CN103194555B - 一种炉顶设备布料规律研究系统 - Google Patents

Abstract

一种炉顶设备布料规律研究系统，属于炼铁技术领域，包括全仿真皮带机上料系统、全透明炉顶布料设备整体模型、全透明炉体分区研究模型、企业级高速摄像分析系统、实验平台；全仿真皮带机上料系统（1）在整套系统顶端，由可移动式支架与实验平台（4）的第二层平台连接，其下口与全透明炉顶布料设备整体模型（2）相接；全透明炉顶布料设备整体模型（2）下端安装在全透明炉体分区研究模型（3）上；企业级高速摄像分析系统（5）的拍摄终端一般放置在实验平台（4）的第一层平台上。优点在于：研究系统全面完整、直观准确，同时，实验方案简单易行，结果可靠，是高炉布料规律研究领域的新突破。

Description

一种炉顶设备布料规律研究系统

技术领域

本发明属于炼铁技术领域，特别是涉及一种炉顶设备布料规律研究系统，适用于冶金试验研究。

背景技术

炉顶设备是整个钢铁冶金流程最重要的设备之一，是一种在高温、高压、强粉尘的恶劣工况条件下精确布料的设备。焦炭和矿石经过上料系统进入高炉炉顶设备后，经过换向溜槽、上密封阀、料罐、气密箱、布料溜槽等进入高炉，进行化学反应，开始冶炼过程。针对炉顶设备的布料规律研究对于降低高炉的燃料比、降低高炉煤气贫化，提高煤气热值，节省冷却氮气方面至关重要。

目前，对于高炉布料规律的研究越来越受到各大钢铁企业及相关专业院校的重视，但是，高炉布料过程尚属于离散、黑箱操作，因此，也就限制了该领域研究的深入。

现有的炉顶布料研究方式一般是缩小比例制作部分设备模型，或者直接在开炉之前人工测量布料数据，用来进行简单的布料规律分析。由于处于暗箱之中，受到条件所限，这些布料模拟系统一般存在模拟方法单一，研究不够全面，结论通用性不强等问题。

因此，如何打破高炉布料系统的黑箱，从整个布料流程进行全面分析，最大限度地模拟实际生产情况，结合设备特点进行布料规律的深入探索，扩展高炉布料规律研究方法，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种炉顶设备布料规律研究系统，该系统采用全仿真上料皮带、全透明设备模型、高速摄像数据处理方法，完整模拟整个布料过程，打破黑箱，通过计算机技术精确处理实验数据，全面深入研究高炉布料规律。

本发明包括全仿真皮带机上料系统1、全透明炉顶布料设备整体模型2、全透明炉体分区研究模型3、企业级高速摄像分析系统5、实验平台（两层）4。全仿真皮带机上料系统1在整套系统顶端，由可移动式支架与实验平台4的第二层平台连接，其下口与全透明炉顶布料设备整体模型2相接。全透明炉顶布料设备整体模型2下端安装在全透明炉体分区研究模型3上。企业级高速摄像分析系统5的拍摄终端一般放置在实验平台4的第一层平台上，其位置可根据拍摄需求进行调整。实验平台4的第一层高度与全透明炉体分区研究模型3中第一层隔板齐平，实验平台4的二层与架设在实验平台4第一层的两侧斜梯相接，高度与全透明炉顶布料设备整体模型2中阀箱上沿齐平，实验平台4两层均按国家标准要求加防护栏。

本发明中，炉料通过全仿真皮带机上料系统1进入全透明炉顶布料设备整体模型2，全透明炉顶布料设备整体模型2则完全模拟实际高炉布料过程将炉料布入全透明炉体分区研究模型3，炉料运行整个过程将由企业级高速摄像分析系统5记录与分析，从而对炉料运行轨迹、炉料分布情况进行研究。由于布料设备模型与炉体分区模型均为全透明材料，且按比例仿真制作，因此实验分析结果将对高炉实际生产有重要参考价值。

（一）全仿真皮带机上料系统

全仿真皮带机上料系统1包括炉料卷扬提升系统、炉料存储仓6、上料皮带8、可移动式皮带机底座9、皮带头轮罩10。炉料卷扬提升系统由卷扬电机、滑轮、拉钩与料筒组成。卷扬电机安装在实验平台4的第一层平台上，滑轮安装在实验室墙壁顶端，接近炉料存储仓，便于装料。炉料存储仓下口装有可调式阀门，并与上料皮带8输入端相接。上料皮带8和炉料存储仓6一起安装在可移动式皮带机底座9上，可移动式皮带机底座9放置于实验平台4的第二层平台上。上料皮带8输出端罩有皮带头轮罩10，皮带头轮罩10直接与全透明炉顶布料设备整体模型2中的换向溜槽连接。

炉料卷扬提升系统将炉料装入炉料存储仓，其后通过炉料存储仓储料后放入上料皮带8，由上料皮带8送入全透明炉顶布料设备整体模型2。

该上料皮带，按1：15比例制作，宽度160mm，常规转速2m/s,附有变频调速系统，能通过调速进行料批、料重试验，结合生产实际情况，验证炉顶设备设计的合理性，进行炉顶设备赶料能力研究。

（二） 全透明炉顶布料设备整体模型

全透明炉顶布料设备整体模型2按1：15比例设计，包括换向溜槽11、上密封阀12、料罐13、阀箱14、中间斗15、气密箱16、布料溜槽17。最顶端的换向溜槽11下口连接左右两侧上密封阀12，上密封阀12下口直接与料罐13上口相接，料罐13下端连接阀箱（包括料流调节阀和下密封阀）14，阀箱14下口接中间斗（中间斗下口设有插板阀）15，阀箱14由安装在实验平台4的第一层平台上的设备支撑架承重。中间斗15下口接气密箱16，布料溜槽11与气密箱16内的动臂相连接，动臂由安装在气密箱16上的变频调速电机通过齿轮传动驱动。除气密箱16内的传动齿轮为金属材料，其余设备均采用有机玻璃制作。本次实验以并罐式无料钟炉顶设备为基础制作模型，该方法同样适用于串罐无料钟炉顶设备。

炉料由上料皮带送入换向溜槽后，通过换向溜槽、上密封阀进入料罐。待料罐充满，开动布料溜槽驱动电机，布料溜槽开始转动，然后开启料流调节阀、下密封阀，炉料通过料流调节阀、下密封阀进入中间斗，然后从中间斗下口进入气密箱内的中心喉管，再穿过中心喉管落入布料溜槽，炉料沿布料溜槽进入炉体内部，进行布料。整个过程炉料在换向溜槽、料罐出口、料流调节阀、中间斗、中心喉管、布料溜槽等多处发生碰撞，造成轨迹变化，通过企业级高速摄像分析系统进行全程观察与记录，对这些影响布料规律结果的现象进行定性分析。

因为料罐使用透明材料按比例制作，因此可以对料罐中炉料的堆积，下沉，漏斗效应等现象进行记录与分析，打破了料罐黑箱子。料罐下端与料流调节阀相连接，料流调节阀装有手动齿轮调节装置和刻度盘，可完全模拟实际高炉开度进行实验。

采用变频调速电机驱动气密箱内金属材质齿轮，经传动最终驱动连接在动臂上的布料溜槽，通过调整转速与布料溜槽倾动角度，进行布料试验，可分析布料溜槽不同转速下的单环、多环布料规律情况，得到布料轨迹以及料面上的炉料偏析，粒度分布、炉料堆角等。

（三） 全透明炉体分区研究模型

全透明的炉体分区研究模型，打破了炉内黑箱，包括高炉炉壳上部锥段，炉喉、炉身、纵向透明隔板21、横向分层透明隔板22以及下端支架25。在炉壳上部锥段底端设有法兰，炉喉与炉壳锥段采用法兰连接，炉喉与炉身一起制作，炉身由下端支架支撑，下端支架直接安装在地面上。在炉体内设纵向透明隔板，纵向透明隔板竖直放置，并与两料罐中心连线垂直，纵向透明隔板上沿与炉喉上沿齐平，下沿直到炉身底端，从炉喉开始向下将炉体一分为二。在纵向透明隔板两侧、炉身底部分设排料阀门，可单独排空一侧炉料，进行炉料断面分析测量。此外，在炉体内设置三道横向分层透明隔板，第一道横向分层透明隔板位于炉喉下口，三层横向分层透明隔板分别相距130mm，可以对炉料分布进行分层、分区域研究。

通过单环、多环等各种布料方式，将炉料布至炉内。根据对生产实际中炉况的模拟，以及对炉内区域进行分段、分区研究，探索高炉炉料在炉内的分布情况，从而实践布料效果，分析炉内反应过程，进而指导高炉生产，降低燃料比，提高高炉利用系数。

（四）企业级高速摄像分析系统

本发明集成应用了一套企业级高速摄像分析系统，包括4mm工业专用镜头、工业高速摄像机27，数据线，图像存储、数据处理计算机26，透明直角坐标基础面板28。系统终端的4mm工业专用镜头安装在工业高速摄像机上，工业高速摄像机27通过数据线与控制室内的图像存储、数据处理计算机26连接，图像存储、数据处理计算机26装有图像拍摄与处理软件，透明直角坐标基础面板28竖直安装在炉喉处第一层横向透明隔板上，透明直角坐标基础面板28与纵向透明隔板以及第一层横向透明隔板均垂直。企业级高速摄像分析系统全程记录炉料运行全过程。控制室内的计算机通过数据线控制工业高速摄像机拍摄图像，并进行保存与数据处理。在同样位置拍摄多组料流照片，根据基础面板坐标定位，通过图像叠加方法，获取料流坐标，进行料流轨迹分析。

（五）两层炉顶实验平台

两层炉顶实验平台包括第一层整体平台、第一层平台支腿、第一层平台两侧斜梯、第二层小平台、第二层小平台支腿、第二层小平台两侧斜梯、设备支撑架。第一层平台支腿安装在地面上，支撑第一层整体平台，第一层平台两侧装有斜梯，设备支撑架安装在第一层平台上。第二层平台支腿焊接在第一层整体平台上，支撑第二层小平台，第二层小平台两侧装有斜梯。

第一层平台用于设备安装、操作布料设备模型、支撑工业高速摄像系统，支撑第二层平台。第二层平台用于操作全仿真皮带机上料系统。

本发明的创新在于，

1、完整的高炉布料全流程试验研究；

2、采用透明材质的料流通道，打开了炉顶设备的黑箱子；

3、结合设备特性，进行布料规律研究；

4、采用全透明炉体分区研究模型，打开了高炉内部的黑箱子；

5、引入企业级高速摄像、图像处理技术进行布料规律定量分析。

本发明系统提出了全流程高炉布料规律研究方法，在各个环节应用选择发明或转用发明理论，确立了研究方案。该研究系统涉及了诸多影响布料规律的因素，具有全面完整、直观准确的优点，同时，实验方案简单易行，结果可靠，是高炉布料规律研究领域的新突破。

附图说明

图1 是试验平台整体方案图，其中，全仿真皮带机上料系统1、全透明炉顶布料设备整体模型2、全透明炉体分区研究模型3、试验平台（两层）4、企业级高速摄像分析系统5。

图2 是全仿真皮带机上料系统安装布置图（左视图），其中，炉料存储仓6、储料仓阀门7、上料皮带8、可移动式皮带机底座9、皮带头轮罩10。

图3是全透明炉顶布料设备整体模型示意图，其中，换向溜槽11、上密封阀12、料罐13、阀箱（包括料流调节阀和下密封阀）14、中间斗15、气密箱16、布料溜槽17。

图4 是全透明炉体分区研究模型示意图，其中，纵向透明隔板21、横向分层透明隔板22、A部分下料阀门23、B部分下料阀门24、下端支架25。

图5是炉内矿焦分层分布示意图。

图6是企业级高速摄像、分析系统布置图 ，其中，图像存储、数据处理计算机26、工业高速摄像机27、透明直角坐标基础面板28、全透明炉顶布料设备整体模型2。

具体实施方式

本发明包括全仿真皮带机上料系统1、全透明炉顶布料设备整体模型2、全透明炉体分区研究模型3、企业级高速摄像分析系统5、实验平台（两层）4。全仿真皮带机上料系统1在整套系统顶端，由可移动式支架与实验平台4的第二层平台连接，其下口与全透明炉顶布料设备整体模型2相接。全透明炉顶布料设备整体模型2下端安装在全透明炉体分区研究模型3上。企业级高速摄像分析系统5的拍摄终端一般放置在实验平台4的第一层平台上，其位置可根据拍摄需求进行调整。实验平台4的第一层高度与全透明炉体分区研究模型3中第一层隔板齐平，实验平台4的二层与架设在实验平台第一层的两侧斜梯相接，高度与全透明炉顶布料设备整体模型2中阀箱上沿齐平，实验平台4两层均按国家标准要求加防护栏。

本发明中，炉料通过全仿真皮带机上料系统进入全透明炉顶布料设备整体模型2，全透明炉顶布料设备整体模型2则完全模拟实际高炉布料过程将炉料布入全透明炉体分区研究模型3，炉料运行整个过程将由企业级高速摄像分析系统5记录与分析，从而对炉料运行轨迹、炉料分布情况进行研究。布料设备模型与炉体分区模型均为全透明材料，且按比例仿真制作。

请参考图2，利用炉料卷扬系统将炉料注入炉料存储仓6，炉顶设备装料时，打开炉料存储仓6的下口可调式阀门7，炉料落入安装在可移动支座上9的上料皮带8，由上料皮带运送至头轮罩10，经过头轮罩内的接料台缓冲、对中后进入换向溜槽。

该装置的炉料存储仓阀门开度可调，上料皮带上料速度可调，上料皮带走行方向与料罐中心线夹角可调，可用于深入研究上料系统对料罐内炉料堆积形式的影响。

请参考图3，本发明所提供的一套全透明炉顶布料设备整体模型完全按照实物比例缩小制作。其中，换向溜槽11有左右两罐两个放料位置，上密封阀12有启闭两个位置，料罐13采用全透明材质制作，阀箱14中的料流调节阀位置可调，并在调节位置装有刻度盘，中间斗15亦采用透明材质制作，直观分析调节阀不同开度时，炉料在过料通道各个环节中的运动情况，气密箱16中的运动件采用金属材质齿轮，布料溜槽17采用有机玻璃制作。由于采用全透明材质，炉料在整个炉顶设备料流通道中的运动形态都可以被定性分析。

请参考图4 ，本发明所提供的系统研究方法，不仅限于高炉炉顶设备布料规律，落料点位置，更从炉体内炉料分布的角度进行深入研究。

在炉体内直径方向设置纵向透明隔板21，将炉体分成对称A、B两部分，炉料充满炉体时，将A侧下料阀门23打开，可得到炉体内料层分布的断面示意图如图5。此外，还在炉体内设置三层横向分层透明隔板，分层、分区域研究炉料分布情况。

参考图6，本发明采用企业级高速摄像分析系统，由控制室内的图像存储、数据处理计算机控制工业高速摄像机实时记录布料过程，根据直观的平面直角坐标基础板，通过后期图像处理技术得到精确的料流轨迹数据。还可以通过录像分析，得到炉料在炉喉、炉体内的分层分布情况，料面堆尖数据等等。

几个部分相互联系，形成一整套高炉无料钟炉顶布料规律研究系统。

Claims (2)

1.一种炉顶设备布料规律研究系统，包括全仿真皮带机上料系统、全透明炉顶布料设备整体模型、全透明炉体分区研究模型、企业级高速摄像分析系统、实验平台；全仿真皮带机上料系统(1)在整套系统顶端，由可移动式支架与实验平台(4)的第二层平台连接，其下口与全透明炉顶布料设备整体模型(2)相接；全透明炉顶布料设备整体模型(2)下端安装在全透明炉体分区研究模型(3)上；企业级高速摄像分析系统(5)的拍摄终端一般放置在实验平台(4)的第一层平台上；实验平台(4)的第一层高度与全透明炉体分区研究模型(3)中第一层隔板齐平，实验平台(4)的二层与架设在实验平台第一层的两侧斜梯相接，高度与全透明炉顶布料设备整体模型(2)中阀箱上沿齐平，实验平台(4)两层均按国家标准要求加防护栏；

炉料通过全仿真皮带机上料系统进入全透明炉顶布料设备整体模型(2)，全透明炉顶布料设备整体模型(2)则完全模拟实际高炉布料过程将炉料布入全透明炉体分区研究模型(3)，炉料运行整个过程将由企业级高速摄像分析系统(5)记录与分析，控制室内的计算机通过数据线控制工业高速摄像机拍摄图像，并进行保存与数据处理；在同样位置拍摄多组料流照片，根据基础面板坐标定位，通过图像叠加方法，获取料流坐标，进行料流轨迹分析，从而对炉料运行轨迹、炉料分布情况进行研究；

所述的全仿真皮带机上料系统(1)包括炉料卷扬提升系统、炉料存储仓(6)、上料皮带(8)、可移动式皮带机底座(9)、皮带头轮罩(10)；炉料卷扬提升系统由卷扬电机、滑轮、拉钩与料筒组成；卷扬电机安装在实验平台(4)的第一层平台上，滑轮安装在实验室墙壁顶端，接近炉料存储仓，便于装料；炉料存储仓(6)下口装有可调式阀门，并与上料皮带(8)输入端相接；上料皮带(8)和炉料存储仓(6)一起安装在可移动式皮带机底座(9)上，可移动式皮带机底座(9)放置于实验平台(4)的第二层平台上；上料皮带(8)输出端罩有皮带头轮罩(10)，皮带头轮罩(10)直接与全透明炉顶布料设备整体模型(2)中的换向溜槽连接；

炉料卷扬提升系统将炉料装入炉料存储仓，其后通过炉料存储仓储料后放入上料皮带(8)，由上料皮带(8)送入全透明炉顶布料设备整体模型(2)；

所述的全透明炉顶布料设备整体模型(2)包括换向溜槽(11)、上密封阀(12)、料罐(13)、阀箱(14)、中间斗(15)、气密箱(16)、布料溜槽(17)；最顶端的换向溜槽(11)下口连接左右两侧上密封阀(12)，上密封阀(12)下口直接与料罐(13)上口相接，料罐(13)下端连接阀箱(14)，阀箱(14)下口接中间斗(15)，阀箱(14)由安装在实验平台(4)的第一层平台上的设备支撑架承重；中间斗(15)下口接气密箱(16)，布料溜槽(11)与气密箱(16)内的动臂相连接，动臂由安装在气密箱(16)上的变频调速电机通过齿轮传动驱动；

炉料由上料皮带送入换向溜槽后，通过换向溜槽、上密封阀进入料罐；待料罐充满，开动布料溜槽驱动电机，布料溜槽开始转动，然后开启料流调节阀、下密封阀，炉料通过料流调节阀、下密封阀进入中间斗，然后从中间斗下口进入气密箱内的中心喉管，再穿过中心喉管落入布料溜槽，炉料沿布料溜槽进入炉体内部，进行布料；整个过程炉料在换向溜槽、料罐出口、料流调节阀、中间斗、中心喉管、布料溜槽多处发生碰撞，造成轨迹变化，通过企业级高速摄像分析系统进行全程观察与记录，对这些影响布料规律结果的现象进行定性分析；

所述的全透明的炉体分区研究模型，包括高炉炉壳上部锥段，炉喉、炉身、纵向透明隔板(21)、横向分层透明隔板(22)以及下端支架(25)；在炉壳上部锥段底端设有法兰，炉喉与炉壳锥段采用法兰连接，炉喉与炉身一起制作，炉身由下端支架支撑，下端支架直接安装在地面上；在炉体内设纵向透明隔板，纵向透明隔板竖直放置，并与两料罐中心连线垂直，纵向透明隔板上沿与炉喉上沿齐平，下沿直到炉身底端，从炉喉开始向下将炉体一分为二；在纵向透明隔板两侧、炉身底部分设排料阀门，可单独排空一侧炉料，进行炉料断面分析测量；在炉体内设置三道横向分层透明隔板，第一道横向分层透明隔板位于炉喉下口，三层横向分层透明隔板分别相距130mm，对炉料分布进行分层、分区域研究。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的企业级高速摄像分析系统包括4mm工业专用镜头、工业高速摄像机(27)，数据线，图像存储、数据处理计算机(26)，透明直角坐标基础面板(28)；系统终端的4mm工业专用镜头安装在企业级高速摄像机上，工业高速摄像机(27)通过数据线与控制室内的图像存储、数据处理计算机(26)连接，图像存储、数据处理计算机(26)装有图像拍摄与处理软件，透明直角坐标基础面板(28)竖直安装在炉喉处第一层横向透明隔板上，透明直角坐标基础面板(28)与纵向透明隔板以及第一层横向透明隔板均垂直。