關(guān)于紅外監(jiān)控技術(shù)延長耐火材料的壽命的介紹和分享

在水泥制造工藝中，最關(guān)鍵的步驟可能發(fā)生在回轉(zhuǎn)窯中?；剞D(zhuǎn)窯中的火焰可以達(dá)到高達(dá)1900°C (3452°F)的溫度，并將原材料加熱至約1500°C (2732°F)。材料變成部分熔融狀態(tài)，其經(jīng)歷的一系列物理和化學(xué)反應(yīng)將鈣硅氧化物轉(zhuǎn)變成硅酸鈣，即初始水泥組成成分。在窯爐下端，原材料融合成稱之為溶渣的紅色高溫顆粒。

窯爐本身是一個(gè)大的鋼管，直徑數(shù)米，長達(dá)幾十米。在大型設(shè)施中，窯爐長度超過100米也屢見不鮮。為了防止鋼材因高溫而損壞，窯爐內(nèi)襯采用了特殊的復(fù)合耐火材料。復(fù)合耐火材料通常為各種陶瓷復(fù)合材料的混合物。這種材料針對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行了專門的復(fù)合處理，具備優(yōu)異的溫度性能和耐磨性能。盡管如此，暴露于高熱和高磨損性質(zhì)的水泥中仍然會(huì)導(dǎo)致這種材料出現(xiàn)老化問題。磨損使耐火磚越來越薄，使其對(duì)窯爐外表面的保護(hù)能力受到影響。為了保持足夠的保護(hù)性能水平，在某些時(shí)候，必須關(guān)停窯爐，更換耐火磚。另一個(gè)需要關(guān)注的問題是，單個(gè)耐火磚或小片區(qū)域中的耐火磚可能變松并脫落。在這種情況下，鋼質(zhì)窯爐殼將會(huì)突然暴露在高熱環(huán)境下；除非立即采用行動(dòng)，否則，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)永久性損壞。

圖1典型的水泥窯爐設(shè)施

通過監(jiān)控整個(gè)窯殼的溫度，操作員可以判斷耐火材料的有效性。從而可以快速發(fā)現(xiàn)所有的耐火磚脫落問題，并采用合適的措施，防止后續(xù)損傷。溫度測(cè)量功能與歷史成像數(shù)據(jù)庫的組合利用，使得工程師可以分析溫度趨勢(shì)，預(yù)測(cè)耐火材料進(jìn)入不安全狀態(tài)的時(shí)間。據(jù)此，可以規(guī)劃計(jì)劃性維護(hù)活動(dòng)，以更換耐火材料，實(shí)現(xiàn)停產(chǎn)時(shí)間的最小化。從而可以延長耐火材料的使用壽命，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，避免出現(xiàn)緊急事件。另外，對(duì)溫度進(jìn)行密切監(jiān)控還使操作員可以了解加工工藝對(duì)耐火材料的影響作用?？蓪?duì)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，確保高產(chǎn)量和耐火材料延壽保持最佳組合狀態(tài)。因此，二十多年以來水泥工業(yè)一址廣泛采用這一技術(shù)也就不足為奇了。

窯爐掃描系統(tǒng)的組件

目前，市場(chǎng)上已經(jīng)推出了多個(gè)具備各種不同規(guī)格和功能的這類系統(tǒng)。不過，全部這些系統(tǒng)均利用紅外掃描技術(shù)來收集溫度數(shù)據(jù)。

所有的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射；輻射強(qiáng)度隨著物體溫度的上升而增強(qiáng)。測(cè)量這種紅外輻射能的強(qiáng)度，即可獲得目標(biāo)物體的溫度。廣泛應(yīng)用于大量工業(yè)應(yīng)用中的紅外溫度傳感器，內(nèi)有一個(gè)檢測(cè)器。當(dāng)其暴露于紅外波段中特定波長(750nm至1mm)能量中時(shí)，該檢測(cè)器將會(huì)產(chǎn)生電流。能量密度越大，該電流也就越大；從而可以據(jù)此測(cè)定物體的溫度。這類傳感器通常采用了一系列的光學(xué)元件，可以聚焦于目標(biāo)上的某個(gè)特定點(diǎn)，因而被稱“點(diǎn)傳感器”。通過旋轉(zhuǎn)與傳感器成45度的玻璃鏡，可將來自更寬廣的視場(chǎng)中的能量投射到傳感器上，從而可以測(cè)量目標(biāo)上整條線的溫度。這些設(shè)備，通常稱為紅外線性掃描儀，是目前使用的各種窯殼監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備。

圖2紅外線性掃描儀

用于監(jiān)控回轉(zhuǎn)窯時(shí)，一或兩個(gè)線性掃描儀同時(shí)工作，收集與回轉(zhuǎn)窯軸平行線的數(shù)據(jù)?；剞D(zhuǎn)窯每轉(zhuǎn)一圈，將會(huì)生成一條新線的數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)整個(gè)表面的映射。該數(shù)據(jù)傳輸至安裝有應(yīng)用專用軟件的PC機(jī)。該應(yīng)用專用軟件將原始數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)窯表面的兩維熱圖像?；剞D(zhuǎn)窯每轉(zhuǎn)完一圈，可以采用一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來進(jìn)行指示。據(jù)此，可在每旋轉(zhuǎn)完一圈后，對(duì)圖像進(jìn)行更新。

該軟件通常安裝在工廠控制室內(nèi)的某臺(tái)PC機(jī)中，用來顯示各個(gè)連續(xù)的熱成像。該圖像采用偽彩色來表示回轉(zhuǎn)窯的表面溫度。通常，采用深色表示低溫區(qū)域；采用亮紅色甚至白色表示高溫區(qū)域。正常情況下，該圖像實(shí)時(shí)顯示給操作員，以使可以快速了解任何明顯變化。這些圖像還被周期性地保存到某個(gè)歷史文件中，供后期分析。這些數(shù)據(jù)通?？梢杂脕眍A(yù)測(cè)耐火材料的使用壽命和規(guī)劃更換時(shí)間，以盡量縮短停產(chǎn)事件所造成的影響。

圖3典型的熱成像截圖

窯殼掃描技術(shù)的發(fā)展

在所有窯殼紅外掃描系統(tǒng)都提供上述基本功能的時(shí)候，我們的新系統(tǒng)進(jìn)一步解決了大量其它客戶需求，并實(shí)現(xiàn)了功能擴(kuò)展。

其中，一個(gè)新增功能用于解決對(duì)回轉(zhuǎn)窯長度方向陰影區(qū)域的擔(dān)憂。該掃描儀的視場(chǎng)(FOV)非常寬，達(dá)到80至120度。盡管如此，出現(xiàn)多個(gè)障礙物因而使掃描儀無法“觀察”整個(gè)窯殼的情況卻屢見不鮮。這些障礙物可能是樓宇、電線桿和其它設(shè)備等等。此外，驅(qū)動(dòng)輪或輪胎的直徑顯示大于回轉(zhuǎn)窯本身，其外邊緣也可能產(chǎn)生線性掃描儀無法觀察到的“陰影區(qū)”。最新式的系統(tǒng)，尤其是福祿克過程儀器的CS210，組合利用了單點(diǎn)傳感器。這些單點(diǎn)傳感器被安裝在可以“看得見”主傳感器（主傳感器毫無例外地是某個(gè)線性掃描儀）無法觀察的陰影區(qū)域。來自點(diǎn)傳感器的數(shù)據(jù)和來自線性掃描儀的數(shù)據(jù)共同組成完整無缺的熱圖像。該系統(tǒng)最多可以安裝32個(gè)點(diǎn)傳感器且支持多點(diǎn)通信，因此，僅需一個(gè)連接即可回連至PC機(jī)。由于該軟件將從個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)整合至一個(gè)圖像中，因此，可以方便地提供“透鏡臟”警告-這無疑是一個(gè)新增功能。該軟件將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與其鄰近點(diǎn)進(jìn)行比較。如果差值超過了操作員定義的限值時(shí)，將會(huì)提供一個(gè)警告：傳感器可能因臟鏡頭或其它障礙物而被部分地阻擋。

另一個(gè)新功能涉及到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部熱端工藝熔渣溫度的監(jiān)控。紅外點(diǎn)傳感器通過一個(gè)觀察口“觀察”回轉(zhuǎn)窯的熱端，以監(jiān)控熔渣的溫度。其數(shù)據(jù)與窯殼熱像圖顯示在同一屏上，使得操作員可以同時(shí)監(jiān)控這兩個(gè)工藝步驟。由于回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)部環(huán)境中傳感器與目標(biāo)物之間存在大量燃燒產(chǎn)物，因此，采用了特殊的雙色傳感器。這種傳感器采用兩個(gè)波長來檢測(cè)目的物，因而可以返回目標(biāo)物的實(shí)際溫度值，而非燃燒氣體的溫度值。

其中，一個(gè)令人感興趣的創(chuàng)新甚至與溫度測(cè)量無關(guān)?；剞D(zhuǎn)窯通常采用一端驅(qū)動(dòng)。由于其體積質(zhì)量都非常大，因此，保持旋轉(zhuǎn)均勻性是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。尤其在速度變化期間，某些電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能量輸入存在使回轉(zhuǎn)窯扭轉(zhuǎn)或彎曲而非旋轉(zhuǎn)的傾向，當(dāng)受到少量扭轉(zhuǎn)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)大程度彎曲，從而損壞相對(duì)脆弱的耐火材料。典型的回轉(zhuǎn)窯監(jiān)控系統(tǒng)利用傳感器來測(cè)量回轉(zhuǎn)窯的每一圈轉(zhuǎn)動(dòng)和觸發(fā)窯殼的所有后續(xù)圖像的顯示。通過在每個(gè)輪胎處安裝一個(gè)額外的傳感器，可以監(jiān)控回轉(zhuǎn)窯長度方向上多個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速。如果長度方向上的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化，則表示出現(xiàn)了扭曲。配置時(shí)，可以設(shè)定其限值。超過這些限值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)觸發(fā)報(bào)警。

總而言之，紅外窯殼掃描系統(tǒng)的目的當(dāng)然是對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的耐火襯里的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并給出報(bào)告信息。目前市面上的大多數(shù)程序都具備一定程度上的耐火材料管理功能。這類功能的形式，常常是在程序中的某個(gè)地方記錄回轉(zhuǎn)窯的每個(gè)段所采用的耐火材料的類型。對(duì)于如果調(diào)整回轉(zhuǎn)窯設(shè)置以使耐火材料壽命最大化和什么時(shí)候安排停產(chǎn)以便更換耐火磚，該信息和溫度趨勢(shì)數(shù)據(jù)一起構(gòu)成了做出經(jīng)驗(yàn)性決策所需要的信息。一些系統(tǒng)提供有先進(jìn)的耐火材料管理功能。在這類系統(tǒng)中，用戶輸入與耐火材料類型有關(guān)的某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)即可對(duì)耐火磚的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并給出耐火材料損耗報(bào)告。這類系統(tǒng)非常有用，但是，必須非常仔細(xì)才能確保輸入到程序中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。所有的設(shè)施都存在固有差異，磨損率因而不盡相同。對(duì)某種給定材料的磨損率做一般性預(yù)測(cè)，會(huì)不可避免地導(dǎo)致某個(gè)設(shè)施中的耐火磚的壽命不同于該系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值。由于工廠停產(chǎn)時(shí)間可能導(dǎo)致每周會(huì)產(chǎn)生七個(gè)圖片，因此，對(duì)于絕大多數(shù)水泥專家來說，僅基于此類系統(tǒng)的預(yù)測(cè)來做出的相關(guān)決策是缺乏現(xiàn)實(shí)性的。

小結(jié)

現(xiàn)實(shí)生活中的大量成功案例已經(jīng)證實(shí)，可以通過窯殼溫度監(jiān)控來延長耐火材料的壽命。亞馬遜、撒哈拉、中國直至西伯利亞的廣闊區(qū)域中的眾多水泥廠均已證實(shí)了紅外溫度掃描系統(tǒng)的實(shí)用性。新型系統(tǒng)的新功能越來越多，力圖為水泥專家提供及時(shí)、完整的數(shù)據(jù)。在每個(gè)人都被迫不斷提高自己的工作效率的這個(gè)時(shí)代，紅外掃描系統(tǒng)正在成為套裝工具中不可缺少的組成部分之一。