一種基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置及測量方法與流程

本發明屬于鋼鐵冶煉技術領域，具體涉及一種基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置及測量方法。

背景技術：

鋼鐵產業是工業發展過程中的重中之重。目前，鋼鐵行業產能過剩問題越來越嚴重，對于整個產業及技術進行調整就顯得尤為重要。在整個鋼鐵生產過程中，高爐煉鐵的過程最為關鍵，其精確的冶煉控制直接關系到鐵水的質量以及生產安全。在冶煉控制中，影響鐵水質量的首要因素就是布料。我國大部分高爐均采用無鐘式高爐進行布料，無鐘爐頂布料過程中，一般通過調整節流閥開度、溜槽傾角大小和布料圈數來改善爐料在爐內的料層分布。其中，溜槽布料的料流軌跡直接影響到高爐料面形狀和鐵水的質量。因此，準確的料流軌跡，對高爐的正常生產、提高質量以及事故分析均具有重要意義。

現有技術中，一般通過以下兩種方法測量高爐冶煉過程中的料流軌跡，一種是通過紅外攝像頭進行實時監測，第二種采用激光掃描儀進行平面二維掃描獲得料流軌跡。

對于第一種方法，過紅外攝像頭清晰度和視野有限，因此限制了軌跡的精確性和完全整性；對于第二種方法，激光掃描儀在高爐內高粉塵環境下，測量能力較弱，誤差較大。因此，亟待一種新的解決方法來準確、實時、完整的測量料流軌跡。

技術實現要素：

本發明實施例要解決的問題是不能準確、實時測量高爐內料流軌跡，提供了一種基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置及測量方法，對料流軌跡的測量，不受粉塵濃度影響，測量精度高，能夠較精確地測量布料溜槽在轉動時的料流軌跡，并分析相應的降料類型，及時調整布料過程，提高鐵水質量。

根據本發明的一個方面，提供了一種基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置，所述裝置包括：天線、套筒、導波管、法蘭盤、雷達本體、通信接口和計算機；其中，

所述天線、導波管和雷達本體組成測量裝置的雷達組件，用于發出和接收雷達信號；

所述套筒用于固定所述雷達組件，通過法蘭盤固定導波管，從而將與導波管相連的雷達本體安裝在爐體外同時將與導波管的另一端相連的天線安裝在套筒內部；所述套筒固定在爐壁上；

所述通信接口同時與雷達本體和計算機相連，用于為雷達本體提供通道以將接收的回波信號上傳給計算機；

所述計算機用于對所接收的回波信號進行處理和加工，從而獲得并顯示料流軌跡。

上述方案中，所述套筒固定在爐壁上，安裝位置為高爐的零料線以上、溜槽以下，盡量靠近高爐最高料位的位置。

上述方案中，所述套筒固定在爐壁上，通過在爐壁上設置一個與套筒外徑相同的圓孔，將套筒插入，插入的深度與爐壁內壁面持平。

上述方案中，所述法蘭盤分為兩個部分，分別為雷達法蘭盤和套筒法蘭盤，雷達法蘭盤和套筒法蘭盤間加裝金屬墊圈。

上述方案中，所述裝置還包括吹掃孔，所述吹掃孔設置在套筒上，位于最大限度吹掃套筒內的空間的位置，用于在雷達工作狀態時，向套筒內吹掃惰性氣體防止高爐內的粉塵在天線上的聚。

上述方案中，所述測量裝置還包括溫控材料，加裝在雷達本體外，用于將雷達本體的溫度控制在合理的溫度區間。

根據本發明的另一個方面，還提供了一種基于雷達的高爐料流軌跡測量方法，所述方法包括如下步驟：

步驟S1，當高爐的溜槽開始轉動進行布料時，雷達本體通過密閉地固定在爐壁上的天線向高爐內物料方向發射連續調頻波；

步驟S2，雷達本體通過天線接收回波，得到回波信號并將回波信號上傳給計算機；

步驟S3，計算機對回波信號進行計算，獲得并顯示料流軌跡。

上述方案中，所述測量方法通過如權利要求1至5任一項所述的料流軌跡測量裝置實現。

上述方案中，所述步驟S2中的回波信號，分為爐壁反射回波、焦炭反射回波和鐵礦石反射回波。

上述方案中，所述計算機通過快速傅里葉變換FFT方法對回波信號進行處理得到頻率-時間的f-t曲線。

從以上技術方案的描述中可以看出，本實施例所提供的基于雷達的高爐料流軌跡的測量裝置和測量方法，當高爐的溜槽開始轉動進行布料時，雷達本體通過密閉地固定在爐壁上的天線向高爐內物料方向發射連續調頻波；通過雷達本體通過天線接收回波，得到回波信號并將回波信號上傳給計算機；并進一步通過計算機對回波信號進行計算，獲得并顯示料流軌跡。本實施例的測量裝置和測量方法，抗高粉塵干擾能力較強，裝置安裝結構簡單，測量方法實施方便，能夠精確測量出料流的軌跡參數與種類。同時，可計算溜槽的轉動周期和漏料等故障參數，便于人工的檢測與維修，因此能夠為高爐生產提供精確的料流軌跡參數，指導現場工人合理布焦布礦，提高生產的效率和質量。

附圖說明

圖1是本發明第一實施例的基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置位置示意圖；

圖2是本發明第一實施例的基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置結構示意圖；

圖3是本發明第二實施例料流軌跡測量方法中天線所接收的回波信號分類示意圖；

圖4是本發明第二實施例料流軌跡測量方法中所測量的一條f-t曲線。

附圖標記說明：

1-測量裝置；2-高爐；3-溜槽；4-漏料；5-物料；6-料面；

11-天線；12-套筒、13-導波管；14-吹掃孔；15-法蘭盤；16-雷達本體；17-爐壁；18-通信接口。

具體實施方式

為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

本發明實施例提供了一種基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置及測量方法，對料流軌跡的測量，不受粉塵濃度影響，測量精度高，能夠較精確地測量布料溜槽在轉動時的料流軌跡，并分析相應的降料類型，及時調整布料過程，提高鐵水質量。

下面結合附圖及具體實施例，對本發明做進一步說明。

圖1是本發明第一實施例的基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置位置示意圖。首先進行說明的是，優選的，本實施例中的雷達為調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷達，但是在實際使用中，并不局限于此，只要是能對料流進行實時軌跡的跟蹤和測量即可。

如圖1所示，本發明所述第一實施例的基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置1位于高爐2所規定零料線的上方、溜槽3最低的下方。雷達測量裝置1照射點位于溜槽3與料面6之間部分，所述雷達用于監測物料5和可能的漏料4。在布料期間，通過分析雷達回波的頻譜特性來精確識別并形成料流的軌跡。

圖2是本發明第一實施例的基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置結構示意圖。本實施例優選的采用套筒的方式固定雷達。但此并不構成對本發明的限制，在不影響測量的前提下，也可采用其他方式對雷達進行固定。

如圖2所示，本實施例所述基于雷達的高爐料流軌跡測量裝置1包括：天線11、套筒12、導波管13、吹掃孔14、法蘭盤15、雷達本體16、爐壁17、通信接口18和計算機。其中，

所述天線11、導波管13和雷達本體16組成測量裝置的雷達組件，用于發出和接收雷達信號，對料流軌跡進行跟蹤。

所述套筒12用于固定所述雷達組件，即用來固定天線11、導波管13和雷達本體16，同時套筒12固定在爐壁17上，安裝位置為高爐2的零料線以上、溜槽3以下，盡量靠近高爐最高料位的位置，用以減少雷達的損壞幾率，同時最大可能提高雷達的工作穩定性。套筒12通過法蘭盤15固定導波管13，從而將雷達本體16安裝在爐體外。

所述法蘭盤15分為兩個部分，分別為雷達法蘭盤15-1和套筒法蘭盤15-2。優選的，雷達法蘭盤15-1和套筒法蘭盤15-2間加裝金屬墊圈，以保證氣密性和生產安全性。

所述吹掃孔14設置在套筒上，可以如圖2所示位于套筒的上端中間位置，在實際中也可以設置在套筒的其他位置，如下端或前端，所述位置的選擇保證可以最大限度的吹掃到套筒內的空間。這個吹掃孔14吹入的是相對于煉鋼物料的惰性氣體，如氮氣、氬氣。優選的，吹掃孔14另一端接球閥，在所述測量裝置1處于工作狀態時將其打開，向套筒內吹掃3個標準大氣壓的氮氣。在進行測量工作時，通過吹掃孔14向套筒12內通入高壓的惰性氣體如氮氣進行吹掃，減少高爐內粉塵在雷達天線喇叭中聚集，影響雷達微波信號的發射和接收。

所述天線11的喇叭最大外徑小于套筒12內徑，長度不超過套筒12長度，以保證在工作過程中的天線11壽命；所述雷達本體16位于爐外，天線11通過所述導波管13和雷達本體16連接在一起；導波管13的長度可以保證爐外雷達本體16與爐壁17相距一定距離，以使爐壁的溫度不會影響雷達的正常工作。優選的，通過在雷達本體外加裝隔熱材料或水冷系統，將雷達本體的溫度控制在合理的溫度區間，一般小于85℃。雷達本體16與上位機通過通信接口18連接。這里的通信接口可以是有線通信，也可以是無線通信。優選的，本實施例為如圖2所示的網線方式進行通信，協議采用TCP/IP協議，保證傳輸速度同時兼具可靠性。

所述爐壁17，在位于高爐2的零料線以上、溜槽3以下的位置有一個垂直于高爐中心線的圓孔，本實施例中，優選的，所述圓孔直徑為Ф219mm。這個圓孔的直徑與套筒12的外徑相同，從而可以通過這個圓孔，將直徑大小相同的套筒12插入該圓孔。插入的深度不可影響測量工作，優選為與爐壁17內壁面持平。套筒12與爐壁的連接為固定連接，這里可以通過焊接將套筒12固定在爐壁17上。

優選的，在具體的連接過程中，安裝雷達1時，通過螺絲釘將套筒12和雷達組件固定在爐壁17上；雷達本體16通過網線18接入到計算機；

所述計算機負責接收雷達本體16的回波信號，并進行頻譜分析來監測料流軌跡。

在實際測量中，溜槽3在布料過程中轉動的同時，雷達本體16通過天線11從24GHz到26GHz進行變頻連續不斷地發射高頻微波，并接收回波，通過鎖頻采樣1024點數據，通過網線18傳輸給上位機(即計算機)，上位機立即進行FFT(快速傅里葉變換)計算，將回波數據正確地轉換為物料到雷達的距離。由于采樣點數與傳輸速度的限制，一秒鐘能夠采樣3～5次完整回波數據，在工業生產中，完全能夠滿足實時性要求。

本發明第二實施例提供了一種基于雷達的高爐料流軌跡測量方法，所述方法包括如下步驟：

步驟S1，當高爐的溜槽開始轉動進行布料時，雷達本體通過密閉地固定在爐壁上的天線向高爐內物料方向發射連續調頻波；

步驟S2，雷達本體通過天線接收回波，得到回波信號并將回波信號上傳給計算機；

步驟S3，計算機對回波信號進行計算，獲得并顯示料流軌跡。

其中，所述步驟S1中，雷達本體發射信號的方式是不間斷的連續發射。所述密閉固定的方式，可以為如圖2所示的方式，簡要說明如下：

在爐壁17位于高爐2的零料線以上、溜槽3以下的位置開一個垂直于高爐中心線的圓孔，將與圓孔具有相同直徑的套筒12固定在爐壁17上。套筒12朝向高爐外、平行于爐壁17的端面上，通過法蘭盤15固定導波管13和雷達本體16，使得導波管13和與導波相連的天線11位于套筒12內部并延伸進高爐2內，而與導波管13另一端相連的雷達本體16位于高爐2外并與爐壁17保持安全的工作距離。

優選的，這里的法蘭盤15分為兩個部分，分別為雷達法蘭盤和套筒法蘭盤，雷達法蘭盤和套筒法蘭盤間加裝金屬墊圈，以保證氣密性和生產安全性。

優選的，套筒12上設置吹掃孔14，吹掃孔14的位置保證可以最大限度的吹掃到套筒12內的空間，如套筒12上端中間位置。這個吹掃孔吹入的是相對于煉鋼物料的惰性氣體，如氮氣、氬氣。吹掃孔另一端接球閥，在進行測量時，向套筒內吹掃3個標準大氣壓的氮氣，以減少高爐內粉塵在雷達天線喇叭中聚集，影響雷達微波信號的發射和接收。

優選的，本實施例中的所述天線11的喇叭最大外徑小于套筒12內徑，長度不超過套筒12長度，以保證在工作過程中的天線11壽命；導波管13的長度可以保證爐外雷達本體16與爐壁17相距一定距離，以使爐壁17的溫度不會影響雷達本體16的正常工作。

優選的，通過在雷達本體16外加裝隔熱材料或水冷系統，將雷達本體16的溫度控制在合理的溫度區間，一般小于85℃。

優選的，雷達本體16與上位機通過通信接口18連接并進行通信。這里的通信接口18可以是有線通信，也可以是無線通信。

所述步驟S2中，天線11所接收的回波，分為三種信號，圖3為天線所接收的回波信號分類示意圖。如圖3所示，所述三種回波信號分別為：

第一種，雷達照射在爐壁上的信號。此時的信號回波頻率最高，頻譜在最右，根據FMCW雷達測距原理，其距離與回波頻率成正比，此時測量為爐壁到雷達的距離。

第二種，雷達照射在遠端料流上的信號。此時的信號回波頻譜相對于上面左移，此時計算出的距離為雷達所在水平面的落料位置。

第三種，雷達照射在近端料流上的信號。此時的信號回波頻譜相對于上面再次左移，此時計算出的距離為雷達所在水平面的另一點靠近雷達的落料位置。

回波信號的強弱與照射物質相關，通過頻譜的尖峰能量值可以分析出該時刻屬于布焦還是布礦。由于焦炭反射性能好，因此回波能量較強，而照射在鐵礦上的回波能量較弱，在上位機建立起不同物料的反射能量閾值，包含遠端鐵礦反射閾值、遠端焦炭反射閾值、近端鐵礦反射閾值和近端焦炭反射閾值。據此可以從回波中可得到當前的布料種類。

當進行測量時：

溜槽轉動時，在爐料未擋住雷達微波時，微波照射在爐壁上，雷達反射回來信號穩定不變，如圖3在頻譜上反映為f所示處的尖峰，根據FMCW雷達測距原理，距離s＝K*f，s為雷達測量距離，K為與雷達測量相關的常量系數，f為回波信號頻率。因此，該距離為一常量s2，大小為該水平面處爐內直徑。

溜槽轉動，物料下降過程中在遠端擋住雷達微波時，雷達照射在物料上，回波信號頻譜左移，對應的頻譜反映在f1所示處的尖峰，此時根據公式可以計算出遠端料流距離s1。隨后，在雷達近端擋住微波雷達時，同樣會導致頻譜繼續左移至f0，此時通過公式可以計算出該處下料位置s0。

根據無鐘式高爐布料溜槽的轉動規律，料流軌跡也為圓周，可以計算出在雷達所在水平面位置一圈物料的直徑d＝s1-s0。

上位的計算機通過各點的測量距離s，來構建環形布料軌跡，以二維或三維的方式呈現出來，并對其進行實時跟蹤監測。

在所述步驟S3中，計算機對回波信號進行計算，優選的，采用FFT的方式進行計算，從而建立關于頻率-時間的f-t曲線。圖4為本實施例的基于雷達的高爐料流軌跡測量方法所測量的其中一條f-t曲線。如圖4所示，通過分析該曲線，可以看出頻譜的周期性變化，該周期即為溜槽轉動周期。

由于在雷達回波中按照照射物回波類型，可以分為如圖3所示的爐壁反射回波、焦炭反射回波和鐵礦石反射回波，因此，在上位的計算機中建立起對于不同反射物的閾值，包括遠端鐵礦反射閾值E1、遠端焦炭反射閾值E2、近端鐵礦反射閾值E3和近端焦炭反射閾值E4。在實際過程中，通過反射回波頻譜的位置和強度E來判斷布料類型，同時將數據進行機器學習，不斷提高上位機的識別能力。

通過雷達回波中頻譜的周期性移動，可以實時監測溜槽的轉速以及在轉動過程中是否會出現漏料情況。

如圖4所示，通過頻譜時間曲線，可以看出頻率呈現周期性變化，而曲線周期即為溜槽轉動一周所需要的時間t2-t1。

圖4中，在特殊情況下，由于溜槽破損或節流閥故障，礦料沒有直接從溜槽下端正常降料，出現漏料現象。此時，在周期性的頻譜時間圖中顯示為不確定跳動，如圖4中的虛折線所示。工作人員可以通過分析f-t曲線分析漏料情況，以及漏料位置等信息。

在特殊情況下，由于溜槽破損或節流閥故障，導致礦料沒有直接從溜槽下端降落，此時通過f-t曲線可以看到出現不規律下降尖峰，此時，通過該點的頻率能夠直接計算出錯誤落料點的距離，指導現場維護。

與現有技術相比，本發明的有益效果是，抗高粉塵干擾能力較強，安裝結構簡單，實施方便，能夠精確測量出料流的軌跡參數與種類。同時，可計算溜槽的轉動周期和漏料等故障參數，便于人工的檢測與維修，因此能夠為高爐生產提供精確的料流軌跡參數，指導現場工人合理布焦布礦，提高生產的效率和質量。

以上所述，僅是本發明的實例，并非本發明所作任何形式的限制。任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術范圍內，對上述安裝尺寸、雷達頻帶范圍、套筒安裝位置以及角度、雷達照射物料或溜槽等少許更改或修飾均為等同變化的等效實例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍內。