杨友松1，郝忠平2，廉华2，马祥2，梁荣利2，姚胜利3，赵世龙3，崔大福1
（1.内蒙古科技大学；2.包头钢铁（集团）公司炼铁厂；3.飞秒光电科技（西安）有限公司）
摘要：本文详细介绍一种适应高炉风口回旋区燃烧温度、CCD成像和人工窥视一体的在线监测系统，描述了该监测系统的组成、技术特点及基本功能。还介绍了监测系统在高炉中的应用情况，重点进行了高炉回旋区温度监测的效果分析。最后给出该项技术能直观反映回旋区燃烧状态的结论。
关键词：高炉；回旋区；测温；成像
RacewayTemperature Imaging Artificial Peep Online Monitoring System Research andApplication
YANGYou-song1，HAO Zhong-ping2,LIAN Hua2, MA Xiang2, LIANG Rong-li2, YAO Sheng-li3,ZHAO Shi-long3, CUI Da-fu1
(1.Mathematics，Physicicaland Biological Engineening school Inner Mongolia University of Science andTechnology，Baotou 014010，china；2.Iron Plant ,Baotou Iron and Steel (Group) Co.；3.FemtosecondPhotoelectric Technology ( Xi 'an) Co., LTD)
Abstract：The online monitoring system was introduced, which combines theburning temperature of the blast furnace tuyere raceway, CCD imaging artificialsurvey in one. Its composition, basic feature and technique characteristicswere discussed in details. The application of this monitoring system was alsointroduced, especially the analysis of temperature in tuyere raceway wasanalyzed at great length. Finally, we derive a conclusion that this technologycan directly reflect combustion state in raceway
Keywords：Blastfurnace;Raceway;Temperature; Imaging
0 引言
在高炉冶炼过程中，由风口鼓入高温热风与喷入的煤粉以及降入炉缸风口区
域的1500℃高温焦炭，与在风口前燃烧产生热量和煤气，成为高炉冶炼的热源和还原剂。高炉风口回旋区燃烧带的大小、形状、焦炭运动的状态以及粉焦的堆积行为，对炉料的下降和料柱的透气性、透液性有着显著的影响[1],[2]，它决定了高炉煤气的一次分布。焦炭的燃烧状态，又直接影响着软熔带的形状和位置，是炉况顺行的基础。
高炉风口回旋区燃烧的温度，在一定条件下决定了炉缸的温度，因为它对整个高炉的传热、传质、还原、脱硫以及生铁成份等均起着很大的影响。因为高炉冶炼是在一个封闭的容器中进行，只能通过高炉风口的Ф15mm窥视孔观察风口回旋区的燃烧带状况。只有了解掌握各个风口回旋区的工作状态是否一致均匀，才能通过高炉上下部的调节手段，确保炉缸内部圆周工作均匀，保证高炉冶炼顺行。
20世纪60年代以来，国内外对高炉风口回旋区的测温和CCD成像的研究日益关注，取得了一些进展，并在高炉上应用。
关于风口回旋区的测温监测研究方面[3],[4] [5] [6]：1960年苏联在1719m³高炉上采用钨钼热电偶对炉缸回旋区温度分布进行测量，结果是回旋区燃烧带温度在1500℃~1700℃之间，个别点可达1920℃。英国诺兰德研究中心对炉缸临界温度的测量结果为1800K以上[1]。日本新日铁株式会社在君津4号高炉窥视孔上安装了辐射高温计进行了试验并得到一些结果；我国鞍钢研制的接触式测温装置，在高炉上进行了试验；本钢钢研所葛玉荣等人研制的非接触式红外测温仪在二铁厂3号、4号、13号高炉上进行试验，没有继续推广应用；东北大学余坤等人研究开发了“高炉风口辐射测温探头和相关的计算机软件”等技术，上述研究鲜见推广应用报道。
关于风口回旋区成像监测研究方面,[7],[8],[9] [10]：武汉钢铁公司开发研制了“高炉风口燃烧状态监测装置”并在高炉安装试验；山西太钢公司开发研制的“高炉风口摄像装置”也在高炉上安装应用；北京神网创新科技有限公司研制的“高炉风口摄像仪”在包钢六号高炉安装使用。还有常州安邦信息技术有限公司研制的“AB-GLTV-2风口成像系统”等。均已说明成像研究已进入应用阶段。
纵观上述，关于高炉风口回旋区的测温和CCD摄像装置都是单独使用的，有的还在试验阶段，都满足不了高炉操作者需要同时了解掌握高炉风口回旋区的燃烧带温度和图像信息的技术要求。
基于上述不足，我们研制开发了“高炉风口回旋区测温成像人工窥视在线监测系统”（本文简称：监测系统）。
1监测系统的组成和技术特点
1.1监测系统组成
监测系统是由光学系统、测温系统，成像系统、控制单元、显示单元、通讯系统、人工窥视筒等七部分组成。监测系统工艺流程示意图，见图1。
图1监测系统的工艺流程示意图
1.1.1光学系统
光学系统中安装了分光器，利用光学的折射与反射原理，将采集到的高炉风口回旋区光谱信号，同时分路传输到红外辐射测温仪、CCD摄像机及人眼窥视筒。
1.1.2测温系统
利用红外辐射测温原理，连续不断地将获取到高炉风口回旋区的温度信息，经无线传输模块发射到控制单元，经PC机处理后，将温度显示到监控室LED显示屏上。
1.1.3成像系统
利用CCD成像原理，连续不断地将摄取到的高炉风口回旋区燃烧状态的实时图像，经无线传输模块发射到控制单元，经PC机处理后，传输到监控室LED显示屏上。
1.1.4控制单元
PC机的控制单元通过软件处理高炉风口回旋区的燃烧温度与图像信号数据的输入、输出，控制成像、测温等硬件的工作状态，对风口温度和图像工作状态实时进行记录、存入数据库，以备后续查询分析。
1.1.5显示单元
显示单元是将控制单元处理后的高炉各个风口温度和图像信息一一对应显示在监控室的LED显示屏幕上。
1.1.6通讯系统
监测系统从高炉风口回旋区采集到温度数据、CCD图像视频信号经过通讯系统的发射模块与控制单元控制的接收模块配合工作，实现以无线传输方式进行的通讯模式。
1.1.7人工窥视筒
利用光学原理，在监测系统装置中安装了窥视筒，可延续传统的观察方法，人工可以随时观察风口回旋区工作状况，并将得到的信息与测温、成像监测系统得到的信息比对，作为判断风口工况的参考依据。
1.2监测系统技术特点
（1）监测系统的通讯方式采用无线传输技术模式。
（2）监测系统装置与高炉风口原有窥视孔盖直接连接，不改变风口原有的结构，安装拆卸简单方便，易维护。
（3）监测系统把CCD摄像技术、高温辐射红外测温技术、无线通讯技术、软件技术集于一体。
1.3监测系统的功能
通过高炉风口反馈来的回旋区温度及成像信息，能够及时了解、掌握以下信息：
（1）喷吹煤粉的喷射方向角度以及燃烧状况与火焰亮度；
（2）喷煤枪是否堵塞；
（3）回旋区焦炭的运动状况及活跃程度；
（4）回旋区塌料、结焦、生料堆积等异常现象；
（5）能够预报和显示小套烧损；
（6）具有温度、图像信息实时记录，历史查询及打印等功能。
2.监测系统在高炉上的应用
高炉风口回旋区测温成像人工窥视组合在线监测系统，于2014年7月8日安装在包钢六号高炉10号风口上，监测装置采用压缩空气冷却，筒内环境温度能够保持在50℃以下，见图2。
六号高炉容积2500m3，风量4500m3/min，风温1160℃，煤粉喷吹量37t/h,高炉有效利用系数2.2，风口数30个，风口直径有110mm和120mm两种,长度均是600mm。
图2 在高炉风口安装的监测装置
监测系统软件运行图，见图3。
图3 监测系统软件运行界面截图
软件运行界面实时显示了10号风口燃烧工况的监测图像、风口回旋区的温度和态势图及测温系统的工作环境温度。
3.监测效果分析
通过现场试验，监测系统能够满足监测高炉风口回旋区的图像、温度和继承传统人工窥视要求，监测效果分析如下：
4.1图像效果
从图3可以看出监测系统的几个特点：
（1）风口回旋区成像信息同时显示出来。能够显现燃烧火焰亮度及热风管前端的图像状态；
（2）所监测出的回旋区成像图与原风口安装的监测成像图经比对基本一致，可以观测到喷煤枪安装位置和喷煤情况；
（3）可以观测到风口小套内壁磨损及结焦状况。
4.2 温度效果
（1）从风口测温态势图可以看出，温度一直维持在1700℃～1800℃左右，与文献记载苏联用钨钼热电偶测量回旋区温度数值基本一致【3】。
（2）通过现场试验，温度数据无线传输模式工作稳定、技术可行。
（3）2014年8月3日9时32分开始休风更换风口小套，风量由9时32分的4600m3/min到10时17分减为零。11时27分开始送风，到17时36分风量恢复到4700m3/min。在9时32分至17时36分期间，从10号风口回旋区温度变化中可以表现出来，见表1。
表1 风口回旋区温度变化
时间 （时.分） |
风量 (m3/min) |
风口回旋区温度 (℃) |
9:32 |
4600 |
1623 |
10:14 |
1070 |
1142 |
10:17 |
O |
783 |
11:32 |
800 |
947 |
15:10 |
4470 |
1392 |
17:34 |
4680 |
1610 |
17:36 |
4700 |
1748 |
通过表1可以看出本次复风需要6个小时。监测试验说明，根据风口回旋区温度的变化可以控制复风节奏，能为实现平稳复风提供重要参考。
4.3回旋区温度监测分析
4.3.1 测温区域分析
图4 高炉风口温度监测示意图
见图4，由于受高炉风口窥视孔和风口小套口径的影响，炉内回旋区的燃烧辐射，只有在两者之间锥形区域的光可以直接进入测温仪的感温区，属有效感温区。由此向炉内延伸，通过调节距离参数f，可以测到近风口区的温度T1，回旋区深入层的温度T2和回旋中心区的温度T3。
4.3.2 测温数据说明
（1）调节f1测量近风口区温度T1：这是回旋区的最外层，不喷煤时T1即为热风鼓入温度；喷煤时该温度略有下降，是炉缸冷化造成的[13]。
（2）调节f2测量回旋区深入层的温度T2：这是煤粉的燃烧放热区，区域温度迅速升高，本监测系统所测温度数值一直维持在1700℃～1800℃范围。
（3）再调节f3测量回旋区中心温度T3，本监测系统所测温度数值可以达到2100℃甚至更高，那是炉内温度最高区域。回旋区T3的位置受风温和鼓风强度的影响是一个动态位置。
5.结束语
高炉风口回旋区测温成像人工窥视在线监测技术，能够及时掌握风口回旋区的工况信息变化, 根据风口旋区的温度成像等数据信息，直观反映出回旋区燃烧状态及工况均匀情况，结合高炉上下部调节手段实现炉缸工作均匀活跃，保证高炉冶炼稳定顺行。
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