（控制科学与工程专业论文）高炉料面温度场智能建模方法的研究.pdf

摘要 高炉料面温度场是炉喉煤气流分布状况最直接的表现形式，然 而，由于高炉内部复杂的物理、化学、动力学过程，很难直接建立准 确的料面温度场模型。因此，如何建立高炉料面温度场模型，对于预 测高炉煤气流发展状况、优化高炉生产操作、保证高炉稳顺运行、优 化高炉生产过程具有很高的理论研究意义和应用前景。 首先从工艺机理的角度分析了高炉红外图像、十字测温、探尺和 上升管温度等多源信息与料面温度场之间的关系；研究了基于红外图 像的料面温度场等温线、中心位置和径向温度分布等特征提取技术； 然后针对利用单一检测信息难以建立准确的高炉料面温度场模型的 问题，提出了基于信息融合的高炉料面温度场智能建模方法，该方法 充分利用高炉炉喉检测信息，以基于两点法的温度动态定标方法作为 基准定标方法，采用基于遗传算法的b p 神经网络技术对温度动态定 标进行非线性误差校正，不但定标精度提高，而且神经网络结构简单， 计算量小，收敛速度快。仿真结果表明，采用基于信息融合的温度定 标方法明显优于采用基于两点法的温度动态定标方法，具有较好的泛 化能力和准确度，验证了该方法的可行性和优良性。 利用提出的建模方法，建立了基于信息融合的高炉料面温度场监 视系统，并成功运行于涟钢2 2 0 0 m 3 高炉。系统采用可视化界面显示 料面温度场模型，更直观地反映料面温度分布情况，为高炉操作人员 提供了炉况的实时、可靠的参考信息。 最后对论文进行了总结，并提出了一些有待进一步研究的问题。 关键词料面温度场，特征提取，多源信息融合，遗传b p 神经 网络，温度定标 a b s t r a c t t h eb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l do fb l a s tf u r n a c ef b f ) i st h e m o s td i r e c tm a n i f e s t a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o no fg a sf l o wi nt h et h r o a to f b f h o w e v e r , d u et o t h ec o m p l e xp h y s i c a l ，c h e m i c a lr e a c t i o na n d d y n a m i cp r o c e s s i ti sd i m c u l tt oe s t a b l i s hc o r r e c tm o d e lo fb u r d e n s u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l d ，w h i c hi so fv e r yi m p o r t a n c ei nf o r e c a s t i n gt h e c o n d i t i o n so fg a sf l o w , o p t i m i z i n gp r o d u c t i o no p e r a t i o na n de n s u r i n g s t a b l eo p e r a t i o no fb f t h i ss t u d yh a st a k e no ng r e a ts i g n i f i c a n c ei n a c a d e m i cr e s e a r c ha n dg o o d p r o s p e c ti na p p l i c a t i o n s t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l da n d m u l t i s o u r c ei n f o r m a t i o n ，s u c ha si n f r a r e di m a g e ，c r o s s i n gt e m p e r a t u r e ， s t o c k r o d ，g a st e m p e r a t u r e f r o mr i s e r t u b e ，e t c a r ea n a l y z e db y m e c h a n i s ma n a l y s i s b a s e do nt h ei n f r a r e di m a g e f e a t u r ee x t r a c t i o n t e c h n i q u e s o fi s o t h e r m ，c e n t r a l p o s i t i o n a n dr a d i a l t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l da r es t u d i e d a i m i n gt o s o l v et h ei m p r e c i s i o np r o b l e mo fc o n v e n t i o n a lc a l i b r a t i o nm e t h o d st h a t o n l ym a k eu s eo fo n ek i n do fd e t e c t i n gi n f o r m a t i o n an o v e lm e t h o df o r m o d e l i n gb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l di nb fi sp r e s e n t e d i t i s b a s e do ni n f o r m a t i o nf u s i o na n dm a k e sf u l lu s eo fi n f o r m a t i o nd e t e c t e d f r o mt h et h r o a to fb e ad y n a m i ct e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o nm e t h o db a s e d o nt w o p o i n tm e t h o di st a k e na st h eb e n c h m a r kc a l i b r a t i o nm e t h o d ，i n w h i c ht h en o n l i n e a re r r o ri n v o l v e di sa d ju s t e db ya ni m p r o v e db pn e u r a l n e t w o r kb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t h i sm e t h o dh a sal o to f a d v a n t a g e s ，s u c ha sm o r ep r e c i s i o no ft e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n ，s i m p l e r n e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e ，l e s sc o m p u t a t i o na n dh i g h e rc o n v e r g e n c er a t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm o d e lo fb u r d e ns u r f a c e t e m p e r a t u r ef i e l dc a nd e p i c td i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dm o r ee x a c t l y t h a nc o n v e n t i o n a lc a l i b r a t i o nm e t h o d s a n da l s oc o n f i r mt h ea c c u r a c ya n d f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d u s i n gt h ep r o p o s e dm o d e l i n gm e t h o d ，ar e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m o fb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l di nb fi sd e v e l o p e da n ds u c c e s s f u l l y o p e r a t e di nl i a n y u a ns t e e l2 2 0 0 m 3b f t h ev i s u a l i z a t i o ni n t e r f a c eo f m o n i t o r i n gs y s t e mi sm o r ee f f e c t i v et ou n d e r s t a n dt h ed i s t r i b u t i o no f b u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l da n di n s t r u c tt h eo p e r a t i o no fb u r d e n d i s t r i b u t i o n f i n a l l y , t h i st h e s i sm a k e ss o m ec o n c l u s i o n s ，a n d p r e s e n t ss o m e i s s u e sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d sb u r d e ns u r f a c e t e m p e r a t u r ef i e l d ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ，m u l t i s o u r c ei n f o r m a t i o nf u s i o n ，g e n e t i cb pn e u r a l n e t w o r k ，t e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：啦嗍丝年上月鱼日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期：过年月垒日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 钢铁工业是现代化国家的支柱产业之一，对可持续发展战略有至关重要的影 响。在2 1 世纪，钢铁依然是应用最广泛的金属材料，是衡量一个国家综合国力 和工业水平的重要指标。高炉炼铁生产是钢铁生产的重要环节，是钢铁生产流程 上游的一个核心工序，其能耗约占钢铁生产总能耗的6 0 ，成本约占其1 3 。 高炉是钢铁行业的关键设备，其主要产品是生铁。生铁是冶金、制造、宇航、 机械、军工等行业的主要原料，是支撑国民经济发展的重要物质基础。我国的高 炉数量众多，是目前世界上最大的生铁生产国。近年来，随着国民经济的高速发 展，高炉自动化程度也逐步提高，生产技术达到了一定水平。虽然生铁产量不断 增长，但是在质量、效益、环保等方面同发达国家相比存在着较大差距。 高炉生产是在高温、高压、密闭条件下的物理、化学、动力学过程。由于影 响高炉安全稳定生产、提高铁水产量和质量的因素很多，因此采用了各种传感器 来观测高炉生产过程中的各种参数和炉内状态，力求为操作者提供有效和可靠的 操作依据。但这些参数既不是直观的，对高炉生产过程的影响也不是独立的，有 些甚至不是实时的，这使得高炉内部的信息很难直接被检测出来。因此，在未对 这些参数加工、处理之前，需要操作人员根据高炉冶炼理论和丰富的生产操作经 验加以综合分析，对炉况做出判断，这无疑是很困难的。 随着冶金技术、人工智能以及计算机技术的发展，高炉生产对节能降耗、产 量质量的要求不断提高，高炉生产日益向着生产自动化、智能优化的方向发展， 传统人工操作依据经验判断炉况的方式越来越不适应现代高炉生产的要求，因此 有必要对高炉炼铁过程进行研究，参考操作经验来建立数学模型，在一定条件范 围内，把高炉复杂的生产过程局部简化，借助计算机技术，通过各种数学模型反 映出高炉的运行状态，指导高炉操作，优化高炉生产过程参数。这对于高炉生产 节约能源、提高铁水产量和质量、降低生产成本，增强企业的市场竞争能力具有 重要的意义。 煤气流分布状况是影响高炉生产的最主要因素之一，直接影响高炉煤气热能 和化学能的利用效率，关系到炉内温度分布、软熔带结构、炉墙热负荷、高炉下 部的热平衡和高炉炉况顺行，最终影响到高炉冶炼指标。高炉操作，在很大程度 上，是谋求合理、适宜的煤气流分布。另一方面，煤气流分布也是高炉操作者判 断炉况的重要判据，例如当高炉发生悬料时，炉内气体温度会出现波动，这样会 使冷却板及炉衬的最高温度也随之升高；当高炉内边缘气流发展时，会使炉内气 中南大学硕士学位论文第一章绪论 体的对流换热系数增大，此时也会对冷却板及炉衬造成热冲击，使冷却板和炉衬 的温度在很短时间内迅速上升，烧毁炉衬。合理的煤气流分布就是采用适当的送 风制度和装料方法控制好炉内的边缘气流和中心气流的发展程度，在保证顺行的 基础上，达到煤气能量利用最好和燃料消耗最低的目的。因此，高炉操作者连续 地掌握煤气流分布情况是非常重要的。 高炉炉顶煤气流分布主要是通过料面温度场来反映。如何建立的高炉料面温 度场在线检测模型，对于预测高炉煤气流发展状况、优化高炉生产操作、保证高 炉稳顺运行十分关键，对于探索高炉操作的闭环控制方法，减少人为经验对过程 控制的扰动，优化高炉生产过程具有很高的理论研究意义和应用前景。 1 2 国内外研究现状 高炉过程信息检测技术的应用主要体现在：一方面可以利用先进的检测装置 对生产过程信息进行准确的监测，另一方面可以采用智能化方法建立检测模型， 利用计算机快速高效的运算能力求解，实现低成本、高精度的检测。在工业过程 信息检测中，常用的先进技术主要有红外技术、激光技术、超声波技术等【l l ，常 用的智能化方法主要有神经元网络、模糊逻辑、遗传算法、仿真智能、模式识别、 混沌理论、物元可拓法、小波分析等【2 j 。 1 2 1 料面温度场检测装置 高炉是一个密闭反应器，高炉内部许多重要信息很难被直接检测。煤气流分 布是高炉生产操作的一个重要参考信息，一般通过间接测量高炉料面温度场进行 描述【3 一，因此高炉料面温度场是反映高炉炉况的一个重要指标【5 1 。目前，高炉 料面温度场的检测主要通过热电偶、红外摄像等温度检测装置来获取料面温度场 数据，或者进一步采用建模的方法对料面温度场进行计算和模拟。因此，高炉料 面温度场的检测方式主要有两种：料面温度场检测装置和料面温度场的计算模 拟。 在高炉料面温度场的检测装置方面，国内外常用有两类，即接触式温度检测 装置和非接触式温度检测装置。从温度检测技术的发展来看，首先投入使用的是 接触式的温度检测装置，主要有炉喉十字测温装置【6 j 。后来随着红外测温技术1 7 】 的发展，非接触式的温度检测装置也投入到高炉生产过程检n f l 口 8 , 卅。 1 ) 接触式温度检测装置 接触式温度检测装置主要使用铂铑热电偶，在高炉上使用较多的十字测温装 置安装在炉喉平面上，由若干热电偶以十字形式组成。十字测温测量的精度高， 但测量的点数有限，不能反映整个料面温度场的分布状况。另外，十字测温测量 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的是料面以上煤气流的温度，由于煤气流在上升的过程中发生混合，使得测量的 温度与料面对应位置的温度有差别i l 们，因此存在温度变化滞后的缺陷。 目前，国内外大部分高炉都安装有十字测温装置。由于十字测温装置上安装 有煤气取样装置，所以十字测温装置不但能提供热电偶的温度测量值，而且还具 有检测炉喉断面煤气流成分的功能。由于十字测温装置是接触式的，获取的数据 及时、真实可靠，所以受到高炉操作者的重视。 在国外，十字测温方法使用较早，应用广泛。日本京滨l 号高炉( 4 9 0 7 n 1 3 ) 上 应用的模型集成系统、芬兰劳塔鲁基公司拉赫钢铁厂“高炉自动控制专家系统 均使用煤气采样装置获得煤气数据，结合十字测温检测获取的温度分布信息，建 立炉喉煤气流分布模型。瑞典钢铁公司律勒欧厂2 号高炉采用十字测温直接检测 料面上煤气流温度值，并推测煤气流分布形态i l l 】。 我国在上世纪9 0 年代以后建造的大容量高炉大部分都安装十字测温装置。 国内最早介绍高炉十字测温的是文献 1 2 】，该文献针对唐山钢铁公司1 2 6 0 m 3 高 炉，分析了炉喉断面十字测温装置的温度变化规律和使用情况。随后，国内其他 钢铁公司也相继使用了十字测温技术，南钢在3 5 0 m 3 高炉采用十字测温装置，在 不同布料制度下测量温度分布，为高炉操作提供参考数据1 1 3 1 。新钢在l 号高炉上 安装了十字测温系统，通过对温度和对应煤气含量的监测，有效地指导了高炉生 产操作【1 4 1 。另外，在武钢、首钢、宝钢、涟钢等，十字测温也得到了广泛应用。 2 ) 非接触式温度检测装置 非接触式温度检测装置是通过热辐射原理来测量温度，测温装置不需要与被 测介质接触，因此也称为辐射式温度检测装置。其中，非接触式红外测温装置在 近2 0 年来技术得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增加i l5 。 非接触式高炉红外测温装置主要有：红外热图像仪和红外摄像机。 红外热图像仪是一种高分辨率的测温装置，通过高灵敏度红外探测器实时测 温，测量数达到十万个温度点【1 6 】。红外热图像仪实时显示的测试数据能反映高炉 内物料温度的变化，直观地反映出炉内煤气流分布情况。但红外热图像仪受机械 扫描速度的限制，一幅温度图像的检测时问需要2 4 秒，且价格昂贵，对中小型 高炉不具有普遍适用性，目前在国内外较少使用。 红外摄像机是在高炉上使用较多的非接触式红外测温装置1 1 7 j 。炉顶红外摄像 机可及时和直观地监测整个料面的温度变化、记录某一时间或时间段内的温度， 同时还能够对高炉内部炉料和旋转溜槽状态进行实时监视1 1 8 】。此外，红外摄像机 安装简单、维护方便、成本低、使用寿命长。日本曾使用红外摄像机透过安装有 高炉顶部炉壳的硅玻璃口测定炉内料面温度，进行图像处理后再由计算机控制给 料设备的动作，调整原料流量，使炉料分布合理，起到降低焦比的作用。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 现在国内许多高炉都开始趋向于使用高炉红外摄像机来检测料面温度场。我 国最早介绍关于红外摄像机检测高炉料面温度场的是文献 1 9 1 ，该文献介绍了 i i m l s d p s 高炉料面温度检测装置的构成、工作原理及功能。随后，红外摄像 机在国内很多钢铁公司高炉中逐渐得到应用，济钢4 号高炉通过采用高炉红外摄 像机，观察到料面温度场以及料面的分布状况，实现对布料制度的指导【2 0 】；新钢 在6 号高炉上安装的红外摄像机作为炉内温度检测的装置，通过对料面温度场和 炉况的监测，成为高炉工长获取炉内信息、指导高炉生产的重要工具。另外，在 武钢、宝钢、攀钢、涟钢、莱钢等也采用了红外摄像机对高炉料面温度场进行检 测。 当前，在我国的高炉过程信息检测中，高精度的检测装置往往价格昂贵，难 以得到广泛应用，而常规的检测设备则准确度不高，且缺乏相应的检测模型。目 前，对于高炉内部的状态一般只是进行外部参数监测，无法定量给出内部状态信 息，这在很大程度上制约了高炉过程控制的发展，使得许多成功的、典型的闭环 控制系统无法应用。 随着计算机科学、人工智能、信息技术的迅速发展，人们突破了传统的仅依 靠检测装置和人工经验的判断模式，在数学机理建模的基础上，逐渐将测试技术、 计算技术、图像处理技术、工艺理论、多媒体虚拟技术等引入到高炉过程信息的 检测中，把密闭的、不可窥视的高炉内部状况变成开放的、可视化的，为高炉过 程控制和操作优化提供了重要的参考依据。 1 2 2 料面温度场检测模型及存在问题 在高炉料面温度场的计算和模拟方面，目前国内外主要采用神经网络的方法 针对十字测温数据进行学习训练，从而建立料面温度场模型，并最终反映到煤气 流分布上。日本神户钢铁厂针对十字测温获取的2 2 个温度值，采用反向传播的 神经网络对高炉炉喉径向煤气流分布进行识别，该网络输出值与目视判断对应良 好1 2 l 】；新日铁大铁分厂进行煤气流分布模式预测，并与高炉专家知识结合预报高 炉炉况瞄】。芬兰劳塔鲁基公司拉赫钢铁厂2 号高炉专家系统，通过对十字测温检 测的温度数据的和煤气成分数据的综合，建立了煤气流分布模型田j 。 在国内，宝钢l 号高炉的计算机控制系统建立了基于模式识别神经网络的炉 顶温度分布模型，该模型利用十字测温的温度数据，判断炉内煤气流分布信息阱】。 武钢4 座高炉分别安装了十字测温装置，通过直接获取温度分布曲线，对十字测 温最佳温度分布曲线进行了探索，建立炉喉径向温度与煤气分布的模型2 5 j 。攀枝 花钢铁公司4 号高炉应用b p 神经网络，将十字测温所测得温度数据作为输入， 煤气流成分作为输出，建立了高炉炉喉煤气流分布模型 2 6 1 ；文献【2 7 】提出一种高 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 炉径向煤气流分布的混合神经网络模式识别方法，通过对十字测温的数据分析和 研究，得出1 2 种典型的煤气流分布形态，并将其应用到高炉径向煤气流分布模 型识别中。 这些采用神经网络的智能方法在对料面温度场的非线性特性模拟上起到了 较好的效果，但是，由于十字测温获得的只是高炉径向温度分布数据，无法准确 反映整个料面温度场的分布，特别是高炉煤气流在上升的过程中发生混合变化， 仅通过神经网络的非线性模拟特性很难实现对料面温度场的准确计算和模拟。对 于目前在高炉上使用较多的红外摄像机，大部分都是通过操作人员直接对红外图 像进行观测，对料面温度场的分布进行定性的判断，很少有针对红外图像来建立 相应的料面温度场计算模型，因此料面温度场的检测准确度受到较大的人为因素 影响，不利于高炉生产操作的优化。 在高炉料面温度场的非接触式在线检测方面，北京科技大学高征铠等人开发 研制了高炉料面摄像仪及图像信息处理系统，系统提供整个料面的气流分布图 像，观察溜槽的运动和料流流股情况【2 引。中南大学吴敏等人的进行了比较深入的 研究工作，提出了一种基于高炉红外图像的温度场与料面分布在线检测方法，建 立了基于高炉红外图像的温度场与料面分布在线检测模型1 2 9 。 综上所述，目前对于高炉料面温度场检测技术的研究及应用取得了一定的成 果，但是还普遍存在以下问题： 1 ) 反映高炉料面温度场的可获取信息很多，其中主要有高炉红外图像、十 字测温、探尺和上升管温度等，但是目前的研究主要是考虑十字测温或红外图像 等单一因素来建立料面温度场计算模型，对其它可用信息的利用不够充分； 2 ) 在以往的高炉料面温度场的模型中，缺少对检测信息与料面温度场之间 的关联分析，使得料面温度场模型的准确度不高； 3 ) 高炉料面温度场的检测设备单一，所能提取的信息有限，且准确度易受 到设备和环境的限制，使得料面温度场检测模型的实用性不高。 1 2 3 基于多源信息融合的检测技术 在多传感器系统中，信息表现形式的多样性、信息容量以及信息的处理速度 等要求，都大大超过了人脑的信息综合能力，因此出现了信息融合技术【3 。信息 融合作为一门跨学科的综合信息处理理论，涉及系统论、信息论、控制论、人工 智能和计算机通信等众多的领域和科学。根据美国国防部数据融合专家组的定 义，信息融合技术可表述为：对多源数据和信息进行多方面的关联、相关和处理， 以更好地进行定位、特征估计，并完全和适时地对情况进行评估，融合也适用于 对事件的预测。这里的多源信息既可以指物理信息，也可以指逻辑信息，甚至可 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以包含社会信息。采用多源信息融合技术，利用各种传感器在性能上的差异和互 补性弥补单一传感器的缺陷，从而得到描述系统的更一致性的解释。它具有以下 优点： 1 ) 增加了测量的维数和置信度，从而降低了对单个传感器的性能要求； 2 ) 改进了探测性能，增加了响应的有效性； 3 ) 扩展了空间和时间的覆盖范围，提高了空间分辨率，对覆盖范围补盲： 4 ) 改进了系统可靠性和可维护性，性能稳定； 5 ) 系统容错性好，运行鲁棒性强； 6 ) 系统内优势互补，资源共享，可提高资源的利用率。 信息融合技术首先应用于军事领域，包括目标的探测、识别和跟踪等方面。 近年来，信息融合技术的应用研究在民事应用领域得到了较快的发展，主要用于 机器人、遥感、智能交通、医疗诊断等领域p 。 随着信息融合技术的发展和完善，在工业领域也逐渐开始应用1 3 引。现代工业， 特别是复杂工业过程控制，具有生产过程综合、被控对象复杂、关键技术指标难 以检测、回路众多且耦合严重等特点，虽然采用了大量各式各样的传感器来监测， 仍然使得工业生产的监控和管理变得越来越困难。在这种拥有大量传感器的工业 系统中，各传感器所提供信息的空间、时间、表达方式不同，可信度、不确定程 度以及侧重点和用途都不尽相同，这对信息的综合处理、有效利用提出了新的要 求。在传统的方式中，各传感器采集的信息单独、孤立地进行加工处理，不仅会 导致处理工作量增加，而且割断了各传感器间信息的联系，丢失了信息的有机组 合蕴涵的信息特征，造成信息资源的浪引3 3 】。信息融合与复杂工业过程控制结合， 将对复杂工业过程中的质量指标检测、关键过程量检测、系统优化控制、故障诊 断、管理与决策等带来新的方法，对复杂工业系统的监控起到重要作用。 目前，基于多源信息融合的检测技术已成为工业过程中研究的重要内容，通 过生产流程分析、过程机理分析的综合、传感器技术、软测量技术、信息处理技 术、信息融合技术和网络技术的集成，为工业过程的检测技术提供了新的方法， 为实现工业过程控制、优化、计划与调度提供了重要的决策信息，以达到期望的 综合生产指标和提高企业的综合竞争力。 1 1 3 主要研究内容及论文构成 为了解决上述问题，充分利用反映料面温度场的多源信息，提高料面温度检 测的准确度和实用性，降低检测成本，需要综合高炉生产过程多源信息来研究高 炉料面温度场检测的新方法和新技术，特别是高炉多源信息的提取与融合方法以 及料面温度场模拟计算的方法。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文针对高炉内复杂、恶劣的环境和检测成本的制约，在一般高炉的检测设 备条件下，综合运用图像处理、特征提取与信息融合等先进技术，建立基于信息 融合的高炉料面温度场模型，为高炉生产操作判断煤气流分布和炉况提供一个准 确、可靠的信息支持。主要包括以下研究内容： 1 ) 从工艺机理的角度分析高炉红外图像、十字测温、探尺和上升管温度等 多源信息与料面温度场之间的关系，研究一种基于多源信息的高炉料面温度场在 线检测方法； 2 ) 研究基于红外图像的料面温度场特征提取技术，获取料面温度场特征信 息： 3 ) 研究基于多源检测信息的料面温度场建模方法，实现料面温度场在线检 测，协助操作人员可靠地判断炉况，并为高炉的布料优化提供准确、可靠的信息。 论文的各章节内容安排如下： 第一章，绪论。阐述了高炉料面温度场检测装置以及料面温度场检测模型研 究现状和存在的问题，并介绍了基于多源信息融合检测技术在工业应用中的现 状。 第二章，高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析。从工艺机理角度分析了 高炉多源信息与料面温度场之间的关系，提出了一种基于多源信息融合的高炉料 面温度场在线检测方案。 第三章，基于红外图像的料面温度场特征提取。采用数字图像处理技术对红 外图像进行料面温度场特征信息提取，获得料面温度场等温线、中心位置和径向 温度分布等特征信息。 第四章，基于信息融合的高炉料面温度场智能建模方法。针对利用单一检测 信息难以建立准确的高炉料面温度场模型的问题，提出了一种新的建模方法一 基于信息融合的高炉料面温度场智能建模方法，并对该方法进行了详细的理论分 析及仿真，验证了该方法的可行性和优良性。 第五章，高炉料面温度场建模方法实现与工业应用。根据本文提出的基于信 息融合的高炉料面温度场智能建模方法，建立了料面温度场实时监视系统，介绍 了该模型在涟钢2 2 0 0 m 3 高炉生产监视系统中的实现与应用，并简要分析了模型 应用的效果。 第六章，结论与展望。对论文所作的工作进行了总结，展望了进一步工作的 开展方向。 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 高炉冶炼过程是一个存在多种化学反应及物理变化的复杂过程，影响生产的 因素错综复杂，状态检测信息具有多样性。高炉料面温度场是判断炉喉煤气流分 布和高炉炉况，进而决定高炉布料操作与送风制度的一个重要因素，然而高炉生 产过程中直接或者间接反映高炉料面温度场的局部信息有很多。 本章首先分析了高炉生产工艺，阐述了高炉料面温度场的形成及其对于指导 高炉生产操作的重要性。针对高炉生产过程信息的多样性以及它们与高炉料面温 度场之间的关联程度不同，分析了高炉多源信息( 如高炉红外图像、十字测温、 探尺以及上升管温度等) 各自的特性，从工艺机理分析的角度对高炉多源信息与 料面温度场之间的关系进行定性分析，提出了一种基于多源信息融合的高炉料面 温度场在线检测方案。 2 1 高炉生产工艺 高炉是钢铁冶金过程中的关键设备，属于圆筒型竖炉。炼铁生产过程是在高 温、高压、密闭条件下，采用还原剂( 焦炭、煤粉和重油等) 将铁矿石( 原铁矿、 烧结矿和球团矿) 还原成液态生铁的过程0 4 1 。铁矿石、焦炭和熔剂从炉顶装入炉 图2 - 1 高炉内部结构示意图 8 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 内，从鼓风机来的冷风经过热风炉后，形成热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧， 产生热煤气流由下而上运动，而炉料则由上而下运动，与逆流而上的高温煤气流 互相接触，进行热交换。在炉料下降的过程中，矿石逐渐被风口附近的燃烧区产 生的煤气加热和还原，同时软化、收缩、熔融、滴落，并最终形成铁水和炉渣。 积聚在炉缸的铁水和炉渣分别由出铁口和出渣口放出，而生成的高炉煤气从炉顶 导出，经过除尘后，回收作为燃料使用【3 5 1 。 根据高炉内部炉料状态和反应过程，高炉内部状态可以描述为五个主要区 域：块状带、软熔带、滴落带、风口回旋区和炉缸区【3 6 j ，如图2 1 所示。炉料装 入高炉内，上半部分是固相区，也称块状带，下降过程中温度不断升高，达到矿 石软化温度时，出现软融带。焦炭则仍保持固体状态作为透气窗。软融带的下部 是液体滴落带，这时只有焦炭仍是固体，矿石则以液态渣铁的形态沿焦炭表面向 下滴落，风口前端为近似球形的焦炭循环区，称作风口回旋区，入炉的焦炭一部 分以固体状态直接参加对矿石的还原，大部分在这里燃烧生成c o 。高炉的底部 为渣铁积聚层，称作炉缸区。高炉炉内五个区域的功能如表2 1 所示。 表2 - 1 高炉各区域的功能表 在高炉内，随着炉料的下降，煤气逆流而上，形成炉顶的料面温度场。对于 高炉操作人员而言，掌握料面温度场分布( 炉顶煤气流分布) 对于了解炉况，保 持合理的煤气流分布和炉喉料层分布，从而保证炉况稳定和高炉冶炼的高产、优 质、低耗的经济指标。 高炉炼铁的过程涉及到气、固、液三态的交互作用，因此，全面而正确地理 解高炉内发生的各种现象是很困难的，长期以来，高炉操作指导主要依靠高炉工 长的经验，通过检测炉料性能，监测高炉炉项、本体状态，判断高炉内部状态。 随着监测手段和计算能力的提高，充分利用现有的检测设备对高炉料面温度场分 布进行数学建模，从最大程度上获取高炉炉况信息，是亟待解决的问题【3 7 , 3 8 1 。 9 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 2 2 高炉生产操作及料面温度场重要性 煤气流的合理分布对于高炉生产至关重要。合理的煤气流分布是保证高炉 炉料稳定下降、炉内化学反应和热交换正常进行的重要因素，因此，它是高炉稳 定顺行、节能降耗、增产提质和延长炉龄的重要途径之一。追求煤气流分布的最 佳化以及依据煤气流的分布状况有效地进行布料控制和送风制度一直是高炉生 产操作中很重要的课题。 高炉布料操作制度和送风制度是高炉生产中极为重要的操作制度。布料制 度的变化，直接影响高炉上部煤气流的分布，决定高炉内部热量和质量的传递及 炉料下降的顺行程度，从而影响高炉冶炼过程和铁水质量等高炉各项技术经济指 标。高炉送风制度是高炉操作的根本制度，是高炉稳定顺行、优质、高产的重要 条件。高炉合理送风制度应达到以下要求：炉料正常稳定下降，炉况顺行；初始 煤气流达到合理的分布；炉缸活跃且均匀，渣铁物理热充沛，铁水质量合格；有 利于炉型和设备的维护。 1 ) 布料制度 炉料在高炉炉喉的分布主要通过布料制度来调节，高炉布料制度影响高炉上 部煤气流分布，同时煤气流分布也影响高炉布料。布料制度包括装料顺序、料线 高低、批重大小、布料方式( 单环、多环、螺旋、扇型) 等。 ( 1 ) 装料顺序 装料顺序对高炉煤气流分布的影响，实际是改变堆角的结果，由于矿石( o r e ) 和焦炭( c o k e ) 的堆角不同，装料顺序的改变必然改变炉料分布。装料顺序一般 分为正同装、正分装、混同装、倒分装、倒同装五种。正装是先装矿石，后装焦 炭。倒装与之相反，先装焦炭后装矿石。同装是指矿石和焦炭同时入炉。分装则 是指矿石和焦炭分别入炉。混装是矿石与焦炭不分车而相互混合后加入高炉。 按照炉料装入顺序，上述的五种装料方法对边缘煤气流加重的程度由重到轻 排列，如表2 2 所示。由于变换装料次序能够及时有效地改变煤气流的分布，而 且调节灵活，所以是生产中最常用的高炉上部调剂手段。 表2 - 2 高炉装料顺序对煤气分布的影响 装料顺序料车式高炉料罐式高炉 对煤气流分布影响程度 正同装oci o c j ， 正分装 o o o j ，c c c $o j ，c j ， 边缘煤气流逐渐发展， 混同装c o o j ，o c c l ，c c o 上，o o c 【 中心煤气流逐渐减弱 倒分装 c c c l o o o 【c _ l oj ， 例同装 c o ic o j l o 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 高炉布料顺序对煤气流分布有一定的影响，而实际的高炉布料顺序还需要结 合高炉设备和炉料条件，通过实验进行确定。 ( 2 ) 料线高低 料线高低与上部炉型、炉料性能、布料器构造等有关，可以用探料尺来测定。 高炉装料按料线分批进行，当料线到规定位置时则装入下一批料。每座高炉在具 体生产条件下都有一个适宜的料线，正常料线应使堆尖靠近但是不紧贴炉墙。 当料线在炉喉撞击点以上时，提高料线，炉料堆尖逐步离开炉墙，促进边缘 发展；降低料线，堆尖逐步移近炉墙，矿石对焦炭的冲击、堆挤作用也增强，促 使中心气流发展。当料线在碰撞点之下时，炉料先撞击炉墙，然后反弹落下，矿 石对焦炭的冲击推剂作用更大，强度较大的炉料先被撞碎，使布料层次紊乱，煤 气流分布容易失去控制。 实际高炉操作中，对于串罐无料钟炉顶，一般情况并不轻易调整料线，主要 是通过调整布料角度和布料环数来达到改善煤气流分布的目的，这也表明无料钟 炉顶布料手段灵活。 ( 3 ) 批重大小 装入高炉的每一批炉料是由焦炭、矿石和熔剂按一定重量比例组成的。三者 的总重量称为批料重。其中矿石的重量称为矿批重，焦炭的重量称为焦批重，矿 石和焦炭的重量比称为焦炭负荷，即单位重量焦炭所负担的矿石量。 批重对炉料分布的影响是装料制度中最重要的参数，当矿批大到一定值时， 装料制度中其它参数的作用将变的不明显，甚至不起作用。实验表明，矿批有三 个不同的特性区域：激变区、缓变区、微变区1 3 9 1 ，如图2 2 所示。每座高炉在具 体条件下有其适宜的批重，它随条件的改变而变化。 莳 籁 耳 聋 1 幕 矿石批重( 1 ) 图2 2 高炉批重特征曲线 如果提高焦炭负荷，意味着高炉热量有余，可以增大矿批量。由于矿石批重 增加，使矿石沿炉喉径向分布更趋均匀，即有相对较多的矿石布向中心，起着抑 制中心发展边缘气流的作用；降低焦炭负荷，矿批重减小，矿石将难于布向中心， 而较多的布到边缘，起发展中心气流的作用。 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 当焦炭负荷不变时，如果批重增大，焦炭批重与矿石批重相应都增加，软熔 带的压差上升，而总压差略微下降到某一点后又升高，矿石分布比小批料时均匀 得多，此时炉料不仅抑制中心，而且也抑制边缘，因而增大料批重有稳定气流、 使煤气流分布均匀的作用；同时，随着焦炭批重增加，软熔带焦炭夹层高度相应 增加，有利于提高软熔带透气性，改善煤气流的二次分布，提高高炉喉煤气c o 利用率。 实际生产中，料批重不能无限扩大，批重过大会出现边缘、中心两头堵塞的 煤气分布，增加了料柱阻力，它的增减受装料设备、焦炭负荷、焦比的限制；料 批重也不能过小，批重过小会出现边缘、中心两头轻的煤气分布，当批重小于某 一个数值时，矿石便分布不到中心，此称临界批重，即控制料批下限的临界值， 或料批极小值。在此临界值以下，增加批重，只能抑制边缘，或其作用不明显。 所以只有当批重大于此临界值时，增大批重才能起到均匀布料，稳定气流的作用。 一般来说，无料钟炉顶装料顺序对气流分布的调节作用亦不如料钟式高炉明 显，而批重的影响，无论对何种装料设备的高炉都是很大的。目前高炉操作以大 批重为主，减少界面带来的阻力，均匀和稳定煤气流分布；同时利用小批重加重 边缘、疏导中心，取得边缘加重、中心减轻的煤气分布曲线。 ( 4 ) 布料方式 无料钟高炉的布料方式主要有单环布料和多环布料，不同的布料方式影响炉 料沿圆周分布的情况。采用单环布料还是多环布料是根据布料设备状况，原燃料 条件、冶炼制度等来确定刚删。 单环布料的料面形状不理想，没有体现出“平台一漏斗”式料面形状的要求， 随着炉喉直径的增大，单环布料难以控制炉墙和高炉中心的气流，若堆尖距炉墙 近、漏斗深，中心气流强，则易产生崩料，若堆尖距离炉墙远，边缘矿焦比和粒 度分布变化大，气流亦难以控制。采用同装时，炉料在进入料罐时有一定程度的 混合，各种物料物理性能的不一致，也使得料面上滑动、滚动等程度不同，造成 一定程度的品种偏析、料面形状不规则，煤气利用受到一定程度的限制。 多环布料更能无料钟布料设备发挥设备的优势。多环布料调节炉料分布的手 段更加灵活多样，不仅可以获得合理的径向矿焦比，并且能够进一步控制各区域 的粒度偏析，使得单一区域粒度范围尽量变窄，从而改善透气性。采用多环布料， 高炉料面将形成不同宽度的平台，通过观察高炉休风时的料面形状可验证和确定 档位与平台宽度的关系。 平台的形成及其宽度、大小是控制高炉行程、气流分布、煤气利用的核心部 分。平台宽度过窄，则煤气流不稳定、煤气利用差；平台过宽，较难生成混合层， 中心容易堵塞。平台大小决定高炉中心的矿焦比，并且影响混合层的范围。 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 由于一般焦炭的落料对矿石表面几乎没有影响，而平台内侧因矿石作用，焦 炭平台会发生改变，焦炭的布料档位将决定平台的状况。 无料钟高炉适宜的料面形状应该是平台和滚动形成的料面。平台外矿焦比主 要受炉料滚动影响。如果焦炭直接布入漏斗区，会使锥面改变，数量不多时，对 矿石滚动影响小，数量多时，矿石滚动受阻，堆积量增加，矿焦比发生变化，料 面改变，中心气流增强但不稳定。如果矿石布入漏斗区，且数量比焦炭多，矿石 堆积量增加，矿焦比变化大，料面改变，加之细粒度增加，中心气流受阻，下料 不畅。因此加入高炉并靠近中心的矿石在平台边缘附近落下较好，这样可以通过 焦炭料面的变化，形成一定的混合层。矿石滚动中心，粒度自然分级，保证中心 气流稳定，以此来控制中心的矿焦比和气流。 当高炉料层形成稳定的平台后，漏斗小，矿石的滚动量少、混合程度轻，在 中间和中心小粒度增多，透气性受到一定影响，中心气流相对较弱，需要注意控 制中心的矿焦比。 图2 3 为涟钢2 2 0 0 m 3 采用中心加焦后煤气流分布的情况，采用中心加焦后， 中心煤气流得到一定的发展，中心c 0 2 含量明显下降，形成强而稳定的中心气 流，此时炉况顺行。 01234 妒喉半径( _ ) 图2 - 3中心加焦对煤气流分布的影响 2 ) 送风制度 影响炉缸煤气分布的因素主要是送风制度，包括：风温、风量、风压、风速、 鼓风湿度、富氧程度，以及风口的个数、大小、长短、角度等。下部调剂的目的 是使得炉缸截面温度和热量分布均匀，合理分布初始煤气流，炉缸工作正常。主 要的调节方法是调整风口进风状况，维持适当的风口回旋区和鼓风动能，控制适 宜的理论燃烧温度。 合适的回旋区大小，应使细粒矿石堆积环圈大致落在回旋区上方的前头，一 般此长度应为炉缸半径的1 3 1 2 。如果回旋区过小，易造成中心堆积和下料不 1 3 祁 幻加 m 儿8 5 g州如6u 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺与料面温度场检测信息分析 畅，当回旋区在横向和纵向扩大时，气流将以回旋区为放射中心，向其两侧和中 心扩展，气流分布趋于合理均匀。 调整风量、喷吹燃料量及风温、湿分都能使煤气体积发生变化，进而调整回 旋区大小，但经常调整的还是风口面积大小。如果其他条件不变，风口总面积愈 小，则风速或鼓