用于检测高炉炉顶料面轮廓形状的轮廓仪和高炉控制系统

摘要

本发明涉及一种用于检测高炉炉顶料面轮廓形状的轮廓仪和高炉控制系统，其中包括微波检测装置和保护装置，所述的保护装置包括石英玻璃、自动切断阀、环室吹扫管、四氟乙烯保护垫等结构。采用本发明的轮廓仪能够及时提供高炉炉顶料面状况，安装有微波检测装置在高炉正常运行时点检、维修和石英玻璃事故状态下的保护装置，此装置在开启状态下确保微波通道最大视场角；在微波检测装置在日常点检维修时可以良好的关闭，确保高炉煤气不外泄而造成的人身和设备事故；且利用该轮廓仪的输出信号而编制的应用画面可以直接看到高炉炉顶料面形状轮廓、加料厚度、料层下降速度，为高炉炉顶布料模型提供实测数据，完成高炉布料模型的闭环控制系统，适于大规模推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及高炉特种检测技术领域，尤其涉及高炉炉顶布料技术领域，具体是指 一种用于检测高炉炉顶料面轮廓形状的轮廓仪和高炉控制系统。

背景技术

高炉生产是一个全封闭的生产过程，一个日产10000吨铁水的高炉，每天需要 20000吨左右的矿石、焦炭等原料，这些原料绝大部分是通过高炉炉顶的无料钟设备进入高 炉内，因此合理布料是关系到高炉产量水平，改善顺行，降低燃料消耗，预防、处理高炉冶炼 进程发生的事故以及延长高炉寿命的关键。而高炉内部工作环境极其恶劣，直接检测料面 情况非常不易，目前采用4个单点料尺和相关21点温度状况来判断高炉炉顶约80平方米面 积大的料面状况，随着高炉操作技术的发展，需要实时的检测料面分布轮廓已经成为当今 世界高炉料面检测的趋势。为了控制高炉料面料面形状，目前大型高炉一般是采用无料钟 布料数学模型，然后根据操作人员的经验和炉顶温度、压力一些相关参数进行修订，因此高 炉炉顶布料控制还处于开环状态。

高炉炉顶的高温、高压、高粉尘，给检测技术带来了很大的困难。传统上对封闭高 炉料面的监视一般采用单点机械料尺测量采集数据，现在也有采用单点的微波检测技术来 测量采集数据。对于料面形状轮廓的检测现在也出现采用微波测距加扫描的方式，这种方 式是将微波(雷达)装置在探杆上，然后插入炉顶内一点一点的将探杆转动进行测量，这种 方式的设备庞大，维护工作量大，因此用户很少；另外也有采用激光加红外成像的方式，通 过成像画面进行图像处理来判断炉顶料面形状轮廓，这种方式对操作人员有直观的作用， 但是很难形成布料模型的闭环控制，影响了高炉操作的自动化水平。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现对每个料批进 行实时检测、及时提供炉顶料面状况、使布料模型达到闭环控制的用于检测高炉炉顶料面 轮廓形状的轮廓仪和高炉控制系统。

该用于检测高炉炉顶料面轮廓形状的轮廓仪，其特点如下，所述的轮廓仪包括：

微波检测装置，用以在高炉在高温、高压连续运行状态下利用毫米波调频连续微 波及抛物线天线测量高炉炉顶料面的数个测量位置点的高度数据；

锥形连接管，用以将所述的微波检测装置固定于高炉炉顶风罩外；

微波设备保护壳体，设置于所述的微波检测装置外部，所述的微波设备保护壳体 下用以保护所述的微波检测装置的工作环境维持在所需的常温常压状态下；

微波透视隔板，设置于所述的连接管和微波设备保护壳体的连接接口，用以隔断 所述的轮廓仪和高炉，所述的微波检测装置通过所述的透明隔板检测高炉内料面情况。

优选地，所述的连接装置为锥形连接管，所述的锥形连接管的口径较小的一端与 所述的微波设备保护壳体相连接，所述的锥形连接管的口径较大的一端固定于高炉炉顶。

更优选地，所述的锥形连接管内侧有抗微波干扰的耐火材料，用以将高炉炉内的 高温进行隔热并让微波与所述的锥形连接管之间进行隔离，使微波不产生反射。

优选地，所述的微波设备保护壳体上具有进气口和出气口，所述的进气口与压缩 空气输入管相连接，所述的出气口用于排出循环气体。

更优选地，所述的出气口还包括压力检测装置。

进一步地，所述的出气口还包括CO气体检测装置，用以诊断所述的透明隔板有无 破损。

更进一步地，所述的出气口还包括警报装置，用以在检测到排出气体压力变化或 检测到CO时发出警报。

优选地，所述的微波设备保护壳体具有切断阀门，用以在高炉不休风时关闭轮廓 仪，所述的切断阀门还具有驱动装置，用以驱动切断阀门的开和关。

优选地，所述的轮廓仪还包括保护垫，设置于所述的透明隔板下面，所述的保护垫 用以保护透明隔板不受高炉炉顶内的气流冲击。

更优选地，所述的保护垫为四氟乙烯保护垫。

最优选地，所述的四氟乙烯保护垫的介质厚度为不小于5mm。

优选地，所述的微波设备保护壳体还包括桥型结构，所述的桥形结构的两端与所 述的壳体的底面连接，所述的微波检测装置设置于桥形结构上。

优选地，所述的连接管上部包括一锥形环室，所述的锥形环室有进气口，用以使吹 扫气体进入环室中并分布到四氟乙烯保护垫下部并吹入到高炉炉顶内。

更优选地，所述的吹扫气体为具有降温作用的氮气。

优选地，所述的轮廓仪设置有低照度视频监测，监测所述的透明隔板的状态。

更优选地，所述的透明隔板为石英玻璃板。

本发明还涉及一种用于检测高炉炉顶料面轮廓形状的轮廓仪的高炉控制系统，所 述的系统还包括输出信号处理设备和控制设备，所述的输出信号处理设备用以将所述的微 波检测装置输出的信号进行编制得到高炉炉顶料面形状轮廓模型，所述的控制设备用以根 据所述的高炉炉顶料面形状轮廓模型对所述的高炉进行闭环控制。

采用了本发明中的轮廓仪和高炉控制系统，具有以下有益效果：本轮廓仪能够对 每个料批进行实时检测，及时提供炉顶料面状况，使布料模型达到闭环控制，并具有很高的 安全性保障和易于维修管理的特点，采用石英玻璃与钢结构壳体的双重保护，消除了煤气 外泄的重大事故发生的可能性，安装有微波检测装置在高炉正常运行时点检、维修和石英 玻璃事故状态下的保护装置，此装置在开启状态下确保微波通道最大视场角；在微波检测 装置在日常点检维修时可以良好的关闭，确保高炉煤气不外泄而造成的人身和设备事故； 在收到报警信号时能自动关闭，确保微波检测装置不受损坏，并且利用该轮廓仪的输出信 号而编制的应用画面，此画面直接看到高炉炉顶料面形状轮廓；直接看到高炉炉顶布料前 后的轮廓形状、加料厚度，为高炉炉顶布料模型提供实测数据，调整布料模型中的参数，使 高炉能高效、节能的运行，从而完成高炉布料模型的闭环控制系统。具有可视性强、操作简 单、结果准确及时、安全性高等特点，适于大规模推广使用。

附图说明

图1为本发明在高炉炉顶安装的位置及测量范围示意图，图中包含检测数据；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明锥形连接管中的视场角与吹扫气体的描述图。

附图标记：

1-1轮廓仪

1-2检测视场角

1-3加料前的料面轮廓线

1-4加料后的料面轮廓线

1-5运行中的料面轮廓线

2-1微波检测装置

2-2桥型结构

2-3基础及保护结构

2-4切断阀门

2-5石英玻璃介质窗口

2-6四氟乙烯保护垫

2-7、3-1锥形连接管

2-8、3-2锥形环室

2-9切断阀门的驱动装置

2-10锥形连接管内侧的耐火材料

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的 描述。

如图1所示，图1中的1-1是本发明中的轮廓仪，它将微波检测装置采用特殊的结构 进行安装，使工作在常温、常压、无粉尘的微波设备能够工作在高炉炉顶上。1-2是轮廓仪检 测中的视场角，这个视场角是确保微波在这个视场角内工作，也就是确保微波在高炉炉顶 内的传播不受影响。将轮廓仪检测到的信号按高炉炉顶的位置编制了1-3、1-4、1-5的应用 画面曲线，1-3是高炉在加料以前的料面轮廓线；1-4是高炉在加料以后的料面轮廓线；1-4 轮廓线与1-3轮廓线的间隔就是高炉炉顶加料的“厚度”。1-5是高炉在运行中的料线轮廓， 通过这个轮廓是操作人员随时掌握料面情况，并由此判断炉况的运行情况：有没有悬料(就 是在一些部位料线没有下降变化)或崩料(就是在一些部位料线突然发生下降、其下降的速 度大于正常值)。

图2中2-1是微波检测装置，此装置是利用74G的微波，采用调频连续波并采用抛物 线天线进行测距。2-2是通过一种“桥型结构”将微波装置在指定的视场角内动作，使微波检 测形成一种轮廓状态。2-3是安装微波检测装置的基础结构，同时又是保护微波设备的结 构；将经除水、除尘的压缩空气引入作用是将结构内的温度降低，使微波设备工作环境处于 常温状态；将结构内的压缩空气引出并控制结构内的压缩空气压力，目的是减少石英玻璃 介质窗口两边的压差，减少石英玻璃损坏的几率；另外在排出气体中设置CO气体检测，以此 来诊断石英玻璃介质窗口有无破损。2-4是切断阀门，设置此阀门的作用是当轮廓仪需要定 期维修或故障时，可以在高炉不休风(停止生产)情况下进行。2-5是石英玻璃介质窗口，由 于高炉炉顶内有高温、高压的高炉煤气并含有高达50g/m³的粉尘，而微波检测装置要求的 工作环境是常温、常压、无粉尘，因此设置石英玻璃介质窗口进行隔离；由于石英玻璃可以 使微波透过，但石英玻璃要对微波信号产生衰减，因此要将微波检测装置的功率提高，以便 克服此衰减。2-6是5mm厚的四氟乙烯保护垫，作用是“保护”石英玻璃介质，由于高炉炉顶内 是固态物料(矿石、焦炭)与高温煤气流共存，物料向下运行、煤气流向上运行，一些颗粒较 小的固态物质在气流中向上有“冲击”，如果冲击到石英玻璃表面，有可能使石英玻璃“破 损”，因此设置了2-6的四氟乙烯来“吸收”这个冲击力，确保石英玻璃的完好。2-7是一个锥 形连接管，承担支撑轮廓仪设备，并承受高炉的高压气体确保设备的密封。2-8是一个锥形 环室，它将氮气分布到四氟乙烯保护垫下部并吹入到高炉炉顶内，形成一股自四氟乙烯保 护垫表面向高炉炉内的气流，此气流的作用是一方面将四氟乙烯表面的温度下降起到降温 作用，另外是这个气流将高炉炉内向上的粉尘颗粒进行“减速”，防止颗粒物对石英玻璃介 质表面的“冲击力”，防止石英玻璃介质被冲击力损坏。2-9是切断阀门的驱动装置，当轮廓 仪监视系统(如2-3所示)发出CO或压力超过设定值时，2-9动作将2-4关闭，确保轮廓仪检测 装置不受损坏。2-10是附着在2-7的内侧的耐火材料，它一方面将高炉炉内的高温进行隔 热，另外是让微波与2-7金属物之间进行隔离，使微波不产生反射。

采用了本发明中的轮廓仪和高炉控制系统，具有以下有益效果：本轮廓仪能够对 每个料批进行实时检测，及时提供炉顶料面状况，使布料模型达到闭环控制，并具有很高的 安全性保障和易于维修管理的特点，采用石英玻璃与钢结构壳体的双重保护，消除了煤气 外泄的重大事故发生的可能性，安装有微波检测装置在高炉正常运行时点检、维修和石英 玻璃事故状态下的保护装置，此装置在开启状态下确保微波通道最大视场角；在微波检测 装置在日常点检维修时可以良好的关闭，确保高炉煤气不外泄而造成的人身和设备事故； 在收到报警信号时能自动关闭，确保微波检测装置不受损坏，并且利用该轮廓仪的输出信 号而编制的应用画面，此画面直接看到高炉炉顶料面形状轮廓；直接看到高炉炉顶布料前 后的轮廓形状、加料厚度，为高炉炉顶布料模型提供实测数据，调整布料模型中的参数，使 高炉能高效、节能的运行，从而完成高炉布料模型的闭环控制系统。具有可视性强、操作简 单、结果准确及时、安全性高等特点，适于大规模推广使用。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出 各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的 而非限制性的。