在水泥制造工藝中，最關鍵的步驟可能發生在回轉窯中。回轉窯中的火焰可以達到高達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，其經歷的一系列物理和化學反應將鈣硅氧化物轉變成硅酸鈣，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。

窯爐本身是一個大的鋼管，直徑數米，長達幾十米。在大型設施中，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，窯爐內襯采用了特殊的復合耐火材料。復合耐火材料通常為各種陶瓷復合材料的混合物。這種材料針對該應用進行了專門的復合處理，具備優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的水泥中仍然會導致這種材料出現老化問題。磨損使耐火磚越來越薄，使其對窯爐外表面的保護能力受到影響。為了保持足夠的保護性能水平，在某些時候，必須關停窯爐，更換耐火磚。另一個需要關注的問題是，單個耐火磚或小片區域中的耐火磚可能變松并脫落。在這種情況下，鋼質窯爐殼將會突然暴露在高熱環境下；除非立即采用行動，否則，將會導致出現永久性損壞。

圖1典型的水泥窯爐設施

通過監控整個窯殼的溫度，操作員可以判斷耐火材料的有效性。從而可以快速發現所有的耐火磚脫落問題，并采用合適的措施，防止后續損傷。溫度測量功能與歷史成像數據庫的組合利用，使得工程師可以分析溫度趨勢，預測耐火材料進入不安全狀態的時間。據此，可以規劃計劃性維護活動，以更換耐火材料，實現停產時間的最小化。從而可以延長耐火材料的使用壽命，實現經濟效益，避免出現緊急事件。另外，對溫度進行密切監控還使操作員可以了解加工工藝對耐火材料的影響作用。可對設置進行優化，確保高產量和耐火材料延壽保持最佳組合狀態。因此，二十多年以來水泥工業一址廣泛采用這一技術也就不足為奇了。

窯爐掃描系統的組件

目前，市場上已經推出了多個具備各種不同規格和功能的這類系統。不過，全部這些系統均利用紅外掃描技術來收集溫度數據。

所有的物體都會發出紅外輻射；輻射強度隨著物體溫度的上升而增強。測量這種紅外輻射能的強度，即可獲得目標物體的溫度。廣泛應用于大量工業應用中的紅外溫度傳感器，內有一個檢測器。當其暴露于紅外波段中特定波長(750nm至1mm)能量中時，該檢測器將會產生電流。能量密度越大，該電流也就越大；從而可以據此測定物體的溫度。這類傳感器通常采用了一系列的光學元件，可以聚焦于目標上的某個特定點，因而被稱“點傳感器”。通過旋轉與傳感器成45度的玻璃鏡，可將來自更寬廣的視場中的能量投射到傳感器上，從而可以測量目標上整條線的溫度。這些設備，通常稱為紅外線性掃描儀，是目前使用的各種窯殼監控系統的核心設備。

圖2紅外線性掃描儀

用于監控回轉窯時，一或兩個線性掃描儀同時工作，收集與回轉窯軸平行線的數據。回轉窯每轉一圈，將會生成一條新線的數據，從而完成對整個表面的映射。該數據傳輸至安裝有應用專用軟件的PC機。該應用專用軟件將原始數據流轉換成回轉窯表面的兩維熱圖像。回轉窯每轉完一圈，可以采用一個觸發信號來進行指示。據此，可在每旋轉完一圈后，對圖像進行更新。

該軟件通常安裝在工廠控制室內的某臺PC機中，用來顯示各個連續的熱成像。該圖像采用偽彩色來表示回轉窯的表面溫度。通常，采用深色表示低溫區域；采用亮紅色甚至白色表示高溫區域。正常情況下，該圖像實時顯示給操作員，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歷史文件中，供后期分析。這些數據通常可以用來預測耐火材料的使用壽命和規劃更換時間，以盡量縮短停產事件所造成的影響。

圖3典型的熱成像截圖

窯殼掃描技術的發展

在所有窯殼紅外掃描系統都提供上述基本功能的時候，我們的新系統進一步解決了大量其它客戶需求，并實現了功能擴展。

其中，一個新增功能用于解決對回轉窯長度方向陰影區域的擔憂。該掃描儀的視場(FOV)非常寬，達到80至120度。盡管如此，出現多個障礙物因而使掃描儀無法“觀察”整個窯殼的情況卻屢見不鮮。這些障礙物可能是樓宇、電線桿和其它設備等等。此外，驅動輪或輪胎的直徑顯示大于回轉窯本身，其外邊緣也可能產生線性掃描儀無法觀察到的“陰影區”。最新式的系統，尤其是福祿克過程儀器的CS210，組合利用了單點傳感器。這些單點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線性掃描儀）無法觀察的陰影區域。來自點傳感器的數據和來自線性掃描儀的數據共同組成完整無缺的熱圖像。該系統最多可以安裝32個點傳感器且支持多點通信，因此，僅需一個連接即可回連至PC機。由于該軟件將從個傳感器的數據整合至一個圖像中，因此，可以方便地提供“透鏡臟”警告-這無疑是一個新增功能。該軟件將每個數據點與其鄰近點進行比較。如果差值超過了操作員定義的限值時，將會提供一個警告：傳感器可能因臟鏡頭或其它障礙物而被部分地阻擋。

另一個新功能涉及到回轉窯內部熱端工藝熔渣溫度的監控。紅外點傳感器通過一個觀察口“觀察”回轉窯的熱端，以監控熔渣的溫度。其數據與窯殼熱像圖顯示在同一屏上，使得操作員可以同時監控這兩個工藝步驟。由于回轉窯的內部環境中傳感器與目標物之間存在大量燃燒產物，因此，采用了特殊的雙色傳感器。這種傳感器采用兩個波長來檢測目的物，因而可以返回目標物的實際溫度值，而非燃燒氣體的溫度值。

其中，一個令人感興趣的創新甚至與溫度測量無關。回轉窯通常采用一端驅動。由于其體積質量都非常大，因此，保持旋轉均勻性是一個相當大的挑戰。尤其在速度變化期間，某些電機的旋轉能量輸入存在使回轉窯扭轉或彎曲而非旋轉的傾向，當受到少量扭轉時，將會出現大程度彎曲，從而損壞相對脆弱的耐火材料。典型的回轉窯監控系統利用傳感器來測量回轉窯的每一圈轉動和觸發窯殼的所有后續圖像的顯示。通過在每個輪胎處安裝一個額外的傳感器，可以監控回轉窯長度方向上多個點的轉速。如果長度方向上的轉速出現變化，則表示出現了扭曲。配置時，可以設定其限值。超過這些限值時，系統將會觸發報警。

總而言之，紅外窯殼掃描系統的目的當然是對回轉窯內部的耐火襯里的狀態進行監控并給出報告信息。目前市面上的大多數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地方記錄回轉窯的每個段所采用的耐火材料的類型。對于如果調整回轉窯設置以使耐火材料壽命最大化和什么時候安排停產以便更換耐火磚，該信息和溫度趨勢數據一起構成了做出經驗性決策所需要的信息。一些系統提供有先進的耐火材料管理功能。在這類系統中，用戶輸入與耐火材料類型有關的某些關鍵數據后，系統即可對耐火磚的狀態進行監控，并給出耐火材料損耗報告。這類系統非常有用，但是，必須非常仔細才能確保輸入到程序中的數據準確無誤。所有的設施都存在固有差異，磨損率因而不盡相同。對某種給定材料的磨損率做一般性預測，會不可避免地導致某個設施中的耐火磚的壽命不同于該系統的預測值。由于工廠停產時間可能導致每周會產生七個圖片，因此，對于絕大多數水泥專家來說，僅基于此類系統的預測來做出的相關決策是缺乏現實性的。

小結

現實生活中的大量成功案例已經證實，可以通過窯殼溫度監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域中的眾多水泥廠均已證實了紅外溫度掃描系統的實用性。新型系統的新功能越來越多，力圖為水泥專家提供及時、完整的數據。在每個人都被迫不斷提高自己的工作效率的這個時代，紅外掃描系統正在成為套裝工具中不可缺少的組成部分之一。