張秀春

摘 要：本文從圖像處理的角度出發(fā)，首先建立高爐風口燃燒帶的圖像數(shù)據(jù)庫;其次，采用主成分分析（PCA）算法對高爐風口燃燒帶不同溫度的圖像進行識別;最后，結合識別結果進行分析;實驗結果驗證本文模型算法具有一定的可行性和有效性。本文從圖像處理的視角為實現(xiàn)高爐風口燃燒帶溫度的穩(wěn)定性提供相應的信息。研究相關結果為馬鋼高爐的穩(wěn)定性提供相關參考與指導。

關鍵詞：高爐風口燃燒帶;主成分分析;圖像識別;溫度

前言

眾所周知，在冶金行業(yè)中，高爐的工作狀態(tài)對于高爐的生命周期、高爐的安全生產(chǎn)、高爐的生產(chǎn)效率、乃至整個企業(yè)的經(jīng)濟效益都有著舉足輕重的作用和影響。高爐在使用過程中不可避免受到外界因素的侵蝕，因此，一項的重要的工作就此誕生：如何想法設法延長高爐的生命周期。由于高爐風口燃燒帶的工作狀態(tài)不僅直接決定鐵水的質量而且也決定高爐的生命周期和高爐運行的穩(wěn)定情況。截止到目前，風口燃燒帶的主要工作還是依靠我們現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗推斷，高爐風口燃燒帶的穩(wěn)定性并有得到有效的建立。

針對上述現(xiàn)象，根據(jù)查閱相關文獻[1-6]可知高爐風口燃燒帶的情況嚴重影響高爐的穩(wěn)定性。如何準確監(jiān)測高爐風口燃燒帶的狀況，較為準確地提供高爐大修的時間、保證安全生產(chǎn)、延長高爐的使用周期，是有關企業(yè)普遍所關心的問題。因此，對高爐風口燃燒帶采用數(shù)學建模方法分析爐內狀況是極其有必要的。目前國內外工作者就高爐風口燃燒帶方面進行諸多的研究[2-7]大致可分為以下幾個方面：（1）從材料學的角度出發(fā)，對爐內的抗腐蝕材料的性能進行完善和改進;（2）從傳熱學角度出發(fā)，對高爐的結構設計進行優(yōu)化;（3）從現(xiàn)實的操作角度出發(fā)，對高爐風口燃燒帶的狀況進行監(jiān)測。近年來某些高爐風口前陸續(xù)有安裝視頻監(jiān)控裝置和設備，用來觀察和判斷高爐內部的情況。但是仍無法給系統(tǒng)性地給出高爐風口燃燒帶的穩(wěn)定狀況。如何能夠建立有效且穩(wěn)定的高爐風口燃燒帶機制仍然是高爐工作者所共同面臨的難題。

綜上所述，在高爐的運行過程中，如何有效地監(jiān)測高爐風口燃燒帶溫度的工作對于高爐穩(wěn)定有著重要的作用。由于高爐風口燃燒帶的特殊性，目前能夠實時穩(wěn)定監(jiān)測風口區(qū)域的狀況和溫度的設備和裝置相對較少。急需要一個針對高爐風口燃燒帶區(qū)域的溫度進行監(jiān)測的機制。結合現(xiàn)有且成熟的圖像溫度識別技術，本文從圖像處理的角度出發(fā)，采用成熟的主成分分析（PCA）識別算法對高爐風口燃燒帶不同溫度的圖像進行識別高爐。從圖像處理的視角為實現(xiàn)高爐風口燃燒帶溫的穩(wěn)定性提供相應的信息。研究相關結果為馬鋼高爐的穩(wěn)定性提供相關參考與指導。

1工藝流程

馬鋼高爐煉鐵工藝[15]主要是鐵礦石、高爐煉鐵用的（焦炭）、熔劑（石灰石）等原材料按一定比例自高爐爐頂裝入高爐，并由熱風爐在高爐下部沿爐周的風口向高爐內鼓入熱風助焦炭燃燒，在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣。原料、燃料隨著爐內熔煉等過程的進行而下降，在爐料下降和上升的煤氣相遇，先后發(fā)生傳熱、還原、熔化、脫炭作用而生成生鐵，鐵礦石原料中的雜質與加入爐內的熔劑相結合而成渣，爐底鐵水間斷地放出裝入鐵水罐，送往下級生產(chǎn)廠進行下一步的應用與生產(chǎn)。

2主成分分析識別模型建立

據(jù)相關文獻[2，5-8]顯示，高爐風口燃燒帶是整個高爐生產(chǎn)的核心區(qū)域，對于高爐的穩(wěn)定有著至關重要的作，高爐風口燃燒帶素有高爐“心臟”之稱，是獲取高爐內部工作狀況的直接通道。目前高爐風口燃燒帶模型大部分使用的是：將高爐風口燃燒帶問題抽象轉化為二維的平面?zhèn)鳠釋W問題，在計算過程中使用差分法、邊界元法、有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等方法等。很少有使用圖像處理[10]思想建立數(shù)學模型。在網(wǎng)絡時代如此發(fā)達的今天，研究圖像處理有著不可言喻的現(xiàn)實意義和學術意義。圖像處理技術已經(jīng)被廣泛的應用于現(xiàn)實生活中的各個領域[11-12]。在學術研究方面，圖像處理的技術與計算機視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡、模式識別及人工智能等諸多領域有著錯綜復雜的關聯(lián)。對圖像處理技術的研究既能促進一些基礎學科的交叉發(fā)展，也有助于產(chǎn)生新的研究方向。

本文首先建立高爐風口燃燒帶的圖像數(shù)據(jù)庫[13-14];其次，建立主成分分析模型[15，16，18];最后，對不同溫度的圖像進行識別，結合識別結果進行分析。實驗結果驗證本文模型算法具有一定的可行性和有效性。

2.1 主成分分析識別算法原理

主成分分析[17，19]（PCA）是降低矩陣維數(shù)的一種常用方法。其基本思想是通過KL變換，將原來的指標重新組合成一組較少個數(shù)的互不相關的綜合指標。

基于PCA的圖像處理[17]算法分為訓練階段和識別階段，其具體步驟如下[37-39]。

第一步：訓練階段，假設有M幅訓練圖像A1， A2， …， AM（m×n），它們是獨立同分布的，將每一個圖像矩陣按行堆疊成一個MN維列向量，則訓練圖像矩陣可以表示為：

第五步：求協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，構造特征空間;將協(xié)方差矩陣奇異值分解，通過求解ATA的特征值和特征向量來獲得AAT的特征值λi和特征向量，并將特征向量歸一化，得到Vi根據(jù)特征向量的貢獻率選取前d個最大特征值及其對應的特征向量[18，6]。

其中貢獻率是指選取的特征值和與占所有特征值的和之比，具體表達式如下：

基于數(shù)字圖像處理技術的高爐相關檢測識別的主要的原理是熱輻射理論，如普朗克定律、維恩公式、斯蒂芬波爾茲曼定律等[1-2] 。

2.2 高爐風口燃燒帶溫度識別模型

本文首先建立高爐風口燃燒帶的圖像數(shù)據(jù)庫。根據(jù)查閱[2-5] 的資料可以總結出：高爐風口燃燒帶的溫度范圍一般為1500℃-2400℃。本文以馬鋼3#高爐檢測到的燃燒帶溫度為實驗對象。采集的高爐風口燃燒帶部分圖像樣本如圖1所示。

根據(jù)收集的3#高爐高爐風口燃燒帶圖像數(shù)據(jù)可以得出大部分燃燒帶的溫度穩(wěn)定在1400℃-2200℃。圖3是本次實驗樣本數(shù)據(jù)庫燃燒帶圖像與溫度的標準樣本。