利马克Limaco高频雷达在钢铁高炉中的应用

一、概述

钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是国家经济水平和综合国力的重要标志，钢铁发展直接影响着与其相关的国防工业及建筑、机械、造船、汽车、家电等行业。随着国际产业的转移和中国国民经济的快速发展，中国钢铁工业取得了巨大成就。

我国是钢铁生产和消费大国，粗钢产量连续多年居世界第一。进入21世纪以来，我国钢铁产业快速发展。“十一五”期间，我国粗钢总产量超过26亿吨，是“十五”期间粗钢总产量的2.2倍以上。与此同时，粗钢消费量持续增长，2006-2010年中国粗钢表观消费量平均增幅达到11.41%。同时伴随着全球煤炭能源价格、原料的价格等生产资源的增幅，同时也受到全球经济危机的影响，中国钢铁受到了前所未有的挑战。这就要求我国的钢铁生产在满足国内对于钢材数量需求的前提下，要不断的优化生产质量，提高生产效率。所以提高工业自动化水平也是重中之重。

钢铁厂中炼铁高炉部分可以说是全场的核心和基石。完全实现高炉自动化也就迫在眉睫，首当其冲的就是高炉的眼睛—料位。然而由于高炉内的粉尘大、温度高等复杂工况使得目前高炉料位测量十分困难。现有的雷达物位计很难在高炉上得到充分的发挥，炼铁厂里的领导、专业技术人员及各厂家一直在苦苦寻求能够解决此问题的办法。现在我公司与俄罗斯军转民企业LIMACO公司合作，终于找到了可以完全解决高炉料位、液位的全套解决方案：由俄罗斯Limaco公司生产的ULM系列雷达。它采用全球首款最高频率94GHz，加上特殊制作的适配器，耐高温1500℃、耐压60MPa等多项高端技术。使得现有的问题全变成了“没问题”。比如炉顶料罐料位、高炉本体内部料位、高炉鱼雷罐车铁水液位等，都完美的解决了，并且真正的免维护，设计寿命达10年以上。

二、钢铁厂炼铁高炉工艺

由于各个工厂在高炉的设计上有些细节略有差异，但基本工艺大多一致的。

如下图中的结构图可以看出。主要分为三大部分，第一部分是原料转运，第二部分是高炉炼铁，第三部分为钢水转运

铁矿石、焦炭等原料经过运输斗车进入到混合料斗内。经过大小料斗的混合、均化进入到高炉内部。

高炉冶炼用的焦炭、矿石、烧结矿、球团在原料场加工处理合格后，用皮带机运至高炉料仓贮存使用；各种原料在槽下经筛分、计量后，按程序用皮带机输送到高炉料车中，再由料车拉到炉顶加入炉内；从高炉下部风口鼓入热风(1150－1200℃)，高炉中的物料中的焦炭在热风中发生燃烧反应，产生具有高温的还原性气体(CO、H2)。炽热的气流在上升过程中将下降的炉料加热，并与矿石发生还原反应。高温气流中的CO、H2和部分炽热的固定碳夺取矿石中的氧，将铁还原出来。还原出来的还原铁进一步熔化和渗碳，最后形成铁水。铁水定期从铁口放出。矿石中的脉石变成炉渣浮在液态的铁面上，定期从渣口排出。反应的气态物质为煤气，从炉顶排出。

三、目前高炉料位计现状

在大小料斗中，需要安装料位计对斗内的原料进行测量。由于非高炉内部且有隔板等隔温设施，所以斗内温度不是很高，几乎常温常压。但在实际应用中由于工艺和误差的原因会从高炉内部涌上一定的热量，所以斗内的瞬间温度可能会达到200左右。而且由于原料本身含有一定水分，并且粉尘非常大，且高炉内部的热气向上涌，就会携带大量粉尘涌向料位计。目前应用的料位计大部分为加有机械防高温、防粉尘设备的雷达（加氮气吹扫等）。这样的组合设备不但操作复杂、维护困难，而且造价昂贵，而且并不能保证料位的连续性与稳定性，经常出现天线堵塞，或因为粉尘太大而信号丢失的现象。

高炉内部不用多说、由于复杂的化学反应加上上千度的高温环境如果普通雷达安装早已融化。所以现有的料位计同样是加有机械开关、氮气吹扫、各种冷却设置等的组合设备。同样操作复杂、维护困难。最重要的是即便加装如此设备，依然不能够准确测量。并且设备的使用寿命短，这样就给工厂带来了巨大的不便。

同样在铁水转运的鱼雷罐中，需要在高炉平台上部安装雷达。鱼雷罐中的铁水温度极高，热量上升全部集中在上部，所以鱼雷罐中铁水液位的测量也是一个难题。

四、Limaco雷达完美解决高炉料位问题

1．公司及简介

俄罗斯Limaco公司坐落于俄罗斯首都莫斯科，是一家专业从事研发、生产工业自动化仪器公司。公司的前身是俄罗斯军事研发公司，公司拥有一支具有高水准的研发创造团队，他们的诸多成果是俄罗斯成为军事强国的基石。进入20世纪90年代后，公司战略转型，成为一家研发工业自动化领域民用公司。依靠公司强大的军事技术基础，公司如今的各项技术都是世界领先的。

ULM系列雷达物位计就是Limaco公司的旗舰产品。拥有世界先进的技术：超高频率94GHz、超高温度测量1000℃、调频技术、超高精度1mm等。广泛的应用在俄罗斯各个领域。食品、化工、钢铁、能源等。得到广大客户的认可。具有有各种高科技产品的他们如今与北京金德创业测控技术有限公司合作来到中国市场，旨在解决国内物、液位市场的各种复杂问题！

并委托北京金德公司做为Limaco公司在中国的总代理。

2．为什么选用Limaco雷达

如今炼铁高炉料位测量这个世界性的难题，还没有一个完美的解决方案。但是LImaco公司的ULM系列雷达带来了全新的解决方案，它有如下技术特点

1)调频技术

雷达物位计按工作原理来说分为两类，一种是脉冲式雷达，另一种是调频式雷达。

脉冲式雷达物位计工作原理是：物位计天线发射微波脉冲，这个脉冲以光速在空间传播，遇到被测介质表面，其部分能量被反射回来，被同一天线接收。发射脉冲与接收脉冲的时间间隔与天线到被测介质表面的距离成正比，从而计算出天线到被测介质表面的距离。

而调频式雷达物位计工作原理是:物位计天线向液面发射经频率调制的电磁波信号，被测表面返回的信号被发射天线接收，并与天线发射的瞬时频率信号比较。由于信号的频率按照一定规律不断变化，因此比较信号频率与天线到液面的直线距离成比例。

两者原理的比较可以看出，脉冲雷达的信号检测是回波必须达到一定的强度，天线才可以检测到，并引起内部电路晶体的震动，从而计算出距离。但是，在粉尘较大，蒸汽较大等恶劣工矿条件下，脉冲雷达的回波强度受粉尘、蒸汽影响有时达不到晶体震动的强度，此时，就会产生众所周知的回波丢失、显示死数、满量程等现象。而调频连续波雷达不是靠检测回波强度来计算距离的，而是比较回波频率的，所以只要有一点点回波，它就可以比较出发射波与回波的频差，从而计算出距离。所以，粉尘、蒸汽等恶劣条件对它的影响几乎可以忽略。

可以说调频技术是脉冲技术的一个升级，使得料位计上升到另一个技术层面。无论是从精度、准确度、稳定性都有了大幅提升。调频技术的使用让雷达的响应速率更快，这样即便是高炉的缓冲料斗快速进出料也能够进行测量。同样调频技术的使用也让雷达的测量精度也达到了计量的级别。这样使得雷达在像高炉这样的恶劣环境中也能达到更高的侧量精度，ULM系类雷达的最高精度可达到1m。由于众多的技术优势的原因，Limaco公司ULM系列雷达采用调频连续测量技术（FMCW）。

2)超高频率

目前市场上的雷达物位计有很多的进口产品，也有部分国产的雷达。但这些雷达大部分采用的是发射频率6.3~26GHZ的脉冲技术。对于常用的圆锥形喇叭天线来说，微波的频率越高，波束的聚焦性能越好，即波束角小，在实际使用中这是十分重要的，低频微波物位计有较宽的波束，如果安装不得当，将会收到内部结构产生的较多的虚假回波，例如：采用4”喇叭天线的26GHz雷达的典型波束角为8°，而5.8GHz 的典型波束角为17°。并且，微波的频率越高，其喇叭尺寸也可以做的越小，更易于开孔安装。

Limaco公司ULM系类雷达采用了目前世界最高的频率：94GHz调频连续波进行测量。因此，在高炉这样复杂的固体介质测量中，如果采用频率较低的雷达测量，其发射的微波频率低、波长比较长，在发射到斜面或者不平的介质上后，会有大量的信号反射到其他地方，使得信号反射回的比较弱，容易形成虚假回波造成错误测量。Limaco的94G雷达发送的波长非常短，因此即使是从反应角度非常陡峭的固体上，也可以获得优质的信号反射，同时得到精确的测量值。且由于超高的频率，所以ULM系列雷达的最小波束角为4°，采用特殊的适配器之后，波束角可以减小到几乎和激光一样的1.5°，。也是因为超高频率的应用，ULM系列雷达采用透镜天线设计，这也方便了一些特殊场合，无法更改安装位置，现有的安装位置孔径比较小等。

3)

1)超高耐温耐压

ULM系列雷达在像高炉这样的高温环境，像压力容器这样的高压环境有着一套全面的解决方案。不需要各种复杂的机械防护设备，就能够准确的测量料位。

3.Limaco雷达对高炉的解决方案

由于以上技术特点，才能够让ULM系列雷达在炼铁高炉得意完美的应用。ULM雷达不会采取以往普通雷达探尺的机械防护设备。Limaco公司采用了最新型的复合材料作为法兰夹板材料使用。这种特殊材料的引用让Limaco雷达功能达到最大的发挥。

对于安装方式，我们采用夹板隔开料位计与料仓的方式。（如图4）

在料仓料位计安装孔安装耐高温法兰底座，上面是上法兰与仪表，中间为耐高温隔板装置。隔板装置采用特殊的安装形式。且根据不同的环境采用不同的材质。隔板材质按压力分，从0~60MPa有不同的型号。耐温也有从65~1600℃不同的型号。

隔板材质的引用具有以下优势：

①安装简易，省去了以往安装高炉雷达探尺时的复杂过程，不需要工厂提供各种附加工作。如提供氮气源，提供冷却源，提供另外的冷却控制接线，控制阀门，温度传感器等等复杂装置。只需要上下两片法兰和隔板，在加上仪表的接线就可以安装。

②维护简易、使用寿命长，由于高炉复杂恶劣的环境，雷达的使用寿命也随之减少，同时还需要定期的维护检修。检修雷达就需要停止生产，也就影响了工厂生产效率。ULM雷达的隔板装置的安装，其实本身高炉的密闭容器是没有变化的。这样使得雷达的使用寿命不受影响，且如果雷达需要维护，完全可以在生产当中进行不停产维护。

③实时监测，以往雷达探尺只能在某个时刻对高炉内进行测量，时间不能维持太长然后就关闭。ULM可以实时的对高炉内的料位进行监测，透过隔板无间断的对高炉内的料位进行监测。也可以采用两台配合旋转器使用，通过软件模拟出高炉内部料位的分布及炉内物料堆积形状。

五、

Limaco雷达在钢铁中的其他应用

由以上可以看出，Limaco雷达以其本身的巨大优势不仅仅可以应用在炼铁高炉料位，也可以应用到其他任何需要物位检测的地方。

高炉顶部的料斗，可以采用耐温300°型ULM雷达进行测量。

钢铁高炉的铁水钢包车，在进行钢水倾注的时候也需要铁水液面监测的，由于钢水的高温气流向上涌动，使得液位计的测量液需要高温型。因此采用ULM雷达可以解决此问题。

另外在石灰窑中，同样是高温、高粉尘环境，也可以应用ULM雷达，并取得完美的效果。

因此概括的说，只要是高温、高压环境下使用ULM雷达可以得到完美解决方案。

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