曾敏學
摘要 ：新鋼 10 號高爐采用北京神網 SW-FK 型風口成像攝像儀統對風口進行實時監控，該系統將獲取的風口內部視頻傳輸至中控室，操作人員通過視頻畫面監控風口焦炭分布情況、噴煤流股情況和其他異常狀況。操作人員通過風口圖像分析軟件，可以獲得風口攝像系統對爐況監控、異常情況處理及對高爐操作具有重要的指導作用。
關鍵詞 ：高爐 ；噴煤 ；風口監測 ；風口攝像 ；圖像分析
煉鋼生產為社會發展提供了重要原材料。現階段我國的鋼鐵生產行業正處于產業結構升級、產品不斷更新換代階段，在煉鋼生產流程高效化，提高煉鋼生產水平勢在必行。在科學技術創新發展的推動下，大型高爐的自動化水平快速提升，對生產作業管理的具體方式方法也提出了新的要求。目前在高爐冶煉過程中，對風口的監視大多是采用人工巡檢并配合風口噴煤設備的自動檢測方式完成的，這種方式存在明顯缺陷，不僅增加了工人的勞動強度和隱患，而且噴煤設備的自動檢測也只是對噴煤管的工作狀態進行檢測，并不是對風口的工作狀態的直接監視。同時由于沒有合適的記錄設備，不能將正常生產情況或風口等事故情況實時記錄下來，也就沒辦法進行高爐操作經驗交流或事故分析，但隨著高爐大型化，值班室與風口平臺的距離也較遠，以濾光鏡為工具對風口窺視孔進行定時監控以確定大型高爐的運轉情況這種傳統管理手段已經無法滿足當前生產管理的實際需求，而這種傳統方式所存在的實時性差、工作量大、連續性差等問題也將導致工作質量很大程度上取決于相關人員的態度和能力，導致了比較突出的主觀風險和滯后性風險，往往無法及時發現和有效處置高爐風口堵塞、噴煤不均等異常問題，對高爐正常生產運轉造成了不利影響。高爐多個風口處增設了噴槍支管，各支管設置位置與高爐接近風口長度有一定距離，導致每個風口的送風量不同，特別是距離分配器最遠與最近的風口，送風差異更大，對煉鋼高爐運行造成一定影響。基于新型微攝像技術的功能優勢，能獲取更加可靠、更高質量的成像結果，因此能夠為高爐風口監控管理提供一種更加科學有效的工具，結合相關圖像分析軟件能夠及時、準確的分析和確定煤粉流分布、風口工作狀態等數據，用于指導生產操作和工藝分析。
新鋼 10 號高爐（2500m3 ）于 2009 年 11 月 8 日開爐，設有 30個風口，3 個鐵口。2019 年 10 月份，利用檢修機會，引入攝像系統對風口監控系統進行優化和改進。目前，該系統運行整體良好，為高爐生產管理和風險監測提供了一種積極有效的工具。
1 風口攝像系統的組成
本風口攝像系統實現了風口生產狀況的動態監測。由上述系統原理圖可知，攝像裝置具體以風冷保護裝置為安裝區域，并經連接件連接至風口。攝像頭的調節與控制通過調節螺栓（3 個）實現，以滿足不同觀測、監控角度的需求。風冷保護裝置具體經尾線連接至現場模塊盒，并將視頻圖像傳輸裝置安裝在模塊盒里具體實現視頻信號由監控現場向中控機房的傳輸。在中控機房中部署視頻信號接收裝置（3 個），集中接收和處理風口監控系統所采集、傳輸的視頻圖像，結合圖像分析軟件處理、分析和存儲相關視頻圖像，為生產監控和管理提供所需數據信息。基于以上系統設置方案，能夠在中控機房實現對高爐風口運行狀態的遠程監控，在充分保證系統運行質量的基礎上切實有效的提升了高爐生產的穩定性和效率性，從而為增產增收目標的實現提供了有效保障。
1.1 風口成像設備
風口攝像儀安裝在風口窺孔上。每兩個風口之間，由風口上方的熱電偶布線槽平臺處向下敷設一根穿線管，其下端據風口平臺 2 左右，并在焊接絲頭處安裝防爆接線盒。氣路管線的敷設方法為 ：冷卻用壓縮空氣主管供氣端設置控制球閥，在閥門下面增加一個環管，開孔以后將風口間進行焊接，由此來將冷卻風進行輸送，穿線管旁邊以平行方式，敷設一根管路，在下端進行絲頭的焊接。通過截止閥、金屬軟管連接在防爆接線盒上，網線一端穿入穿線管進入防爆接線盒，另一端通過布線槽連接到主控室的監控設備處。
風口攝像技術是為滿足大型高爐生產需要—一為高爐操作者提供準確、及時的風口信息而發展起來的新技術。對高富氧大噴吹的高爐，風口攝像技術顯得更加重要，在國內一些大型高爐普遍使用。SW-FK 型風口成像攝像儀是最新研制的監測高爐風口實況的高科技產品，該設備具有體積小、質量輕、安裝調試方便、圖像清晰、信號傳輸穩定等特點。
1.2 風口成像的流程
在高爐風口位置，設置成像攝像儀，利用其分光器設備，可將目鏡對風口狀況進行觀察，再利用專用攝像機，把視頻信號作為風口圖像載體，向高爐主控室傳遞，利用分屏技術來顯示每個風口圖像，監視器可以對相關圖像進行監控，對于工長來說，只要在主控室內就可以將每個風口圖像進行實時監控，主要針對焦炭運動、煤粉噴槍等進行檢測，及時發現渣皮或冷料下落的異常爐況，為工長提供及時完整的高爐圓周方向的爐況信息。圖像處理系統用計算機對圖像進行處理和分析，可以將各個風口溫控、噴煤等現象及時掌握，對高爐風口、噴煤系統運行形態全面了解，對高爐操作有定量指導作用。
1.3 焦距成像的性能指標
由于高爐每個風口位置都有攝像頭的安裝，構成風口攝像系統以后，可以將視頻信號向主控室傳遞，以分屏技術來監控不同風口工況，這是實現高爐操作有效信息的獲取方式。采用畫面分割技術，在主控室工長可以直觀地查看各個風口的動態圖像。風口是可以隨時觀察爐內情況的地方，風口圖像可以反映爐缸熱狀態，下料和煤氣流分布狀況，并且可以較早地預示爐況趨勢，故對爐況判斷十分重要。
2 風口成像技術
2.1 風口成像的基本概念
高爐風口工業電視設備，它直接高爐風口觀察孔處，以原裝進口攝像機、針孔鏡頭等，直接在風口位置安裝，由此來獲取實時圖像，向操作室硬盤錄像機輸送，并以分割顯示的方式，可以直接在控制室內來監控風口工況。主要觀察的是煤粉碳射方向、角度、燃燒、火焰亮度等。特別是對噴爆管、風口疑損等的觀察，可以將噴煤槍是否出現堵塞，是否存在下部塌料等現象進行確定，如果有異常現象發生，由此來進行具體情況的確定，對焦堿運行、下料等情況及時掌握，對回旋區活躍性進行判定。這有利于操作者對高爐各項信息快速獲取，直接找到問題所在，對高爐內部具體情況實時觀察，來將風口異常現象及時處理。這有利于風口及噴煤故障的合理減少，可實現系統減風、休風等快速達成，避免非正常狀態發生，這對于高爐產量、安全系數的提升，都有很好的作用。
2.2 風口成像的主要特點
該系統采用無線傳輸技術、監測系統與高爐風口窺視孔連接，不改變風口原有結構，安裝拆卸簡單、方便、易維護，改善了以前操作工只能到現場通過高爐風口直徑 15mm窺視孔觀察風口回旋區燃燒帶的狀況。
2.3 風口成像的性能評價指標
高爐風口成像監測系統的研究現狀、設計原理、系統組成和系統測試。對系統作用分析后，我們認為這是將具體風口運行狀態進行實時監控的設備，可以將亮度、活躍性、噴煤情況、破損現象等，在屏幕上全部顯示出來，提高操作的準確性．利用數字圖像處理技術對回旋區火焰圖像進行處理，得到了回旋區內的溫度分布．實驗室測試結果表明，對圖像進行數字化溫度分析，要保證誤差率控制到 3% 的水平，確保系統能符合工程實際標準。
2.4 高爐風口成像攝像儀作用
10號高爐風口成像攝像儀的作用是通過安裝在 30個風口窺孔攝像儀，來對風口實際情況進行觀察，并實時攝像，采用計算機來傳輸風口圖像，并保存到主控室系統中，由此來完成相關圖像內容的處理與分析，將有利于高爐生產有效信息提煉出來。以圖文界面來直觀展現數據信息。根據數學模型的使用，來對圖像灰度實施定量分析，根據熱輻射定律，來把灰度值向圖像各個點溫度值轉化，表現形式為偽彩圖、溫度趨勢圖等，對風口工況為定量描述。同理，以定量分析法來處理噴煤圖像，并將噴煤量描述出來，以趨勢圖將高爐風口噴煤現象表達得出，對操作者來說，可以由此判斷風口噴煤狀態，以及風口明亮活躍程度變化情況。
我們可將煉鋼高爐風口攝像看作是一個“黑箱”，攝像裝置中有一個窺視孔，通過窺視孔可以觀察到高爐內部燃燒情況。高爐風口回旋區域下料狀況、送風速度都可依靠風口攝像系統。高爐添加燃料后，每個風口燃料燃燒情況、是否出現停止燃燒、噴槍是否有堵塞情況都可以通過風口進行觀察。高爐運行可在控制室完成對其操作，高爐有多個風口，觀測視野受到限制，同時因觀測距離高爐爐體的距離較近，風口周圍處于高溫環境下，且含有較大粉塵量，這些客觀因素都影響了工作人員對高爐風口情況觀察，為高爐控制操作增加了難度，影響工作效率。隨著科技發展，高爐風口觀測方式已經無法滿足工業生產實際需求，設計了一個高爐風口攝像系統，該系統融合了激光監測技術、風口探針技術。通過分析噴吹燃料燃燒情況來判斷風口前焦炭粒度分布狀況。風口探針技術是一種非連續監測技術，此種技術是在風口回旋區插入探測器，以精準測得風口前氣體溫度、壓力以及深度，可以全面了解高爐內部運行情況。在送風管內加設探針，可以改變送風質量和風溫，干擾回旋區域。風口循環去激光檢測技術可通過向風口循環區發射激光與接收反射激光來測得高爐風口循環區的深度，高爐增加該裝置后運行效果更佳。
3 風口實時攝像的應用
3.1 高爐中控室風口圖像顯示
借助攝像監控裝置，管理者能夠對風口實時狀態進行直觀、清晰的觀察和分析，便于管理者對高爐的運行狀況進行分析和把握，為風險識別、管理控制等工作提供了準確依據。
3.2 直接判斷高爐圓周進風情況分析
借助該監控系統，工長能夠及時準確的把握風口溫度、噴煤速度等信息，為高爐運轉狀況的分析和判斷提供了準確依據。其中，煤氣流量、缸周氣流分布等要素是關鍵所在。若存在風量不足的問題，則會導致噴煤效果價差，在影響氣流分布均勻性的同時也會對操作爐型造成不利影響，進而導致作業效率下降的問題。在對風口噴煤狀況進行實時觀測的基礎上，能及時發現噴煤風險，能夠對高爐圓周進風狀態進行分析判斷，針對性的采取處置措施從而降低生產風險，為正常的生產作業提供有效保障從而實現高爐生產的穩定性與安全性。
風口攝像系統基本功能根據高爐正常運轉的基本要求，風口攝像監控系統涵蓋了如下功能 ：
（1）高爐運轉狀態下，進風量、燃料燃燒相關數據進行采集并顯示。
（2）對高爐風口送風過程做成視頻圖像，工作人員更能直觀了解高爐周圍送風情況。
（3）系統一旦測試出進風異常，可發出報警警示。
3.3 特殊情況下旳風口判斷
比如爐況難行、高爐懸料、渣皮脫落等 , 風口會出現升降、掛渣 ,會出現風口破損 ,通過風口成像技術都可以觀察出來。
3.4 及時發現風口漏水現象
在具體作業管理環節，需要對風口焦炭運動特征進行觀察分析，及時風險破損風險。而風口小套的水渣則將成為代表性的風險表現。
3.5 直接判斷高爐爐缸工作均勻與穩定情況
根據高爐的爐缸運行模式來看，要保持良好狀態，既要控制煤氣流的徑向分布，還要保持爐缸圓周的氣流均勻分布。由于爐缸是長時間運行的，所以圓周工作很容易出現不均勻現象，因此也會有部分侵蝕高爐的情況。大型高爐的爐缸直徑大，如果風口的風量不足，對中心并不能有效吹透，氣流分布不均勻的現象由此發生，操作爐型被破壞。根據圖像觀察結果來看，各個風口動態圖像能以直觀的方式，將高爐圓周進風現象快速確定，有利于送風制度進一步優化。鼓風動能合理的風口，工作均勻活躍，風口前無升降、掛渣等現象，風口破損少。通過觀察風口前焦炭運動情況，下料情況，以及長時間的風口數據的收集、整理和調整，以保證高爐爐缸工作均勻與穩定。
3.6 在線監測風口渣皮活動狀況
結合生產實踐結果來看，如果高爐運行情況處于長期穩定狀態，則可以順利實現高產低耗，對高爐渣皮來說，有利于使用壽命的延長。穩定渣皮的存在可以減少爐內向冷卻壁傳熱，可以有效的保護冷卻壁、延長冷卻壁使用壽命。如果出現異常現象，具體的處理辦法要考慮到高爐本身熱負荷問題，不可出現過大的負荷變化幅度，這容易對渣皮造成反復脫落的現象，對高爐安全使用造成隱患。要考慮到冷卻制度、壁溫等，由此來確保渣皮形成及存在的穩定。同時，送風制度、裝料制度、爐渣堿度、黏度、熔化和溶化性溫度、爐渣成分等因素也決定著渣皮的穩定存在。通過安裝在風口的攝像頭可即時在線觀測風口渣皮活動狀況，有利于工長及時采取措施，有效避免鐵水低溫高硫事故的發生。同時通過觀測風口渣皮活動狀況，可及時對裝料制度、送風制度、冷卻制度、爐渣成分等做出調整，為爐況穩定順行、高爐長壽創造了條件。
3.7 避免風口灌渣
對高爐冶煉過程分析時，發現風口增加時，主控室很可能出現距離風口平臺上百米的位置，以人工來對風口運行狀態進行觀察，根本不能滿足大型高爐使用需求，特別是如果有異常現象發生，則風口受到渣皮、冷料等的堵塞很難在短時間內被觀察到，有可能造成嚴重的惡性生產事故。
新鋼 10 號高爐風口數量是 30 個，且高度比較低，人工觀察必須彎腰探入其中，這導致每次巡視時間都很長，需要工人消耗大量體力。尤其是在高爐休風或坐料時，不能及時發現涌渣風口并處理，極易造成風口灌渣事故。采用風口成像技術后，風口工作狀況可在線監測，發現風口異常時可及時處理，有效避免灌渣事故的發生。
4 使用效果
以分光裝置來輔助風口攝像儀，有利于現場直接觀察，在主控室內就可以對圖像進行監控，也可以遠程傳送圖像 ；特制的金屬外殼攝像機，工作穩定可靠，壽命長 ；采用螺栓三點固定，攝像機卡在風口窺視孔螺母上，不改變原有風口結構，拆裝方便、快捷；特制的調節裝置，且配有檢修調試插口，調節方便，操作簡單 ；采用插接式聯接方式，拆裝方便快捷 ；風冷防護，能使其在高溫、高粉塵等惡劣環境下長期穩定地工作。風口攝像儀的使用為高爐生產提供了方便，是大型高爐風口監控的有效措施。
該攝像系統的科學應用，將實現了風口工作狀況的現場及遠程監控，充分保證了監控工作的及時性與準確性。借助該攝像系統，管理人員能夠對風口的運行情況進行實時監測，可以及時發現生產風險并針對性的進行處理，從而有效降低了生產風險并顯著提升了生產效率。
風口攝像儀，主要作用是對回旋區工作狀態進行觀察，有利于高爐使用和運行的穩定，改變人員觀察的方式，有利于通過定性分析方法，對圖像代表的實際情況進行說明，由此來對風口數據進行定量客觀的分析。這是實現高爐風口圖像以計算機處理的重要前提。
由于這種圖像處理系統可以通過計算機來監控多個風口，采集巡回圖像時，對相關信息進行處理，由此來計算高爐生產效率，以友好度較高的圖文界面對信息進行直觀顯示。
本次研究采用的是數學模型，對圖像灰度實施定量分析，根據熱輻射定律，來把灰度值向圖像各個點溫度值轉化，表現形式為偽彩圖、溫度趨勢圖等，對風口工況為定量描述。同理，以定量分析法來處理噴煤圖像，并將噴煤量描述出來，以趨勢圖將高爐風口噴煤現象表達得出，對操作者來說，可以由此判斷風口噴煤狀態，這是實現對高爐風口工作狀態全面掌握的重要工序，有利于對噴煤系統及風口位置的具體工作狀態判定得出，對高爐操作有很好的指導作用。
高爐風口圖像處理系統，主要優勢在于可以通過實時監控的方式對圖像進行監測，由此來繪制風口溫度、噴煤量等的曲線模式，對操作人員來說，可以根據相關圖像及數據的采集、查詢，來完成對風口工況的歷史數據應用，有利于指導當前高爐運行。
5 結語
新鋼 10 號高爐應用北京神網 SW-FK 型風口成像裝置，在充分發揮該專業攝像裝置優勢性能的基礎上實現了風口視頻信號的動態采集和傳輸，實現了監測結果的可視化輸出和遠程監控，因此極大提升了生產管理效率和質量，為生產風險的及時發現提供了一種科學有效的工具，也為高爐生產的現代化、信息化管理提供了一種更好的選擇。