高爐熱風爐系統紅外成像監測技術開發與應用

于占忠

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵作業部，河北唐山 063200）

1 高爐熱風爐系統現狀

高風溫是現代高爐煉鐵的重要技術特征和發展方向，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 熱風爐系統存在的問題

熱風系統（熱風爐本體和管系）普遍存在高溫點開裂問題，且次數增加、程度加重。京唐熱風系統設計規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。熱風系統波紋管投產后陸續出現高溫點（設計要求溫度＜200℃）和開裂現象。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）屬于超高溫區域（內部熱風溫度1400℃），高溫下薄弱點不同程度地發生開裂，存在極大的安全隱患。高爐熱風系統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，熱風爐爐殼狀態無法實現全面、全天候監測；②爐殼開裂具有突發性，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運行，首要任務是將現有熱風系統的不安全因素全面、詳細、實時地監控起來，并對監控數據信息進行處理，以便將熱風系統控制在安全運行范圍內。

圖1 熱風爐爐殼和熱風管系波紋管開裂燒出

2 熱風爐紅外成像監測系統開發

2.1 熱風爐紅外成像系統

熱風系統紅外成像監測系統設置15個溫度監測點，其中熱風爐爐殼溫度監測點9個，熱風管系監測點6個。在考慮成本情況下，經現場考察，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測畫面通過光纖實時傳輸到監測計算機。計算機對畫面進行在線顯示，同時建立數據庫，將監測點數據進行自動分析和處理，繪制各區域的溫度變化曲線，給出各區域溫度變化速率，異常點的報警。如圖2所示。

2.2 熱風爐紅外成像系統原理

圖2 熱風系統紅外成像監測系統

紅外熱像儀根據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域的溫度分布[2]。紅外熱像儀測量得到的數據傳輸給計算機系統，計算機軟件對數據進行整合、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、覆蓋范圍廣等優點，圖3為熱風爐紅外成像監測圖。

圖3 熱風爐紅外成像監測圖

2.3 熱風爐紅外成像系統開發

主要目標：以京唐高爐熱風系統為對象，開發首鋼京唐熱風系統紅外成像監測技術。主要研究內容：①硬件及網絡構架方案與實現；②程序代碼編寫與軟件系統的開發。

熱風系統紅外成像技術要實現或滿足的功能：①監測功能，可疑區域內熱風系統的監測范圍覆蓋區，時序上實現連續監測，對表面溫度的監測結果上要趨勢可靠、精度足夠高；②達到一定溫度后的報警功能，依據設計規范熱風管道＜200℃、熱風爐本體150℃，按接近該溫度的程度，進行警示或報警，并給出警示區域位置（精度0.5 m）；③對超過設計規范的部位或區域，除上述溫度監測數據外，記錄一段時間的視頻數據信息，并能回放；④系統應具有較強的兼容和再開發性。將研究開發的紅外成像技術應用到實際生產中，保證大型高爐熱風系統安全穩定運行。

3 熱風爐紅外成像監測系統應用

3.1 熱風爐紅外成像監測系統架構

根據京唐1#高爐4臺熱風爐的布置和內部設備連接情況，為實現熱風爐爐殼（14-16帶）和熱風管系（熱風支管和熱風主管）區域的測溫監測覆蓋，經現場考察，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，實現熱成像儀對全部監測目標區域的定時掃描或定點監測。移動紅外熱成像儀的設置點根據各固定點的監測結果，對最危險區域，且周邊有管道或設備遮擋，無法通過固定探頭直接監測時，近距離設置移動紅外熱成像儀進行連續監測。

紅外熱成像儀監測畫面通過光纖實時傳輸到監測計算機。計算機對各畫面進行在線顯示，同時建立數據庫，將所監測點的數據進行自動分析和處理，繪制各區域的溫度變化曲線，給出各區域溫度變化速率、異常點的報警。

圖4 熱風爐紅外成像監測系統架構

3.2 紅外成像監測系統應用中存在問題及解決方案

（1）材料自身的紅外輻射發射特性是熱成像儀對熱風爐爐殼準確測溫的關鍵。在前期熱風爐測試中發現，相同溫度下，同一設備不同區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，產生的紅外輻射能量不同，當整個監測對象用固定輻射率換算溫度時，產生較大誤差。

解決方案：①調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，確定不同材料區域的接收紅外輻射率；③各測量點的監測區域設置不同的紅外輻射率，獲得該區域準確的熱成像監測溫度；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。現場考察發現，除北側相對開闊無遮擋外，其他三側周邊均有許多設備，難以找到完全覆蓋的紅外熱成像儀安裝點。近距離監測的設備區域有限。此外，4個熱風爐內部管道和閥門密布，沒有能覆蓋所有監測區域的定向安裝點。

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

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

解決方案：根據所監測的熱風爐爐殼區域，建立對應的數據庫。開發溫度數據，確保監測數據和處理結果的準確性和代表性。

4 結語

高爐熱風爐紅外成像監測系統，基于紅外熱像儀根據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域的溫度分布。紅外熱像儀測量所得到的數據，傳輸給計算機系統，計算機軟件對數據進行整合、分析、處理，得到有用的信息，并通過簡單界面呈現給操作者。紅外成像監測系統，可實時監測和分析數據變化，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，實現實時監測和數據分析，替代熱風爐危險區域的巡檢人員，消除安全隱患，確保安全生產。