旋轉雷達技術在南鋼高爐的應用

肖國才

（南京鋼鐵集團公司第一煉鐵廠）

1 背景

高爐生產是鋼鐵冶煉的重要環節，料面具有良好的形態對提高生產效率、降低燃料比具有重要意義。而在高溫、高壓、高粉塵、振動、強氣流沖擊的黑暗環境中進行固體表面的形狀精確測量，檢測技術需具有穩定、準確、實時的特點。旋轉雷達監測技術，可以在完全黑暗和高粉塵環境等惡劣工況下，準確描述出料面各點的高度，從而真實的反映高爐料面的形狀，實現爐內料面信息的透明化與可視化。

高爐操作技術主要體現在高爐綜合制度的合理性和匹配性。在高爐原燃料條件好的情況下，高爐的穩定性好，操作制度相對較寬。原燃料質量將低，通過操作技術改進，適應較寬的原燃料條件，也是高爐技術水平不斷提升的真正內涵。高爐旋轉雷達料面料形檢測技術，為高爐探索合理的操作制度和開發智能運用平臺奠定了基礎，推動高爐操作技術進步。

2 旋轉雷達檢測裝置

2.1 系統的構成

硬件包括（1）機械擺動雷達；（2）信號傳輸系統；（3）信號處理系統;（4）雷達運動控制及料面顯示系統。

軟件包括（1）工業雷達測量；（2）數據傳輸；（3）成像算法；（4）料形分類管理。

2.2 系統結構與功能說明

整個高爐料面測量系統采用一體化設計，包括雷達測距系統、機械傳動系統、現場通信系統及上位機軟件系統，其中：

(1) 雷達測距系統主要完成發射微波信號、接收回波信號以及對回波信號進行信號處理獲得料面原始信息；

(2) 機械傳動系統主要完成使系統達到穩定掃描多半個料面信息的機械設計；

(3) 現場通信系統主要實現從現場到中控室的信號傳輸，以及中控室計算機對伺服電機的運動控制。

(4) 上位機軟件系統實現對信號的采集分析與料面的成像監測。整個系統結構見圖1。

圖1  旋轉雷達料面測量系統

3 旋轉雷達在高爐生產中的作用

3.1 精準檢測、實現可視化,有利于統一操作思想

為使高爐生產達到高效、優質、低耗、長壽的目的，須根據高爐使用的原料,燃料條件、設備狀況以及冶煉的鐵種，制定基本操作制度。它包括熱制度、造渣制度、送風制度和裝料制度。各項基本操作制度之間彼此有內在聯系，制定基本操作制度時要綜合全面考慮。在高爐的實際生產過程中，送風制度、造渣制度、熱制度都相對比較穩定，爭議最大的是裝料制度，布料的邊緣落點、布料平臺的位置、寬度、漏斗的大小和深度坡度，料面的形狀都無法準確獲取，導致操作思想的不統一，調整的方向不一致，靠經驗憑感覺看職位納意見定奪，容易出現爐況波動、反復，而雷達料形的精準檢測，實現了透明化和可視化，可以少走彎路，統一思想，提高了操作人員對高爐的認識。

3.2 以合理的料形為指導，有利于探索上、下部相適應的操作制度

3.2.1 上、下部操作制度匹配原則

   高爐上、下部制度適應與否，直接關系到高爐的順行度、技術經濟指標的優劣。下部送風制度和上部裝料制度遵循“下部制度為主，上部制度為輔”的基本原則。不同生產條件，不同的爐型，操作制度必然不同，但必須符合送風制度和裝料制度的基本原理，實現穩定合理的煤氣流分布。操作制度是否合理，根據生產實踐，可以參考以下三個方面進行判斷：（1）高爐穩定順行：長期保持穩定順行，原燃料適應范圍較寬，外界影響不會導致爐況失常。（2）良好透氣性：風壓穩定，風量風壓匹配，下料均勻，爐缸活躍。（3）較高煤氣利用率：煤氣流分布合理而且規律性強，高爐燃料消耗低。

3.2.2 下部制度探索

下部送風制度是基礎，最重要的衡量參數是鼓風動能，回旋區長度、爐腹煤氣量。鼓風動能是風量、風壓、風溫、風口面積、濕度、噴煤參數相融合的綜合指標，高爐的爐容或爐缸的直徑決定了鼓風動能的合理范圍（見圖2）。鼓風動能決定了風口前燃燒帶的大小和形狀，反應高爐下部爐缸的工作狀態，對初始煤氣流分布和爐料下降都有很大的影響。回旋區的大小，使徑向煤氣流分布合理，保證一定中心氣流，使死料柱保持一定的溫度，提高透氣和透液性，活躍爐缸。風量與風口面積，兩者相互關聯又相互制約，對下部送風制度起主導作用。

圖2 不同爐容大小高爐合理鼓風動能和最佳回旋區深度

3.2.3 上部制度的探索

上部裝料制度的作用，根據下部送風制度，選擇合理布料參數，按照“制衡”的原則，采取疏導和壓制措施，使煤氣流分布均衡，提高煤氣利用率。上部裝料制度的技術對策：

（1）確定準確邊緣落點位置：大型高爐上部布料控制適宜邊緣氣流對合理煤氣流分布有重要作用，我們基本都依賴于開爐前靜態下的布料測試，如圖3。從高爐透氣性的角度，邊緣通過的煤氣量遠遠多于中心，保證一定邊緣氣流對改善透氣性有利。從煤氣流分布的角度，大型高爐因爐缸直徑大，中心不易吹透，或者高煤比、高富氧等冶煉，邊緣氣流容易發展，適宜的邊緣氣流是上部布料基礎。邊緣起始角大，爐料與爐墻碰撞，形成反彈混合料層，易造成邊緣圓周氣流分布不均勻，甚至產生管道，并且形成大漏斗料面，由于爐料沖擊，在漏斗的斜坡形成大面具混料層，不利于高爐透氣，而且滾入爐中心的爐料量不穩定，導致中心氣流頻繁波動。邊緣起始角過小，在邊緣形成小斜坡，不利于邊緣氣流控制，易造成邊緣氣流發展，并且易引起中心漏斗小，使中心氣流受抑制。可見，確定無料鐘爐頂布料準確邊緣落點位置是形成穩定料面形狀的基礎。

（2）形成穩定平臺漏斗結構：根據實踐及相關布料研究，形成一定寬度平臺結構，有利于高爐煤氣流穩定和合理分布。高爐布料邊緣平臺結構，可以保證邊緣礦焦均勻穩定層狀分布，邊緣氣流均勻穩定。中心按自然堆角形成一定深度漏斗，可以保證中心煤氣流相對穩定。平臺漏斗料面形狀，確保兩道氣流，兩道氣流平衡與發展程度，對軟熔帶形狀，煤氣阻力，對爐墻的侵蝕，對原料的要求都有極大的影響，如圖4，如何控制平衡好兩道氣流，可以改善高爐透氣性和高爐穩定順行，有可以獲得較好的技術經濟指標。



圖4  不同裝料制度對應不同的煤氣流

（3）選擇合理批重范圍：從高爐工藝原理看，高爐內壓損梯度最大在軟熔帶位置，保持一定焦窗可以降低壓差。大批重對穩定煤氣流、避免流態化，改善上部煤氣利用，提高煤氣利用率有重要作用。

3.3 相匹配的操作制度，有利于高爐的穩定順行

3.3.1 相匹配的操作制度，塑造合理的操作爐型

   合理的操作爐型是爐況穩定順行的基礎，是低硅低硫冶煉的前提。高爐日常操作爐型控制方針是爐墻既不發生大量黏結，又無過快侵蝕。在保持操作爐型相對合理的同時，適當控制邊緣煤氣流，降低高溫區高度，使軟熔帶根部在合理的高度，盡量降低滴落帶高度和縮短鐵滴下降的行程，進而達到抑制硅的還原，降低【si】的目的。

3.3.2 相匹配的操作制度，降低設備故障

   高爐合理的操作制度，與原燃料條件，高爐爐型相適應的的操作制度，合理的氣流分布，既改善煤氣利用，又提高了順行度，對爐體的冷卻設備、高爐的長壽提供了保障，杜絕了布料傾角過大，物料磨損鋼磚，流槽斷裂，溜槽磨損漏料，更換溜槽后爐況波動，既保護了設備，又減少事故，最終實現高爐的穩定順行、優質、低耗、長壽。

4 雷達料面檢測技術的實際案例

南鋼3號高爐自2017年12月旋轉雷達投用以來，通過料形與布料矩陣結合，逐步對裝料制度進行調整，調整過程見表1。通過雷達料形的檢測，發現平臺位置過于靠近邊緣，通過平臺位置調整，中心焦比例的調整，全壓差下降8～10kpa，下料情況明顯改善，兩道氣流平衡以后，煤氣利用提高3%，燃料比下降15kg/tfe。

5 高爐料面雷達檢測技術的發展展望

在線可視化的高爐料面雷達檢測技術，準確、實時的料面信息，能夠使操作者非常直觀、方便的掌握氣流的變化，以及布料矩陣變更對料面形狀的影響，為高爐操作者把握高爐運行規律提供了有利的依據。

高爐料面雷達檢測技術已經開發料層下降仿真，高爐徑向礦焦比，高爐徑向物料權重比，高爐徑向下料速度等等數學模型，后面還可以開發圖像識別技術，回歸閉環自學習布料模型，建立與料形與溫度場的對應關系，尋找最優的高爐操作制度，推動煉鐵技術的發展。