燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071；2.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520; 3.山東國(guó)舜建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250307)

抽風(fēng)燒結(jié)工藝是目前鐵礦粉造塊的主要方法，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)[1]。燒結(jié)過(guò)程中，由于燒結(jié)機(jī)設(shè)計(jì)、設(shè)備磨損老化等因素，造成燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)漏風(fēng)，從而降低燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量及燒結(jié)礦質(zhì)量[2]。數(shù)據(jù)表明，目前國(guó)外燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率有的已經(jīng)降到了30%以下，而國(guó)內(nèi)鋼鐵廠家的漏風(fēng)率大多在45%～60%[3-4]，青島特鋼燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率目前在50%以上。國(guó)外一些燒結(jié)廠的實(shí)踐證明：燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率每減少10%，燒結(jié)礦可增產(chǎn)6%，每噸燒結(jié)礦可減少電耗2 kW/h，每噸減少焦粉1 kg的使用，鐵礦成品率提高1.5%～2.0%[5]。在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)燒結(jié)機(jī)漏系統(tǒng)主要風(fēng)部位的漏風(fēng)率進(jìn)行漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)，針對(duì)漏風(fēng)加劇的部位，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修、維護(hù)或者更換，可以有效降低燒結(jié)過(guò)程的能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高燒結(jié)礦質(zhì)量，增加生產(chǎn)效益。

1 檢測(cè)原理

1.1 氧含量法

燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理采用氧氣平衡法[6](下稱氧含量法)進(jìn)行測(cè)定及分析，如圖1所示。

圖1 氧含量法示意圖

其原理是假定風(fēng)箱系統(tǒng)無(wú)漏風(fēng)，則進(jìn)入風(fēng)箱系統(tǒng)的廢氣氧氣量——篦條下廢氣的氧氣量，等于離開(kāi)系統(tǒng)的廢氣氧氣量——風(fēng)箱下部的廢氣氧氣量。由于系統(tǒng)漏風(fēng)的存在，進(jìn)入系統(tǒng)的廢氣混入一定量的空氣，所以進(jìn)入系統(tǒng)的氧含量隨之變化，由此可建立系統(tǒng)氧含量平衡[7-8]方程式：

V1×O2+V2×21%=(V1+V2)×O2

(1)

式中，V1為爐篦下氣體體積流量(m3/min)；V2為系統(tǒng)漏風(fēng)氣體體積流量(m3/min)；(V1+V2)為大風(fēng)箱下部氣體體積流量(m3/min)；O2為爐篦下風(fēng)箱氣體中氧氣含量(%)；21%為漏入的空氣中氧氣含量；O′2為煙道上風(fēng)箱氣體中氧氣含量(%)。

由式(1)可以得出系統(tǒng)漏風(fēng)氣體體積流量：

(2)

定義系統(tǒng)漏風(fēng)率為

(3)

1.2 氧含量法在線監(jiān)測(cè)原理

燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是利用氧含量傳感器在線采集燒結(jié)機(jī)爐篦下和風(fēng)箱下部的的氧含量數(shù)據(jù)，通過(guò)通信技術(shù)將數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)[9-11]，經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在系統(tǒng)界面上顯示實(shí)時(shí)的漏風(fēng)率數(shù)據(jù)，根據(jù)每組風(fēng)箱的漏風(fēng)率特征系統(tǒng)做出判斷，一旦某個(gè)風(fēng)箱的漏風(fēng)率數(shù)據(jù)超出與之對(duì)應(yīng)的范圍，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)通知管理員，以便工作人員采取有針對(duì)性的降低漏風(fēng)率的措施。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)青島特鋼燒結(jié)機(jī)的15個(gè)風(fēng)箱漏風(fēng)率進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，需要采集每個(gè)風(fēng)箱位置的兩組氧含量數(shù)據(jù)，分別是風(fēng)箱上部篦條下的氧含量和風(fēng)箱下部的氧含量。為此系統(tǒng)通過(guò)16個(gè)氧含量傳感器采集氧含量數(shù)據(jù)，氧含量傳感器1～15固定安裝在風(fēng)箱下部，氧含量傳感器16安裝在移動(dòng)的臺(tái)車上，燒結(jié)過(guò)程中臺(tái)車以1 m/min的速度往前運(yùn)動(dòng)，依次采集15個(gè)風(fēng)箱篦條下的氧含量數(shù)據(jù)。由于傳感器16跟隨臺(tái)車運(yùn)轉(zhuǎn)，所以需要對(duì)此臺(tái)車進(jìn)行定位，系統(tǒng)采用接近開(kāi)關(guān)獲取臺(tái)車的位置，在傳感器16經(jīng)過(guò)每個(gè)風(fēng)箱正上方時(shí)，系統(tǒng)采集此風(fēng)箱對(duì)應(yīng)的兩組氧含量數(shù)據(jù)，完成對(duì)此風(fēng)箱的漏風(fēng)率檢測(cè)。臺(tái)車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)往前運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)依次檢測(cè)15個(gè)風(fēng)箱的漏風(fēng)率數(shù)據(jù)，定義臺(tái)車運(yùn)轉(zhuǎn)一周為周期T，則系統(tǒng)在T時(shí)間內(nèi)完成對(duì)每個(gè)風(fēng)箱漏風(fēng)率的一次測(cè)量。

圖2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選型

2.1.1 氧化鋯氧氣含量分析儀

為獲取燒結(jié)煙氣中的氧含量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用氧化鋯氧氣含量分析儀作為數(shù)據(jù)采集端，該儀表可對(duì)燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的氧氣含量進(jìn)行快速、正確的分析，實(shí)用可靠[12]。分析儀由氧化鋯探頭和氧量變送器組成。氧化鋯探頭為插入式法蘭安裝，氧量變送器通過(guò)RS485接口輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)可檢測(cè)的氧含量范圍為0～20.6%，被檢測(cè)煙氣溫度最高可達(dá)1300 ℃。

在安裝和配置好系統(tǒng)硬件后，氧含量傳感器的探頭深入爐篦下，氧含量傳感器的測(cè)量誤差受測(cè)量環(huán)境的影響較小，主要的誤差來(lái)自傳感器的系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差對(duì)漏風(fēng)率存在一定的影響，但是只要漏風(fēng)率穩(wěn)定在相應(yīng)的范圍內(nèi)，系統(tǒng)判斷風(fēng)箱沒(méi)有漏風(fēng)加劇的情況，則并不需要工作人員采取措施。只有當(dāng)風(fēng)箱漏風(fēng)率發(fā)生明顯變化時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)出報(bào)警，所以氧含量傳感器的誤差對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有影響。

2.1.2 接近開(kāi)關(guān)

系統(tǒng)氧含量傳感器在采集篦條下氧含量數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)傳感器是否位于風(fēng)箱正上方進(jìn)行判斷，接近開(kāi)關(guān)是適用于此的理想選擇。當(dāng)金屬檢測(cè)體接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)區(qū)域，開(kāi)關(guān)就能無(wú)接觸地迅速發(fā)出電氣指令，使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而給計(jì)算機(jī)(PLC)裝置提供控制指令[13]，它能準(zhǔn)確反映出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快。為適應(yīng)燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)臺(tái)車運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境，系統(tǒng)選用電感型接近開(kāi)關(guān)，該接近開(kāi)關(guān)的工作電壓為15～30 V，檢測(cè)距離為2～20 mm，輸出的模擬信號(hào)為4～20 mA，接線方式為端子連接，具有浪涌、短路、反極性和過(guò)載保護(hù)等特性。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

考慮到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要和單片機(jī)的特點(diǎn)，選擇嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)[14]進(jìn)行氧含量的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用的是基于ARM?Cortex?M處理器內(nèi)核的32位閃存微控制器STM32，該芯片上提供了豐富的軟硬件輔助工具，集成了32～512 KB的Flash存儲(chǔ)器，6～64 KB的SRAM存儲(chǔ)器，為氧含量數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)提供支持。同時(shí)該控制器集成12通道DMA控制器；3個(gè)12位的μs級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器(16通道)，具有雙采樣和保持能力，以及豐富的I/O端口方便數(shù)據(jù)的傳輸。

氧含量傳感器與數(shù)據(jù)采集板的連接方式選擇如圖3所示。在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱的位置固定不動(dòng)，風(fēng)箱下部的傳感器距離生產(chǎn)車間辦公室約為60 m，要對(duì)風(fēng)箱下部的15個(gè)氧含量傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可選用能在遠(yuǎn)距離條件下以及電子噪聲大的環(huán)境下能有效傳輸信號(hào)的RS485[15]總線；而燒結(jié)機(jī)臺(tái)車始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，故氧含量傳感器16無(wú)法使用RS485總線連接，為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇使用WiFi模塊將傳感器16與數(shù)據(jù)采集板連接。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖

2.3 對(duì)臺(tái)車的改造

在采集燒結(jié)機(jī)臺(tái)車爐篦下煙氣中的氧含量時(shí)，為了安置氧含量傳感器，需要將臺(tái)車車輪上部銑孔并焊接法蘭盤結(jié)構(gòu)[16]。氧化鋯氧含量傳感器通過(guò)法蘭盤固定在臺(tái)車上，傳感器的金屬端部為接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)體，接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)裝置安裝在15個(gè)風(fēng)箱的上方，連接A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器采用RS485總線與數(shù)據(jù)采集板擴(kuò)展板相連。當(dāng)固定氧含量傳感器的臺(tái)車經(jīng)過(guò)風(fēng)箱的正上方時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始采集對(duì)應(yīng)風(fēng)箱的氧含量數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

由于Visual Studio.NET具有強(qiáng)大且先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)工具、強(qiáng)健而靈活的軟件建模、高效的體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)、關(guān)鍵的測(cè)試功能和集成的源代碼控制等優(yōu)勢(shì)，極大減小了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的難度[17]。因此在軟件的開(kāi)發(fā)中選擇了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，通過(guò)Visual Studio 2017開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成了系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能核心由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理兩個(gè)部分構(gòu)成的。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分主要采集及匯總現(xiàn)場(chǎng)篦條下氧含量及風(fēng)箱上部氧含量數(shù)據(jù)，并將采集到的氧含量數(shù)據(jù)和處理得到的漏風(fēng)率顯示在計(jì)算機(jī)界面上，同時(shí)還包括監(jiān)測(cè)漏風(fēng)率突然加劇的報(bào)警功能；數(shù)據(jù)管理部分的主要功能是分析管理采集到的數(shù)據(jù)，輸出報(bào)表和查詢相關(guān)歷史數(shù)據(jù)等。將這兩部分有機(jī)結(jié)合在一起，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能[18]。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分在一個(gè)周期T內(nèi)的工作流程如圖4所示。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，當(dāng)固定氧含量傳感器16的臺(tái)車運(yùn)行到1號(hào)風(fēng)箱正上方時(shí)，接近開(kāi)關(guān)響應(yīng)，系統(tǒng)開(kāi)始工作，采集1號(hào)風(fēng)箱對(duì)應(yīng)的篦條下氧含量和風(fēng)箱下部氧含量?jī)山M數(shù)據(jù)，從而得到1號(hào)風(fēng)箱的漏風(fēng)率數(shù)據(jù)，如果漏風(fēng)率超過(guò)所設(shè)置的范圍，則系統(tǒng)報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行操作，同時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)等待下一風(fēng)箱的接近開(kāi)關(guān)響應(yīng)，進(jìn)入下一風(fēng)箱的漏風(fēng)率檢測(cè)，直至檢測(cè)完成最后一個(gè)風(fēng)箱，則系統(tǒng)完成一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)風(fēng)箱漏風(fēng)率的一次測(cè)量。

圖4 一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的程序流程圖

3.3 系統(tǒng)的應(yīng)用情況

燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)界面如圖5所示，圖線選擇部分默認(rèn)選擇1號(hào)風(fēng)箱，選擇數(shù)據(jù)項(xiàng)即可在圖線框顯示所選擇的數(shù)據(jù)。

軟件風(fēng)箱欄按鈕決定圖線欄X軸的坐標(biāo)，風(fēng)箱按鈕選擇1～15號(hào)風(fēng)箱時(shí)，X軸坐標(biāo)為時(shí)間；風(fēng)箱選擇ALL按鈕即選擇所有風(fēng)箱時(shí)，X軸坐標(biāo)為1～15號(hào)風(fēng)箱。數(shù)據(jù)欄分別為爐篦下氧含量、風(fēng)箱下部氧含量和漏風(fēng)率三組數(shù)據(jù)。燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，能夠直觀地顯示各風(fēng)箱的氧含量及漏風(fēng)率數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)，提供歷史數(shù)據(jù)查詢、生成報(bào)表、報(bào)警記錄查詢等功能。

圖5 系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)圖

為進(jìn)一步分析青島特鋼燒結(jié)機(jī)各風(fēng)箱漏風(fēng)的現(xiàn)狀及規(guī)律，將上述時(shí)刻燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的漏風(fēng)率數(shù)據(jù)調(diào)取出來(lái)，得到燒結(jié)機(jī)各風(fēng)箱的漏風(fēng)率如表1所示。

表1 燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱漏風(fēng)率檢測(cè)結(jié)果 單位：%

通過(guò)對(duì)表1分析可得，青島特鋼燒結(jié)機(jī)機(jī)頭處的1號(hào)和2號(hào)風(fēng)箱及機(jī)尾處的14號(hào)和15號(hào)風(fēng)箱漏風(fēng)嚴(yán)重，主要原因是目前青島特鋼燒結(jié)機(jī)機(jī)頭機(jī)尾密封采用的是四桿配重式技術(shù)，由于積灰生銹導(dǎo)致傳動(dòng)副阻力增大、桿件受熱變形等原因，使得密封效果下降。同時(shí)系統(tǒng)界面提示8號(hào)風(fēng)箱漏風(fēng)異常，經(jīng)工作人員檢查，發(fā)現(xiàn)8號(hào)風(fēng)箱固定螺栓脫落造成漏風(fēng)加劇，經(jīng)工作人員及時(shí)更換，系統(tǒng)漏風(fēng)恢復(fù)正常。

4 結(jié)論

① 燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中風(fēng)箱漏風(fēng)的在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)反映了燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率的變化，方便了工作人員及時(shí)采取降低漏風(fēng)率的措施。該系統(tǒng)在青島特鋼燒結(jié)機(jī)上經(jīng)過(guò)運(yùn)行調(diào)試，結(jié)果表明燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)漏風(fēng)率由43%降低到了28%,可以有效提高燒結(jié)生產(chǎn)的能源利用率和燒結(jié)礦質(zhì)量，提高生產(chǎn)效益。

② 目前系統(tǒng)僅對(duì)燒結(jié)機(jī)的風(fēng)箱段進(jìn)行漏風(fēng)率監(jiān)測(cè)，應(yīng)用此系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)系統(tǒng)煙道漏風(fēng)、除塵器漏風(fēng)的在線監(jiān)測(cè)。燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使得燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)可視化，對(duì)于推動(dòng)鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展，具有一定的推廣價(jià)值。