关于红外监控技术延长耐火材料的寿命的介绍和分享

在水泥制造工艺中，最关键的步骤可能发生在回转窑中。回转窑中的火焰可以达到高达 1900°C (3452°F) 的温度，并将原材料加热至约1500°C (2732°F)。材料变成部分熔融状态，其经历的一系列物理和化学反应将钙硅氧化物转变成硅酸钙，即初始水泥组成成分。在窑炉下端，原材料融合成称之为溶渣的红色高温颗粒。

窑炉本身是一个大的钢管，直径数米，长达几十米。在大型设施中，窑炉长度超过 100 米也屡见不鲜。为了防止钢材因高温而损坏，窑炉内衬采用了特殊的复合耐火材料。复合耐火材料通常为各种陶瓷复合材料的混合物。这种材料针对该应用进行了专门的复合处理，具备优异的温度性能和耐磨性能。尽管如此，暴露于高热和高磨损性质的水泥中仍然会导致这种材料出现老化问题。磨损使耐火砖越来越薄，使其对窑炉外表面的保护能力受到影响。为了保持足够的保护性能水平，在某些时候，必须关停窑炉，更换耐火砖。另一个需要关注的问题是，单个耐火砖或小片区域中的耐火砖可能变松并脱落。在这种情况下，钢质窑炉壳将会突然暴露在高热环境下；除非立即采用行动，否则，将会导致出现永久性损坏。

图 1典型的水泥窑炉设施

通过监控整个窑壳的温度，操作员可以判断耐火材料的有效性。从而可以快速发现所有的耐火砖脱落问题，并采用合适的措施，防止后续损伤。温度测量功能与历史成像数据库的组合利用，使得工程师可以分析温度趋势，预测耐火材料进入不安全状态的时间。据此，可以规划计划性维护活动，以更换耐火材料，实现停产时间的最小化。从而可以延长耐火材料的使用寿命，实现经济效益，避免出现紧急事件。另外，对温度进行密切监控还使操作员可以了解加工工艺对耐火材料的影响作用。可对设置进行优化，确保高产量和耐火材料延寿保持最佳组合状态。因此，二十多年以来水泥工业一址广泛采用这一技术也就不足为奇了。

窑炉扫描系统的组件

目前，市场上已经推出了多个具备各种不同规格和功能的这类系统。不过，全部这些系统均利用红外扫描技术来收集温度数据。

所有的物体都会发出红外辐射；辐射强度随着物体温度的上升而增强。测量这种红外辐射能的强度，即可获得目标物体的温度。广泛应用于大量工业应用中的红外温度传感器，内有一个检测器。当其暴露于红外波段中特定波长(750nm 至 1mm)能量中时，该检测器将会产生电流。能量密度越大，该电流也就越大；从而可以据此测定物体的温度。这类传感器通常采用了一系列的光学元件，可以聚焦于目标上的某个特定点，因而被称“点传感器”。通过旋转与传感器成 45 度的玻璃镜，可将来自更宽广的视场中的能量投射到传感器上，从而可以测量目标上整条线的温度。这些设备，通常称为红外线性扫描仪，是目前使用的各种窑壳监控系统的核心设备。

图 2红外线性扫描仪    

用于监控回转窑时，一或两个线性扫描仪同时工作，收集与回转窑轴平行线的数据。回转窑每转一圈，将会生成一条新线的数据，从而完成对整个表面的映射。该数据传输至安装有应用专用软件的 PC 机。该应用专用软件将原始数据流转换成回转窑表面的两维热图像。回转窑每转完一圈，可以采用一个触发信号来进行指示。据此，可在每旋转完一圈后，对图像进行更新。

该软件通常安装在工厂控制室内的某台 PC 机中，用来显示各个连续的热成像。该图像采用伪彩色来表示回转窑的表面温度。通常，采用深色表示低温区域；采用亮红色甚至白色表示高温区域。正常情况下，该图像实时显示给操作员，以使可以快速了解任何明显变化。这些图像还被周期性地保存到某个历史文件中，供后期分析。这些数据通常可以用来预测耐火材料的使用寿命和规划更换时间，以尽量缩短停产事件所造成的影响。

图 3典型的热成像截图

窑壳扫描技术的发展

在所有窑壳红外扫描系统都提供上述基本功能的时候，我们的新系统进一步解决了大量其它客户需求，并实现了功能扩展。

其中，一个新增功能用于解决对回转窑长度方向阴影区域的担忧。该扫描仪的视场(FOV)非常宽，达到 80 至 120 度。尽管如此，出现多个障碍物因而使扫描仪无法“观察”整个窑壳的情况却屡见不鲜。这些障碍物可能是楼宇、电线杆和其它设备等等。此外，驱动轮或轮胎的直径显示大于回转窑本身，其外边缘也可能产生线性扫描仪无法观察到的“阴影区”。最新式的系统，尤其是福禄克过程仪器的 CS210，组合利用了单点传感器。这些单点传感器被安装在可以“看得见”主传感器（主传感器毫无例外地是某个线性扫描仪）无法观察的阴影区域。来自点传感器的数据和来自线性扫描仪的数据共同组成完整无缺的热图像。该系统最多可以安装 32 个点传感器且支持多点通信，因此，仅需一个连接即可回连至 PC 机。由于该软件将从个传感器的数据整合至一个图像中，因此，可以方便地提供“透镜脏”警告 - 这无疑是一个新增功能。该软件将每个数据点与其邻近点进行比较。如果差值超过了操作员定义的限值时，将会提供一个警告：传感器可能因脏镜头或其它障碍物而被部分地阻挡。

另一个新功能涉及到回转窑内部热端工艺熔渣温度的监控。红外点传感器通过一个观察口“观察”回转窑的热端，以监控熔渣的温度。其数据与窑壳热像图显示在同一屏上，使得操作员可以同时监控这两个工艺步骤。由于回转窑的内部环境中传感器与目标物之间存在大量燃烧产物，因此，采用了特殊的双色传感器。这种传感器采用两个波长来检测目的物，因而可以返回目标物的实际温度值，而非燃烧气体的温度值。

其中，一个令人感兴趣的创新甚至与温度测量无关。回转窑通常采用一端驱动。由于其体积质量都非常大，因此，保持旋转均匀性是一个相当大的挑战。尤其在速度变化期间，某些电机的旋转能量输入存在使回转窑扭转或弯曲而非旋转的倾向，当受到少量扭转时，将会出现大程度弯曲，从而损坏相对脆弱的耐火材料。典型的回转窑监控系统利用传感器来测量回转窑的每一圈转动和触发窑壳的所有后续图像的显示。通过在每个轮胎处安装一个额外的传感器，可以监控回转窑长度方向上多个点的转速。如果长度方向上的转速出现变化，则表示出现了扭曲。配置时，可以设定其限值。超过这些限值时，系统将会触发报警。

总而言之，红外窑壳扫描系统的目的当然是对回转窑内部的耐火衬里的状态进行监控并给出报告信息。目前市面上的大多数程序都具备一定程度上的耐火材料管理功能。这类功能的形式，常常是在程序中的某个地方记录回转窑的每个段所采用的耐火材料的类型。对于如果调整回转窑设置以使耐火材料寿命最大化和什么时候安排停产以便更换耐火砖，该信息和温度趋势数据一起构成了做出经验性决策所需要的信息。一些系统提供有先进的耐火材料管理功能。在这类系统中，用户输入与耐火材料类型有关的某些关键数据后，系统即可对耐火砖的状态进行监控，并给出耐火材料损耗报告。这类系统非常有用，但是，必须非常仔细才能确保输入到程序中的数据准确无误。所有的设施都存在固有差异，磨损率因而不尽相同。对某种给定材料的磨损率做一般性预测，会不可避免地导致某个设施中的耐火砖的寿命不同于该系统的预测值。由于工厂停产时间可能导致每周会产生七个图片，因此，对于绝大多数水泥专家来说，仅基于此类系统的预测来做出的相关决策是缺乏现实性的。

小结

现实生活中的大量成功案例已经证实，可以通过窑壳温度监控来延长耐火材料的寿命。亚马逊、撒哈拉、中国直至西伯利亚的广阔区域中的众多水泥厂均已证实了红外温度扫描系统的实用性。新型系统的新功能越来越多，力图为水泥专家提供及时、完整的数据。在每个人都被迫不断提高自己的工作效率的这个时代，红外扫描系统正在成为套装工具中不可缺少的组成部分之一。