高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)紅外成像監(jiān)測技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

于占忠

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

1 高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)現(xiàn)狀

高風(fēng)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(fēng)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(fēng)爐，設(shè)計(jì)風(fēng)溫1300℃。

1.1 熱風(fēng)爐系統(tǒng)存在的問題

熱風(fēng)系統(tǒng)（熱風(fēng)爐本體和管系）普遍存在高溫點(diǎn)開裂問題，且次數(shù)增加、程度加重。京唐熱風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求熱風(fēng)爐本體溫度＜150℃，熱風(fēng)管道溫度＜200℃。然而，熱風(fēng)爐本體和熱風(fēng)管道存在多個高溫點(diǎn)，如京唐2#爐熱風(fēng)爐本體預(yù)埋電偶（16點(diǎn)）的檢測溫度平均為128℃，其中有5點(diǎn)溫度＞150℃。統(tǒng)計(jì)顯示：2014年熱風(fēng)爐爐殼開裂累積57次，2015年熱風(fēng)爐爐殼開裂累積30次，2016年熱風(fēng)爐爐殼開裂累積58次，且開裂部位主要集中在14-16帶。熱風(fēng)系統(tǒng)波紋管投產(chǎn)后陸續(xù)出現(xiàn)高溫點(diǎn)（設(shè)計(jì)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(fēng)爐（爐殼和管系）屬于超高溫區(qū)域（內(nèi)部熱風(fēng)溫度1400℃），高溫下薄弱點(diǎn)不同程度地發(fā)生開裂，存在極大的安全隱患。高爐熱風(fēng)系統(tǒng)尚無預(yù)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(diǎn)分布以及巡檢時間不確定性的影響，熱風(fēng)爐爐殼狀態(tài)無法實(shí)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(fēng)爐正常生產(chǎn)運(yùn)行，首要任務(wù)是將現(xiàn)有熱風(fēng)系統(tǒng)的不安全因素全面、詳細(xì)、實(shí)時地監(jiān)控起來，并對監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，以便將熱風(fēng)系統(tǒng)控制在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

圖1 熱風(fēng)爐爐殼和熱風(fēng)管系波紋管開裂燒出

2 熱風(fēng)爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

2.1 熱風(fēng)爐紅外成像系統(tǒng)

熱風(fēng)系統(tǒng)紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置15個溫度監(jiān)測點(diǎn)，其中熱風(fēng)爐爐殼溫度監(jiān)測點(diǎn)9個，熱風(fēng)管系監(jiān)測點(diǎn)6個。在考慮成本情況下，經(jīng)現(xiàn)場考察，擬設(shè)置5個固定熱成像儀測溫點(diǎn)，另設(shè)1個移動式測溫點(diǎn)。各紅外熱成像儀的監(jiān)測畫面通過光纖實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)測計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對畫面進(jìn)行在線顯示，同時建立數(shù)據(jù)庫，將監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)的報警。如圖2所示。

2.2 熱風(fēng)爐紅外成像系統(tǒng)原理

圖2 熱風(fēng)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(qiáng)度不同的原理，利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡，接收被測目標(biāo)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(yīng)，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)備完成測試工作，具有全天候、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，圖3為熱風(fēng)爐紅外成像監(jiān)測圖。

圖3 熱風(fēng)爐紅外成像監(jiān)測圖

2.3 熱風(fēng)爐紅外成像系統(tǒng)開發(fā)

主要目標(biāo)：以京唐高爐熱風(fēng)系統(tǒng)為對象，開發(fā)首鋼京唐熱風(fēng)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(luò)構(gòu)架方案與實(shí)現(xiàn)；②程序代碼編寫與軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

熱風(fēng)系統(tǒng)紅外成像技術(shù)要實(shí)現(xiàn)或滿足的功能：①監(jiān)測功能，可疑區(qū)域內(nèi)熱風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測范圍覆蓋區(qū)，時序上實(shí)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(dá)到一定溫度后的報警功能，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范熱風(fēng)管道＜200℃、熱風(fēng)爐本體150℃，按接近該溫度的程度，進(jìn)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(shè)計(jì)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(yīng)具有較強(qiáng)的兼容和再開發(fā)性。將研究開發(fā)的紅外成像技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，保證大型高爐熱風(fēng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 熱風(fēng)爐紅外成像監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 熱風(fēng)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(fēng)爐的布置和內(nèi)部設(shè)備連接情況，為實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐爐殼（14-16帶）和熱風(fēng)管系（熱風(fēng)支管和熱風(fēng)主管）區(qū)域的測溫監(jiān)測覆蓋，經(jīng)現(xiàn)場考察，設(shè)置5個固定熱成像儀測溫點(diǎn)，另設(shè)1個移動式測溫點(diǎn)。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(fēng)爐框架上頂東西向中心線東端點(diǎn)；探頭4在熱風(fēng)爐框架上頂東西向中心線中心點(diǎn)；探頭5在熱風(fēng)爐框架上頂東西向中心線西端點(diǎn)。

每點(diǎn)熱成像儀均設(shè)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(shí)現(xiàn)熱成像儀對全部監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的定時掃描或定點(diǎn)監(jiān)測。移動紅外熱成像儀的設(shè)置點(diǎn)根據(jù)各固定點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果，對最危險區(qū)域，且周邊有管道或設(shè)備遮擋，無法通過固定探頭直接監(jiān)測時，近距離設(shè)置移動紅外熱成像儀進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

紅外熱成像儀監(jiān)測畫面通過光纖實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)測計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對各畫面進(jìn)行在線顯示，同時建立數(shù)據(jù)庫，將所監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)的報警。

圖4 熱風(fēng)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(yīng)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(fēng)爐爐殼準(zhǔn)確測溫的關(guān)鍵。在前期熱風(fēng)爐測試中發(fā)現(xiàn)，相同溫度下，同一設(shè)備不同區(qū)域熱成像儀測量的溫度不同。分析原因是設(shè)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(dāng)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(fēng)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(jìn)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(diǎn)的監(jiān)測區(qū)域設(shè)置不同的紅外輻射率，獲得該區(qū)域準(zhǔn)確的熱成像監(jiān)測溫度；④定期用接觸式表面溫度計(jì)進(jìn)行局部檢驗(yàn)校正，保證紅外熱成像儀測溫結(jié)果的長期準(zhǔn)確性。

（2）紅外熱成像儀測點(diǎn)的設(shè)置。首鋼京唐每座高爐有4座熱風(fēng)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(shè)備，難以找到完全覆蓋的紅外熱成像儀安裝點(diǎn)。近距離監(jiān)測的設(shè)備區(qū)域有限。此外，4個熱風(fēng)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(diǎn)。

解決方案：通過多設(shè)測量點(diǎn)和采用旋轉(zhuǎn)云臺的方式，實(shí)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(jì)進(jìn)行直接測量后，如認(rèn)為是危險區(qū)域，則設(shè)置可移動的紅外熱成像儀進(jìn)行在線監(jiān)測。

（3）數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)設(shè)置多點(diǎn)紅外熱成像測溫儀將實(shí)時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而熱風(fēng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)確預(yù)測變化趨勢和可能的風(fēng)險。

解決方案：根據(jù)所監(jiān)測的熱風(fēng)爐爐殼區(qū)域，建立對應(yīng)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(zhǔn)確性和代表性。

4 結(jié)語

高爐熱風(fēng)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(qiáng)度不同的原理，利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡，接收被測目標(biāo)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(yīng)，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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時監(jiān)測和分析數(shù)據(jù)變化，起到熱風(fēng)爐爐殼及熱風(fēng)管道開裂預(yù)防和報警功能，適用于煉鐵高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，替代熱風(fēng)爐危險區(qū)域的巡檢人員，消除安全隱患，確保安全生產(chǎn)。