CN113820031A - 一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法 - Google Patents
一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113820031A CN113820031A CN202011460229.5A CN202011460229A CN113820031A CN 113820031 A CN113820031 A CN 113820031A CN 202011460229 A CN202011460229 A CN 202011460229A CN 113820031 A CN113820031 A CN 113820031A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature
- saturation magnetization
- curie
- relation
- hall element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 93
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 33
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 66
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 57
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 46
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 32
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Inorganic materials [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 49
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 39
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 31
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 26
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 17
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 claims description 14
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 13
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 13
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 claims description 4
- 101000840267 Homo sapiens Immunoglobulin lambda-like polypeptide 1 Proteins 0.000 claims description 2
- 102100029616 Immunoglobulin lambda-like polypeptide 1 Human genes 0.000 claims description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 abstract description 5
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 28
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 25
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 19
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 9
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 description 4
- 230000005418 spin wave Effects 0.000 description 4
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 3
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 3
- 230000005343 Curie-Weiss law Effects 0.000 description 2
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/36—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using magnetic elements, e.g. magnets, coils
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
- C21B13/00—Making spongy iron or liquid steel, by direct processes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Hard Magnetic Materials (AREA)
Abstract
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法。所述用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，包括通过外加激励磁场使物料达到饱和磁化强度Ms；采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；再利用物料的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算出待测区域物料的实际温度T；其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于待测区域物料的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的。本发明所述方法解决现有铁矿石直接还原过程无法在线测温的问题，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法。
背景技术
铁矿石直接还原工艺具有流程短、能耗低、污染少等优势；在还原过程中，温度对还原效率具有至关重要的影响。
目前现有的测温方法主要分为接触式和非接触式。接触式测温中以热电偶测温为主，其原理是利用两种不同的导体组成闭合电路，在不同温度环境下产生电动势，将温度信号转变为电信号，当热电偶测温端与被测物体达到温度平衡时，可测得较精确的温度，但需要插入窑内，非常容易受损，寿命短且难以更换。
非接触式测温有红外辐射测温和磁纳米粒子测温等。其中红外辐射测温根据红外辐射特性，通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，但仅能够快速准确地测定被测物体表面温度，受环境干扰大，精度不高，无法实时反应还原过程中的准确温度。
而磁纳米粒子测温则是根据物质饱和磁化强度与温度的特定关系实现测温，具有快速、高精度和便捷的特点。例如，CN109060163A公开了一种用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感的专利文献公开了一种测温方法。
但磁纳米粒子测温技术需要引入磁纳米粒子，且仅适用于环境中无其他磁场的情况，对于铁矿石还原过程中铁矿石本身已具有铁磁性，引入的磁纳米粒子会受到干扰，无法满足其测温的需求。
虽然可直接以铁矿石替代磁纳米粒子作为铁磁性体，并引入外加激励磁场，利用饱和磁化强度与温度的特定关系进行测温，如CN104132736A公开的一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法，但由于铁矿石在还原过程中，成分、温度均会发生改变，物料存在多种组分共存(主要为Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe)，且组分之间还存在转化发生，各组分居里温度也不同，因此现有非接触式测温技术给出的物质饱和磁化强度与温度的特定关系无法用于铁矿石直接还原过程的在线测温。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法。该方法基于铁矿石直接还原过程中物料特点，无需添加磁纳米粒子，通过利用物料自身的铁磁性，在外加激励磁场下，实现还原过程中的在线测温目的，具有“快速、准确和便捷”的特点。
所述的用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，包括通过外加激励磁场使物料达到饱和磁化强度Ms；采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；再利用物料的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算出待测区域物料的实际温度T；
其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于待测区域物料的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的，即T<Tc和T>Tc两种情况；
当T>Tc时，又进一步划分如下：
T<1013K；
T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内；
T在1063～1318K之间、还原度在1/6-1/3范围内；
T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内。
本发明通过对铁矿石直接还原过程的深入分析，根据其物料组分变化情况，结合各组分居里温度及饱和磁化强度的变化，确定了上述划分依据，为实现铁矿石直接还原过程在线测温提供重要依据；根据该依据，结合现有饱和磁力强度与温度关系理论，可解决现有铁矿石直接还原过程无法在线测温的问题，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。
进一步地，所述物料饱和磁化强度Ms与温度的关系具体如下。
对于T<Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(12)中：
U为输出电压；
d为长方体霍尔元件的厚度；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为霍尔元件的通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
H为激励磁场强度；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；
M0为单种组分的饱和磁化强度；
s、p为物质形状及性质参数系数；通常，p＝5/2，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2，s可根据自旋波理论计算得到，
D为自旋波刚度，是抛物型马氏色散关系中的系数；
Tc为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)。
需要说明的是，由于物料中各组分的居里温度不同，在温度T升高过程中，部分居里温度较低的组分先转化为顺磁体。由于χ顺＜χ铁(χ为磁性物质的磁导率)，在T＜Tc(max)时，在物料整体呈铁磁性时，顺磁体产生的磁化强度Ms过小，可忽略不计；在铁磁体转化为顺磁体时，其宏观表现在于收集的输出电压信号会一定幅度的减弱，需参照各组分居里温度进行判断；在多组分体系中计算Ms时，转化为顺磁体的组分，其占比λ按0计。
对于T>Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(16)中：U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为通入电流；μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；n0为亥姆霍兹线圈匝数；I为激励电流；R为线圈半径；λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；C为居里常数；Tc为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)。
进一步地，对于T>Tc，且T<1013K，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：
式(17)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；
M0为单种组分的饱和磁化强度；
s、p为物质形状及性质参数系数；通常p＝5/2，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2，s可根据自旋波理论计算得到，
D为自旋波刚度，是抛物型马氏色散关系中的系数。
对于T>Tc，且T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(18)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；λ1为还原度为0-1/6范围内Fe3O4的占比，λ2为还原度为0-1/6范围内Fe2O3的占比；
C1为Fe3O4的居里常数，C2为Fe2O3的居里常数。
对于T>Tc，且T在1063～1318K之间、还原度在1/6-1/3范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度M与实际温度T的关系为：
式(19)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比，λ3为还原度为1/6-1/3范围内Fe3O4的占比，λ4为还原度为1/6-1/3范围内FeO的占比；
C1为Fe3O4的居里常数，C3为FeO的居里常数。
对于T>Tc，且T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(20)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比，λ5为还原度为1/3-1范围内Fe的占比，λ6为还原度为1/3-1范围内FeO的占比；
C4为Fe的居里常数，C3为FeO的居里常数。
经试验验证，采用上述关系式能够对铁矿石直接还原过程中各区域物料进行快速、准确和便捷地在线测温。
本发明所取得的有益效果如下：
本发明基于铁磁性物质的饱和磁化强度与温度的关系，利用矿物自身的铁磁性及激励磁场装置产生激励磁场，实现物料在还原过程中在线快速测温。
附图说明
图1为本发明所述的用于铁矿石直接还原的在线测温方法的工艺流程图。
图2为本发明对铁矿石直接还原过程的分析图。
图3为本发明所述在线测温方法的具体实施示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
现有研究表明，磁性物质的磁化强度与温度之间存在一种固有关系，因此可以通过测量磁性物质的磁学参数来推算出磁性物质的温度。
而冶炼过程中(如炼铁)的原料通常是经过磁选步骤的，因此均具有铁磁性；我们研究发现，当铁磁性物质的实际温度T小于其居里温度Tc时，在铁磁性物质被饱和磁化后，自发饱和磁化强度M与实际温度T是具有一一对应关系；当铁磁性物质的实际温度T大于其居里温度Tc时，铁磁性物质转变为顺磁性物质，此时服从居里-外斯定律，磁化率χ顺与实际温度T的倒数成正比。基于此，我们根据铁矿石直接还原过程的特点，确定该过程中物料的实际温度与其饱和磁性强度的关系，从而实现在线测温。
具体内容如下：
①确定激励磁场的强度H：首先计算物料饱和磁化强度M0整(T＝0k时的值)，其中产生激励磁场强度满足H＞M0整，从而确定激励磁场的强度。
激励磁场装置，采用亥姆霍兹线圈作为磁场产生装置，其特征在于由一对相同得彼此平行且共轴得完全相同的圆形线圈组成，两线圈的间距h＝线圈半径R，以其中心轴为中心，0-0.3R的区域内产生的激励磁场是均匀分布，其激励磁场强度H的表达式为：
其中，I为激励电流；n0为亥姆霍兹线圈匝数；μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)。
M0为单种成分的饱和磁化强度，具体为单位体积内所含N个原子(分子)的磁矩都整齐地排列在相同方向时的磁化强度：
Mo＝N·μj (2)
M0整为混合物的饱和磁化强度；还原过程中，物料中存在多种成分(主要为Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe)，假定各组分间无相互影响，M0整可根据定义计算得到：
其中：i分别对应Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe四种成分。
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；
单位体积原子/分子个数N＝(ρ·NA)/M，NA为阿伏伽德罗常数，ρ为密度，M为摩尔质量；
μj为单个原子或分子得磁矩；其中μB为玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，μB＝1.165×10-29韦伯·米。
表1
| 组分 | Fe | FeO | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> |
| 原子/分子磁矩 | 2.22μ<sub>B</sub> | 0 | 4.03μ<sub>B</sub> | 4.10μ<sub>B</sub> |
注：FeO呈反铁磁性，宏观磁矩为0，μB-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10-29韦伯·米。
由式(3)可知，Moi＜M0(max)，M0(max)是指混合物里所包含的纯净物中纯净物M0最大的值。在实际过程中，物质不断发生变化，只要满足激励磁场强度H＞M0(max)即可保证所有铁磁性物质能达到饱和磁化强度。
②物料经过激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测其磁场强度B，产生霍尔电压UH，经仪器放大器信号放大后，放大系数为β，由信号接收器收集，再连入计算机，得到输出电压U，通过计算得出饱和磁化强度Ms。
霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为abd，通入电流为Is，根据霍尔效应，元件内电子达到动态平衡，电场力大小等于洛伦兹力，可得：
βUH＝U (5)
B＝μ0(H+Ms) (6)
其中：k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定，μ0-真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)，H为激励磁场强度；Ms为物料饱和磁化强度。
其中，霍尔元件应置于亥姆霍兹线圈的均匀激励磁场区域内(即ab＜0.09πR2)，并ab面与亥姆霍兹线圈共轴且平行。
其中，H为激励磁场强度，在功率不变情况下为定值，联立式(4)至(6)得到物料得饱和磁化强度Ms的表达式：
③根据物料饱和磁化强度Ms与温度的关系，计算出物料的温度。
铁磁性物质加热过程中，存在一个重要的物理量居里温度Tc，当铁磁性物质温度超过居里温度时，它将从铁磁体转化为顺磁体：
式中，Tc为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)；γ-分子场系数，代表铁磁物质的特征；kB是玻尔兹曼常数，为1.381×10-23焦耳/度；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间。
表2
| 名称 | Fe | FeO | Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 转变温度(K) | 1043 | 198 | 858 | 1013 |
注：Fe、Fe2O3、Fe3O4呈铁磁性，其转变温度为居里温度Tc，FeO呈反铁磁性，其转变温度称奈尔温度Tn。
μB-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10-29韦伯·米；μ0-真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；μj为单个原子或分子得磁矩；单位体积原子/分子个数N＝(ρ·NA)/M，NA为阿伏伽德罗常数，ρ为密度，M为摩尔质量。
不同状态下，其性质也不同。物质呈铁磁性状态时，磁化率(χ铁)较大(数值为101-106量级)，即Ms较大；物质呈顺磁性状态时，磁化率(χ顺)较低(数值为10-3-10-6量级)，即Ms很小(其宏观表现在于收集的输出电压信号突然变得很小)，其温度T与饱和磁化强度M的关系式如下：
一、当温度T＜Tc时，铁磁性物质在激励磁场中达到饱和磁化强度状态后，其温度T与饱和磁化强度Ms的关系式满足式(8)：
式中，s、p为物质形状及性质参数系数。
在多组分体系中，各铁磁性组分的饱和磁化强度与温度满足该关系式：
在组分确定的情况下，其s、p、Tc均为定值，联立式(7)、(10)和(11)得到物料的温度与输出电压信号的关系式(12)：
由于各组分居里温度不同，在温度T升高过程中，部分居里温度较低的组分先转化为顺磁体。由于χ顺＜＜χ铁，在T＜Tc(max)时，在组分整体呈铁磁性时，顺磁体产生磁化强度Ms过小，可忽略不计；铁磁体转化为顺磁体时，其宏观表现在于收集的输出电压信号会一定幅度的减弱，可参照各组分居里温度，进行判断。在多组分体系中计算Ms时，转化为顺磁体的组分，其占比λ按0计。
二、当温度T＞Tc时，铁磁性物质转变为顺磁性物质，其温度T与饱和磁化强度Ms服从居里-外斯定律，如式(13)。
χ顺为顺磁性物质的磁导率；C为居里常数。
在多组分体系中，当T＞Tc(max)时，组分整体呈顺磁性，各组分均服从居里-外斯定律：
在激励磁场及组分确定的情况，H、C、Tc均为定值，联立式(1)、(7)、(11)和(15)得到物料的温度与输出电压信号的关系式(16)：
在铁矿石在还原过程中，成分、温度均会发生改变。我们通过解析铁矿石在回转窑内还原的行为得到：
Fe2O3还原为FeO主要发生在1窑尾段(占窑长23.3％)，温度为1013～1163K、时间为21.5min；
FeO快速还原为Fe主要发生在2窑中段(占窑长的30％)，温度为1063～1318K，金属化率在27min快速提高到86.83％；
Fe最终转化主要发生在3窑头段(占窑长的33.3％)，温度为1318～1473K，金属化率最终提高到92.84％。
在1窑尾段的还原过程中，铁氧化物预还原度与形式的关系：
表3
| 还原度 | 0 | 0-1/6 | 1/6–1/3 |
| 存在形式 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub> | Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>、FeO |
在发生还原前，升温过程中，主要以Fe2O3形式存在，温度T＜Tc(Fe2O3)，Tc(Fe2O3)＝1013k，温度与饱和磁化强度关系按式(17)计算。
当温度T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内时，铁氧化物开始发生还原反应，还原度为0-1/6时，主要以Fe2O3、Fe3O4形式存在，此时T＞Tc max(Fe2O3、Fe3O4)，Tc max(Fe2O3、Fe3O4)＝1013K，此刻物料呈顺磁性，温度与饱和磁化强度关系按式(18)计算：
当温度T在1063～1318K之间，还原度为1/6-1/3时，主要以Fe3O4、FeO形式存在，此时T＞Tc max(Fe3O4、FeO)，Tc max(Fe3O4、FeO)＝858K，此刻物料呈顺磁性，温度与磁化强度关系按式(19)计算：
在2窑中段及3窑尾段，主要形式为FeO和Fe，T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，T≥Tc max(Fe、FeO)，Tc max(Fe、FeO)＝1043K，此刻物料呈顺磁性，温度与饱和磁化强度关系按式(20)计算：
图1为本发明所述的用于铁矿石直接还原的在线测温方法的工艺流程图。
图2为本发明对铁矿石直接还原过程的分析图。
图3为本发明所述在线测温方法的具体实施示意图。
实施例1
本实施例提供一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，控制过程如下：
S1、通过测量铁磁物质的特征量γ和原子总角量子数J，计算铁磁物质的居里温度；
S2、待测场景温度测量：
对于物料干燥区域，其T<Tc，可采用公式(12)计算得到物料的实际温度；
对于回转窑内部高温区域，T>Tc，具体操作如下：
1窑尾段(占窑长23.3％)：
当温度T<1013K时，采用公式(17)计算得到物料的实际温度；
当T在1013～1163K之间且还原度在0-1/6时，此时T＞Tc max(Fe2O3、Fe3O4)，Tc max(Fe2O3、Fe3O4)＝1013K，采用公式(18)计算得到物料的实际温度；
当T在1063～1318K之间且还原度在1/6-1/3时，此时T＞Tc max(Fe3O4、FeO)，Tcmax(Fe3O4、FeO)＝858K，采用公式(19)计算得到物料的实际温度；
在2窑中段及3窑尾段：T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，T≥Tc max(Fe、FeO)，Tc max(Fe、FeO)＝1043K，采用公式(20)20计算得到物料的实际温度。
经测试，针对1窑中段，采用本案测得的温度为1218K，同时采用现行热电偶的接触式测温方法测得的温度为1204K，通过比较可知本案在线测温方法具有可行性且准确度高。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，包括通过外加激励磁场使物料达到饱和磁化强度Ms；采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；再利用物料的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算出待测区域物料的实际温度T；其特征在于，
所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于待测区域物料的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的，即T<Tc和T>Tc两种情况；
当T>Tc时，进一步划分如下：
T<1013K；
T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内；
T在1063～1318K之间、还原度在1/6-1/3范围内；
T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内。
2.根据权利要求1所述的在线测温方法，其特征在于，对于T<Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(12)中：
U为输出电压；
d为长方体霍尔元件的厚度；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为霍尔元件的通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
H为激励磁场强度；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；
M0为单种组分的饱和磁化强度；
s、p为物质形状及性质参数系数；通常，p＝5/2，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2；
Tc为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(K)。
3.根据权利要求2所述的在线测温方法，其特征在于，在T＜Tc(max)时，在物料整体呈铁磁性时，顺磁体产生的磁化强度Ms忽略不计；在铁磁体转化为顺磁体时，收集的输出电压信号需参照各组分居里温度进行判断；在多组分体系中计算Ms时，转化为顺磁体的组分的占比λ按0计。
4.根据权利要求1所述的在线测温方法，其特征在于，对于T>Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(16)中：U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为通入电流；μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；n0为亥姆霍兹线圈匝数；I为激励电流；R为线圈半径；λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；C为居里常数；Tc为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(K)。
5.根据权利要求4所述的在线测温方法，其特征在于，对于T>Tc，且T<1013K，饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：
式(17)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；
M0为单种组分的饱和磁化强度；
s、p为物质形状及性质参数系数，通常p＝5/2，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2。
6.根据权利要求4所述的在线测温方法，其特征在于，对于T>Tc，且T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内，饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(18)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ1为还原度为0-1/6范围内Fe3O4的占比；λ2为还原度为0-1/6范围内Fe2O3的占比；
C1为Fe3O4的居里常数，C2为Fe2O3的居里常数。
7.根据权利要求4所述的在线测温方法，其特征在于，对于T>Tc，且T在1063～1318K之间、还原度在1/6-1/3范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度M与实际温度T的关系为：
式(19)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ3为还原度为1/6-1/3范围内Fe3O4的占比，λ4为还原度为1/6-1/3范围内FeO的占比；
C1为Fe3O4的居里常数，C3为FeO的居里常数。
8.根据权利要求4所述的在线测温方法，其特征在于，对于T>Tc，且T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：
式(20)中：
U为输出电压；
C为居里常数；
β为放大系数；
k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；
Is为通入电流；
μ0为真空磁导率，为4π×10-7韦伯/(安培·米)；
n0为亥姆霍兹线圈匝数；
I为激励电流；
R为线圈半径；
λ5为还原度为1/3-1范围内Fe的占比，λ6为还原度为1/3-1范围内FeO的占比；
C4为Fe的居里常数，C3为FeO的居里常数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011460229.5A CN113820031B (zh) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | 一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011460229.5A CN113820031B (zh) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | 一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113820031A true CN113820031A (zh) | 2021-12-21 |
| CN113820031B CN113820031B (zh) | 2024-07-19 |
Family
ID=78924856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011460229.5A Active CN113820031B (zh) | 2020-12-11 | 2020-12-11 | 一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113820031B (zh) |
Citations (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1357312A (en) * | 1973-01-12 | 1974-06-19 | Ni I Ok I Avtom Chernoi Metall | Device for measuring the temperature of ferromagnetic bodies |
| JPH02156006A (ja) * | 1988-12-08 | 1990-06-15 | Nkk Corp | 鉄鉱石の溶融還元における予備還元法 |
| SU1711104A1 (ru) * | 1989-11-23 | 1992-02-07 | Институт механики металлополимерных систем АН БССР | Способ определени температуры Кюри ферритов стронци и бари |
| JPH0799086A (ja) * | 1993-09-28 | 1995-04-11 | Tokin Corp | 磁性発熱素子及びその磁性材料 |
| CN1651879A (zh) * | 2004-02-06 | 2005-08-10 | C.R.F.阿西安尼顾问公司 | 旋转移动件的温度传感装置及其温度检测方法 |
| DE102006049717B3 (de) * | 2006-10-13 | 2008-04-30 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Ermittlung der Temperatur an vorzugsweise unzugänglichen Orten sowie deren Verwendung |
| JP2008256605A (ja) * | 2007-04-06 | 2008-10-23 | Nippon Steel Corp | 鋳片表面温度の測定装置および鋳片表面温度の測定方法 |
| WO2009088062A1 (ja) * | 2008-01-10 | 2009-07-16 | Akita University | 感温磁性体を用いた温度計測方法及び温度制御方法 |
| CA2758135A1 (en) * | 2009-04-16 | 2010-10-21 | Nippon Steel Corporation | Device and method for measuring surface temperature of cast piece |
| CN102204780A (zh) * | 2010-03-31 | 2011-10-05 | 叶小舟 | 一种非接触式测温的电饭煲及测温方法 |
| CN102235701A (zh) * | 2010-03-31 | 2011-11-09 | 叶小舟 | 一种非接触式测温的电磁炉及测温方法 |
| RU2452940C1 (ru) * | 2011-03-17 | 2012-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Магнитный способ измерения термодинамической температуры |
| CN102520379A (zh) * | 2011-12-29 | 2012-06-27 | 钢铁研究总院 | 剩磁温度系数检测设备和方法 |
| WO2012119329A1 (zh) * | 2011-03-08 | 2012-09-13 | 华中科技大学 | 基于顺磁特性的磁纳米粒子远程温度测量方法 |
| CN103954728A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-07-30 | 甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司 | 利用焦炭反应性测定装置模拟铁矿石直接还原的试验方法 |
| CN104132736A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-11-05 | 华中科技大学 | 一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法 |
| CN105301034A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-02-03 | 横店集团东磁股份有限公司 | 一种磁性材料居里温度测量装置 |
| KR20160034821A (ko) * | 2014-09-21 | 2016-03-30 | 삼성전자주식회사 | 자기 접합을 사용한 온도 검출을 위한 시스템 및 방법 |
| CN106556466A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-05 | 华中科技大学 | 一种基于磁纳米磁化强度‑温度曲线的快速测温方法 |
| CN106573215A (zh) * | 2014-06-24 | 2017-04-19 | 巴斯夫欧洲公司 | 用于系统的自调节的方法 |
| US9719863B1 (en) * | 2013-03-15 | 2017-08-01 | Hrl Laboratories, Llc | Thermomagnetic temperature sensing |
| CN108885938A (zh) * | 2016-03-25 | 2018-11-23 | 日立金属株式会社 | MnZn铁氧体磁芯及其制备方法 |
| CN112050627A (zh) * | 2019-06-05 | 2020-12-08 | 中冶长天国际工程有限责任公司 | 一种还原回转窑温度控制方法 |
-
2020
- 2020-12-11 CN CN202011460229.5A patent/CN113820031B/zh active Active
Patent Citations (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1357312A (en) * | 1973-01-12 | 1974-06-19 | Ni I Ok I Avtom Chernoi Metall | Device for measuring the temperature of ferromagnetic bodies |
| JPH02156006A (ja) * | 1988-12-08 | 1990-06-15 | Nkk Corp | 鉄鉱石の溶融還元における予備還元法 |
| SU1711104A1 (ru) * | 1989-11-23 | 1992-02-07 | Институт механики металлополимерных систем АН БССР | Способ определени температуры Кюри ферритов стронци и бари |
| JPH0799086A (ja) * | 1993-09-28 | 1995-04-11 | Tokin Corp | 磁性発熱素子及びその磁性材料 |
| CN1651879A (zh) * | 2004-02-06 | 2005-08-10 | C.R.F.阿西安尼顾问公司 | 旋转移动件的温度传感装置及其温度检测方法 |
| DE102006049717B3 (de) * | 2006-10-13 | 2008-04-30 | Friedrich-Schiller-Universität Jena | Verfahren und Vorrichtung zur kontaktlosen Ermittlung der Temperatur an vorzugsweise unzugänglichen Orten sowie deren Verwendung |
| JP2008256605A (ja) * | 2007-04-06 | 2008-10-23 | Nippon Steel Corp | 鋳片表面温度の測定装置および鋳片表面温度の測定方法 |
| CN101918803A (zh) * | 2008-01-10 | 2010-12-15 | 国立大学法人秋田大学 | 使用感温磁性体的温度测量方法以及温度控制方法 |
| WO2009088062A1 (ja) * | 2008-01-10 | 2009-07-16 | Akita University | 感温磁性体を用いた温度計測方法及び温度制御方法 |
| CN102388300A (zh) * | 2009-04-16 | 2012-03-21 | 新日本制铁株式会社 | 铸片表面温度测定装置及铸片表面温度测定方法 |
| CA2758135A1 (en) * | 2009-04-16 | 2010-10-21 | Nippon Steel Corporation | Device and method for measuring surface temperature of cast piece |
| CN102235701A (zh) * | 2010-03-31 | 2011-11-09 | 叶小舟 | 一种非接触式测温的电磁炉及测温方法 |
| CN102204780A (zh) * | 2010-03-31 | 2011-10-05 | 叶小舟 | 一种非接触式测温的电饭煲及测温方法 |
| WO2012119329A1 (zh) * | 2011-03-08 | 2012-09-13 | 华中科技大学 | 基于顺磁特性的磁纳米粒子远程温度测量方法 |
| RU2452940C1 (ru) * | 2011-03-17 | 2012-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Магнитный способ измерения термодинамической температуры |
| CN102520379A (zh) * | 2011-12-29 | 2012-06-27 | 钢铁研究总院 | 剩磁温度系数检测设备和方法 |
| US9719863B1 (en) * | 2013-03-15 | 2017-08-01 | Hrl Laboratories, Llc | Thermomagnetic temperature sensing |
| CN103954728A (zh) * | 2014-03-24 | 2014-07-30 | 甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司 | 利用焦炭反应性测定装置模拟铁矿石直接还原的试验方法 |
| CN106573215A (zh) * | 2014-06-24 | 2017-04-19 | 巴斯夫欧洲公司 | 用于系统的自调节的方法 |
| CN104132736A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-11-05 | 华中科技大学 | 一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法 |
| KR20160034821A (ko) * | 2014-09-21 | 2016-03-30 | 삼성전자주식회사 | 자기 접합을 사용한 온도 검출을 위한 시스템 및 방법 |
| CN105301034A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-02-03 | 横店集团东磁股份有限公司 | 一种磁性材料居里温度测量装置 |
| CN108885938A (zh) * | 2016-03-25 | 2018-11-23 | 日立金属株式会社 | MnZn铁氧体磁芯及其制备方法 |
| CN106556466A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-04-05 | 华中科技大学 | 一种基于磁纳米磁化强度‑温度曲线的快速测温方法 |
| CN112050627A (zh) * | 2019-06-05 | 2020-12-08 | 中冶长天国际工程有限责任公司 | 一种还原回转窑温度控制方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 刘国华 等: "超微超顺磁性氧化铁纳米粒检测良恶性淋巴结的实验研究", 现代生物医学进展, no. 10, 30 July 2010 (2010-07-30), pages 1831 - 1835 * |
| 刘秀铭;JOHN SHAW;蒋建中;JAN BLOEMENDAL;PAUL HESSE;TIM ROLPH;毛学刚;: "磁赤铁矿的几种类型与特点分析", 中国科学:地球科学, no. 05, 15 May 2010 (2010-05-15), pages 592 - 602 * |
| 张小平: "纳米氧化铁的热稳定性及其磁性能的研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑), no. 2, 27 March 2019 (2019-03-27), pages 020 - 737 * |
| 曾辉 等: "磁性法检测球铁表面硬度时表面粗糙度引起的误差", 无损检测, no. 6, 30 June 1997 (1997-06-30), pages 159 - 161 * |
| 邱立运 等: "氧化球团回转窑温度软测量技术的应用研究", 工业炉, no. 6, 14 January 2016 (2016-01-14), pages 17 - 21 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113820031B (zh) | 2024-07-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106556466B (zh) | 一种基于磁纳米磁化强度-温度曲线的快速测温方法 | |
| Ma et al. | Size dependence of specific power absorption of Fe3O4 particles in AC magnetic field | |
| CN111256865A (zh) | 一种基于tmr的双频激励磁纳米温度测量方法 | |
| Araujo et al. | Versatile Hall magnetometer with variable sensitivity assembly for characterization of the magnetic properties of nanoparticles | |
| Zhernovoi et al. | Measurement of the thermodynamic temperature using a paramagnetic thermometric material | |
| CN113820031A (zh) | 一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法 | |
| JP2016505834A (ja) | 広ダイナミックレンジ磁力計 | |
| CN113820034B (zh) | 一种微波场中在线测温方法 | |
| Liu et al. | Nonlinear dynamic thermometry: Temperature measurement using immobilized magnetic nanoparticles | |
| CN113932939B (zh) | 基于扫场法的铁磁共振测温方法 | |
| Guo et al. | The effect of temperature on the average volume of Barkhausen jump on Q235 carbon steel | |
| CN114622050B (zh) | 一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法 | |
| CN114623682B (zh) | 一种测量及调整风量和燃料量控制回转窑物料温度的方法 | |
| Protsenko et al. | Correlation between the value granules spin in film alloys based on Fe and Ag and the magnetic and thermal coefficients of magnetic resistance | |
| CN113820033A (zh) | 一种基于铁磁共振频率的温度测量方法 | |
| Wang et al. | Temperature measurement based on electron paramagnetic resonance of magnetic nanoparticles | |
| Du et al. | Empirical Expression of AC Susceptibility of Magnetic Nanoparticles and Potential Application in Biosensing | |
| Chen et al. | Electron-impact ionization of hydrogen and hydrogen-like ions within a magnetized quantum plasma | |
| Pasquale et al. | Stress sensing with Co based ferrite composites | |
| Bardin et al. | Reciprocal relations for nonlinear multipole in inhomogeneous magnetic field | |
| Sarreshtedari et al. | Aggregation and detection of magnetic nanoparticles in microfluidic channels | |
| Suchaneck | Magnetization of magnetically inhomogeneous Sr2FeMoO6-δ nanoparticles | |
| Yin et al. | Modeling and analysis of nano-sized GMRs based on Co, NiFe and Ni materials | |
| Jiao et al. | Design of Biological Weak Magnetic Field Detection System Based on TMR Sensor | |
| Bulai et al. | Fundamentals of magnetism |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |