鼓風爐表面在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

曾 學(xué)，呂鳳玉，賀成柱

(甘肅華維智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

鼓風爐，作為冶金行業(yè)的高溫窯爐，廣泛應(yīng)用于銅、鉛、鉛鋅、銻等金屬的粗煉過程。現(xiàn)在絕大部分粗鉛還都是從鉛鼓風內(nèi)生產(chǎn)的，不同作用的爐子各部分的結(jié)構(gòu)不完全相同。鼓風爐從下而上由爐基、爐缸、爐身(水套)、爐頂、風管、水管系統(tǒng)及支架組成。冷卻壁是目前鼓風爐普遍采用的的一種冷卻結(jié)構(gòu)，通過面式冷卻將鼓風爐內(nèi)傳遞出的熱量順暢地導(dǎo)出，冷卻水通過被冷卻的部件空腔，并從其表面將熱量帶走，避免高溫熱流直接抵達爐殼，延長耐火材料使用壽命、保護爐殼。熱風管是將熱風圍管送來的900～1 000 ℃左右的熱風通過風口輸入爐缸，是鼓風爐爐前設(shè)備中至關(guān)重要的組成部件，也是熱風管道系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

鼓風爐煉鉛不可避免的會產(chǎn)生高溫安全隱患，鼓風爐內(nèi)襯與高溫鉛水、爐渣長時間接觸，受到主流沖刷和爐渣侵蝕，內(nèi)襯被侵蝕不僅會降低鼓風爐的壽命，還會增加鉛液中夾雜物的含量。冷卻壁也存在一些缺陷，如破損的水套不易發(fā)現(xiàn)、距離冷卻水稍微遠的位置冷卻效率較低，容易損壞等。熱風管隨著鼓風爐冶煉的強化和風溫、富氧、頂壓水平的提高，耐火磚可能出現(xiàn)侵蝕、脫落，導(dǎo)致熱風裝置會出現(xiàn)漏風、發(fā)紅現(xiàn)象，如不及時維修會引起外殼燒穿，產(chǎn)生安全隱患，造成能源嚴重損耗和產(chǎn)量的下降。

據(jù)統(tǒng)計鼓風爐常出現(xiàn)水套燒壞事故，每次事故出現(xiàn)后必須停爐換水套或修補水套，造成人力財物的浪費，損失較大。立式熱風爐體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行中不便檢修維護。目前主要依靠紅外測溫槍人工巡檢，這種檢測方式間隔時間長、不連續(xù)、無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，同時給巡檢人員帶來重大的安全隱患。針對上述問題，筆者開發(fā)了鼓風爐表面在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過對鼓風爐水套及周圍冷卻壁實時監(jiān)測，便于用戶有效制定鼓風爐安全生產(chǎn)預(yù)防措施。

1 系統(tǒng)設(shè)計及工作原理

系統(tǒng)不僅可用于鼓風爐熱風輸送管道及冷卻壁外表面溫度監(jiān)測，還可用于其它高溫物體熱表面溫度監(jiān)測，需滿足以下幾個需求。

(1) 需將整個冷卻壁和所有熱風管覆蓋。

(2) 實現(xiàn)實時、無接觸測溫，能隨時獲取監(jiān)測畫面中任意位置的溫度。

(3) 當爐體或其他被檢測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常溫度時能夠自動報警和精準定位。

(4) 存儲采集數(shù)據(jù)，查詢和回放歷史數(shù)據(jù)，生成任意點或區(qū)域內(nèi)的溫度變化曲線。

(5) 及時將報警信息推送至相關(guān)人員。

1.1 硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由爐體表面溫度參數(shù)采集、對執(zhí)行器的指令下發(fā)和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計模塊構(gòu)成，見圖1。系統(tǒng)前端安裝非接觸式紅外熱像傳感器，熱像服務(wù)器匯總爐體表面溫度信息，包括冷卻壁、熱風管等設(shè)備表面溫度參數(shù)，通過GPRS/GSM接入無線網(wǎng)關(guān)后，將數(shù)據(jù)傳輸至上位管理平臺進行分析，當出現(xiàn)異常溫度時，自動控制現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備，包括噴淋裝置、制冷通風設(shè)備、聲光報警裝置等，并將報警信息發(fā)送至相關(guān)人員手機上。鼓風爐現(xiàn)熔煉場高溫區(qū)域內(nèi)部溫度可達1400～1500 ℃，因此現(xiàn)場設(shè)備及連接電纜均需進行高溫防護處理。

圖1 熱像監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 軟件設(shè)計

監(jiān)測軟件采用紅外數(shù)字圖像細節(jié)增強(DDE)處理算法，用高速處理器先對原始鼓風爐水套及周圍冷卻壁信息進行處理，采用小波變換對溫升異常信號進行局部分析，設(shè)置報警溫度值，實現(xiàn)冷卻壁和熱風管損傷的可視化，用戶可自定義異常報警方式與聯(lián)系人。系統(tǒng)主要包括用戶權(quán)限管理、在線測溫及溫度補償、數(shù)據(jù)管理、溫度曲線分析、報警功能、自動診斷、遠程通知，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 熱像監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)應(yīng)用

目前白銀有色金屬公司第三冶煉廠熔煉車間使用鼓風爐主要用來熔煉金屬鉛和鋅，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)過程和熱交換過程，生成粗鉛、粗鋅、爐渣等流體產(chǎn)物和爐氣。

爐身整體分布16根熱風管垂直放置、環(huán)狀排列，連接冷卻水套插入爐內(nèi)；熱風管或冷卻壁一旦超溫，可能熱風爐內(nèi)部的隔熱材料出現(xiàn)侵蝕較為嚴重的情況，若不及時采取措施可能會導(dǎo)致嚴重安全事故。針對鼓風爐熱風管前端連接的冷卻水套與周圍冷卻壁易發(fā)生故障且檢查難度大，通過紅外熱像技術(shù)手段對爐體表面進行在線溫度監(jiān)測試驗，可助力企業(yè)排除安全隱患，確保正常生產(chǎn)。

2.1 紅外熱像系統(tǒng)

為提高圖像效果，紅外相機探測器為焦平面非制冷陣列FPA、60Hz幀頻，圖像分辨率為640×480，像元間距17 μm，波長范圍7.5～14 μm，熱靈敏度50 mk@30 ℃，測溫范圍為-20～+2 000 ℃，DC24V供電，RS485串口通信。

整個鼓風爐需要監(jiān)測的冷卻壁和熱風管位于其二層平臺上，整個冷卻壁上共有16根熱風管，采用6臺紅外熱像設(shè)備環(huán)繞實時監(jiān)測。爐身長8.4 m左右，熔煉區(qū)熱風管高2.8 m左右，因此紅外熱像設(shè)備分別安裝在在距離熱風管5～10 m、靠近平臺邊緣的安全區(qū)域。具體安裝位置如圖3示。

圖3 熱像儀安裝示意圖

(1) 位置1:在2號熱風管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測1號、2號、3號熱風管區(qū)域，該區(qū)域為熔煉區(qū)，溫度較高，需采用風冷防護層降溫，在線熱成像儀采用50°視場角。

(2) 位置2：在5號熱風管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測4號、5號、6號熱風管區(qū)域，該區(qū)域為熔煉區(qū)，溫度較高，需采用風冷防護層降溫，在線熱成像儀采用50°視場角。

(3) 位置3：在7號與8號熱風管之間向外10 m左右位置安裝，觀測7號、8號熱風管區(qū)域，在線熱成像儀采用25°視場角。

(4) 位置4:在10號熱風管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測9號、10號、11號熱風管區(qū)域，該區(qū)域為熔煉區(qū)，溫度較高，需采用風冷防護層降溫，在線熱成像儀采用50°視場角。

(5) 位置5：在13號熱風管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測12號、13號、14號熱風管區(qū)域，該區(qū)域為熔煉區(qū)，溫度較高，需采用風冷防護層降溫，在線熱成像儀采用50°視場角。

(6) 位置6：在15號與16號熱風管之間向外10 m左右位置安裝，觀測15號、16號熱風管區(qū)域，在線熱成像儀采用25°視場角。

2.2 熱像系統(tǒng)檢測結(jié)果

系統(tǒng)檢測流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)檢測流程圖

為實現(xiàn)鼓風爐不停機巡檢維護，通過使用紅外熱像儀在爐壁表面在線監(jiān)測，設(shè)備可根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境溫度自動進行溫度補償，以滿足不同溫度環(huán)境下的測溫需求；對鼓風爐熱風管外壁和冷卻壁不同部位可分別設(shè)定監(jiān)測報警區(qū)域，實現(xiàn)獨立測溫及獨立報警。按照鼓風爐日常實際生產(chǎn)維護信息設(shè)定不同部位的高溫報警值和溫升報警值，將各溫度測量值與預(yù)設(shè)報警值實時比較，當監(jiān)測區(qū)域超過預(yù)設(shè)值時報警，啟動相應(yīng)冷卻裝置，記錄報警數(shù)據(jù)，同時將報警信息發(fā)送給工作人員。通過與數(shù)據(jù)庫中存儲的冷卻壁缺陷、隔熱材料缺陷、熱風裝置缺陷等數(shù)據(jù)信息對比分析，預(yù)判故障類型并跟蹤分析事故原因。

經(jīng)過現(xiàn)場測溫，發(fā)現(xiàn)熔煉區(qū)冷卻壁溫度在65 ℃左右，而熱風管溫度則較高，直管在200 ℃左右，接頭處溫度在400 ℃左右，檢測結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明熱風管處溫度遠高于冷卻壁溫度，熱風管末端水套與爐體冷卻壁連接處是系統(tǒng)重點監(jiān)測區(qū)域。

圖5 紅外熱像圖

3 結(jié) 語

白銀有色金屬公司第三冶煉廠熔煉車間鼓風爐，應(yīng)用紅外熱像溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)，實時在線全方位高精度測量爐體表面溫度，系統(tǒng)設(shè)備無人化操作24 h運行，自動檢測爐體表面溫度，值守人員可以清晰地觀察到爐壁表面溫度變化情況，適時調(diào)整熱風風量、風溫，使爐子處于最佳工作狀態(tài)，達到高產(chǎn)，并提高爐子使用壽命。

鼓風爐改造后，熔煉車間監(jiān)控室操作工每個班次減少1名，替代并節(jié)省2～3人作業(yè)成本。爐子停工放炮檢修周期從3～5天延長至12～15天，減少了鼓風爐停工時間和故障發(fā)生率，提高爐子熔煉粗鉛、粗鋅和其他物質(zhì)的產(chǎn)量，確保鉛鋅熔煉生產(chǎn)安全可靠運行。