CN205133651U - 一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及冶金炼钢自动化控制领域，旨在提供一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置。该种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置包括红外测温摄像仪、信号传输单元、信号采集器、信号输出转换器、工控机、电动云台和预警装置，能通过高精度电动云台控制红外测温摄像仪的监控方位，采集云台的垂直、水平角度、转炉炉体角度信，建立温度位置变换模型和出钢监测站点，进行炉壳温度监测和出钢下渣监测。本实用新型能自动监测炉壳温度，生成监测报告，便于及时掌握转炉炉衬侵蚀情况；同时能自动监测出钢下渣，减少出钢下渣量，降低生产成本和工人劳动强度。

Description

一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置

技术领域

本实用新型是关于冶金炼钢自动化控制领域，特别涉及一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置。

背景技术

转炉炼钢在我国钢铁冶金行业中占到85％，节约成本、提高钢铁品质、保障炼钢生产的安全性是冶金炼钢亘古不变的议题。

一方面，转炉炉体由炉壳和炉衬组成，转炉炉衬在炼钢过程中,直接与钢水、炉渣和炉气接触,不断受到物理、机械和化学的侵蚀作用，当炉衬小于安全厚度时热量会从一千六百多度的钢水快速传递到转炉的金属炉壳，严重时会导致穿钢事故。炉衬的维护修补不仅可以延长炉衬寿命,均衡炉衬损毁,提高转炉的作业率,降低生产成本,而且有利于均衡组织生产,促进生产的良性循环。国内外钢厂普遍采用了溅渣护炉及补炉技术,要掌握最佳的溅渣和补炉时机,需要及时掌握炉衬的形状和厚度。因此,炉衬厚度的监测工作对炼钢生产有着极其重要的作用。

随着冶金炉的大型化和冶金技术的进步，对冶金炉炉衬及其故障的检测与监测技术日益得到重视。多年来，现场操作人员一直渴望在操作室里就能看到冶金炉炉衬的烧损情况，准确掌握炉内的耐火材料在役运行情况，从而及时调节炉子的操作，选择适宜的补炉和重砌时机，有效地延长炉子的寿命，由此不断地探索减少炉衬蚀损的操作工艺；科技人员则从不同途径探索与现场操作相适应的炉衬蚀损与故障的监测、检测方法。

目前已有的炉衬检测方法可归纳为两大类，即无损检测法和有损检测法。传统的无损检测与评价的手段主要有：超声、射线、涡流、磁粉、渗透五大类。但在使用过程中它们会受到某些因素的制约，如仪器对检测环境的要求，无法到现场检测；被测物体较大，仪器无法测量；检测时间很长，结果分析很慢等。对于冶金炉(窑)的非接触式检测法主要有超声波和红外诊断法等。有学者借鉴CT技术在医学和地质斟探上的成功应用，开展了用于炉内情况检测的高炉CT方法研究。利用CT方法可以实时地获得高炉内冶炼反应区某个横截面中炉料声速场图像，从而了解到炉料的径向分布与圆周分布，观察到炉料分布的轴对称性；如果出现结瘤时，可以估计结瘤的位置及面积大小，也可以了解结瘤处横截面的炉衬侵蚀情况。然而，由于冶金炉内的多尘、高温、烟雾等特殊环境，而且声波测量的误差较大，故难于准确检测出炉衬的蚀损状态。上世纪中叶，有学者探索应用红外检测方法检测冶金及化工炉(窑)设备耐火材料的蚀损位置和大小等情况，其原理是基于炉衬蚀损导致炉体表面温度场变化的特征，通过分析表面温度场的红外热图来确定炉衬的蚀损状态。该方法虽属定性诊断，但因其操作简单方便，投入成本低，受到转炉炼钢行业的欢迎。

另一方面，转炉炼钢通过复杂的氧化还原反应完成钢水冶炼后，将钢水转移到大包中，供下一道工艺使用，这一过程称为出钢。为了减少钢渣流入到大包中，影像钢水品质，节约后期工艺成本，通常会采取以下两种方法：1)出钢前进行倒渣操作，减少转炉中的钢渣总含量；2)控制出钢过程中流入大包中的钢渣量。

目前全国各大钢厂主要采用的转炉下渣检测方式有三种：人工目测法、线圈检测、红外热像检测。

人工目测法是使用最多的一种检测方法，但由于灵敏度低，结果受操作人员的经验及情绪影响较大，所以在提高钢品质和节约钢成本的角度考量需要更为准确和稳定的检测方式以代替人工。

线圈检测法采用高温材料将初级、次级两个线圈隔离，根据注流中钢渣的电导率远低于钢水的电导率，测量电磁场的差别检测下渣。此种方法检测灵敏度较人工高，但为消耗式测量，线圈工作在高温环境寿命不稳定，备件费用高。

红外检测法是根据钢水与钢渣的红外发射率不同，通过红外热像仪在出钢末期对钢流进行照射得到钢水钢渣混流图像，通过视频处理算法得出钢渣占钢流的比例而判断下渣的方法。红外检测技术近年来越来越多地在工业现场获得广泛应用，由于红外检测有非接触特性，针对钢铁冶炼的高温场合具有明显的优势。红外检测法具有灵敏度高，安装操作简单，维护容易，运行成本低等特点，已逐步成为转炉出钢下渣检测的主要手段。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种简单快捷的炉壳温度监测和出钢下渣监测的复合装置。为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，转炉炼钢的主要控制设备包括转炉PLC控制柜，转炉PLC控制柜能采集转炉耳轴编码器上的炉体倾角信号，并能接受外部指令控制现场转炉倾动机构进行摇炉操作，所述炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置包括红外测温摄像仪、信号传输单元、信号采集器、信号输出转换器、工控机、电动云台和预警装置；

所述工控机内部装有模拟量输入采集卡和数字量I/O卡，用于接收信号采集器的模拟量信号，并输出控制指令到信号输出转换器；

所述信号传输单元为网络光端机，包括发送端和接收端，且发送端的一端采用光缆和接收端的一端连接，发送端的另一端与红外测温摄像仪的信号输出端相连，接收端的另一端连接到工控机的以太网接口；

所述信号采集器的输入端与电动云台和转炉PLC控制柜相连，输出端与工控机的模拟量输入采集卡相连，用于工控机采集电动云台在垂直和水平方向的位置角度信号，以及转炉炉体位置的倾角信号；

所述信号输出转换器的输入端连接到工控机的数字量I/O卡，输出端连接到转炉PLC控制柜、电动云台的控制端、预警装置的输入端，用于将工控机输出的控制指令转换成外部设备的执行指令，即控制电动云台的转动、转炉PLC控制柜控制转炉摇炉、预警装置进行声光预警；

所述电动云台的水平方向上安装有步进电机、齿轮减速机构和光电编码器(优选为一个步进电机、齿轮减速机构和一个光电编码器)，电动云台的垂直方向上也安装有步进电机、齿轮减速机构和光电编码器(优选为一个步进电机、齿轮减速机构和一个光电编码器)；所述步进电机用于执行工控机输出的云台转动控制命令，将云台转动到指定的位置；所述齿轮减速机构用于进行降速；所述光电编码器用于标记当前云台在水平或者垂直方向上的位置角度信息，并将位置角度反馈给工控机进行位置识别和反馈控制；

所述红外测温摄像仪安装在电动云台上，能利用电动云台带动进行方向定位，进行温度数据测量采集；

所述预警装置能在接收到执行指令时，进行声光预警。

作为进一步的改进，所述红外测温摄像仪采用测量波段在7.5～14μm、最高量程为2000℃的高温型红外测温摄像仪。

作为进一步的改进，所述电动云台采用高精度电动云台，电动云台的位置角度控制精度为16″。

作为进一步的改进，所述步进电机采用高细分驱动步进电机，是3200脉冲/转以上的步进电机。

作为进一步的改进，所述齿轮减速机构的减速比不小于25:1。

作为进一步的改进，所述工控机中还预装有炼钢转炉炉壳温度与出钢监测模块，能通过采集红外测温摄像仪的温度测量数据、电动云台的水平和垂直角度、转炉炉体倾角，进行计算分析，输出控制指令，达到炉壳温度与出钢监测的目的(炼钢转炉炉壳温度与出钢监测模块能采用杭州谱诚泰迪实业有限公司的转炉炉壳温度与出钢监测软件实现)。

本实用新型的炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，具备两种功能：

炉壳温度监测：测量并存储转炉炉壳温度场分布信息，为转炉炉衬厚度和侵蚀状况提供数据支持，供技术人员进行查询、分析和风险控制；

出钢监测：监测转炉出钢过程中的钢流温度场，分析其钢渣成分含量，当钢渣含量超过设定警戒值时，发出声光预警。

其中，所述炉壳温度监测功能的实现具体包括下述步骤：

a、建立温度位置变换模型，即建立红外测温摄像仪视场内温度测量点与实际转炉炉壳上物理位置测量点的对应关系模型，该模型是基于云台水平水平角、云台垂直角、转炉倾角3个角度变量而建立的红外测温摄像仪视场测点与炉壳位置的矩阵变换；

b、开始炉壳温度监测，通过预先设定云台运动轨迹和步距角，控制转炉摇炉，采集云台水平角、垂直角、转炉倾角信息，通过温度位置关系变化模型得到全方位的转炉炉壳温度分布数据，并进行存储，供后续历史查询与分析；

c、炉壳温度监测完毕，装置自动控制云台回到出钢监测位置。

本实用新型的原理：利用红外测温摄像仪非接触多点测温的特性和钢水钢渣不同的红外热辐射特性的差异，通过高精度电动云台控制红外测温摄像仪的监控方位，采集云台的垂直、水平角度、转炉炉体角度信，建立温度位置变换模型和出钢监测站点，从而实现炉壳温度监测和出钢下渣监测的目的。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型能自动监测炉壳温度，生成监测报告，便于及时掌握转炉炉衬侵蚀情况；

本实用新型能自动监测出钢下渣，减少出钢下渣量，降低生产成本和工人劳动强度；

本实用新型具有图形化的测量结果显示功能，用户使用更加直观便捷；

本实用新型能自动历史数据存储，便于进行历史趋势分析和回放。

附图说明

图1为本实用新型炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置的整体示意图。

图中的附图标记为：1红外测温摄像仪；2电动云台；3信号传输单元；4信号采集器；5工控机；6预警装置；7信号输出转换器；8转炉PLC控制柜。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

如图1所示的一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置包括红外测温摄像仪1、信号传输单元3、信号采集器4、信号输出转换器7、工控机5、电动云台2和预警装置6。

转炉PLC控制柜8是转炉炼钢的主要控制设备，其主要功能是采集转炉炼钢现场的各种仪器仪器表数据和控制各种转炉冶炼设备，包括采集转炉耳轴编码器上的炉体倾角信号，并接受外部指令控制现场转炉倾动机构进行摇炉。

工控机5内部装有模拟量输入采集卡和数字量I/O卡，其主要功能是通过预装的炼钢转炉炉壳温度与出钢监测软件，采集高精度电动云台2的水平和垂直方向的位置角度信息、转炉炉体倾角，获取红外测温摄像仪1的实时温度监测数据，按照预定的监测步骤进行分析计算，得出炉壳温度分布数据模型和转炉出钢下渣状态，同时输出控制指令到信号输出转换器7，进而控制云台、炉体倾动装置、预警装置6等相关设备工作。其中，炼钢转炉炉壳温度与出钢监测软件可采用杭州谱诚泰迪实业有限公司的转炉炉壳温度与出钢监测软件。

信号传输单元3为网络光端机，包括发送端和接收端，且发送端的一端采用光缆和接收端的一端连接，以保证信号远距离传输的可靠性，发送端的另一端与红外测温摄像仪1的信号输出端相连，接收端的另一端连接到工控机5的以太网接口。因安装在炼钢现场的红外测温摄像仪1和安装在转炉电气控制室的工业控制计算机距离较远，为了保障大容量测温数据远距离传输的可靠性，通过信号传输单元3的设置，将测温数据默认的以太网传输方式转换为光缆传输实现。

信号采集器4和信号输出转换器7是工控机5与其它现场设备信号交互的连接桥梁。

信号采集器4的输入端与电动云台2和转炉PLC控制柜8相连，输出端与工控机5的模拟量输入采集卡相连，主要功能为采集电动云台2在垂直和水平方向的位置角度信号以及转炉炉体位置的倾角信号。

信号输出转换器7的输入端连接到工控机5的数字量I/O卡，输出端连接到转炉PLC控制柜8、电动云台2的控制端、预警装置6的输入端，主要功能是将工控机5输出的控制指令转换成外部设备的执行指令，即控制高精度电动云台2的转动、PLC控制柜控制转炉摇炉、预警装置6进行声光预警等。

电动云台2采用高精度电动云台，其位置角度控制精度为16″，水平旋转角度范围-135°～135°，垂直角度范围+60°～-60°。电动云台2的水平方向安装有一个步进电机、齿轮减速机构和一个光电编码器，电动云台2的垂直方向上也安装有一个步进电机、齿轮减速机构和一个光电编码器。工控机5输出转动控制信号到步进电机驱动器，由其驱动步进电机转动，并利用光电编码器的角度反馈，进而实现云台转动到指定的精确位置；步进电机采用高细分驱动步进电机，具体为3200脉冲/转以上的步进电机；齿轮减速机构采用减速比25:1的减速机。光电编码器的主要功能为标记当前云台在水平和垂直方向上的位置角度信息，并将位置角度反馈给工业控制计算机进行位置识别和反馈控制。

红外测温摄像仪1安装在电动云台2上，能利用电动云台2带动进行方向定位，进行温度数据测量采集。作为优选，红外测温摄像仪1采用测量波段在7.5～14μm、最高量程为2000℃的高温型红外测温摄像仪；在本实施例中，红外测温摄像仪1采用型号为FLIRA615，分辨率640×480，测量波段在7.5～14μm，最高量程为2000℃的高温型红外测温摄像仪。

预警装置6能在接收到执行指令时，进行声光预警。

利用炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，可实现两种功能：

1、炉壳温度监测：测量并存储转炉炉壳温度场分布信息，为转炉炉衬厚度和侵蚀状况提供数据支持，供技术人员进行查询、分析和风险控制。

其实现具体包括下述步骤：

a、建立温度位置变换模型，即建立红外测温摄像仪视场内温度测量点与实际转炉炉壳上物理位置测量点的对应关系模型，该模型是基于云台水平水平角、云台垂直角、转炉倾角3个角度变量而建立的红外测温摄像仪视场测点与炉壳位置的矩阵变换；

b、开始炉壳温度监测，通过预先设定云台运动轨迹和步距角，控制转炉摇炉，采集云台水平角、垂直角、转炉倾角信息，通过温度位置关系变化模型得到全方位的转炉炉壳温度分布数据，并进行存储，供后续历史查询与分析；

c、炉壳温度监测完毕，装置自动控制云台回到出钢监测位置。

2、出钢监测：监测转炉出钢过程中的钢流温度场，分析其钢渣成分含量，当钢渣含量超过设定警戒值时，发出声光预警。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，转炉炼钢的主要控制设备包括转炉PLC控制柜，转炉PLC控制柜能采集转炉耳轴编码器上的炉体倾角信号，并能接受外部指令控制现场转炉倾动机构进行摇炉操作，其特征在于，所述炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置包括红外测温摄像仪、信号传输单元、信号采集器、信号输出转换器、工控机、电动云台和预警装置；

所述工控机内部装有模拟量输入采集卡和数字量I/O卡，用于接收信号采集器的模拟量信号，并输出控制指令到信号输出转换器；

所述信号传输单元为网络光端机，包括发送端和接收端，且发送端的一端采用光缆和接收端的一端连接，发送端的另一端与红外测温摄像仪的信号输出端相连，接收端的另一端连接到工控机的以太网接口；

所述信号采集器的输入端与电动云台和转炉PLC控制柜相连，输出端与工控机的模拟量输入采集卡相连，用于工控机采集电动云台在垂直和水平方向的位置角度信号，以及转炉炉体位置的倾角信号；

所述信号输出转换器的输入端连接到工控机的数字量I/O卡，输出端连接到转炉PLC控制柜、电动云台的控制端、预警装置的输入端，用于将工控机输出的控制指令转换成外部设备的执行指令，即控制电动云台的转动、转炉PLC控制柜控制转炉摇炉、预警装置进行声光预警；

所述电动云台的水平方向上安装有步进电机、齿轮减速机构和光电编码器，电动云台的垂直方向上也安装有步进电机、齿轮减速机构和光电编码器；所述步进电机用于执行工控机输出的云台转动控制命令，将云台转动到指定的位置；所述齿轮减速机构用于进行降速；所述光电编码器用于标记当前云台在水平或者垂直方向上的位置角度信息，并将位置角度反馈给工控机进行位置识别和反馈控制；

所述红外测温摄像仪安装在电动云台上，能利用电动云台带动进行方向定位，进行温度数据测量采集；

所述预警装置能在接收到执行指令时，进行声光预警。

2.根据权利要求1所述的一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，其特征在于，所述红外测温摄像仪采用测量波段在7.5～14μm、最高量程为2000℃的高温型红外测温摄像仪。

3.根据权利要求1所述的一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，其特征在于，所述电动云台采用高精度电动云台，电动云台的位置角度控制精度为16″。

4.根据权利要求1所述的一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，其特征在于，所述步进电机采用高细分驱动步进电机，是3200脉冲/转以上的步进电机。

5.根据权利要求1所述的一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，其特征在于，所述齿轮减速机构的减速比不小于25:1。

6.根据权利要求1所述的一种炼钢转炉炉壳温度与出钢监测复合装置，其特征在于，所述工控机中还预装有炼钢转炉炉壳温度与出钢监测模块，能通过采集红外测温摄像仪的温度测量数据、电动云台的水平和垂直角度、转炉炉体倾角，进行计算分析，输出控制指令，达到炉壳温度与出钢监测的目的。