曾敏学
摘要 ：新钢 10 号高炉采用北京神网 SW-FK 型风口成像摄像仪统对风口进行实时监控，该系统将获取的风口内部视频传输至中控室，操作人员通过视频画面监控风口焦炭分布情况、喷煤流股情况和其他异常状况。操作人员通过风口图像分析软件，可以获得风口摄像系统对炉况监控、异常情况处理及对高炉操作具有重要的指导作用。
关键词 ：高炉 ；喷煤 ；风口监测 ；风口摄像 ；图像分析
炼钢生产为社会发展提供了重要原材料。现阶段我国的钢铁生产行业正处于产业结构升级、产品不断更新换代阶段，在炼钢生产流程高效化，提高炼钢生产水平势在必行。在科学技术创新发展的推动下，大型高炉的自动化水平快速提升，对生产作业管理的具体方式方法也提出了新的要求。目前在高炉冶炼过程中，对风口的监视大多是采用人工巡检并配合风口喷煤设备的自动检测方式完成的，这种方式存在明显缺陷，不仅增加了工人的劳动强度和隐患，而且喷煤设备的自动检测也只是对喷煤管的工作状态进行检测，并不是对风口的工作状态的直接监视。同时由于没有合适的记录设备，不能将正常生产情况或风口等事故情况实时记录下来，也就没办法进行高炉操作经验交流或事故分析，但随着高炉大型化，值班室与风口平台的距离也较远，以滤光镜为工具对风口窥视孔进行定时监控以确定大型高炉的运转情况这种传统管理手段已经无法满足当前生产管理的实际需求，而这种传统方式所存在的实时性差、工作量大、连续性差等问题也将导致工作质量很大程度上取决于相关人员的态度和能力，导致了比较突出的主观风险和滞后性风险，往往无法及时发现和有效处置高炉风口堵塞、喷煤不均等异常问题，对高炉正常生产运转造成了不利影响。高炉多个风口处增设了喷枪支管，各支管设置位置与高炉接近风口长度有一定距离，导致每个风口的送风量不同，特别是距离分配器最远与最近的风口，送风差异更大，对炼钢高炉运行造成一定影响。基于新型微摄像技术的功能优势，能获取更加可靠、更高质量的成像结果，因此能够为高炉风口监控管理提供一种更加科学有效的工具，结合相关图像分析软件能够及时、准确的分析和确定煤粉流分布、风口工作状态等数据，用于指导生产操作和工艺分析。
新钢 10 号高炉（2500m3 ）于 2009 年 11 月 8 日开炉，设有 30个风口，3 个铁口。2019 年 10 月份，利用检修机会，引入摄像系统对风口监控系统进行优化和改进。目前，该系统运行整体良好，为高炉生产管理和风险监测提供了一种积极有效的工具。
1 风口摄像系统的组成
本风口摄像系统实现了风口生产状况的动态监测。由上述系统原理图可知，摄像装置具体以风冷保护装置为安装区域，并经连接件连接至风口。摄像头的调节与控制通过调节螺栓（3 个）实现，以满足不同观测、监控角度的需求。风冷保护装置具体经尾线连接至现场模块盒，并将视频图像传输装置安装在模块盒里具体实现视频信号由监控现场向中控机房的传输。在中控机房中部署视频信号接收装置（3 个），集中接收和处理风口监控系统所采集、传输的视频图像，结合图像分析软件处理、分析和存储相关视频图像，为生产监控和管理提供所需数据信息。基于以上系统设置方案，能够在中控机房实现对高炉风口运行状态的远程监控，在充分保证系统运行质量的基础上切实有效的提升了高炉生产的稳定性和效率性，从而为增产增收目标的实现提供了有效保障。
1.1 风口成像设备
风口摄像仪安装在风口窥孔上。每两个风口之间，由风口上方的热电偶布线槽平台处向下敷设一根穿线管，其下端据风口平台 2 左右，并在焊接丝头处安装防爆接线盒。气路管线的敷设方法为 ：冷却用压缩空气主管供气端设置控制球阀，在阀门下面增加一个环管，开孔以后将风口间进行焊接，由此来将冷却风进行输送，穿线管旁边以平行方式，敷设一根管路，在下端进行丝头的焊接。通过截止阀、金属软管连接在防爆接线盒上，网线一端穿入穿线管进入防爆接线盒，另一端通过布线槽连接到主控室的监控设备处。
风口摄像技术是为满足大型高炉生产需要—一为高炉操作者提供准确、及时的风口信息而发展起来的新技术。对高富氧大喷吹的高炉，风口摄像技术显得更加重要，在国内一些大型高炉普遍使用。SW-FK 型风口成像摄像仪是最新研制的监测高炉风口实况的高科技产品，该设备具有体积小、质量轻、安装调试方便、图像清晰、信号传输稳定等特点。
1.2 风口成像的流程
在高炉风口位置，设置成像摄像仪，利用其分光器设备，可将目镜对风口状况进行观察，再利用专用摄像机，把视频信号作为风口图像载体，向高炉主控室传递，利用分屏技术来显示每个风口图像，监视器可以对相关图像进行监控，对于工长来说，只要在主控室内就可以将每个风口图像进行实时监控，主要针对焦炭运动、煤粉喷枪等进行检测，及时发现渣皮或冷料下落的异常炉况，为工长提供及时完整的高炉圆周方向的炉况信息。图像处理系统用计算机对图像进行处理和分析，可以将各个风口温控、喷煤等现象及时掌握，对高炉风口、喷煤系统运行形态全面了解，对高炉操作有定量指导作用。
1.3 焦距成像的性能指标
由于高炉每个风口位置都有摄像头的安装，构成风口摄像系统以后，可以将视频信号向主控室传递，以分屏技术来监控不同风口工况，这是实现高炉操作有效信息的获取方式。采用画面分割技术，在主控室工长可以直观地查看各个风口的动态图像。风口是可以随时观察炉内情况的地方，风口图像可以反映炉缸热状态，下料和煤气流分布状况，并且可以较早地预示炉况趋势，故对炉况判断十分重要。
2 风口成像技术
2.1 风口成像的基本概念
高炉风口工业电视设备，它直接高炉风口观察孔处，以原装进口摄像机、针孔镜头等，直接在风口位置安装，由此来获取实时图像，向操作室硬盘录像机输送，并以分割显示的方式，可以直接在控制室内来监控风口工况。主要观察的是煤粉碳射方向、角度、燃烧、火焰亮度等。特别是对喷爆管、风口疑损等的观察，可以将喷煤枪是否出现堵塞，是否存在下部塌料等现象进行确定，如果有异常现象发生，由此来进行具体情况的确定，对焦碱运行、下料等情况及时掌握，对回旋区活跃性进行判定。这有利于操作者对高炉各项信息快速获取，直接找到问题所在，对高炉内部具体情况实时观察，来将风口异常现象及时处理。这有利于风口及喷煤故障的合理减少，可实现系统减风、休风等快速达成，避免非正常状态发生，这对于高炉产量、安全系数的提升，都有很好的作用。
2.2 风口成像的主要特点
该系统采用无线传输技术、监测系统与高炉风口窥视孔连接，不改变风口原有结构，安装拆卸简单、方便、易维护，改善了以前操作工只能到现场通过高炉风口直径 15mm窥视孔观察风口回旋区燃烧带的状况。
2.3 风口成像的性能评价指标
高炉风口成像监测系统的研究现状、设计原理、系统组成和系统测试。对系统作用分析后，我们认为这是将具体风口运行状态进行实时监控的设备，可以将亮度、活跃性、喷煤情况、破损现象等，在屏幕上全部显示出来，提高操作的准确性．利用数字图像处理技术对回旋区火焰图像进行处理，得到了回旋区内的温度分布．实验室测试结果表明，对图像进行数字化温度分析，要保证误差率控制到 3% 的水平，确保系统能符合工程实际标准。
2.4 高炉风口成像摄像仪作用
10号高炉风口成像摄像仪的作用是通过安装在 30个风口窥孔摄像仪，来对风口实际情况进行观察，并实时摄像，采用计算机来传输风口图像，并保存到主控室系统中，由此来完成相关图像内容的处理与分析，将有利于高炉生产有效信息提炼出来。以图文界面来直观展现数据信息。根据数学模型的使用，来对图像灰度实施定量分析，根据热辐射定律，来把灰度值向图像各个点温度值转化，表现形式为伪彩图、温度趋势图等，对风口工况为定量描述。同理，以定量分析法来处理喷煤图像，并将喷煤量描述出来，以趋势图将高炉风口喷煤现象表达得出，对操作者来说，可以由此判断风口喷煤状态，以及风口明亮活跃程度变化情况。
我们可将炼钢高炉风口摄像看作是一个“黑箱”，摄像装置中有一个窥视孔，通过窥视孔可以观察到高炉内部燃烧情况。高炉风口回旋区域下料状况、送风速度都可依靠风口摄像系统。高炉添加燃料后，每个风口燃料燃烧情况、是否出现停止燃烧、喷枪是否有堵塞情况都可以通过风口进行观察。高炉运行可在控制室完成对其操作，高炉有多个风口，观测视野受到限制，同时因观测距离高炉炉体的距离较近，风口周围处于高温环境下，且含有较大粉尘量，这些客观因素都影响了工作人员对高炉风口情况观察，为高炉控制操作增加了难度，影响工作效率。随着科技发展，高炉风口观测方式已经无法满足工业生产实际需求，设计了一个高炉风口摄像系统，该系统融合了激光监测技术、风口探针技术。通过分析喷吹燃料燃烧情况来判断风口前焦炭粒度分布状况。风口探针技术是一种非连续监测技术，此种技术是在风口回旋区插入探测器，以精准测得风口前气体温度、压力以及深度，可以全面了解高炉内部运行情况。在送风管内加设探针，可以改变送风质量和风温，干扰回旋区域。风口循环去激光检测技术可通过向风口循环区发射激光与接收反射激光来测得高炉风口循环区的深度，高炉增加该装置后运行效果更佳。
3 风口实时摄像的应用
3.1 高炉中控室风口图像显示
借助摄像监控装置，管理者能够对风口实时状态进行直观、清晰的观察和分析，便于管理者对高炉的运行状况进行分析和把握，为风险识别、管理控制等工作提供了准确依据。
3.2 直接判断高炉圆周进风情况分析
借助该监控系统，工长能够及时准确的把握风口温度、喷煤速度等信息，为高炉运转状况的分析和判断提供了准确依据。其中，煤气流量、缸周气流分布等要素是关键所在。若存在风量不足的问题，则会导致喷煤效果价差，在影响气流分布均匀性的同时也会对操作炉型造成不利影响，进而导致作业效率下降的问题。在对风口喷煤状况进行实时观测的基础上，能及时发现喷煤风险，能够对高炉圆周进风状态进行分析判断，针对性的采取处置措施从而降低生产风险，为正常的生产作业提供有效保障从而实现高炉生产的稳定性与安全性。
风口摄像系统基本功能根据高炉正常运转的基本要求，风口摄像监控系统涵盖了如下功能 ：
（1）高炉运转状态下，进风量、燃料燃烧相关数据进行采集并显示。
（2）对高炉风口送风过程做成视频图像，工作人员更能直观了解高炉周围送风情况。
（3）系统一旦测试出进风异常，可发出报警警示。
3.3 特殊情况下旳风口判断
比如炉况难行、高炉悬料、渣皮脱落等 , 风口会出现升降、挂渣 ,会出现风口破损 ,通过风口成像技术都可以观察出来。
3.4 及时发现风口漏水现象
在具体作业管理环节，需要对风口焦炭运动特征进行观察分析，及时风险破损风险。而风口小套的水渣则将成为代表性的风险表现。
3.5 直接判断高炉炉缸工作均匀与稳定情况
根据高炉的炉缸运行模式来看，要保持良好状态，既要控制煤气流的径向分布，还要保持炉缸圆周的气流均匀分布。由于炉缸是长时间运行的，所以圆周工作很容易出现不均匀现象，因此也会有部分侵蚀高炉的情况。大型高炉的炉缸直径大，如果风口的风量不足，对中心并不能有效吹透，气流分布不均匀的现象由此发生，操作炉型被破坏。根据图像观察结果来看，各个风口动态图像能以直观的方式，将高炉圆周进风现象快速确定，有利于送风制度进一步优化。鼓风动能合理的风口，工作均匀活跃，风口前无升降、挂渣等现象，风口破损少。通过观察风口前焦炭运动情况，下料情况，以及长时间的风口数据的收集、整理和调整，以保证高炉炉缸工作均匀与稳定。
3.6 在线监测风口渣皮活动状况
结合生产实践结果来看，如果高炉运行情况处于长期稳定状态，则可以顺利实现高产低耗，对高炉渣皮来说，有利于使用寿命的延长。稳定渣皮的存在可以减少炉内向冷却壁传热，可以有效的保护冷却壁、延长冷却壁使用寿命。如果出现异常现象，具体的处理办法要考虑到高炉本身热负荷问题，不可出现过大的负荷变化幅度，这容易对渣皮造成反复脱落的现象，对高炉安全使用造成隐患。要考虑到冷却制度、壁温等，由此来确保渣皮形成及存在的稳定。同时，送风制度、装料制度、炉渣碱度、黏度、熔化和溶化性温度、炉渣成分等因素也决定着渣皮的稳定存在。通过安装在风口的摄像头可即时在线观测风口渣皮活动状况，有利于工长及时采取措施，有效避免铁水低温高硫事故的发生。同时通过观测风口渣皮活动状况，可及时对装料制度、送风制度、冷却制度、炉渣成分等做出调整，为炉况稳定顺行、高炉长寿创造了条件。
3.7 避免风口灌渣
对高炉冶炼过程分析时，发现风口增加时，主控室很可能出现距离风口平台上百米的位置，以人工来对风口运行状态进行观察，根本不能满足大型高炉使用需求，特别是如果有异常现象发生，则风口受到渣皮、冷料等的堵塞很难在短时间内被观察到，有可能造成严重的恶性生产事故。
新钢 10 号高炉风口数量是 30 个，且高度比较低，人工观察必须弯腰探入其中，这导致每次巡视时间都很长，需要工人消耗大量体力。尤其是在高炉休风或坐料时，不能及时发现涌渣风口并处理，极易造成风口灌渣事故。采用风口成像技术后，风口工作状况可在线监测，发现风口异常时可及时处理，有效避免灌渣事故的发生。
4 使用效果
以分光装置来辅助风口摄像仪，有利于现场直接观察，在主控室内就可以对图像进行监控，也可以远程传送图像 ；特制的金属外壳摄像机，工作稳定可靠，寿命长 ；采用螺栓三点固定，摄像机卡在风口窥视孔螺母上，不改变原有风口结构，拆装方便、快捷；特制的调节装置，且配有检修调试插口，调节方便，操作简单 ；采用插接式联接方式，拆装方便快捷 ；风冷防护，能使其在高温、高粉尘等恶劣环境下长期稳定地工作。风口摄像仪的使用为高炉生产提供了方便，是大型高炉风口监控的有效措施。
该摄像系统的科学应用，将实现了风口工作状况的现场及远程监控，充分保证了监控工作的及时性与准确性。借助该摄像系统，管理人员能够对风口的运行情况进行实时监测，可以及时发现生产风险并针对性的进行处理，从而有效降低了生产风险并显著提升了生产效率。
风口摄像仪，主要作用是对回旋区工作状态进行观察，有利于高炉使用和运行的稳定，改变人员观察的方式，有利于通过定性分析方法，对图像代表的实际情况进行说明，由此来对风口数据进行定量客观的分析。这是实现高炉风口图像以计算机处理的重要前提。
由于这种图像处理系统可以通过计算机来监控多个风口，采集巡回图像时，对相关信息进行处理，由此来计算高炉生产效率，以友好度较高的图文界面对信息进行直观显示。
本次研究采用的是数学模型，对图像灰度实施定量分析，根据热辐射定律，来把灰度值向图像各个点温度值转化，表现形式为伪彩图、温度趋势图等，对风口工况为定量描述。同理，以定量分析法来处理喷煤图像，并将喷煤量描述出来，以趋势图将高炉风口喷煤现象表达得出，对操作者来说，可以由此判断风口喷煤状态，这是实现对高炉风口工作状态全面掌握的重要工序，有利于对喷煤系统及风口位置的具体工作状态判定得出，对高炉操作有很好的指导作用。
高炉风口图像处理系统，主要优势在于可以通过实时监控的方式对图像进行监测，由此来绘制风口温度、喷煤量等的曲线模式，对操作人员来说，可以根据相关图像及数据的采集、查询，来完成对风口工况的历史数据应用，有利于指导当前高炉运行。
5 结语
新钢 10 号高炉应用北京神网 SW-FK 型风口成像装置，在充分发挥该专业摄像装置优势性能的基础上实现了风口视频信号的动态采集和传输，实现了监测结果的可视化输出和远程监控，因此极大提升了生产管理效率和质量，为生产风险的及时发现提供了一种科学有效的工具，也为高炉生产的现代化、信息化管理提供了一种更好的选择。