CN104404188A - 一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，包括雷达外壳以及设于雷达外壳头部的T型天线槽，所述雷达外壳头部外端面周向均布有环绕T型天线槽的倒刺，所述雷达外壳头部外端面周向设有环绕T型天线槽、且将倒刺埋入的耐火混凝土块，所述雷达外壳沿内壁轴向分别设有进水管和出水管，所述雷达外壳头部内端面设有将进水管和出水管相连通的蛇形连接管，所述进水管和出水管中冷却水的流速大于2m/s。本发明可保护雷达天线免受高温煤气的直接冲刷，可以广泛应用于高炉检测技术领域。

Description

一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构

技术领域

本发明涉及高炉检测技术领域，特别是涉及一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构。

背景技术

一、高炉背景

高炉是一个在高温高压条件下冶炼生铁的密闭逆流反应器。目前，工长通过常规的温度、压力、流量和煤气成分等检测结果来判断炉况、操作高炉。影响高炉冶炼过程的因素错综复杂，这种间接和经验的判断往往会出现偏差和延误，影响高炉稳定顺行。对工长来说，目前高炉仍然是一个黑匣子。

从上世纪70年代末日本进行大型高炉的解剖研究以来，日本、欧洲等很多大钢铁公司即着手炉顶检测设备的研发，进入2000年以后，中国钢铁工业崛起，国内大型高炉多达几百座，为维持高炉的稳定顺行，对高炉炉顶检测设备提出了很多需求，近年来，炉顶十字测温装置、红外热图像仪、煤气取样机、微波料面计等测量仪表先后在高炉上应用，对高炉工长准确判断炉况提供了更多信息，使高炉操作水平有了较大的进步。上述设备在体积、结构、价格、运行费用、使用寿命等方面各有特点，有的对高炉布料还有不利影响。随着钢铁市场竞争形势的日趋严峻，高炉操作者迫切要求及时掌握高炉运行时炉内煤气流分布和设备工作状况，把握高炉冶炼行程，优化技术经济指标，提高市场竞争力。

二、相控阵技术背景

美国在19世纪60年代就开始了相控阵雷达的开发和研制。是世界上相控阵总体和模块技术最成熟的国家，研制和生产的多功能相控阵雷达覆盖了陆、海、空、天各个领域。工作频段包括：HF、UHF(超视距雷达)，L、S、C、X、Ku(大部分在这五个频段)。美国F-22机载有源固态相控阵雷达AN/APG-77为机载雷达的典范。APG-77工作频率为8～12GHz，天线直径约为1m，天线由约2000个收发模块组成，每个模块的辐射功率10W。雷达的方位、俯仰面扫描范围均为±60°。美国在其基础上研制了F-35(JSF)战机，装备APG-79雷达。2002年4月，美国海军着手研制DD(X)水面战舰。舰载主雷达也为有源固态相控阵雷达，类似于SPY-3相控阵雷达，为双频段工作。俄罗斯的MIG-35上也采用了Zhuk-AE有源相控阵雷达。

国内主要是南京电子技术研究所和无锡607所开展这方面的研究，相继开发成功了x波段的相控阵雷达，民用方面南京电子技术研究所和国家气象局正在开展气象相控阵雷达的研究工作。对于相控阵天线中的方向图综合以合成窄波束、低副瓣的方法，主要有傅立叶变化法、WOODWARD综合Schelkunov综合、切比雪夫综合法(同副瓣电平下产生最窄波瓣)泰勒线源综合以及交错投影和功率方向图综合法等等。

检索美国，德国和日本在该领域的专利，检索关键词：“phasedarray”，美国主要是在军事领域的应用，德国在气象，遥感和资源探测等领域的应用，共计800多项。检索中国发明专利“相控阵”，共计99条，实用新型28条，涉及高炉料面相控阵扫描的专利7项。

三、高炉料面测量用相控阵雷达

目前世界上欧洲，美国，日本等在高炉料面监测方面，发明专利有12项专利，这些专利都是采用一台雷达代替机械探尺，进行雷达料面的测距，测量料面下降速度等。该类专利的问题在于雷达都需要垂直安装，虽然部分雷达有移动扫描成像功能，但都是采用机械转动来实现的。国内宝钢做过大量机械移动扫描实验，发现使用一段时间后，机械故障率非常高。

尹怡欣等申请了申请号为201110125524.X、发明名称为“基于多点雷达数据的无料钟高炉炉顶布料闭环控制方法”的中国专利申请，该申请提出了一种利用多点雷达数据进行无料钟高炉炉顶布料的闭环控制方法。陈先中、白真龙、许鼎等提出了登记号为2012SR050249、登记名称为“高炉料面雷达三维成像软件”软件著作权登记，该软件著作权保护了一种雷达三维成像软件。陈先中等提出了公开号为101666874A、发明名称为“一种FMCW雷达测距精确校正的测量装置与补偿校正方法”的中国专利申请，该申请主要用于相控阵雷达的测距校正。陈先中等提出了公开号为101492750A、发明名称为“基于工业相控阵雷达的高炉料面测量与控制系统”的中国专利申请，该专利申请针对利用相控阵技术测量高炉料面提出了一种测量原理及控制系统。陈先中等提出了申请号为200910089128.9、发明名称为“一种用于高温含尘测量的雷达天线冷却抗粘附装置”的中国专利申请；同时提出了申请号为201110069141.5、发明名称为“一种耐高温自清洁抗腐蚀微波天线”的中国专利申请，该两项专利申请针对高温含尘测量的雷达天线冷却抗粘附问题，分别提出了各自的解决办法。陈令坤、胡正刚、尹腾等提出了申请号为201210557351.3、发明名称为“高炉闭环布料系统的控制方法”的中国专利申请，该专利申请提出了一种如何利用相控阵雷达进行高炉闭环布料的方法。

近年来北京科技大学陈先中教授在国家863计划的支持下进行了高炉用相控阵技术的研究，2008年，在国家“863”探索项目的支持下，陈先中教授在中国宝钢首次安装了具有中国自主知识产权的6台高温冶金雷达，实现了雷达的倾斜安装，并和宝钢联合申请了2项发明专利。这种方法能够测量料面的6个点，采用了自己研制的料面雷达，并成功实现了3D成像。但这种方法存在下列两个问题：一是在现场安装时，6台雷达只能扫6个点，是静态点，扫描的点数太少；另一个是安装的雷达必须是至少6个，雷达数量太多，现场安装极其不方便。

针对上述问题，北京科技大学和北京航空航天大学、武钢合作，使用最先进的相控阵雷达技术，代替多台雷达，进行高炉料面的扫描成像，成功开发了国内第一套高炉料面测量用相控阵雷达并成功用于高炉料面测量。和其他各种炉顶料面测量技术进行对比可以发现，炉顶料面测量用相控阵雷达在测量点数、测量连续性、测量精度、体积、可维护性等方面都具有不可比拟的优势。

根据高炉生产情况，炉顶料面测量装置需要满足以下工艺条件：

(1)高炉炉内处于高温、高压、高粉尘、高湿度的状态，要使摄像设备在高炉内长期稳定地在线运行，必须解决隔热冷却、耐压、防止镜片结露和粘灰等技术难题。

(2)高炉炉内料面温度处于800℃以下，在生产状况下，炉内没有可见光，即使外加光源，由于可见光不能穿透高炉内高粉尘、高湿度的气氛环境，用一般的摄像系统是无法观察到炉内料面状况的，必须采用特殊的红外技术。

(3)由于炉顶空间狭小，要想既能观察整个料面的情况、又能观察溜槽或大钟的工作情况，必须研制特殊的广角镜头。

(4)由于炉顶气封罩上有上升管、人孔和料尺等工艺装置，可以利用的空余位置有限，摄像装置必须小型化。

对于料面测量用相控阵而言，在相控阵雷达的使用过程中存在许多需要解决的迫切问题之一就是雷达的头部冷却问题。由于相控阵雷达安装在高炉顶部，测量天线直接面对炉内高温气氛，正常情况下炉顶料面温度在350℃以下，异常情况下炉顶温度甚至可能超过900℃，在如此高的温度环境下如何保证相控阵雷达的正常工作就极具挑战性。目前国内外尚无相关专利问世。

综上所述，尽管高炉操作需要在线、稳定、清晰地料面测量技术，但由于高炉炉顶工作环境恶劣，目前只有相控阵雷达技术可以实现高水平的三维料面直接测量。但要确保相控阵雷达适应测量环境，需要对雷达的头部加强冷却，而目前在行业内并未见有这方面的研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，即可保护雷达天线免受高温煤气的直接冲刷。

本发明提供的一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，包括雷达外壳以及设于雷达外壳头部的T型天线槽，所述雷达外壳头部外端面周向均布有环绕T型天线槽的倒刺，所述雷达外壳头部外端面周向设有环绕T型天线槽、且将倒刺埋入的耐火混凝土块，所述雷达外壳沿内壁轴向分别设有进水管和出水管，所述雷达外壳头部内端面设有将进水管和出水管相连通的蛇形连接管，所述进水管和出水管中冷却水的流速大于2m/s。

在上述技术方案中，所述倒刺由两根金属条焊接形成T型结构。

在上述技术方案中，焊接成倒刺的两根金属条均为长30mm、直径Ф5mm的不锈钢条，相邻倒刺之间相隔8mm。

在上述技术方案中，所述T型天线槽设有多个沿轴向设置、且一端封闭的除尘气喷嘴，所述雷达外壳内设有一端与气源相连、另一端插入T型天线槽内与除尘气喷嘴相连通的供气管。

在上述技术方案中，所述T型天线槽由根部和凸出部组成，所述根部两侧均布有多个除尘气喷嘴，所述凸出部两侧均布有多个除尘气喷嘴。

在上述技术方案中，相邻的除尘气喷嘴相隔20mm。

在上述技术方案中，所述供气管为由直管和折管构成的折弯管，所述直管与气源相连、且沿雷达外壳内壁轴向设置，所述折管插入T型天线槽内与除尘气喷嘴相连通。

在上述技术方案中，所述供气管有三根，其中一根供气管的折管投影与根部一侧垂直设置，另外两根供气管的折管与根部和凸出部的相交处相连，并且所述两根供气管的折管投影分别与根部和凸出部呈45度相连，与根部垂直相交的折管投影位于这两根供气管的折管中轴线上。

在上述技术方案中，所述进水管为1个、2个、3个或4个，所述出水管与进水管一一对应。

在上述技术方案中，所述除尘气喷嘴与供气管中流动的除尘气为氮气。

本发明保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，具有以下有益效果：通过在雷达外壳头部加焊T型倒刺，然后将耐火混凝土填充于T型倒刺中间并将T型倒刺埋入其中，待耐火混凝土干燥后，借助于T型倒刺，耐火混凝土块和雷达外壳可以形成统一的防护整体，防止耐火混凝土因煤气冲刷、外力冲击而脱落，同时在雷达外壳内部安装由进水管、出水管和蛇形连接管连接而成的冷却水管，将透过耐火混凝土块传输到雷达内部的热量带走，同时在雷达外壳头部的T型天线槽上安装高压除尘气喷嘴，通过高压氮气吹扫，防止炉内灰尘进入雷达外壳内部，保持雷达外壳内部的整洁。在当该测量结构装进高炉炉顶后，暴露在高温煤气中的是耐火混凝土块，这样即可保护雷达天线免受高温煤气的直接冲刷。

附图说明

图1为本发明保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构的结构示意图；

图2为图1中A向的结构示意图；

图3为图1中B向的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

参见图1至图3，本发明保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，包括雷达外壳1以及设于雷达外壳1头部的T型天线槽8。所述雷达外壳1的壳体采用耐热不锈钢制造，不同容积高炉的雷达外壳1的壳体厚度也不相同(具体参见表1)，对于容积为3000m³的高炉而言，雷达外壳1的壳体厚度为15mm。所述雷达外壳1头部外端面周向均布有环绕T型天线槽8的倒刺2，所述雷达外壳1头部外端面周向设有环绕T型天线槽8、且将倒刺2埋入的耐火混凝土块3，所述耐火混凝土块3采用耐火水泥并配加耐热骨料配制而成，使用前先搅拌均匀，静置2小时后使用，使用时应将其均匀填充在倒刺2中间，并将倒刺2埋在耐火混凝土中间。所述雷达外壳1沿内壁轴向分别设有进水管4和出水管7，所述雷达外壳1头部内端面设有将进水管4和出水管7相连通的蛇形连接管9，所述进水管4和出水管7中冷却水的流速大于2m/s。所述进水管4、出水管7和蛇形连接管9采用Φ8～10mm的铜管制成，用不锈钢卡(图中未示出)固定在雷达外壳1内壁，所述进水管4为1个、2个、3个或4个，所述出水管7与进水管4一一对应，不同容积的高炉采用的进水管4和出水管7数量也不相同(具体参见表1)，每个铜管相距40mm左右，以保证冷却水的流速大于2m/s。

所述倒刺2由两根金属条焊接形成T型结构，焊接成倒刺2的两根金属条均为长30mm、直径Ф5mm的不锈钢条，相邻倒刺2之间相隔8mm。

所述T型天线槽8设有多个沿轴向设置、且一端封闭的除尘气喷嘴6，所述雷达外壳1内设有一端与气源(图中未示出)相连、另一端插入T型天线槽8内与除尘气喷嘴6相连通的供气管5。所述T型天线槽8由根部8.1和凸出部8.2组成，所述根部8.1两侧均布有多个除尘气喷嘴6，所述凸出部8.2两侧均布有多个除尘气喷嘴6。相邻的除尘气喷嘴6相隔20mm，以保证除尘气体流速大于2m/s，从而达到有效除尘的目的，当然，不同容积高炉的气体流速也不相同(具体参见表1)，对于容积为3000m³的高炉而言，气体流速大于2.3m/s。所述供气管5为由直管5.1和折管5.2构成的折弯管，所述直管5.1与气源相连、且沿雷达外壳1内壁轴向设置，所述折管5.2插入T型天线槽8内与除尘气喷嘴6相连通。

所述供气管5由三根Φ20mm钢管制成，用不锈钢卡(图中未示出)固定在雷达外壳1内壁，采用只进不出的模式。其中一根供气管5的折管5.2投影与根部8.1一侧垂直设置，另外两根供气管5的折管5.2与根部8.1和凸出部8.2的相交处相连，并且所述两根供气管5的折管5.2投影分别与根部8.1和凸出部8.2呈45度相连，与根部8.1垂直相交的折管5.2投影位于这两根供气管5的折管5.2中轴线上。所述除尘气喷嘴6与供气管5中流动的除尘气为氮气。与其它气体相比较，氮气化学特性不活泼，且成本较低。

通过在雷达外壳1头部加焊T型倒刺2，然后将耐火混凝土填充于T型倒刺2中间并将T型倒刺2埋入其中，待耐火混凝土干燥后，借助于T型倒刺2，耐火混凝土块3和雷达外壳1可以形成统一的防护整体，防止耐火混凝土因煤气冲刷、外力冲击而脱落，同时在雷达外壳1内部安装由进水管4、出水管7和蛇形连接管9连接而成的冷却水管，将透过耐火混凝土块3传输到雷达内部的热量带走，同时在雷达外壳1头部的T型天线槽8上安装高压除尘气喷嘴6，通过高压氮气吹扫，防止炉内灰尘进入雷达外壳1内部，保持雷达外壳1内部的整洁。在当该测量结构装进高炉炉顶后，暴露在高温煤气中的是耐火混凝土块3，这样即可保护雷达天线免受高温煤气的直接冲刷。

表1 不同容积高炉的结构及参数

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，包括雷达外壳(1)以及设于雷达外壳(1)头部的T型天线槽(8)，其特征在于：所述雷达外壳(1)头部外端面周向均布有环绕T型天线槽(8)的倒刺(2)，所述雷达外壳(1)头部外端面周向设有环绕T型天线槽(8)、且将倒刺(2)埋入的耐火混凝土块(3)，所述雷达外壳(1)沿内壁轴向分别设有进水管(4)和出水管(7)，所述雷达外壳(1)头部内端面设有将进水管(4)和出水管(7)相连通的蛇形连接管(9)，所述进水管(4)和出水管(7)中冷却水的流速大于2m/s。

2.根据权利要求1所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述倒刺(2)由两根金属条焊接形成T型结构。

3.根据权利要求2所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：焊接成倒刺(2)的两根金属条均为长30mm、直径Ф5mm的不锈钢条，相邻倒刺(2)之间相隔8mm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述T型天线槽(8)设有多个沿轴向设置、且一端封闭的除尘气喷嘴(6)，所述雷达外壳(1)内设有一端与气源相连、另一端插入T型天线槽(8)内与除尘气喷嘴(6)相连通的供气管(5)。

5.根据权利要求4所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述T型天线槽(8)由根部(8.1)和凸出部(8.2)组成，所述根部(8.1)两侧均布有多个除尘气喷嘴(6)，所述凸出部(8.2)两侧均布有多个除尘气喷嘴(6)。

6.根据权利要求5所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：相邻的除尘气喷嘴(6)相隔20mm。

7.根据权利要求5所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述供气管(5)为由直管(5.1)和折管(5.2)构成的折弯管，所述直管(5.1)与气源相连、且沿雷达外壳(1)内壁轴向设置，所述折管(5.2)插入T型天线槽(8)内与除尘气喷嘴(6)相连通。

8.根据权利要求6所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述供气管(5)有三根，其中一根供气管(5)的折管(5.2)投影与根部(8.1)一侧垂直设置，另外两根供气管(5)的折管(5.2)与根部(8.1)和凸出部(8.2)的相交处相连，并且所述两根供气管(5)的折管(5.2)投影分别与根部(8.1)和凸出部(8.2)呈45度相连，与根部(8.1)垂直相交的折管(5.2)投影位于这两根供气管(5)的折管(5.2)中轴线上。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述进水管(4)为1个、2个、3个或4个，所述出水管(7)与进水管(4)一一对应。

10.根据权利要求4所述的保证高炉料面稳定监测的相控阵雷达测量结构，其特征在于：所述除尘气喷嘴(6)与供气管(5)中流动的除尘气为氮气。