CN101256069A - 以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其主要是利用设于高炉料面上方的激光扫描仪以激光扫描手段取得高炉内部资料点群资料，再由电脑将上述资料点群资料重建为三维模型，以完成高炉料面形状的量测，该料流轨迹的量测则进一步再通过设于高炉料面上方的二维激光扫描仪量测自布料斗向下流出的落料曲线，并通过电脑整合于该三维模型中，供操作人员确认落料位置是否于符合原设定的位置，并据以修正布料角度与布料圈数。本发明主要利用激光扫描仪快速、稳定、准确以及高炉环境对其量测的影响小等特性，并配合电脑的处理，使其应用于高炉料调查中对布料后料面以及料流轨迹，以提供一项准确而实用的量测方法。

Description

以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法

技术领域

本发明涉及一种量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，特别是涉及一种以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法。

背景技术

高炉是一座复杂的大型化学反应器，其反应的过程主要是一连串的氧化铁与焦碳的氧化还原反应，这些化学反应的效率决定于高炉中高温气流的分布，而决定气流分布的关键之一在于软融带(cohesive zone)的形状以及尺寸，该软融带又由料面外形所决定，此外，焦碳以及铁矿在炉内分布的位置与比例也会影响气流的分布，因此，高炉的料面形状以及料流轨迹在高炉运作过程中占有极为重要的地位。

惟长久以来，因受限于高温高压的恶劣环境而无法得知炉内料面分布形状、以及布料时料流的轨迹状态等。近年来，有一些研究对于前述炉内料面形状的量测提出贡献，这些研究所采用的方法大致上可区分为间接量测及直接量测，其中：

间接量测法主要是先量测料流轨迹，再根据量测结果积分出料面外形。惟此方法会因料流与炉壁撞击、滑料、以及积分的精确性等因素的影响下，无法准确计算出料面外形。

直接量测法主要是针对最后的布料结果进行外形量测，其中利用微波式距离量测装置，在运转中的高炉中进行料面的扫描，惟受到高温的限制下，该微波式距离量测装置易受高温所影响，以致无法提供一项较有效率的量测。

由此可见，上述现有的量测高炉料面外形及料流轨迹的方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

有鉴于上述现有的量测高炉料面外形及料流轨迹的方法存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，能够改进一般现有的量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的量测高炉料面外形及料流轨迹的方法存在的缺陷，而提供一种新型的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，所要解决的技术问题是使其改善先前技术无法对高炉提供有效率精确量测炉内料面形状以及料流轨迹的问题，从而更加适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，主要是使用一部激光扫描仪装设于高炉料面上方处，以及一部至少内建点群分析程序的电脑，该电脑并电性连接该激光扫描仪，执行以下的步骤：

以激光扫描手段取得高炉内部资料点群资料的步骤，是以激光扫描仪对高炉内进行空间扫描，取得高炉内部表面点群的资料，再传输至电脑中；以及

以这些点群资料重建高炉料面模型的步骤，是由电脑内建的点群分析程序依据这些点群资料重建出高炉内部的模型，而完成高炉料面形状的量测。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中是令该激光扫描仪倾斜装设于高炉炉喉上方的入孔处。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的电脑尚内建有座标系统转换校正程序，利用该座标系统转换校正程序提供的座标系统转换手段将上述资料点群的座标系统转换为符合高炉世界座标系统资料点群的资料，再为电脑的点群分析程序以上述资料点的资料重建该高炉内部的三维模型。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的座标转换方法是定义炉体座标系统与激光扫描仪座标系统之间的关系由炉体主轴向量描述之，由炉体主轴向量可求出旋转轴K与旋转角度θ，再将所有的量测点Q绕向量K转动-θ，使其符合方程式：Q′＝(Q·K)K(1-cosθ)+Q cosθ-(K×Q)sinθ，将上述资料点转换至世界座标系统。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的炉体主轴向量的取得，是分别求出上下两截圆的圆心，以该两圆心的连线作为炉体主轴向量。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的方法尚使用一电子式水平仪设于该激光扫描仪上为基础，直接量测出激光扫描仪的倾斜角θ，该电脑尚内建有座标系统转换校正程序，用以将激光扫描仪取得的上述资料点群座标系统转换为符合高炉世界座标系统资料点群的三维资料，再为电脑的点群分析程序以上述资料点的三维资料重建该高炉内部的三维模型。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的电脑通过内建点群分析程重建高炉内部的三维模型时，并进一步分割出属于炉壁部份的资料点，进而在三维模型中分离出料面的形状。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的电脑内建的点群分析程序利用炉体的资料点群拟合出圆锥方程式(Z-Z_C)²＝a²((X-X_C)²+(Y-Y_C)²)，并加以判断，用以从量测结果中剔除与圆锥体相当靠近的资料点，截取出属于料面的点群。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的电脑内建的点群分析程序进一步利用上述料面点群为基础，计算出炉内各个不同位置所有焦炭厚度与铁矿厚度之比：

从而由铁矿/焦炭比得知高温气流在高炉内的分布情形，用以评估高炉操作是否稳定。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中所述的电脑内建的点群分析程序进一步利用上述料面点群为基础，计算未压缩焦炭料层的体积V1，以及经压缩后的焦炭与铁矿的体积和V2，铁矿的体积已知为Vo，则被压缩的焦炭体积可表示为V2-Vo，其压缩率则为

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的以激光测距技术量测高炉料流轨迹的方法，是使用前述以激光测距技术量测高炉料面外形的方法测得该高炉内部的料面外形，另在该高炉料面上方装设至少一部二维激光扫描仪，该二维激光扫描仪的扫描平面垂直于地面，且使自高炉顶部的布料斗落入其内的料流轨迹可穿过该二维激光扫描仪的扫描平面，借以由该激光扫描仪量测料流上下表面的轨迹。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其中在该高炉炉喉上方左右两侧的入孔处各装设一部二维激光扫描仪，该二部二维激光扫描仪的扫描平面垂直于地面，且使自高炉顶部的布料斗落入其内的料流轨迹可穿过该二部二维激光扫描仪的扫描平面，借以分别由左右二激光扫描仪量测料流上下表面的轨迹。

经由上述可知，本发明有关于一种以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，其主要是利用设于高炉料面上方的激光扫描仪以激光扫描手段取得高炉内部资料点群资料，再由电脑将上述资料点群资料重建为三维模型，以完成高炉料面形状的量测，该料流轨迹的量测则进一步再通过设于高炉料面上方的二维激光扫描仪量测自布料斗向下流出的落料曲线，并通过电脑整合于该三维模型中，供操作人员确认落料位置是否于符合原设定的位置，并据以修正布料角度与布料圈数。

借由上述技术方案，本发明以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法至少具有下列优点：本发明借由前述以激光测距技术量测高炉料面外形的方法以及及料流轨迹的方法设计，其特点主要利用激光扫描仪快速、稳定、准确以及高炉环境对其量测的影响小等特性，并配合电脑的处理，使其应用于高炉料调查中对布料后料面以及料流轨迹提供一项准确而实用的量测方法。

综上所述，本发明新颖的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法，改善了先前技术无法对高炉提供有效率精确量测炉内料面形状以及料流轨迹的问题。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的量测高炉料面外形及料流轨迹的方法具有增进的突出功效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明以激光测距技术量测高炉料面外形的方法的一较佳实施例的流程示意图。

图2是本发明在高炉的入孔处装设三维激光扫描仪的平面示意图。

图3是本发明量测炉体取得旋转角度的平面示意图。

图4是本发明揭示依序铁矿、焦炭以及铁矿等三层料面的平面示意图。

图5是本发明揭示数层铁矿、焦炭的厚度的平面示意图。

图6是本发明使用的二维激光扫描仪的平面示意图

图7是本发明在高炉左右两侧各设一部二维激光扫描仪应用于量测料流轨迹的平面示意图。

10：高炉    20：三维激光扫描仪

30：二维激光扫描仪    40：布料斗

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的以激光测距技术量测高炉料面外形及料流轨迹的方法其具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。

有关本发明以激光测距技术量测高炉料面外形的方法的具体实施设计，如图1所示，其主要是使用一部三维激光扫描仪装设于高炉的料面上方处，在本较佳实施例中是令该激光扫描仪倾斜装设于该高炉炉喉上方的入孔处，如图2所示，其中因高炉的料层是由下往上堆积，而高炉的入孔是位于料位线上方约2.5米处，故为使该三维激光扫描仪的扫描范围可以涵盖高炉内的料位线以下空间，该三维激光扫描仪以装设于入孔处呈倾斜一预定角度为佳，另使用一部至少内建有座标系统转换校正程序及点群分析程序的电脑，该电脑并与该三维激光扫描仪电性连接，再执行以下的步骤：

以激光扫描手段取得高炉内部资料点群资料的步骤，是以三维激光扫描仪对高炉内进行三维空间扫描，取得高炉内部表面点群的区域座标系统的三维资料，再传输至电脑中。

对这些资料点群的座标系统进行转换校正的步骤，是由电脑内建的座标系统转换校正程序将这些资料点群的区域座标系统的三维资料分别转换为符合高炉世界座标系统资料点群的三维资料，这些资料点群的座标系统转换步骤，可应用以炉壁对称性为基础的校正手段或是使用电子式水平仪为基础的校正手段来进行，其中：

所述的以炉壁对称性为基础的校正手段，是在高炉内的料位相当低的时候，先以该三维激光扫描仪先量测高炉内部，以获取炉胸部分的资料点，如图2所示，进而由电脑进行运算处理于炉体中定义出一主轴，其次，借由找出炉体上下两截圆的圆心，两圆心的连线定义为向量A。此一向量A在高炉本体的世界座标系统则为垂直轴Z，A与Z的夹角为两座标系统之间的旋转角度。将所有的点资料沿某一旋转轴进行旋转而使得旋转后的主轴与地面垂直。该转轴可表示为绕向量 $K=\frac{Z\×A}{|Z\×A|},$ 旋转角度 $\mathrm{\θ}={\cos }^{-1}\left(\frac{Z\·A}{\left|Z\right|\left|A\right|}\right).$ 将所有的量测点Q绕向量K转动-θ，即可将三维激光扫描仪测得所有资料点的三维资料通过

方程式P：Q′＝(Q·K)K(1-cosθ)+Qcosθ-(K×Q)sinθ

转换至世界座标系统上的三维资料。

所述的使用电子式水平仪为基础的校正手段，是适用于高炉内的料位较高时，或炉壁因侵蚀而对称性较差时，因此时上述以炉壁对称性为基础的校正手段使用的方法无法产生准确的资料点转换，故本校正手段是在该三维激光扫描机上装一电子式水平仪直接量测倾斜角度，此倾斜角即为前述向量A与Z的夹角，即可将三维激光扫描仪测得所有资料点的三维资料通过

方程式P：Q′＝(Q·K)K(1-cosθ)+Q cosθ-(K×Q)sinθ

转换至世界座标系统上的三维资料。

以及以这些资料点的三维资料重建三维模型并加以分割料面与炉壁量测资料点的步骤，是由电脑内建的点群分析程序将已转换校正为世界座标系统的资料点群重建出高炉内内部的三维模型，并进一步分割出属于炉壁部份的资料点，其中依高炉外形得知其在几何上是一个圆锥体，而料面大多分布于高炉的井内部位(Shaft)，因此位于高炉井位部位的资料点(X，Y，Z)具有如下的关系：

(Z-Z_C)²＝a²((X-X_C)²+(Y-Y_C)²)

其中(X_C，Y_C，Z_C)为圆锥体的顶点，a为圆锥的开角(opening angle)。以炉胸的资料点进行最佳化拟合可以找出上述程序中的四个参数，再加上判断条件，即可从量测结果中剔除与圆锥体相当靠近的资料点，截取出属于料面的点群，进而在三维模型中分离出料面的形状，而完成高炉料面形状的量测，借此，利用该料面形状的量测方法，用于对每一批布料的结构作最后的判断。

本发明借由前述高炉料面形状量测方法设计，可在每一层铁矿以及每一层焦炭布料之后，利用该量测方法分别测得其料面形状，并将料面资料点与炉壁资料点分离后，依据属于料面形状的资料点通过电脑计算出焦炭压缩率以及铁矿/焦炭比等重要布料参数，其中铁矿/焦炭比以及焦炭压缩率的计算均是以体积为计算基础，因此，首先以所测得的料面资料点的资料数据进行格点的建立与修补，接着进行数值积分以计算出相邻两料面所夹的体积。如图4所示，其分别依序堆积三层料面铁矿O_N、焦炭C_N以及铁矿O_N+1。由铁矿O_N与焦炭C_N的料面资料可以计算出压缩前焦炭的体积V₁，而由铁矿O_N与铁矿O_N+1的料面可计算出已压缩的焦炭加上铁矿的体积V₂。铁矿的体积已知为V_o，则被压缩的焦炭体积可表示为V₂-V_o。压缩率则为

有关铁矿/焦炭比的计算方式，如图5所示，是针对每一个格点所在的位置(r)都可计算出焦炭的层厚Lc₁、Lc₂、...以及铁矿层厚Lo₁、Lo₂、...。铁矿/焦炭比(O/C ratio)可表示为

本发明以激光测距技术量测高炉料流轨迹的方法是接续前揭高炉料面形状量测之后作进一步的延伸，如图6、图7所示，其中是在高炉10料面上方处装设至少一部二维激光扫描仪，在本较佳实施例中，是在高炉10炉喉上方左右两侧的入孔处各再装设一部二维激光扫描仪30，该二部二维激光扫描仪20的扫描平面垂直于地面，而高炉的布料斗40是架设于高炉顶部，使自布料斗40落入高炉10内的料流轨迹可穿过该二二维激光扫描仪30的扫描平面时，即可分别由左右两激光扫描仪30量测自布料斗40向下流出的料流上下表面的轨迹，由上下两轨迹所代表的曲线可定义出落料曲线。

前述中，由于两激光扫描仪各有其区域座标系统，分别为左区域座标系统(LCS)与右区域座标系统(RCS)。由于料流轨迹的上下两曲线分别对应至左、右区域座标系统(LCS、RCS)，必须校正出该两座标系统之间的关系，才能结合上下表面轨迹的座标点。该二区域座标系统(LCS、RCS)之间的关系可用三个参数Px，Py以及θ表示，另借由电子式水平仪可以量测θ。另可在任一边激光扫描仪上安装反光板，可以由另一边测得的反光板位置校正出Px与Py。据此，即可明显量测到落料曲线，并通过电脑整合于炉内三维模型中，提供操作人员确认所落下的料是否落在原本设定的位置，而操作人员亦依据该量测所得的落料曲线及落料位置，进而修正布料角度与布料圈数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，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，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1. 一种以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于主要是使用一部激光扫描仪装设于高炉的料面上方处，以及一部至少内建点群分析程序的电脑，该电脑并电性连接该激光扫描仪，执行以下的步骤：

以激光扫描手段取得高炉内部资料点群资料的步骤，是以激光扫描仪对高炉内进行空间扫描，取得高炉内部表面点群的资料，再传输至电脑中；以及

以上述点群资料重建高炉料面模型的步骤，是由电脑内建的点群分析程序依据上述点群资料重建出高炉内部的模型，而完成高炉料面形状的量测。

2. 根据权利要求1所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中是令该激光扫描仪倾斜装设于高炉炉喉上方的入孔处。

3. 根据权利要求1或2所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的电脑尚内建有座标系统转换校正程序，利用该座标系统转换校正程序提供的座标系统转换手段将上述资料点群的座标系统转换为符合高炉世界座标系统资料点群的资料，再为电脑的点群分析程序以上述资料点的资料重建该高炉内部的三维模型。

4. 根据权利要求3所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的座标转换方法是定义炉体座标系统与激光扫描仪座标系统之间的关系由炉体主轴向量描述之，由炉体主轴向量可求出旋转轴K与旋转角度θ，再将所有的量测点Q绕向量K转动-θ，使其符合方程式：Q′＝(Q·K)K(1-cosθ)+Qcosθ-(K×Q)sinθ，将上述资料点转换至世界座标系统。

5. 根据权利要求4所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的炉体主轴向量的取得，是分别求出上下两截圆的圆心，以该两圆心的连线作为炉体主轴向量。

6. 根据权利要求2所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的方法尚使用一电子式水平仪设于该激光扫描仪上为基础，直接量测出激光扫描仪的倾斜角θ，该电脑尚内建有座标系统转换校正程序，用以将激光扫描仪取得的上述资料点群座标系统转换为符合高炉世界座标系统资料点群的三维资料，再为电脑的点群分析程序以上述资料点的三维资料重建该高炉内部的三维模型。

7. 根据权利要求1或2所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的电脑通过内建点群分析程重建高炉内部的三维模型时，并进一步分割出属于炉壁部份的资料点，进而在三维模型中分离出料面的形状。

8. 根据权利要求7所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的电脑内建的点群分析程序利用炉体的资料点群拟合出圆锥方程式(Z-Z_C)²＝a²((X-X_C)²+(Y-Y_C)²)，并加以判断，用以从量测结果中剔除与圆锥体相当靠近的资料点，截取出属于料面的点群。

9. 根据权利要求8所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的电脑内建的点群分析程序进一步利用上述料面点群为基础，计算出炉内各个不同位置所有焦炭厚度与铁矿厚度之比：

从而由铁矿/焦炭比得知高温气流在高炉内的分布情形，用以评估高炉操作是否稳定。

10. 根据权利要求8所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法，其特征在于其中所述的电脑内建的点群分析程序进一步利用上述料面点群为基础，计算未压缩焦炭料层的体积V1，以及经压缩后的焦炭与铁矿的体积和V2，铁矿的体积已知为Vo，则被压缩的焦炭体积可表示为V2-Vo，其压缩率则为 $\frac{V_1-V_2+V_o}{V_1}.$

11. 一种以激光测距技术量测高炉料流轨迹的方法，其特征在于是使用如权利要求1至8的任一项所述的以激光测距技术量测高炉料面外形的方法测得该高炉内部的料面外形，另在该高炉料面上方处装设至少一部二维激光扫描仪，该二维激光扫描仪的扫描平面垂直于地面，且使自高炉顶部的布料斗落入其内的料流轨迹可穿过该二维激光扫描仪的扫描平面，借以两激光扫描仪量测料流上下表面的轨迹。

12. 根据权利要求11所述的以激光测距技术量测高炉料流轨迹的方法，其特征在于其中在该高炉炉喉上方左右两侧的入孔处各装设一部二维激光扫描仪，该二部二维激光扫描仪的扫描平面垂直于地面，且使自高炉顶部的布料斗落入其内的料流轨迹可穿过该二部二维激光扫描仪的扫描平面，借以分别由左右二激光扫描仪量测料流上下表面的轨迹。

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