基于数字图像处理的高炉风口回旋区的监测

第18卷第3期2006年3月

钢铁研究学报

Jour nal of Ir on and Steel Research

V ol.18,No.3M ar ch 2006

基金项目:国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(50374085)

作者简介:张生富(1980-),男,硕士; E -mail:zhang65109609@; 修订日期:2004-12-28

基于数字图像处理的高炉风口回旋区的监测

张生富, 温良英, 白晨光, 欧阳奇, 禹爱民

(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030)

摘 要:建立了基于数字图像处理的高炉风口回旋区实时监控系统,为高炉操作者提供了直接观察高炉内部燃烧状况的/眼睛0。探讨了建立火焰燃烧温度场的算法,并应用于燃烧火焰图像的实例计算,得到了火焰内部温度场的分布。

关键词:高炉;风口;数字图像处理;监测;温度场

中图分类号:T F54311 文献标识码:B 文章编号:1001-0963(2006)03-0056-04

Monitoring of Raceway in BF Using Digital Image Processing T echnology

ZH ANG Sheng -fu, WEN Liang -y ing, BAI Chen -g uang, OUYANG Qi, YU A-i min

(Colleg e of M ater ial Science and Eng ineering ,Chongqing U niv ersity ,Chongqing 400030,China)

Abstract:A mo nitor ing system using dig ital imag e pro cessing technolog y was developed t o o bserv e combust ion in BF.A n alg or ithm w as established to calculate temperatur e f ield of blame.

Key words:blast furnace;tuyer e;digital image pro cessing;monito ring ;temperature field

在高炉炼铁过程中,由风口鼓入的高压热风与喷入的煤粉以及降入炉缸的高温焦炭,在风口前燃烧产生热量和煤气,成为高炉冶炼的热源与还原剂。风口回旋区的大小、形状、焦炭运动的状况以及粉焦的堆积行为,对炉料的下降和料柱的透气、透液性有显著的影响[1],它决定了高炉煤气的一次分布,反映了焦炭的燃烧状态,直接影响着软熔带的形状和位置,是炉况顺行的基础,对高炉的正常生产有很大的影响[2,3]

。而且高炉是一密闭的容器,只有通过风口窥视孔才能从外面观察高炉的内部,所以对高炉风口进行实时监控具有极其重要的意义。

1 高炉风口回旋区监测技术的现状

目前国内外用于高炉回旋区的测试技术中,直接测温方法主要是从风口或相邻风口插入水冷探测器;非接触式测温方法有工业电视、光纤、红外辐射温度计、高速摄影、视频成像、辐射温度摄像等方法。高炉风口回旋区焦炭燃烧过程中气、液、固三相传

热、传质的复杂性以及喷煤环境的恶劣性使得回旋区火焰温度的测量受到回旋区高温背景和煤粉空间分布的影响,带来直接测温的不连续性以及非直接测温的不准确性,单一的测温方法很难满足要求。为此,鞍山钢铁集团股份有限公司技术中心的王久志等在国家/八五0重点攻关课题/氧煤强化炼铁新工艺研究0中开发了将红外成像等多种图像分析法与直接测温法结合的综合测试分析技术,可以为分析氧煤枪及富氧喷煤燃烧效果提供科学的依据,但对于三维状态的描述和燃烧状态的定量分析仍存在不足[4];日本新日铁株式会社的田村健二等通过辐射测温研究了喷煤高炉风口回旋区坍塌周期的影响,试验在君津4号高炉上进行,辐射高温计安装在风口窥视孔上。本溪钢铁集团股份有限公司钢研所葛玉荣等利用红外测试技术对风口回旋区的燃烧温度以及铁水的温度进行了连续测量。东北大学的余坤等在/高炉炉温监测与预报的新探索0课题中研究开发了高炉风口辐射测温探头及相关的计算机软

件,该探头不用水冷可长期直接安装在窥视孔盖上,能及时了解和掌握高炉下部的热状态,可预报炉温及生铁中钛、硅含量的变化,可以断煤报警,给高炉专家系统增加了监测手段,对进一步提高炉温预报的准确性有促进作用[5~8]。由于高炉体积庞大,局部参数的测量不能全面反映风口回旋区的燃烧特征,因此必须采取能反映整个物理量场参数信息的测量方法。另外,喷煤高炉风口现场恶劣的工作环境要求测量装置能够在高温、多粉尘和强干扰环境下长时间运行,从而限制了一些精密仪器在监测现场的使用。

纵观上述高炉风口回旋区监测技术的不足,笔者在分析研究喷煤高炉风口回旋区燃烧状况的基础上,建立了基于数字图像处理的高炉风口回旋区实时监测系统,进而讨论了建立火焰燃烧温度场的算法,为高炉操作者提供了直接观察高炉内部燃烧状况的/眼睛0。

2 高炉风口回旋区实时监测系统

基于CCD(电荷耦合器件)的高炉风口回旋区实时监测系统主要由光学子系统、CCD 摄像机、图像采集卡和其它辅助设施等组成[9,10]

,见图1。

211 C CD 简介

1970年美国贝尔研究所的Boy le 等发明了CCD,它具有惰性小、灵敏度高、抗强光照射、几何失真小、均匀性好、体积小、寿命长等优点。CCD 是利

用电荷传送读出方式将电荷包由像素向输出极的传送。它的输出电压较高,实际上是一个模拟量的移位寄存器,其基本构造和工作原理示于图2。 彩色CCD 摄像器件的色度学基础是R 、G 、B 三基色说。即根据人眼的视觉特征,选择R(红)、G (绿)、B(蓝)3种接近光谱单色的色源作为基色,当它们按不同的比例叠加时,就能模拟出不同波长的单色光源。相应地,由CCD 获取的彩色火焰图像在计算机内是以像素为单位逐点存储的,每一点存储的信息量都包括了该点R 、G 、B 的亮度值E R 、E G 和E B 。在对CCD 的分光特性作了窄带通的理想化假设之后,可以得到如下关系式[11]

:

E R =K R E T K R (1) E G =K G E T K G (2) E B =K B E T K B

(3)

式中,K R 、K G 、K B 为获取图像的R 、G 、B 3通道分光特性曲线峰值所对应的波长,根据1931年国际照明技术委员会C.I.E.的标准,分别取为700nm 、54611nm 和43518nm;E T (K i )为火焰对于K =K i (i 代表R 、G 、B)的单色辐射能;K R 、K G 、K B 分别为R 、G 、B 通道的增益系数,可以通过试验标定得到。212 图像采集卡

图像采集卡与摄像机、监视器、计算机一起构成了一个典型的图像处理系统的基本硬件环境。其工作过程是:对视频信号进行实时采集,经A/D 转换后将数字图像存放在图像存储单元的1

个或多个通

图1 CC D 测温系统

Fig 11 C CD temperature measurement

system

图2 C CD 的工作原理Fig 12 Principle of C CD

道中,通过计算机发出指令,使某一帧图像静止在图像存储通道中,即采集或捕获了1帧图像,然后运用

计算机对采集的图像进行处理。213 辅助系统

由于整个监测系统要在高温、多粉尘、强震动的环境条件下长期运行,所以必须对系统实施必要的

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