CN101806628A - 基于在线灰体的aod炉红外温度在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于在线灰体的AOD炉红外温度在线检测方法，该方法是将红外探头设置在AOD炉的底枪中，对炉温进行在线测量，得到实时测量温度值，AOD炉的实际炉温T符合下述公式：

式中，T₀，T_b分别为气体出口温度和熔池内液体的温度；V₀，V_f分别为出口温度和熔池温度下的气体体积；n为单位时间内吹入气体的物质的量；P_a为熔池上方的压力；Q_a为熔池温度和P_a下的气体流量；H为熔池深度；本发明对AOD炉冶炼温度的测量是基于熔池内底枪处的温度的在线监测而实时进行的，降低了能源消耗并提高了冶炼精度。

Description

基于在线灰体的AOD炉红外温度在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种冶金行业炼钢炉冶炼的检测系统，特别涉及一种基于在线灰体的AOD炉红外温度在线检测方法。

AOD炉冶炼温度的测量是基于熔池内底枪处的温度的在线监测而实时进行的，以降低能源消耗并提高冶炼精度。由于冶炼过程中，底枪处的状态基本维持恒定，底吹气体可以形成在线灰体，因此根据基尔霍夫理论实时测量铁水腔体的温度，辅以温度补偿，并计算出铁水实时的温度值。

背景技术

目前冶炼过程中的温度测量采用的是间歇式测量方法，这样可能会造成能源的浪费并降低冶炼精度。

目前冶金行业温度测量主要以热电偶测量为主，其主要缺点是不能实现温度的连续在线检测，同时会造成大量的能源浪费，热电偶测温时对操作工人的要求较高，需要有经验的工人根据火焰颜色，判断出冶炼阶段，再根据需要进行测温，所以时常无法准确的预报冶炼终点，以致造成喷溅事故。

目前还有使用的方法有蓝宝石光纤传感和黑体腔传感，它们实施的具体方式是：

蓝宝石光纤传感，光纤温度传感器系统包括端部掺杂质的高温蓝宝石单晶光纤探头、Y型石英光纤传导束、超高亮发光二极管(LED)及驱动电路、光电探测器、荧光信号处理系统和辐射信号处理系统。在高温区(400℃以上)，光纤温度传感器基于光纤被加热要引起热辐射的原理工作，热辐射效应光强调制型光纤温度传感器属于被动式光强调制，它不需要外加光源，而直接由蓝宝石光纤制成的黑体腔收集热辐射，然后通过传输光纤送到光电二极管探测并进行数据处理。热辐射的强度和波长是温度的函数，采用带黑体腔的高温单晶蓝宝石(α-Al2O3)光纤(其熔点温度为2050℃)，当黑体腔与待测温度区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定理发射与待测温度T相对应的电磁辐射。

黑体腔传感，采用比色法原理进行测温的光纤温度传感器系统，由黑体腔、光纤传感器、传输光纤、分路器、光电转换、信号处理组成。温度传感器的工作原理，是由黑体辐射腔感受被测物体的温度，发射出辐射光波，光纤传感头接收到黑体辐射腔发射的辐射光波，经传输光纤传回至分路器，通过波分复用将辐射光、信号分别转换成电信号后，由二次仪表计算出温度。

在实际应用中，上述两种方法由于制造精度限制了其应用和推广，同时系统的成本由于与热电偶法相当，也是限制其应用的一个主要因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于在线灰体的AOD炉红外温度在线检测方法，本发明是基于底枪气体形成的铁水腔体对AOD炉温度进行在线测量，对发射率进行补偿，根据温度补偿对红外测温结果进行修正，作为冶炼过程控制和其他终点判断的重要依据之一。

本发明的方法是将红外探头设置在AOD炉的底枪中，对炉温进行在线测量，得到实时测量温度值，AOD炉的实际炉温T符合下述公式： $T=T_b+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{l}g{\mathrm{HT}}_0}{C_l{D}_C}\·\frac{1}{T_b}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{g,0}{u}_0^2-{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}$

式中，T₀，T_b分别为气体出口温度和熔池内液体的温度；V₀，V_f分别为出口温度和熔池温度下的气体体积；n为单位时间内吹入气体的物质的量；P_a为熔池上方的压力；Q_a为熔池温度和P_a下的气体流量；H为熔池深度。

本发明的有益效果是：对AOD炉冶炼温度的测量是基于熔池内底枪处的温度的在线监测而实时进行的，降低了能源消耗并提高了冶炼精度。

本发明的原理是：

铁水腔体的结构如图2所示，当气体通过浸入式喷枪喷入熔池时，气体连续相将在液体中运动，并且与其周围介质之间存在一个界面，由于这个界面的不稳定性，在射流与周围介质之间发生了能量传递过程。射流对周围介质的卷吸使射流不断扩张并且使运动速度降低。经过一定距离后，射流的水平速度分量将低于单个大气泡在液体中的上升速度值。此时，射流垂直方向的速度分量占主导，并且分离出大量大小不一的气泡，这些气泡由于受浮力的作用将上升到熔池的表面。上升的气泡驱动液体向上运动，同时抽引周围的介质，从而在熔池内造成非对称的循环流。

实验表明，气体射流喷入液体后，射流核心区的长度一般为6d左右，在这个范围内，可以认为腔体内完全由气相组成。之后在(6-8)d的范围内，由于气体对周围液体的卷吸作用，不断有液滴被卷入气相中，射流轨迹继续扩张。在气流由气体或气体加液珠组成的气体连续相区域被破坏之前，气流在保存相当大的水平方向动量的情况下就开始形成气泡，气体或气体加液珠的气体连续相一旦消失，气泡上浮运动将逐渐起决定性作用，从而使流股的轴线轨迹明显改变方向，出现上图所示的上升转折，甚至移向喷嘴方向。通过实验观察，在(8-10)d处，气泡大量生成，射流明显向上弯曲。

可以看出，底吹气体在进入铁水后形成一个气体腔，如图1所示，这个气体腔中的6d这个范围内的气体完全是气相的，就是说是一个理想的灰体，为温度检测提供了一个理想的空间。

首先，了解AOD炉的工艺和生产流程，其次根据AOD的结构特点，研究底枪处的气体状态，进一步分析气液界面的结构和辐射特性，依据基尔霍夫理论建立在线灰体进行测温。基尔霍夫理论的原理是，在密闭等温腔体内任意面元上的辐射，是等温腔体在此温度下的黑体辐射。当一个腔体完全等温时，对于一个固定安放的探测器，腔体的积分发射率不随腔体的温度和波长而变化，基本保持为一个常数。此时的等温腔体是一个理想的灰体。

红外温度测量需要进行发射率的修正，建立了在线灰体之后，由于灰体的发射率可以基本保持为一个固定的常数，所以当用比色测温法进行处理时，误差要远远小于普通比色测温法的测量精度。所以发射率的修正就不再是主要问题，而是底吹气体的降温作用，由于底吹气体在室温吹入，对与它接触的铁水腔体要产生一个持续的降温作用，基于功能关系建立温度补偿公式对温度进行补偿。底吹气体的功主要包括如下几个部分：

(1)膨胀功，即气体在喷嘴附近由于温度升高引起体积膨胀而作功；

(2)浮力功，即气泡在上浮过程中因浮力和膨胀作功；

(3)动力功，即喷吹时气体流股的动能作功；

(4)静压力功，即气体喷出时残余静压力使气体膨胀作功。

各个功可以表示为：

膨胀功W₁：

$W_1={\∫}_{V_0}^{V_f}\mathrm{\Δ}{P}_b\mathrm{dV}={\∫}_{V_0}^{V_f}{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gHdV}={\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}(V_f-V_0)={\mathrm{\ρ}}_{l}g{\mathrm{HV}}_f(1-\frac{T_0}{T_b})$

$=P_a{Q}_a(1-\frac{T_0}{T_b})\frac{{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}{P_a+{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}=\mathrm{nR}(T_b-T_0)\frac{{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}{P_a+{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}$

式中，T₀，T_b分别为气体出口温度和熔池内液体的温度；V₀，V_f分别为出口温度和熔池温度下的气体体积；n为单位时间内吹入气体的物质的量；P_a为熔池上方的压力；Q_a为熔池温度和P_a下的气体流量；H为熔池深度。

浮力功W₂：

$W_2=P_a{Q}_a[2\ln (1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}{P_a})-\frac{{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}{P_a+{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}]$

动力功W₃：

$W_3=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{g,0}{u}_0^2{Q}_{g,0}=\frac{n{\mathrm{RT}}_b\left(\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{g,0}{u}_0^2\right)}{P_a+{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}$

静压力功W₄：

$W_4={\∫}_{V_0}^{V_1}\mathrm{PdV}={\∫}_{V_0}^{V_1}\frac{n{\mathrm{RT}}_b}{V}\mathrm{dV}=n{\mathrm{RT}}_b\ln \left(\frac{P_0}{P_a+{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}}\right)$

根据功能关系，温度补偿公式如下：

$T=T_b+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{l}g{\mathrm{HT}}_0}{C_l{D}_C}\·\frac{1}{T_b}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{g,0}{u}_0^2-{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}$

有了上述温度补偿模型，可以根据参数的实时测量值T_b，算出铁水温度值T。

附图说明

图1是AOD炉的结构及红外底枪测温原理图。

图2是铁水腔体的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明之方法是将红外探头设置在AOD炉的底枪中，对炉温进行在线测量，得到实时测量温度值，AOD炉的实际炉温T符合下述公式： $T=T_b+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{l}g{\mathrm{HT}}_0}{C_l{D}_C}\·\frac{1}{T_b}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{g,0}{u}_0^2-{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}$

式中，T₀，T_b分别为气体出口温度和熔池内液体的温度；V₀，V_f分别为出口温度和熔池温度下的气体体积；n为单位时间内吹入气体的物质的量；P_a为熔池上方的压力；Q_a为熔池温度和P_a下的气体流量；H为熔池深度。

Claims (1)

1.一种基于在线灰体的AOD炉红外温度在线检测方法，该方法是将红外探头设置在AOD炉的底枪中，对炉温进行在线测量，得到实时测量温度值，AOD炉的实际炉温T符合下述公式：

$T=T_b+\frac{{\mathrm{\ρ}}_{l}g{\mathrm{HT}}_0}{C_l{D}_C}\·\frac{1}{T_b}+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_{g,0}{u}_0^2-{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gH}$

式中，T₀，T_b分别为气体出口温度和熔池内液体的温度；V₀，V_f分别为出口温度和熔池温度下的气体体积；n为单位时间内吹入气体的物质的量；P_a为熔池上方的压力；Q_a为熔池温度和P_a下的气体流量；H为熔池深度。

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