CN104501963A - 一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置及方法，该装置包括温度测量装置和上位机，温度测量装置，包括不锈钢测温仪保护箱、非接触式红外测温仪和支架，电熔镁炉的两侧和后侧分别安装有支架，每个支架上安装两个不锈钢测温仪保护箱，每个不锈钢测温仪保护箱的安装高度皆不相同，非接触式红外测温仪共有六个，分别安装于不锈钢测温仪保护箱内，不锈钢测温仪保护箱面对电熔镁炉的一侧设置有开口，非接触式红外测温仪通过RS485总线或者USB2.0连接上位机，该方法为实时采集电熔镁炉炉壁上不同高度的温度，采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点，利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型。

Description

一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置及方法

技术领域

本发明涉及工业生产领域，具体涉及一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置及方法。

背景技术

电熔镁砂是一种熔点高，纯度高，结构致密的碱性耐火材料，被广泛应用于冶金行业、玻璃工业、水泥工业、家电加热器和高温化学工业等诸多领域。电熔镁砂的生产以轻烧氧化镁为原料，经过三相电弧炉熔炼而成。2800℃是氧化镁的熔点，温度对氧化镁的熔炼作用重大，决定氧化镁的结晶程度。在目前的工业实际中，由于温度控制的不稳定性，容易导致安全事故，炉壁烧穿等情况，建立电熔镁炉熔炼过程炉壁温度场的模型，可以给操作工人提供量化指标，为炉壁烧穿等情况提供量化指标，对提高熔炼安全意义重大。

发明内容

针对现有技术的不足，提供一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置，包括温度测量装置和上位机；

所述的温度测量装置，包括不锈钢测温仪保护箱、非接触式红外测温仪和支架；

所述的上位机中设置有温度采集模块、温度场建模模块和温度显示模块；

所述的电熔镁炉的两侧和后侧分别安装有支架，每个支架上安装两个不锈钢测温仪保护箱，每个不锈钢测温仪保护箱的安装高度皆不相同，非接触式红外测温仪共有六个，分别安装于不锈钢测温仪保护箱内，不锈钢测温仪保护箱面对电熔镁炉的一侧设置有开口，非接触式红外测温仪通过RS485总线或者USB2.0连接上位机；

所述的非接触式红外测温仪，用于当电熔镁炉在炉底驱动电机的带动下以一定角速度旋转时，扫描电熔镁炉炉壁某高度上不同位置，从而获得电熔镁炉在该高度的温度；

所述的温度采集模块，用于实时采集电熔镁炉炉壁上不同高度的温度，发送至温度场建模模块；

所述的温度场建模模块，用于将实时采集的电熔镁炉炉壁上不同高度的温度按照一个工作周期进行统计，采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点，将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值，利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型；

所述的温度显示模块，用于根据电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型计算出不同时间内电熔镁炉炉壁不同高度的温度并显示。

采用电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置进行电熔镁熔炼过程炉壁温度监测的方法，包括以下步骤：

步骤1：电熔镁炉在电熔镁炉电机的带动下以一定角速度旋转，非接触式红外测温仪采集电熔镁炉炉壁上某个高度电熔镁炉炉体各个点的温度值，发送至上位机；

步骤2：上位机根据电熔镁炉炉壁上不同高度的温度建立温度场模型；

步骤2.1：对电熔镁炉炉壁上不同高度的温度按照一个工作周期进行统计；

步骤2.2：采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点；

步骤2.3：将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值；

步骤2.4：将不同高度的温度值分为训练温度值和测试温度值，将训练温度值利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型：其中，T(t)表示不同采集时间的温度，t为温度采集时间，a_k为第k个拟合系数，n为拟合系数的总个数；

步骤2.5：利用测试温度值对温度场模型进行测试，判断温度场模型的准确率：将温度场模型计算数据与测试温度值进行比较，若温度场模型计算数据与测试温度值的误差的绝对值小于10％的个数占测试温度值个数的90％以上，则该温度场模型为准确的温度场模型，执行步骤4，否则，执行步骤3；

步骤3：修正温度场模型：增加惩罚因子p，-1＜p＜1，重新建立温度场模型， $T^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1-p)a_k{t}^k,$ 返回步骤2.5；

步骤4：上位机的温度显示模块根据电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型计算出不同时间内电熔镁炉炉壁不同高度的温度并显示。

本发明有以下有益效果：

本发明的电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置及方法，设计了保护非接触式红外测温仪的保护箱，保证非接触式红外测温仪在高粉尘、高雾气等的复杂工业环境下稳定持久工作；非接触式红外测温仪利用炉体旋转测定炉壁不同高度不同位置上的温度；上位机的温度场建模模块利用实时温度建立炉壁温度场模型，为操作人员提供温度参考，预防诸如炉壁烧穿等安全事故发生。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置的结构图；

图2(a)为本发明具体实施方式的温度测量装置的前视图；

图2(b)为本发明具体实施方式的温度测量装置的侧视图；

图3为本发明具体实施方式的电熔镁熔炼过程炉壁温度监测方法的流程图；

图4为本发明具体实施方式中利用电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置进行电熔镁炉壁温度监测的结果；

其中，1-变压器，2-电流互感器，3-短网，4-电极夹持器，5-电极，6-电弧，7-电熔镁炉炉壁，8-电熔镁熔池，9-电熔镁炉底车，10-电熔镁炉电机，11-支架，12-非接触式红外测温仪固定螺丝，13-非接触式红外测温仪固定臂，14-非接触式红外测温仪，15-不锈钢测温仪保护箱，16-上位机，17-温度测量装置。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体实施做进一步说明：

一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置，如图1所示，包括温度测量装置17和上位机16，本实施方式中，电熔镁炉上方还设置有变压器1、电流互感器2、短网3、电极夹持器4、电极5、电弧6、电熔镁炉炉壁7、电熔镁熔池8、电熔镁炉底车9、电熔镁炉电机10。

变压器1的一端连接厂外电源，变压器1的三相连接电流互感器2的一端，电流互感器2的另一端连接短网3的一端和控制系统，短网3的另一端分别连接电熔镁炉电机10的一端和电极夹持器4的一端，电极夹持器4夹持电极5，电熔镁炉电机10的另一端连接控制系统。

本实施过程中，厂外电流经过变压器1变为低电压，电流互感器2测量进入石墨电极的低压侧电流并传入控制系统显示，短网3输送低压侧电流进入电熔镁炉电极5，产生的强电流激发电弧6高温熔化氧化镁粉，形成电熔镁熔池8，电极5通过电极夹持器4在电熔镁炉电机10带动下上升下降控制电极5上的熔炼电流的稳定，熔炼热量通过电熔镁炉炉壁7扩散掉，熔炼结束后，电熔镁炉底车9拖动电熔镁炉移动出熔炼工位，自然冷却。

如图2所示，温度测量装置17包括不锈钢测温仪保护箱15、非接触式红外测温仪14和支架11，还包括非接触式红外测温仪固定螺丝12和非接触式红外测温仪固定臂13。

电熔镁炉的两侧和后侧分别安装有支架11，每个支架11上安装两个不锈钢测温仪保护箱15，每个不锈钢测温仪保护箱15的安装高度皆不相同，非接触式红外测温仪14共有六个，分别安装于不锈钢测温仪保护箱15内，不锈钢测温仪保护箱15面对电熔镁炉的一侧设置有开口，不锈钢测温仪保护箱15的底部有螺丝开孔，用于固定非接触式红外测温仪固定螺丝12，非接触式红外测温仪14通过RS485总线或者USB2.0连接上位机。

非接触式红外测温仪14安装位置的选择根据企业需求自行设置。由于企业所用电熔镁炉大小、材料均不相同，在使用过程中炉壁烧穿等情况的发生也不尽相同，所以企业可以根据自己生产中的实际情况选择测温仪安装的高度、每个高度可安装的测温仪的个数。

上位机16中设置有温度采集模块、温度场建模模块和温度显示模块。

非接触式红外测温仪14，用于当电熔镁炉在炉底驱动电机的带动下以一定角速度旋转时，扫描电熔镁炉炉壁某高度上不同位置，从而获得电熔镁炉在该高度的温度。

本实施方式中，电熔镁炉在电熔镁炉电机10的带动下以一定角速度旋转，电熔镁炉炉体每晚工作十小时，旋转一周，在非接触式红外测温仪14静止的情况下，非接触式红外测温仪14在十个小时内可以完成电熔镁炉炉壁7某个高度上炉体一周各个点的温度值。

本实施方式中，选用的非接触式红外测温仪为美国雷泰Raytek M13红外测温仪，测量范围0～900℃，工作温度-20～85℃，测量精度为测量值的±1℃，响应时间(95％响应)20ms，电熔镁炉直径2.8m，工作周期10小时，旋转360度，非接触式红外测温仪每分钟扫描炉壁弧长1.466cm，测量的温度值以模拟值形式输出，以每分钟红外摄像机扫描过的炉壁弧长为一个数据点单位，这样，炉壁一周有600个数据点。

温度采集模块，用于实时采集电熔镁炉炉壁7上不同高度的温度，发送至温度场建模模块。

温度场建模模块，用于将实时采集的电熔镁炉炉壁7上不同高度的温度按照一个工作周期进行统计，采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点，将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值，利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁7不同高度的温度场模型。

本实施方式中，一个工作周期为11个小时；将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值，即把电熔镁炉工作十个小时采集的不同高度的温度分为600组，计算每组不同高度的温度的平均值作为600组数据点的温度值。

噪声和离群点：对电熔镁炉熔炼过程来说，用于产生高温的电极电流会出现巨大波动，但是由于氧化镁粉熔点高，同时中心热量扩散到炉壁也需要很长时间，所以正常熔炼过程中炉壁温度不会出现巨大波动，所有的炉壁烧穿事故都是温度逐渐升高并长时间积累造成的。所以，对于采集到的温度数据，不会出现温度骤升骤降的情况，所有的骤升骤降温度值都是噪声和离群数据(预警系统中，离群数据很可能是关键数据，要予以保护)，都需要剔除。

本实施方式中，将不同高度的温度值分为训练温度值和测试温度值，将训练温度值利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型：

电熔镁炉炉体高度h处工作周期10个小时内产生600个温度值，则训练温度值为300个：T_i(i＝0，1，…，300)表示第i个训练温度值，测试温度值为300个：T_j(j＝0，1，…，300)表示第j个训练温度值。

需要拟合的函数，即温度场模型为其中，T(t)表示不同采集时间的温度，t为温度采集时间，a_k为第k个拟合系数，n为拟合系数的总个数。

令的值最小，该问题转换为求I＝I(a₀，a₁，...，a_n)的极值问题。由多元函数求极值的必要条件，得

$\frac{\∂I}{{\∂a}_p}=2\underset{i=0}{\overset{300}{\mathrm{\Σ}}}\left(\right[\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{t}^k-T_i\left]\right)t^p---\left(1\right)$

其中，p＝0，1，…，n。

用矩阵表示如公式(2)所示：

$\left[\begin{array}{cccc}m+1& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^n\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}{}_{}}}{t}_i& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^{n+1}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^n& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^{n+1}& ...& \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^{2n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ .\\ .\\ .\\ a_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{T}_i\\ .\\ .\\ .\\ \underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^n{T}_i\end{array}\right]---\left(2\right)$

从上式中解出a_k(k＝0，1，…，n)，从而可得多项式

随着熔炼时间增长，炉壁的耐热、导热等特性也会慢慢改变，结果是上述模型的温度预测会越来越不准确，对应的解决方法是引入误差补偿。

本实施方式中，利用测试温度值对温度场模型进行测试，判断温度场模型的准确率：将温度场模型计算数据与测试温度值进行比较，若温度场模型计算数据与测试温度值T_j的误差的绝对值则该温度场模型为准确的温度场模型。否则，修正温度场模型：增加惩罚因子p(-1＜p＜1)，重新建立温度场模型：判断是否直到温度场模型计算数据与测试温度值的误差的绝对值小于10％的个数占测试温度值个数的90％以上，则确定该温度场模型。

温度显示模块，用于根据电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型计算出不同时间内电熔镁炉炉壁不同高度的温度并显示。

采用电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置进行电熔镁熔炼过程炉壁温度监测的方法，如图3所示，包括以下步骤：

步骤1：电熔镁炉在电熔镁炉电机的带动下以每分钟0.6度的角速度旋转，非接触式红外测温仪采集电熔镁炉炉壁上某个高度电熔镁炉炉体各个点的温度值，发送至上位机。

步骤2：上位机根据电熔镁炉炉壁上不同高度的温度建立温度场模型。

步骤2.1：对电熔镁炉炉壁上不同高度的温度按照一个工作周期即10小时进行统计。

步骤2.2：采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点。

步骤2.3：将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值。

步骤2.4：将不同高度的温度值分为训练温度值和测试温度值，将训练温度值利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型：其中，T(t)表示不同采集时间的温度，t为温度采集时间，a_k为第k个拟合系数，n为拟合系数的总个数。

步骤2.5：利用测试温度值对温度场模型进行测试，判断温度场模型的准确率：将温度场模型计算数据与测试温度值进行比较，若温度场模型计算数据与测试温度值的误差的绝对值小于10％的个数占测试温度值个数的90％以上，则该温度场模型为准确的温度场模型，执行步骤4，否则，执行步骤3。

步骤3：修正温度场模型：增加惩罚因子p，-1＜p＜1，重新建立温度场模型， $T^{\′}\left(t\right)=\underset{k=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(1-p)a_k{t}^k,$ 返回步骤2.5。

步骤4：上位机的温度显示模块根据电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型计算出不同时间内电熔镁炉炉壁不同高度的温度并显示。

本实施方式中，利用电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置进行电熔镁炉壁温度监测的结果如图4所示。

Claims (4)

1.一种电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置，其特征在于，包括温度测量装置和上位机；

所述的温度测量装置，包括不锈钢测温仪保护箱、非接触式红外测温仪和支架；

所述的电熔镁炉的两侧和后侧分别安装有支架，每个支架上安装两个不锈钢测温仪保护箱，每个不锈钢测温仪保护箱的安装高度皆不相同，非接触式红外测温仪共有六个，分别安装于不锈钢测温仪保护箱内，不锈钢测温仪保护箱面对电熔镁炉的一侧设置有开口，非接触式红外测温仪通过RS485总线或者USB2.0连接上位机。

2.根据权利要求1所述的电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置，其特征在于，所述的非接触式红外测温仪，用于当电熔镁炉在炉底驱动电机的带动下以一定角速度旋转时，扫描电熔镁炉炉壁某高度上不同位置，从而获得电熔镁炉在该高度的温度。

3.根据权利要求1所述的电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置，其特征在于，所述的上位机中设置有温度采集模块、温度场建模模块和温度显示模块；

所述的温度采集模块，用于实时采集电熔镁炉炉壁上不同高度的温度，发送至温度场建模模块；

所述的温度场建模模块，用于将实时采集的电熔镁炉炉壁上不同高度的温度按照一个工作周期进行统计，采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点，将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值，利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型；

所述的温度显示模块，用于根据电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型计算出不同时间内电熔镁炉炉壁不同高度的温度并显示。

4.采用权利要求1所述的电熔镁熔炼过程炉壁温度监测装置进行电熔镁熔炼过程炉壁温度监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：电熔镁炉在电熔镁炉电机的带动下以一定角速度旋转，非接触式红外测温仪采集电熔镁炉炉壁上某个高度电熔镁炉炉体各个点的温度值，发送至上位机；

步骤2：上位机根据电熔镁炉炉壁上不同高度的温度建立温度场模型；

步骤2.1：对电熔镁炉炉壁上不同高度的温度按照一个工作周期进行统计；

步骤2.2：采用KNN法剔除温度噪声和温度离群点；

步骤2.3：将每分钟内采集的不同高度的温度的平均值作为该一分钟内的不同高度的温度值；

步骤2.4：将不同高度的温度值分为训练温度值和测试温度值，将训练温度值利用最小二乘法建立电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型：其中，T(t)表示不同采集时 间的温度，t为温度采集时间，a_k为第k个拟合系数，n为拟合系数的总个数；

步骤2.5：利用测试温度值对温度场模型进行测试，判断温度场模型的准确率：将温度场模型计算数据与测试温度值进行比较，若温度场模型计算数据与测试温度值的误差的绝对值小于10％的个数占测试温度值个数的90％以上，则该温度场模型为准确的温度场模型，执行步骤4，否则，执行步骤3；

步骤3：修正温度场模型：增加惩罚因子p，-1＜p＜1，重新建立温度场模型， 返回步骤2.5；

步骤4：上位机的温度显示模块根据电熔镁炉炉壁不同高度的温度场模型计算出不同时间内电熔镁炉炉壁不同高度的温度并显示。