1、行業概述
高爐是用鋼板作爐殼，殼內砌耐火磚內襯。由于高爐煉鐵技術經濟指標良好，工藝簡單，生產量大，勞動生產效率高，能耗低等優點，故這種方法生產的鐵占世界鐵總產量的絕大部分。高爐生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位于爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。
高爐結構示意圖
在高溫下焦炭（有的高爐也噴吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料）中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。鐵礦石中未還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣，從渣口排出。產生的煤氣從爐頂排出，經除塵后，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產品是生鐵?，還有副產高爐渣和高爐煤氣。
2、行業應用及痛點
隨著煉鐵技術的不斷進步，高爐的操作和控制水平也在不斷提高，要求按照冶煉過程的變化，定量地評估爐況。而高爐正常生產狀態下，煤氣流的上升運動與爐料的下降運動相互作用構成了高爐料面，料面形狀是煤氣流與爐頂布料矛盾統一運動的客觀結果，也是材料操作者判斷煤氣流分布、控制高爐冶煉進程的重要依據。長期以來，只有在休風后打開爐頂人才能直接觀察料面的靜態情況。正常生產中，只能通過爐體監測參數綜合分析判斷爐內煤氣流的分布情況。但高爐是一個龐大的密閉高溫對流反應器，影響冶煉的因素錯綜復雜，這種傳統的經驗判斷往往會出現偏差，使高爐操作者調劑滯后甚至反向、影響高爐穩定運行。因此需要通過某種攝像技術對爐內料面情況進行實時的觀測，爐內攝像技術觀測有如下難點：
- 高爐爐內處于高溫、高壓、高粉塵、高濕度的狀態，要使攝像設備在高爐內長期溫度地在線運行，必須解決隔熱冷卻、耐壓、防止鏡片結露和粘灰等技術難題。
- 高爐爐內料面溫度處于800℃以下，在生產狀況下，爐內沒有可見光，即使外加光源，由于可見光不能穿透高爐內高粉塵、高濕度的環境，用一般的攝像系統無法觀測到爐內料面的情況。
- 由于爐頂空間狹小，要觀察整個料面的情況，需要研制專用的廣角鏡頭。
- 由于爐頂氣封罩上有上升管、料尺等工藝裝置，可利用的空間有限，攝像設備必須小型化。
3、紅外熱成像系統
紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。紅外熱像儀的非接觸式測溫方式，能夠在不影響軋輥工作的同時測量其實時溫度，并隨時采取降溫措施。
紅外熱像儀的原理
自然界所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體，都會發出紅外線，紅外線（或稱熱輻射）是自然界中存在廣泛的輻射。大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對3~5微米和8~14微米的紅外線卻是透明的。因此，這兩個波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。我們利用這兩個窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的惡劣環境，能夠清晰地觀察到前方的情況。使用紅外熱成像技術對高爐爐內情況進行觀測，能夠有效地解決爐內沒有可見光，高粉塵、高濕度的環境清晰地顯示料面情況。
基于此技術基礎，武漢格物優信科技有限公司專門研制了專門用來進行高爐料面監控的紅外熱成像系統，該系統是一種安裝在高爐爐頂上，通過預留孔對爐內生產情況進行實時連續監測，在控制室內的監視器上就可以對爐內的料面分布情況，料層燃燒情況進行實時觀察，實時、準確地為高爐操作者做出更正確、更科學的判斷和決策，提高生產效率。
高爐料面紅外監測系統示意圖
整套系統由專用紅外熱像儀、防護罩及傳動保護裝置、網線傳輸系統和后臺顯示系統及軟件組成。
3.1、專用紅外熱像儀
根據高爐料面觀察的需求，我們特別生產了小孔徑的針孔鏡頭，通過在高爐爐頂開孔將熱像儀放到孔內對爐內的情況進行監測，大視場角的針孔鏡頭不僅能夠保證觀測的范圍還可以減少物料翻騰對鏡頭損壞的幾率。
3.2、防護罩及傳動保護裝置
3.2.1、防護罩
純風冷技術采用強迫風冷方式，使用簡單，維護方便，不受地區限制。冷卻技術是用來保證系統正常工作的風源的一部分用于吹掃鏡頭，針對氣流分布的科學設計，在鏡頭前形成旋轉風幕，增加了風幕的強度和吹掃面積，有效的制止了爐內灰塵與鏡頭物鏡的接觸，達到了較好的抗灰防塵效果，以防止鏡頭污染結焦及冷卻鏡頭; 風源的另一部分進入渦旋制冷管，制出冷風（最高溫差可達23℃），再輸入探頭防護罩，使熱像儀有一個適宜的工作環境，從而實現整體裝置正常運行。濾清系統采用多級自動精密CKD過濾器，自動除水、除油，基本免于維護。
風冷防護罩結構圖
3.2.2、傳動保護裝置
設備整體結構采用特種耐高溫不銹鋼材料制成，因此具有高強度的耐高溫、耐腐蝕的性能，并在原有技術基礎上，采用模具化設計，設備外形美觀，小巧輕便。
傳動部分采用高精密金屬導軌傳動，同時采用帶自鎖電機作為動力，動作靈活自如，克服了傳統的絲杠螺母結構容易變形卡死的情況，整個系統結構簡單、緊湊、精致，重量輕。可電動/手動兩用，使設備伸進退出平穩可靠，現場采用手推、拉探頭罩或是按伸進按鈕,退出按鈕及控制室采用操作器均可以對熱像儀進、退出進行遙控。當壓縮空氣壓力低于設定值≤0.1Mpa時或熱像儀內部溫度高于設定值≥55℃時或是停電時(需設置UPS電源)，熱像儀能夠自動退出爐膛，觀察孔自動關閉并送出報警信號。 溫度控制采用數顯方式，且可預先設置溫控的上下限，實現超溫報警。
傳動保護裝置結構圖
3.3、網線傳輸系統
熱像儀具有標準網絡接口，可以根據現場的環境選用網線傳輸或者光纖進行傳輸，將前端熱像儀的畫面接到后端電腦軟件上，供工作人員進行觀察、記錄。
3.4、后臺顯示系統及軟件
3.4.1、測溫對象的編輯
紅外熱像圖中每一個像素點的溫度都由熱像儀探測到，對于需要與圖像中的某些重點區域進行溫度分析的時候，可以通過添加測溫對象的方式來進行處理，顯示出局部的溫度。可添加的測溫對象包括點測溫對象，線測溫對象以及多邊形測溫對象。
在熱像圖中添加測溫對象
?
添加測溫對象后，會顯示出測溫對象的特征溫度，如最高溫、最低溫、平均溫等，方便局部的分析。
3.4.2、獨特的DDE細節增強算法
針對高爐內高溫、高粉塵的環境，為了解決圖像清晰的問題，對于高爐紅外熱像儀監控系統的軟件我們采用了獨特的DDE細節增強算法能夠除去粉塵、火焰等的影響，清晰直觀地看到料面的情況。
DDE細節增強前、后的對比
4、總結
武漢格物優信科技有限公司通過多年累積以及結合現場復雜的工況，針對高爐料面成像研發了這套高爐料面紅外熱像儀監控系統。通過紅外熱像儀的測溫成像特點解決了高爐內密封環境無法通過可見光進行有效觀測的難題，同時采用小孔徑的針孔鏡頭解決高爐爐頂安裝空間有限的問題，同時通過風冷防護罩以及自動退膛保護裝置保證熱像儀前端的工作環境溫度，當溫度異常時及時將設備彈出，保證設備安全。獨特的DDE細節增強算法除去爐內煙塵、火焰的影響，讓高爐料面的成像畫面清晰度更上一層樓，得到行業內客戶的認可和好評，為提高煉鐵技術和效率提供了極大的幫助。