高炉料层测量方法及装置与流程

本发明涉及一种钢铁生产设备，具体地说涉及一种高炉，特别是涉及一种高炉料层测量方法及装置。

背景技术：

高炉炼铁时，炉料由炉顶的“无料钟”装入炉内，借助于高炉下部的鼓入的热风，通过燃烧焦炭产生热量和一氧化碳，一方面加热炉料，另一方面还原炉料，从而实现生铁的正常生产。同时高炉的冶炼过程也是通过布料和鼓风参数来进行调节的。高炉操作中通过调整布料量、布料顺序、控制炉料落点等措施，可以调控高炉内部煤气流的分布，从而控制CO、CO₂、H₂等在炉内的分布状态，一方面控制热量在炉内的分布，两一方面控制炉内不同部位化学反应速度，进而实现高炉生产的优化、故障处理等功能。

布料时一般从炉顶装入两种炉料，焦炭和矿石，焦炭作为燃料单独装入，矿石一般包括烧结矿、球团矿、块矿，在料罐中经混合后一起装入高炉中。目前几乎所有大型高炉都是采用无钟布料设备将炉料布入炉内，实现炉料的装入，这种设备是通过溜槽在不同角位旋转不同圈数来实现逐渐将炉料布入炉内。

炉料装入炉内后，矿石和焦炭均会形成一定的层状料层，并沿高炉半径方向形成一定厚度，一般会形成边缘带平台的料面形状。炉内燃烧焦炭产生热量和一氧化碳在炉膛内形成气流，因布料种类和布料量的差异，焦炭和矿石在炉顶沿半径方向形成厚度不同的分布，而气流流动均受到料层粒度和厚度的影响。矿石粒度小、比重大，形成的料层厚度大的地方对煤气流的阻力也大，也就是说矿石层和焦炭层的不同厚度实际上代表了其对煤气流的不同阻力。生产中一般用矿石和焦炭层的厚度比，即O/C比来作为高炉炉顶气流调剂的一种评判标准。

在高炉操作中，O/C比的分布直接决定了高炉气流分布，这个参数对高炉操作至关重要。但在实际高炉操作中O/C比很难精确计算出来，主要是由于布完焦炭后形成的料面形状，在后续布矿过程中，因矿石冲击力大，落在由散料构成的焦炭层上时，焦炭层会发生塌落，这种塌落会破坏布后续矿前形成的焦炭料面形状，从而不能获得真实的O/C比分布，其核心问题就是不清楚地获知炉料的塌落量、塌落位置、焦炭及矿石混合的状况。文献“Kim L Hochings， John M Burgess，Application of ‘Rabit’ Burden Distribution Modelto BHP Blast Furnaces，IRONMAKING CONFERENCE PROCEEDINGS，USA，1988，P289～296。”中提供了一种利用散料层边坡稳定理论来计算料层塌落的算法，这种方法多年来只见于日本高炉，在其他国家很难推广，究其原因有下列三点：一方面在计算过程中需要确定炉料安息角、确定公式参数，这些参数都是基于测量值确定的，不进行实际测量，很难准确确定；另一个方面用该理论可以计算自由料面的炉料塌落量，但高炉内部是一个封闭性、约束性空间，炉料受冲击时是一种约束性塌落，边坡稳定性理论用在此处并不适合；再一个方面是这种方法毕竟只是一种理论计算，实际状况如何还是需要进行实际校验。

正是由于O/C比分布在高炉操作中对气流分布有极其重要的作用，因此需要掌握焦炭层在矿石冲击下的布料规律。

鉴于高炉是一个巨大的密闭反应器，一旦高炉运行后，除非高炉中修，或者高炉大修，否则高炉生产不会停止，高炉炉顶一直处于一种高温、高粉尘、高压的密闭状态，根本无法实现料面变形的直接测量。目前世界上所有研究炉料变形的实验都是在高炉开炉前的装料过程中完成的。文献“张毅等，武钢新3号高炉开炉装料实测，武钢炼铁40年，华中理工大学出版社，371页～379页。”中公开了一种人工玻璃板测量法。该方法通过在炉顶矿石层中沿半径方向打入钢钎形成了支撑杆，在支撑杆旁垂直安置带刻度的有机玻璃板，将玻璃板固定在两排钢钎之间，然后在矿石层上布入焦炭，焦炭布完后，相关人员进入炉内，测定焦炭层料面形状，记录焦炭层厚度，然后再布入矿石，布料完成后相关人员再一次进入炉内，测量矿石层形状并记录矿石层厚度，同时扒开矿石层观察焦炭层的变化，判断矿石对焦炭的冲击变形。巨大的有机玻璃板会阻挡炉料的滚动、滑落，形成严重的“器壁效应”，破坏实际的料面分布；同时该方法费时费力，测量一次需花费3～5天的时间，严重影响生产进度；并且，随着高炉的大型化，目前高炉内容积一般会超过4000m³，如此巨大的高炉一次炉料的装入量会超过200吨，炉料堆积厚度超过1米，如此大量的炉料具有巨大的冲击动能，对于3～5米高的有机玻璃板而言，很难抵御这种长时间、剧烈打击，若采用有机玻璃板来实现3～5批料的料面变形测量显然不切实际。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可在高炉连续投料状态下获知料层分布及料层变化的高炉料层测量方法及装置。

本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种高炉料层测量方法，它包括以下步骤：

⑴安装固定架：在高炉点火运行前（无CO非高温环境），检测人员由检修用大人孔进入炉内，在炉内原有炉料的原始料面上方（贴近原始料面）用钢管焊接设置固定架，固定架所处的平面垂直于高炉的中心线，固定架的四周焊接于炉膛内壁；固定架用钢管焊接而成，可防止炉料的冲击；

⑵安装测量筒：沿高炉炉膛的半径方向，在固定架上依次排列安装设置测量筒，测量筒的中心线与高炉的中心线平行；

⑶铺设线路：从各测量筒底部开始，沿原始料面铺设保护套管至炉墙内壁边缘，由各测量筒底部引出的线路整理成束，套入保护套管中，再通过炉墙引出炉外连接远程控制端，避免线路被落下的炉料砸坏；

⑷定位：各测量筒安装完成且线路接通后，进行炉内基准测量，确定测量筒参照系的0刻度对应的标高，即投料前原始料面的高度对应参照系的0刻度；

⑸投料：由料钟向高炉内投放炉料，此时测量筒被部分埋入料层中；

⑹测量：各测量筒对其安装点投料中、投料后的料面厚度及料面变化进行垂直方向上的测量，将各测量点获取的影像数据传输至炉外远程控制端的影像显示设备，供测量人员进行记录分析。

本发明为了便于掌握准确的炉料料层详情，所述的固定架为网格形状，所述的测量筒分别安装于沿炉膛半径方向的网格的十字交叉点；所述的参照系包括设于测量筒侧壁上的测量窗口，测量窗口为耐压玻璃管，测量窗口的内侧设有垂直方向上的高度刻度。

本发明步骤⑷中，在高炉点火运行前通过设在各测量筒内可上下垂直运动的摄像头，对应各测量的点投料前原始料面高度为参照系的0刻度；所述的步骤⑹中，在投料中、续料后通过摄像头获取各测量点投料后料层粒度分布情况、垂直方向上的刻度差，从而避免中途停机开炉。

一种高炉料层测量装置，它包括位于炉内原有炉料的原始料面上方且连接固定于炉墙内壁的固定架，固定架上沿高炉炉膛半径方向依次排列设有测量筒，所述的测量筒为中空结构，测量筒内设有运动导轨、可沿运动导轨升降运动的摄像头，摄像头设有光源，以克服炉内光照环境不佳；各测量筒的线路经铺设在原始料面上的保护套管通过炉墙引出炉外，连接至远程控制端；所述的测量筒的侧壁上设有测量窗口，测量窗口为透明，测量窗口的内侧设有垂直方向上的高度刻度。

本发明所述的固定架上设有6～8个测量筒，各测量筒之间的间距为多少80㎝～100㎝，从而在尽可能多的分布测量点的情况下，即不影响炉料的流动和分布，又保证测量值的精确度。

本发明为了实现远程获取清晰影像，所述的运动导轨为设于测量筒内壁上的导槽；所述的摄像头设于由动力带动的驱动机构，摄像头连接有通讯线；所述的测量筒的底部设有接线卡口，摄像头经通讯线连接于接线卡口，通讯线仅供传输摄像头的影像数据；所述的测量筒内设有连接于接线卡口的线路组，线路组连接于摄像头、驱动机构、光源。

本发明为了便于调整摄像头位置，所述的动力包括微型电机，所述的驱动机构包括与导槽啮合的驱动齿轮组，驱动齿轮组连接于微型电机的输出端并由微型电机驱动，微型电机经线路组连接于接线卡口；所述的导槽为齿形凹槽（为2条），且分别位于测量筒同一直径线的两端且二者平行，并平行于测量筒的中心线。

本发明所述的线路组包括供电线、照明线、电源线；微型电机经供电线、光源经照明线、摄像头经电源线分别连接于接线卡口；供电线用于给驱动结构的微型电机供电，照明线用于给摄像头的光源供电，电源线用于给摄像头提供工作用电。

本发明为了便于测量，所述的测量筒为中空的圆柱体形；所述的测量窗口处于测量筒的半径方向上的截面为扇形，即扇形的短弧位于测量筒的内壁，梯形的长弧位于测量筒的外壁，使观测视野更好，且弧面更容易分散外界炉料的压强。

本发明为了保证测量环境，所述的测量筒的底部位于接线卡口周围设有用来密封接线卡口的密封圈；所述的测量窗口为耐压玻璃管，抵抗外界炉料的强大压强，保证测量环境；所述的摄像头为彩色摄像头，获取影响更清晰，便于测量人员观测准确；所述的线路组为弹性多芯电缆，便于摄像头上下灵活运动不受限制。

由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，其采用摄像头置于密封的测量筒内，建立良好的测量环境；在高炉连续投料的情况下可远程控制摄像头以运动轨道为运动轨迹和力矩支撑并平稳上下移动进行实时精准测量，避免停机测量影响工作效率及操作人员安全；同时以设于测量窗口的刻度为参照系测定炉料厚度及变形状况，测量精度高；摄像头自带光源克服了高炉内环境因素并获取彩色图像，同时通过通讯线将摄像头获得的影像输送至高炉外，从而便捷地实现对窗外矿石、焦炭，及矿石和焦炭的堆积情况、变形状况观察、记录等；避免了“器壁效应”影响，更高效、安全、快速。

附图说明

图1是本发明中高炉料层测量装置的固定架、测量筒的结构示意图；

图2是本发明中高炉料层测量装置的测量筒的结构示意图；

图3是本发明中高炉料层测量装置的测量筒的测量窗口的结构放大示意图。

图中：1、高炉；2、测量筒；3、固定架；4、光源；5、摄像头；6、微型电机；7、运动导轨；8、通讯线；9、接线卡口；10、密封圈；11、线路组；12、测量窗口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

由图1、图2、图3可知，一种高炉料层测量方法，它包括以下步骤：

⑴安装固定架：在高炉1点火运行前（无CO非高温环境），检测人员由检修用大人孔进入炉内，在炉内原有炉料的原始料面上方（贴近原始料面）用钢管焊接设置固定架3，固定架3所处的平面垂直于高炉1的中心线，固定架的四周焊接于高炉1炉膛内壁；固定架3用钢管焊接而成，可防止炉料的冲击；

⑵安装测量筒：沿高炉1炉膛的半径方向，在固定架3上依次排列安装设置测量筒2，测量筒2的中心线与高炉1的中心线平行；

⑶铺设线路：从各测量筒2底部开始，沿原始料面铺设保护套管至炉墙内壁边缘，由各测量筒2底部引出的线路整理成束，套入保护套管中，再通过炉墙引出炉外连接远程控制端，避免线路被落下的炉料砸坏；

⑷定位：各测量筒2安装完成且线路接通后，进行炉内基准测量，确定测量筒2参照系的0刻度对应的标高，即投料前原始料面的高度对应参照系的0刻度；

⑸投料：由料钟向高炉1内投放炉料，此时测量筒2被部分埋入料层中；

⑹测量：各测量筒2对其安装点投料中、投料后的料面厚度及料面变化进行垂直方向上的测量，将各测量点获取的影像数据传输至炉外远程控制端的影像显示设备，供测量人员进行记录分析。

本发明为了便于掌握准确的炉料料层详情，所述的固定架3为网格形状，所述的测量筒2分别安装于沿炉膛半径方向的网格的十字交叉点；所述的参照系包括设于测量筒2侧壁上的测量窗口12，测量窗口12为耐压玻璃管，测量窗口12的内侧设有垂直方向上的高度刻度。

本发明步骤⑷中，在高炉1点火运行前通过设在各测量筒2内可上下垂直运动的摄像头5，对应各测量的点投料前原始料面高度为参照系的0刻度；所述的步骤⑹中，在投料中、续料后通过摄像头5获取各测量点投料后料层粒度分布情况、垂直方向上的刻度差，从而避免中途停机开炉。

一种高炉料层测量装置，它包括位于炉内原有炉料的原始料面上方且连接固定于高炉1炉墙内壁的固定架3，固定架3上沿高炉1炉膛半径方向依次排列设有测量筒2，所述的测量筒2为中空结构，测量筒2内设有运动导轨7、可沿运动导轨7升降运动的摄像头5，摄像头5设有光源4，以克服炉内光照环境不佳；各测量筒2的线路经铺设在原始料面上的保护套管通过炉墙引出炉外，连接至远程控制端；所述的测量筒2的侧壁上设有测量窗口12，测量窗口12为透明，测量窗口12的内侧设有垂直方向上的高度刻度。

本发明所述的固定架上设有6～8个测量筒（本实施例设有8个测量筒2），各测量筒之间的间距为多少80㎝～100㎝（本实施例为80㎝），从而在尽可能多的分布测量点的情况下，即不影响炉料的流动和分布，又保证测量值的精确度。

本发明为了实现远程获取清晰影像，所述的运动导轨7为设于测量筒2内壁上的导槽；所述的摄像头5设于由动力带动的驱动机构，摄像头5连接有通讯线8；所述的测量筒2的底部设有接线卡口9，摄像头5经通讯线8连接于接线卡口9，通讯线8仅供传输摄像头5的影像数据；所述的测量筒2内设有连接于接线卡口9的线路组11，线路组11连接于摄像头5、驱动机构、光源4。

本发明为了便于调整摄像头5位置，所述的动力包括微型电机6，所述的驱动机构包括与导槽啮合的驱动齿轮组，驱动齿轮组连接于微型电机6的输出端并由微型电机6驱动，微型电机6经线路组11连接于接线卡口9；所述的导槽为齿形凹槽（为2条），且分别位于测量筒2同一直径线的两端且二者平行，并平行于测量筒2的中心线。

本发明所述的线路组11包括供电线、照明线、电源线；微型电机6经供电线、光源4经照明线、摄像头5经电源线分别连接于接线卡口9；供电线用于给驱动结构的微型电机6供电，照明线用于给摄像头5的光源4供电，电源线用于给摄像头5提供工作用电。

本发明为了便于测量，所述的测量筒2为中空的圆柱体形；所述的测量窗口12处于测量筒2的半径方向上的截面为扇形，即扇形的短弧位于测量筒2的内壁，梯形的长弧位于测量筒2的外壁，使观测视野更好，且弧面更容易分散外界炉料的压强。

本发明为了保证测量环境，所述的测量筒2的底部位于接线卡口9周围设有用来密封接线卡口9的密封圈10；所述的测量窗口12为耐压玻璃管，抵抗外界炉料的强大压强，保证测量环境；所述的摄像头5为彩色摄像头5，获取影响更清晰，便于测量人员观测准确；所述的线路组11为弹性多芯电缆，便于摄像头5上下灵活运动不受限制。

本发明工作时，在投料前，由线路组11中的电源线经接线卡口9给测量筒2内的摄像头5提供工作用电，并由线路组11中的照明线给摄像头5的光源4供电，同时远程控制端由线路经连接于接线卡口9的线路组11中的供电线控制微型电机6正转或反转，从而使摄像头5随驱动结构沿运动导轨7进行上升或下降运动，摄像头5在光源4的照明下获取清晰的彩色图像，再经通讯线8输送回远程控制端；通过获取的炉内的影像，远程控制摄像头5上升或下降运动以对应位于测量筒2筒壁上测量窗口12的刻度作为参照系，进行炉内基准测量，确定测量筒2参照系的0刻度对应的标高，即投料前原始料面的高度对应参照系的0刻度；

在投料后，再控制摄像头5随驱动结构沿运动导轨7上升或下降运动，摄像头5通过透明的测量窗口12获取图像的同时，将测量窗口12外各测量点炉料的刻度与测量窗口12的刻度进行比对，从而获取精准的测量数值。

通过对测量数值的分析，获知上一次投料后的料面情况，以此为根据从而调整无钟布料设备溜槽的角位、旋转圈数，进行下一轮续料。

本发明完成测量后，不需要拆除，高炉1直接点火运行。