, 帮助操作人员检查和调整布料操作。
高炉料面摄像仪采用CCD芯片获取高炉料面视频图像，摄像机安装在摄像枪中，通过冷却水套插入高炉内部，可以在休风时安装；采用水冷和氮气（或净煤气）防护，具有视窗清扫装置，使摄像机在高温、高压、高尘、高湿的炉内长期稳定地在线工作；不用休风就可以进行维护，简便快速、省时省力，防护气体的用量很少，运行费用低。
采用高炉料面摄像仪，操作人员在值班室监视器上在线观察整个料面的气流分布图像，观察溜槽或大钟的运动和料流流股情况，监视炉内管道、塌料等异常炉况。
上述图像送入计算机，经过图像处理得到料面气流分布和温度分布状况的定量数据，绘出伪彩图、温度数据图、趋势图和分布曲线。
直接安装在窥视孔上的风口摄像机，由于操作人员不能直接看风口而没有得到推广应用。
带有分光镜的新型风口摄像仪已经研发成功，光线经镜面反射进入摄像机，操作者仍然可以通过窥视孔在现场直接观看风口。
开炉装料时曾经用横杆或钢网架作为参照物测量料流轨迹和料面形状，但人员进入高炉焊接钢架耗用时间和钢材，测量结果不准确，不能实现快速装料测量。
一种高炉料面激光扫描仪[实用新型专利]
![一种高炉料面激光扫描仪[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/dfbea3ef5122aaea998fcc22bcd126fff7055d10.png)
(10)授权公告号 CN 202265588 U(45)授权公告日 2012.06.06C N 202265588 U*CN202265588U*(21)申请号 201120384861.6(22)申请日 2011.10.11C21B 7/24(2006.01)(73)专利权人高征铠地址100081 北京市海淀区高粱桥斜街13号专利权人赵承平高永高泰高茜(72)发明人高征铠 赵承平 高永 高泰高茜(74)专利代理机构北京智汇东方知识产权代理事务所(普通合伙) 11391代理人范晓斌张群峰(54)实用新型名称一种高炉料面激光扫描仪(57)摘要本实用新型公开了一种高炉料面激光扫描仪，该激光扫描仪能够在线测量高炉的料面形状曲线。
该激光扫描仪包括：设置在料面上方的激光器，该激光器发出的激光束能够对所述料面的至少一部分进行连续扫描；用于拍摄料面图像的摄像仪，该料面图像包含所述激光束入射到料面上形成的探测点图案；图像处理装置，该图像处理装置接收从摄像仪输出的所述料面图像，并输出料面形状曲线。
相比于现有技术，本实用新型大大降低了系统成本，而且通过获取极大量的实际探测点，可以获得更符合实际的料面形状曲线。
而且，本实用新型的高炉料面激光扫描仪可以使用较少数量的激光器(甚至一个激光器)，因此在系统的小型化方面更具优势，且能够简化激光器防护措施。
(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利权利要求书1页 说明书5页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页1/1页1.一种高炉料面激光扫描仪，所述激光扫描仪能够在线测量高炉的料面形状曲线，所述激光扫描仪包括：设置在料面上方的激光器，该激光器发出的激光束能够对所述料面的至少一部分进行连续扫描；用于拍摄料面图像的摄像仪，所述料面图像包含所述激光束入射到料面上形成的探测点图案；图像处理装置，所述图像处理装置接收从所述摄像仪输出的所述料面图像，并输出所述料面形状曲线。
飞行高炉熔渣颗粒几何形态的可视化测量
第38卷,总第219期2020年1月,第1期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.38,Sum.No.219Jan.2020,No.1飞行高炉熔渣颗粒几何形态的可视化测量张 颖1,杨庆辉1,杨潇潇2,张衍国2(1.北京立化科技有限公司,北京 100085;2.清华大学能源与动力工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,清华大学-滑铁卢大学微纳米能源环境联合研究中心,北京 100084)摘 要:为了研究高温熔渣颗粒在粒化飞行过程中的相变换热规律,提出了一种飞行高炉熔渣颗粒几何形态的瞬间测量方法,并进行了可视化实验研究。
通过高速摄像机对熔渣颗粒的飞行过程进行了连续图像采集,利用数学形态学处理方法对图像进行了处理,获得了熔渣颗粒的当量直径、球形度等几何形态表征参数值。
结果表明:熔渣颗粒飞行过程中,当量直径由7.1mm 减小至5.9mm ,球形度由0.4增大至0.63;颗粒当量直径越小,当量直径和球形度的变化时间越短,即凝固冷却速率越快;当量直径为5.9mm 的熔渣颗粒平均球形度为0.63,当量直径为3.4mm 的熔渣颗粒平均球形度为0.72。
关键词:高炉熔渣;干法粒化;余热回收;球形度;当量直径;几何形貌中图分类号:TF524 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2020)01-0021-05收稿日期 2019-05-14 修订稿日期 2019-06-21基金项目:国家重点研发计划资助(No.2017YFB0603601)作者简介:张颖(1989~),女,硕士研究生,主要从事高炉渣干法粒化研究。
Visualization Measurement of Granular Blast Furnace SlagGeometrical MorphologyZHANG Ying 1,YANG Qing -hui 1,YANG Xiao -xiao 2,ZHANG Yan -guo 2(1.Beijing LiHua Science Technology Co.,Ltd,Beijing 100085,China;2.Tsinghua University -University ofWaterloo Joint Research Center for Micro /Nano Energy &Environment Technology,Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education,Department of Energy and PowerEngineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract :In order to explore the phase heat transfer rule of high -temperature slag particles in the process of granulation,a geometrical morphology instantaneous measurement method of granular slag par⁃ticles was proposed,and the visualization experiment was carried out.Images of slag particles in flight were captured by high -speed camera,and then the geometrical morphology parameters such as equiva⁃lent diameter and sphericity were obtained by the method of mathematical morphological processing.The results of this study are summarized as follows:In the process of granulation,the equivalent diameter of the granular slag particle decreases from 7.1mm to 5.9mm,the sphericity increases from 0.4to 0.63;Compared to the larger particle,the smaller particle has higher solidification cooling rate;The sphericity of the 5.9mm granular slag particle is 0.63,the sphericity of the 3.4mm granular slag particle is 0.72.·12·Key words:blast furnace slag;dry granulation;waste heat recovery;sphericity;equivalent diameter; geometrical morphology 高炉熔渣是生铁冶炼生产过程中产生的高温、熔融态的工业废弃物[1]。
激光测料面
北京科技大学 北京神网创新科技有限公司
University of Science & Technology Beijing Shenwang Pioneer Tech. Corporation Beijing
北京神网创新科技有限公司Shenwang Pioneer Tech. Corporation Beijing
激光探测装置示意图
schematic diagram of laser detector installation
北京神网创新科技有限公司Shenwang Pioneer Tech. Corporation Beijing
Zhengkai Gao
北京科技大学 University of Science & Technology Beijing 第八届中国钢铁年会--北京 2011CSM-Beijing, China Octo
• 炉顶摄像仪可以观察到激 光束打到料面上的图像。
Laser measurement
台湾中钢2号高炉内激光光斑的图像 Image of laser Spots in #2BF of CSC Taiwan
• Video camera takes images above the burden surface on the background of laser beams.
杭钢3号高炉(500m3) 生产时炉内的激光网格 laser grid in the 3# BF (500m3) of Hanggang
(2007)
北京神网创新科技有限公司Shenwang Pioneer Tech. Corporation Beijing
Zhengkai Gao
无料钟高炉开炉装料过程中料面测量新方法
摘要提出了一种利用激光测距技术并结合三角函数法在无料钟高炉开炉装料过程中对料面形状进行测量的新方法，并在鞍钢新2号等高炉上进行了应用。
结果表明，该方法具有测量准确、省时省力、安全高效等特点。
关键词高炉料面测量激光测距技术1 引言装料是高炉生产过程中至关重要的环节之一，炉内炉料的初始分布状况直接影响高炉的顺行与长寿。
由于高炉生产的连续性和密闭性，目前很难观测到生产过程中的料面形状，只能进行局部定点测量。
因此，人们普遍在开炉装料过程中对料面形状进行全面测量，以此来掌握装料设备的布料规律，指导高炉生产操作。
尤其是对于无料钟高炉，由于溜槽倾角对炉料落点的影响更大，所以必须在开炉装料过程中对不同工艺条件下的料面形状进行实地测量，用实测结果来调整溜槽的倾角角度，使其能够满足高炉生产的要求。
目前，已有的料面形状测量方法大多为传统的人工方法或摄影摄像法。
人工测量方法，需要测量人员进入炉内，作业环境恶劣，费时又费力，而且由于测量人员的进入会破坏料面的原始形状，影响测量的准确性。
摄影摄像法虽然不需要测量人员进入炉内，但需要在炉内安装辅助装置，在布料过程中会对料流造成扰动，而且由于装料时灰尘较大，拍摄时间和拍摄范围也很有限，所以难免存在视觉误差。
总之，无论那种方法对料面的影响都难以避免，测量过程都比较复杂、繁琐，测量时间较长。
为了克服现有测量方法存在的问题，我们首次提出了一种利用激光测距技术并结合三角函数法在无料钟高炉开炉装料过程中对料面形状进行测量的新方法，既不用测量人员进入炉内，又不用在炉内安装辅助装置，测量准确度高，测量范围大，而且省时省力，安全高效。
2基本原理本测量方法的基本原理是利用激光测距技术测量出料面到测量点的距离，同时测量出激光束的入射角度，然后将数据输入计算机，根据三角函数关系计算出垂直料线，最终绘制出料面形状。
图l是测量装置示意图，主要由激光测距仪、刻度盘和安装支架组成。
激光测距仪安装在刻度盘上，激光测距的光束起点与刻度盘的中心点重合，激光测距仪可以绕刻度盘中心旋转。
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高炉在线激光料面形状可视化技术高征铠（北京科技大学，北京 100083）摘要在高炉生产中，用激光在料面上扫描，用专用摄像仪实时录像，用计算机采集图像，通过图像合成得到高炉料面的直观图像，用图像处理软件得到料面形状的数据和曲线，实现了高炉生产时料面形状可视化。
2006年第一个试验装置安装在杭钢500 m3高炉上。
经过7年的试验和开发，这一系统已经在杭钢1250 m3高炉、济钢1750m3和3200 m3高炉、包钢2200m3高炉、首钢首迁钢铁公司2650m3高炉、邯钢3200 m3等多座高炉上试验和应用。
在线激光料面形状可视化技术与炉料分布仿真模型相结合将开创改善高炉操作的新途径。
关键词高炉激光料面形状可视化Blast Furnace Burden Surface Profile Online LaserVisualization TechnologyGao Zhengkai(University of Science & Technology Beijing, Beijing, 100083)Abstract Blast furnace burden surface profile visualization by using online laser was realized. On the blast furnace production, by laser scanning on the burden surface with special real-time video camera, image collected by computer, the burden surface image is obtained by image synthesis, use image processing software to get data and curves of burden surface profile. After seven years of experiments and development, the system has been test and used at several blast furnaces, such as 1250 m3 BF of Hangzhou Steel, 1750 m3 BF and 3200m3 BF of Jinan Steel, 2200m3 BF of Baotou Steel, 2650 m3 BF of Shouqian Steel , 3200m3 BF of Handan Steel. Combination of this online laser profile visualization and our burden distribution computer simulation will create great potential to improve blast furnace operation.Key words blast furnace, laser, burden surface profile , visualization1前言高炉在高温、高压下操作，只能通过温度、压力、流量等常规检测仪表的数值去推断炉内生产和设备运行的状况。
高炉操作人员一直梦想能够直接观察炉内情况。
料面红外摄像仪对监测炉内气流分布状况、发现设备故障和指导高炉操作发挥了重要作用，已经在高炉上获得了广泛的应用 [1~3]。
这种摄像仪的图像表示的是高炉冶炼过程的结果。
对于高炉操作人员来说，更想看到高炉生产时的料面形状，通过布料操作控制料面形状，用以改善高炉的气流分布、提高高炉的煤气利用率。
国内外研究开发了红外扫描仪、微波探测设备等多种料面形状检测装置，取得了一定的进展[4,5]。
这种科技部科技型中小企业技术创新基金资助项目(08C26221100066)高炉激光探测系统。
高征铠, 男, 博士生导师, 钢铁冶金, okgzk@探测装置设备复杂、价格昂贵、体型巨大、常常运行不可靠。
激光技术近年来有了长足的进步，激光开炉装料测量技术已经在国内外100余座高炉上应用 [6，7]。
利用激光器可以在高炉料面上方空间内形成一定的激光图案，可以观察到料面的形状。
开发在线监测高炉料面形状的可视化技术有了一定的基础条件。
2在开炉装料中用激光网格测量料流轨迹的实践在高炉溜槽检修孔和相对的人孔处安置伸入炉内的支架，在支架前端各安装一台20束激光发射器。
相向射出的多束激光在高炉内生成激光网格（图1）。
在炉内，每条光束和交叉点都有确定的坐标位置，这个激光网格作为测量料流轨迹和料面形状的参照系。
在激光网格的垂直方向安置摄像机，高炉装料时用摄像机录制炉内落料过程的图像。
用计算机处理激光网格被料流切割时的图像,得到料流轨迹的数据和曲线。
料面上多个激光点的连线能显示出料面形状的轮廓。
美钢联加拿大公司（USSC）哈密尔顿厂“E”高炉2009年开炉时用激光技术进行了落料研究，炉内的激光网格和射到料面上多个激光点显示出的料面轮廓图像，见图4。
把测量得到的料流轨迹和料面形状的数据输入到炉料分布仿真模型中指导高炉操作，取得了产量大幅度提高、高炉稳定顺行、综合焦比降低25kg/THM 的良好结果[7]。
图1 USSC “E”BF激光网格照到料面上的照片台湾中钢（CSC）２号高炉（3276m3）2006年1月装料时，用激光网格测量了焦炭和矿石的料流轨迹。
在激光网格的照射下，直接观察到多环布料的全过程。
多个激光点构成的料面形状轮廓的图像见图2。
图2 CSC高炉装料时激光网格照射到料面上的照片3在生产高炉中用多束激光探测料面形状的试验2006年至2008年在杭钢3号（500m3）、2号（750m3）和1号（1250m3）高炉上先后进行了生产时用多束激光探测料面形状的试验[8]。
在高炉上部选定直径位置的炉壳上相对安装两台由10个激光器组成的激光发射器，在垂直直径方向炉壳上安装摄像机。
激光发射器和摄像机装在水冷保护套中，用氮气冷却和吹扫激光发射器和摄像机的窗口。
在高炉生产时用摄像机摄取料面上多个激光点的图像，用计算机处理图像，连接各个激光点可以得到料面形状的曲线和数据。
2008年10月24日1250 m3高炉炉内的激光图像见图3。
图3 激光在1250 m3高炉炉内的图像首钢首迁2号高炉（2650 m3）炉喉上方有12个打水装置，利用其中2个相对的打水孔位置安装了激光发射器（图4），在90°方向的另一个打水孔位置安装了一台专用摄像机。
2008年12月在首迁2号高炉（2650 m3）上进行了高炉激光料面探测试验，试验结果见图5。
图4 首钢首迁公司2650m3高炉安装激光探测仪情况图5 激光在2650m3高炉炉内的图像4在生产高炉中用单个激光扫描探测料面形状技术的开发与应用用多个激光点探测料面形状，设备复杂、激光器个数有限，料面上的激光点不够多。
在吸收了用多个激光点探测料面形状试验中经过考验的水冷和氮气吹扫防护技术的基础上，开发了用单个激光扫描探测生产高炉料面形状的新技术。
激光扫描装置由水冷保护套、、密封环、球阀、探测杆和内部的激光扫描器组成。
扫描器前端窗口处设置旋转的反射镜片，通过镜片的旋转，使激光在料面上按一定的速度移动。
高炉上两台激光扫描装置以及专用摄像仪的安装方式见图6。
图6 激光扫描装置的安装示意图1—高炉；2—料面；3—激光扫描装置；4—摄像机；5—激光线；6—激光点每台激光扫描装置采用单个激光束对料面进行扫描，在扫描过程中用摄像机录像，每秒可以得到25帧图像。
如果扫描时间为5秒，可以得到125帧图像。
每一幅料面图像上有一个激光点，料面上得到了125个激光点的图像。
用计算机采集图像，将多帧图像进行合成和处理，可以得到料面形状的直观图像和料面形状的数据和曲线。
2011年2月济钢3号高炉（1750m3）采用激光扫描装置进行了料面形状的探测。
为了考察探测效果，在高炉中心加焦，高炉中心形成一个焦炭的堆包。
焦炭布料后用激光扫描探测料面形状得到的炉内图像见图7。
济钢1750m3高炉的激光扫描探索取得了较好的结果，表明采用激光扫描装置进行料面形状探测的技术是成功的，可以继续在更大的高炉上应用。
2012年3月包钢1号高炉（2200m3）安装了激光探测仪。
在高炉生产时用激光探测仪探测了料面形状，特别是在高炉发生异常炉况时，及时探测得到了料面塌落后的料面形状图像（见图8）。
用激光探测仪监测和指导赶料线恢复炉况的操作过程。
图7 济钢1750 m3高炉激光扫描合成图像图8 包钢2200 m3高炉料面塌落时激光扫描的合成图像2012年4月首迁2号高炉（2650m3）利用3个打水孔的法兰位置安装了激光探测仪。
在高炉生产时，用激光扫描得到了料面形状的清晰图像（见图9）。
采用激光探测仪监测高炉料面形状对了解高炉生产情况、改进布料操作、稳定高炉生产发挥了良好的作用。
在料面形状的直观图像上叠加坐标网格，可以观察到料面平台的宽度和漏斗的深度，对操控高炉布料有很好的指导意义，见图10。
图9 首钢首迁2650m3高炉激光扫描的合成图像图10 料面形状激光图像与坐标网格的叠加图用计算机连续采集激光在料面上扫描的图像，将图像合成得到料面形状的直观图像的同时，用图像处理软件得到料面形状的数据和曲线，见图11。
图11 用计算机处理得到料面形状曲线5结论用激光扫描方法在线探测生产高炉料面形状的可视化技术已经开发成功。
通过激光器对料面进行扫描，用摄像机录像并用计算机采集处理和合成图像，得到料面形状的直观图像和料面形状的数据和曲线。
激光在线探测料面形状技术使高炉操作人员了解高炉生产时的料面形状和气流分布、主动调控高炉，提高煤气利用率、减低燃料比，使高炉长期稳定顺行高产。
高炉在线激光料面形状可视化技术与炉料分布仿真模型相结合将开创改善高炉操作的新途径。
6 感谢感谢杭钢、济钢、首钢迁钢、京唐、沙钢、宝钢、包钢、台湾中钢、美国美钢联在高炉可视化技术开发过程中给予的支持和现场试验的配合与帮助。
参考文献[1] 高征铠, 赵承平等. 一种插入式炉窑摄象仪, 中国, 发明专利ZL 02 121548.0, 2004.[2] 高征铠, 赵承平等. 一种对插入式炉窑摄象仪的图象进行图象处理方法, 中国, 发明专利ZL 2003 1 0122476.4, 2004.[3] Zhengkai Gao, Qiang Zhao et al. The Application of Cigar IR Camera System at No.3 and No.4 BF of Panzhihua Iron and SteelCo., ISSTech 2003 Conference, April 27~30, 2003 Indianapolis, Indiana, pp. 181~190.[4] Yiyuan Ding. Millimeter-Wave Radar Technique For Measuring Charge Level In Blast Furnaces, Journal of Applied Sciences,Vol. 3 No. 11 Nov. 1993, pp. 199~204.[5] Zhengkai Gao, Jian Liu et al. Advanced Inside-furnace Monitoring Techniques Implemented on the New Large Blast Furnace ofShagang. AISTech2010 Proccedings, Vol. 1, pp 565~571.[6] 储滨, 陈先中等. 宝钢不锈钢2500高炉6点雷达料面综合成像与溜槽布料节能控制. 第八届（2001）中国钢铁年会论文集光盘版, 2011年10月26~28 北京.[7] Yongfu Zhao, Jerry C. Capo et al. Development of Burden Distribution Technology at U. S. Steel Canada’s Hamilton Works ‘E’Blast Furnace. Iron & Steel Technology, Vol. 8 No. 1 Jan. 2011, pp. 52~61.[8] 高征铠, 赵承平等. 激光在线测量高炉料面形状技术的进展. 第八届（2001）中国钢铁年会论文集光盘版, 2011年10月26~28 北京.。