本發(fā)明涉及一種鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備，具體地說涉及一種高爐，特別是涉及一種高爐料層測量方法及裝置。

背景技術(shù)：

高爐煉鐵時，爐料由爐頂?shù)摹盁o料鐘”裝入爐內(nèi)，借助于高爐下部的鼓入的熱風(fēng)，通過燃燒焦炭產(chǎn)生熱量和一氧化碳，一方面加熱爐料，另一方面還原爐料，從而實現(xiàn)生鐵的正常生產(chǎn)。同時高爐的冶煉過程也是通過布料和鼓風(fēng)參數(shù)來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。高爐操作中通過調(diào)整布料量、布料順序、控制爐料落點等措施，可以調(diào)控高爐內(nèi)部煤氣流的分布，從而控制CO、CO₂、H₂等在爐內(nèi)的分布狀態(tài)，一方面控制熱量在爐內(nèi)的分布，兩一方面控制爐內(nèi)不同部位化學(xué)反應(yīng)速度，進(jìn)而實現(xiàn)高爐生產(chǎn)的優(yōu)化、故障處理等功能。

布料時一般從爐頂裝入兩種爐料，焦炭和礦石，焦炭作為燃料單獨裝入，礦石一般包括燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、塊礦，在料罐中經(jīng)混合后一起裝入高爐中。目前幾乎所有大型高爐都是采用無鐘布料設(shè)備將爐料布入爐內(nèi)，實現(xiàn)爐料的裝入，這種設(shè)備是通過溜槽在不同角位旋轉(zhuǎn)不同圈數(shù)來實現(xiàn)逐漸將爐料布入爐內(nèi)。

爐料裝入爐內(nèi)后，礦石和焦炭均會形成一定的層狀料層，并沿高爐半徑方向形成一定厚度，一般會形成邊緣帶平臺的料面形狀。爐內(nèi)燃燒焦炭產(chǎn)生熱量和一氧化碳在爐膛內(nèi)形成氣流，因布料種類和布料量的差異，焦炭和礦石在爐頂沿半徑方向形成厚度不同的分布，而氣流流動均受到料層粒度和厚度的影響。礦石粒度小、比重大，形成的料層厚度大的地方對煤氣流的阻力也大，也就是說礦石層和焦炭層的不同厚度實際上代表了其對煤氣流的不同阻力。生產(chǎn)中一般用礦石和焦炭層的厚度比，即O/C比來作為高爐爐頂氣流調(diào)劑的一種評判標(biāo)準(zhǔn)。

在高爐操作中，O/C比的分布直接決定了高爐氣流分布，這個參數(shù)對高爐操作至關(guān)重要。但在實際高爐操作中O/C比很難精確計算出來，主要是由于布完焦炭后形成的料面形狀，在后續(xù)布礦過程中，因礦石沖擊力大，落在由散料構(gòu)成的焦炭層上時，焦炭層會發(fā)生塌落，這種塌落會破壞布后續(xù)礦前形成的焦炭料面形狀，從而不能獲得真實的O/C比分布，其核心問題就是不清楚地獲知爐料的塌落量、塌落位置、焦炭及礦石混合的狀況。文獻(xiàn)“Kim L Hochings， John M Burgess，Application of ‘Rabit’ Burden Distribution Modelto BHP Blast Furnaces，IRONMAKING CONFERENCE PROCEEDINGS，USA，1988，P289～296。”中提供了一種利用散料層邊坡穩(wěn)定理論來計算料層塌落的算法，這種方法多年來只見于日本高爐，在其他國家很難推廣，究其原因有下列三點：一方面在計算過程中需要確定爐料安息角、確定公式參數(shù)，這些參數(shù)都是基于測量值確定的，不進(jìn)行實際測量，很難準(zhǔn)確確定；另一個方面用該理論可以計算自由料面的爐料塌落量，但高爐內(nèi)部是一個封閉性、約束性空間，爐料受沖擊時是一種約束性塌落，邊坡穩(wěn)定性理論用在此處并不適合；再一個方面是這種方法畢竟只是一種理論計算，實際狀況如何還是需要進(jìn)行實際校驗。

正是由于O/C比分布在高爐操作中對氣流分布有極其重要的作用，因此需要掌握焦炭層在礦石沖擊下的布料規(guī)律。

鑒于高爐是一個巨大的密閉反應(yīng)器，一旦高爐運行后，除非高爐中修，或者高爐大修，否則高爐生產(chǎn)不會停止，高爐爐頂一直處于一種高溫、高粉塵、高壓的密閉狀態(tài)，根本無法實現(xiàn)料面變形的直接測量。目前世界上所有研究爐料變形的實驗都是在高爐開爐前的裝料過程中完成的。文獻(xiàn)“張毅等，武鋼新3號高爐開爐裝料實測，武鋼煉鐵40年，華中理工大學(xué)出版社，371頁～379頁。”中公開了一種人工玻璃板測量法。該方法通過在爐頂?shù)V石層中沿半徑方向打入鋼釬形成了支撐桿，在支撐桿旁垂直安置帶刻度的有機(jī)玻璃板，將玻璃板固定在兩排鋼釬之間，然后在礦石層上布入焦炭，焦炭布完后，相關(guān)人員進(jìn)入爐內(nèi)，測定焦炭層料面形狀，記錄焦炭層厚度，然后再布入礦石，布料完成后相關(guān)人員再一次進(jìn)入爐內(nèi)，測量礦石層形狀并記錄礦石層厚度，同時扒開礦石層觀察焦炭層的變化，判斷礦石對焦炭的沖擊變形。巨大的有機(jī)玻璃板會阻擋爐料的滾動、滑落，形成嚴(yán)重的“器壁效應(yīng)”，破壞實際的料面分布；同時該方法費時費力，測量一次需花費3～5天的時間，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度；并且，隨著高爐的大型化，目前高爐內(nèi)容積一般會超過4000m³，如此巨大的高爐一次爐料的裝入量會超過200噸，爐料堆積厚度超過1米，如此大量的爐料具有巨大的沖擊動能，對于3～5米高的有機(jī)玻璃板而言，很難抵御這種長時間、劇烈打擊，若采用有機(jī)玻璃板來實現(xiàn)3～5批料的料面變形測量顯然不切實際。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可在高爐連續(xù)投料狀態(tài)下獲知料層分布及料層變化的高爐料層測量方法及裝置。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)其發(fā)明目的的，一種高爐料層測量方法，它包括以下步驟：

⑴安裝固定架：在高爐點火運行前（無CO非高溫環(huán)境），檢測人員由檢修用大人孔進(jìn)入爐內(nèi)，在爐內(nèi)原有爐料的原始料面上方（貼近原始料面）用鋼管焊接設(shè)置固定架，固定架所處的平面垂直于高爐的中心線，固定架的四周焊接于爐膛內(nèi)壁；固定架用鋼管焊接而成，可防止?fàn)t料的沖擊；

⑵安裝測量筒：沿高爐爐膛的半徑方向，在固定架上依次排列安裝設(shè)置測量筒，測量筒的中心線與高爐的中心線平行；

⑶鋪設(shè)線路：從各測量筒底部開始，沿原始料面鋪設(shè)保護(hù)套管至爐墻內(nèi)壁邊緣，由各測量筒底部引出的線路整理成束，套入保護(hù)套管中，再通過爐墻引出爐外連接遠(yuǎn)程控制端，避免線路被落下的爐料砸壞；

⑷定位：各測量筒安裝完成且線路接通后，進(jìn)行爐內(nèi)基準(zhǔn)測量，確定測量筒參照系的0刻度對應(yīng)的標(biāo)高，即投料前原始料面的高度對應(yīng)參照系的0刻度；

⑸投料：由料鐘向高爐內(nèi)投放爐料，此時測量筒被部分埋入料層中；

⑹測量：各測量筒對其安裝點投料中、投料后的料面厚度及料面變化進(jìn)行垂直方向上的測量，將各測量點獲取的影像數(shù)據(jù)傳輸至爐外遠(yuǎn)程控制端的影像顯示設(shè)備，供測量人員進(jìn)行記錄分析。

本發(fā)明為了便于掌握準(zhǔn)確的爐料料層詳情，所述的固定架為網(wǎng)格形狀，所述的測量筒分別安裝于沿爐膛半徑方向的網(wǎng)格的十字交叉點；所述的參照系包括設(shè)于測量筒側(cè)壁上的測量窗口，測量窗口為耐壓玻璃管，測量窗口的內(nèi)側(cè)設(shè)有垂直方向上的高度刻度。

本發(fā)明步驟⑷中，在高爐點火運行前通過設(shè)在各測量筒內(nèi)可上下垂直運動的攝像頭，對應(yīng)各測量的點投料前原始料面高度為參照系的0刻度；所述的步驟⑹中，在投料中、續(xù)料后通過攝像頭獲取各測量點投料后料層粒度分布情況、垂直方向上的刻度差，從而避免中途停機(jī)開爐。

一種高爐料層測量裝置，它包括位于爐內(nèi)原有爐料的原始料面上方且連接固定于爐墻內(nèi)壁的固定架，固定架上沿高爐爐膛半徑方向依次排列設(shè)有測量筒，所述的測量筒為中空結(jié)構(gòu)，測量筒內(nèi)設(shè)有運動導(dǎo)軌、可沿運動導(dǎo)軌升降運動的攝像頭，攝像頭設(shè)有光源，以克服爐內(nèi)光照環(huán)境不佳；各測量筒的線路經(jīng)鋪設(shè)在原始料面上的保護(hù)套管通過爐墻引出爐外，連接至遠(yuǎn)程控制端；所述的測量筒的側(cè)壁上設(shè)有測量窗口，測量窗口為透明，測量窗口的內(nèi)側(cè)設(shè)有垂直方向上的高度刻度。

本發(fā)明所述的固定架上設(shè)有6～8個測量筒，各測量筒之間的間距為多少80㎝～100㎝，從而在盡可能多的分布測量點的情況下，即不影響爐料的流動和分布，又保證測量值的精確度。

本發(fā)明為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取清晰影像，所述的運動導(dǎo)軌為設(shè)于測量筒內(nèi)壁上的導(dǎo)槽；所述的攝像頭設(shè)于由動力帶動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，攝像頭連接有通訊線；所述的測量筒的底部設(shè)有接線卡口，攝像頭經(jīng)通訊線連接于接線卡口，通訊線僅供傳輸攝像頭的影像數(shù)據(jù)；所述的測量筒內(nèi)設(shè)有連接于接線卡口的線路組，線路組連接于攝像頭、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、光源。

本發(fā)明為了便于調(diào)整攝像頭位置，所述的動力包括微型電機(jī)，所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括與導(dǎo)槽嚙合的驅(qū)動齒輪組，驅(qū)動齒輪組連接于微型電機(jī)的輸出端并由微型電機(jī)驅(qū)動，微型電機(jī)經(jīng)線路組連接于接線卡口；所述的導(dǎo)槽為齒形凹槽（為2條），且分別位于測量筒同一直徑線的兩端且二者平行，并平行于測量筒的中心線。

本發(fā)明所述的線路組包括供電線、照明線、電源線；微型電機(jī)經(jīng)供電線、光源經(jīng)照明線、攝像頭經(jīng)電源線分別連接于接線卡口；供電線用于給驅(qū)動結(jié)構(gòu)的微型電機(jī)供電，照明線用于給攝像頭的光源供電，電源線用于給攝像頭提供工作用電。

本發(fā)明為了便于測量，所述的測量筒為中空的圓柱體形；所述的測量窗口處于測量筒的半徑方向上的截面為扇形，即扇形的短弧位于測量筒的內(nèi)壁，梯形的長弧位于測量筒的外壁，使觀測視野更好，且弧面更容易分散外界爐料的壓強(qiáng)。

本發(fā)明為了保證測量環(huán)境，所述的測量筒的底部位于接線卡口周圍設(shè)有用來密封接線卡口的密封圈；所述的測量窗口為耐壓玻璃管，抵抗外界爐料的強(qiáng)大壓強(qiáng)，保證測量環(huán)境；所述的攝像頭為彩色攝像頭，獲取影響更清晰，便于測量人員觀測準(zhǔn)確；所述的線路組為彈性多芯電纜，便于攝像頭上下靈活運動不受限制。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明較好的實現(xiàn)了發(fā)明目的，其采用攝像頭置于密封的測量筒內(nèi)，建立良好的測量環(huán)境；在高爐連續(xù)投料的情況下可遠(yuǎn)程控制攝像頭以運動軌道為運動軌跡和力矩支撐并平穩(wěn)上下移動進(jìn)行實時精準(zhǔn)測量，避免停機(jī)測量影響工作效率及操作人員安全；同時以設(shè)于測量窗口的刻度為參照系測定爐料厚度及變形狀況，測量精度高；攝像頭自帶光源克服了高爐內(nèi)環(huán)境因素并獲取彩色圖像，同時通過通訊線將攝像頭獲得的影像輸送至高爐外，從而便捷地實現(xiàn)對窗外礦石、焦炭，及礦石和焦炭的堆積情況、變形狀況觀察、記錄等；避免了“器壁效應(yīng)”影響，更高效、安全、快速。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中高爐料層測量裝置的固定架、測量筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中高爐料層測量裝置的測量筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明中高爐料層測量裝置的測量筒的測量窗口的結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖中：1、高爐；2、測量筒；3、固定架；4、光源；5、攝像頭；6、微型電機(jī)；7、運動導(dǎo)軌；8、通訊線；9、接線卡口；10、密封圈；11、線路組；12、測量窗口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

由圖1、圖2、圖3可知，一種高爐料層測量方法，它包括以下步驟：

⑴安裝固定架：在高爐1點火運行前（無CO非高溫環(huán)境），檢測人員由檢修用大人孔進(jìn)入爐內(nèi)，在爐內(nèi)原有爐料的原始料面上方（貼近原始料面）用鋼管焊接設(shè)置固定架3，固定架3所處的平面垂直于高爐1的中心線，固定架的四周焊接于高爐1爐膛內(nèi)壁；固定架3用鋼管焊接而成，可防止?fàn)t料的沖擊；

⑵安裝測量筒：沿高爐1爐膛的半徑方向，在固定架3上依次排列安裝設(shè)置測量筒2，測量筒2的中心線與高爐1的中心線平行；

⑶鋪設(shè)線路：從各測量筒2底部開始，沿原始料面鋪設(shè)保護(hù)套管至爐墻內(nèi)壁邊緣，由各測量筒2底部引出的線路整理成束，套入保護(hù)套管中，再通過爐墻引出爐外連接遠(yuǎn)程控制端，避免線路被落下的爐料砸壞；

⑷定位：各測量筒2安裝完成且線路接通后，進(jìn)行爐內(nèi)基準(zhǔn)測量，確定測量筒2參照系的0刻度對應(yīng)的標(biāo)高，即投料前原始料面的高度對應(yīng)參照系的0刻度；

⑸投料：由料鐘向高爐1內(nèi)投放爐料，此時測量筒2被部分埋入料層中；

⑹測量：各測量筒2對其安裝點投料中、投料后的料面厚度及料面變化進(jìn)行垂直方向上的測量，將各測量點獲取的影像數(shù)據(jù)傳輸至爐外遠(yuǎn)程控制端的影像顯示設(shè)備，供測量人員進(jìn)行記錄分析。

本發(fā)明為了便于掌握準(zhǔn)確的爐料料層詳情，所述的固定架3為網(wǎng)格形狀，所述的測量筒2分別安裝于沿爐膛半徑方向的網(wǎng)格的十字交叉點；所述的參照系包括設(shè)于測量筒2側(cè)壁上的測量窗口12，測量窗口12為耐壓玻璃管，測量窗口12的內(nèi)側(cè)設(shè)有垂直方向上的高度刻度。

本發(fā)明步驟⑷中，在高爐1點火運行前通過設(shè)在各測量筒2內(nèi)可上下垂直運動的攝像頭5，對應(yīng)各測量的點投料前原始料面高度為參照系的0刻度；所述的步驟⑹中，在投料中、續(xù)料后通過攝像頭5獲取各測量點投料后料層粒度分布情況、垂直方向上的刻度差，從而避免中途停機(jī)開爐。

一種高爐料層測量裝置，它包括位于爐內(nèi)原有爐料的原始料面上方且連接固定于高爐1爐墻內(nèi)壁的固定架3，固定架3上沿高爐1爐膛半徑方向依次排列設(shè)有測量筒2，所述的測量筒2為中空結(jié)構(gòu)，測量筒2內(nèi)設(shè)有運動導(dǎo)軌7、可沿運動導(dǎo)軌7升降運動的攝像頭5，攝像頭5設(shè)有光源4，以克服爐內(nèi)光照環(huán)境不佳；各測量筒2的線路經(jīng)鋪設(shè)在原始料面上的保護(hù)套管通過爐墻引出爐外，連接至遠(yuǎn)程控制端；所述的測量筒2的側(cè)壁上設(shè)有測量窗口12，測量窗口12為透明，測量窗口12的內(nèi)側(cè)設(shè)有垂直方向上的高度刻度。

本發(fā)明所述的固定架上設(shè)有6～8個測量筒（本實施例設(shè)有8個測量筒2），各測量筒之間的間距為多少80㎝～100㎝（本實施例為80㎝），從而在盡可能多的分布測量點的情況下，即不影響爐料的流動和分布，又保證測量值的精確度。

本發(fā)明為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取清晰影像，所述的運動導(dǎo)軌7為設(shè)于測量筒2內(nèi)壁上的導(dǎo)槽；所述的攝像頭5設(shè)于由動力帶動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，攝像頭5連接有通訊線8；所述的測量筒2的底部設(shè)有接線卡口9，攝像頭5經(jīng)通訊線8連接于接線卡口9，通訊線8僅供傳輸攝像頭5的影像數(shù)據(jù)；所述的測量筒2內(nèi)設(shè)有連接于接線卡口9的線路組11，線路組11連接于攝像頭5、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、光源4。

本發(fā)明為了便于調(diào)整攝像頭5位置，所述的動力包括微型電機(jī)6，所述的驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括與導(dǎo)槽嚙合的驅(qū)動齒輪組，驅(qū)動齒輪組連接于微型電機(jī)6的輸出端并由微型電機(jī)6驅(qū)動，微型電機(jī)6經(jīng)線路組11連接于接線卡口9；所述的導(dǎo)槽為齒形凹槽（為2條），且分別位于測量筒2同一直徑線的兩端且二者平行，并平行于測量筒2的中心線。

本發(fā)明所述的線路組11包括供電線、照明線、電源線；微型電機(jī)6經(jīng)供電線、光源4經(jīng)照明線、攝像頭5經(jīng)電源線分別連接于接線卡口9；供電線用于給驅(qū)動結(jié)構(gòu)的微型電機(jī)6供電，照明線用于給攝像頭5的光源4供電，電源線用于給攝像頭5提供工作用電。

本發(fā)明為了便于測量，所述的測量筒2為中空的圓柱體形；所述的測量窗口12處于測量筒2的半徑方向上的截面為扇形，即扇形的短弧位于測量筒2的內(nèi)壁，梯形的長弧位于測量筒2的外壁，使觀測視野更好，且弧面更容易分散外界爐料的壓強(qiáng)。

本發(fā)明為了保證測量環(huán)境，所述的測量筒2的底部位于接線卡口9周圍設(shè)有用來密封接線卡口9的密封圈10；所述的測量窗口12為耐壓玻璃管，抵抗外界爐料的強(qiáng)大壓強(qiáng)，保證測量環(huán)境；所述的攝像頭5為彩色攝像頭5，獲取影響更清晰，便于測量人員觀測準(zhǔn)確；所述的線路組11為彈性多芯電纜，便于攝像頭5上下靈活運動不受限制。

本發(fā)明工作時，在投料前，由線路組11中的電源線經(jīng)接線卡口9給測量筒2內(nèi)的攝像頭5提供工作用電，并由線路組11中的照明線給攝像頭5的光源4供電，同時遠(yuǎn)程控制端由線路經(jīng)連接于接線卡口9的線路組11中的供電線控制微型電機(jī)6正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而使攝像頭5隨驅(qū)動結(jié)構(gòu)沿運動導(dǎo)軌7進(jìn)行上升或下降運動，攝像頭5在光源4的照明下獲取清晰的彩色圖像，再經(jīng)通訊線8輸送回遠(yuǎn)程控制端；通過獲取的爐內(nèi)的影像，遠(yuǎn)程控制攝像頭5上升或下降運動以對應(yīng)位于測量筒2筒壁上測量窗口12的刻度作為參照系，進(jìn)行爐內(nèi)基準(zhǔn)測量，確定測量筒2參照系的0刻度對應(yīng)的標(biāo)高，即投料前原始料面的高度對應(yīng)參照系的0刻度；

在投料后，再控制攝像頭5隨驅(qū)動結(jié)構(gòu)沿運動導(dǎo)軌7上升或下降運動，攝像頭5通過透明的測量窗口12獲取圖像的同時，將測量窗口12外各測量點爐料的刻度與測量窗口12的刻度進(jìn)行比對，從而獲取精準(zhǔn)的測量數(shù)值。

通過對測量數(shù)值的分析，獲知上一次投料后的料面情況，以此為根據(jù)從而調(diào)整無鐘布料設(shè)備溜槽的角位、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，進(jìn)行下一輪續(xù)料。

本發(fā)明完成測量后，不需要拆除，高爐1直接點火運行。