一种基于雷达的高炉料流轨迹测量装置及测量方法与流程

本发明属于钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种基于雷达的高炉料流轨迹测量装置及测量方法。

背景技术：

钢铁产业是工业发展过程中的重中之重。目前，钢铁行业产能过剩问题越来越严重，对于整个产业及技术进行调整就显得尤为重要。在整个钢铁生产过程中，高炉炼铁的过程最为关键，其精确的冶炼控制直接关系到铁水的质量以及生产安全。在冶炼控制中，影响铁水质量的首要因素就是布料。我国大部分高炉均采用无钟式高炉进行布料，无钟炉顶布料过程中，一般通过调整节流阀开度、溜槽倾角大小和布料圈数来改善炉料在炉内的料层分布。其中，溜槽布料的料流轨迹直接影响到高炉料面形状和铁水的质量。因此，准确的料流轨迹，对高炉的正常生产、提高质量以及事故分析均具有重要意义。

现有技术中，一般通过以下两种方法测量高炉冶炼过程中的料流轨迹，一种是通过红外摄像头进行实时监测，第二种采用激光扫描仪进行平面二维扫描获得料流轨迹。

对于第一种方法，过红外摄像头清晰度和视野有限，因此限制了轨迹的精确性和完全整性；对于第二种方法，激光扫描仪在高炉内高粉尘环境下，测量能力较弱，误差较大。因此，亟待一种新的解决方法来准确、实时、完整的测量料流轨迹。

技术实现要素：

本发明实施例要解决的问题是不能准确、实时测量高炉内料流轨迹，提供了一种基于雷达的高炉料流轨迹测量装置及测量方法，对料流轨迹的测量，不受粉尘浓度影响，测量精度高，能够较精确地测量布料溜槽在转动时的料流轨迹，并分析相应的降料类型，及时调整布料过程，提高铁水质量。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于雷达的高炉料流轨迹测量装置，所述装置包括：天线、套筒、导波管、法兰盘、雷达本体、通信接口和计算机；其中，

所述天线、导波管和雷达本体组成测量装置的雷达组件，用于发出和接收雷达信号；

所述套筒用于固定所述雷达组件，通过法兰盘固定导波管，从而将与导波管相连的雷达本体安装在炉体外同时将与导波管的另一端相连的天线安装在套筒内部；所述套筒固定在炉壁上；

所述通信接口同时与雷达本体和计算机相连，用于为雷达本体提供通道以将接收的回波信号上传给计算机；

所述计算机用于对所接收的回波信号进行处理和加工，从而获得并显示料流轨迹。

上述方案中，所述套筒固定在炉壁上，安装位置为高炉的零料线以上、溜槽以下，尽量靠近高炉最高料位的位置。

上述方案中，所述套筒固定在炉壁上，通过在炉壁上设置一个与套筒外径相同的圆孔，将套筒插入，插入的深度与炉壁内壁面持平。

上述方案中，所述法兰盘分为两个部分，分别为雷达法兰盘和套筒法兰盘，雷达法兰盘和套筒法兰盘间加装金属垫圈。

上述方案中，所述装置还包括吹扫孔，所述吹扫孔设置在套筒上，位于最大限度吹扫套筒内的空间的位置，用于在雷达工作状态时，向套筒内吹扫惰性气体防止高炉内的粉尘在天线上的聚。

上述方案中，所述测量装置还包括温控材料，加装在雷达本体外，用于将雷达本体的温度控制在合理的温度区间。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于雷达的高炉料流轨迹测量方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，当高炉的溜槽开始转动进行布料时，雷达本体通过密闭地固定在炉壁上的天线向高炉内物料方向发射连续调频波；

步骤S2，雷达本体通过天线接收回波，得到回波信号并将回波信号上传给计算机；

步骤S3，计算机对回波信号进行计算，获得并显示料流轨迹。

上述方案中，所述测量方法通过如权利要求1至5任一项所述的料流轨迹测量装置实现。

上述方案中，所述步骤S2中的回波信号，分为炉壁反射回波、焦炭反射回波和铁矿石反射回波。

上述方案中，所述计算机通过快速傅里叶变换FFT方法对回波信号进行处理得到频率-时间的f-t曲线。

从以上技术方案的描述中可以看出，本实施例所提供的基于雷达的高炉料流轨迹的测量装置和测量方法，当高炉的溜槽开始转动进行布料时，雷达本体通过密闭地固定在炉壁上的天线向高炉内物料方向发射连续调频波；通过雷达本体通过天线接收回波，得到回波信号并将回波信号上传给计算机；并进一步通过计算机对回波信号进行计算，获得并显示料流轨迹。本实施例的测量装置和测量方法，抗高粉尘干扰能力较强，装置安装结构简单，测量方法实施方便，能够精确测量出料流的轨迹参数与种类。同时，可计算溜槽的转动周期和漏料等故障参数，便于人工的检测与维修，因此能够为高炉生产提供精确的料流轨迹参数，指导现场工人合理布焦布矿，提高生产的效率和质量。

附图说明

图1是本发明第一实施例的基于雷达的高炉料流轨迹测量装置位置示意图；

图2是本发明第一实施例的基于雷达的高炉料流轨迹测量装置结构示意图；

图3是本发明第二实施例料流轨迹测量方法中天线所接收的回波信号分类示意图；

图4是本发明第二实施例料流轨迹测量方法中所测量的一条f-t曲线。

附图标记说明：

1-测量装置；2-高炉；3-溜槽；4-漏料；5-物料；6-料面；

11-天线；12-套筒、13-导波管；14-吹扫孔；15-法兰盘；16-雷达本体；17-炉壁；18-通信接口。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例提供了一种基于雷达的高炉料流轨迹测量装置及测量方法，对料流轨迹的测量，不受粉尘浓度影响，测量精度高，能够较精确地测量布料溜槽在转动时的料流轨迹，并分析相应的降料类型，及时调整布料过程，提高铁水质量。

下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步说明。

图1是本发明第一实施例的基于雷达的高炉料流轨迹测量装置位置示意图。首先进行说明的是，优选的，本实施例中的雷达为调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达，但是在实际使用中，并不局限于此，只要是能对料流进行实时轨迹的跟踪和测量即可。

如图1所示，本发明所述第一实施例的基于雷达的高炉料流轨迹测量装置1位于高炉2所规定零料线的上方、溜槽3最低的下方。雷达测量装置1照射点位于溜槽3与料面6之间部分，所述雷达用于监测物料5和可能的漏料4。在布料期间，通过分析雷达回波的频谱特性来精确识别并形成料流的轨迹。

图2是本发明第一实施例的基于雷达的高炉料流轨迹测量装置结构示意图。本实施例优选的采用套筒的方式固定雷达。但此并不构成对本发明的限制，在不影响测量的前提下，也可采用其他方式对雷达进行固定。

如图2所示，本实施例所述基于雷达的高炉料流轨迹测量装置1包括：天线11、套筒12、导波管13、吹扫孔14、法兰盘15、雷达本体16、炉壁17、通信接口18和计算机。其中，

所述天线11、导波管13和雷达本体16组成测量装置的雷达组件，用于发出和接收雷达信号，对料流轨迹进行跟踪。

所述套筒12用于固定所述雷达组件，即用来固定天线11、导波管13和雷达本体16，同时套筒12固定在炉壁17上，安装位置为高炉2的零料线以上、溜槽3以下，尽量靠近高炉最高料位的位置，用以减少雷达的损坏几率，同时最大可能提高雷达的工作稳定性。套筒12通过法兰盘15固定导波管13，从而将雷达本体16安装在炉体外。

所述法兰盘15分为两个部分，分别为雷达法兰盘15-1和套筒法兰盘15-2。优选的，雷达法兰盘15-1和套筒法兰盘15-2间加装金属垫圈，以保证气密性和生产安全性。

所述吹扫孔14设置在套筒上，可以如图2所示位于套筒的上端中间位置，在实际中也可以设置在套筒的其他位置，如下端或前端，所述位置的选择保证可以最大限度的吹扫到套筒内的空间。这个吹扫孔14吹入的是相对于炼钢物料的惰性气体，如氮气、氩气。优选的，吹扫孔14另一端接球阀，在所述测量装置1处于工作状态时将其打开，向套筒内吹扫3个标准大气压的氮气。在进行测量工作时，通过吹扫孔14向套筒12内通入高压的惰性气体如氮气进行吹扫，减少高炉内粉尘在雷达天线喇叭中聚集，影响雷达微波信号的发射和接收。

所述天线11的喇叭最大外径小于套筒12内径，长度不超过套筒12长度，以保证在工作过程中的天线11寿命；所述雷达本体16位于炉外，天线11通过所述导波管13和雷达本体16连接在一起；导波管13的长度可以保证炉外雷达本体16与炉壁17相距一定距离，以使炉壁的温度不会影响雷达的正常工作。优选的，通过在雷达本体外加装隔热材料或水冷系统，将雷达本体的温度控制在合理的温度区间，一般小于85℃。雷达本体16与上位机通过通信接口18连接。这里的通信接口可以是有线通信，也可以是无线通信。优选的，本实施例为如图2所示的网线方式进行通信，协议采用TCP/IP协议，保证传输速度同时兼具可靠性。

所述炉壁17，在位于高炉2的零料线以上、溜槽3以下的位置有一个垂直于高炉中心线的圆孔，本实施例中，优选的，所述圆孔直径为Ф219mm。这个圆孔的直径与套筒12的外径相同，从而可以通过这个圆孔，将直径大小相同的套筒12插入该圆孔。插入的深度不可影响测量工作，优选为与炉壁17内壁面持平。套筒12与炉壁的连接为固定连接，这里可以通过焊接将套筒12固定在炉壁17上。

优选的，在具体的连接过程中，安装雷达1时，通过螺丝钉将套筒12和雷达组件固定在炉壁17上；雷达本体16通过网线18接入到计算机；

所述计算机负责接收雷达本体16的回波信号，并进行频谱分析来监测料流轨迹。

在实际测量中，溜槽3在布料过程中转动的同时，雷达本体16通过天线11从24GHz到26GHz进行变频连续不断地发射高频微波，并接收回波，通过锁频采样1024点数据，通过网线18传输给上位机(即计算机)，上位机立即进行FFT(快速傅里叶变换)计算，将回波数据正确地转换为物料到雷达的距离。由于采样点数与传输速度的限制，一秒钟能够采样3～5次完整回波数据，在工业生产中，完全能够满足实时性要求。

本发明第二实施例提供了一种基于雷达的高炉料流轨迹测量方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，当高炉的溜槽开始转动进行布料时，雷达本体通过密闭地固定在炉壁上的天线向高炉内物料方向发射连续调频波；

步骤S2，雷达本体通过天线接收回波，得到回波信号并将回波信号上传给计算机；

步骤S3，计算机对回波信号进行计算，获得并显示料流轨迹。

其中，所述步骤S1中，雷达本体发射信号的方式是不间断的连续发射。所述密闭固定的方式，可以为如图2所示的方式，简要说明如下：

在炉壁17位于高炉2的零料线以上、溜槽3以下的位置开一个垂直于高炉中心线的圆孔，将与圆孔具有相同直径的套筒12固定在炉壁17上。套筒12朝向高炉外、平行于炉壁17的端面上，通过法兰盘15固定导波管13和雷达本体16，使得导波管13和与导波相连的天线11位于套筒12内部并延伸进高炉2内，而与导波管13另一端相连的雷达本体16位于高炉2外并与炉壁17保持安全的工作距离。

优选的，这里的法兰盘15分为两个部分，分别为雷达法兰盘和套筒法兰盘，雷达法兰盘和套筒法兰盘间加装金属垫圈，以保证气密性和生产安全性。

优选的，套筒12上设置吹扫孔14，吹扫孔14的位置保证可以最大限度的吹扫到套筒12内的空间，如套筒12上端中间位置。这个吹扫孔吹入的是相对于炼钢物料的惰性气体，如氮气、氩气。吹扫孔另一端接球阀，在进行测量时，向套筒内吹扫3个标准大气压的氮气，以减少高炉内粉尘在雷达天线喇叭中聚集，影响雷达微波信号的发射和接收。

优选的，本实施例中的所述天线11的喇叭最大外径小于套筒12内径，长度不超过套筒12长度，以保证在工作过程中的天线11寿命；导波管13的长度可以保证炉外雷达本体16与炉壁17相距一定距离，以使炉壁17的温度不会影响雷达本体16的正常工作。

优选的，通过在雷达本体16外加装隔热材料或水冷系统，将雷达本体16的温度控制在合理的温度区间，一般小于85℃。

优选的，雷达本体16与上位机通过通信接口18连接并进行通信。这里的通信接口18可以是有线通信，也可以是无线通信。

所述步骤S2中，天线11所接收的回波，分为三种信号，图3为天线所接收的回波信号分类示意图。如图3所示，所述三种回波信号分别为：

第一种，雷达照射在炉壁上的信号。此时的信号回波频率最高，频谱在最右，根据FMCW雷达测距原理，其距离与回波频率成正比，此时测量为炉壁到雷达的距离。

第二种，雷达照射在远端料流上的信号。此时的信号回波频谱相对于上面左移，此时计算出的距离为雷达所在水平面的落料位置。

第三种，雷达照射在近端料流上的信号。此时的信号回波频谱相对于上面再次左移，此时计算出的距离为雷达所在水平面的另一点靠近雷达的落料位置。

回波信号的强弱与照射物质相关，通过频谱的尖峰能量值可以分析出该时刻属于布焦还是布矿。由于焦炭反射性能好，因此回波能量较强，而照射在铁矿上的回波能量较弱，在上位机建立起不同物料的反射能量阈值，包含远端铁矿反射阈值、远端焦炭反射阈值、近端铁矿反射阈值和近端焦炭反射阈值。据此可以从回波中可得到当前的布料种类。

当进行测量时：

溜槽转动时，在炉料未挡住雷达微波时，微波照射在炉壁上，雷达反射回来信号稳定不变，如图3在频谱上反映为f所示处的尖峰，根据FMCW雷达测距原理，距离s＝K*f，s为雷达测量距离，K为与雷达测量相关的常量系数，f为回波信号频率。因此，该距离为一常量s2，大小为该水平面处炉内直径。

溜槽转动，物料下降过程中在远端挡住雷达微波时，雷达照射在物料上，回波信号频谱左移，对应的频谱反映在f1所示处的尖峰，此时根据公式可以计算出远端料流距离s1。随后，在雷达近端挡住微波雷达时，同样会导致频谱继续左移至f0，此时通过公式可以计算出该处下料位置s0。

根据无钟式高炉布料溜槽的转动规律，料流轨迹也为圆周，可以计算出在雷达所在水平面位置一圈物料的直径d＝s1-s0。

上位的计算机通过各点的测量距离s，来构建环形布料轨迹，以二维或三维的方式呈现出来，并对其进行实时跟踪监测。

在所述步骤S3中，计算机对回波信号进行计算，优选的，采用FFT的方式进行计算，从而建立关于频率-时间的f-t曲线。图4为本实施例的基于雷达的高炉料流轨迹测量方法所测量的其中一条f-t曲线。如图4所示，通过分析该曲线，可以看出频谱的周期性变化，该周期即为溜槽转动周期。

由于在雷达回波中按照照射物回波类型，可以分为如图3所示的炉壁反射回波、焦炭反射回波和铁矿石反射回波，因此，在上位的计算机中建立起对于不同反射物的阈值，包括远端铁矿反射阈值E1、远端焦炭反射阈值E2、近端铁矿反射阈值E3和近端焦炭反射阈值E4。在实际过程中，通过反射回波频谱的位置和强度E来判断布料类型，同时将数据进行机器学习，不断提高上位机的识别能力。

通过雷达回波中频谱的周期性移动，可以实时监测溜槽的转速以及在转动过程中是否会出现漏料情况。

如图4所示，通过频谱时间曲线，可以看出频率呈现周期性变化，而曲线周期即为溜槽转动一周所需要的时间t2-t1。

图4中，在特殊情况下，由于溜槽破损或节流阀故障，矿料没有直接从溜槽下端正常降料，出现漏料现象。此时，在周期性的频谱时间图中显示为不确定跳动，如图4中的虚折线所示。工作人员可以通过分析f-t曲线分析漏料情况，以及漏料位置等信息。

在特殊情况下，由于溜槽破损或节流阀故障，导致矿料没有直接从溜槽下端降落，此时通过f-t曲线可以看到出现不规律下降尖峰，此时，通过该点的频率能够直接计算出错误落料点的距离，指导现场维护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，抗高粉尘干扰能力较强，安装结构简单，实施方便，能够精确测量出料流的轨迹参数与种类。同时，可计算溜槽的转动周期和漏料等故障参数，便于人工的检测与维修，因此能够为高炉生产提供精确的料流轨迹参数，指导现场工人合理布焦布矿，提高生产的效率和质量。

以上所述，仅是本发明的实例，并非本发明所作任何形式的限制。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术范围内，对上述安装尺寸、雷达频带范围、套筒安装位置以及角度、雷达照射物料或溜槽等少许更改或修饰均为等同变化的等效实例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围内。