（模式识别与智能系统专业论文）高炉温度场与料面分布模型及其应用研究.pdf

摘要 在高炉生产过程中，炉内状态是布料操作决策的关键。高炉炉内 状态的检测、预测是高炉优化操作的基础。本文主要是针对高炉炉内 的温度场和料面分布建立模型，提供更好的炉内状态信息。 首先本文简单介绍了高炉生产的工艺流程，阐明了高炉炉内温度 场以及料面分布形成的机理。 其次在分析了国内外高炉温度场的检测和研究现状的基础上，针 对安装了十字测温和红外摄像机的高炉，提出了一个基于红外图像的 温度场模型。该模型融合了十字测温和炉内红外图像的信息，采用动 态温度定标的方法得到灰度与温度的对应关系，同时还结合图像处理 的方法，提取了温度场的伪彩图、等温线、径向温度等信息，为现场 工作提供了更直观、深入的高炉炉内温度信息。 然后在分析了国内外高炉内料面分布的检测与研究情况的基础 上，针对安装了红外摄像机的无料钟多环布料高炉，提出了一个基于 信息融合的料面分布模型。该模型结合布料模型、高炉结构数据以及 红外图像等信息，分析了各种信息所反映的料面分布特征，并利用专 家经验对这些特征进行融合，能在理想假设条件下对对高炉炉内料面 分布的内外堆角、堆尖位置和中心炭堆形状进行实时预测。 最后把本文的两个模型应用于： 业生产现场的监视系统中。该系 统利用位图、o p e n g l 等可视化技术把模型的结果直观地显示出来， 全面、实h 寸地展示了高炉炉内的温度场以及料面分布信息。工业应用 的结果证明本文的模型是有效的。 关键词高炉，温度场，料面分布，红外图像 a b s t r a c t t h es t a t u si n s i d eab l a s t f u m a c ei st h ek e yo ft h ed e c i s i o n m a k i n go f b u r d e n l a y i n go p e r a t i o nd u r i n gt h eb l a s t - f u r n a c e sp r o d u c i n gp r o c e s s t h em e a s u r eo rp r e d i c t i o no ft h es t a t u si n s i d eab l a s t f u m a c ei st h eb a s i s o fo p t i m i z i n gt h eb u r d e n - l a y i n go p e r a t i o n a i m e da tt h et e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o ni n s i d eab l a s t - f u r n a c e ，t w om o d e l sa r eb r o u g h t f o r w a r dr e s p e c t i v e l yt oa f r o r db e t t e ri n f o r m a t i o n f i r s t l y , t h ef l o wo fb l a s t f u m a c ep r o c e s si si n t r o d u c e db r i e f l y , a n d t h em e c h a n i s mo fh o wt h et e m p e r a t u r ef i e l da n db u r d e nd i s t r i b u t i o na r e f o r m e di sc l a r i f i e d s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea c t u a l i t yo fm e a s u r ea n d r e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ef i e l di n s i d eab l a s t f u r n a c e ai n f r a r e di m a g e b a s e dt e m p e r a t u r ef i e l dm o d e l ，w h i c hi n t e g r a t e st h ei n f o r m a t i o no ft h e c r o s s - t e m p e r a t u r ea n di n f r a r e dv i d i c o n i sb r o u g h tf o r w a r da i m i n ga tt h e b l a s t f u m a c et h a th a sb o t h c r o s s t e m p e r a t u r ee q u i p m e n ta n di n f r a r e d v i d i c o ni n s t a l l e d t h em o d e lu s e s ad y n a m i cm e t h o dt oe s t a b l i s ht h e r e l a t i o nb e t w e e nt h eg r a y m e a n w h i l e ，t h ec o l o rb i t m a p ，t h ei s o t h e r ma n d t h ed i a g o n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l da r ed i s t i l l e d b yc o m b i n i n gt h ei m a g ep r o c e s sm e t h o d st oa f f o r dm o r ei n t u i t i o n a la n d i n - d e p t ht e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o ni n s i d et h eb l a s t f u m a c e t h i r d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea c t u a l i t yo fm e a s u r ea n d r e s e a r c ho nt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o ni n s i d eab l a s t f u r n a c e ai n f o r m a t i o n f u s i o nb a s e db u r d e nd i s t r i b u t i o nm o d e l ，w h i c hf u s e st h ei n f o r m a t i o no f t h eb u r d e nl a y i n gm o d e l ，s t r u c t u r ed a t u mo ft h eb l a s t - f u m a c ea n dt h e i n f r a r e di m a g e ，e t c ，i sb r o u g h tf o r w a r da i m e da tt h eb e l l l e s sb l a s t f u r n a c e t h a tu s e sm u l t i c i r c l em a n n e rt ol a yb u r d a na n dh a saj n f r a r e dv i d i c o n i n s t a l l e d t h em o d e la n a l y s e st h er e f l e c t i o n so nt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o no f e a c hi n f o r m a t i o n ，a n df u s e st h er e f l e c t i o n sb ye x p e r t e x p e r i e n c e t h e m o d e lc a np r e d i c t st h eb l a s t - f u r n a c e sb u r d e nd i s t r i b u t i o n ss l o p eo fb o t h c e n t e ra n de d g e ，p o s i t i o no ft h ep e a ka n dt h es h a p eo fc e n t e r - c o k ei n r e a l t i m ew i t ht h ei d e a la s s u m p t i o n s f i n a l l y , b o t hm o d e l so ft h i sp a p e ri sa p p l i e dt oam o n i t o r i n gs y s t e m o fab l a s t f u r n a c e t h er e s u l t so ft h e m o d e l s o u t p u t ，w h i c hs h o w s r e a l t i m ea n da l l - a r o u n di n f o r m a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n db u r d e n d i s t r i b u t i o ni n s i d et h e b l a s t f u r n a c e ，i sd i s p l a y e di n t u i t i v e l yb y v i s u a l - t e c h n i q u e s ，s u c ha sb i t m a pa n do p e n g l ，i nt h em o n i t o r i n gs y s t e m t h er e s u l t so ft h ea p p l i c a t i o ns h o wt h a tb o t hm o d e l sa r ee f f e c t i v e k e yw o r d sb l a s tf u r n a c e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，b u r d e nd i s t r i b u t i o n ， i n f r a r e di m a g e 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。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，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，已在论文的致谢语中作了说明。 名：红红嗍：丛年舢丛目 关于学位论文使用授权说明 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，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、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 僦名：婷新签涔期：趟年上月丛 中南大学顺：卜学位论文 籀一章绪论 第一章绪论 钢铁工业是国民经济的支柱产业，钢铁的生产能力是一个国家国力的重要体 现。随着国民经济的迅速发展，我国对钢铁需求量呈上升趋势。由于钢铁在军事、 经济有无可替代的作用，国际市场上的钢铁也是供不应求。高炉炼铁是钢铁： 业 的重要环节，高炉生产的效率直接影响钢铁生产的产量。因此，提高高炉的生产 效率具有重要的意义。 本章首先介绍课题的研究背景及意义，然后分析国内外的研究现状，并引出 了课题的主要研究内容，最后简要的说明了本文的主要工作。 1 1 研究背景及意义 目前，我国有3 0 0 m 3 以上容积的高炉2 5 0 多座。2 0 0 3 年粗钢产量达到2 2 2 3 亿吨，生铁产量达到2 0 2 3 亿吨【2j ，为国民经济发展作出了巨大的贡献。但这些 高炉的信息化水平总体不高，只有一小部分高炉应用了专家系统，大多数高炉仍 然仅依靠仪表和工长的经验进行控制，效益不高。高炉大型化虽有发展，但总体 上高炉技术装备水平较国外企业的要低。要缩短我国与工业发达国家之间的差 距，提高我国炼铁技术的竞争力，必须加快炼铁系统的技术改造步伐，尤其要发 展炼铁的自动化和信息化技术，达到国际先进水平。国家对炼铁的自动化和信息 化非常重视，“十五”期间，我国将重点发展冶金生产过程自动化、工艺智能化 和管理信息化技术，提高冶金自动化装备的国产化水平，实现钢铁工业现代化。 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【3 1 。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。但在经过处理分析之前，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。例如，炉内十字测温和探尺数据都 是点数据，对炉内情况描述不全面；炉内的气体温度、压力是相互影响，都和炉 内工况息息相关；代表炉温的铁水硅含量 s i 、炉渣碱度( r ) 等参数也不是实时检 测到的，而是在出铁之后3 0 分钟刁+ 由化验室分析出来的。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生产操作经验加以综合 分析，对炉况作出判断，这无疑是很困难的。因此有必要对高炉炼铁过程进行研 究，建立数学模型，借助计算机技术，为高炉能优质、低耗、高产、长寿、稳定 地生产提供一强有力的手段。 中南大学硕士学位论文笫一章绪论 在高炉炉内信息中，高炉炉喉的温度场分布( 煤气流温度) 和炉内布料分布 是两个比较重要的信息。炉内的温度场分布和炉内炉料的分布能在很大程度上体 现高炉生产工况。高炉的这两个方面的实时信息，能为高炉工长的高炉布料决策 提供最有价值的信息。同时，温度场和料面分布并不是独立的，它们是互相关联 的。炉内的温度场实际上是炉喉上的煤气的温度分布，而炉内炉料的结构和分布 影响着炉内煤气的流向和分布。所以无论是对高炉内温度场、煤气流分布还是料 面分布地研究! 都是为了了解炉内炉料的分布、生产反应状态。 在高炉生产过程中，矿石、以及焦炭在炉内缓慢下降，煤气通过下降的料柱 逆流而上。在逆向流动中，高炉煤气与炉料进行热传递、化学反应，上升到高炉 炉喉，形成高炉的炉喉温度场。高炉生产操作主要是使高炉运行在顺行状态，以 达到高产。要达到这个目的，必须保证炉料下降的稳定性，保持炉料良好的透气 性，保证炉料分布结构的合理性，使煤气与炉料有很好的接触，充分利用煤气的 热能和化学能。炉喉温度场其实就是煤气流的温度场，能直观的反映炉内各区域 煤气的化学反应情况以及热状态；炉内炉料的分布则直接反映炉内炉料的分布结 构。了解了炉内温度信息，可以通过布料操作控制煤气的发展方向，例如可以抑 制边沿煤气的过分发展，减少炉墙热负荷，提高煤气利用率，并减少边沿气流对 于炉墙的侵蚀，达到高炉长寿的目的；如果发现中心透气性不好，可以通过增加 中心焦炭的布放量，以提高炉内料柱的透气性，使炉料和煤气接触更充分，其间 传热、传质过程能高效进行，充分利用煤气的热能与化学能。同样，炉内炉料的 分布有着同样重要的作用。如果这两个信息没有或者不全面，高炉的生产操作无 疑于黑箱操作，更谈不上高炉生产的优质、低耗了。 综上，了解高炉炉喉温度场以及料面分布信息，对高炉生产操作是有十分重 要的意义的。在这两个信息不能直接获得的前提下，利用高炉内其它间接的信息 进行建模是很有必要的。 1 2 国内外研究现状 由于直接检测炉内工况比较困难，所以一般都是通过检测炉内一些相关的相 对容易测量的参数，然后对炉内状态进行数学建模1 3 j ，了解炉内的工况。国内外 钢铁企业和研究单位在检测炉内情况都做了很多的研究和工作，以在最大的程度 上了解高炉炉内的状态。 从2 0 世纪5 0 年代起，国外就开始研究计算机在高炉炼铁中的应用，7j 。主 要是各种的高炉数学模型和“专家系统”的研究与开发，对高炉内的情况进行仿 真模拟，然后判断炉内的工况，具有代表性的有： 中南大学硕：l 学位论文第一章绪论 日本京滨1 号高炉( 4 9 0 7 m 3 ) 上应用的模型集成系统，它主要是基于无钟炉顶 炉料布料模型的模型集成。该系统是一个高炉操作的专家系统，其中的专家知识 库包括炉内的煤气流分布、炉内的温度场分布、布料模型制度、风量、风压以及 透气性等重要影响因数。温度以及煤气检测是通过十字测温装置获得。料面信息 则通过布料模型计算炉料剖面的料层关系。 芬兰劳塔鲁基公司拉赫钢铁厂“高炉自动控制专家系统” 4 , 5 1 。该专家系统 的功能包括装料监控：炉喉煤气温度分布、煤气分布和煤气利用率c o c 0 2 分析； 炉料状态识别( 塌料、崩料、滑料、悬料等) 等。该系统是使用十字测温检测炉 喉温度以及煤气信息，热点偶数据用于建立炉喉的温度分布信息；煤气采样装踅 获得煤气数据用于建立煤气分布模型。料面分布则通过料面检测仪直接进行检 测。 和国外的先进水平相比，国内高炉的发展相对落后，主要是投入应用研究的 资金和技术力量比较薄弱。但9 0 年代以来，国内高炉推进基础自动化改造取得 了显著的成效。炉内温度场模型与应用情况如下： 宝钢l 号高炉的计算机控制系统中建立了基于神经网络的炉顶温度分布模 型【8 。该模型利用十字测温的温度数据，判断炉内煤气流的分布信息。神经网络 应用与温度场模式识别也比较的广泛【9 i 。 武钢3 号，4 号，2 号和1 号高炉分别安装了十字测温装置，建立炉喉径向 温度与煤气分布的模型【l o i 。该模型利用温度与煤气的对比关系分析炉内信息： 高温度时c 0 2 含量低，低温度时c 0 2 含量高。这说明在炉喉半径上，炉料透气 性差的地方煤气流弱，c 0 2 高而煤气温度低，反之透气性好的地方煤气流强，煤 气温度就高，c 0 2 利用差。该模型比较简单，被国内多数高炉采用】。 新钢6 号高炉使用了炉顶红外摄像仪作为炉内温度检测的装置，但是高炉并 没有建立相应的温度场模型【i ”，只是利用原始的红外图像数据作为温度场以及 炉喉煤气分布的参考，并没有对数据作深入的分析研究及应用。莱钢也采用了类 似的方法。 武钢5 号高炉建立了一个料面温度红外检测系统，该系统由于检测设备先进 红外线热像仪，可以直接检测整个料面的温度分布【1 4 , 15 。由于该系统的红外 设备有应用环境的误差，温度数据需根据现场条件进行调整。由于这种设备比较 昂贵，目前在国内较少使用。 国内炉内料面分布模型与应用情况如下： 傅世敏和王立冬利用高炉径向上的机械位移传感器装置，直接检测高炉径向 的料面高度，并利用检测到的数据进行数学回归，建立料面的分布模型i ”】。该 模型在计算时把料面分布数据简化为多边形，能反映料面的分布趋势，指导布料 中南大学硕：l 学位论文 第一章绪论 操作。 湘钢2 # 高炉利用开炉的实测数据建立料面的数学模型【1 ”，该模型利用布料 溜槽倾角、节流阀开度角、料线高度以及布料实际数据计算炉料的剖面线形状， 利用堆尖位置，料面内外对角等参数来描述料面的分布。根据条件能给出一定精 度范围的料面信息。这个模型使用的是实测数据，并对炉料运动作理想状态下的 假设，具有一定的普遍性，所以可以推广应用于到同类高炉。 丁义元和黄顺青设计了一套高炉雷达料面检测系统【l ”。该系统利用三维实 时成像雷达直接检测高炉炉内料面的形状，而不是使用数学模型进行预测，所以 数据更直接可靠。该系统可以对料面纵切面、等高线等数据进行在线监视。 上钢、新钢【1 2 、济钢 2 0 l 和攀钢【2 1 l 等利用炉项的图像监视仪器( 红外摄像 仪、插入市摄像仪、料面监视仪等) 对料面分布进行监视。他们都没有建立相应 的数学模型或者使用直接检测设备，只是直接利用监视仪器的原始数据指导布料 操作。 综上，在温度场或者料面分布应用或研究中，一般都是使用单一的传感器或 者检测系统的数据，很少考虑多个信息的结合。 1 3主要研究内容及论文构成 本文以某大型钢铁联合企业的大容量高炉为背景，研究该高炉内的温度场以 及炉料分布，并设计温度场与料面分布模型，最后把模型应用到工业现场中，主 要内容包括： ( 1 ) 通过分析高炉炉内的温度信息，结合炉内实时的红外图像，建立一个基 于红外图像的炉内温度场模型； f 2 ) 日i 过分析高炉布料的操作及实际的高炉生产情况，根据高炉的布料模型 及布料操作实况，并结合炉内的实时红外图像，建立一个融合了相关信息 的炉内炉料分布模型； f 3 ) n 用该高炉现有的软硬件设施，实现上述模型的实际应用。 本文的构成如下： 第二章从高炉炼铁生产的角度分析高炉炼铁操作对炉内工况的要求，分析高 炉的温度场和料面分布的作用。分析炉内各种信息的关系，并提出炉内温度场与 料面分布模型的总体方案。 第三章分析高炉炉内温度场分布模型的研究方法，并根据高炉十字测温和炉 内实时红外图像，建立基于红外图像的温度场分布模型。 第四章分析高炉炉料分布模型的研究方法，并根据高炉的布料模型、布料操 4 中南大学顾士学位论文第一章绪沦 作实况、料面探尺和炉内实时红外图像，建立相应的基于信息融合的料面分布模 型。 第五章简要介绍本文的模型在工k 过程控制系统中的实现与应用，并简要分 析了模型应用的效果。 第六章对本文所做的工作加以总结，并对课题的完善和进一步深入研究提出 了建议。 中南大学顿：卜学位论文第二章高炉生产工艺过程分析与建模方案设计 第二章高炉生产工艺过程分析与建模方案设计 本章简要的分析高炉的工艺过程，指出了高炉炉况对高炉布料操作的重要 性，同时阐明高炉内的检测信息的繁多、关系复杂。通过分析高炉内各种相关信 息的关系，并针对安装了炉项红外摄像机的高炉，提出了高炉温度场与料面分布 模型的设计方案。 2 1高炉生产过程分析 高炉炼铁工艺生产流程是由诸多子工序组成的复杂生产系统。从自动化控制 角度考察高炉冶炼过程，高炉流程是以值班工长为指挥中心的多工序、多岗位、 分工配合、协调进行的生产过程。在这样错综复杂的生产环节链中，某一个子工 序的某一个环节出现波动或者故障，都会影响到高炉的冶炼进程。所以只有在高 炉工长清楚高炉炉内的工况，才。能作出正确的决策，使高炉炉况保持在顺行状态。 2 1 1 高炉生产工艺 图2 1 高炉生产示意简图 自然界的铁大多是以铁的氧化物状态存在于矿石中，高炉炼铁就是用还原的 方法从铁矿石中提取铁，其生产工艺流程口】为：高炉属于圆筒形竖炉，高炉炉型 ( 即高炉内部工作空间的形状) 一般分为5 段：炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸。 炉缸部分设有铁口、渣口和风e l 。在高温下，焦炭( 包括喷入的煤粉或重油) 燃烧 中南大学顾士学位论文第二章高炉生产工艺过程分析与建模方案垃汁 生成的一氧化碳、水蒸气分离出来的氢气以及固体碳等还原剂将铁矿石中的氧夺 取出来，从而得到铁，这个过程即还原反应。在高炉中通过还原反应将铁矿石炼 成铁，铁水由铁口放出；铁矿石中的杂质与加入高炉内的熔剂互相作用形成炉渣， 从渣口排出：炉内的煤气从炉顶导出，经除尘后，供热风炉、烧结机等作燃料。 生产时，从炉顶装入铁矿石、燃料( 焦炭) 、熔剂( 石灰石或生石灰) ，由柿料 器对这些原料进行均匀布料，并从高炉下部的风口鼓进热风，热风托起炉料，形 成炉内的料面分布。炉料在炉中和煤气接触，发生化学还原反应，这个过程中， 炉料由固相变为液相，并逐渐向下流动，使炉料下降。煤气则逆流而上，形成炉 顶的温度场。由于在和炉料接触过程中，发生热传递，带走炉料的热量，所以上 升煤气形成的温度场，其实是炉料温度场的一个反映。 2 1 2 高炉炉况的重要性 由于高炉生产流程是以值班工长为指挥中心的多工序、多岗位、分工配合、 协调进行的生产过程。而值班工长是通过对各个子工序生产过程信息的观察、分 析，了解炉况以及炉温的发展之后，刁对各个子工序作出控制调整的。所以高炉 炉内的情况是高炉工长工作的根本。 高炉炉况中最为重要的是炉内的煤气流温度分布( 炉喉温度分布) 以及料面 的分布。其实它们是息息相关的，炉料的分布影向炉内气流的流向，气流的流动 影响着炉喉温度场的变动，反映炉内矿料的化学反应情况。 然而由于高炉内的恶劣环境，受检测仪器的限制，这两个信息也是高炉检测 中最为难以直接得到的信息中的两个。 目前不同高炉的检测水平参差不齐。有的高炉检测仪器先进，能检测到足够 的数据；有的则受各种条件限制，只能直接检测部分数据，高炉操作主要依赖工 长的经验。在检测条件相对差些的高炉中，由于多数检测仪器都是独立检测的， 数据分散，而且描述不直观，给高炉现场的操作决策带来了很大的难度。这时， 充分利用现有的检测数据对高炉内进行数学建模，以最大程度上了解高炉内的信 息的工作就显得非常的迫切了。 2 1 3 高炉内的信息关系分析 高炉冶炼过程是一个寸分复杂的过程，冶炼过程同时存在多种化学反应及物 理变化，影响因素错综复杂，因而高炉的控制系统是一个多变量的控制系统。相 同的高炉状态可以通过多种不同调节手段实现，高炉状态检测的信息来源具有多 中南大学硕士学位论文第二章高炉生产工艺过程分析与建模方案设计 样性。通常高炉内都安装了数以百计的传感器和各种测量装置，用以检测高炉各 处的温度、气体流量、压力、位置信息等等。它们共同的作用就是为高炉工作人 员提供炉内炉况的信息，使高炉的操作能达到最优。 因为高炉炉内的信息众多，而且很多信息反应的是某个对象的同一个属性， 如果能把它们都联系起来，肯定可以得到特定对象更为准确的信息，然而很多时 候这些信息的表现层次和形式却不尽相同。 例如，高炉内有很多检测温度相关信息的仪器，如炉喉十字测温、各种导管 的温度、炉内特定检测点的温度、炉顶红外摄像机图像、煤气温度和铁水的化学 成分等，他们都反映着炉内的温度场。但是它们表现的格式、层次却不一样：热 电偶检测得到的是直接的温度数据，但是不同地方检测出来的数据表现的层次不 一样；红外摄像机得到的是和温度相关的视频流数据，和直接温度数据格式不一 样。 又如，炉内炉料的数据。布料机构的尺寸数据，每次布料的重量、角度数据， 炉体本身的结构数据，探尺的数据以及红外摄像机的视频数据。它们都反映着高 炉内炉料的信息。布料机构的尺寸和布料时的角度反映了炉料下落的位置，布料 的重量则对应炉料堆积的厚度，探尺数据直接现实炉料的高度，视频画面反映了 炉内生产化学反应的情况。显然这些数据的格式和层次也都不一样的。 显然简单地叠加它们是不行的，必须分析研究它们相关联的地方在那里，如 通过相应的转换，使它们处于相同的层次，就可以有机的结合它们的信息。 2 2 温度场及料面分布建模型方案 在本文第一章的分析中，可以看出，在被分析的高炉温度场以及料面分布模 型建立中，除了料面模型计算部分外，其他基本上都是采用单一传感器( 测量仪 器) 的数据信息。对于本身已经有足够的直接检测设备的高炉来说，再对高炉的 温度场和料面分布做复杂的建模，显然是多余的。所以本文的研究对象是没有配 备足够好检测设备条件的高炉，所以需要充分利用现有的检测信息对温度场和料 面分布进行建模。 2 2 1 温度场模型 高炉炉内的温度场，主要是用于判断炉内煤气的分布信息，用于判断炉料的 反应状态。 高炉内的温度检测中，有面检测的，也有点检测的。对于使用红外热像仪以 中南大学顾：i ：学位论文笫二章- 苛炉生产工艺过程分析与建模方案啦计 及红外测温仪等集成系统作为检测装置的高炉，其本来的温度检测系统就已经能 得到比较全面和准确的温度描述，就没有必要对温度场再进行另外建模。但大多 高炉都没有这么好的检测条件，它们一般拥有传统的十字测温设备，或者其它点 或者径向温度检测设备，这种设备能得到比较准确的实时温度数据，但是检测范 围为有限的几个点，不够全面，不能对整个温度场进行描述。也就不能对整个料 面上的煤气流进行分析，只能在一定范围内给出煤气发展的趋势。同时有些高炉 还增加了一些针对整个料面温度场进行监视的设备，例如炉内红外摄像机，但是 这类设备又有异于红外成像仪或者测温仪，因为这个装置只提供原始的红外视频 ( 图像) 信息，并没有提供直接的温度数据，所以这种装置不能提供准确的数据， 也不能提供炉内信息分析的细节，只能给出一个煤气发展的大致趋势画面。显然， 在这种条件下，可以通过结合这两种信息来得到更好的温度场结果。 由于直接的温度数据和视频流数据是完全不同的数据格式，所以不能直接使 用的。必须使用一定的方法对视频流进行一定处理。视频数据中的明暗信息其实 就是温度信息，只要找到它们和温度之间的关系就可以了。本文温度场模型的总 体设计如图2 2 所示。 计 温 网土 温 算 度 例温l 度 分 场 定 析 显 厂 ： 标 温 一 l 缈l _ 度 不 l 视频i 场 图2 2 基于红外图像的温度场模型结构简图 主要是利用十字测温数据的准确性以及红外图像的全面性。由于红外图像是 温度信息的一个问接反映，在红外图像测温中，得到物体的亮度( 灰度) 信息以 后，只要通过温度定标就可以得到检测目标的温度值。所以模型拟利用十字测温 或者其他直接的温度数据作为红外图像温度定标的基础，结合它们各自的优点。 2 2 2 料面分布模型 高炉料面分布模型主要用于分析了解高炉炉料的分布，以调整高炉布料操作 中南大学硕1 ：学位论文第二章商炉生产一 岂过程分析与建模方案设计 的策略。同样，本文的料面分布模型也是针对没有直接检测系统的高炉提出来的。 本文的料面分布模型主要是融合布料机构的尺寸数据，每次布料的重量、角 度数据，炉体本身的结构数据，炉料探尺的数据以及红外摄像机的视频等数据。 这些数据分别反映着高炉内炉料的形状、高度等信息。模型中使用的数据比较多， 虽然格式和层次都不同，但它们经过一定数据转化计算后，都表现为炉内炉料的 某一个方面。如：布料机构的尺寸和布料时的角度反映了炉料下落的位置，布料 的重量则对应炉料堆积的厚度，探尺数据商接现实炉料的高度，视频画面反映了 炉内生产化学反应的情况以及炉料的分布形状等。所以模型融合的过程是，先把 相关数据进行特征提取，部分数据进行融合得到部分料面的分布数据，再把各部 分的料面数据综合融合成一个完整的料面分布数据。如果假设炉料在布料下落过 程中遵守经典运动力学规律，实际上的开炉静态实验l l6 ”】也证实了这个假设是可 行的，则根据运动力学原理，可以利用高炉结构数据以及布料机构数据计算炉料 的落点位置、堆角等信息，可以作为料面分布的基本信息；红外图像则可以用于 调整炉料的分布形状；利用炉料探尺可以得到炉料的平均高度数据。红外图像是 炉内温度场的一个反映，其实也是形状信息的一个间接反映。因为在炉喉断面上， 温度的信息就是煤气分布信息，而根据高炉操作的经验煤气分布是由炉内炉料的 分布形状决定的。过程结构简图如图2 3 所示。 2 3 小结 图2 - 3 料面分布模型结构简图 本章首先简单介绍了高炉的生产工艺，分析了料面分布和温度场的形成机理 中南大学硕：上学位论文 第二章高炉生产工艺过程分析与建模方案设计 理，再分析了高炉炉况信息对高炉生产的重要性高炉值班工长进行操作决策 的根本信息，指出了建立高炉炉内模型的迫切性，最后简要分析了高炉内复杂繁 多的信息的关系，提出了两个模型的总体设计方案。 中南大学硕士学位论文第三章基于红外留像的温度场分布模型 第三章基于红外图像的温度场分布模型 高炉炉顶温度场是高炉布料操作决策的一个重要参考。由于高炉内化学反应 伴随着热量的产生，所以高炉炉顶的温度场可以间接反应高炉内的生产情况，温 度高的区域对应炉料透气性好、气流分布均匀、化学反应较剧烈的区域，温度低 的区域则对应化学反应较弱的区域。所以，高炉料面的温度场分布是了解高炉内 热状态最直接的方法。 3 1高炉温度场检测方法研究 温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类【2 2 j ：类是接触 式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被 测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这时的示值即为 被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但 对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产 生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交 换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化 迅速的对象，也可测温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。 3 1 1 高炉温度检测现状 高炉本身是一个密闭的反应器，其中除风口可观察炉内部分情况外，其它只 有借助于各种仪表的数据综合分析，才能判断炉况，从而采取各种有效的措施。 因为炉内温度是炉况的一个重要指标，所以每个高炉都配备有相应的炉内温度检 测装置。 从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，后来随 着温度遥测技术的发展，非接触式温度检测装置也投入了高炉的生产检测中。 ( 1 ) 接触式温度检测装置 高炉炉内使用的接触式温度检测装置一般是使用热电偶。热电偶传感器是工 业测量中应用最广泛的一种温度传感器1 2 ”，它与被测对象直接接触，不受中间 介质的影响，具有较高的精确度；测量范围广，可从一5 0 1 6 0 0 度进行连续测 量，特殊的热电偶如金铁一镍铬，最低可测到- 2 6 9 度，钨一镍最高可达2 8 0 0 度。一般高炉炉喉断面的温度在5 0 1 0 0 0 之间，所以热电偶传感器完全能满足 2 中南大学顾：| 二学位论文第三章批于红外图像的温度场分布模型 高炉的检测需求。 ( 2 ) 非接触式温度检测装置 非接触式的温度检测仪器一般以物体的辐射线作为媒介，所以也称辐射式温 度检测在装置。它们检测温度的理论基础式辐射定律 2 4 , 2 5 l 。近2 0 年来，非接触 红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增 多，适用范围也不断扩大。红外测温仪器主要有3 种类型：红外热像仪、红外热 电视1 2 6 】、红外测温仪( 点温仪) 。红外测温装置具有检测面温度的能力，这对检 测高炉炉内断面温度场是非常有用的，而且是遥测仪表，不用直接接触炉内恶劣 的环境，使用寿命长。由于比起接触式测温方法，红外测温有着响应时间快、非 接触、使用安全及使用寿命长等优点，而且在检测范围内优于接触式的仪器，所 以近年来，红外测温装置在高炉上应用得比较广泛。 在炉内温度的检测技术方面，总结如下表3 1 。 表3 - 1高炉主要温度检测技术 序号仪器名称作用检测范围检测方式 1 炉喉十字测温料面下煤气温度雨1 成分点接触式 2炉身探尺煤气温度和成分 占 接触式 3 炉顶红外图示仪温度分布面非接触式 4 红外线摄像机温度分布面非接触式 由表3 1 可以知道，从检测的范围来划分，则高炉炉内的测温技术可分为两 类：点温度检测和面温度检测。从检测的覆盖范围考虑，检测的点覆盖的范围越 广，对高炉炉内分析的帮助就越大。表3 1 中的炉顶红外图示仪和红外线摄像机 都是对高炉炉顶整个剖面的检测，所以该装置得到的信息量最大；炉身探尺，一 般大高炉会在炉内安装2 到3 根垂直的探尺，而且比较靠近炉墙，如涟钢2 2 0 0 m 3 大高炉只安装了3 根探尺，所以这种装置检测到的温度信息最为有限：炉喉十字 测温，该装置的测温点安装在四根耐高温的测温梁上，每根相隔9 0 度1 1 j ，根 据检测的需要，可以在测温梁上安装若干测温热点偶，所以这种装置可以检测到 高炉炉喉断面上指定两个径向上的温度。各装置的检测范围示意图见图3 1 ，3 2 ， 3 3 t 1 3 - 1 5 , 2 7 , 2 8 。 因为十字测温装置一般都安装有煤气取样装置，所以还具有检测炉喉断面煤 气分布的功能。而且十字测温装置是接触式的，反应的数据及时、真实可靠，所 以受到高炉工作者的重视。在国外，十字测温方法是使用比较早和广泛的。我国 在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。国内最早的关于 中南大学顾上学位论文 第三章基于红外图像的温度场分布模型 高炉十字测温科技文献是1 9 9 1 年的文献【”1 ，是关于唐山钢铁公司1 2 6 0 m 3 高炉 的。国内其他钢铁公司也相继采用了十字测温技术，如武钢、首钢、宝钢、涟钢 等。 图3 2高炉炉喉十字测温装置示意图 图3 - 3 高炉红外摄像机安装示意图 中南大学顾：卜学位论文第三章基于红外图像的温度场分布模型 但是，随着非接触式测温技术的发展，一些大中型高炉采用了炉顶热图像仪、 炉顶红外摄像仪等设备来检测温度场的分布。相对于热电偶等传统测温技术而 言，红外图像测温具有非接触、快捷、维护方便、使用寿命长的优点，逐渐被广 泛应用于各种工业生产过程检测中。国内最早的关于高炉使用红外成像仪检测高 炉炉内温度的科技文献是1 9 9 3 年的文献，陔文献介绍了i r b i s d p s 高炉科 面温度检测装置的构成、工作原理及功能。随后红外成像仪或者红外摄像机在国 内很多钢铁公司高炉中的应用在科技文献中均有记载，如武钢、宝钢、攀钢、涟 钢、莱钢等。 3 1 2 高炉温度场建模方法的分析 在目前的高炉应用中，各高炉系统中对炉喉断面温度场的建模方面，都是根 据不同的检测装置直接建立温度模型。由于高炉探尺检测的温度数据太少，一般 很少直接使用该装置的温度数据建立炉内的温度场，所以在高炉炉喉温度场温度 分析建模中，主要是基于十字测温和红外测温装置的数据。 ( 1 ) 十字测温模型 在使用十字测温检测装鼍的高炉系统中，一般直接根据十字测温检测到的温 度数据作为炉喉断面上的温度1 1 , 2 7 1 。 因为十字测温采用的是接触式的热电偶作为测温传感器，而且被检测的对象 是炉喉断面处的气流的温度，由于气体的热容小，并不存在影响工艺决策的温度 滞后，所以十字测温装置检测到的温度就直接是炉喉断面上的温度，并不需要做 其他的处理。而且十字测温装置一般也是一个连续测温的仪表，所以能满足高炉 实时工作的需求。 十字测温装置的优点是数据直接有效，而且一般都带有煤气取样装置，可以 结合煤气数据做分析。不足的地方是，十字测温只是点测温的装置，只能检测有 限的点数两个垂直径向上的温度。虽然说十字测温梁上的数据具有代表性， 但高炉内炉况复杂，十字测温检测的数据还是显得不够全面。 ( 2 ) 红外测温模型 红外测温仪器中也有点检测和检测的，但点检测的仪器一般不用于检测高炉 内温度，因为它比起十字测温装置上的热电偶既不经济也不便于维护。所以高炉 炉喉断面红外温度检测设备多是红外摄像机，或者红外成像仪。 这两种装置都是根据物体的热辐射现象来测量物体温度的。红外辐射的基本 依据是斯特藩一一玻耳兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。黑体是一种理想物体， 它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑体的具体成分和形状等特性 中南大学硕士学位论文第三章基于红外图像的温度场分布模型 无关。两者的区别是，热成像仪是一个集成的系统，可以直接根据设置好的参数 计算出红外温度场上每一点上的温度；而红外图像摄像机得到的只是经过转换的 图像信息( 一般是灰度图像) ，并不是直接的温度信息，还要根据相关的参数建 立灰度一一温度的模型进行计算。理论上通过辐射定律可以计算检测的温度值， 斯特潘和玻耳兹曼通过实验和计算得出辐射定律 2 4 , 2 5 】： m o ( 7 t ) = o - t 4 ( 3 - 1 ) 式中m 。( 丁) ：温度为r 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为 总辐射度； 仃：斯特潘一一玻耳兹曼常量； r ：物体温度。 上式是黑体的热辐射定律。实际物体( 非黑体) 的辐射定律一般比较复杂，需 借助于黑体的辐射定律来研究。设被测物体的温度为7 时，总辐射出度为等于黑 体在温度为巧时的总辐出度m o ，即m = m o ，仃t ，4 = 6 t y t 4 化简得 厅 t = l 4 , - ( 3 - 2 ) vs 其中s 为发射率，不同物体的发射率不同，具体材料的s 值可通过查表或实验得 到，r 为被测物体的辐射温度，所以已知被测物体的和咒，就可算出物体的真 实温度。 由于辐射定律需要被测物的和l 两个参数，由于高炉炉内的炉料不是由某 一种固定的物体组成( 里面是矿石，焦炭的混合物，而且由于化学反应的缘故， 应该还是固、液、气三相共存的状态) ，所以这两个参数难以获得准确的数据。 所以一般在实际应用中都不直接使用辐射定率计算的结果。如武钢5 # 高炉使用 的i r b l s - - d p s 计算机信息处理系统就没有直接使用检测值。该计算机信息处理 系统包含一个红外料面温度检测装置a g a 热象仪，该装置负责扫面炉内料 面的温度场信息。该系统采用的温度计算公式如( 3 - 3 ) 示： t = 检测值+ k 、 ( 3 3 ) 庀2 。 式中k 、k ，和k ，为转换系数，这是一个经验公式。在i r b i s - - d p s 系统检测不同 温度范围时，k 和k ，分别取不同的数值；而k ，无论在高温量程或低温量程都根 据热象仪安装的条件选择恰当的参考温度值。 应用于高炉炉顶的红外测温装置，最大的优点是可以获得整个炉内断面的温 度信息，同时测温设备都是非接触式的，使设备的安装和维护都相对简单安全。 但是由于使非接触式的，检测的信息相对十字测温的真实性要差些，同时由于辐 中南火学硕： ：学位论文第三章基于红外图像的温度场分布模型 射定律一些参数在获取上的困难，也使检测的结果在一定程度上依赖经验。 3 2 基于红外图像的温度场模型 目前的高炉炉喉断面温度场的温度建模都是根据检测装置直接建立的，每种 装置都有各自的优点和缺点。很多新建大高炉在建炉的时候安装了十字测温装 置，后来随着炉子自动化进程的发展，还增加了炉喉红外图像摄像机，如果在建 立温度模型的时候能融合二者的信息，使它们互补长短，可得到更真实可靠的结 果。 3 2 1 具有十字测温和红9 l i n 温装置的高炉温度检测情况