CN102618680A - 一种高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法 - Google Patents

Abstract

一种高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，使用三维虚拟软件模拟高炉雷达的安装位置，根据最优化布置效果图在高炉炉体的炉顶外部安装设置垂直或倾斜的3～20个打通至炉顶内部的雷达套筒，在雷达套筒内部上方均连接设置有高炉雷达。本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，针对现有技术的不足，不仅使整个系统大大简化，安装更加方便，其高炉雷达的具体安装位置经过虚拟技术的验证，安装结果十分直观，安装后获得的数据点更加准确，有效，并最大程度地携带了尽可能多的料面信息，此外应用本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法可以设计出任意雷达安装方法，本发明可广泛应用于冶金、化工，水泥建材等众多料面成像系统领域。

Description

一种高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法

技术领域

本发明涉及一种成像装置，尤其涉及一种应用于高炉内的安装多台雷达进行三维成像系统及其安装方法。

背景技术

钢铁生产过程中的高炉冶炼工序与炉内料面形状有着十分紧密的关系。必须实时准确地获得高炉内三维料面形状信息对于调节布料方式、控制高炉煤气分布、判断炉况有着十分重要的作用，进而，使得炉缸活跃、高炉顺行、降低焦比、节约能源、稳定高产、减少炉壁侵蚀和延长高炉寿命，对高炉炼铁生产效益的提高有着十分重要的价值。而高炉生产中的料面形状检测一直是一个难题，而合理的布料形状影响着高炉生产的效益。

申请号：200620150006.8，申请日2006年11月27日的中国专利，公开了一种用于测量高炉炉内料面高度的雷达探尺，由雷达传感器和角度调整器组成；角度调整器由下法兰、波纹管、变径管、带有传感器安装口的上法兰、调整螺杆组成，下法兰连接在波纹管的下端，变径管连接在波纹管的上端，变径管的另一端与上法兰相连，上法兰上带有传感器安装口，在波纹管的外周相隔90°设置有4组调整螺杆；雷达传感器通过传感器安装口固定安装在上法兰中。采用雷达探尺，减少了设备一次性设资，便于维护，使用寿命长，测量准确。

该专利实质在于设计了一个可调角度的波纹导波管，可以调节雷达入射的角度，设计思路是好的，但在实际应用过程中，波纹管在高炉高温高压高粉尘情况下，本身的密封和寿命就有问题，加上开的孔太大，对高炉的寿命，实际的安装空间等都存在问题，因此很难在现场得到推广和使用。

申请号01126452.7，申请日2001年8月13日的中国专利，公开了一种高炉炉顶全料面毫米波三维成像仪。它采用炉外安装方式和外置式二维扫描方式工作，并用毫米波段调频连续波雷达测量料面距离。在发明方案中，成像仪安装在炉外，以介质窗口将成像仪与炉内高温粉尘隔离，测量过程中没有任何部件插入炉内，通过雷达天线在炉外的二维扫描，测量炉内全料面形状，具有全料面实时三维成像能力。

此专利由于雷达在炉外，当雷达波穿透介质窗口时，如果窗口内外有粘结物，水汽等，就会失波；同时在炉外的二维扫描，得到三维图象本身也靠计算和假设，计算难度大，且存在介质窗口密封等一系列安全环保问题，因此该方法具体实施难度较大。

申请号200710064497.3，申请日2007年03月16日的中国专利，公开了一种高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法，属于电子测量技术及计算机三维技术领域。系统包括：雷达，套筒，阀门，套筒、高炉，雷达安装至连接套筒的法兰处；一套雷达数据采集单元包括24路信号接入端子板，以及和端子板相连接的安装于工控机总线上的数据采集卡；一台工控计算机，及其配套的高炉料面立体监测软件组成成像系统。检测步骤为：雷达与数据采集单元实时通讯，计算机将倾斜测量到的数值转化成高炉料面的垂直高度值，并送入到计算机成像系统(8)，结合高炉内部的尺寸参数，生成所需3D料层的曲面数据。

但是该系统雷达测量单元和辅助安装单元比较复杂，并且套筒部分没有明确的安装方法，因此本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法中，采用更加简化的系统结构组成，增加了多雷达计算机辅助虚拟设计系统，并提出一套基于雷达套筒的多雷达安装方法。

美国专利号US5053776，公开了《DEVICE AND METHOD FOR THE TELEMETRICMEASUREMENT OF A DISTANCE AND APPLICATION TO A RADAR PROBE FOR DETERMINING THETOPOGRAPHIC MAP OF LOADING SURFACE OF A SHAFT FURNACE》，采用了雷达的非接触测量方法，测量高炉料面，对雷达的具体组成和原理，即由一台雷达，天线，回波处理电路的硬件电路组成的高炉雷达对料面准确距离的测量系统，类似的US4322627、US4429309、US5611838均涉及高炉雷达对对料面准确距离的测量，但是上述专利涉及到了高炉雷达本身的工作原理，而对多台雷达在炉顶对料面的三维成像，以及多台雷达的安装方法和系统结构组成都未有涉及。

发明内容

为了解决现有技术下安装高炉雷达的种种问题，本发明提供一种高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，应用于高炉多雷达成像系统，它不仅使整个系统大大简化，安装更加方便，而且雷达经过虚拟技术的验证后，安装结果十分直观，安装后获得的数据点更加准确，有效，并最大程度地携带了尽可能多的料面信息。本发明的具体情况如下所述：

一种高炉炉顶雷达料面成像系统，包括高炉炉体，其特征在于：

所述的高炉炉体的炉顶外部安装设置有3～20个打通至炉顶内部的雷达套筒；

所述的雷达套筒内部上方均连接设置有高炉雷达。

根据本发明的一种高炉炉顶雷达料面成像系统，其特征在于，所述的高炉雷达与雷达套筒的接触处均设置有高温隔热管。

由于高炉雷达是安装在雷达套筒内，故需安装有高温隔热管，使套筒的温度无法传递到雷达的电子部分，延长了雷达工作寿命。

根据本发明的一种高炉炉顶雷达料面成像系统，其特征在于，所述的雷达套筒，该雷达套筒的为中空式设计，套筒的顶端为一连接高炉雷达的高温隔热管的固定法兰，在套筒的中部设置有两个打通至套筒内部的氮气吹扫孔，在套筒的下部连接设置有一温度传感器。

此处设计的目的在于，固定法兰起到了将高炉雷达固定安装的作用；两个安装在套筒中部的氮气吹扫孔，氮气吹扫时的氮气压力一般在0.4MPa，起冷却器以及阻挡粉尘和防止结垢的作用；套筒下部连接设置的温度传感器用于监控雷达附近温度的变化，防止温度突变给高炉雷达测量造成的不利影响，从整体而言，高炉雷达和雷达套筒配合使用，将雷达测量值和温度值现场显示并进入后续PLC(可编程控制器)进行数据处理。

根据本发明的一种高炉炉顶雷达料面成像系统，其特征在于，所述的设置于套筒的中部并打通至套筒内部的氮气吹扫孔，其位置为相对180°，其设置角度为向下对吹的30°至60°。

经过实践发现，两个孔成30°至60°向下对吹时，冷却效果最佳，两个孔的位置要求为相对180度，其安装位置距离上法兰面相同，通过管接头，将氮气接入套筒，起冷却和吹扫的作用。

根据本发明的一种高炉炉顶雷达料面成像系统的安装方法，其特征在于，所述的安装方法步骤包括：

(1)使用三维虚拟软件模拟高炉雷达的安装位置，将高炉炉顶，炉顶上的设备按尺寸画出比例图，将炉顶上影响雷达布置和雷达波入射反射的设备都一一标出，输入相关的雷达位置角度参数，则雷达的图形效果就能在三维环境中显示出来。

(2)根据雷达波束角度，实现雷达波束的模拟显示，可直观地看到雷达波束在高炉内部传播的效果及反射途径，从而确定出雷达在虚拟高炉上的位置和角度。

(3)雷达布置后，通过软件手动调整雷达位置和角度，遇到障碍物等阻挡物时，可以在圆环上绕圆周方向调整雷达的位置和角度，直到无障碍物和找到最为合理的参数为止，并由软件生成相关的技术报告，提出具体的安装数据、量化的标准和规范，得到高炉雷达的最优化布置效果图。

该方法运用三维技术，实现了雷达虚拟安装过程，使得技术人员参与施工之前，能够预先可以了解雷达布置的效果，为工业现场的实际安装工作提供了仿真手段和数据支持。

(4)根据步骤3中所得的最优化布置效果图的所选定的位置选择雷达套筒的安装地点并加工和安装雷达套筒，雷达套筒采用不锈钢或铸钢等金属或其他材料加工，雷达套筒设计长度一般在750mm左右，直径在133mm至159mm左右。雷达套筒深入到高炉内部的位置处的套筒下端为斜坡状，和高炉渣料层平行，雷达套筒的外壁和高炉本体焊接密封。

为了使回波够强，又保证雷达的天线部分，不受到高温的影响，对套筒的长度有要求，太长，回波弱，钢管壁容易被粘结物粘结，出现多次回波，或信号带很多的毛刺，效果不佳。太短，回波会增强，但是，高温的气流容易上冲，瞬间造成雷达发射头的破坏，因此套筒设计长度一般在750mm左右，直径在133mm到159mm左右。

而雷达套筒的套筒下端加工成斜坡状，使得套筒下端的底面和高炉渣料层平行，其目的在于，使高炉壁附近的高温气流不能通过钢管传导到上部，从而可以减少冷却的氮气用量。此外应注意无论雷达套筒在垂直安装时，或者倾斜安装时，套筒下端的底面需始终和高炉内部渣料层的面相持平。

(5)根据步骤3中所得的最优化布置效果图及步骤4的所选定的雷达套筒的位置布置高炉雷达，将高炉雷达安装至雷达套筒的内部上方的顶端，雷达套筒的固定法兰与高炉雷达上设置的高温隔热管相连接并固定，高炉雷达下部的雷达发射端则伸入雷达套筒内部。

至此安装完毕，待调试无误后即可开机使用。

使用本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，获得如下有益效果：

1.本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，针对现有技术的不足，在此提供一种应用于高炉多雷达成像系统的雷达安装方法和装置，它不仅使整个系统大大简化，安装更加方便.

2.本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，其高炉雷达的具体安装位置经过虚拟技术的验证，安装结果十分直观，安装后获得的数据点更加准确，有效，并最大程度地携带了尽可能多的料面信息。

附图说明

图1为高炉雷达测点实际可安装地点的分布图；

图2为本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法的多雷达计算机辅助虚拟设计系统示意图；

图3为本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法的多雷达实际数学建模与仿真显示示意图；

图4为本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法的高炉雷达安装图

图5为本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法的高炉雷达用的雷达套筒的具体结构示意图。

图中：1-高炉炉体，2-雷达套筒，2a-固定法兰，2b-氮气吹扫孔，2c-温度传感器，3-高炉雷达，3a-高温隔热管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法做进一步的描述。

实施例

如图1，多雷达安装方法，原来是沿径向等距离分布，理论上覆盖效果好。但实际上，由于高炉上有高炉的布料筒和布料溜槽(图1中阴影处)，因此能安装雷达的位置，就去掉了中心圆这一大块，剩下就是一个圆环可以布置雷达，圆环中，有喷水口，高炉探尺，摄像头，人孔，检修孔等，实际上有效的能布雷达的位置和空间十分有限，因此。

如图2所示，为本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法的多雷达计算机辅助虚拟设计系统示意图，根据如图2所提出的雷达安装原则，将雷达安装3布置在高炉炉体1的垂直投影面的料面圆环上，本实施例中设该圆环分为4个环区，在高炉斜面上的水平投影位置，用等间隔的方法，布置了3个雷达，即垂直安装2台雷达，另外1个雷达，在内环位置，靠近炉中心位置，倾斜安装该台雷达，实行料面的全覆盖。雷达倾角的选择一般在30°以内，都可以得到有效的回波，但一般建议在10°以内。

雷达布置后，用三维软件，如3DMAX，PRO/E，UG或者其他软件进行修正，遇到障碍物时，可以在环上的绕圆周方向调整，直到无障碍物为止。接着采用多雷达计算机辅助虚拟设计系统。

如图2所示，观察在最高位置的平面A和最低位置的平面C，3个雷达在料面上分别形成的有效的投影区域，在平面B上投影区域保持等间隔，不重叠。在平面B和C之间，一般受到倾斜影响的就是这个雷达，我们设最低位置C，其雷达投影区域的外圆到达高炉的中心线，当雷达探尺低于设定料面时C时，圆面将会出现在料面的另一侧，在数学建模与仿真显示中，软件会根据垂直雷达的事先设定数值，自动将此倾斜的雷达，修正成数学建模所需的垂直距离，依然可以三维成像。而垂直安装的两个雷达都可以相当于探尺使用，用0-50米的测距探尺，可以一直跟踪料面的变化。

如图2所示，设置了距离L1，L2，L3是多个高炉雷达3到高炉设置平面A，B，C的距离，H1，H2，H3是不同雷达到机械探尺(即平面D)的距离，通过这些数据，采用三维成像的方法，可以实现高炉的多雷达计算机辅助虚拟三维成像。

实际中，如图3所示，一般以机械探尺的零距离起点为高炉测距测量的起点(即平面D)，则平面D距实际料面(即平面B)的垂直距离设为高程S1，S2，S3。高程值可以方便地和探尺比较结果。通过高程值的计算，即可建立高炉料面的三维实时图像。

如图4和图5所示，本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法的应用实例，是一种典型的高炉雷达垂直安装方法。根据上述的高炉料面的三维实时图像，选定安装雷达套筒2，高炉雷达则安装至雷达套筒的内部上方的顶端，雷达套筒的固定法兰2a与高炉雷达上设置的高温隔热管3a相连接并固定，高炉雷达下部的雷达发射端则伸入雷达套筒内部。而对于需要倾斜安装的高炉雷达，其安装方法与装置与垂直方式相同，不同的是，雷达套筒2深入到高炉内部的位置处的套筒下端为斜坡状，和高炉渣料层平行，雷达套筒的外壁和高炉炉体1焊接密封，满足我们制定的雷达安装位置的优先原则与顺序的方法。

本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法，针对现有技术的不足，不仅使整个系统大大简化，安装更加方便，其高炉雷达的具体安装位置经过虚拟技术的验证，安装结果十分直观，安装后获得的数据点更加准确，有效，并最大程度地携带了尽可能多的料面信息，此外应用本发明的高炉炉顶雷达料面成像系统及安装方法可以设计出任意雷达安装方法，本发明可广泛应用于冶金、化工，水泥建材等众多料面成像系统领域。

Claims (5)

1.一种高炉炉顶雷达料面成像系统，包括高炉炉体(1)，其特征在于：

所述的高炉炉体(1)的炉顶外部安装设置有3～20个打通至炉顶内部的雷达套筒(2)；

所述的雷达套筒(2)内部上方均连接设置有高炉雷达(3)。

2.如权利要求1所述的一种高炉炉顶雷达料面成像系统，其特征在于，所述的高炉雷达(3)与雷达套筒(2)的接触处均设置有高温隔热管(3a)。

3.如权利要求1所述的一种高炉炉顶雷达料面成像系统，其特征在于，所述的雷达套筒(2)，该雷达套筒的为中空式设计，套筒的顶端为一连接高炉雷达(3)的高温隔热管(3a)的固定法兰(2a)，在套筒的中部设置有两个打通至套筒内部的氮气吹扫孔(2b)，在套筒的下部连接设置有一温度传感器(2c)。

4.如权利要求3所述的一种高炉炉顶雷达料面成像系统，其特征在于，所述的设置于套筒的中部并打通至套筒内部的氮气吹扫孔(2b)，其位置为相对180°式设置，其设置角度为向下对吹的30°至60°。

5.如权利要求1所述的一种高炉炉顶雷达料面成像系统的安装方法，其特征在于，所述的安装方法步骤包括：

(1)使用三维虚拟软件模拟高炉雷达(3)的安装位置，将高炉炉顶，炉顶上的设备按尺寸画出比例图，将炉顶上影响雷达布置和雷达波入射反射的设备都一一标出，输入相关的雷达位置角度参数，则雷达的图形效果在三维环境中显示；

(2)根据雷达波束角度，实现雷达波束的模拟显示，可直观地看到雷达波束在高炉内部传播的效果及反射途径，从而确定出雷达在虚拟高炉上的位置和角度；

(3)雷达布置后，通过软件手动调整雷达位置和角度，遇到障碍物等阻挡物时，可以在圆环上绕圆周方向调整雷达的位置和角度，直到无障碍物和找到最为合理的参数为止，并由软件生成相关的技术报告，提出具体的安装数据、量化的标准和规范，得到高炉雷达的最优化布置效果图；

(4)根据步骤3中所得的最优化布置效果图的所选定的位置选择雷达套筒(2)的安装地点并加工和安装雷达套筒，雷达套筒采用不锈钢或铸钢等金属或其他材料加工，雷达套筒设计长度一般在750mm左右，直径在133mm至159mm左右，雷达套筒深入到高炉内部的位置处的套筒下端为斜坡状，和高炉渣料层平行，雷达套筒的外壁和高炉本体焊接密封；

(5)根据步骤3中所得的最优化布置效果图及步骤4的所选定的雷达套筒(2)的位置布置高炉雷达(3)，将高炉雷达安装至雷达套筒的内部上方的顶端，雷达套筒的固定法兰(2a)与高炉雷达上设置的高温隔热管(3a)相连接并固定，高炉雷达下部的雷达发射端则伸入雷达套筒内部。

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