CN104232833A - 一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统及其使用方法，其中一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，包括光学接受系统、双色交叉光路、光电转换单元、A/D模数变换单元、信息处理单元和自动控制系统，在顶吹氧转炉的顶部、与吹氧导管相邻位置上设置有非接触测温探头，自动控温系统与非接触测温探头相连，非接触测温探头具体为套筒式结构，包括内层管道和外层管道。本发明具有操作简便，能够抗粉尘和烟雾干扰，适用于温度和距离等物理数据的非接触测量，有利于推广应用。

Description

一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及转炉炼钢控温领域，特别是指一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统及其使用方法。

背景技术

由于现有顶吹氧转炉炼钢未能实现自动适时测温或者温度的自动控制，以至于存在着不合理的繁杂冶炼程序，上述情况进而导致了原材料和能源的浪费。顶吹氧转炉的炉内温度高达1000℃以上，包含有磷、硫和碳等多种杂质。这些杂质以高温气体的形式溅射于炉内，在短时间就完全覆盖非接触测量的光路和窗口。上述情况对顶吹氧转炉炼钢的高温钢水通过红外线非接触测温时，由于高温钢水的上方有大量烟尘，阻挡光路，并且污染测温探头，因此一直没有可行方法来解决。

发明内容

本发明提出一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统及其使用方法，解决了现有技术中对钢水等高温物体非接触测量干扰多及测定精度差的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，顶吹氧转炉的顶部设置有吹氧导管和废气收集导管，吹氧导管连通顶吹氧转炉的内外部，位于钢水液面的上方，废气收集导管通过废气冷却水池与废气排出口相通，自动控温系统依次包括光学接受系统、双色交叉光路、光电转换单元、A/D模数变换单元、信息处理单元和自动控制系统，在顶吹氧转炉的顶部、与吹氧导管相邻的位置上设置有非接触测温探头，自动控温系统与非接触测温探头相连，非接触测温探头具体为套筒式结构，包括内层管道和外层管道。

优选地，在顶吹氧转炉顶部和内层管道内设有低压吹气导管，低压吹气导管通1.2个大气压的气体；吹氧导管包括水平导管部分和垂直导管部分；非接触测温探头垂直于钢水液面；在顶吹氧转炉内、水平导管部分的外侧和低压吹气导管的外侧设置有冷却水套管。

优选地，光学接受系统具有高的距离口径的S/D比值；双色交叉光路包括两种探测波长互相叠加；光电转换单元包括和探测波长相对应的两种光电器件。

优选地，A/D模数变换单元具有高精度和快转换速度；信息处理单元包括计算方法；自动控制系统包括工业控温装置和显示装置；非接触测温探头具体为红外线测温探头。

优选地，自动控温系统的测温精度为1‰，控温范围为700℃～3000℃，测温时间间隔为50ms。

一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，包括如下步骤：

1)通过低压吹气导管向钢水方向吹纯净且透明气体，使非接触测温探头到钢水液面之间的光路保持清洁；

2)开始对钢水进行非接触测温，利用自动控温系统双波长交叉法探测钢水的辐射强度；

3)建立钢水辐射测温物理模型，计算双波长交叉法所测得的钢水的辐射强度之比与钢水的温度之间的关系。

优选地，钢水辐射测温物理模型包括钢水辐射强度的表达公式、辐射的相关系数A与B、辐射的相关系数A与B的求解方法和钢水的温度的求解方法，

钢水辐射强度的表达公式具体为：

ψ(λ，Т)＝Aλ^-5(е^B/λТ-1)^-1，

或ψ(λ，Т)＝Aλ^-5е^-B/λТ，

其中ψ(λ，Т)是钢水的辐射强度，λ为辐射波长，T为钢水的温度，A、B为辐射的相关系数。

优选地，辐射的相关系数A与B的求解方法包括如下步骤：

1)测得钢水在温度T₁时，对应辐射波长λ₁、λ₂的辐射强度值ψ₁(λ₁，Т₁)、ψ₂(λ₂，Т₁)；

2)测得钢水在温度T₂时，对应辐射波长λ₁、λ₂的辐射强度值ψ₃(λ₁，Т₂)、ψ₄(λ₂，Т₂)；

3)将测得的ψ₁(λ₁，Т₁)/ψ₂(λ₂，Т₁)和ψ₃(λ₁，Т₂)/ψ₄(λ₂，Т₂)的比值，代入钢水辐射强度的表达公式ψ(λ，Т)＝Aλ^-5(е^B/λТ-1)^-1或ψ(λ，Т)＝Aλ^-5е^-B/λТ中，联立方程，求得辐射的相关系数A与B的值。

优选地，钢水的温度的求解方法包括如下步骤：

A)由辐射的相关系数A与B计算出对于辐射波长λ₁的一系列不同温度下的辐射强度ψ₁(λ₁，Т)和对于辐射波长λ₂的一系列不同温度下的辐射强度ψ₂(λ₂，Т)；

B)由ψ₁(λ₁，Т)/ψ₂(λ₂，Т)的比值得到两种辐射波长测得的辐射强度之比对应的钢水的温度。

优选地，气体具体为氧气、二氧化碳、氮气、氦气或者压缩空气；辐射波长与探测波长相对应。

本发明的有益效果为：

1)本发明具有操作简便，能够抗粉尘和烟雾干扰，适用于温度和距离等物理数据的非接触测量；

2)本发明控温精度高，控温范围宽，在中高温度段(700℃～3000℃)精确测量钢水的温度，测温精度比现有技术提高一个数量级；

3)本发明还可应用在其他类型的工业生产中，可以与遥测和遥控等智能化手段配合使用，应用领域广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统一个实施例的的应用示意图；

图2为图1所示自动控温系统的结构示意图；

图3为一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统使用方法一个实施例的流程示意图。

图中：

1、吹氧导管；2、钢水液面；3、非接触测温探头；4、自动控温系统；5、废气收集导管；6、废气冷却水池；7、废气排出口；8、光学接受系统；9、双色交叉光路；10、光电转换单元；11、A/D模数变换单元；12、信息处理单元；13、自动控制系统；14、低压吹气导管；15、冷却水套管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，顶吹氧转炉的顶部设置有吹氧导管1和废气收集导管5，吹氧导管1连通顶吹氧转炉的内外部，位于钢水液面2的上方，废气收集导管5通过废气冷却水池6与废气排出口7相通，自动控温系统4依次包括光学接受系统8、双色交叉光路9、光电转换单元10、A/D模数变换单元11、信息处理单元12和自动控制系统13，在顶吹氧转炉的顶部、与吹氧导管1相邻的位置上设置有非接触测温探头3，自动控温系统4与非接触测温探头3相连。，非接触测温探头3具体为套筒式结构，包括内层管道和外层管道。在顶吹氧转炉顶部和内层管道内设有低压吹气导管14，低压吹气导管14通1.2个大气压的气体。

吹氧导管1包括水平导管部分和垂直导管部分；非接触测温探头3垂直于钢水液面2；在顶吹氧转炉内、水平导管部分的外侧和低压吹气导管14的外侧设置有冷却水套管15。

光学接受系统8具有高的距离口径的S/D比值；双色交叉光路9包括两种探测波长互相叠加；光电转换单元10包括和探测波长相对应的两种光电器件。

A/D模数变换单元11具有高精度和快转换速度；信息处理单元12包括计算方法；自动控制系统13包括工业控温装置和显示装置；非接触测温探头3具体为红外线测温探头。

自动控温系统4的测温精度为1‰，控温范围为700℃～3000℃，测温时间间隔为50ms。

本发明中的光探测作用由光学接受系统8、双色交叉光路9和光电转换单元10完成，光学接受系统8的作用是接收钢水发出的辐射强度，聚焦在光电转换单元10上，光电转换单元10的作用是把光信号转变为电压信号。信号采集和转换作用由A/D模数变换单元11和信息处理单元12完成，A/D模数变换单元11的作用是主要由适时电压采集电路和高精度的模拟量/数字量变换电路，信息处理单元12的主要作用是采集光学接受系统8和光电转换单元10输出的电压信号，并将模拟量的电压信号变换为数字量信号。

本发明的工作过程如下：光学接受系统8把接收到的光能量分别转换到双色交叉光路9上，双色交叉光路9的峰值波长分别在910nm和1030nm，由两个光电转换单元10来接收辐射能量；自动采样钢水辐射强度，将钢水辐射转换成低噪音电压信号的(<1μV)，和变化很大的辐射能量动态信号(0.2mv～5v)，输送到A/D模数变换单元11；转换成数字量再送入信息处理单元12，信息处理单元12根据被测物体的几个标定温度和电压，准确的计算出被测物体的适时温度，将计算结果输送入自动控制系统13，进行适时温度显示和实测温度的存储，实现工业多路控制装置的温度自动控制。把测得钢水的温度输送至自动控制系统13，通过信号反馈实现多种适时控制，包括吹氧的控制，出钢的控制和远距离遥控等操作控制。

本发明既可以使双色交叉光路9有效实现非接触测温，也可防止杂质污染非接触测温探头3。冷却水的作用是降低低压吹气导管14等管道和吹气的温度。

本发明的低压吹气导管14和冷却水套管15构成冷却水吹气光路保护套管系统不仅可以用于顶吹氧转炉炼钢的红外测温，也可以用于其他高温灰尘环境下的红外光、紫外光和X射线等非接触测量，采用此结构的目的是解决非接触测温系统的光路环境保护问题。其中吹入的气体为1.2个大气压的氮气、氦气、二氧化碳或类似气体等无色透明气体，吹气气体压力也可以根据需要调整，其目的是通过吹入无色透明气体保持非接触测量光路环境的透明度和洁净度一致。冷却水套管15内也可以是专用冷却液，也可以是适宜的其他冷却新材料，其目的是使低压吹气导管14内快速冷却降温，以保护低压吹气导管14顶端的非接触测温探头3。

实施例2

如图1～3所示，本发明一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，包括如下步骤：

1)通过低压吹气导管14向钢水方向吹纯净且透明气体，使非接触测温探头3到钢水液面2之间的光路保持清洁；

2)开始对钢水进行非接触测温，利用自动控温系统4双波长交叉法探测钢水的辐射强度；

3)建立钢水辐射测温物理模型，计算双波长交叉法所测得的钢水的辐射强度之比与钢水的温度之间的关系。

钢水辐射测温物理模型包括钢水辐射强度的表达公式、辐射的相关系数A与B、辐射的相关系数A与B的求解方法和钢水的温度的求解方法，

钢水辐射强度的表达公式具体为：

ψ(λ，Т)＝Aλ^-5(е^B/λТ-1)^-1，

或ψ(λ，Т)＝Aλ^-5е^-B/λТ，

其中ψ(λ，Т)是钢水的辐射强度，λ为辐射波长，T为钢水的温度，A、B为辐射的相关系数。

辐射的相关系数A与B的求解方法包括如下步骤：

1)测得钢水在温度T₁时，对应辐射波长λ₁、λ₂的辐射强度值ψ₁(λ₁，Т₁)、ψ₂(λ₂，Т₁)；

2)测得钢水在温度T₂时，对应辐射波长λ₁、λ₂的辐射强度值ψ₃(λ₁，Т₂)、ψ₄(λ₂，Т₂)；

3)将测得的ψ₁(λ₁，Т₁)/ψ₂(λ₂，Т₁)和ψ₃(λ₁，Т₂)/ψ₄(λ₂，Т₂)的比值，代入钢水辐射强度的表达公式ψ(λ，Т)＝Aλ^-5(е^B/λТ-1)^-1或ψ(λ，Т)＝Aλ^-5е^-B/λТ中，联立方程，求得辐射的相关系数A与B的值。

钢水的温度的求解方法包括如下步骤：

A)由辐射的相关系数A与B计算出对于辐射波长λ₁的一系列不同温度下的辐射强度ψ₁(λ₁，Т)和对于辐射波长λ₂的一系列不同温度下的辐射强度ψ₂(λ₂，Т)；

B)由ψ₁(λ₁，Т)/ψ₂(λ₂，Т)的比值得到两种辐射波长测得的辐射强度之比对应的钢水的温度。

气体具体为氧气、二氧化碳、氮气、氦气或者压缩空气；辐射波长与探测波长相对应。

其中，自动控温系统4的测温精度为1‰，控温范围为700℃～3000℃，测温时间间隔为50ms。

本发明自动控温系统4进行双色交叉波长的采样，对应双色交叉波长的光电转换，设置有高精度和快转换速度的A/D模数变换单元11和信息处理单元12等，以确保实现测温精度高、控温范围精和适时反应快的目的。双波长交叉的测温方法可以抑制转炉内高温废气的辐射对测温的干扰。本发明辐射相关系数的A、B的物理意义是表征辐射率在0和1之间的变化，辐射相关的系数A、B决定了辐射率随灰体的材料、温度和波长而变化的情况，而且这两个参数是相关的。

本发明通过吹氧导管1向钢水方向吹纯净且透明气体，使非接触测温探头3和钢水液面2之间的空间没有光学阻隔，同时吹开钢水液面2漂浮的钢渣，然后开始对钢水进行实时非接触测温。本发明也可以测量钢水实时液面高度。

本发明提供一种能够对高温物体进行非接触测温的方法，排除高温烟尘和钢水表面钢渣等对光学方法测量的影响，对钢水的温度及其液面高度进行精确测定。

本发明具有操作简便，能够抗粉尘和烟雾干扰，适用于温度和距离等物理数据的非接触测量。本发明还可应用在其他类型的工业生产中，可以与遥测和遥控等智能化手段配合使用，应用领域广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，其特征在于，所述顶吹氧转炉的顶部设置有吹氧导管(1)和废气收集导管(5)，所述吹氧导管(1)连通所述顶吹氧转炉的内外部，位于钢水液面(2)的上方，所述废气收集导管(5)通过废气冷却水池(6)与废气排出口(7)相通，所述自动控温系统(4)依次包括光学接受系统(8)、双色交叉光路(9)、光电转换单元(10)、A/D模数变换单元(11)、信息处理单元(12)和自动控制系统(13)，在所述顶吹氧转炉的顶部、与所述吹氧导管(1)相邻的位置上设置有非接触测温探头(3)，所述非接触测温探头(3)与所述自动控温系统(4)相连，所述非接触测温探头(3)具体为套筒式结构，包括内层管道和外层管道。

2.根据权利要求1所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，其特征在于，在所述顶吹氧转炉顶部和所述内层管道内设有低压吹气导管(14)，所述低压吹气导管(14)通1.2个大气压的气体；所述吹氧导管(1)包括水平导管部分和垂直导管部分；所述非接触测温探头(3)垂直于所述钢水液面(2)；在所述顶吹氧转炉内、所述水平导管部分的外侧和所述低压吹气导管(14)的外侧设置有冷却水套管(15)。

3.根据权利要求2所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，其特征在于，所述光学接受系统(8)具有高的距离口径的S/D比值；所述双色交叉光路(9)包括两种探测波长互相叠加；所述光电转换单元(10)包括和所述探测波长相对应的两种光电器件。

4.根据权利要求2所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，其特征在于，所述A/D模数变换单元(11)具有高精度和快转换速度；所述信息处理单元(12)包括计算方法；所述自动控制系统(13)包括工业控温装置和显示装置；所述非接触测温探头(3)具体为红外线测温探头。

5.根据权利要求2～4任一项所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统，其特征在于，所述自动控温系统(4)的测温精度为1‰，控温范围为700℃～3000℃，测温时间间隔为50ms。

6.一种如权利要求5所述的顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)通过所述低压吹气导管(14)向钢水方向吹纯净且透明气体，使非接触测温探头(3)到钢水液面(2)之间的光路保持清洁；

2)开始对钢水进行非接触测温，利用自动控温系统(4)双波长交叉法探测钢水的辐射强度；

3)建立钢水辐射测温物理模型，计算所述双波长交叉法所测得的所述钢水的辐射强度之比与所述钢水的温度之间的关系。

7.根据权利要求6所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，其特征在于，所述钢水辐射测温物理模型包括钢水辐射强度的表达公式、辐射的相关系数A与B、所述辐射的相关系数A与B的求解方法和所述钢水的温度的求解方法，

所述钢水辐射强度的表达公式具体为：

ψ(λ，Т)＝Aλ^-5(е^B/λТ-1)^-1，

或ψ(λ，Т)＝Aλ^-5е^-B/λТ，

其中ψ(λ，Т)是所述钢水的辐射强度，λ为辐射波长，T为所述钢水的温度，A、B为所述辐射的相关系数。

8.根据权利要求7所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，其特征在于，所述辐射的相关系数A与B的求解方法包括如下步骤：

1)测得所述钢水在温度T₁时，对应所述辐射波长λ₁、λ₂的辐射强度值ψ₁(λ₁，Т₁)、ψ₂(λ₂，Т₁)；

2)测得所述钢水在温度T₂时，对应所述辐射波长λ₁、λ₂的辐射强度值ψ₃(λ₁，Т₂)、ψ₄(λ₂，Т₂)；

3)将测得的ψ₁(λ₁，Т₁)/ψ₂(λ₂，Т₁)和ψ₃(λ₁，Т₂)/ψ₄(λ₂，Т₂)的比值，代入所述钢水辐射强度的表达公式ψ(λ，Т)＝Aλ^-5(е^B/λТ-1)^-1或ψ(λ，Т)＝Aλ^-5е^-B/λТ中，联立方程，求得所述辐射的相关系数A与B的值。

9.根据权利要求8所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，其特征在于，所述钢水的温度的求解方法包括如下步骤：

A)由所述辐射的相关系数A与B计算出对于所述辐射波长λ₁的一系列不同温度下的辐射强度ψ₁(λ₁，Т)和对于所述辐射波长λ₂的一系列不同温度下的辐射强度ψ₂(λ₂，Т)；

B)由ψ₁(λ₁，Т)/ψ₂(λ₂，Т)的比值得到两种所述辐射波长测得的辐射强度之比对应的所述钢水的温度。

10.根据权利要求9所述的一种顶吹氧转炉炼钢非接触测温系统的使用方法，其特征在于，所述气体具体为氧气、二氧化碳、氮气、氦气或者压缩空气；所述辐射波长与探测波长相对应。