CN101339005B - 一种炉衬测厚系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炉衬测厚系统，包括激光装置、与其联动连接的基准装置、位于炉衬待测点和激光装置之间的滤光装置和与激光装置连接的显控装置。相应的，也公开了一种炉衬测厚方法，能够直观、简明、快速的现场实测炉衬磨损厚度，且精度＜10mm，满足炉衬安全判定要求。

Description

一种炉衬测厚系统及方法

技术领域：

本发明涉及一种测厚系统及其方法，具体是指高温下炉、窑(静止或转动)内衬厚度测量系统及测量方法。

背景技术：

目前，冶金工业有大量的高温冶金炉或储存熔融体的钢包，也有高温旋转的窑、炉，另外如建材工业中的水泥窑、玻璃窑等，这些炉窑用了大量的高温耐火材料，在冶炼和烧成过程中不断地被磨损，为了保护炉、窑设备免受高温损坏，提高炉龄，运行中应了解掌握耐火砖烧损、磨损后的剩余厚度，该厚度应不小于损坏炉子的最小容许厚度，由于在高温下，炉内耐火砖磨损数据无法界定，在实际操作中需通过经验来判断剩余厚度。因此往往由于怕烧坏炉子而将炉子停产更换耐火砖的时间提前，造成不小材料和能量的浪费，更主要的是占用了大量生产时间，使企业效益下降。

因此炉衬测厚(炉内承受烧损、磨损的那层砖的测厚)对于提高炉龄，防止炉子损坏，有效提高生产率，节能降耗起很大的作用。即使一台小型冶金顶吹转炉更换耐火砖，炉龄约2.5个月，停炉、砌炉一年累计占用生产时间两个多月，花销费用60多万元人民币；另如一台40-60m长挥发窑需化100多吨氧化铝或钙镁耐火砖，使用寿命约3个月。如果通过及时了解炉衬厚度，充分利用磨损剩余厚度达1/8寿命，则年节省达3/8以上的炉龄，仅砌筑工程前者每年可省15万多、后者每年可省30万左右。而它对生产率的提高，则比上述节省的效益大得多。全国相当的炉、窑在万座以上，使用1套测定装置可对多台炉窑，它对生产率的提高，降低消耗和能耗是非常可观的。

高温下的炉衬测厚技术是一种特殊的系统测量技术，目前国内外测量炉衬厚度的现行方法有：

1.比较落后的方法是用非常长的钢条捅进去测量，由于悬臂太长，在高温下，伸进炉内部分的杆弯曲，以及膨胀因素，人力难以操作，甚至无力、无法操作。本方法准确度差，且工人劳动不安全，对较大炉、窑不能用。

2.电阻法测炉衬厚度：在炉衬内深度不同各点，预埋多根热电偶，根据炉内、外温差、各点温度及距离，实际找出炉衬厚度影响各埋点温度的相应关系，从而由各点温度及距离推断该处炉衬剩余厚度。本方法只能大致判断该点剩余厚度，而且确定的厚度关系仅对该点有效，处理数据过程复杂。另外，当炉衬测厚要求多点时，埋热电偶数量多(如本钢4#高炉4层，每层8个方向埋设32支FMT传感器，共160个测温点)，磨损损坏也多，监测维护量大。

3.炉壁热流计法：它是通过测定贯通的热材料或炉壁的热流密度来推断炉缸浸蚀状态，由于炉内状况变化比温度变化大，且要早几个小时，这种方法也可使用，但它只能大致判断该点剩余厚度，而且也仅对该点有效，相关问题和2点类似。

4.用光纤测量炉衬厚度：测定方法虽然较先进，但基本的测量思路也需多点埋设，相关问题和2点类似。

5.超声波检测方法：该方法以便携式的移动测量方法，有条件地对炉内壁测距，该方法的缺点是发射角较大，会受炉口，炉内非测定物的反射影响，为减弱此影响，须靠近炉子，从而难以保证测量的环境条件。很难实现全面了解炉内炉衬磨损情况。

6.电磁炉衬测厚仪，这种方法用电磁感应扫描器在停炉冷却后，由工人进去用它扫描，这种方法效益差，为德国EPK公司4100C产品。

国内高炉炉衬测厚的相关专利有：

1.光纤测量高炉炉衬厚度(武钢计控公司)

2.高炉炉衬厚度检测仪表(鞍钢卢明熙、张敬亭)

3.高炉炉衬厚度在线检测装置(包头钢铁学院崔大福、晋伟等1996)

上述技术都是针对静态高炉所应用的方法，且存在固有的缺点。对于旋转的炉、窑的炉衬测厚，国内只采用了对炉壳外表红外线扫描温度的方法，来间接判断炉、窑内耐火砖磨损程度。该方法在气候变化较大时，判断难以正确，且投资较大。

目前有采用激光测距方法测量的。激光光行进时间测距方法有两种，一种为脉冲式直接测量发射与接收脉冲之间的时间延迟T，它主要用于大地远距离测量。另一种是正弦波形式的相位法，频率为f，从相位φ＝2πfT中测得时间延迟T来测距，它属地貌测距，＜1km，现主要用于土木建筑工程。

同时，国外激光器已经大量使用，半导体激光器功率及激光波长也有各种类型，用于穿透高温区的激光器也有，作为迅速发展的抗干扰滤光技术，是激光测定的重要组成，在美国、德国、意大利等发展较好。

发明内容：

本发明的目的旨在提供一种炉衬测厚系统和炉衬测厚方法，直观、简明、快速，在转炉较短的条件下，现场实测炉衬磨损厚度系统精度＜10mm，满足炉衬安全判定要求，且使其达到如下目的：

1.要适应冶金炉冶炼过程的环境(高温、温度变化范围大)和结构(炉内有熔融料，有的还在炉衬上挂薄层渣，炉口或观察孔可否短时打开)；

2.要克服炉气、炉光的影响和干扰；

3.有的炉、窑需在不断转动状态下测量；

4.测量人员和设备能在可适应的环境条件下进行测量。

本发明采用的系统构成是：一种炉衬测厚系统见图1，包括激光装置1、与其联动连接的基准装置2、位于炉衬待测点和激光装置之间的滤光装置3和与激光装置连接的显控装置4。

作为优选方案，上述基准装置为经纬仪或是全站仪。

上述滤光装置为涂有多层金属氧化物的过滤镜片，所述多层金属氧化物为氧化钛或氧化硅。显控装置为集成激光装置电源、信号转换器及航空接口的(适应较高工作温度及多尘环境)便携式专用工控电脑装置。

本发明还包括与上述炉衬测厚系统相应的一种炉衬测厚方法。

炉内待测点的确定是根据炉、窑结构和内衬使用情况确定。一般在炉、窑内确定5个左右待测点，对于旋转炉、窑，每个待测点所在圆周，可在周长上跟踪测定约60点测距或厚度，仅需2分钟左右时间，从而较全面地测定炉衬磨损情况。

测定步骤如下：

1)首先对激光装置基于炉衬待测点进行基准定位；

2)通过基准定位后的激光装置对待测点发射激光，并接收其经炉内高温区的反射光，由滤光片滤去无用杂光；

3)通过对发射激光和接收的反射光的相关信号进行处理，得出待测点厚度。

作为优选方案，上述第一步骤中静基准定位的步骤为：首先选取待测炉旁一静止(如墙壁W)参照零点，基于该静止参照零点，记录下激光装置相对于该基准的点、线及高度后，对经纬仪读数清0，形成0角度基准线。再调整其角度，使与经纬仪联动的激光器的激光束对准待测点，从经纬仪上读出并记录这个角度，这个角度就是该测点特定偏转角度，见图2中a1-a5。测定操作前，先控制激光装置进行基准定位，再转动相应测定点的偏转角度。

由于每一测点所在炉内圆周，可跟踪测定很多点，炉子转动时，要进行开始点的动基准定位，第一次开始测定时，在炉口外壁上作一记号线，炉外近处选定一静止记号线，该两线对准时，从操作台炉子转角指示表的指示上，记录下炉子相对于0度的起始角度值。在记号线对准时的起始转角的情况下，进行第一次测定，则第二次测定在同一起始转角的情况下进行。

上述第二步骤中的发射激光位置为，离炉口6-20m处；适用于发射和接收的激光波长为650-660nm或是635nm。

上述第三步骤中的处理是采用光行进时间式测距方法中的相位法测距实现两次或多次测距，并通过数学模型转换(见后文具体实施方法)，得到剩余炉衬厚度或磨损厚度。

现就上述发明内容，按激光装置、滤光、动静基准装置及显控装置分别述说如下：

1.激光测距装置。能够通过几何测量得到炉衬磨损厚度或炉衬剩余厚度。不需要如电阻、电容、光纤、等炉衬测厚方法那样，要找到每测点炉衬磨损与炉况、炉衬、埋入程度、耐火砖材质、炉外温度及炉衬不断磨损影响的非线性关系。本发明在距炉子6-20m远处，向打开的炉口内射入及接收反射光，使测定人员和仪表在合适的环境下测定。而不必如电阻、电容、光纤、等炉衬测厚方法那样每个测点都要装传感器，长期使用；而不像比如超声波炉衬测厚方法必须靠近炉壁，由于其散射角大，抗烟雾差，很难测好。

同时，采用激光测距能在光束不同偏转情况下，测量炉内多个测点的炉衬磨损情况。不必如电阻、电容、光纤、超声等炉衬测厚方法那样，每个测点都要装感测元件并在炉衬磨损中同时损坏。

现有技术中，激光测距有三角测量、光行进时间及干涉法等多种方法，结合高温炉衬测厚的实际，本发明采用光行进时间式测距方法中的正弦波相位法测距，也可用脉冲式激光器，精度较高，但价格也很高，而相位法测距仪精度已足够达到本发明要求。本发明中采用的激光波长及窄带宽度为650-660nm或是635nm，其符合IEC825-1/EN 60825级II标准，且频率稳定，系长相干长度的光源。由于激光二极管在高温车间场合，在较高功率下，发射时本身发热快，需要不断冷却，不然难以维持工作频率的稳定，所以激光器内有减温装置。所述激光器的光发射功率足够、测距精度达到mm级以及可克服炉内微气态与炉外气态对激光折射率的影响。

2.滤光器。在测量过程中，反射光束与炉内广譜的各种光波一起射向激光器，克服炉内高温下杂散光对反射光束干扰的滤光方法，是当前世界上激光领域的热门发展技术，有多种材质的玻璃镜片组合，有的为在镜片上涂有金属氧化物的过滤镜片。本发明采用后者的方法，在镜片上涂有200多层氧化钛、氧化硅的金属氧化物，定制加工带通滤光片，使其滤除激光装置波长为650-660nm范围以外，或滤除635nm以外的光谱，克服了高温杂散光的干扰。

3.静、动基准定位。是激光测距的重要内容，它可保证几个月时间间隔的几次测定投射在同一测点位，：(参见图2)

本发明通过确定的炉外静态基准线后，使激光射入炉内用户确定的测点，经由经纬仪或全站仪作好与墙壁间零位水平基准点、线及高度后，把经纬仪或全站仪转动一个固定偏转角度，与经纬仪固定联结的激光装置，也转动同样角度，(精度可达2”级)，然后激光装置的红激光经炉口射入炉内衬预定测点，测出距离，第二次测定按第一次同样基准，转同样角度，在精度保证下，可在同一测点位测出距离及算出炉衬剩余厚度或磨损厚度。多测点的测定，仅仅只要转动不同角度即可。

当炉子转动时，还需要进行炉内测点所在圆周多点测量中第一点的位置确定，即动基准确定。第一次开始测定时，在炉口外壁上作一记号线，炉外近处支柱上也作一固定记号线，并在操作控制台上记录下炉子起始角度，在两记号线对准时的起始转角的情况下第一次测定该测定点位置圆周上规定数量的点，第二次测定时，在同一动基准下进行。通过上述基准系统，可灵活的测定静态炉子内衬厚度或转动炉窑的内衬厚度，也可以连续测定炉内圆周上各点炉衬厚度。

4.显控装置。可快速的、简明的、实时形象的得到一完整的测定数据和结果，它包括信息转换、激光装置电源和航空接插件、模拟输出口(及输出电流/电压选择)、适用于较高温和多尘环境的专用计算机(信息处理、适合特定窑炉直观实时动态图形显示、相关计算应用软件)，且体积小，便于携带。该装置使多个分散部件集合，在现场测量时，只2-3件连接设备，而其接线完全是航空接插件插接，可靠、方便，保证了现场测量时，集中注意力进行测量。整套装置的整体密封性好，防止现场环境对仪表的污染。

附图说明

图1是本发明中所述炉衬测厚系统的结构示意图；

图2是实施例中所述炉衬测厚方法的测量示意图。

在附图中：

1--激光装置    2--滤光装置    3--基准装置

4--显控装置    5-待测炉体

b1-b5--第1个到第5个测点

B1-B5--b1-b5测点到基点的距离

具体实施方法：

如图1所示，由基准装置3按待测炉体要求的多个测点基准定位后，校准激光装置1的射向，再在显控装置4的指令下，激光装置1射出激光，经高温区到达测定点，其反射光与高温区各种杂光经滤光装置2过滤后，进入激光装置1，同时，通过与激光装置1连接的显控装置4处理直线距离信号。

如图2所示，待测炉口距激光装置的基点为9.44米，首先对激光装置基于炉衬待测点进行基准定位；再通过基准定位后的激光装置对待测点发射激光，并接收其反射光，以通过激光测距方法测得基点到测点的距离：

本实施例中除测点b5处的炉衬磨损厚度基本上是第二次测距减去第一次测距外，其余4个测点b1-b4的炉衬磨损厚度是以两次测距为斜边的对应的直角三角形两短直角边之差，也就是说两次测距之差与测点偏转角的余弦乘积。其计算公式为：

测点bx磨损厚度＝(Bx2-Bx1)*Cosax

式中x＝1~4，Bx2，Bx1分别为测点bx到激光发射点0的距离，a1-a5--五测点的偏转角。

测点bx剩余厚度＝测点bx新砌砖厚-测点bx磨损厚度。

通过上述数学模型转换，经2次测定，即时从实时屏幕图形或报表上得到剩余炉衬厚度或磨损厚度。

Claims (7)

1.一种炉衬测厚系统，其特征在于包括激光装置、与其联动连接的基准装置、位于炉衬待测点和激光装置之间的滤光装置和与激光装置连接的显控装置。

2.根据权利要求1所述炉衬测厚系统，其特征在于所述基准装置为经纬仪或是全站仪。

3.根据权利要求1所述炉衬测厚系统，其特征在于所述激光装置中的激光波长为650-660nm或是635nm；而滤光装置为滤掉波长为650-660nm范围以外，或除开635nm以外的光谱。

4.一种与权利要求1所述炉衬测厚系统相应的炉衬测厚方法，其特征在于包括如下步骤：

1)首先对激光装置基于炉衬待测点进行基准定位；

2)通过基准定位后的激光装置对待测点发射激光，并接收其反射光；

3)通过对发射激光和接收的反射光的数据进行处理得出待测点厚度。

5.根据权利要求4所述炉衬测厚方法，其特征在于所述第一步骤中基准定位的步骤为：首先选取待测炉旁一静止参照零点，基于该静止参照零点，记录下激光装置相对于该基准的点、线及高度后，形成0角度基准线，再调整其角度，使与经纬仪联动的激光器的激光束对准待测点，从经纬仪上读出并记录这个角度，这个角度就是该测点特定偏转角度。

6.根据权利要求5所述炉衬测厚方法，其特征在于，当炉子转动时，进行静基准后，还必须进行动基准定位：第一次开始测定时，在炉口外壁上作一记号线，炉外近处选定一静止记号线，该两线对准时从操作台炉子转角指示表的指示上，记录下炉子相对于0度的起始角度值，在记号线对准时的起始转角的情况下第一次测定，则第二次测定在同一起始转角的情况下进行。

7.根据权利要求4所述炉衬测厚方法，其特征在于在炉、窑内确定5个待测点，对于旋转炉、窑，每个待测点所在圆周，在周长上跟踪测定60点测距。

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