雷达物位计在高炉上的应用——Siemens 固体型雷达解决方案

一、序言

高炉上的物位是钢铁行业中一个非常重要的测量数据，它对于钢铁生产的质量控制、提高生产效率和提高生产安全性起着非常重要的作用。高炉上的的物位测量点包括两种介质的测量：炉顶矿料的物位测量和鱼雷罐车的铁水的液位测量。

但是，由于这些工况的过程温度都非常的高（一般都超过300℃），高炉上的物位测量一直是个难题。长期以来，各大钢铁制造厂商一直致力于寻找一种使用寿命长、性能可靠、维护量低、测量精确度高的经济性的解决方案。

2002 年，Siemens 推出了Sitrans LR400 型雷达物位计，之后这款在固体测量领域表现出优异的性能的雷达物位计不断赢得客户的青睐，市场份额迅速增长。经过近几年的不断钻研，Siemens 公司率先将LR400 应用在高炉的物位测量领域，积累了大量宝贵的经验，并赢
得了客户的信任。

二、测量原理和产品介绍

Sitrans LR400 型雷达物位计是第一款专门针对粉状固体的测量特点而研发的非接触式雷达物位计。因此这款产品一经推出后，其优异的固体测量性能为其赢得了大量的订单，尤其是在水泥、面粉等存在大量粉尘影响的工业中，已经成为很多客户的首选产品。

2005 年2 月，Siemens 公司为了进一步扩大LR400 雷达物位计在固体物位测量市场上的领先优势，推出了专用用于固体测量的雷达物位计固体型LR400。

LR400 之所以能够在固体测量领域取的如此优异的业绩，这是因为：

1、它使用24GHz 高频微波作为测量信号。根据波的特性：速度=波长*频率，我们可以得知24GHz 高频的微波的波长较其他频段的雷达波的波长要短的多。一般的讲，固体料面的形状是倾斜而且非光滑的，较小的波长可以最大程度上保证发射出去的雷达波能够在粗糙的固体表面最大程度地被发射会雷达探头。



2、采用FMCW（连续调频）的工作原理（见图）。FMCW 的基本测量原理是：探头同时进行雷达波的发射和接受，类似通讯中的“全双工”；LR400 采用了锯齿型的微波，发射波和经固体表面发射后形成的回波之间产生一个相位差，这个相位差通过一个快速傅立业的转换后，形成一个频谱，而这个频谱与雷达物位计测量的距离呈一个线性的关系。因此，通过对锯齿波的相位的检测即可得到一个高精度的物位信号。由于采用了FMCW 的测量原理，使雷达波能够源源不断的“射”向测量介质，使其抗干扰能力加强，“失波”的可能性降到最低，从而提高了它的可靠性。



3、它采用了四线制的设计。四线制的设计保证了仪表有足够的功率来发射足够强的能量来满足恶劣的测量条件：LR400 能够测量介电
常数低至1.5 的介质（自然界绝大部分的介质的介电常数大于1.5）；量程最大可至钢铁行业的理想解决方案50 米……

4、由于使用高频的信号，使其发射的角度可以做到最小8 度角，使LR400 能够最大程度上避开固定干扰的影响。

另外，最新推出的固体型LR400 雷达在以前的基础上，作了很多大的改进，使其能够更好的满足固体测量的需求。



1、新了瞄准器的设计，并将瞄准器作为新的固体型雷达的标准配置，而不加任何费用。瞄准器可以保证LR400 即使用于介质表面倾斜角度较大的工况，介电常数较低的化学品粉末也能得到较强的信号。

2、提供了2”、3”、4”三种不同尺寸的喇叭天线的选择，能够更
好地满足不同的现场的要求。

3、改进了LR400 的固体算法，使它能够专门适用于各种复杂的固体测量工况。

4、由于采用了新的算法，使其导波性能得到很大的提高，因此增加了延长管（最长至592mm 的天线设计）的选项，使其能够满足一些安装立管较长、仓顶过厚的安装条件的工况。



5、另外，设计了新的PTFE 的平面防尘窗口，使它即使是在粉尘扬气非常大的工况中也能非常的稳定的工作。

三、方案介绍

如图，在高炉的工况中，主要有三个测量要求物位测量：
高炉料面测量；
高炉布料仓料位测量；
鱼雷罐铁水液面测量。



1、高炉料面测量。需要使用物位计测量等待加入高炉的矿料，料位的控制需要保证料位维持在一定的高度，高炉料仓的高度不可为空，否则无法保证布料仓的矿料得到及时供应；也不可使料仓料位过满，导致溢出。一般这一测量点需要的测量范围约在5~6 米左右。

2、高炉布料仓的矿渣的料位测量的主要的困难之处在于：仓顶顶部的温度非常高，一般超过600℃；仓顶的顶部厚度较大，一般约在1 米~1.5 米左右。






如上图的物位计安装位置的出口温度一般超过600℃。如果不加任何处理将LR400 用于这一工况测量，由于LR400的标准型的测量过程温度为200℃，高温型的过程温度为250℃，但是也不能满足这个测量点的要求。如右图，在试用了LR400 后发现，该表的发射电极遭到损坏。

最后，经过反复的研究以后发现，高温主要有仓内的高温介质的辐射热造成；因此利用LR400 的导波特性，决定设计制作导波弯管来避开仓顶安装出口处的高温气体；另外，为了降低传导热的影响，整个导波管的长度超过2 米，使管内高温气体能够得到足够的降温管段。安装了如图的导波弯管后，发现安装法兰口的温度小于100℃。

安装了LR400 后，经过2~3 星期的现场测量后，物位测量结果满足客户要求。



另外，值得一提的是，现场的工况比较恶劣，常用矿石掉落在现场，由于LR400 的标准配置是坚实的铝外壳设计，因此即使如此恶劣的现场工况，LR400 也应付自如。



3、对鱼雷罐铁水的测量。铁水的温度高达1000℃以上。但是由于测量的介质是液体，因此主要需要解决的问题是如何解决高温的问题。



A、在加长的安装立管上安装压缩空气通道，注入压缩空气以降低雷达液位计的喇叭天线口的过程温度。

B、采用导波弯管的设计，避开由于辐射引起的超高温。C、由于LR400 的具有目前世界上最小的发射角度（8°），因此，可以如上图的安装方式，使LR400 的喇叭天线与安装口保持一定的距离，以降低过程中的超高温。






四、结束语

在国内，因为高炉的料位测量比较特殊，所以一直没有一个理想的解决方案。曾经采用过的测量方案有：α射线物位计、激光物位计、投标尺等测量方式。

通过下表的比较，可以看出，雷达物位计在高炉上的应用的可以充分固体型雷达的特点，性价比是非常高的，而且通过多年的研究和试验，LR400 在这一领域的应用已经处于领先的地位，为高炉的物位测量应用提供了一个客户可以接受的较为理想的解决方案。