CN104975122A - 一种高炉炉顶料面测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高炉炉顶料面测量系统及方法，系统包括升降传动机构、旋转传动机构、激光测距仪及终端显示界面；旋转传动机构安在设于炉顶的升降传动机构下部，激光测距仪安在旋转传动机构上。分别设定激光测距仪与垂直方向的夹角γ、激光测距仪下探深度、激光测距仪旋转的速度及激光测距仪上升时机和距离后，将激光测距仪下降到计算深度后，旋转一周，完成对料面最内圈的扫描测量；激光测距仪升至设定高度后再旋转一周，完成对料面第二圈的扫描测量；反复至完成对靠近炉墙的高炉料面的测量。重复上述过程，再完成对下一批料的测量。本发明能对料面形状进行多角度全方位测量，缩短测量时间，且测量过程安全可靠，测量结果精度高、实时性强。

Description

一种高炉炉顶料面测量系统及方法

技术领域

本发明属于物料检测技术领域，特别涉及一种用于高炉炉顶料面测量系统及测量方法。

背景技术

高炉炉料在炉内的初始分布对高炉的煤气流分布、煤气利用、高炉顺行和长寿有很大的作用，高炉炉顶料面测量是高炉开炉前必须进行的一项工作，是合理布料的前提和保障。但大高炉生产的连续性、封闭性和危险性给高炉炉顶料面测量带来了很大的困难，因此必须在高炉开炉装料过程中对炉顶料面形状、料层厚度、矿/焦比分布和炉料下降均匀性等信息进行测量。溜槽倾角和料流阀开口度对高炉炉料分布至关重要，有必要在高炉布料过程中测量不同溜槽倾角和料流阀开口度条件下的高炉料面形状和炉料流速，为开炉后的高炉合理布料提供依据，同时也使其能满足开炉后高炉高产、顺行等要求。

专利“一种无料钟高炉开炉装料测量方法及装置”（CN1966729A）和“高炉料面高度检测装置”（CN201068459Y），都需要人为反复操作测量装置，并不能对整个料面形状进行测量，且需要对高炉炉顶设备进行改造，破坏了高炉的原有结构，设备投入成本高，维护费用较大。

专利“高炉料面形状动态立体监测系统及检测方法”（CN101020933）与“一种在线测量高炉料面的系统和方法”（CN201110307101.X），采用在高炉炉顶沿轴对称方向渐开式安装雷达的方法探测料面，计算机将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，结合高炉内部的尺寸参数，生成所需3D料层的曲面数据。但该方法由于需要在高炉炉顶钻孔，安装的雷达和冷却等辅助设备较多，维护使用成本较高，且该系统在高炉开炉后，由于高炉内高温和粉尘作用，测量精度不可避免的受到影响。

专利“高炉料面信息航空测量探尺”（CN200720042677.7），由图像摄像装置、高炉料面分析处理器、计算机图像采集装置和终端显示组成，摄像装置安装在高炉内料面上方，其输出端与计算机图像采集装置输入端和高炉料面分析处理器输入端相连接，计算机图像采集装置与高炉料面分析处理器相连接，计算机图像采集装置的输出端与显示终端输入端连连接。

专利“高炉料面形状测量装置（CN201020117067.0）”与“一种巡回测量高炉料面的装置（CN200910089676.1）”类似，都是基于炉顶安装测量并通过控制机械设备实现测量装置对高炉料面的扫描。该方法每次测量都需不停调整照射角度和位置，测量需较长时间，耗费较多时间和精力，当炉内粉尘多、环境恶劣时，更是不能使用。

专利“一种基于MIMO的高炉雷达测量料面的装置”（CN201210454360.X）与“一种雷达、视频、激光系统组合的测量高炉料面的装置”（CN201210206000.8），都是利用MIMO天线及雷达阵列，在高炉炉顶对高炉料面测量。但该专利为了提高装置抗干扰能力、提高测量可靠性，布置了较多的发射和接收天线，陷入无限增加天线和装置可靠性的矛盾之中，成本较高，设备复杂，维护不便。而且高炉布料后炉内灰尘密布，信号不能形成有效的发射和接受路径，很容易把灰尘的形状误测量为高炉料面形状。难以克服雷达的下列缺点：1）只要在雷达接收带内的信号，不论有用还是无用它都可以接收。2）进入雷达处理器的各种信号，只要有害信号比有用信号大于某个阈值，处理器将不能从有用信号和有害信号的混合体中提取有用信号。特别是高炉开炉布料，深度较大，能见度极低，更容易受到环境因素的影响。

可见现有的测量方法要么需要对高炉原有炉顶设备进行改造，破坏了高炉原来的本体结构；要么料面测量精度不高或测量范围较小；要么测量不便，需要人为手动调节测量装置，而且都不能在高炉布料后高炉内充满粉尘的情况下对高炉料面进行测量。

发明内容

本发明旨在提供一种可以在高炉开炉前方便、快速、准确地测量出高炉炉顶料面形状，为高炉布料和开炉后的高炉操作提供依据的高炉炉顶料面测量系统及测量方法。

为此，本发明所采取的解决方案是：

一种高炉炉顶料面测量系统，包括高炉探尺装置，其特征在于，所述高炉炉顶料面测量系统还含有升降传动机构、旋转传动机构、激光测距仪及终端显示界面；升降传动机构固定在高炉炉顶中央，旋转传动机构安设在升降传动机构下部，安装在旋转传动机构上的激光测距仪与垂线方向形成夹角γ，升降传动机构下部探入在高炉内，激光测距仪与终端显示界面通过无线数据传输通讯。

所述激光测距仪激光发射窗口设有自动清洗装置。

一种高炉炉顶料面测量方法，其具体方法和步骤为：

1、测量参数设定

a、设定激光测距仪与垂直方向的夹角γ：高炉炉缸的半径为r，激光测距仪最后停留位置到料面的垂直距离为d，则γ=arctan(r/d)。

b、根据高炉探尺装置测量的料面高度设定激光测距仪随升降传动机构下探的深度，设定原则是使激光测距仪与料面高度之间的距离在0.5～0.8米。

c、设定激光测距仪随旋转传动机构旋转的速度：以能够测量到圆周方向内的料面高度为准，以激光测距仪每m秒完成一点的测量,在圆周方向上采集n个数据,采集一圈料面高度需要时间为m×n秒,则旋转传动机构旋转的速度设定为每秒旋转2π/(m·n)。

d、设定激光测距仪随升降传动机构上升的时机和上升距离间隔D：上升距离间隔D。激光测距仪随升降传动机构上升的时机，即为激光测距仪随旋转传动机构旋转的时间(m×n)秒后开始上升；上升距离间隔D要满足在激光测距仪的有效范围内完成对最远端即靠近炉墙的高炉料面的高度的测量，由扫描料面的圈数j决定，D=d/(j-1)。

2、料面位置测量

a、高炉布料机构开始布第一批物料。

b、高炉探尺装置检测炉内物料下放的料面位置，并计算激光测距仪下探深度；升降传动机构带动激光测距仪下降到高炉探尺装置计算的下探深度。

c、激光测距仪随旋转传动机构旋转一周，完成对料面最内圈的扫描测量，并发送数据到终端显示界面，利用三角函数原理计算并显示料面测量结果。

d、激光测距仪随升降传动机构上升后，停止在设定高度，然后激光测距仪随旋转传动机构旋转一周，完成对料面第二圈的扫描测量，并发送数据到终端显示界面。

e、按照步骤d反复进行测量，直到完成对靠近炉墙的高炉料面的测量，一批料的料面测量结束，激光测距仪随升降传动机构上升到原始位置。

f、由高炉布料机构开始布下一批料，重复步骤a-e，完成对该批料的测量，并发送数据到终端显示界面。

上述步骤c-f中，当数据通过无线通讯发送到终端显示界面后，终端显示界面会对测量数据的有效性进行验证，剔除掉无效数据。剔除的依据是：

设激光测距仪随旋转传动机构旋转一周扫描料面测得的数据X为：

X=（X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,……X_n）

E为n个数据的平均值：

$E=\frac{1}{n}(X_1+X_2+X_3+X_4+...+X_n)$

设测量数据偏差其中i=1,2,3,…,n；ABS为取绝对值。

如果σ(X_i)≥0.25，说明该数据与真实数据偏差较大，不能真实的反映料面的实际情况，因此把该数据作为干扰数据剔除出数据集；同时用均值E代替该数据。

本发明的有益效果为：

1、使用激光测距技术和无线通讯技术对高炉炉顶料面形状实现多角度全方位立体测量。

2、本发明仅需在开炉前利用高炉炉顶人字窗安装辅助测量设备，既不破坏高炉的原有结构，又有利于降低设备前期投入成本和后期维护费用。

3、测量不受高炉炉内粉尘干扰，可以缩短高炉料面测试时间，减轻测量人员的工作强度。

4、测量设备和工具均由传动机构自动送入炉内进行测量，无需人员进入炉内测量，测量过程安全可靠，测量结果精度高、实时性强。

附图说明

图1为高炉炉顶料面测量系统结构示意图；

图2为高炉炉顶料面测量原理图。

图中：升降传动机构1、旋转传动机构2、激光测距仪3、料面4、高炉炉墙5、料面最内圈6、料面第二圈7、料面第三圈8、料面最外圈9。

具体实施方式

由图1可见，本发明高炉炉顶料面测量系统主要包括升降传动机构1、旋转传动机构2、激光测距仪3、终端显示界面以及原有的高炉探尺装置。升降传动机构1固定在高炉炉顶中央，旋转传动机构2安设在升降传动机构1的下部，激光测距仪3安装在旋转传动机构2上，且激光测距仪3与垂线方向形成一夹角γ，升降传动机构1的下部探入在高炉炉墙5内，激光测距仪3通过无线数据传输通讯连接终端显示界面。

高炉探尺装置是高炉本体结构的一部分，用于高炉的料线测量，帮助高炉操作人员判断炉料向下移动速度，同时控制矿石与焦炭等炉料在炉内的分布。当高炉探尺装置检测炉内的物料下放到设定的料面4时，矿石与焦炭等炉料的料线值则自动向炉内传送。

当高炉布完一批料后，高炉炉内将布满粉尘，如果此时在高炉炉顶使用测量装置对料面4测量，无论是使用激光测距还是雷达测距都不能实现对料面4测量，往往需要等待较长时间等到粉尘消失后才能测量。因此为了达到准确测量高炉料面4的目的，根据激光测距仪3的工作特性，如果测量环境粉尘较大，其距离待测目标合理的工作范围应该控制在6米之内，而且距离越近，效果愈好。因此可以根据高炉的实际大小来设定激光测距仪3下探的深度和其与垂直方向的夹角。为了保证测量的连续性和可靠性，在激光测距仪3的激光发射窗口还设有自动清洗装置，以自动清洗落在激光发射窗口上的灰尘。

一种高炉炉顶料面测量方法，其具体方法和步骤为：

1、测量参数设定

a、设定激光测距仪3与垂直方向的夹角γ：夹角γ的设定原则是激光测距仪3能够在有效高度范围内，测量到靠近高炉炉墙5的高炉料面4的高度。高炉炉缸的半径为r，激光测距仪最后停留位置到料面的垂直距离为d，则γ=arctan(r/d)。

b、根据高炉探尺装置测量的料面4高度设定激光测距仪3随升降传动机构2下探的深度，设定原则是使激光测距仪3与料面4高度之间的距离一般在0.5～0.8米。实施例选择0.6米。

c、设定激光测距仪3随旋转传动机构2旋转的速度：以能够测量到圆周方向内的料面4高度为准，旋转速度决定激光测距仪3能在圆周方向内采集数据的个数。本实施例假定激光测距仪3每3秒完成一点的测量,同时需要在圆周方向上采集4个数据,则采集一圈料面4高度需要时间为12秒,则旋转传动机构2旋转的速度选择为每秒旋转2π/12，即每秒旋转π/6。

d、设定激光测距仪3随升降传动机构1上升的时机和上升距离间隔D：激光测距仪3随升降传动机构1上升的时机，即激光测距仪3随旋转传动机构2旋转12秒后，激光测距仪3随升降传动机构1上升d/4米，d取2米，故激光测距仪3上升了0.5米。

2、料面位置测量

a、高炉布料机构开始布第一批物料。

b、布料完成后，高炉探尺装置检测炉内物料下放的料面4的位置，并计算激光测距仪3下探深度为0.6米；升降传动机构1带动激光测距仪3下降0.6米处。

c、激光测距仪3随旋转传动机构2旋转一周即12秒，完成对料面最内圈6（见图2）的扫描测量，并发送数据到终端显示界面，利用三角函数原理计算并显示料面4测量结果。

d、激光测距仪3随升降传动机构1上升0.5米后停止，然后激光测距仪3随旋转传动机构2旋转一周，完成对料面第二圈7的扫描测量，并发送数据到终端显示界面。

e、按照步骤d反复测量4次后，完成对靠近炉墙5的高炉料面4的测量，一批料的料面4测量结束，激光测距仪3随升降传动机构1上升到原始位置。

f、由高炉布料机构开始布下一批料，重复步骤a-e，完成对该批料的测量，并发送数据到终端显示界面。

上述步骤c-f中，当数据通过无线通讯发送到终端显示界面后，终端显示界面会对测量数据的有效性进行验证，剔除掉无效数据。剔除的依据是：

设激光测距仪3随旋转传动机构2旋转一周扫描料面测得的数据X为：

X=（X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,……X_n）

E为n个数据的平均值： $E=\frac{1}{n}(X_1+X_2+X_3+X_4+...+X_n)$

设测量数据偏差其中i=1,2,3,…,n；ABS为取绝对值。

如果σ(X_i)≥0.25，说明该数据与真实数据偏差较大，不能真实的反映料面的实际情况，因此把该数据作为干扰数据剔除出数据集；同时用均值E代替该数据。

Claims (3)

1.一种高炉炉顶料面测量系统，包括高炉探尺装置，其特征在于，所述高炉炉顶料面测量系统还含有升降传动机构、旋转传动机构、激光测距仪及终端显示界面；升降传动机构固定在高炉炉顶中央，旋转传动机构安设在升降传动机构下部，安装在旋转传动机构上的激光测距仪与垂线方向形成夹角γ，升降传动机构下部探入在高炉内，激光测距仪与终端显示界面通过无线数据传输通讯。

2.根据权利要求1所述的高炉炉顶料面测量系统，其特征在于，所述激光测距仪激光发射窗口设有自动清洗装置。

3.一种应用权利要求1所述高炉炉顶料面测量系统的方法，其特征在于，具体方法和步骤为：

（1）测量参数设定

a、设定激光测距仪与垂直方向的夹角γ：高炉炉缸的半径为r，激光测距仪最后停留位置到料面的垂直距离为d，则γ=arctan(r/d)；

b、根据高炉探尺装置测量的料面高度设定激光测距仪随升降传动机构下探的深度，设定原则是使激光测距仪与料面高度之间的距离在0.5～0.8米；

c、设定激光测距仪随旋转传动机构旋转的速度：以能够测量到圆周方向内的料面高度为准，以激光测距仪每m秒完成一点的测量,在圆周方向上采集n个数据,采集一圈料面高度需要时间为m×n秒,则旋转传动机构旋转的速度设定为每秒旋转2π/(m·n)；

d、设定激光测距仪随升降传动机构上升的时机和上升距离间隔D：激光测距仪随升降传动机构上升的时机，即为激光测距仪随旋转传动机构旋转的时间(m×n)秒后开始上升；上升距离间隔D要满足在激光测距仪的有效范围内完成对最远端即靠近炉墙的高炉料面的高度的测量，由扫描料面的圈数j决定，D=d/(j-1)；

（2）、料面位置测量

a、高炉布料机构开始布第一批物料；

b、高炉探尺装置检测炉内物料下放的料面位置，并计算激光测距仪下探深度；升降传动机构带动激光测距仪下降到高炉探尺装置计算的下探深度；

c、激光测距仪随旋转传动机构旋转一周，完成对料面最内圈的扫描测量，并发送数据到终端显示界面，利用三角函数原理计算并显示料面测量结果；

d、激光测距仪随升降传动机构上升后，停止在设定高度，然后激光测距仪随旋转传动机构旋转一周，完成对料面第二圈的扫描测量，并发送数据到终端显示界面；

e、按照步骤d反复进行测量，直到完成对靠近炉墙的高炉料面的测量，一批料的料面测量结束，激光测距仪随升降传动机构上升到原始位置；

f、由高炉布料机构开始布下一批料，重复步骤a-e，完成对该批料的测量，并发送数据到终端显示界面；

上述步骤c-f中，当数据通过无线通讯发送到终端显示界面后，终端显示界面会对测量数据的有效性进行验证，剔除掉无效数据，剔除的依据是：

设激光测距仪随旋转传动机构旋转一周扫描料面测得的数据X为：

X=（X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,……X_n）

E为n个数据的平均值： $E=\frac{1}{n}(X_1+X_2+X_3+X_4+...+X_n)$

设测量数据偏差 $\left(X_i\right)=\frac{\mathrm{ABS}(X_i-E)}{E}$

其中i=1,2,3,…,n；ABS为取绝对值；

如果σ(X_i)≥0.25，说明该数据与真实数据偏差较大，不能真实的反映料面的实际情况，因此把该数据作为干扰数据剔除出数据集；同时用均值E代替该数据。