燒結機漏風率在線監測系統的設計與實現

(1.青島大學 機電工程學院，山東 青島 266071；2.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266520; 3.山東國舜建設集團有限公司，山東 濟南 250307)

抽風燒結工藝是目前鐵礦粉造塊的主要方法，廣泛應用于冶金行業[1]。燒結過程中，由于燒結機設計、設備磨損老化等因素，造成燒結機系統漏風，從而降低燒結機產量及燒結礦質量[2]。數據表明，目前國外燒結機漏風率有的已經降到了30%以下，而國內鋼鐵廠家的漏風率大多在45%～60%[3-4]，青島特鋼燒結機漏風率目前在50%以上。國外一些燒結廠的實踐證明：燒結機漏風率每減少10%，燒結礦可增產6%，每噸燒結礦可減少電耗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]。在燒結生產過程中，對燒結機漏系統主要風部位的漏風率進行漏風率在線監測，針對漏風加劇的部位，及時對設備進行檢修、維護或者更換，可以有效降低燒結過程的能耗，節約生產成本，提高燒結礦質量，增加生產效益。

1 檢測原理

1.1 氧含量法

燒結機漏風率在線監測系統的檢測原理采用氧氣平衡法[6](下稱氧含量法)進行測定及分析，如圖1所示。

圖1 氧含量法示意圖

其原理是假定風箱系統無漏風，則進入風箱系統的廢氣氧氣量——篦條下廢氣的氧氣量，等于離開系統的廢氣氧氣量——風箱下部的廢氣氧氣量。由于系統漏風的存在，進入系統的廢氣混入一定量的空氣，所以進入系統的氧含量隨之變化，由此可建立系統氧含量平衡[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為系統漏風氣體體積流量(m3/min)；(V1+V2)為大風箱下部氣體體積流量(m3/min)；O2為爐篦下風箱氣體中氧氣含量(%)；21%為漏入的空氣中氧氣含量；O′2為煙道上風箱氣體中氧氣含量(%)。

由式(1)可以得出系統漏風氣體體積流量：

(2)

定義系統漏風率為

(3)

1.2 氧含量法在線監測原理

燒結機漏風率在線監測系統的設計原理是利用氧含量傳感器在線采集燒結機爐篦下和風箱下部的的氧含量數據，通過通信技術將數據輸送到計算機[9-11]，經過所設計的軟件對數據進行處理，在系統界面上顯示實時的漏風率數據，根據每組風箱的漏風率特征系統做出判斷，一旦某個風箱的漏風率數據超出與之對應的范圍，則系統發出報警信號，及時通知管理員，以便工作人員采取有針對性的降低漏風率的措施。

在線監測系統的設計方案如圖2所示，系統為了實現對青島特鋼燒結機的15個風箱漏風率進行在線監測，需要采集每個風箱位置的兩組氧含量數據，分別是風箱上部篦條下的氧含量和風箱下部的氧含量。為此系統通過16個氧含量傳感器采集氧含量數據，氧含量傳感器1～15固定安裝在風箱下部，氧含量傳感器16安裝在移動的臺車上，燒結過程中臺車以1 m/min的速度往前運動，依次采集15個風箱篦條下的氧含量數據。由于傳感器16跟隨臺車運轉，所以需要對此臺車進行定位，系統采用接近開關獲取臺車的位置，在傳感器16經過每個風箱正上方時，系統采集此風箱對應的兩組氧含量數據，完成對此風箱的漏風率檢測。臺車運轉時往前運動，系統依次檢測15個風箱的漏風率數據，定義臺車運轉一周為周期T，則系統在T時間內完成對每個風箱漏風率的一次測量。

圖2 在線監測系統的設計方案

2 系統硬件設計

2.1 傳感器的選型

2.1.1 氧化鋯氧氣含量分析儀

為獲取燒結煙氣中的氧含量數據，系統選用氧化鋯氧氣含量分析儀作為數據采集端，該儀表可對燃燒過程中所產生的氧氣含量進行快速、正確的分析，實用可靠[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RS485接口輸出信號，對應可檢測的氧含量范圍為0～20.6%，被檢測煙氣溫度最高可達1300 ℃。

在安裝和配置好系統硬件后，氧含量傳感器的探頭深入爐篦下，氧含量傳感器的測量誤差受測量環境的影響較小，主要的誤差來自傳感器的系統誤差。系統誤差對漏風率存在一定的影響，但是只要漏風率穩定在相應的范圍內，系統判斷風箱沒有漏風加劇的情況，則并不需要工作人員采取措施。只有當風箱漏風率發生明顯變化時，系統才會發出報警，所以氧含量傳感器的誤差對監控系統功能的實現并沒有影響。

2.1.2 接近開關

系統氧含量傳感器在采集篦條下氧含量數據時，需要對傳感器是否位于風箱正上方進行判斷，接近開關是適用于此的理想選擇。當金屬檢測體接近開關的感應區域，開關就能無接觸地迅速發出電氣指令，使開關動作，從而給計算機(PLC)裝置提供控制指令[13]，它能準確反映出運動機構的位置，動作可靠，性能穩定，頻率響應快。為適應燒結機生產臺車運轉的環境，系統選用電感型接近開關，該接近開關的工作電壓為15～30 V，檢測距離為2～20 mm，輸出的模擬信號為4～20 mA，接線方式為端子連接，具有浪涌、短路、反極性和過載保護等特性。

2.2 數據采集模塊的設計

考慮到監測系統的需要和單片機的特點，選擇嵌入式單片機系統[14]進行氧含量的數據采集。系統采用的是基于ARM?Cortex?M處理器內核的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存儲器，6～64 KB的SRAM存儲器，為氧含量數據的采集、處理和存儲提供支持。同時該控制器集成12通道DMA控制器；3個12位的μs級的A/D轉換器(16通道)，具有雙采樣和保持能力，以及豐富的I/O端口方便數據的傳輸。

氧含量傳感器與數據采集板的連接方式選擇如圖3所示。在燒結生產過程中，燒結機風箱的位置固定不動，風箱下部的傳感器距離生產車間辦公室約為60 m，要對風箱下部的15個氧含量傳感器進行數據采集，可選用能在遠距離條件下以及電子噪聲大的環境下能有效傳輸信號的RS485[15]總線；而燒結機臺車始終處于運轉狀態，故氧含量傳感器16無法使用RS485總線連接，為實現無線傳輸，在線監測系統選擇使用WiFi模塊將傳感器16與數據采集板連接。

圖3 系統結構的設計圖

2.3 對臺車的改造

在采集燒結機臺車爐篦下煙氣中的氧含量時，為了安置氧含量傳感器，需要將臺車車輪上部銑孔并焊接法蘭盤結構[16]。氧化鋯氧含量傳感器通過法蘭盤固定在臺車上，傳感器的金屬端部為接近開關的檢測體，接近開關的感應裝置安裝在15個風箱的上方，連接A/D轉換器，轉換器采用RS485總線與數據采集板擴展板相連。當固定氧含量傳感器的臺車經過風箱的正上方時，系統開始采集對應風箱的氧含量數據。

3 系統軟件設計與實現

3.1 系統開發平臺

由于Visual Studio.NET具有強大且先進的數據庫工具、強健而靈活的軟件建模、高效的體系結構指導、關鍵的測試功能和集成的源代碼控制等優勢，極大減小了系統功能實現的難度[17]。因此在軟件的開發中選擇了面向對象的程序設計語言，通過Visual Studio 2017開發環境，完成了系統整體功能的實現。

3.2 系統軟件設計

燒結機漏風在線監測系統的功能核心由現場監測和數據管理兩個部分構成的。現場監測部分主要采集及匯總現場篦條下氧含量及風箱上部氧含量數據，并將采集到的氧含量數據和處理得到的漏風率顯示在計算機界面上，同時還包括監測漏風率突然加劇的報警功能；數據管理部分的主要功能是分析管理采集到的數據，輸出報表和查詢相關歷史數據等。將這兩部分有機結合在一起，才能實現整個監測系統的功能[18]。

監測系統的現場監測部分在一個周期T內的工作流程如圖4所示。系統開機后，首先進行系統的初始化，當固定氧含量傳感器16的臺車運行到1號風箱正上方時，接近開關響應，系統開始工作，采集1號風箱對應的篦條下氧含量和風箱下部氧含量兩組數據，從而得到1號風箱的漏風率數據，如果漏風率超過所設置的范圍，則系統報警，提示工作人員進行操作，同時系統繼續等待下一風箱的接近開關響應，進入下一風箱的漏風率檢測，直至檢測完成最后一個風箱，則系統完成一個周期內對每個風箱漏風率的一次測量。

圖4 一個監測周期內的程序流程圖

3.3 系統的應用情況

燒結機漏風率在線監測系統的設計界面如圖5所示，圖線選擇部分默認選擇1號風箱，選擇數據項即可在圖線框顯示所選擇的數據。

軟件風箱欄按鈕決定圖線欄X軸的坐標，風箱按鈕選擇1～15號風箱時，X軸坐標為時間；風箱選擇ALL按鈕即選擇所有風箱時，X軸坐標為1～15號風箱。數據欄分別為爐篦下氧含量、風箱下部氧含量和漏風率三組數據。燒結機漏風率在線監測系統程序運行時，能夠直觀地顯示各風箱的氧含量及漏風率數據，并記錄數據，提供歷史數據查詢、生成報表、報警記錄查詢等功能。

圖5 系統界面的設計圖

為進一步分析青島特鋼燒結機各風箱漏風的現狀及規律，將上述時刻燒結機漏風率在線監測系統檢測到的漏風率數據調取出來，得到燒結機各風箱的漏風率如表1所示。

表1 燒結機風箱漏風率檢測結果 單位：%

通過對表1分析可得，青島特鋼燒結機機頭處的1號和2號風箱及機尾處的14號和15號風箱漏風嚴重，主要原因是目前青島特鋼燒結機機頭機尾密封采用的是四桿配重式技術，由于積灰生銹導致傳動副阻力增大、桿件受熱變形等原因，使得密封效果下降。同時系統界面提示8號風箱漏風異常，經工作人員檢查，發現8號風箱固定螺栓脫落造成漏風加劇，經工作人員及時更換，系統漏風恢復正常。

4 結論

① 燒結機漏風率在線監測系統的設計，實現了對燒結生產過程中風箱漏風的在線監測，及時反映了燒結機漏風率的變化，方便了工作人員及時采取降低漏風率的措施。該系統在青島特鋼燒結機上經過運行調試，結果表明燒結機系統漏風率由43%降低到了28%,可以有效提高燒結生產的能源利用率和燒結礦質量，提高生產效益。

② 目前系統僅對燒結機的風箱段進行漏風率監測，應用此系統同樣可以實現對燒結系統煙道漏風、除塵器漏風的在線監測。燒結機漏風率在線監測系統使得燒結機漏風可視化，對于推動鋼鐵行業綠色發展，具有一定的推廣價值。