高炉炉内监测技术新进展

高炉炉内监测技术的新进展
高征铠
（北京科技大学北京!"""#$）
前言
高炉是一个在高温高压条件下冶炼生铁的密闭反应器。

目前，工长通过常规的温度、压力、流量和煤气成分等检测结果来判断炉况、操作高炉。

对工长来说，高炉仍然是一个黑匣子。

根据高炉操作的需要，开发高炉炉内监测技术，打开高炉黑盒子，使高炉工长能及时了解高炉炉内的状况，变被动操作为主动操作是炼铁工作者梦寐以求的愿望。

为了改变现有炉内监测技术不足的状况，北京科技大学和北京神网创新科技有限公司发明了插入式炉窑摄像仪（专利号%&"’!’!()#*"），合作研制生产了高炉料面红外摄像仪和图像信息处理系统、高炉风口红外摄像仪和图像信息处理系统、高炉炉体监测与诊断系统等新型高炉炉内监测装置。

这些装置能在高炉生产条件下在线观察料面气流分布情况和炉顶设备运行状况、观察风口的工作状况和喷煤情况、了解炉衬的温度分布与侵蚀状况。

这些新型炉内监测装置，在打开高炉黑盒子状况方面取得了进展，获得的直观影像和图像信息对高炉工长操控高炉具有指导意义，已经在很多高炉上得到应用。

!高炉料面红外摄像仪和图像信息处理系统
对高炉炉喉断面状况的检测需要推动了新技术的开发。

上世纪八十年代末、九十年代初，国内外研究开发了采用机械扫描方法得到高炉料面温度分布图像的“热图像仪”、“高炉炉顶料面温度摄像仪”，采用摄像机的“监视用摄像机”等装置，观察料面状况和分析料面的温度分布，用于指导高炉操作，在打开高炉黑盒子状况方面迈进了一大步。

受限于当时的技术水平和条件，装置形体大、价格昂贵，仪器安装在炉壳外部，观察孔很大、移动和防护装置复杂、扫描装置寿命短、保护气体用量大、生产维护费用高。

在高炉使用过程中镜头和视窗结灰问题一直没有解决，复杂的视窗活门和机械调焦装置经常出现故障，在高炉生产过程中不能进行维护和检修，只能等待休风时才能处理，因而没有得到推广应用。

炉顶十字测温装置能使高炉工长了解炉内气流分布的状况，指导高炉操作，发挥了很大的作用。

但是，近年来的生产实践和试验研究也发现了十字测温装置的弊端。

炉喉安置的十字测温枪杆阻挡了下落的炉料，使料面上形成了十字形沟槽，影响高炉布料圆周方向的均匀性；十字测温测量的是料面以上煤气流的温度，由于气流上升过程发生混合，与料面对应位置的温度有差别；十字测温装置存在温度变化的滞后现象；十字测温装置只能测量炉喉两条直径上的温度分布情况，不能检测其它位置的状况；十字测温装置设备庞大、安装维护困难，设备费和维修费用高。

高炉料面红外摄像仪由炉顶插入微型摄像机获取炉内影像，在值班室监视器上在线显示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。

高炉料面红外摄像仪与图像信息处理系统的安装位置和构成见图!。

近年来，微电子元件、光学仪器、摄象器材和计算机技术高速发展，为解决高炉炉内摄象难题创造了很好的基础条件。

根据高炉内工况的要求，选择和研制专用的元器件，设计制造了新型高炉料面红外摄象仪与图象处理系统。

其安装位置和主要构成见图!。

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，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。

摄像枪采用球阀和密封环两道
(
!
$
密封方式，不用休风就可以进行维护，简便快速、省时省力。

由于观察孔小，防护气体的用量很少，运行费用低。

图!高炉料面红外摄像仪与图像信息处理系统的安装位置和构成!高炉"溜槽#料面$法兰短管%摄像仪本体&监控录像机’监视器(数字温度表)图像处理计算机
!*彩色监视器
高炉料面摄像仪及图像信息处理系统与已有的热图像仪采
用机械扫描方法对炉内料面上每一点的温度进行测量，然后再
合成整个料面的温度分布图的方法不同，该系统的摄像机摄取
整个料面的红外图像，再用计算机对红外图像进行图像信息处
理，根据红外光强度与被测物体的温度之间的相关关系，把图像
上各点的灰度值转化为温度值，用伪彩图、数值图、曲线图等形
式在彩色监视器上显示料面的温度或气流的分布状况。

利用图
像信息处理系统可对高炉炉况进行回顾和分析，对需要的时段
进行历史图片回放、历史数据查询、计算所要求时段的平均值，
对改进高炉操作有益。

从高炉料面红外摄像仪及图像信息处理系统直接得到料面
的红外图像并转化为整个料面的温度分布，根据工长的需要显
示任何位置直径上料面处的温度分布曲线，弥补了十字测温装
置只能监测固定直径上料面以上煤气流温度分布的局限性。

沙钢!号高炉（无钟，#(*+#）!)))年!"月"#日在开炉装料时采用料面红外摄像仪摄录下了装料的全部情况。

开炉后，料面红外摄像仪在线运行，高炉工长在值班室的监视器上看到
料面中心气流与边缘气流的分布状况（见图"）、溜槽运动、布料过程和料尺的动作，看到了管道、塌料、坐料和料面偏斜等炉内现象，工长据此及时调整布料，避免了炉况失常。

"***年!*月从摄像仪监视器图像中发现了溜槽磨漏的情况，及时进行了修补。

该设备已经在沙钢!号高炉使用了$年多，效果很好。

济钢&号高炉利用料面红外摄像仪的图像信息指导开炉操作，使高炉迅速达产，并保持高炉长期稳定顺
行，取得了增产节焦的效果。

首钢!号（"%#&+
#）高炉采用料面红外摄像仪图像看到溜槽旋转和下料的情况（见图#），及时发现了溜槽衬板翘起和溜槽不转。

梅山#号高炉发现溜槽磨穿，及时进行了修补。

南昌#号和北台%
号高炉也及时发现了炉顶设备漏水的事故。

图"沙钢#(*+#
高炉料面两道气流图像图#首钢"%#&+
#高炉溜槽下料图像莱钢!号高炉采用料面红外摄像仪直观地看到炉喉煤气流的实际状况，有针对性地通过上下部调剂使煤气流分布均匀合理，进一步提高了煤气的利用率，找到了中心煤气流旺盛，边缘略有发展的最佳煤气流分布。

高炉料面红外摄像仪已经成为高炉工长及时获取炉内信息指导高炉操作和避免事故的重要工具。

"
#%
!高炉风口红外摄像仪和图像信息处理系统
!"世纪后期曾经采用红外测温仪监测风口温度，
来了解高炉风口的工作状况。

在高炉采用了喷吹煤粉操作后，由于风口喷煤枪前的煤粉流股会影响红外测温结果，使这种技术不能继续使用。

高炉风口红外摄像仪及图像信息处理系统是在高炉各个风口安装分光器和摄像装置，将视频信号传至高炉值班室，通过分屏技术在监视器屏幕上显示出各个风口的工作状况（见图#）。

图#风口摄像装置和监视器图像
将风口的视频图像送入计算机，用计算机对图像进行处理和计算，得出各个风口的温度状况、煤粉喷枪出口的煤粉流股状况的定量分析，使工长及时全面了解高炉风口及喷煤系统的工作状态，定量地指导高炉操作（见图$）。

高炉风口摄像仪在攀钢%!""&’高炉、杭钢#()&’高炉、沙钢’*"&’高炉、济钢’$"&
’上应用后，观察到各风口的明亮程度、焦炭的运动情况、喷煤流股的大小、渣皮和冷料滑落到风口前的图像，及时为工长提供高炉圆周方向的炉况信息，
指导高炉操作。

图$攀钢%!""&’高炉风口图像处理界面"高炉炉体监测与诊断系统
高炉炉体监测诊断技术是在炉体的不同高度和同
一高度的不同方位安置足够数量的测温元件，每个测温
元件由长度不等的一组热电偶组成，第一支热电偶伸到
炉衬前端。

在高炉生产过程中，用最前端的热电偶测量
炉内温度及其变化，并通过测温元件各支热电偶的温度
测量值，在线、智能辩识和修正导热系数。

当前端热电
偶损坏后，通过后面几支热电偶测量的温度用传热反问
题的方法求解出炉衬前端的温度。

每个测温元件的前
端热电偶损坏时，其埋入炉衬的长度即为该处炉衬的残
存厚度。

数学模型与专家诊断系统有机结合起来推断
炉内温度的变化趋势、炉衬的损耗、渣皮结厚与脱落、炉
缸堆积、结瘤等情况，使高炉工长随时了解炉况及其异常变化，通过及时调节装料制度、送风制度和冷却强度保持高炉稳定顺行，达到延长高炉寿命和安全生产的目的。

高炉炉体监测与诊断系统已经在济钢$号、+号高炉石衡%号高炉和杭钢’号高炉应用。

济钢$号高炉的测温元件在砖衬内的的布置图见图+。

杭钢’号高炉炉体监测与诊断系统计算出陶瓷杯结构炉底炉缸的温度分布与%%$",等温线的位置见图)。

’
’$
图!济钢"号高炉的测温元件在砖衬内的的布置图
图#杭钢$号高炉炉底炉缸温度分布及%%"&’等温线"
$
(。