对94GHz雷达在钢铁高炉中应用分析

浅谈俄罗斯Limaco公司ULM系列雷达物位计

摘要：当今社会，随着经济的发展，科技的进步，工业生产的趋势也日益呈现自动化、集成化和规模化。与此同时，在工业生产的过程中，雷达物位计仪表控制设备正逐渐代替人工监测、人工预报甚至人工生产流水线的生产方式，实现仪表自动化也成为现代工业生产成熟的重要标志之一，其在工业生产中正发挥着越来越大甚至不可取代的作用。因此，雷达仪表测量的可靠性和精确性必须得到确保，保证安全生产，高效生产，顺利生产。

本文针对当今钢铁高炉的使用现状，探析俄罗斯军工产品Limaco雷达的独特之处。

关键词：Limaco；雷达；安全；钢铁；天线。

正文：

一、 简介

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。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。

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，保证安全生产。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。因此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，厂里的领导、各大经销商一直在苦苦寻求能够解决此问题的料位计。

北京金德创业测控技术有限公司立足于钢铁工业的现实，着眼全世界高新技术优势和科技成果，经过层层筛选，不断测试，终于找到了可以完全解决高炉料位的仪表---俄罗斯军工产品Limaco雷达，此雷达具有多项技术优势，使得神秘的钢铁高炉内部不在神秘，展现在众人眼前，真正解决了钢铁高炉生产中的物位等相关问题，保证了安全、高效、顺利生产。

二、Limaco雷达的独特之处

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，一种是调频式雷达。

脉冲式雷达物位计工作原理是：物位计天线发射极窄的微波脉冲，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。见下图

而调频式雷达物位计工作原理是:<span style="font-family:;" color:#333333;"=""> 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。

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精确测量。同样的，调频技术的使用也让雷达的测量精度达到了计量的级别，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测量精度和稳定性，ULM系列雷达的最高精度可达到±1mm。基于众多技术优势的原因，Limaco公司ULM系列雷达采用调频连续测量技术（FMCW）。见下图

2、超高频率

雷达物位计频率的高低是评判工作性能的一个重要指标。由于电磁波的传播不需要介质，所以空气、粉尘、蒸汽等都会使发射回的信号有衰减。所以高频的雷达波能够弥补这一缺陷。Limaco公司ULM系列雷达采用世界最高94GHz调频连续波进行测量，要比西门子公司发布的78GHz频率还要高。频率较低的雷达发射的波波长比较长，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。使得能够精确的测量。目前市场上的雷达物位计有进口的像西门子、罗斯蒙特、E+H、VEGA等等，也有大部分国产的雷达。但这些雷达全部采用的是发射频率6.3~26GHZ的微波技术。对比测量效果见下图

3、超高精度

由于采用高频率调频连续波，所以无论从连续性、准确性都要远远高于脉冲雷达。所以ULM系列雷达的误差可达到±1mm。同时由于采用的测量频率是世界最高，所以波束角也是最小的。加之透镜天线的应用，最小波束角仅为4°。这样小的波束角有利于提高连续性和精度。因此可应用于更复杂的工况（对于孔径的要求小）。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，即波束角小精度高，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。

4、超高温度和压力

目前现有的雷达物位计最高测量也只能达到几百摄氏度，还需要加装各种氮气鼓吹或一些其他设备。由于雷达本身发射的波能量就很低，在加装各种吹扫设备后，波形能量更低。同时介质温度过高后介电常数也发生变化，使得测量精度很难保证。

Limaco雷达采用超高94GHz雷达波，波长短更容易穿透介质。而且经过采用我公司特殊耐高温材料，将雷达与介质进行隔开，但雷达波可以穿透材料，丝毫不影响雷达的测量。所以最高可对温度1600℃、压力+60bar的介质进行精确测量。

耐高温材料示意见下图

Horn透镜天线：
第一、透镜天线的使用优化了雷达波的发射角度，而且便于安装，可以安装在孔径比较小的工况。
第二、天线是与传感器主体镶嵌式的，是一个整体，但也并不是强制镶嵌在一起。主要是通过凸透镜将仓体与传感器隔开。使得传感器免受仓内潮湿气体，灰尘等的干扰。同时也是可以防止腐蚀。

Planar平面天线：
平面天线主要设计在ULM-31A1液位计。这种类型天线采用印刷电路板，由一种特殊材质在特殊环境下制作而成。平面天线具有相当低的生产成本（相对喇叭透镜天线），更重要的方面是它的做工非常紧凑。因此，它的防护等级比较高，完全可防止液体和粉尘进入传感器。

三、钢铁生产现状分析

1、 工艺流程特点（物位测量难点）分析

钢铁高炉主要分为三大部分，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、均匀进入到高炉内部。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℃)，高炉中的物料中的炭素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。

2、 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。而且由于原料本身粉尘比较大，且高炉内部的热气想上涌，就会携带大量粉尘涌向料位计。目前应用接触式料位计肯定不能使用，且大部分为加有机械防高温、防粉尘设备（加油氮气吹扫等）。这样的组合设备不但操作复杂、维护困难，而且造价昂贵。

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，如果安装普通雷达早早就能融化。所以现有的料位计同样是加有机械开关、氮气吹扫、各种冷却装置等的组合设备。操作复杂维护困难。最重要的是即便安装如此设备，依然不能够准确测量。且设备的使用寿命短，这样无形中就给工厂带来了巨大损失。

同样在钢水转运的钢包中，需要在钢包平台上部安装雷达。钢包中的钢水温度极高，热量上升全部集中在上部，所以钢水的测量也是一个难题。

四、 Limaco雷达对高炉的解决方案

北京金德公司通过在全世界范围内寻求，终于找到了可以完全解决高炉料位的仪表。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、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”。

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

对于安装方式，我们采用夹板隔开料位计与料仓的方式。见下示意图

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，按温度分从65~1600℃也有不同的型号。

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件。如提供氮气源，冷却源，额外的冷却控制接线等等。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，完全可以再生产过程中进行维护。

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。

五、Limaco雷达在钢铁工艺中成功案例

1、 江苏常州中天钢铁

2、 江苏永钢钢铁

3、 江苏联峰钢铁（张家港）有限公司

4、 上海宝钢

5、 山东莱钢

6、 浙江杭州红山热电

7、 山东富丰柏斯托化工有限公司

等等

六、Limaco雷达公司介绍

俄罗斯Limaco（ЛИМАКО ）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（俄罗斯坦克研发公司），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。他们的秘密创新技术高出现有技术的10年之久。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1600℃、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。并且得到广大客户的认可，携带有各种高科技基因的它如今来到中国。

2012年俄罗斯Limaco公司与我公司（北京金德创业测控技术有限公司）成为合作伙伴。北京金德公司成为Limaco公司在中国总代理。

七、致谢语

特别感谢为本文提供支持的长期奋战在技术和服务一线的北京金德技术部人员；

特别感谢为本文提供真实资料的北京金德销售部人员；

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