曾 學(xué)，呂鳳玉，賀成柱

(甘肅華維智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

鼓風(fēng)爐，作為冶金行業(yè)的高溫窯爐，廣泛應(yīng)用于銅、鉛、鉛鋅、銻等金屬的粗煉過程。現(xiàn)在絕大部分粗鉛還都是從鉛鼓風(fēng)內(nèi)生產(chǎn)的，不同作用的爐子各部分的結(jié)構(gòu)不完全相同。鼓風(fēng)爐從下而上由爐基、爐缸、爐身(水套)、爐頂、風(fēng)管、水管系統(tǒng)及支架組成。冷卻壁是目前鼓風(fēng)爐普遍采用的的一種冷卻結(jié)構(gòu)，通過面式冷卻將鼓風(fēng)爐內(nèi)傳遞出的熱量順暢地導(dǎo)出，冷卻水通過被冷卻的部件空腔，并從其表面將熱量帶走，避免高溫?zé)崃髦苯拥诌_(dá)爐殼，延長耐火材料使用壽命、保護(hù)爐殼。熱風(fēng)管是將熱風(fēng)圍管送來的900～1 000 ℃左右的熱風(fēng)通過風(fēng)口輸入爐缸，是鼓風(fēng)爐爐前設(shè)備中至關(guān)重要的組成部件，也是熱風(fēng)管道系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

鼓風(fēng)爐煉鉛不可避免的會(huì)產(chǎn)生高溫安全隱患，鼓風(fēng)爐內(nèi)襯與高溫鉛水、爐渣長時(shí)間接觸，受到主流沖刷和爐渣侵蝕，內(nèi)襯被侵蝕不僅會(huì)降低鼓風(fēng)爐的壽命，還會(huì)增加鉛液中夾雜物的含量。冷卻壁也存在一些缺陷，如破損的水套不易發(fā)現(xiàn)、距離冷卻水稍微遠(yuǎn)的位置冷卻效率較低，容易損壞等。熱風(fēng)管隨著鼓風(fēng)爐冶煉的強(qiáng)化和風(fēng)溫、富氧、頂壓水平的提高，耐火磚可能出現(xiàn)侵蝕、脫落，導(dǎo)致熱風(fēng)裝置會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)、發(fā)紅現(xiàn)象，如不及時(shí)維修會(huì)引起外殼燒穿，產(chǎn)生安全隱患，造成能源嚴(yán)重?fù)p耗和產(chǎn)量的下降。

據(jù)統(tǒng)計(jì)鼓風(fēng)爐常出現(xiàn)水套燒壞事故，每次事故出現(xiàn)后必須停爐換水套或修補(bǔ)水套，造成人力財(cái)物的浪費(fèi)，損失較大。立式熱風(fēng)爐體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行中不便檢修維護(hù)。目前主要依靠紅外測(cè)溫槍人工巡檢，這種檢測(cè)方式間隔時(shí)間長、不連續(xù)、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)給巡檢人員帶來重大的安全隱患。針對(duì)上述問題，筆者開發(fā)了鼓風(fēng)爐表面在線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)鼓風(fēng)爐水套及周圍冷卻壁實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于用戶有效制定鼓風(fēng)爐安全生產(chǎn)預(yù)防措施。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)不僅可用于鼓風(fēng)爐熱風(fēng)輸送管道及冷卻壁外表面溫度監(jiān)測(cè)，還可用于其它高溫物體熱表面溫度監(jiān)測(cè)，需滿足以下幾個(gè)需求。

(1) 需將整個(gè)冷卻壁和所有熱風(fēng)管覆蓋。

(2) 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無接觸測(cè)溫，能隨時(shí)獲取監(jiān)測(cè)畫面中任意位置的溫度。

(3) 當(dāng)爐體或其他被檢測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常溫度時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警和精準(zhǔn)定位。

(4) 存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，查詢和回放歷史數(shù)據(jù)，生成任意點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)的溫度變化曲線。

(5) 及時(shí)將報(bào)警信息推送至相關(guān)人員。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由爐體表面溫度參數(shù)采集、對(duì)執(zhí)行器的指令下發(fā)和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)模塊構(gòu)成，見圖1。系統(tǒng)前端安裝非接觸式紅外熱像傳感器，熱像服務(wù)器匯總爐體表面溫度信息，包括冷卻壁、熱風(fēng)管等設(shè)備表面溫度參數(shù)，通過GPRS/GSM接入無線網(wǎng)關(guān)后，將數(shù)據(jù)傳輸至上位管理平臺(tái)進(jìn)行分析，當(dāng)出現(xiàn)異常溫度時(shí)，自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，包括噴淋裝置、制冷通風(fēng)設(shè)備、聲光報(bào)警裝置等，并將報(bào)警信息發(fā)送至相關(guān)人員手機(jī)上。鼓風(fēng)爐現(xiàn)熔煉場(chǎng)高溫區(qū)域內(nèi)部溫度可達(dá)1400～1500 ℃，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及連接電纜均需進(jìn)行高溫防護(hù)處理。

圖1 熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)軟件采用紅外數(shù)字圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)(DDE)處理算法，用高速處理器先對(duì)原始鼓風(fēng)爐水套及周圍冷卻壁信息進(jìn)行處理，采用小波變換對(duì)溫升異常信號(hào)進(jìn)行局部分析，設(shè)置報(bào)警溫度值，實(shí)現(xiàn)冷卻壁和熱風(fēng)管損傷的可視化，用戶可自定義異常報(bào)警方式與聯(lián)系人。系統(tǒng)主要包括用戶權(quán)限管理、在線測(cè)溫及溫度補(bǔ)償、數(shù)據(jù)管理、溫度曲線分析、報(bào)警功能、自動(dòng)診斷、遠(yuǎn)程通知，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 熱像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)應(yīng)用

目前白銀有色金屬公司第三冶煉廠熔煉車間使用鼓風(fēng)爐主要用來熔煉金屬鉛和鋅，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)過程和熱交換過程，生成粗鉛、粗鋅、爐渣等流體產(chǎn)物和爐氣。

爐身整體分布16根熱風(fēng)管垂直放置、環(huán)狀排列，連接冷卻水套插入爐內(nèi)；熱風(fēng)管或冷卻壁一旦超溫，可能熱風(fēng)爐內(nèi)部的隔熱材料出現(xiàn)侵蝕較為嚴(yán)重的情況，若不及時(shí)采取措施可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故。針對(duì)鼓風(fēng)爐熱風(fēng)管前端連接的冷卻水套與周圍冷卻壁易發(fā)生故障且檢查難度大，通過紅外熱像技術(shù)手段對(duì)爐體表面進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，可助力企業(yè)排除安全隱患，確保正常生產(chǎn)。

2.1 紅外熱像系統(tǒng)

為提高圖像效果，紅外相機(jī)探測(cè)器為焦平面非制冷陣列FPA、60Hz幀頻，圖像分辨率為640×480，像元間距17 μm，波長范圍7.5～14 μm，熱靈敏度50 mk@30 ℃，測(cè)溫范圍為-20～+2 000 ℃，DC24V供電，RS485串口通信。

整個(gè)鼓風(fēng)爐需要監(jiān)測(cè)的冷卻壁和熱風(fēng)管位于其二層平臺(tái)上，整個(gè)冷卻壁上共有16根熱風(fēng)管，采用6臺(tái)紅外熱像設(shè)備環(huán)繞實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。爐身長8.4 m左右，熔煉區(qū)熱風(fēng)管高2.8 m左右，因此紅外熱像設(shè)備分別安裝在在距離熱風(fēng)管5～10 m、靠近平臺(tái)邊緣的安全區(qū)域。具體安裝位置如圖3示。

圖3 熱像儀安裝示意圖

(1) 位置1:在2號(hào)熱風(fēng)管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測(cè)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)熱風(fēng)管區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槿蹮拝^(qū)，溫度較高，需采用風(fēng)冷防護(hù)層降溫，在線熱成像儀采用50°視場(chǎng)角。

(2) 位置2：在5號(hào)熱風(fēng)管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測(cè)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)熱風(fēng)管區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槿蹮拝^(qū)，溫度較高，需采用風(fēng)冷防護(hù)層降溫，在線熱成像儀采用50°視場(chǎng)角。

(3) 位置3：在7號(hào)與8號(hào)熱風(fēng)管之間向外10 m左右位置安裝，觀測(cè)7號(hào)、8號(hào)熱風(fēng)管區(qū)域，在線熱成像儀采用25°視場(chǎng)角。

(4) 位置4:在10號(hào)熱風(fēng)管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測(cè)9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)熱風(fēng)管區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槿蹮拝^(qū)，溫度較高，需采用風(fēng)冷防護(hù)層降溫，在線熱成像儀采用50°視場(chǎng)角。

(5) 位置5：在13號(hào)熱風(fēng)管之間向外5.3 m左右位置安裝，觀測(cè)12號(hào)、13號(hào)、14號(hào)熱風(fēng)管區(qū)域，該區(qū)域?yàn)槿蹮拝^(qū)，溫度較高，需采用風(fēng)冷防護(hù)層降溫，在線熱成像儀采用50°視場(chǎng)角。

(6) 位置6：在15號(hào)與16號(hào)熱風(fēng)管之間向外10 m左右位置安裝，觀測(cè)15號(hào)、16號(hào)熱風(fēng)管區(qū)域，在線熱成像儀采用25°視場(chǎng)角。

2.2 熱像系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)檢測(cè)流程圖

為實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)爐不停機(jī)巡檢維護(hù)，通過使用紅外熱像儀在爐壁表面在線監(jiān)測(cè)，設(shè)備可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境溫度自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以滿足不同溫度環(huán)境下的測(cè)溫需求；對(duì)鼓風(fēng)爐熱風(fēng)管外壁和冷卻壁不同部位可分別設(shè)定監(jiān)測(cè)報(bào)警區(qū)域，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立測(cè)溫及獨(dú)立報(bào)警。按照鼓風(fēng)爐日常實(shí)際生產(chǎn)維護(hù)信息設(shè)定不同部位的高溫報(bào)警值和溫升報(bào)警值，將各溫度測(cè)量值與預(yù)設(shè)報(bào)警值實(shí)時(shí)比較，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域超過預(yù)設(shè)值時(shí)報(bào)警，啟動(dòng)相應(yīng)冷卻裝置，記錄報(bào)警數(shù)據(jù)，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送給工作人員。通過與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的冷卻壁缺陷、隔熱材料缺陷、熱風(fēng)裝置缺陷等數(shù)據(jù)信息對(duì)比分析，預(yù)判故障類型并跟蹤分析事故原因。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)熔煉區(qū)冷卻壁溫度在65 ℃左右，而熱風(fēng)管溫度則較高，直管在200 ℃左右，接頭處溫度在400 ℃左右，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明熱風(fēng)管處溫度遠(yuǎn)高于冷卻壁溫度，熱風(fēng)管末端水套與爐體冷卻壁連接處是系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

圖5 紅外熱像圖

3 結(jié) 語

白銀有色金屬公司第三冶煉廠熔煉車間鼓風(fēng)爐，應(yīng)用紅外熱像溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線全方位高精度測(cè)量爐體表面溫度，系統(tǒng)設(shè)備無人化操作24 h運(yùn)行，自動(dòng)檢測(cè)爐體表面溫度，值守人員可以清晰地觀察到爐壁表面溫度變化情況，適時(shí)調(diào)整熱風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫，使?fàn)t子處于最佳工作狀態(tài)，達(dá)到高產(chǎn)，并提高爐子使用壽命。

鼓風(fēng)爐改造后，熔煉車間監(jiān)控室操作工每個(gè)班次減少1名，替代并節(jié)省2～3人作業(yè)成本。爐子停工放炮檢修周期從3～5天延長至12～15天，減少了鼓風(fēng)爐停工時(shí)間和故障發(fā)生率，提高爐子熔煉粗鉛、粗鋅和其他物質(zhì)的產(chǎn)量，確保鉛鋅熔煉生產(chǎn)安全可靠運(yùn)行。