一種爐襯測厚系統及方法

2023-05-03 14:08:26 1

專利名稱：一種爐襯測厚系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種測厚系統及其方法，具體是指高溫下爐、窯(靜止或轉動)內襯厚 度測量系統及測量方法。
背景技術：
目前,冶金工業有大量的高溫冶金爐或儲存熔融體的鋼包，也有高溫旋轉的窯、爐， 另外如建材工業中的水泥窯、玻璃窯等，這些爐窯用了大量的高溫耐火材料，在冶煉和燒 成過程中不斷地被磨損，為了保護爐、窯設備免受高溫損壞,提高爐齡，運行中應了解掌 握耐火磚燒損、磨損後的剩餘厚度,該厚度應不小於損壞爐子的最小容許厚度，由於在 高溫下，爐內耐火磚磨損數據無法界定，在實際操作中需通過經驗來判斷剩餘厚度。因 此往往由於怕燒壞爐子而將爐子停產更換耐火磚的時間提前，造成不小材料和能量的浪 費，更主要的是佔用了大量生產時間，使企業效益下降。
因此爐襯測厚(爐內承受燒損、磨損的那層磚的測厚)對於提高爐齡，防止爐子損 壞，有效提高生產率，節能降耗起很大的作用。即使一臺小型冶金頂吹轉爐更換耐火磚， 爐齡約2.5個月，停爐、砌爐一年累計佔用生產時間兩個多月，花銷費用60多萬元人民 幣；另如一臺40-60m長揮發窯需化100多噸氧化鋁或鈣鎂耐火磚,使用壽命約3個月。 如果通過及時了解爐襯厚度，充分利用磨損剩餘厚度達l/8壽命，則年節省達3/8以上 的爐齡，僅砌築工程前者每年可省15萬多、後者每年可省30萬左右。而它對生產率的 提高，則比上述節省的效益大得多。全國相當的爐、窯在萬座以上，使用1套測定裝置 可對多臺爐窯，它對生產率的提高，降低消耗和能耗是非常可觀的。
高溫下的爐襯測厚技術是一種特殊的系統測量技術，目前國內外測量爐襯厚度的現 行方法有
1. 比較落後的方法是用非常長的鋼條捅進去測量，由於懸臂太長，在高溫下，伸進爐 內部分的杆彎曲，以及膨脹因素,人力難以操作，甚至無力、無法操作。本方法準確度差， 且工人勞動不安全，對較大爐、窯不能用。
2. 電阻法測爐襯厚度在爐襯內深度不同各點,預埋多根熱電偶，根據爐內、外溫差、
各點溫度及距離，實際找出爐襯厚度影響各埋點溫度的相應關係，從而由各點溫度及距 離推斷該處爐襯剩餘厚度。本方法只能大致判斷該點剩餘厚度,而且確定的厚度關係僅 對該點有效，處理數據過程複雜。另外，當爐襯測厚要求多點時,埋熱電偶數量多(如本
鋼4#高爐4層，每層8個方向埋設32支FMT傳感器，共160個測溫點)，磨損損壞也多， 監測維護量大。
3. 爐壁熱流計法它是通過測定貫通的熱材料或爐壁的熱流密度來推斷爐缸浸蝕狀 態，由於爐內狀況變化比溫度變化大，且要早幾個小時，這種方法也可使用，但它只能 大致判斷該點剩餘厚度，而且也僅對該點有效，相關問題和2點類似。
4. 用光纖測量爐襯厚度測定方法雖然較先進，但基本的測量思路也需多點埋設，
相關問題和2點類似。
5. 超聲波檢測方法該方法以可攜式的移動測量方法，有條件地對爐內壁測距，該方
法的缺點是發射角較大，會受爐口，爐內非測定物的反射影響，為減弱此影響，須靠近爐 子，從而難以保證測量的環境條件。很難實現全面了解爐內爐襯磨損情況。
6. 電磁爐襯測厚儀，這種方法用電磁感應掃描器在停爐冷卻後，由工人進去用它掃 描，這種方法效益差，為德國EPK公司4100C產品。
國內高爐爐襯測厚的相關專利有
1. 光纖測量高爐爐襯厚度(武鋼計控公司)
2. 高爐爐襯厚度檢測儀表(鞍鋼盧明熙、張敬亭)
3. 高爐爐襯厚度在線檢測裝置(包頭鋼鐵學院崔大福、晉偉等1996) 上述技術都是針對靜態高爐所應用的方法，且存在固有的缺點。對於旋轉的爐、窯
的爐襯測厚，國內只採用了對爐殼外表紅外線掃描溫度的方法，來間接判斷爐、窯內耐 火磚磨損程度。該方法在氣候變化較大時，判斷難以正確，且投資較大。
目前有採用雷射測距方法測量的。雷射光行進時間測距方法有兩種， 一種為脈衝式 直接測量發射與接收脈衝之間的時間延遲T，它主要用於大地遠距離測量。另一種是正 弦波形式的相位法，頻率為f，從相位4^2"fT中測得時間延遲T來測距，它屬地貌測 距，<lkm ，現主要用於土木建築工程。
同時，國外雷射器已經大量使用，半導體雷射器功率及雷射波長也有各種類型，用 於穿透高溫區的雷射器也有，作為迅速發展的抗幹擾濾光技術，是雷射測定的重要組成， 在美國、德國、義大利等發展較好。

發明內容
本發明的目的旨在提供一種爐襯測厚系統和爐襯測厚方法，直觀、簡明、快速，在 轉爐較短的條件下，現場實測爐襯磨損厚度系統精度<10 mm，滿足爐襯安全判定要求， 且使其達到如下目的
1. 要適應冶金爐冶煉過程的環境(高溫、溫度變化範圍大)和結構(爐內有熔融料，有 的還在爐襯上掛薄層渣,爐口或觀察孔可否短時打開)；
2. 要克服爐氣、爐光的影響和幹擾；
3. 有的爐、窯需在不斷轉動狀態下測量；
4. 測量人員和設備能在可適應的環境條件下進行測量。
本發明採用的系統構成是 一種爐襯測厚系統見圖1，包括雷射裝置1、與其聯動 連接的基準裝置2、位於爐襯待測點和雷射裝置之間的濾光裝置3和與雷射裝置連接的
顯控裝置4。
作為優選方案，上述基準裝置為經緯儀或是全站儀。
上述濾光裝置為塗有多層金屬氧化物的過濾鏡片，所述多層金屬氧化物為氧化鈦或 氧化矽。顯控裝置為集成雷射裝置電源、信號轉換器及航空接口的(適應較高工作溫度 及多塵環境)可攜式專用工控電腦裝置。
本發明還包括與上述爐襯測厚系統相應的一種爐襯測厚方法。
爐內待測點的確定是根據爐、窯結構和內襯使用情況確定。 一般在爐、窯內確定5 個左右待測點，對於旋轉爐、窯，每個待測點所在圓周，可在周長上跟蹤測定約60點 測距或厚度，僅需2分鐘左右時間，從而較全面地測定爐襯磨損情況。
測定步驟如下
1) 首先對雷射裝置基於爐襯待測點進行基準定位；
2) 通過基準定位後的雷射裝置對待測點發射雷射，並接收其經爐內高溫區的 反射光，由濾光片濾去無用雜光；
3) 通過對發射雷射和接收的反射光的相關信號進行處理，得出待測點厚度。 作為優選方案，上述第一步驟中靜基準定位的步驟為首先選取待測爐旁一靜止(如
牆壁W)參照零點，基於該靜止參照零點，記錄下雷射裝置相對於該基準的點、線及高 度後，對經緯儀讀數清0，形成0角度基準線。再調整其角度，使與經緯儀聯動的雷射 器的雷射束對準待測點，從經緯儀上讀出並記錄這個角度，這個角度就是該測點特定偏 轉角度，見圖2中al-a5。測定操作前，先控制雷射裝置進行基準定位，再轉動相應測 定點的偏轉角度。
由於每一測點所在爐內圓周，可跟蹤測定很多點，爐子轉動時，要進行開始點的動 基準定位，第一次開始測定時，在爐口外壁上作一記號線，爐外近處選定一靜止記號線，
該兩線對準時，從操作臺爐子轉角指示表的指示上，記錄下爐子相對於O度的起始角度 值。在記號線對準時的起始轉角的情況下，進行第一次測定，則第二次測定在同一起始 轉角的情況下進行。
上述第二步驟中的發射雷射位置為，離爐口6-20m處；適用於發射和接收的雷射波 長為650-660nm或是635 nm。
上述第三步驟中的處理是採用光行進時間式測距方法中的相位法測距實現兩次或 多次測距，並通過數學模型轉換(見後文具體實施方法)，得到剩餘爐襯厚度或磨損厚 度。
現就上述發明內容，按雷射裝置、濾光、動靜基準裝置及顯控裝置分別述說如下
1. 雷射測距裝置。能夠通過幾何測量得到爐襯磨損厚度或爐襯剩餘厚度。不需要如 電阻、電容、光纖、等爐襯測厚方法那樣，要找到每測點爐襯磨損與爐況、爐襯、埋入 程度、耐火磚材質、爐外溫度及爐襯不斷磨損影響的非線性關係。本發明在距爐子6-20m 遠處，向打開的爐口內射入及接收反射光,使測定人員和儀表在合適的環境下測定。而不 必如電阻、電容、光纖、等爐襯測厚方法那樣每個測點都要裝傳感器，長期使用；而不 像比如超聲波爐襯測厚方法必須靠近爐壁，由於其散射角大，抗煙霧差，很難測好。
同時，採用雷射測距能在光束不同偏轉情況下,測量爐內多個測點的爐襯磨損情況。 不必如電阻、電容、光纖、超聲等爐襯測厚方法那樣，每個測點都要裝感測元件並在爐 襯磨損中同時損壞。
現有技術中，雷射測距有三角測量、光行進時間及幹涉法等多種方法，結合高溫爐 襯測厚的實際，本發明採用光行進時間式測距方法中的正弦波相位法測距，也可用脈衝 式雷射器，精度較高，但價格也很高，而相位法測距儀精度已足夠達到本發明要求。本 發明中採用的雷射波長及窄帶寬度為650-660nm或是635 nm，其符合IEC825-1/EN 60825 級II標準，且頻率穩定，系長相干長度的光源。由於雷射二極體在高溫車間場合，在較 高功率下，發射時本身發熱快，需要不斷冷卻，不然難以維持工作頻率的穩定，所以激 光器內有減溫裝置。所述雷射器的光發射功率足夠、測距精度達到mm級以及可克服爐內 微氣態與爐外氣態對雷射折射率的影響。
2. 濾光器。在測量過程中，反射光束與爐內廣譜的各種光波一起射向雷射器，克服 爐內高溫下雜散光對反射光束幹擾的濾光方法，是當前世界上雷射領域的熱門發展技術, 有多種材質的玻璃鏡片組合，有的為在鏡片上塗有金屬氧化物的過濾鏡片。本發明採用 後者的方法，在鏡片上塗有200多層氧化鈦、氧化矽的金屬氧化物，定製加工帶通濾光
片，使其濾除雷射裝置波長為650-660nm範圍以外，或濾除635 nm以外的光譜，克服 了高溫雜散光的幹擾。
3. 靜、動基準定位。是雷射測距的重要內容,它可保證幾個月時間間隔的幾次測定 投射在同一測點位，(參見圖2)
本發明通過確定的爐外靜態基準線後，使雷射射入爐內用戶確定的測點，經由經緯 儀或全站儀作好與牆壁間零位水平基準點、線及高度後，把經緯儀或全站儀轉動一個固 定偏轉角度，與經緯儀固定聯結的雷射裝置，也轉動同樣角度，(精度可達2"級)，然 後雷射裝置的紅雷射經爐口射入爐內襯預定測點，測出距離，第二次測定按第一次同樣 基準，轉同樣角度，在精度保證下，可在同一測點位測出距離及算出爐襯剩餘厚度或磨 損厚度。多測點的測定，僅僅只要轉動不同角度即可。
當爐子轉動時，還需要進行爐內測點所在圓周多點測量中第一點的位置確定，即動 基準確定。第一次開始測定時，在爐口外壁上作一記號線，爐外近處支柱上也作一固定 記號線，並在操作控制臺上記錄下爐子起始角度，在兩記號線對準時的起始轉角的情況 下第一次測定該測定點位置圓周上規定數量的點，第二次測定時，在同一動基準下進行。 通過上述基準系統，可靈活的測定靜態爐子內襯厚度或轉動爐窯的內襯厚度，也可以連 續測定爐內圓周上各點爐襯厚度。
4. 顯控裝置。可快速的、簡明的、實時形象的得到一完整的測定數據和結果，它包 括信息轉換、雷射裝置電源和航空接插件、模擬輸出口 (及輸出電流/電壓選擇)、適用 於較高溫和多塵環境的專用計算機(信息處理、適合特定窯爐直觀實時動態圖形顯示、 相關計算應用軟體)，且體積小，便於攜帶。該裝置使多個分散部件集合，在現場測量 時，只2-3件連接設備，而其接線完全是航空接插件插接，可靠、方便，保證了現場測 量時，集中注意力進行測量。整套裝置的整體密封性好，防止現場環境對儀表的汙染。


圖1是本發明中所述爐襯測厚系統的結構示意圖； 圖2是實施例中所述爐襯測厚方法的測量示意圖。 在附圖中
l一雷射裝置 2—濾光裝置 3—基準裝置
4一顯控裝置 5-待測爐體 bl-b5—第1個到第5個測點 Bl-B5— bl-b5測點到基點的距離
具體實施方法
如圖1所示，由基準裝置3按待測爐體要求的多個測點基準定位後，校準雷射裝置 l的射向，再在顯控裝置4的指令下，雷射裝置l射出雷射，經高溫區到達測定點，其 反射光與高溫區各種雜光經濾光裝置2過濾後，進入雷射裝置l，同時，通過與雷射裝 置1連接的顯控裝置4處理直線距離信號。
如圖2所示，待測爐口距雷射裝置的基點為9. 44米，首先對雷射裝置基於爐襯待 測點進行基準定位；再通過基準定位後的雷射裝置對待測點發射雷射，並接收其反射光， 以通過雷射測距方法測得基點到測點的距離
本實施例中除測點b5處的爐襯磨損厚度基本上是第二次測距減去第一次測距外， 其餘4個測點bl-b4的爐襯磨損厚度是以兩次測距為斜邊的對應的直角三角形兩短直角 邊之差，也就是說兩次測距之差與測點偏轉角的餘弦乘積。其計算公式為
測點bx磨損厚度- (Bx2 — Bxl) *Cosax
式中f廣4， Bx2， Bxl分別為測點bx到雷射發射點O的距離，al-a5—五測點的偏 轉角。
測點bx剩餘厚度二測點bx新砌磚厚一測點bx磨損厚度。
通過上述數學模型轉換，經2次測定，即時從實時屏幕圖形或報表上得到剩餘爐襯 厚度或磨損厚度。
權利要求
1、一種爐襯測厚系統，其特徵在於包括雷射裝置、與其聯動連接的基準裝置、位於爐襯待測點和雷射裝置之間的濾光裝置和與雷射裝置連接的顯控裝置。
2、 根據權利要求1所述爐襯測厚系統，其特徵在於所述基準裝置為經緯儀或是全 站儀。
3、 根據權利要求1所述爐襯測厚系統，其特徵在於所述適用於發射和接收的雷射 波長為650-660訓或是635 nm;而濾光裝置為濾掉波長為650-660nm範圍以外，或除開 635 nm以外的光譜。
4、 根據權利要求3所述爐襯測厚系統，其特徵在於所述濾光裝置為塗有多層金屬 氧化物的過濾鏡片，所述多層金屬氧化物為氧化鈦或氧化矽。
5、 一種與權利要求1所述爐襯測厚系統相應的爐襯測厚方法，其特徵在於包括如下步驟1) 首先對雷射裝置基於爐襯待測點進行基準定位；2) 通過基準定位後的雷射裝置對待測點發射雷射，並接收其反射光；3) 通過對發射雷射和接收的反射光的數據進行處理得出待測點厚度。
6、 根據權利要求5所述爐襯測厚方法，其特徵在於所述第一步驟中基準定位的步 驟為首先選取待測爐旁一靜止參照零點，基於該靜止參照零點，記錄下雷射裝置相對 於該基準的點、線及高度後，形成O角度基準線。再調整其角度，使與經緯儀聯動的激 光器的雷射束對準待測點，從經緯儀上讀出並記錄這個角度，這個角度就是該測點特定 偏轉角度。
7、 根據權利要求6所述爐襯測厚方法，其特徵在於，當爐子轉動時，進行靜基準 後，還必須進行動基準定位第一次開始測定時，在爐口外壁上作一記號線，爐外近處 選定一靜止記號線，該兩線對準時從操作臺爐子轉角指示表的指示上，記錄下爐子相對 於O度的起始角度值，在記號線對準時的起始轉角的情況下第一次測定，則第二次測定 在同一起始轉角的情況下進行。
8、 根據權利要求5所述爐襯測厚方法，其特徵在於在爐、窯內確定5個左右待測 點，對於旋轉爐、窯，每個待測點所在圓周，在周長上跟蹤測定約60點測距或厚度。
9、 根據權利要求5-8之一所述爐襯測厚方法，其特徵在於所述第三步驟中的處理 為採用光行進時間式測距方法中的相位法測距實現兩次測距，並通過數學模型(Bx2 一Bxl) WOSax轉換，得到剩餘爐襯厚度或磨損厚度。
全文摘要
本發明公開了一種爐襯測厚系統，包括雷射裝置、與其聯動連接的基準裝置、位於爐襯待測點和雷射裝置之間的濾光裝置和與雷射裝置連接的顯控裝置。相應的，也公開了一種爐襯測厚方法，能夠直觀、簡明、快速的現場實測爐襯磨損厚度，且精度＜10mm，滿足爐襯安全判定要求。
文檔編號G01B11/06GK101339005SQ20081003210
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月18日 優先權日2008年8月18日
發明者尹澤輝, 張鞍生, 戈爾谷 申請人:長沙有色冶金設計研究院