1、行業(yè)概述
高爐是用鋼板作爐殼，殼內(nèi)砌耐火磚內(nèi)襯。由于高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標良好，工藝簡單，生產(chǎn)量大，勞動生產(chǎn)效率高，能耗低等優(yōu)點，故這種方法生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的絕大部分。高爐生產(chǎn)時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部沿爐周的風口吹入經(jīng)預(yù)熱的空氣。
高爐結(jié)構(gòu)示意圖
在高溫下焦炭（有的高爐也噴吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料）中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。鐵礦石中未還原的雜質(zhì)和石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣，從渣口排出。產(chǎn)生的煤氣從爐頂排出，經(jīng)除塵后，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵?，還有副產(chǎn)高爐渣和高爐煤氣。
2、行業(yè)應(yīng)用及痛點
隨著煉鐵技術(shù)的不斷進步，高爐的操作和控制水平也在不斷提高，要求按照冶煉過程的變化，定量地評估爐況。而高爐正常生產(chǎn)狀態(tài)下，煤氣流的上升運動與爐料的下降運動相互作用構(gòu)成了高爐料面，料面形狀是煤氣流與爐頂布料矛盾統(tǒng)一運動的客觀結(jié)果，也是材料操作者判斷煤氣流分布、控制高爐冶煉進程的重要依據(jù)。長期以來，只有在休風后打開爐頂人才能直接觀察料面的靜態(tài)情況。正常生產(chǎn)中，只能通過爐體監(jiān)測參數(shù)綜合分析判斷爐內(nèi)煤氣流的分布情況。但高爐是一個龐大的密閉高溫對流反應(yīng)器，影響冶煉的因素錯綜復(fù)雜，這種傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷往往會出現(xiàn)偏差，使高爐操作者調(diào)劑滯后甚至反向、影響高爐穩(wěn)定運行。因此需要通過某種攝像技術(shù)對爐內(nèi)料面情況進行實時的觀測，爐內(nèi)攝像技術(shù)觀測有如下難點：
- 高爐爐內(nèi)處于高溫、高壓、高粉塵、高濕度的狀態(tài)，要使攝像設(shè)備在高爐內(nèi)長期溫度地在線運行，必須解決隔熱冷卻、耐壓、防止鏡片結(jié)露和粘灰等技術(shù)難題。
- 高爐爐內(nèi)料面溫度處于800℃以下，在生產(chǎn)狀況下，爐內(nèi)沒有可見光，即使外加光源，由于可見光不能穿透高爐內(nèi)高粉塵、高濕度的環(huán)境，用一般的攝像系統(tǒng)無法觀測到爐內(nèi)料面的情況。
- 由于爐頂空間狹小，要觀察整個料面的情況，需要研制專用的廣角鏡頭。
- 由于爐頂氣封罩上有上升管、料尺等工藝裝置，可利用的空間有限，攝像設(shè)備必須小型化。
3、紅外熱成像系統(tǒng)
紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受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，熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。紅外熱像儀的非接觸式測溫方式，能夠在不影響軋輥工作的同時測量其實時溫度，并隨時采取降溫措施。
紅外熱像儀的原理
自然界所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體，都會發(fā)出紅外線，紅外線（或稱熱輻射）是自然界中存在廣泛的輻射。大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5微米和8~14微米的紅外線卻是透明的。因此，這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。我們利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的惡劣環(huán)境，能夠清晰地觀察到前方的情況。使用紅外熱成像技術(shù)對高爐爐內(nèi)情況進行觀測，能夠有效地解決爐內(nèi)沒有可見光，高粉塵、高濕度的環(huán)境清晰地顯示料面情況。
基于此技術(shù)基礎(chǔ)，武漢格物優(yōu)信科技有限公司專門研制了專門用來進行高爐料面監(jiān)控的紅外熱成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種安裝在高爐爐頂上，通過預(yù)留孔對爐內(nèi)生產(chǎn)情況進行實時連續(xù)監(jiān)測，在控制室內(nèi)的監(jiān)視器上就可以對爐內(nèi)的料面分布情況，料層燃燒情況進行實時觀察，實時、準確地為高爐操作者做出更正確、更科學的判斷和決策，提高生產(chǎn)效率。
高爐料面紅外監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
整套系統(tǒng)由專用紅外熱像儀、防護罩及傳動保護裝置、網(wǎng)線傳輸系統(tǒng)和后臺顯示系統(tǒng)及軟件組成。
3.1、專用紅外熱像儀
根據(jù)高爐料面觀察的需求，我們特別生產(chǎn)了小孔徑的針孔鏡頭，通過在高爐爐頂開孔將熱像儀放到孔內(nèi)對爐內(nèi)的情況進行監(jiān)測，大視場角的針孔鏡頭不僅能夠保證觀測的范圍還可以減少物料翻騰對鏡頭損壞的幾率。
3.2、防護罩及傳動保護裝置
3.2.1、防護罩
純風冷技術(shù)采用強迫風冷方式，使用簡單，維護方便，不受地區(qū)限制。冷卻技術(shù)是用來保證系統(tǒng)正常工作的風源的一部分用于吹掃鏡頭，針對氣流分布的科學設(shè)計，在鏡頭前形成旋轉(zhuǎn)風幕，增加了風幕的強度和吹掃面積，有效的制止了爐內(nèi)灰塵與鏡頭物鏡的接觸，達到了較好的抗灰防塵效果，以防止鏡頭污染結(jié)焦及冷卻鏡頭; 風源的另一部分進入渦旋制冷管，制出冷風（最高溫差可達23℃），再輸入探頭防護罩，使熱像儀有一個適宜的工作環(huán)境，從而實現(xiàn)整體裝置正常運行。濾清系統(tǒng)采用多級自動精密CKD過濾器，自動除水、除油，基本免于維護。
風冷防護罩結(jié)構(gòu)圖
3.2.2、傳動保護裝置
設(shè)備整體結(jié)構(gòu)采用特種耐高溫不銹鋼材料制成，因此具有高強度的耐高溫、耐腐蝕的性能，并在原有技術(shù)基礎(chǔ)上，采用模具化設(shè)計，設(shè)備外形美觀，小巧輕便。
傳動部分采用高精密金屬導(dǎo)軌傳動，同時采用帶自鎖電機作為動力，動作靈活自如，克服了傳統(tǒng)的絲杠螺母結(jié)構(gòu)容易變形卡死的情況，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、精致，重量輕?？呻妱?手動兩用，使設(shè)備伸進退出平穩(wěn)可靠，現(xiàn)場采用手推、拉探頭罩或是按伸進按鈕,退出按鈕及控制室采用操作器均可以對熱像儀進、退出進行遙控。當壓縮空氣壓力低于設(shè)定值≤0.1Mpa時或熱像儀內(nèi)部溫度高于設(shè)定值≥55℃時或是停電時(需設(shè)置UPS電源)，熱像儀能夠自動退出爐膛，觀察孔自動關(guān)閉并送出報警信號。 溫度控制采用數(shù)顯方式，且可預(yù)先設(shè)置溫控的上下限，實現(xiàn)超溫報警。
傳動保護裝置結(jié)構(gòu)圖
3.3、網(wǎng)線傳輸系統(tǒng)
熱像儀具有標準網(wǎng)絡(luò)接口，可以根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境選用網(wǎng)線傳輸或者光纖進行傳輸，將前端熱像儀的畫面接到后端電腦軟件上，供工作人員進行觀察、記錄。
3.4、后臺顯示系統(tǒng)及軟件
3.4.1、測溫對象的編輯
紅外熱像圖中每一個像素點的溫度都由熱像儀探測到，對于需要與圖像中的某些重點區(qū)域進行溫度分析的時候，可以通過添加測溫對象的方式來進行處理，顯示出局部的溫度?？商砑拥臏y溫對象包括點測溫對象，線測溫對象以及多邊形測溫對象。
在熱像圖中添加測溫對象
?
添加測溫對象后，會顯示出測溫對象的特征溫度，如最高溫、最低溫、平均溫等，方便局部的分析。
3.4.2、獨特的DDE細節(jié)增強算法
針對高爐內(nèi)高溫、高粉塵的環(huán)境，為了解決圖像清晰的問題，對于高爐紅外熱像儀監(jiān)控系統(tǒng)的軟件我們采用了獨特的DDE細節(jié)增強算法能夠除去粉塵、火焰等的影響，清晰直觀地看到料面的情況。
DDE細節(jié)增強前、后的對比
4、總結(jié)
武漢格物優(yōu)信科技有限公司通過多年累積以及結(jié)合現(xiàn)場復(fù)雜的工況，針對高爐料面成像研發(fā)了這套高爐料面紅外熱像儀監(jiān)控系統(tǒng)。通過紅外熱像儀的測溫成像特點解決了高爐內(nèi)密封環(huán)境無法通過可見光進行有效觀測的難題，同時采用小孔徑的針孔鏡頭解決高爐爐頂安裝空間有限的問題，同時通過風冷防護罩以及自動退膛保護裝置保證熱像儀前端的工作環(huán)境溫度，當溫度異常時及時將設(shè)備彈出，保證設(shè)備安全。獨特的DDE細節(jié)增強算法除去爐內(nèi)煙塵、火焰的影響，讓高爐料面的成像畫面清晰度更上一層樓，得到行業(yè)內(nèi)客戶的認可和好評，為提高煉鐵技術(shù)和效率提供了極大的幫助。