高爐熱風爐系統(tǒng)紅外成像監(jiān)測技術(shù)開發(fā)與應用

于占忠

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司煉鐵作業(yè)部，河北唐山 063200）

1 高爐熱風爐系統(tǒng)現(xiàn)狀

高風溫是現(xiàn)代高爐煉鐵的重要技術(shù)特征和發(fā)展方向，提高風溫可以有效降低燃料消耗，提高高爐能量利用效率[1]。首鋼京唐公司擁有2 座5500 m3高爐，每座高爐配備4 臺BSK 頂燃式熱風爐，設計風溫1300 ℃。

1.1 熱風爐系統(tǒng)存在的問題

熱風系統(tǒng)（熱風爐本體和管系）普遍存在高溫點開裂問題，且次數(shù)增加、程度加重。京唐熱風系統(tǒng)設計規(guī)范要求熱風爐本體溫度＜150 ℃，熱風管道溫度＜200 ℃。然而，熱風爐本體和熱風管道存在多個高溫點，如京唐2#爐熱風爐本體預埋電偶（16 點）的檢測溫度平均為128 ℃，其中有5 點溫度＞150 ℃。統(tǒng)計顯示：2014 年熱風爐爐殼開裂累積57 次，2015 年熱風爐爐殼開裂累積30 次，2016 年熱風爐爐殼開裂累積58 次，且開裂部位主要集中在14-16 帶。熱風系統(tǒng)波紋管投產(chǎn)后陸續(xù)出現(xiàn)高溫點（設計要求溫度＜200 ℃）和開裂現(xiàn)象。如圖1 所示。

1.2 人工巡檢的局限性

高爐熱風爐（爐殼和管系）屬于超高溫區(qū)域（內(nèi)部熱風溫度1400 ℃），高溫下薄弱點不同程度地發(fā)生開裂，存在極大的安全隱患。高爐熱風系統(tǒng)尚無預測或反饋措施和手段，只依賴每2 h一次的例行人工巡檢。人工巡檢存在2 個問題：①受場地和時間限制，存在較大的局限性和偶然性。巡檢路線受平臺、高溫點分布以及巡檢時間不確定性的影響，熱風爐爐殼狀態(tài)無法實現(xiàn)全面、全天候監(jiān)測；②爐殼開裂具有突發(fā)性，巡檢人員的安全無法保證，存在較大的安全隱患。為不影響高爐熱風爐正常生產(chǎn)運行，首要任務是將現(xiàn)有熱風系統(tǒng)的不安全因素全面、詳細、實時地監(jiān)控起來，并對監(jiān)控數(shù)據(jù)信息進行處理，以便將熱風系統(tǒng)控制在安全運行范圍內(nèi)。

圖1 熱風爐爐殼和熱風管系波紋管開裂燒出

2 熱風爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 熱風爐紅外成像系統(tǒng)

熱風系統(tǒng)紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)設置15 個溫度監(jiān)測點，其中熱風爐爐殼溫度監(jiān)測點9 個，熱風管系監(jiān)測點6 個。在考慮成本情況下，經(jīng)現(xiàn)場考察，擬設置5 個固定熱成像儀測溫點，另設1 個移動式測溫點。各紅外熱成像儀的監(jiān)測畫面通過光纖實時傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機。計算機對畫面進行在線顯示，同時建立數(shù)據(jù)庫，將監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行自動分析和處理，繪制各區(qū)域的溫度變化曲線，給出各區(qū)域溫度變化速率，異常點的報警。如圖2 所示。

2.2 熱風爐紅外成像系統(tǒng)原理

圖2 熱風系統(tǒng)紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)

紅外熱像儀根據(jù)物體不同溫度下輻射紅外線強度不同的原理，利用紅外探測器和光學成像物鏡，接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，通過換算獲得被測物體不同區(qū)域的溫度分布[2]。紅外熱像儀測量得到的數(shù)據(jù)傳輸給計算機系統(tǒng)，計算機軟件對數(shù)據(jù)進行整合、分析、處理，得到有用的信息，并通過簡單明了的界面呈現(xiàn)給操作者。利用紅外成像設備完成測試工作，具有全天候、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，圖3為熱風爐紅外成像監(jiān)測圖。

圖3 熱風爐紅外成像監(jiān)測圖

2.3 熱風爐紅外成像系統(tǒng)開發(fā)

主要目標：以京唐高爐熱風系統(tǒng)為對象，開發(fā)首鋼京唐熱風系統(tǒng)紅外成像監(jiān)測技術(shù)。主要研究內(nèi)容：①硬件及網(wǎng)絡構(gòu)架方案與實現(xiàn)；②程序代碼編寫與軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

熱風系統(tǒng)紅外成像技術(shù)要實現(xiàn)或滿足的功能：①監(jiān)測功能，可疑區(qū)域內(nèi)熱風系統(tǒng)的監(jiān)測范圍覆蓋區(qū)，時序上實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，對表面溫度的監(jiān)測結(jié)果上要趨勢可靠、精度足夠高；②達到一定溫度后的報警功能，依據(jù)設計規(guī)范熱風管道＜200 ℃、熱風爐本體150 ℃，按接近該溫度的程度，進行警示或報警，并給出警示區(qū)域位置（精度0.5 m）；③對超過設計規(guī)范的部位或區(qū)域，除上述溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)外，記錄一段時間的視頻數(shù)據(jù)信息，并能回放；④系統(tǒng)應具有較強的兼容和再開發(fā)性。將研究開發(fā)的紅外成像技術(shù)應用到實際生產(chǎn)中，保證大型高爐熱風系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

3 熱風爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)應用

3.1 熱風爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)京唐1#高爐4 臺熱風爐的布置和內(nèi)部設備連接情況，為實現(xiàn)熱風爐爐殼（14-16 帶）和熱風管系（熱風支管和熱風主管）區(qū)域的測溫監(jiān)測覆蓋，經(jīng)現(xiàn)場考察，設置5 個固定熱成像儀測溫點，另設1 個移動式測溫點。如圖4 所示，探頭1 在高爐控制室高架橋下；探頭2 在高爐煤氣布袋除塵系統(tǒng)最上層平臺；探頭3 在熱風爐框架上頂東西向中心線東端點；探頭4 在熱風爐框架上頂東西向中心線中心點；探頭5 在熱風爐框架上頂東西向中心線西端點。

每點熱成像儀均設自動旋轉(zhuǎn)云臺，其中探頭1 和探頭2 是支撐式云臺，探頭3、探頭4、探頭5 是懸掛式云臺。通過各云臺的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)熱成像儀對全部監(jiān)測目標區(qū)域的定時掃描或定點監(jiān)測。移動紅外熱成像儀的設置點根據(jù)各固定點的監(jiān)測結(jié)果，對最危險區(qū)域，且周邊有管道或設備遮擋，無法通過固定探頭直接監(jiān)測時，近距離設置移動紅外熱成像儀進行連續(xù)監(jiān)測。

紅外熱成像儀監(jiān)測畫面通過光纖實時傳輸?shù)奖O(jiān)測計算機。計算機對各畫面進行在線顯示，同時建立數(shù)據(jù)庫，將所監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行自動分析和處理，繪制各區(qū)域的溫度變化曲線，給出各區(qū)域溫度變化速率、異常點的報警。

圖4 熱風爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)應用中存在問題及解決方案

（1）材料自身的紅外輻射發(fā)射特性是熱成像儀對熱風爐爐殼準確測溫的關(guān)鍵。在前期熱風爐測試中發(fā)現(xiàn)，相同溫度下，同一設備不同區(qū)域熱成像儀測量的溫度不同。分析原因是設備不同表面材料的輻射率不同，產(chǎn)生的紅外輻射能量不同，當整個監(jiān)測對象用固定輻射率換算溫度時，產(chǎn)生較大誤差。

解決方案：①調(diào)研熱風爐爐殼表面不同材料（母材鋼板，焊縫材料，防銹漆等）的紅外輻射率；②采用接觸式表面測溫儀，對不同材料的代表區(qū)域進行表面測溫，與紅外熱成像儀的測溫比較，確定不同材料區(qū)域的接收紅外輻射率；③各測量點的監(jiān)測區(qū)域設置不同的紅外輻射率，獲得該區(qū)域準確的熱成像監(jiān)測溫度；④定期用接觸式表面溫度計進行局部檢驗校正，保證紅外熱成像儀測溫結(jié)果的長期準確性。

（2）紅外熱成像儀測點的設置。首鋼京唐每座高爐有4 座熱風爐，采取錯位矩形布置?，F(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，除北側(cè)相對開闊無遮擋外，其他三側(cè)周邊均有許多設備，難以找到完全覆蓋的紅外熱成像儀安裝點。近距離監(jiān)測的設備區(qū)域有限。此外，4 個熱風爐內(nèi)部管道和閥門密布，沒有能覆蓋所有監(jiān)測區(qū)域的定向安裝點。

解決方案：通過多設測量點和采用旋轉(zhuǎn)云臺的方式，實現(xiàn)所有區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測。自動旋轉(zhuǎn)云臺對監(jiān)測區(qū)域的掃描頻率也完全滿足監(jiān)測要求。對局部遮擋區(qū)域，通過比較周邊監(jiān)測區(qū)域的溫度變化和用表面溫度計進行直接測量后，如認為是危險區(qū)域，則設置可移動的紅外熱成像儀進行在線監(jiān)測。

（3）數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)設置多點紅外熱成像測溫儀將實時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而熱風爐爐殼狀態(tài)的變化又是一個相對緩慢且持續(xù)的過程。因此，要求計算機系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)進行篩選和比較，獲得需要的關(guān)鍵部位參數(shù)、變化過程，并準確預測變化趨勢和可能的風險。

解決方案：根據(jù)所監(jiān)測的熱風爐爐殼區(qū)域，建立對應的數(shù)據(jù)庫。開發(fā)溫度數(shù)據(jù)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)和處理結(jié)果的準確性和代表性。

4 結(jié)語

高爐熱風爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)，基于紅外熱像儀根據(jù)物體不同溫度下輻射紅外線強度不同的原理，利用紅外探測器和光學成像物鏡，接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，通過換算獲得被測物體不同區(qū)域的溫度分布。紅外熱像儀測量所得到的數(shù)據(jù)，傳輸給計算機系統(tǒng)，計算機軟件對數(shù)據(jù)進行整合、分析、處理，得到有用的信息，并通過簡單界面呈現(xiàn)給操作者。紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)，可實時監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)變化，起到熱風爐爐殼及熱風管道開裂預防和報警功能，適用于煉鐵高爐熱風爐系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，替代熱風爐危險區(qū)域的巡檢人員，消除安全隱患，確保安全生產(chǎn)。