CN102927820B

CN102927820B - 吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统

Info

Publication number: CN102927820B
Application number: CN201210426050.7A
Authority: CN
Inventors: 戈文燕; 戈尔谷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102927820A

Abstract

本发明涉及一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，以吸风烧结机点火炉前第一个烟箱作为测量烧穿点位置的基准0点，在烟箱中铺设一根或多根耐500℃以上的感温光缆，且感温光缆与烧结层之间的距离为150mm-400mm，其中至少有一根感温光缆I穿过烟箱两侧壁并与烧结层平行铺设；该吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统可以准确定位出烧穿点位置和烧穿温度，操作简单，便于检修。

Description

吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统

技术领域

本发明涉及吸风烧结机，属于测定吸风烧结机核心操作参数烧穿点温度及位置的系统。

背景技术

烧结机烧穿点位置的测定技术与烧穿温度是烧结块合格度的核心操作状态参数。在烧穿温度下，烧结料在烧结带上行进一段距离，经一定程度的抽风冷却后，从机尾掉下，经破碎机，能够形成高炉要求的有一定硬度、块度、孔隙率、残硫率的合格烧结块，烧结块质检仪器将界定上述烧穿温度和烧穿位置的理想值。只有合适的烧穿温度和烧穿位置才能使产品达到上述质量要求，且该质量严重制约着后续工序高炉的产出率、质量及系统能耗。

在黑色冶金吸风烧结机检测技术中、国内、外早有试验及应用（该技术仅在吸风烧结尾部3~5个烟箱上来测定温度）。举例：2005年济钢的 320m2烧结机烟箱温度测量位置共70 多点，分别在1#～21#号烟箱位置上安装温度检测装置，其中在16#～20#烟箱宽度方向上各安装8个热电偶，进行多点测量，检测位置分布见图1。BRP 终点模型的实时采样时间间隔为1 min。烟箱温度各检测点之间的距离为2 m。此外还有烟箱压力测量、主管温度和主管压力的自动检测等。烧结方向，如图1所示， 16#～20#烟箱废气温度检测位置分布在对烧结机速度控制过程中，16#～20#各烟箱的温度值用每个烟箱上8个热电偶测量温度的平均值来表示，当某个热电偶出现问题时，可以通过剔除方法，取得较好的测量结果。

在环境条件相当恶劣的烧结机底部烟箱上插进并维护这么多热电偶是非常困难的，而且要准确反映从烧结层冲出的气流温度，其插入深度要达到需要的深度，这在以往的工程设计中没有被注意，可能测的只是不同位置冲出的混烟温度，对于这样的基础数据，很难达到搜寻准确烧穿终点位的目的。

其次是各热偶测量头上不同程度易结灰渣，难以清除，使持续测温产生变数，带来求取的烧穿终点位偏差。烧穿点是最高温度点，究竟该点在3~5个烟箱间哪个距离位置上，一般在吸风烧结情况下很难持续准确定位。30多点测烟温热电偶装于烟箱底侧，那里环境温度高，多尘、微量烟气呛人，狭窄，是恶劣的维护环境，维护工作很难坚持，所以一般吸风烧结厂烧穿点位置成功应用的较少，能坚持应用的更少。

在求取烧穿终点位置的方法上，国内外有很多方法。早在上世纪50年代根据3个测定最高温度值及其既定位置以二次样条函数求取烧穿终点位置；基于烟气温度分布的BTP含有最高温度点的二次拟合曲线Tx=Ax²+Bx+C ，式中Tx为x点烟气温度、x为测温度点的行进坐标位置、把3个测温点温度及坐标位置代入该二次方程，即可求得A、B、C三常数，再由dTx/dt=AXmax+BXmax+C=0求极点，即可得Xmax—最高温度烧结终点位置。本法比样条函数方法少一些动态适应性；鉴于测温热电偶的响应时滞，控制过程有滞后，有人试通过综合机理建模与神经网络、灰色理论、模糊分类等智能方法，提出一种基于烟气温度场分布的烧穿点智能集成予测方法。但实际温度场难符合过程机理，效果不明显。

国际铁矿的80~90%通过烧结机生成烧结块供给高炉炼铁过程，它要求稳定提高烧结块质量和降低能耗，因此，如何有效地解决吸风烧结烟箱中可靠地较快测定烟温，减少失效和在恶劣环境下的维护困难，准确快速地找到烧结终点温度及位置这两个核心操作参数，是技术创新的着眼点，它必将为高炉稳定生产及降低焦比起巨大的基础作用。

感温光缆，作为线型光纤感温探测器的一种，主要利用测温点Raman光波反射来测温并通过光时域反射（OTDR）技术来对温度点进行定位，具有实时，多点连续，精确定位，无盲区，系统分区容量大，综合成本低的优点。

感温光缆将窄的激光脉冲通过双向耦合器注入光纤中，光纤中产生的背向散射光（瑞利散射和拉曼散射）和前向斯托克斯光波也通过该双向耦合器耦合到光电探测器中，后向拉曼光波强度与前向斯托克斯光波强度之比值与该点感受温度相关，通过光缆厂测试标定，可得到该比值与该点感温度相关系数。

时间的变化对应着光纤距离的不同，光探测器探测得到的光功率是光纤位置的函数，其测点位置由背向散射回到入射端所需的时间相应于光脉冲在光纤中所走的距离 L =νt /2 确定，v为光速，t为时间。随着L的变化，探测器就实现了对沿程光纤分布的最高温度待测点位置测量。

在消防报警、电缆过热、油罐过热等领域已普遍应用了≤250℃感温光缆系统进行温度测距超限报警，对社会安全防范起了重要作用。但上述消防感温光缆系统，由于它仅用于环境测温报警，测温精度及对温度变化响应速度要求不高，采样速率也不高。现有≤250℃的感温光缆的填充层一般为氧化镁填料层，传热系数低，所以感温响应时间长，且为了达到抗拉力的效果，一般会在外层加上一层护套层，使得感温光缆具有一定的抗拉强度，但是护套层也会影响传热。

工业上用于工艺流程、炉、机的多点系统测温，需要开发更高的测温度的感温光缆系统，它对多点测温精度、对温度变化响应速度及采样处理速度要求更高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，该吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统可以准确定位出烧穿点位置和烧穿温度，操作简单，便于检修。

本发明所采用的技术方案是：

一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，以吸风烧结机点火炉前第一个烟箱作为测量烧穿点位置的基准0点，在烟箱中铺设一根或多根耐500℃以上的感温光缆，且感温光缆与烧结层之间的距离为150mm-400mm，其中至少有一根感温光缆I穿过烟箱两侧壁并与烧结层平行铺设；

所述耐500℃以上的感温光缆的具体结构是：由内到外依次为单芯或多模的石英光纤内层、纳米炭涂层、碳纤维填料层和不锈钢软管光缆外层。

优选在吸风烧结机的头部或尾部的一个或多个烟箱中设有感温光缆II，该感温光缆II设置在烟箱的水平截面上且垂直于感温光缆I铺设，所述水平截面与烧结层之间的距离为150mm-400mm。

所述感温光缆的直径优选为3mm-5mm。

所述感温光缆的测距精度优选≤50mm。

所述感温光缆与烧结层之间的距离优选为150mm-400mm。

下面对本发明做进一步的解释和说明：

将现代感温光纤技术直接应用到烧结机烟箱系统测温度及找寻烧穿点位置，是本发明的创新之处，其理论依据有以下几点：

1、用耐500℃以上的感温光缆取代大量的难以维护的热电偶是本发明的关键，在吸风烧结机烟箱上装感温光缆，要克服几个难以解决的问题：

1）在烟箱上的安装位置能否正确反映刚冲出烧结层的烟气温度，这是一个关键问题，因为每一烟箱系倒方锥型，上大下小，排烟机从烧结层下部或两侧下抽烟，因此冲出烧结层的烟气迅速集中混合，我们不应测混合烟气温度，以往那种不太考虑热电偶插入深度的做法，是难以实现烧穿点求取的。我们深入探寻的结果是应把感温光缆装在烟气出烧结层的惯性冲程范围内，才能反映烧结层的气温。

冲程范围如何求取？通过烟箱设计的风量对烟箱范围烧结层透气面积的平均速度（较高）与进入烟箱较大截面时的低速（在下部烟箱开始升速之前）间的中间速度点作为冲程末端。实际上由于气温的增高和烟气量相对于空气量的增大，惯性冲程应更大些，留有测温在冲程范围内的余地。

如图4所示，所述烟气出烧结层的冲程范围的理论推导过程为：

设烟气出烧结层时的风速为最大风速v₁，设烟箱中最小风速v₂，最大风速v₁与最小风速v₂的平均值为平均风速v₃，当烟箱内的烟气风速等于上述平均风速v₃时的位置为冲程末端15，冲程末端与烧结层的距离为烟气出烧结层的冲程范围a；其中，

，

，Q₀，S₀和k为已知。

设烟气出烧结层后到达冲程末端的时间最短为1s（事实上要远大于1s），即冲程范围a=平均风速v₃×1s。

以现有360㎡的吸风烧结机为模型，按实际使用的平均每个烟箱的最小设计烟量16.9m/s计算，一个烟箱顶部的烧结层的表面积约为33㎡，在600mm料层厚度下，透气率一般为36%，则最大风速v₁为1.42m/s，最小风速为0.51 m/s，平均风速v₃为0.965m/s，设烟气出烧结层后到达冲程末端的时间最短为1s（事实上要大于1s），那么冲程范围理论上应为965mm，考虑到实际应用过程中误差，因此保守选择感温光缆与烧结层之间的距离小于等于400mm比较合适，可以满足测量要求。

由于从烧结层出来的烟气夹带水汽与灰尘，现有技术中热电偶头迎着气流方向，这样易被汽尘包裹结块，影响测温持续使用，维护也难以为继，因此，并不是感温光缆越近烧结层越好，而是只要在惯性冲程范围内，距烧结层一定距离不易积灰也是重要的，因此选择感温光缆与烧结层之间的距离150mm-400mm比较合适。同时我们要求光缆外套为不锈钢管，径向感温由于烟气绕缆径气流速度冲刷，不易积灰（实践证明难以积灰）。

2）惯性冲程内由于散热，各位置气体温度会有些变化，有些高级研究人员经过在对烧结层同一垂直线的不同高度实际测温（未完全在冲程内测温）其结果不同，得出“仅仅根据某一个垂直高度的烟气温度，很难对对应位置的烧结层作出准确判断，从而影响到对BTP（二次温度曲线求最高点）位置和温度的判断”。但该研究人员也认为刚离烧结层的温度最能准确反映烧穿温度，可是，把冲程外的温度（受混合影响）与之比较就不恰当了，我们认为：实际上在冲程内距烧结层不同距离上敷设的感温光缆感受的烧穿点（最高温）位置在同一生产情况下，都在同一位置上，而且惯性冲程内的烟气还未及混合，其温度相差不多，而理想的烧穿温度和位置是由烧结机尾部烧结块质量检验仪器来界定的，只要界定的烧结块质量好，该理想点位上冲程内不同距离烧穿温度都是合适的。

2、烧结终点温度及位置由感温光缆直接、快速测得。意味着不再需要国际上关于烧结终点位置的各种予估模式。在沿程尾部几个烟箱内直线敷设，即可由感温光缆二次测温系统直接测得烧结层终点的最高温度，在光纤中反射的拉曼光波与前向斯托克斯光波强度比，以该光波返回时间计算，而直接获得烧结终点的位置。

3、对耐500℃以上的感温光缆的具体要求：

a、用纳米碳作为涂层，以碳纤维作为填充料，保护光纤良好稳定地工作，保护光纤不受氢气影响。而普通感温光缆常用导热系数很低的氧化镁粉作填充料，两者导热速度系数在同一温度下差9倍以上。碳纤维填料层缓冲了光纤缆的外管侧向受力，又增强了光纤缆的抗安装拉力，又大大加强了外管与光纤芯的导热，使感温的响应时间减少1~2个数量级，它的长期耐温远大于500℃。

b、碳纤维的高模量、高导热、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、低热膨胀系数，适合中温恶劣环境下的装设、运行，耐振动性好，在500℃下感温光缆中既作为保护光纤的填充料，又代替普通感温光缆的抗拉力用外套（护套层），一举两用，减少一道主工序和辅料。碳纤维作为小直径光缆的抗拉力高出普通感温光缆几倍。在抗拉力满足安装拉力，又不损害光纤前提下，尽量减小感温光纤缆直径，直径为3-5mm较为适宜，以减少碳纤维用量。

c、光缆外层仅用不锈钢软管即可，不另加外套，以防止其影响温变反应速度；不锈钢软管导热系数好，又能对抗外力及安装拉力，并易于与沿线构件相配合，且防粘灰。

d、光缆外层优选有长度标尺分度标记，可以很方便的知道所测温点到缆起点的光缆长度，不必去大费周折的测量光缆长度。

e、该感温光缆可为多模光纤，以满足冗余测量要求。

4、感温光缆测温原理示意图如图7所示：

a由激光驱动器驱动激光器发出的激光进感温光缆；

b由分光器检出激光在测温点处反射的后向拉曼光波及前向stocs光波，其中拉曼和前向stocs光波比值与.感温光缆各测温点温度对应，以减少光源强度随时间变化对测温的影响；

c由信号处理器采集两种光波的光强及时间信息，经比值转换成测点温度及位置；

d通过显示器分类显示烟箱内纵向及横向各点温度信号数值及曲线，纵向温度曲线最高点位置，即烧穿点位置及温度；

e由DCS计算机控制系统接受信号处理器来烧穿点位置及温度信号，结合烧结层厚度检测，保持混合料处理量不变下，通过同步控制烧结机台车速度及机头布料排泥辊调节烧结层厚度进行烧穿点位置及温度的稳定高效控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1、通过本发明的测温系统不需经过预定各种数学模式来求取，影响因素少，响应速度及准确度更高；

2、由于光纤测温，无电磁干扰，接地等干扰影响，准确度高；

3、沿线各温度测量一体化进行，系统测温相关性好，系统易于冗余，可靠性高。

4、维护工作环境改善，检修容易，维护工作量大减，奠定了烧结烧穿点测量持续应用的基础。

附图说明

图1 为现有技术中16#～20#烟箱废气温度热电偶检测位置分布；

图2 为本发明所述耐500℃以上的感温光缆的结构示意图；

图3为一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度测定系统的侧面结构示意图，只有一根感温光缆穿过烟箱两侧壁并与烧结层平行敷设即可（在台车行进方向）；

图4为图3中感温光缆的敷设位置示意图；a是冲程范围，b是优选感温光缆敷设距离范围，b=250mm；

图5为一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度测定系统去掉烧结层后的俯视一种敷设方式示意图；

图6为一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度测定系统去掉烧结层后的俯视另一种敷设方式示意图；

图7是分布式光纤传感器与感温光缆测温系统工作原理示意图；

其中，1是单芯或多模的石英光纤内层，2是纳米炭涂层，3是碳纤维填料层，4是不锈钢软管光缆外层，5是仓料，6是主料仓，7是点火炉，8是烧结层，9是烟箱，10是点火炉后的第一个烟箱，11是吸风烧结机尾部最后一个烟箱，12是尾部吸风通道，13是吸风烧结机，14是感温光缆I，15是冲程末端， 16是吸风口，17是感温光缆II，18是激光驱动器，19是激光器，20是感温光缆各测温点，21是分光器，22是后向拉曼光波，23是前向stocs光波，24是放大器，25是信号处理器，26是显示器，27是DCS系统，28是光缆环路，29是感温光缆数据处理部分。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的解释和说明：

实施例1： 如图3-图5所示，一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度测定系统，以吸风烧结机13点火炉7前第一个烟箱10作为测量烧穿点位置的基准0点，，在烟箱中敷设一根耐500℃以上的感温光缆I 14，且感温光缆与烧结层之间的距离在烟气出烧结层在150mm-400mm之间，其中感温光缆I 14穿过烟箱两侧壁并与烧结层平行敷设；

如图2所示，其中所述耐500℃以上的感温光缆的具体结构是：由内到外依次为单芯或多模的石英光纤内层1、纳米炭涂层2、碳纤维填料层3和不锈钢软管光缆外层4。

上述感温光缆I 14可获得各烟箱沿程烟气温度变化曲线，直接测得以点火炉7前第一个烟箱10为0点时的烧结层烧穿点位置。最后可以根据烧结块质量来决定此测得的烧穿点位置是否准确，实验测得烧结块的透气率、硬度、脱硫率，转鼓率等参数均符合生产要求，证明此方法可以准确的得出烧结层烧穿点位置。

实施例2：

如图6所示，在实施例1的基础上，再在吸风烧结机的头部或尾部的一个或多个烟箱中设有感温光缆II 17，该所述感温光缆II 17设置在冲程范围内的水平截面上且垂直于感温光缆I 14铺设，所述水平截面与烧结层之间的距离为100mm-400mm。

增设感温光缆17的目的是：如图1传统的16#～20#烟箱废气热电偶温度检测位置分布，在台车行进到16-21烟箱，每个烟箱宽度上装8支热电偶，其目的是了解在宽度上烧结是否均匀，以便调整机头某一调料辊转速，改变布料厚度使宽度上烧结均匀。因此为了达到与现有技术同样的目的，本申请增设感温光缆17从烧结台车下横向来回穿过，就可获得烧结层下宽度上各点温度。上述敷设方法可根据实际，灵活采用，以满足生产要求为准。

在光缆经烟箱壁时，应用与光缆直径相配的不锈钢穿板接头保护及局部固定。日常维护应配备干燥压缩空气总管及各烟箱分支多孔吹扫管并配以多级截止阀防止不用时，对烟箱漏气。光纤缆沿程外部应配小槽盒线，当工艺设备大捡修时，可把光缆暂装入槽盒线加以保护，但主测量段应有质量稳定的光缆接头，易以拆卸。

当连续模拟量测量，数据采集和处理量大增，响应速度加快，相应光学系统、硬、软件系统应有改进、升级，用工业型较高性能平板电脑都能达到并连接上DCS监控系统。

Claims

1.一种吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，其特征是，以吸风烧结机点火炉前第一个烟箱作为测量烧穿点位置的基准0点，在烟箱中铺设一根或多根耐500℃以上的感温光缆，且感温光缆与烧结层之间的距离为150mm-400mm，其中至少有一根以直线形式铺设的感温光缆I穿过烟箱两侧壁并与烧结层平行铺设；

2.根据权利要求1所述吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，其特征是，在吸风烧结机的头部或尾部的一个或多个烟箱中设有感温光缆II，该感温光缆II设置在烟箱的水平截面上且垂直于感温光缆I铺设，所述水平截面与烧结层之间的距离为150mm-400mm。

3.根据权利要求1或2所述吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，其特征是，所述感温光缆的直径为3mm-5mm。

4.根据权利要求1或2所述吸风烧结机烧穿点位置和烧穿温度直接测定系统，其特征是，所述感温光缆的测距精度≤50mm。