CN101082596B - 布料均匀性指数在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在烧结生产过程中对料床的布料均匀状态的在线检测方法。本发明是在烧结机尾中后部废气风箱间，每个风箱均匀安装多个热电偶，形成烧结废气温度检测阵列，建立烧结机尾废气温度平面温度场；通过对该温度场在线分析所获得的特征信息，进行布料均匀性定量评价的方法；提出并定义了烧结布料均匀性指数，并建立了该指数的数学模型。本发明实现了混合料床均匀状态的在线定量分析，为控制烧结混合料在台车上分布均匀提供了依据。

Description

布料均匀性指数在线检测方法

(一)技术领域

本发明涉及在烧结生产过程中对料床的布料均匀状态的在线检测方法。

(二)背景技术

烧结混合料在台车上分布是否均匀，直接影响着烧结矿的产量、质量和能耗，均匀布料是烧结系统自动控制的主要目标之一。由于烧结过程的连续性和长滞后的特点，混合料一经布到烧结机上，即无法实施再调整。其分布是否均匀，只能通过机尾操作工对机尾烧结矿床断面情况的人工经验判断，并将分析判断结果反馈给自动控制系统，这种生产结果信息的反馈方式，严重制约了基础自动控制系统效能的发挥。

烧结矿质量的在线监测一般采用分析机尾断面红外图像的方法。烧结机机尾卸料区烧结饼断面的红外图像，能够直接反映料层状态的信息，是烧结生产过程的综合反应，可以作为控制烧结料层内热量水平的主要依据。以往操作人员利用机尾断面，观察相邻几个烧结机尾断面中红热带的明暗、色彩、大小、分布和位置，烧结饼卸料的完整性以及粉尘的大小等，综合自身的经验知识，来判断烧结的质量指标和各种操作参数的合理值。但是由于这种方法存在着人为因素的干扰和不完整性等问题，于是人们寻求开发出一些不同程度模拟操作工工作，利用烧结机尾断面的图像连续获取和判断系统，来克服人工方法的不足。

在2002年发表的论文中，北京科技大学与济南钢铁集团公司联合研制的“烧结机尾红外热成像计算机视觉及信息处理系统”，采用了近红外CCD摄像方法。该系统是目前国内第一个成功在线运行的系统，为进一步开发和完善烧结机尾在线监测系统提供了有益的经验。受波长限制，高温段出现饱和现场，阻碍了诊断分析。

韩国浦项钢铁公司光阳厂研制了烧结机尾热成像系统，在烧结机尾卸料区安装了一个用于热成像的高分辨率(512×512pixel)、低噪音电荷耦合器件(CCD)摄像机，高温图像由该摄像机从机尾断面正面摄取，在烧结饼断面和摄像机之间安放了一个窄带通滤波片(中心波长650mm，宽3nm)，用0.25百万个离散的温度点数组来表征烧结矿表面的特征，红热带的分界点定为1000℃，对每个分道闸板部分按下述方程式计算红热带比率：

另外，还在篦条下的几个典型的风箱内安装了70套热电偶，每套热电偶正对沿台车宽度方向上的5个用于控制布料密度的分道闸板，热像信息中宽度方向一定热量水平的分布与热电偶的输出一起用于控制分道闸板的开放度，一定热量水平的积分面积用于控制配碳量和台车速度。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种布料均匀性指数在线检测方法，该检测方法实现了混合料床均匀状态的在线定量分析，为控制烧结混合料在台车上分布均匀提供了依据。

本发明是这样实现的：一种布料均匀性指数在线检测方法，其特征是：

第一步，在烧结机尾中后部废气风箱间，每个风箱均匀安装多个热电偶，形成烧结废气温度检测阵列，建立烧结机尾废气温度平面温度场；

第二步，对该温度场在线分析，对于任一列废气温度测点连接成的曲线，取其拟合曲线Y＝f(x)上与45°直线相切的点为温度上升点X₁，而曲线上的最高温度点为烧结终点X₂，求出曲线在X₁，X₂区间与横坐标轴所围区域的面积 $S={\∫}_{x_1}^{x_2}f\left(x\right)\·\mathrm{dx},$ i列检测点将获得i组对应混合料区域的温度上升点X₁、烧结终点X₂和面积S，即有X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i，其中i＝1，2，…，i为列数；

第三步，定义布料均匀性指数：沿烧结断面宽度方向将烧结混合料床等分为N(i＝1，2，…，N)个区域，并认为烧结混合料床宽度方向上除密实度外无其它偏析，设如果第i区域的混合料质量为m_i(kg)，各等分区域的混合料平均质量为

则，第i区域的布料均匀性指数θ_i为：

或者 ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_i)}{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}$

式中：ε_i--第i区域料床的空隙率，

--料层的平均空隙率；

第四步，由烧结过程燃烧带的热平衡分析，均匀布料指数θ_i与对应列的废气温度分布特征值(X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i)及平均状态下的特征值间有如下关系：

$1.616\·{\mathrm{\θ}}_i^{1.63}-0.59\·{\mathrm{\θ}}_i^{0.63}={\mathrm{\Ψ}}_i^{0.63}$

式中： ${\mathrm{\Ψ}}_i=\frac{X_2^i-X_1^i}{{\stackrel{\‾}{X}}_2-{\stackrel{\‾}{X}}_1}\·\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_2}{X_2^i}\·\frac{S_i}{\stackrel{\‾}{S}}$

θ_i表示第i列的布料均匀性指数；

X₁ ⁱ表示第i列温度曲线上升切点温度；

X₂ ⁱ表示第i列温度曲线最高点的温度；

S_i表示第i列X₁、X₂与温度曲线围成的面积；

通过对温度场的分析，可以获得每列的X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i以及平均的

和

求解上述模型方程，即可得到对应布料闸门控制区域的布料均匀性指数θ_i；

第五步，知道均匀性指数θ_i后，可通过控制水平方向小闸门，来实现布料的水平方向的均匀性。

所述在烧结机尾中后部15～23号风箱间，每个风箱均匀安装6个热电偶，形成6列×9排的烧结废气温度检测阵列。

本发明是在烧结机尾后半部废气风箱安装热点偶，构建机尾废气温度平面温度场，通过对该温度场在线分析所获得的特征信息，进行布料均匀性定量评价的方法；首次提出并定义了烧结布料均匀性指数的概念，并建立了该指数的数学模型，实现了混合料床均匀状态的在线定量分析，为布料节门开度的调整提供科学、准确的依据。

(四)附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为烧结料宽断面微分示意图；

图2为热电偶安装方案示意图；

图3为温度拟合曲线；

图4为某一时刻宽度上各部分均匀性指数柱状图。

(五)具体实施方式

首先：定义布料均匀性指数θ_i。参见图1，沿烧结断面宽度方向将烧结混合料床等分为N(i＝1，2，…，N)个区域，即将断面微分成N列(垂直面)，并认为烧结混合料床宽度方向上除密实度外无其它偏析。设如果第i区域的混合料质量为m_i(kg)，各等分区域的混合料平均质量为

定义：第i区域的布料均匀性指数θ_i为：

由物理学知，m_i＝ΔV·ρ_o·(1-ε_i)， $\stackrel{\‾}{m}=\mathrm{\ΔV}\·{\mathrm{\ρ}}_o\·(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})$

式中：m_i、

--第i区域混合料质量和各个区域的平均质量(kg)；

ΔV--每列微分区域的混合料体积(m³)；

ε_i--第i区域料床的空隙率；ρ_o--混合料的堆密度(kg/m³)

--料层的平均空隙率；

则第i区域的列的布料均匀性指数θ_i可表示为： ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_i)}{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}.$

接着：就本发明一种布料均匀性指数在线检测方法，进行具体描述。

第一步，在烧结机尾中后部废气风箱间，每个风箱均匀安装多个热电偶，形成烧结废气温度检测阵列，建立烧结机尾废气温度平面度场；在本实施例中，以某单位的3号烧结机为例，在烧结机尾中后部15～23号风箱间，每个风箱均匀安装6个热电偶，形成6列×9排的烧结废气温度检测阵列，建立烧结机尾废气温度平面温度场，参见图2。

第二步，对该温度场进行在线分析，对于任一列废气温度测点，其温度分布均具有如图3所示的特征，将温度测点连接成的曲线，取其拟合曲线Y＝f(x)上与45°直线相切的点为温度上升点X₁，而曲线上的最高温度点为烧结终点X₂。

由烧结工艺理论可知：X₁点对应燃烧带前沿接近台车箅子的位置，而X₂点对应燃烧带最高温度抵达台车箅子的位置，燃烧过程即将完成。因此，曲线在[X₁，X₂]区间与横坐标轴所围区域的面积 $S={\∫}_{x_1}^{x_2}f\left(x\right)\·\mathrm{dx},$ 一定程度上表征了这一期间废气由烧结过程所获得的热量。

按上述方法处理，6列检测点将获得6组对应混合料区域的温度上升点X₁、烧结终点X₂和面积S，即有X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i，其中i＝1，2，…，6。

第三步，引入布料均匀性指数θ_i，上面已定义了布料均匀性指数θ_i，则，第i区域的布料均匀性指数θ_i为：

或者 ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_i)}{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}$

式中：ε_i--第i区域料床的空隙率，

--料层的平均空隙率；

第四步，由烧结过程燃烧带的热平衡分析，均匀布料指数θ_i与对应列的废气温度分布特征值(X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i)及平均状态下的特征值

和

间有如下关系：

$1.616\·{\mathrm{\θ}}_i^{1.63}-0.59\·{\mathrm{\θ}}_i^{0.63}={\mathrm{\Ψ}}_i^{0.63}$

式中： ${\mathrm{\Ψ}}_i=\frac{X_2^i-X_1^i}{{\stackrel{\‾}{X}}_2-{\stackrel{\‾}{X}}_1}\·\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_2}{X_2^i}\·\frac{S_i}{\stackrel{\‾}{S}}$

θ_i  表示第i列的布料均匀性指数；

X₁ ⁱ  表示第i列温度曲线上升切点温度；

X₂ ⁱ表示第i列温度曲线最高点的温度；

S_i表示第i列X₁、X₂与温度曲线围成的面积；

通过对温度场的分析，可以获得每列的X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i以及平均的

和

求解上述模型方程，即可得到对应布料闸门控制区域的布料均匀性指数θ_i。

第五步，从模型可以知道θ₁～θ₆的均匀性指数，通过控制水平方向六个小闸门，来实现布料的水平方向的均匀性。

图4为烧结机宽度上各等分部分某一时刻的各均匀性指数柱状图，可通过在线显示方式将布料均匀性指数显示出来。

本发明实现了混合料床均匀状态的在线定量分析，为控制烧结混合料在台车上分布均匀提供了依据。

Claims (2)

1.一种布料均匀性指数在线检测方法，其特征是：

第一步，在烧结机尾中后部废气风箱间，每个风箱均匀安装多个热电偶，形成烧结废气温度检测阵列，建立烧结机尾废气温度平面温度场；

第二步，对该温度场在线分析，对于沿混合料运行方向的任一列废气温度测点连接成的曲线，取其拟合曲线Y＝f(x)上与45°直线相切的点为温度上升点X₁，而曲线上的最高温度点为烧结终点X₂，求出曲线在X₁，X₂区间与横坐标轴所围区域的面积i列检测点将获得i组对应混合料区域的温度上升点X₁、烧结终点X₂和面积S，即有X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i，其中i＝1，2，…，i为列数；

第三步，定义布料均匀性指数：沿烧结断面宽度方向将烧结混合料床等分为N(i＝1，2，…，N)个区域，并认为烧结混合料床宽度方向上除密实度外无其它偏析，设如果第i区域的混合料质量为m_i kg，各等分区域的混合料平均质量为m kg，

则，第i区域的布料均匀性指数θ_i为：

或者 ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{(1-{\mathrm{\ϵ}}_i)}{(1-\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}})}$

式中：ε_i——第i区域料床的空隙率，

ε——料层的平均空隙率；

第四步，由烧结过程燃烧带的热平衡分析，均匀布料指数θ_i与对应列的废气温度分布特征值及平均状态下的特征值间有如下关系，其中：对应列的废气温度分布特征值为X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i，平均状态下的特征值为X₁、X₂和S，则：

$1.616\·{\mathrm{\θ}}_i^{1.63}-0.59\·{\mathrm{\θ}}_i^{0.63}={\mathrm{\Ψ}}_i^{0.63}$

式中： ${\mathrm{\Ψ}}_i=\frac{X_2^i-X_1^i}{{\stackrel{\‾}{X}}_2-{\stackrel{\‾}{X}}_1}\·\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_2}{X_2^i}\·\frac{S_i}{\stackrel{\‾}{S}}$

θ_i表示第i列的布料均匀性指数，

X₁ ⁱ表示第i列温度曲线上升切点温度，

X₂ ⁱ表示第i列温度曲线最高点的温度，

S_i表示第i列X₁、X₂与温度曲线围成的面积；

通过对温度场的分析，可以获得每列的X₁ ⁱ、X₂ ⁱ和S_i以及平均的X₁、X₂和S，求解第四步中的模型方程，即可得到对应布料闸门控制区域的布料均匀性指数θ_i；

第五步，知道均匀性指数θ_i后，通过控制水平方向小闸门，来实现布料的水平方向的均匀性。

2.根据权利要求1所述的布料均匀性指数在线检测方法，其特征是：在烧结机尾中后部15～23号风箱间，每个风箱均匀安装6个热电偶，形成6列×9排的烧结废气温度检测阵列。

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