高爐料面測量技術綜述

摘 要： 高爐料面形狀信息對高爐布料的調節具有重要的參考價值，高爐料面測量這一技術難題逐漸成為研究熱點。結合國內外研究現狀，該文根據測量方式將高爐料面測量技術分為機械探尺、料面成像技術、激光料位測量技術以及雷達料位測量技術。機械探尺技術成熟，但只能對料位高度進行單點間斷測量。料面成像技術主要包括紅外成像和工業內窺鏡成像，能夠獲取料面表面溫度場或者可見光圖像，但難以直接測量料位高度且對粉塵穿透能力較弱。激光料位測量技術按照測量原理可分為相位法、脈沖法以及三角法，測量精度三角法最高，相位法次之，脈沖法最差。采用掃描技術可以將激光料位測量技術應用于料位二維剖面高度測量或者料位高度三維形貌測量，但仍然存在對粉塵穿透力弱的問題。雷達料位測量技術具有很好的穿透能力，但距離分辨率和角度分辨率較差。最后，展望基于三角法的激光料位三維測量技術以及具有高距離分辨率和角度分辨率的雷達料位高度三維測量技術，在未來具有良好的技術應用前景。

關鍵詞： 高爐料面; 機械探尺; 紅外成像; 工業內窺鏡; 激光掃描; FMCW 雷達

中圖分類號： TB9; TH711 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0001–16

0 引 言

鋼鐵是人類社會發展所不可或缺的重要金屬材料，鋼鐵工業是國民經濟的重要基礎產業，是建設現代化強國的重要支撐，是實現綠色低碳發展的重要領域[1]。高爐作為一種高能耗、高排放的大型設備，冶煉機理復雜，原料質量的惡化，阻礙了高爐的穩定工作和節能運行[2]。

高爐料面形狀是高爐工況的一定體現[3]，但由于高爐內部溫度高，超出了常規傳感器的工作范圍，同時高爐內部還存在著強煤氣流、粉塵密布等惡劣的環境因素，導致高爐內部無法直接進行觀測[4-5]。在這樣惡劣的環境下，需要結合適當的傳感器技術和信號處理算法，提高高爐料面測量的準確性和可靠性，通過對料面形狀的測定，可以了解高爐料層厚度和礦焦比的分布[6]，實現高爐料面的準確監測和控制。在重建高爐料面信息的過程中，不僅可以獲得高爐內部物料分布的詳細數據，還能夠同步反演出高爐內部物料在加熱和反應過程中的熱量傳遞規律以及物質流動特性。根據這些特性推斷出高爐內部氣體、液體和固體的分布和流動情況。這些信息對于優化高爐運行參數、提高生產效率、降低能耗以及減少環境污染等方面都具有重要的意義。

早期的高爐操作主要依靠風溫、機械探尺等數據來估計料面分布并調整布料策略，然而這種做法往往帶有經驗性和主觀性。目前高爐料面測量主要是機械探尺、紅外成像、工業內窺鏡、激光以及微波毫米波雷達等方法。機械探尺通過調整電動機控制力矩從而使探頭平穩地浮在料面之上，并且可以跟隨料面下降，根據對探頭下降深度的計算得到料面位置。紅外成像利用紅外輻射的熱能來獲取物體的圖像信息。工業內窺鏡是一種用于檢測和觀察工業設備內部的裝置，它通常由一個靈活的光纖束和一個光學鏡頭組成，可以傳輸光線并將圖像傳回給觀察者。高爐料面激光成像技術是一種利用激光掃描和成像技術來獲取高爐內部料面狀態的方法。雷達可以通過發射微波信號并接收其反射信號來測量料面的高度，雷達也可以掃描整個料面，獲取料面高度的分布情況。

上述測量方式各有特點，測量原理和適用范圍也不同，以下對機械探尺、紅外成像、工業內窺鏡、激光以及微波毫米波雷達作詳細介紹。