1、行业概述
高炉是用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。
高炉结构示意图
在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁 ，还有副产高炉渣和高炉煤气。
2、行业应用及痛点
随着炼铁技术的不断进步，高炉的操作和控制水平也在不断提高，要求按照冶炼过程的变化，定量地评估炉况。而高炉正常生产状态下，煤气流的上升运动与炉料的下降运动相互作用构成了高炉料面，料面形状是煤气流与炉顶布料矛盾统一运动的客观结果，也是材料操作者判断煤气流分布、控制高炉冶炼进程的重要依据。长期以来，只有在休风后打开炉顶人才能直接观察料面的静态情况。正常生产中，只能通过炉体监测参数综合分析判断炉内煤气流的分布情况。但高炉是一个庞大的密闭高温对流反应器，影响冶炼的因素错综复杂，这种传统的经验判断往往会出现偏差，使高炉操作者调剂滞后甚至反向、影响高炉稳定运行。因此需要通过某种摄像技术对炉内料面情况进行实时的观测，炉内摄像技术观测有如下难点：
- 高炉炉内处于高温、高压、高粉尘、高湿度的状态，要使摄像设备在高炉内长期温度地在线运行，必须解决隔热冷却、耐压、防止镜片结露和粘灰等技术难题。
- 高炉炉内料面温度处于800℃以下，在生产状况下，炉内没有可见光，即使外加光源，由于可见光不能穿透高炉内高粉尘、高湿度的环境，用一般的摄像系统无法观测到炉内料面的情况。
- 由于炉顶空间狭小，要观察整个料面的情况，需要研制专用的广角镜头。
- 由于炉顶气封罩上有上升管、料尺等工艺装置，可利用的空间有限，摄像设备必须小型化。
3、红外热成像系统
红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。红外热像仪的非接触式测温方式，能够在不影响轧辊工作的同时测量其实时温度，并随时采取降温措施。
红外热像仪的原理
自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会发出红外线，红外线（或称热辐射）是自然界中存在广泛的辐射。大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5微米和8~14微米的红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。我们利用这两个窗口，可以在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的恶劣环境，能够清晰地观察到前方的情况。使用红外热成像技术对高炉炉内情况进行观测，能够有效地解决炉内没有可见光，高粉尘、高湿度的环境清晰地显示料面情况。
基于此技术基础，武汉格物优信科技有限公司专门研制了专门用来进行高炉料面监控的红外热成像系统，该系统是一种安装在高炉炉顶上，通过预留孔对炉内生产情况进行实时连续监测，在控制室内的监视器上就可以对炉内的料面分布情况，料层燃烧情况进行实时观察，实时、准确地为高炉操作者做出更正确、更科学的判断和决策，提高生产效率。
高炉料面红外监测系统示意图
整套系统由专用红外热像仪、防护罩及传动保护装置、网线传输系统和后台显示系统及软件组成。
3.1、专用红外热像仪
根据高炉料面观察的需求，我们特别生产了小孔径的针孔镜头，通过在高炉炉顶开孔将热像仪放到孔内对炉内的情况进行监测，大视场角的针孔镜头不仅能够保证观测的范围还可以减少物料翻腾对镜头损坏的几率。
3.2、防护罩及传动保护装置
3.2.1、防护罩
纯风冷技术采用强迫风冷方式，使用简单，维护方便，不受地区限制。冷却技术是用来保证系统正常工作的风源的一部分用于吹扫镜头，针对气流分布的科学设计，在镜头前形成旋转风幕，增加了风幕的强度和吹扫面积，有效的制止了炉内灰尘与镜头物镜的接触，达到了较好的抗灰防尘效果，以防止镜头污染结焦及冷却镜头; 风源的另一部分进入涡旋制冷管，制出冷风（最高温差可达23℃），再输入探头防护罩，使热像仪有一个适宜的工作环境，从而实现整体装置正常运行。滤清系统采用多级自动精密CKD过滤器，自动除水、除油，基本免于维护。
风冷防护罩结构图
3.2.2、传动保护装置
设备整体结构采用特种耐高温不锈钢材料制成，因此具有高强度的耐高温、耐腐蚀的性能，并在原有技术基础上，采用模具化设计，设备外形美观，小巧轻便。
传动部分采用高精密金属导轨传动，同时采用带自锁电机作为动力，动作灵活自如，克服了传统的丝杠螺母结构容易变形卡死的情况，整个系统结构简单、紧凑、精致，重量轻。可电动/手动两用，使设备伸进退出平稳可靠，现场采用手推、拉探头罩或是按伸进按钮,退出按钮及控制室采用操作器均可以对热像仪进、退出进行遥控。当压缩空气压力低于设定值≤0.1Mpa时或热像仪内部温度高于设定值≥55℃时或是停电时(需设置UPS电源)，热像仪能够自动退出炉膛，观察孔自动关闭并送出报警信号。 温度控制采用数显方式，且可预先设置温控的上下限，实现超温报警。
传动保护装置结构图
3.3、网线传输系统
热像仪具有标准网络接口，可以根据现场的环境选用网线传输或者光纤进行传输，将前端热像仪的画面接到后端电脑软件上，供工作人员进行观察、记录。
3.4、后台显示系统及软件
3.4.1、测温对象的编辑
红外热像图中每一个像素点的温度都由热像仪探测到，对于需要与图像中的某些重点区域进行温度分析的时候，可以通过添加测温对象的方式来进行处理，显示出局部的温度。可添加的测温对象包括点测温对象，线测温对象以及多边形测温对象。
在热像图中添加测温对象
添加测温对象后，会显示出测温对象的特征温度，如最高温、最低温、平均温等，方便局部的分析。
3.4.2、独特的DDE细节增强算法
针对高炉内高温、高粉尘的环境，为了解决图像清晰的问题，对于高炉红外热像仪监控系统的软件我们采用了独特的DDE细节增强算法能够除去粉尘、火焰等的影响，清晰直观地看到料面的情况。
DDE细节增强前、后的对比
4、总结
武汉格物优信科技有限公司通过多年累积以及结合现场复杂的工况，针对高炉料面成像研发了这套高炉料面红外热像仪监控系统。通过红外热像仪的测温成像特点解决了高炉内密封环境无法通过可见光进行有效观测的难题，同时采用小孔径的针孔镜头解决高炉炉顶安装空间有限的问题，同时通过风冷防护罩以及自动退膛保护装置保证热像仪前端的工作环境温度，当温度异常时及时将设备弹出，保证设备安全。独特的DDE细节增强算法除去炉内烟尘、火焰的影响，让高炉料面的成像画面清晰度更上一层楼，得到行业内客户的认可和好评，为提高炼铁技术和效率提供了极大的帮助。