爐頂攝像係統在高爐上的應用及改進分享
爐頂攝像係統在高爐上的應用及改進分享
摘要：本文闡述了煉鐵高爐爐頂紅外攝像裝置的原理、安裝、應用及改進，該裝置對及時了解和掌握高爐爐喉的料麵情況、煤氣流的分布狀況，對指導高爐操作、維護爐況順行和穩定，改善各項技能指標，發揮了重要作用。
前言
高爐在冶煉生鐵的過程中，是一個連續生產的密閉體。用運動學的觀點來看，高爐的生產過程就是爐料的不斷下降與煤氣流的不斷上升這兩個相對運動構成的,這兩個運動相互製約又相互依存。高爐操作的目標就是盡可能使這兩組運動處於最佳的運動狀態(即爐況順行)而獲取最大的經濟效益。在生產中，操作者通過裝料製度的調整及鼓風參數的調整來調劑爐內氣流的分布狀況。長期以來，操作者都隻能通過爐喉溫度、十字測溫、爐頂探尺裝置及常規的溫度、壓力、流量和煤氣成分等外部檢測手段來做間接判斷，由於爐內煤氣流的分布狀況不穩定(且亦是理論推測)，加之操作者的技術能力素質和經驗各不相同，因而不可避免地出現判斷和調劑的偏差。爐頂攝像係統的應用為高爐操作者提供了更為清晰直觀的調控依據和調控手段。承鋼新4號高爐(2500m3)於2008年9月建成投產，高爐爐頂攝像係統同時投入使用，該係統獲得了對高爐操作具有指導意義的直觀影像，使操作人員能及時地了解高爐爐內的裝料狀況，料麵高度、形狀、下料實況，中心和邊緣煤氣流分布以及布料流的運動情況。它為高爐操作者製定合理的操作製度提供了科學依據，特別是其顯示的煤氣流分布狀況，為操作者及時調整裝料製度，尋求合理的煤氣流分布，穩定爐況立下了汗馬功勞。
1、攝像裝置的原理及組成
攝像裝置采用的CCD芯片具有可見光和紅外雙重功能，通過紅外線接收器把爐料和煤氣等發熱體表麵多點的紅外輻射能量轉換為電信號，再轉變為視頻信號，通過視頻線輸入到錄像機和監視器上，在監視器屏幕上顯現出黑白實況圖像，並可以進行實時錄像、保存。
攝像係統包括現場控製箱、攝像機、攝像頭、防護套、冷卻係統（氮氣吹掃）、顯示大屏、硬盤刻錄機、監控工控機，具體組成(如圖1)。
現場控製箱是安裝在現場的信號傳輸與控製設備，紅外成像儀從前端采集的各種數據信息通過現場箱可以方便、安全、準確的回傳給控製室內的主控箱，並通過主控箱安裝的各種指示燈、儀表實時、動態、直觀的反映前端設備工作狀況。
保護套、冷卻係統負責保護攝像機不被高溫損壞，在高爐生產過程中，不停的用氮氣吹掃，以冷卻攝像機，另外還起到吹掃粉塵的效果，高爐內是高溫高壓，多粉塵的環境，必須進行不斷的吹掃以保證不讓攝像機積灰過多而影響成像效果。
顯示大屏在主控室內直接將爐內畫麵顯示出來，顯示探尺，溜槽運行情況，料流料麵情況，幫助高爐操作者分析爐況。
硬盤刻錄機和監控主控機具有錄像、存儲和溫度測量、圖像采集、處理的功能，記下高爐運行情況，幫助分析爐況。
圖1：紅外攝像裝置係統組成圖
2、紅外攝像裝置的功能及特點
高爐爐頂紅外攝像係統是一種直接安裝在高爐上的特種高溫工業電視設備。它被直接安裝在高爐爐喉位置上，通過預留孔實時監控爐內料麵形狀及其演變過程。高爐主控人員在值班室監視器上觀察整個料麵的氣流分布圖像，觀察溜槽的運動和加料、布料、料流、料麵形狀及料麵下降等情況，監視爐內管道、塌料等異常爐況。能夠使高爐操作者清晰地目測到布料溜槽的運行和磨損程度(如圖2)，亦能看到十字測溫、探尺工作情況。若降低爐內料麵還可以看到爐襯侵蝕情況，圖像直接送入計算機，經過圖像處理得到料麵氣流分布和溫度分布狀況的定量數據，繪出偽彩圖、溫度數據圖、趨勢圖和分布曲線(如圖3)。操作人員可根據觀察結果和計算機所處理的數據和圖像及時調節爐內狀況，進行安全高效地生產。
圖2：料麵情況 圖3：偽彩圖、溫度數據圖、趨勢圖
本係統具有以下特點：
1）紅外熱成像技術是基於被測目標發出的不可見熱輻射，具有技術先進、實用性強、普查效率高、檢測靈敏可靠、安全性好等優點，是檢測設備運行狀態的一種行之有效的技術手段；具有直觀、快速、全麵、非接觸測溫的特點，其溫度分辨率高，可達到0.1℃，紅外圖像清晰，可連續檢測料麵的瞬態二維溫度分布場和拍攝紅外熱像圖，料麵的各處溫度可以用偽彩色表示，繪出溫度曲線，進行溫度場分析，進而對爐況給出正確的診斷。
2)超寬視場範圍，高溫光學鏡頭選擇視場角不小於90°, 可在監視器上監視全部爐膛及布料溜槽。
3)保護手段完善，為了確保攝像頭安全可靠的長期工作，采用了氮氣冷卻封閉、整個係統隻需提供三路氮氣，全部不鏽鋼材質保護套管，在保護探頭前留有一個直徑6mm的小孔，高溫鏡頭在此向外窺視。同時，高壓（700kPa）氮氣小孔以柱狀形式噴出，充分壓製爐內的氣體及粉塵，保護鏡頭及攝像機。
4)簡單耐用，使用安全，而且操作維護簡易方便，不需要高爐休風就可以任意操作。
3、攝像裝置在承鋼新4號高爐上應用及改進
高爐攝像係統在開始安裝投運時，使用效果並不理想，高爐爐內處於高溫、高壓、高粉塵、高濕度的狀態，經常會出現積灰現象，信號幹擾現象，從而影響成像效果，而且無法在線清理積灰。為了攝像係統在高爐內長期穩定地在線運行，針對以上情況，技術人員對攝像係統進行了一係列的改進，最終達到近乎完美的效果。
取消繁瑣的水冷係統(如圖4），完全用氮氣冷卻，將吹掃主管路由原來的DN20改為DN50，提高吹掃氮氣的壓力和流量，起到冷卻和吹掃的雙重作用，最大化的提高吹掃、冷卻效果，減少紅外攝像機粉塵結灰，提高圖像質量。去掉經常積灰，影響攝像廣角和因積灰卡死的氣動控製切斷閘閥(如圖5），改為手動球閥，為便於裝置與爐外皮連接，按原尺寸製作一套連接鋼板部件。將原攝像機內套由法蘭直管改為長螺紋連接，實現旋轉進出，便於在線安裝拆卸，清理積灰(如圖6)。在攝像機內套前罩加裝4個刮刀片(如圖7)，利用旋轉內套180度實現手動刮灰。將橋架內同軸電纜穿鋼管作附加屏蔽，防止外來信號的幹擾造成的成像不清晰，雪花，波紋等。
改造後的高爐爐頂成像係統，在高爐點火後通過監視器直觀而清晰地觀測到爐喉料麵煤氣流的分布情況及爐料的分布狀況，布料溜槽的運行和磨損程度,對高爐的操作、指標改善起到了決定性的指導的作用(如圖8、圖9)。該項改進技術目前已在承鋼各高爐推廣，使用效果很好。
圖4：改進前的水冷裝置 圖5：改進前的切斷閘閥
圖6：改進後的現場安裝圖 圖7：改進後的刮刀片
圖8：煤氣流分布情況 圖9：溜槽的運行情況
4、高爐爐頂攝像故障判斷及處理
故障現象1：監視器沒有圖象顯示，屏幕為藍色背景
當屏幕出現藍色背景時，通常是監視器沒有檢測到任何的視頻信號，應檢查如下:
1)檢查現場控製箱內的DC12V電源工作是否正常，電壓輸出是否為DC12V；
2)檢查內套連接電纜是否有鬆脫（視頻、DC12V），頂端的航空插頭是否連接牢固，有無虛接；
3)將攝像機取出，查看其是否損壞，檢查監視器是否損壞，開機看有無顯示；
4)檢查控製室與現場的視頻連接線是否有問題，是否有折斷、虛接現象；
5)如果圖像是通過分頻設備顯示在監視器上的，請檢查分頻設備是否連接正確；
故障現象2：監視器沒有圖像，屏幕是黑色帶有噪點的背景
1)檢查冷卻防護裝置，氮氣吹掃閥是否已經開啟
2)檢查鏡頭光圈開閉的大小(光圈過大和過小都會造成圖像不清晰，最好把攝像頭取出調試好再裝入)；
3)將鏡頭取出，查看鏡頭是否損壞(可用替換法)，鏡頭前端是否有粉塵附著；
4)詢問高爐是否正在上料，如果正在上料，造成頂溫過低，也無法正常成像；
5)檢查是否有積灰,旋轉攝像機清理積灰,或者等到休風拆除攝像機處理積灰。
故障現象3：監視器顯示有幹擾
1)檢查視頻電纜及視頻插頭連接是否正常，有無損壞和虛接現象；
2)傳輸電纜是否單獨敷設，或者與高壓或變頻設備混在一起敷設；
3)擺動溜槽轉動時有幹擾，是溜槽的變頻造成；
4)檢查視頻設備是否統一懸浮、統一接地（接地電位相同）。
注：解決幹擾問題的方法是係統設備的傳輸電纜要獨立穿管，單獨敷設，並與高壓及變頻設備分離，對係統統一接地，統一懸浮。
5、結語
高爐紅外攝像技術的引進和運用，是對傳統爐頂監測手段的改進和創新，對生產有著積極的促進作用。通過爐頂攝像儀，爐內煤氣流分布和料麵狀況就可直觀地顯示出來，為高爐操作者掌握煤氣流分布提供了科學依據，能及時製定合理的操作製度來調節爐況。能幫助失常爐況快速恢複，為提高高爐冶煉強度提供參考依據，能有效監視爐頂設備工作情況。另外，爐頂攝像儀有助於高爐操作者盡快掌握高爐冶煉規律，這對於不易控製，爐況複雜的大高爐更有意義。