TWI612303B - 爐內耐火材狀態監測系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種爐內耐火材狀態監測系統及方法，所述方法包含：蒐集熱影像資訊；依檢測區域從熱影像資訊中分別擷取對應的熱影像資料，以確認各個底吹孔之通氣狀態；根據一檢測閥值計算獲得各個底吹孔之面熔蝕狀態與點熔蝕狀態；以及於計算獲得的面熔蝕狀態或點熔蝕狀態超出預設的警示閥值時發出警告。

Description

爐內耐火材狀態監測系統及方法

本發明係關於鋼鐵冶煉製程領域，特別是關於一種應用於轉爐吹煉的爐內耐火材狀態監測系統及方法。

轉爐吹煉是鋼鐵冶煉製程中一道重要的程序，其需要透過轉爐底部的底吹孔吹入氣體來協助鋼液攪拌，以達到較好的吹煉效果。然而，鋼液的攪拌過程中容易造成所述底吹孔週圍耐火磚的熔蝕，若熔蝕過度就會導致鋼液外洩之意外發生。因此，確實地掌握底吹孔狀態對於維護轉爐正常運作是一基本且必要之動作。

現有量測底吹孔周圍耐火材之方式包括利用放射線於高爐外照射，透過放射線衰減強度量得高爐內襯耐火磚的殘留厚度。然而，該量測方式非直接對耐火磚進行檢測，而是透過外層磚牆對放射線衰減強度來預測殘厚，其缺點在於需要操作人員不斷移動量測位置方能完成量測，耗時費工，且無法即時得知耐火磚殘厚狀態。

另一已知的量測方式是採用雷射掃描，直接對耐火 磚進行檢測，需要操作人員將雷射感測器移至爐前進行量測，爐前屬高輻射熱溫區，容易使操作人員處於危險環境當中；同時，高溫環境也容易造成感測器損壞。

故，有必要提供一種爐內耐火材狀態監測系統及方法，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種爐內耐火材狀態監測系統，其具有熱影像感測模組及分析模組可對轉爐各底吹孔之耐火材熔蝕狀態進行檢測，根據點/面型熔蝕狀態與溫度分布之間的關聯性來檢測出各底吹孔狀態以及估測各底吹孔周邊耐火材殘厚之狀況，進而達到耐火材異常狀態之警示功能。

為達上述之目的，本發明提供一種爐內耐火材狀態監測方法，係用以對一熔爐底部的具有底吹孔之耐火材的狀態進行監測，其包括步驟：S1：蒐集熱影像資訊；S2：依檢測區域從熱影像資訊中分別擷取對應的熱影像資料，以確認各個底吹孔之通氣狀態；S3：根據一檢測閥值計算獲得各個底吹孔之面熔蝕狀態與點熔蝕狀態；以及S4：於計算獲得的面熔蝕狀態或點熔蝕狀態超出預設的警示閥值時發出警告。

在本發明之一實施例中，該步驟S1係通過一熱影像感測模組感測得出該熔爐底部的熱影像資訊。

在本發明之一實施例中，該步驟S2係先依照預設的各個底吹孔檢測區域及位置從該熱影像資訊中分別擷取各底吹孔 檢測區域對應的熱影像資料，根據每個底吹孔檢測區域的熱影像資料計算該底吹孔檢測區域的高低溫差，其中若高低溫差小於一預定的開孔溫度設定值，即表示該底吹孔檢測區域內並無氣體吹出；反之則表示該底吹孔檢測區域內的底吹孔正常通氣。

在本發明之一實施例中，該步驟S3係以該熔爐底部的無氣體吹出的檢測區域所測量到的最低溫度作為其他有氣體吹出之底吹孔的檢測閥值，來計算各個底吹孔檢測區域中小於該檢測閥值的溫度分布所構成的外接多邊形面積；以及在各個底吹孔檢測區域中，計算小於該檢測閥值的溫度資料點群中最高溫與最低溫的溫度差。

在本發明之一實施例中，該步驟S4係通過預先設定對應與該外接多邊形面積和溫度差關聯的一警示閥值，接著再根據預設的警示閥值來判斷步驟S3所計算獲得的外接多邊形面積或溫度差是否有超過其對應的警示閥值，若超過警示閥值，則表示該底吹孔檢測區域的狀態異常，進而發出警告。

在本發明之一實施例中，步驟S1係由一熱影像感測模組執行之；步驟S2至S4係由連接該熱影像感測模組的一熱影像分析模組執行之。

本發明之另一目的在於提供一種爐內耐火材狀態監測方法，其通過熱影像分析對轉爐各底吹孔之耐火材熔蝕狀態進行檢測，根據點/面型熔蝕狀態與溫度分布之間的關聯性來檢測出各底吹孔狀態以及估測各底吹孔周邊耐火材殘厚之狀況，進而達 到耐火材異常狀態之警示功能。

為達上述之目的，本發明提供一種爐內耐火材狀態監測系統，係包括：一熔爐，具有一開口及一朝向該開口之底部，該底部設有多個底吹孔，各底吹孔由耐火材所圍繞；一熱影像感測模組，係設置於該熔爐一側，並在該熔爐處於一檢測位置時，通過該熔爐開口感測得到該熔爐內底部的熱影像資訊；以及一熱影像分析模組，係連接所述熱影像感測模組，並接收所述熱影像感測模組感測得到的熱影像資訊，進而根據該熱影像資訊檢測該熔爐底部的底吹孔的通氣狀態，並再根據該底吹孔所在的檢測區域內的高低溫差判斷該底吹孔周圍耐火材的熔蝕程度。

在本發明之一實施例中，該熔爐為一轉爐，其爐身係根據預設的不同工作位置旋轉而處於不同角度，該預設工作位置按順序包括吹煉位置、出鋼位置、倒渣位置、檢測位置及進料位置；當該熔爐的爐身旋轉至檢測位置之角度時，位於一側的該熱影像感測模組係正對所述熔爐的開口來進行熱影像感測。

11‧‧‧熔爐

100‧‧‧開口

101‧‧‧底部

20‧‧‧熱影像感測模組

21‧‧‧熱影像分析模組

A‧‧‧吹煉位置

B‧‧‧出鋼位置

C‧‧‧倒渣位置

D‧‧‧檢測位置

E‧‧‧進料位置

S1~S4‧‧‧步驟

第1圖係本發明一較佳實施例之爐內耐火材狀態監測系統之裝置示意圖。

第2圖係本發明一較佳實施例之爐內耐火材狀態監測系統之動作示意圖。

第3圖係本發明一較佳實施例之爐內耐火材狀態監測方法之步驟 流程圖。

第4圖係本發明一較佳實施例之爐內耐火材狀態監測方法之詳細流程圖。

第5圖係本發明一較佳實施例之熱影像分析模組之操作流程示意圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

有關本發明的爐內耐火材狀態監測系統，請參考第1圖所示，第1圖係本發明一較佳實施例之爐內耐火材狀態監測系統之裝置示意圖。所述爐內耐火材狀態監測系統及監測方法適用於底部設置的具有底吹孔之耐火材的熔爐，且尤其適用於一鋼鐵冶煉製程中用於脫碳和去除雜質的轉爐。所述爐內耐火材狀態監測系統主要包括一熔爐11、一熱影像感測模組20及一熱影像分析模組21。

所述熔爐11具有一開口100及朝向該開口100之底部101，該底部101設有多個底吹孔，各底吹孔由耐火材所圍繞。請進一步參考第2圖所示，所述熔爐11較佳為一轉爐，其爐身係根據預設的不同工作位置而處於不同角度，在本實施例中，該預設工作位置包括吹煉位置A、出鋼位置B、倒渣位置C、檢測位置D及進料位置E，其中該熔爐11在吹煉位置A上係開口朝上以進行從底吹 孔導入氣體進入爐內鐵水的吹煉製程；在出鋼位置B上，該熔爐11之爐身係旋轉使開口朝向一出鋼側前傾一定角度，例如90度(即相對於吹煉位置A向出鋼側轉90度)，以便於倒出鋼液；接著在倒渣位置C上，該熔爐11之爐身係旋轉使開口朝向相對於該出鋼側之一倒渣側往後傾一定角度，例如270度(意即相對於吹煉位置A朝倒渣側轉超過90度以上)，以便於倒出吹煉製程過後不需要再利用的爐渣；所述熔爐11在倒出爐渣而清空之後，可隨即進入檢測位置D，即爐身回復到相對於吹煉位置A為90度之方位(朝向倒渣側)，以便於進行爐內耐火材狀態之監測；接著所述熔爐11之爐身可回復到相對於吹煉位置A小於90度，即處於進料位置E，以便倒入下一次吹煉製程所需的原料；之後便回復到吹煉位置A進行下一次吹煉工作。

所述熱影像感測模組20係設置於所述熔爐11之一側，例如一倒渣側(爐後側)，在所述熔爐11處於一檢測位置時，所述熱影像感測模組20係正對所述熔爐11的開口，進而通過該開口100感測得到所述熔爐11內底部101的熱影像資訊。例如，當所述熔爐11為轉爐時，其爐身可旋轉至前述檢測位置D之角度時，所述位於一側的熱影像感測模組20便可正對所述熔爐11的開口來進行熱影像感測。

所述熱影像分析模組21係連接所述熱影像感測模組20，其接收所述熱影像感測模組20感測得到的熱影像資訊，進而根據該熱影像資訊檢測出該熔爐11之底部101的底吹孔的通氣狀 態，並再根據該底吹孔所在的檢測區域內的高低溫差判斷所述底吹孔周圍耐火材的熔蝕程度。

為實現耐火材異常狀態之警示功能，請參考第3圖及第4圖所示，本發明提供了一種爐內耐火材狀態監測方法，由上述爐內耐火材狀態監測系統執行，所述爐內耐火材狀態監測方法包括下列步驟：

步驟S1：蒐集熱影像資訊，即通過所述熱影像感測模組20感測得出該熔爐11底部101的熱影像資訊。

步驟S2：依檢測區域從感測得到得熱影像資訊中分別擷取對應的熱影像資料，以確認各個底吹孔之通氣狀態；具體而言，可進一步參考第5圖所示，該步驟係由所述熱影像分析模組21先依照預設的各個底吹孔檢測區域及位置分別擷取各底吹孔檢測區域對應的熱影像資料，根據每個底吹孔檢測區域的熱影像資料計算底吹孔檢測區域的高低溫差，其中若高低溫差小於一預定的開孔溫度設定值(T_Air)，即表示該底吹孔檢測區域內並無氣體吹出(例如在第5圖中，編號2,4,6,7,8,9之底吹孔區域的高低溫差小，表示為未通氣之區域)，若現場實際操作設定是該底吹孔檢測區域無設置底吹孔或是已封閉底吹孔，則該無氣體吹出之情形即符合現場實際操作設定相同；若現場實際操作設定是該底吹孔檢測區域有設置底吹孔，則該無氣體吹出之情形即與現場實際操作設定不同，表示該底吹孔出現通氣狀態異常，則所述熱影像分析模組21便可相應地發出警告，提示工作人員需對該底吹孔無法通氣之 原因進行檢查；反之，若高低溫差大於預定的開孔溫度設定值(T_Air)，則表示該底吹孔檢測區域內的底吹孔正常通氣。

步驟S3：根據一檢測閥值計算獲得各個底吹孔之面熔蝕狀態與點熔蝕狀態；具體而言，該步驟係在確認底吹孔狀態後，由所述熱影像分析模組21以該熔爐11底部101的無氣體吹出的檢測區域所測量到的最低溫度(T_{NoAir_Min})作為其他有氣體吹出之底吹孔的檢測閥值，來計算各個底吹孔檢測區域中小於該檢測閥值的溫度分布所構成的外接多邊形面積(A_Air)，以及在各個底吹孔檢測區域中，計算小於該檢測閥值的溫度資料點群中最高溫與最低溫的溫度差(T_Diff)。上述外接多邊形面積(A_Air)表示為其所屬的底吹孔檢測區域的面熔蝕狀態；溫度差(T_Diff)則表示為其所屬的底吹孔檢測區域的點熔蝕狀態，其中面熔蝕狀態是指底吹孔周邊的耐火磚因為應力分布不均而導致掉磚現象的異常狀態(例如第5圖右側圖表所示，在編號1,3,5,10之底吹孔檢測區域中，小於該檢測閥值的溫度分布所構成的外接多邊形面積較大，表示其面熔蝕狀態較嚴重)；點熔蝕狀態則是表示耐火磚的局部單點熔蝕過深(單點的溫度差大)，導致高溫液體從此處穿透外洩的異常狀態(例如第5圖下方圖表所示，在編號3,5,10之底吹孔檢測區域中，小於該檢測閥值的溫度資料點群中最高溫與最低溫的溫度差(T_Diff)較大，表示其單點熔蝕較深，意即點熔蝕狀態較嚴重)。上述兩種異常狀態可同時並存。上述與熔蝕狀態相關的外接多邊形面積(A_Air)和溫度差(T_Diff)會因為氣體種類、壓力、原始開孔大小等環境因素而有所不 同。

步驟S4：於面熔蝕狀態或點熔蝕狀態超出預設的警示閥值時發出警告；具體而言，該步驟係通過預先設定對應與該外接多邊形面積(A_Air)和溫度差(T_Diff)關聯的警示閥值(該警示閥值可依照不同的環境因素而有所不同)，接著再根據預設的警示閥值來判斷步驟S3所計算獲得的外接多邊形面積(A_Air)或溫度差(T_Diff)是否有超過其對應的警示閥值，若超過警示閥值，則表示底吹孔檢測區域的狀態異常，進而發出警告，反之則表示設備狀態正常。

上述的爐內耐火材狀態監測方法之監測時機係在傳統的吹煉程序的倒渣步驟與進料步驟之間進行監測，意即其監測時機在爐內清空尚未倒入下一次吹煉原料之前，如第2圖所示。換言之，前述爐身的檢測位置D必定會落在傳統製程中爐身從倒渣位置C至進料位置E的路徑上，因此，欲執行本發明之監測方法時，僅需要在該檢測位置D上停留進行完監測動作後，即可接續原來的生產動作，讓爐身旋轉至進料位置繼續下一回吹煉製程。故採用本監測方法僅會對既有的生產流程的時序造成微幅的延遲影響，使得熔爐底吹孔狀態不但能夠獲得即時檢測，仍能夠兼顧原有的生產進度規劃的維持。

通過執行本發明的爐內耐火材狀態監測方法，可針對耐火材在爐底的單點熔蝕和面型熔蝕的情況進行監測，有效地估測各底吹孔周邊耐火材殘厚之狀況，進而在單點熔蝕或面型熔蝕的情況惡化至超過警示閥值時進行預警。

綜上所述，相較於現有技術，本發明主要是採用了熱影像分析技術結合特定的監測方法步驟，通過熱影像感測模組及分析模組來對熔爐的各個底吹孔周邊的耐火材熔蝕狀態進行監測，其中根據了單點和面型區域之熔蝕狀態與其間溫度分布之間的關聯性來判斷出各個底吹孔的通氣狀態以及估測各底吹孔周邊耐火材殘厚之狀況，進而達到耐火材異常狀態之警示功能。由於本發明的爐內耐火材狀態監測系統的熱影像感測模組及分析模組軍不需要架設在熔爐前側進行量測，而是架設在倒渣側(即熔爐後側)，故可避開高輻射熱溫環境，也同時避免操作人員處於危險環境當中。此外，也可避免高溫環境造成感測器損壞的情況產生。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S1~S4‧‧‧步驟

Claims (8)

1. 一種爐內耐火材狀態監測方法，係用以對一熔爐底部的具有底吹孔之耐火材的狀態進行監測，其包括下列步驟：S1：蒐集熱影像資訊；S2：依檢測區域從熱影像資訊中分別擷取對應的熱影像資料，以確認各個底吹孔之通氣狀態；S3：根據一檢測閥值計算獲得各個底吹孔之面熔蝕狀態與點熔蝕狀態，其中該步驟是以該熔爐底部的無氣體吹出的檢測區域所測量到的最低溫度作為其他有氣體吹出之底吹孔的檢測閥值，來計算各個底吹孔檢測區域中小於該檢測閥值的溫度分布所構成的外接多邊形面積，以及在各個底吹孔檢測區域中，計算小於該檢測閥值的溫度資料點群中最高溫與最低溫的溫度差，其中該外接多邊形面積表示為其所屬的底吹孔檢測區域的面熔蝕狀態；該溫度差表示為其所屬的底吹孔檢測區域的點熔蝕狀態；以及S4：於計算獲得的面熔蝕狀態或點熔蝕狀態超出預設的警示閥值時發出警告。
2. 如申請專利範圍第1項所述之爐內耐火材狀態監測方法，其中該步驟S1係通過一熱影像感測模組感測得出該熔爐底部的熱影像資訊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之爐內耐火材狀態監測方法，其中該步驟S2係先依照預設的各個底吹孔檢測區域及位置從該熱影像 資訊中分別擷取各底吹孔檢測區域對應的熱影像資料，根據每個底吹孔檢測區域的熱影像資料計算該底吹孔檢測區域的高低溫差，其中若高低溫差小於一預定的開孔溫度設定值，即表示該底吹孔檢測區域內並無氣體吹出；反之則表示該底吹孔檢測區域內的底吹孔正常通氣。
4. 如申請專利範圍第3項所述之爐內耐火材狀態監測方法，其中該步驟S4係通過預先設定對應與該外接多邊形面積和溫度差關聯的一警示閥值，接著再根據預設的警示閥值來判斷步驟S3所計算獲得的外接多邊形面積或溫度差是否有超過其對應的警示閥值，若超過警示閥值，則表示該底吹孔檢測區域的狀態異常，進而發出警告。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之爐內耐火材狀態監測方法，其中步驟S1係由一熱影像感測模組執行之；步驟S2至S4係由連接該熱影像感測模組的一熱影像分析模組執行之。
6. 一種爐內耐火材狀態監測系統，係包括：一熔爐，具有一開口及一朝向該開口之底部，該底部設有多個底吹孔，各底吹孔由耐火材所圍繞；一熱影像感測模組，係設置於該熔爐一側，並在該熔爐處於一檢測位置時，通過該熔爐開口感測得到該熔爐內底部的熱影像資訊；以及一熱影像分析模組，係連接所述熱影像感測模組，並接收所述熱影像感測模組感測得到的熱影像資訊，進而根據該熱影像資 訊檢測該熔爐底部的底吹孔的通氣狀態，並再根據該底吹孔所在的檢測區域內的高低溫差判斷該底吹孔周圍耐火材的熔蝕程度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之爐內耐火材狀態監測系統，其中該熔爐為一轉爐，其爐身係根據預設的不同工作位置旋轉而處於不同角度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之爐內耐火材狀態監測系統，其中該預設工作位置按順序包括吹煉位置、出鋼位置、倒渣位置、檢測位置及進料位置。