炉顶摄像系统在高炉上的应用及改进分享
炉顶摄像系统在高炉上的应用及改进分享
摘要：本文阐述了炼铁高炉炉顶红外摄像装置的原理、安装、应用及改进，该装置对及时了解和掌握高炉炉喉的料面情况、煤气流的分布状况，对指导高炉操作、维护炉况顺行和稳定，改善各项技能指标，发挥了重要作用。
前言
高炉在冶炼生铁的过程中，是一个连续生产的密闭体。用运动学的观点来看，高炉的生产过程就是炉料的不断下降与煤气流的不断上升这两个相对运动构成的,这两个运动相互制约又相互依存。高炉操作的目标就是尽可能使这两组运动处于最佳的运动状态(即炉况顺行)而获取最大的经济效益。在生产中，操作者通过装料制度的调整及鼓风参数的调整来调剂炉内气流的分布状况。长期以来，操作者都只能通过炉喉温度、十字测温、炉顶探尺装置及常规的温度、压力、流量和煤气成分等外部检测手段来做间接判断，由于炉内煤气流的分布状况不稳定(且亦是理论推测)，加之操作者的技术能力素质和经验各不相同，因而不可避免地出现判断和调剂的偏差。炉顶摄像系统的应用为高炉操作者提供了更为清晰直观的调控依据和调控手段。承钢新4号高炉(2500m3)于2008年9月建成投产，高炉炉顶摄像系统同时投入使用，该系统获得了对高炉操作具有指导意义的直观影像，使操作人员能及时地了解高炉炉内的装料状况，料面高度、形状、下料实况，中心和边缘煤气流分布以及布料流的运动情况。它为高炉操作者制定合理的操作制度提供了科学依据，特别是其显示的煤气流分布状况，为操作者及时调整装料制度，寻求合理的煤气流分布，稳定炉况立下了汗马功劳。
1、摄像装置的原理及组成
摄像装置采用的CCD芯片具有可见光和红外双重功能，通过红外线接收器把炉料和煤气等发热体表面多点的红外辐射能量转换为电信号，再转变为视频信号，通过视频线输入到录像机和监视器上，在监视器屏幕上显现出黑白实况图像，并可以进行实时录像、保存。
摄像系统包括现场控制箱、摄像机、摄像头、防护套、冷却系统（氮气吹扫）、显示大屏、硬盘刻录机、监控工控机，具体组成(如图1)。
现场控制箱是安装在现场的信号传输与控制设备，红外成像仪从前端采集的各种数据信息通过现场箱可以方便、安全、准确的回传给控制室内的主控箱，并通过主控箱安装的各种指示灯、仪表实时、动态、直观的反映前端设备工作状况。
保护套、冷却系统负责保护摄像机不被高温损坏，在高炉生产过程中，不停的用氮气吹扫，以冷却摄像机，另外还起到吹扫粉尘的效果，高炉内是高温高压，多粉尘的环境，必须进行不断的吹扫以保证不让摄像机积灰过多而影响成像效果。
显示大屏在主控室内直接将炉内画面显示出来，显示探尺，溜槽运行情况，料流料面情况，帮助高炉操作者分析炉况。
硬盘刻录机和监控主控机具有录像、存储和温度测量、图像采集、处理的功能，记下高炉运行情况，帮助分析炉况。
图1：红外摄像装置系统组成图
2、红外摄像装置的功能及特点
高炉炉顶红外摄像系统是一种直接安装在高炉上的特种高温工业电视设备。它被直接安装在高炉炉喉位置上，通过预留孔实时监控炉内料面形状及其演变过程。高炉主控人员在值班室监视器上观察整个料面的气流分布图像，观察溜槽的运动和加料、布料、料流、料面形状及料面下降等情况，监视炉内管道、塌料等异常炉况。能够使高炉操作者清晰地目测到布料溜槽的运行和磨损程度(如图2)，亦能看到十字测温、探尺工作情况。若降低炉内料面还可以看到炉衬侵蚀情况，图像直接送入计算机，经过图像处理得到料面气流分布和温度分布状况的定量数据，绘出伪彩图、温度数据图、趋势图和分布曲线(如图3)。操作人员可根据观察结果和计算机所处理的数据和图像及时调节炉内状况，进行安全高效地生产。
图2：料面情况 图3：伪彩图、温度数据图、趋势图
本系统具有以下特点：
1）红外热成像技术是基于被测目标发出的不可见热辐射，具有技术先进、实用性强、普查效率高、检测灵敏可靠、安全性好等优点，是检测设备运行状态的一种行之有效的技术手段；具有直观、快速、全面、非接触测温的特点，其温度分辨率高，可达到0.1℃，红外图像清晰，可连续检测料面的瞬态二维温度分布场和拍摄红外热像图，料面的各处温度可以用伪彩色表示，绘出温度曲线，进行温度场分析，进而对炉况给出正确的诊断。
2)超宽视场范围，高温光学镜头选择视场角不小于90°, 可在监视器上监视全部炉膛及布料溜槽。
3)保护手段完善，为了确保摄像头安全可靠的长期工作，采用了氮气冷却封闭、整个系统只需提供三路氮气，全部不锈钢材质保护套管，在保护探头前留有一个直径6mm的小孔，高温镜头在此向外窥视。同时，高压（700kPa）氮气小孔以柱状形式喷出，充分压制炉内的气体及粉尘，保护镜头及摄像机。
4)简单耐用，使用安全，而且操作维护简易方便，不需要高炉休风就可以任意操作。
3、摄像装置在承钢新4号高炉上应用及改进
高炉摄像系统在开始安装投运时，使用效果并不理想，高炉炉内处于高温、高压、高粉尘、高湿度的状态，经常会出现积灰现象，信号干扰现象，从而影响成像效果，而且无法在线清理积灰。为了摄像系统在高炉内长期稳定地在线运行，针对以上情况，技术人员对摄像系统进行了一系列的改进，最终达到近乎完美的效果。
取消繁琐的水冷系统(如图4），完全用氮气冷却，将吹扫主管路由原来的DN20改为DN50，提高吹扫氮气的压力和流量，起到冷却和吹扫的双重作用，最大化的提高吹扫、冷却效果，减少红外摄像机粉尘结灰，提高图像质量。去掉经常积灰，影响摄像广角和因积灰卡死的气动控制切断闸阀(如图5），改为手动球阀，为便于装置与炉外皮连接，按原尺寸制作一套连接钢板部件。将原摄像机内套由法兰直管改为长螺纹连接，实现旋转进出，便于在线安装拆卸，清理积灰(如图6)。在摄像机内套前罩加装4个刮刀片(如图7)，利用旋转内套180度实现手动刮灰。将桥架内同轴电缆穿钢管作附加屏蔽，防止外来信号的干扰造成的成像不清晰，雪花，波纹等。
改造后的高炉炉顶成像系统，在高炉点火后通过监视器直观而清晰地观测到炉喉料面煤气流的分布情况及炉料的分布状况，布料溜槽的运行和磨损程度,对高炉的操作、指标改善起到了决定性的指导的作用(如图8、图9)。该项改进技术目前已在承钢各高炉推广，使用效果很好。
图4：改进前的水冷装置 图5：改进前的切断闸阀
图6：改进后的现场安装图 图7：改进后的刮刀片
图8：煤气流分布情况 图9：溜槽的运行情况
4、高炉炉顶摄像故障判断及处理
故障现象1：监视器没有图象显示，屏幕为蓝色背景
当屏幕出现蓝色背景时，通常是监视器没有检测到任何的视频信号，应检查如下:
1)检查现场控制箱内的DC12V电源工作是否正常，电压输出是否为DC12V；
2)检查内套连接电缆是否有松脱（视频、DC12V），顶端的航空插头是否连接牢固，有无虚接；
3)将摄像机取出，查看其是否损坏，检查监视器是否损坏，开机看有无显示；
4)检查控制室与现场的视频连接线是否有问题，是否有折断、虚接现象；
5)如果图像是通过分频设备显示在监视器上的，请检查分频设备是否连接正确；
故障现象2：监视器没有图像，屏幕是黑色带有噪点的背景
1)检查冷却防护装置，氮气吹扫阀是否已经开启
2)检查镜头光圈开闭的大小(光圈过大和过小都会造成图像不清晰，最好把摄像头取出调试好再装入)；
3)将镜头取出，查看镜头是否损坏(可用替换法)，镜头前端是否有粉尘附着；
4)询问高炉是否正在上料，如果正在上料，造成顶温过低，也无法正常成像；
5)检查是否有积灰,旋转摄像机清理积灰,或者等到休风拆除摄像机处理积灰。
故障现象3：监视器显示有干扰
1)检查视频电缆及视频插头连接是否正常，有无损坏和虚接现象；
2)传输电缆是否单独敷设，或者与高压或变频设备混在一起敷设；
3)摆动溜槽转动时有干扰，是溜槽的变频造成；
4)检查视频设备是否统一悬浮、统一接地（接地电位相同）。
注：解决干扰问题的方法是系统设备的传输电缆要独立穿管，单独敷设，并与高压及变频设备分离，对系统统一接地，统一悬浮。
5、结语
高炉红外摄像技术的引进和运用，是对传统炉顶监测手段的改进和创新，对生产有着积极的促进作用。通过炉顶摄像仪，炉内煤气流分布和料面状况就可直观地显示出来，为高炉操作者掌握煤气流分布提供了科学依据，能及时制定合理的操作制度来调节炉况。能帮助失常炉况快速恢复，为提高高炉冶炼强度提供参考依据，能有效监视炉顶设备工作情况。另外，炉顶摄像仪有助于高炉操作者尽快掌握高炉冶炼规律，这对于不易控制，炉况复杂的大高炉更有意义。