CN114264153A - 用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法、系统及终端 - Google Patents

用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法、系统及终端 Download PDF

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CN114264153A CN202111603868.7A CN202111603868A CN114264153A CN 114264153 A CN114264153 A CN 114264153A CN 202111603868 A CN202111603868 A CN 202111603868A CN 114264153 A CN114264153 A CN 114264153A
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Abstract

本发明属于工业窑炉技术领域，公开了一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法、系统及终端，采用接触式和非接触式测温分别获得同样熔炼工序条件下铝液内部温度和熔池铝液表面温度，形成该两种温度数据库；然后结合工艺运行参数以及大数据、神经网络算法构建出整个周期的铝液标准温度‑铝液表面温度关系模型，通过此温度模型以及非接触式测温中铝液表面温度的实测值计算出铝液实际温度。基于铝液实际温度、炉膛温度提出熔铝炉的双温度加热燃烧优化控制方法和系统，根据炉膛温度、铝液实际温度与设定值的差异，发出指令实现燃料流量和燃烧器热负荷调节。本发明防止出现铝液欠烧和超温现象，提升铝液加热质量和熔铝过程的智能化水平。

Description

用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法、系统及终端
技术领域
本发明属于工业窑炉技术领域，尤其涉及一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法、系统及终端。
背景技术
目前，根据《中国铝消费发展趋势及峰值预测研究》，2030年中国铝消费量将达到5000万吨。在铝加工的下游产业，熔铝炉作为铝加工设备中的最大能耗系统，能耗占铝加工流程设备总能耗的46.5％。随着工业炉窑煤改气的积极推进，现代熔铝炉大多以天然气为燃料，由于天然气的价格高企以及将来面临的碳排放控制问题，如何降低吨铝天然气耗量是企业共同关注的难题。
我国熔铝炉多以周期性工作为主，熔炼过程历经入料、加热、测温、除渣、加料、调质、精炼等多道工序，单个熔炼周期时间长达数小时，如何缩短熔炼周期以减少天然气的耗量是熔铝炉运行优化控制的重要方向。另一方面，铝锭在熔化过程中对温度控制要求较高，且对后续的铝加工产品质量有较大影响。铝锭在熔炼过程中，需要测定铝水温度以防止过烧、欠烧和开展调质、精炼工作，通常采用铸铁保护套管热电偶进行浸没式间断测量，这种测量不能实时显示铝液温度变化情况。此外，炉膛温度也是一项重要的监测和控制参数，炉温过高，铝水会发生过烧；炉温过低，燃烧和传热效果不好，铝锭熔化速度慢，采用炉膛温度来控制铝水的加热温度是当前熔铝炉熔炼控制的常用方法，但是炉膛温度和铝水温度差别较大，二者的变化趋势也不一定完全同步。因此，研发适用于熔铝炉的温度实时监测控制系统变得尤为重要。
申请号201220469407.5的中国专利提出了一种通过火焰图像和热电偶监控窑炉温度的装置用于陶瓷炉膛温度监测，采用了CCD相机和热电偶耦合测量炉膛温度，弥补了热电偶单点测量的缺点，但是该测量装置无法判定CCD监测的工质表面的温度是否准确，且不能用于存在渣层的工质温度测量，更不能对渣层覆盖后的工质实际温度进行预测。
申请号CN 104359312 A的中国专利提出了一种具有红外测温系统的真空熔炼炉，红外测温仪安装在炉膛上部，能够保证每次的测温方位一致。但由于熔铝炉铝工质熔炼过程中炉膛内的温度很高，炉内燃烧组织会出现传热不均和介质的流场扰动，同时由于熔炼周期中铝液上部渣层的存在，导致该方法也不能对铝液温度准确测量。
目前，熔铝炉的温度监测和运行控制主要存在以下问题：
(1)铝液(或称之为铝水)温度的接触式测量存在费时费力的难题：目前现场主要依靠人工凭借经验采用接触式间歇操作测量铝液温度，每次测温均需打开炉门，造成一定的热量损耗，且需要对燃烧器进行关停，直接增加不必要的熔炼时间，影响熔铝炉的运行效率；另外依靠人工经验测量铝液温度难以保证铝液测温的准确性和一致性，从而需要增加测量次数和劳动强度，同时熔铝炉工作过程的高温环境对工作人员造成一定的安全隐患。
(2)采用机械式热电偶测温的缺点：诚然，可以采用机械式可伸缩热电偶在不开启炉门的情况下从测温孔测定铝液温度，但是仍然存在测量点单一的问题，不能准确的反映出铝液温度，同时，在入料和扒渣时需要将热电偶从铝液中拔出，多次的拔插会造成热电偶表面生成较厚的氧化铝层和熔渣包裹，热电偶使用寿命和响应速度遭到削弱。
(3)非接触式铝液温度测量难以准确实现：在铝熔炼过程中，随熔炼时间的增加铝液表面氧化渣层不断增厚，当渣层达到一定厚度时，为保证铝液的高效吸热需进行扒渣处理，渣层的存在与否和渣层的厚度都会对非接触测温产生一定的影响，难以准确的实现非接触式测量。
(4)生产过程中铝液温度无法追溯：目前对铝液进行测温的主要目的仅仅是了解铝液的温度，并进行有针对性的调质工艺操作和防止超温，因此临时测温的数据可能不会被准确的记录和分析，影响对熔炼过程和熔炼质量等生产状况的了解。
(5)基于炉膛温度的燃烧运行控制不合理：目前熔铝炉的控制监测对象主要是炉膛温度，当炉膛温度超温时即切断燃料供应。然而，熔炼过程中的工艺制度是以铝液温度为监控对象的，这样以来熔铝炉的运行控制存在矛盾，即铝液温度是质量控制指标，但又以炉膛温度作为加热燃烧的控制依据，但是，在周期性的熔炼过程中，铝液温度和炉膛温度的变化并非完全一致，由于司炉工不能时刻有效的掌握铝液温度，在扒渣、精炼、调质过程中只能通过经验判断和临时测温，显然，临时停车和临时测温则延长了铝液熔炼周期，增加了能耗，因此，迫切需要改变熔铝炉加热控制方法和策略进而实现熔铝炉的运行优化。
因此，针对熔铝炉的运行条件和工艺制度，迫切需要一种真实、有效、及时的温度监测系统及燃烧优化运行控制方法。
通过上述分析，现有技术存在的主要问题及缺陷为：
采用热电偶进行接触式测温，无论是机械式还是人工手持式，都存在：不能连续测量、不能多点测量、铝液温度不能在线显示和存储和追溯；此外，测量过程费时费力，通常人工测量时需要关闭燃烧器，打开炉门，降低窑炉热效率，增加劳动强度。
采用非接触式测温，所得到的温度是熔池上层表面渣层的温度，该温度与铝液的内部温度并不相等，二者的温度差值与渣层的厚度、熔炼工序有关，因此，采用非接触式测温直接准确获得铝液实际温度非常困难。
目前熔铝炉的燃烧控制是根据炉膛温度的高低进行调节，而熔铝炉的工艺控制则是根据铝液温度来实施的，仅仅控制炉温并不能精确的控制铝液温度，不能同时满足防止炉膛超温和防止铝液超温，因为二者的变化并非线性，显然，需要将燃烧负荷控制与工艺铝液温度控制进行协同，才能达到降低熔铝炉能耗和提升铝液加热质量的双重目标。
解决以上问题及缺陷的难度为：
铝液温度是熔铝炉工艺控制的最关键指标，铝液温度过低则发生欠烧，反之则过烧，过烧和欠烧都会影响后期的铝合金产品质量。为了严格执行熔炼温度要求，在整个熔炼周期中，通常由司炉工根据经验不定期打开炉门采用浸没式热电偶测温，该方法费时费力影响熔铝炉经济高效运行，但是是目前运行过程中最为有效、可行的方法。
也可以通过在炉墙某一位置安装机械式可伸缩热电偶直接插入铝液测温，但在实际过程中，热电偶由于热应力、渣层粘结、熔池扒渣等问题降低了使用的可靠性和寿命。
采用非接触式测温，不影响熔铝炉工艺过程操作，不与熔池接触，可以避免上述接触式操作的各种问题，但是其只能获得熔池表面温度，该温度与铝液温度并非一致，其原因在于熔炼过程中表面渣层的生成、增厚与消失是动态变化的，如何通过非接触式测温获得熔池表面温度得到准确的铝液实际温度，是非接触式测温的关键。
鉴于以上分析，采用非接触测温应成为铝液测温的首选，然而现有的方法和技术并不能直接准确测量铝液温度，进一步的，由于铝液温度无法可靠获得，也无法在实际运行过程中，根据铝液温度对燃烧和负荷调节进行控制。
解决以上问题及缺陷的意义为：熔铝炉是铝加工下游产业中最大的能耗设备，而铝液温度则是熔铝生产过程中的关键工艺指标。因此，实施对铝液温度的精确测量一方面可以提升产品质量，另一方面，可以将铝液温度作为燃烧加热负荷调节控制指标，进而提升加热效率和降低熔铝炉能耗，同时降低企业的生产成本，有利于我国早日实现“碳达峰”和“碳中和”。从智能化的角度来看，智能制造、数据化是我国传统行业技术升级的必由之路，将自动监测、大数据、智能控制引入熔铝炉生产过程，能够快速推进熔炼产业的自动化和智能化发展，向工业4.0迈进。
鉴于上述考虑，本发明提出结合接触式和非接触式测温方法同时获得铝液实际温度和熔池表面温度，构建相应的数据库，进而根据神经网络方法建立铝液实际温度和表面温度的关系模型，从而可以根据熔池表面温度得到铝液实际温度，进而将铝液实际温度和炉膛温度作为对象实现燃烧负荷的双温度反馈控制，可以避免熔炼过程中炉膛超温、铝液超温现象，实现燃烧器负荷优化运行，对熔铝炉的节能以及提升制品加热质量具有非常重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法、系统及终端。
本发明是这样实现的，一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法，所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法包括以下步骤：
步骤一，通过多个可伸缩热电偶实现全周期加热过程中铝液温度的多点定时接触式测量，获得大量的熔炼周期过程中铝液实际温度数值与对应的工序时间；并将该方式下测定的铝液实际温度视为标准温度，形成接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库；
步骤二，通过非接触式测温获得大量的熔炼周期过程中熔池上表面温度，与步骤一中的工序时间相对应，并将该方式下测定的熔池表面温度视为铝液表面温度，形成非接触式测温铝液表面温度-工序时间数据库；
步骤三，基于步骤一和步骤二获得的铝液标准温度-工序时间数据库和铝液表面温度-工序时间数据库，基于大数据分析、人工智能和神经网络算法构建整个熔炼周期的铝液标准温度和铝液表面温度的关系模型；
步骤四，基于步骤三获得的铝液标准温度-铝液表面温度模型，建立起准确可靠的非接触式铝液测温方法，将非接触测温测量出的铝液表面温度值带入步骤三获得的铝液标准温度-铝液表面温度关系模型，进行铝液标准温度计算，进而获得铝液实际温度；
步骤五，基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制，使得在炉膛升温过程和熔炼过程中，避免炉膛超温、铝液超温现象出现。
进一步，步骤三中，所述关系模型同时考虑熔铝工序、燃烧器热负荷、炉膛温度、工序进行的时间，拟合出铝液标准温度与铝液表面温度的非线性函数，所述关系模型公式如下：
Tals＝f(Pi、Qf、Tlt、t)*Talsf；
其中，Tals为铝液标准温度；Pi为熔铝工序，P1为入料、P2为铝液搅拌、P3为预扒渣、P4为入辅料、P5为合金搅拌、P6为扒渣，P7为精炼；Qf为燃烧器热负荷；Tlt为炉膛温度；t为工序Pi所运行的时间；Talsf为铝液表面温度。
进一步，步骤五中，所述基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制策略，包括监测控制系统设定炉膛温度为tlts，设定铝液温度为tals，记炉膛实际温度为tltp，铝液实际温度为talp。
(1)当炉膛实际温度低于设定炉温-50℃，tltp<tlts-50℃，铝液实际温度低于铝液设定温度-50℃，talp<tals-50℃，燃烧器满负荷运行，燃料管道流量调节阀全开；
(2)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度-50℃，tltp>tlts-50℃，铝液实际温度低于铝液设定温度，talp<tals-50℃，燃烧器满负荷运行，燃料管道流量调节阀全开；
(3)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度-50℃，tltp>tlts-50℃，铝液实际温度高于铝液设定温度，talp>tals，停止燃烧器运行，燃料管道流量调节阀关闭；
(4)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度，tltp>tlts，铝液实际温度高于铝液设定温度，talp>tals，停止燃烧器运行，燃料管道流量调节阀关闭；
(5)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度-50℃，tltp>tlts-50℃，铝液实际温度高于铝液设定温度-50℃，talp>tals-50℃，采用基于铝液实际温度的分段调节燃料管道流量调节阀开度来改变燃料流量；
(6)当炉膛实际温度低于炉膛设定温度-50℃，tltp<tlts-50℃，铝液实际温度高于铝液设定温度-50℃，talp>tals-50℃，采用基于铝液实际温度的分段调节燃料管道流量调节阀开度来改变燃料流量；
基于铝液实际温度的分段调节控制策略，包括：
以铝液设定温度-铝液实际温度的差值大小为监控对象，建立热负荷或者燃料流量的阶梯式负荷调整曲线；铝液实际温度为talp，铝液设定温度为tals，铝液实际温度和设定温度之间的差值为△talps。
(1)当铝液实际温度值小于等于铝液设定温度-50℃时，talp≤tals-50℃，选定燃烧器热负荷为满负荷；
(2)当铝液实际温度值超过铝液设定温度-50℃时，talp>tals-50℃，选定燃烧器热负荷为满负荷状态的80％；
(3)当铝液实际温度值超过铝液设定温度-40℃，talp>tals-40℃，选定燃烧器热负荷为满负荷状态的70％；
(4)依次地，Qf＝80％-(4-[(talp-tals)/10])*10％，其中，[(talp-tals)/10]采用取整法，当[(talp-tals)/10]的值不为整数时，舍弃小数位，取值为0、1、2、3、4；即铝液实际温度值超过铝液设定温度-10℃时，talp>tals-10℃，选定燃烧器热负荷为满负荷状态的40％。
本发明的另一目的在于提供一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统，包括CCD相机、可伸缩热电偶、工业计算机以及燃料管道流量调节阀。
其中，所述CCD相机为非接触测温装置，用于将测得的铝液表面温度实时传输入工业计算机；
所述可伸缩热电偶为接触式测温装置，用于接受计算机指令实现伸入铝液测温和撤出铝液的操作，测得铝液实际温度为铝液标准温度，将温度数据传入计算机处理；
所述燃料管道流量调节阀，用于接受计算机指令实现阀门开度的调节以调节燃料流量和燃烧器热负荷。
进一步，所述CCD相机包括线性CCD传感器和矩阵型CCD相机；优选地，采用矩阵型CCD相机，用于动态的显示熔铝炉内部炉膛及液面的实际动态图像。
CCD相机布置区域可以在：炉膛顶部、炉膛后墙或者侧墙辅助烟道区域；CCD相机拍照采样频率可采用与燃烧器换向频率相同，在燃烧器换向间隔进行拍照可获得最大的熔池表面积和有效像素；优选地，采用高曝光频率获取图像，并将熔池表面图像与火焰图像分离，根据辐射传热原理计算出熔池铝液表面温度。
进一步，所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统还包括炉膛测温热电偶，所述炉膛测温热电偶为固定式热电偶，用于炉膛温度的测量。
进一步，所述可伸缩热电偶采用多测点测量方式，安装在熔铝炉后墙和侧墙，所述可伸缩式热电偶与工业计算机相连接，当计算机发出指令开始热电偶测温时，伸缩装置带动热电偶插入铝液；当计算机发出指令停止热电偶测温时，伸缩装置带动热电偶从铝液中抽出，可伸缩式热电偶测得的铝液实际温度作为铝液标准温度。
所述工业计算机内部还包括数据采集器，所述数据采集器对CCD相机图像和各个热电偶温度数据进行采集，传输入计算机进行处理、存储，获得与工序时间对应的接触式测温温度数据库与非接触式测温温度数据库。
进一步，所述燃料管道阀门开度基于炉膛温度和铝液实际温度的双温度反馈控制，用于优化和调节燃烧器热负荷。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过多个可伸缩热电偶实现全周期加热过程中铝液温度的多点定时接触式测量，获得大量的熔炼周期过程中铝液实际温度数值与对应的工序时间；并将该方式下测定的铝液实际温度视为标准温度，形成接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库；通过非接触式测温获得大量的熔炼周期过程中熔池上表面温度，与步骤一中的工序时间相对应，并将该方式下测定的熔池表面温度视为铝液表面温度，形成非接触式测温熔池铝液表面温度-工序时间数据库；
基于获得的铝液标准温度-工序时间数据库和铝液表面温度-工序时间数据库，基于大数据分析、人工智能和神经网络算法构建整个周期的铝液标准温度和铝液表面温度的关系模型；基于获得的铝液标准温度-铝液表面温度模型，建立起准确可靠的非接触式铝液测温方法，将非接触测温测量出的铝液表面温度值带入获得的铝液标准温度-铝液表面温度关系模型，进行铝液标准温度计算，进而获得铝液实际温度；基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制，使得在炉膛升温过程和熔炼过程中，避免炉膛超温、铝液超温现象出现。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法，具体涉及到熔铝炉的温度监测及运行优化控制，尤其是针对熔铝炉铝液温度的在线监测以及铝液加热温度的控制方法，将接触式测温和非接触式测温耦合起来，同时将炉膛温度和铝液温度协同实现燃烧器热负荷的反馈调节控制，旨在实现熔铝炉的铝液温度实时准确监测，同时基于炉膛温度和铝液温度对熔铝炉运行进行协同控制，进而实现熔铝炉运行优化，达到缩短熔炼周期，降低熔炼能耗的目的。该控制方法采用铝液温差进行分段控制调节燃烧器负荷，能够比较简单的实现负荷调节和精确的铝液控温，防止超温。本发明可以实时准确监测及预测熔铝炉铝液实际温度，实现熔铝炉的运行优化控制，降低熔铝炉的能耗，提升制品加热质量。
采用本发明提出的铝液测温方法以及炉膛温度、铝液温度双控制的燃烧加热系统，与常规的基于炉膛温度控温以及人工测定铝液温度的生产技术相比，在同样的熔铝工艺参数下，单个熔炼周期时间缩短30分钟以上，单个熔炼周期能耗降低5％以上，炉膛温度、铝液温度的波动幅度减小为原来的1/3以上。
本发明所构思的技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：
(1)可以获得整个熔铝周期内的铝液温度数据：基于直接测量的铝液实际温度和间接测量的熔池铝液表面温度的数据，可以直接显示、存储和查询追溯整个熔炼周期铝液的实际温度和表面温度，防止铝液欠烧和超温的出现。
(2)本发明建立了准确可靠的非接触式铝液测温方法，解决了以往非接触式铝液测温不准确的难题：熔铝炉在周期性工作过程中，铝锭逐渐熔化，由于熔炼工艺中不可避免的存在氧化烧损、杂质等现象，导致铝液表面存在有漂浮的渣层，且渣层的厚度在整个熔炼周期中并不固定，这使得非接触式测定的铝液表面温度和实际的铝液温度是不一样的。本发明提出结合接触式测温(可伸缩热电偶)和非接触式测温(CCD相机)分别获得铝液实际温度(视为标准温度)、铝液表面温度，形成整个熔炼周期工序时间-铝液标准温度、铝液表面温度数据库，结合工序条件、炉膛温度、燃料流量、热负荷，对测定的铝液表面温度进行修正，并基于测定铝液表面温度获得精确的铝液实际温度，实现了快速、准确、有效的铝液温度非接触式测量。
(3)本发明提出的熔铝炉温度监测方法，能够实现铝液温度的实时监测，可实现关闭炉门以及燃烧器运行过程中的测温，直接解决由人工测温引起的炉门散热、燃烧器启停等缺点，缩短了熔化时间，降低了工人的劳动强度，提高了熔铝炉生产效率；同时根据CCD测量的熔池铝液表面温度与铝液实际温度的差值以及铝液图像分析，可以获得炉内的渣层厚度状况，更好的确定扒渣时间和进行热负荷调节。
(4)本发明所构建的铝液温度预测模型(Tals＝f(Pi、Qf、Tlt、t)*Talsf)，该温度模型同时考虑了熔铝工序、燃烧器热负荷、炉膛温度、工序进行时间，构建出关于铝液表面温度随铝液标准温度变化的曲线，同时能够预测出铝液到达某定值温度所用的时间，提前通知现场工作人员做好准备，如加辅料、除渣等操作，减少因人为因素带来的能源浪费，提升了产品质量和生产的监测控制水平。
(5)本发明将熔铝炉炉温和铝液实际温度作为双温度反馈控制，提出了双温度控制方法和策略，能够在炉膛升温过程和熔炼过程中避免炉膛超温、铝液超温，并实现燃烧器负荷优化运行，对熔铝炉的节能具有非常重要的意义。
综合上述，本发明从熔铝炉的实际运行特点出发，提出非接触式铝液温度准确测量的方法，以及基于炉膛温度和铝液温度的双温度加热燃烧反馈控制策略，能够在线实时获得熔池铝液表面温度、铝液实际温度，并且达到对铝液温度进行长期的监测和记录，提升熔铝炉的能效，便于熔铝炉生产数据的分析和工艺改进，有利于企业生产运行的数据化、信息化和智能化。
本发明具备创新型，前期(数据库构建器件)采用接触式测温和非接触测温构建温度模型，后期(正常生产中)可单纯依靠非接触式测温配合温度模型获取铝液实际温度。同时提出了一种新的熔铝炉双温度控制方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统布置示意图。
图3是本发明实施例提供的用于熔铝炉铝液温度测量和建模计算的流程图。
图4是本发明实施例提供的用于熔铝炉优化运行控制的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明采用接触式和非接触式测温分别获得同样熔炼工序条件下铝液内部温度(视为铝液标准温度)和熔池铝液表面温度，形成该两种温度数据库；然后结合工艺运行参数以及大数据、神经网络算法构建出整个周期的铝液标准温度-铝液表面温度关系模型，通过此温度模型以及非接触式测温中铝液表面温度的实测值计算出铝液实际温度。基于铝液实际温度、炉膛温度提出熔铝炉的双温度加热燃烧优化控制方法和系统，根据炉膛温度、铝液实际温度与设定值的差异，发出指令实现燃料流量和燃烧器热负荷调节。本发明可以实时准确监测、存储显示以及预测熔铝炉铝液实际温度，减轻劳动强度，缩短熔炼周期，降低熔铝炉能耗，防止出现铝液欠烧和超温现象，提升铝液加热质量和熔铝过程的智能化水平。
如图1所示，本发明实施例提供的用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法包括以下步骤：
S101，建立多个周期下接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库；
S102，建立多个周期下与S101工序时间对应的非接触式测温得到的熔池铝液表面温度-工序时间数据库；
S103，基于大数据分析、人工智能和神经网络算法构建整个周期的铝液标准温度-铝液表面温度模型，同时考虑熔铝工序、燃烧器热负荷、炉膛温度、工序进行时间，拟合出铝液标准温度与铝液表面温度的非线性函数；
S104，基于铝液标准温度-铝液表面温度模型建立起准确可靠的非接触式铝液测温方法，将非接触测温测量出的铝液表面温度值带入铝液标准温度-铝液表面温度模型，进行铝液标准温度计算，获得铝液实际温度；
S105，基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制，使得在炉膛升温过程和熔炼过程中，避免炉膛超温、铝液超温现象出现。
本发明实施例提供的本发明实施例提供的用于熔铝炉铝液温度测量和建模计算的流程图如图3所示，本发明实施例提供的用于熔铝炉优化运行控制的方法流程图如图4所示。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图2所示，本发明实施例提供的蓄热式熔铝炉温度监测与优化运行控制系统，包括：CCD测温系统(1)、可伸缩式热电偶(2)、炉膛顶部固定式热电偶(3)、燃料管道流量调节阀门(4)、工业计算机(5)。
其中，CCD测温系统(1)、可伸缩式热电偶(2)、炉膛顶部固定式热电偶(3)、燃料管道流量调节阀门(4)均与工业计算机(5)相连接，用于数据传输、存储、显示和动作控制。
CCD测温系统(1)采用矩阵型CCD相机，可以显示熔池液面的实际动态图像；将CCD相机探头布置在炉膛侧墙后方，采样频率与燃烧器换向频率保持一致，燃烧器换向间隙炉内呈无火焰状态，此时进行炉内铝液拍照并获得熔池铝液表面图像。
CCD相机1将拍摄到的铝液图像通过光纤传至工业计算机(5)中，工业计算机(5)根据辐射传热原理通过图像数字处理技术及双色测温算法，获得整个熔池铝液表面温度分布，将整个铝液表面温度进行面平均，计算出实时的铝液表面温度，同时进行数据存储，构建出非接触式测温铝液表面温度-工序时间数据库。
可伸缩式热电偶(2)采用4个测点测量，4支可伸缩式热电偶与工业计算机(5)相连接，当计算机发出指令开始测温时，伸缩装置带动热电偶进入铝液；当计算机发出指令停止测温时，伸缩装置带动热电偶从铝液中退出。可伸缩热电偶测得的温度传入计算机进行存储，将4个测点测得的平均温度作为测量工序时间下的铝液实际温度，即本发明所述的标准温度，构建出接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库。
炉膛温度由顶部固定式热电偶(3)测温，位于炉膛顶部中心，距离顶部壁面20cm处，能够实时测量炉膛内部温度。
根据多个周期下接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库和非接触式测温铝液表面温度-工序时间数据库，基于大数据分析、人工智能和神经网络算法构建整个周期的铝液标准温度-铝液表面温度的关系模型，同时考虑了熔铝工序、燃烧器热负荷、炉膛温度、工序进行时间，拟合出铝液标准温度与铝液表面温度的非线性函数Tals＝f(Pi、Qf、Tlt、t)*Talsf，基于铝液标准温度-铝液表面温度模型建立起准确可靠的非接触式铝液测温方法，将非接触测温测量出的铝液表面温度值带入铝液标准温度-铝液表面温度模型，进行铝液标准温度计算，进而获得铝液实际温度。
在熔铝炉温度监测和优化运行控制系统中采用实时监测控制技术，实时测量炉膛温度、铝液表面温度、燃料流量等参数；并获得铝液实际温度同时预测出铝液实际温度随时间的变化，通过双温度自动反馈控制燃料管道阀门(4)的开度，优化燃烧器热负荷，实现熔铝炉的高效稳定运行。
在炉膛升温过程和熔炼过程中，为了避免炉膛超温、铝液超温，此时需要基于炉膛温度、铝液实际温度实施运行控制。具体地，监测控制系统设定炉膛温度tlts为1050℃，设定铝液目标温度tals为740℃，实时监测炉膛实际温度tltp、铝液实际温度talp的变化情况。
当炉膛实际温度低于1000℃，铝液实际温度低于690℃，燃烧器满负荷运行，燃料管道流量调节阀全开；
当炉膛实际温度高于1000℃，铝液实际温度低于690℃，燃烧器满负荷运行，燃料管道流量调节阀全开；
当炉膛实际温度高于1000℃，铝液实际温度高于690℃，采用基于铝液温度的分段调节燃料管道流量调节阀开度来逐渐减小燃料流量；
当炉膛实际温度低于1000℃，铝液实际温度高于690℃，采用基于铝液实际温度的分段调节燃料管道流量调节阀开度来逐渐减小燃料流量；
基于铝液实际温度的分段调节控制策略如下：当铝液实际温度值大于690℃，小于等于700℃，燃烧器热负荷为满负荷状态的80％；当铝液实际温度值大于700℃，小于等于710℃，燃烧器热负荷为满负荷状态的70％；当铝液实际温度值大于710℃，小于等于720℃，燃烧器热负荷为满负荷状态的60％；当铝液实际温度值大于720℃，小于等于730℃，燃烧器热负荷为满负荷状态的50％；当铝液实际温度值大于730℃，小于等于740℃，燃烧器热负荷为满负荷状态的40％；当铝液实际温度值大于740℃，燃烧器热负荷为0，燃料总阀关闭；
当炉膛实际温度高于1000℃，铝液实际温度高于740℃，停止燃烧器运行，燃料管道流量调节阀关闭；
当炉膛实际温度高于1050℃，铝液温度高于740℃，停止燃烧器运行，燃料管道流量调节阀关闭。
根据GB/T 13338-2018工业炉热平衡测定与计算基本准则，结合熔铝炉的工艺运行制度，对采用炉膛温度控制方法的常规蓄热式熔铝炉和采用本发明提出的炉膛温度、铝液实际温度双控制的熔铝炉的运行参数进行比较，结果见表1，从表1可以看出，采用本发明之后，单个周期的运行时间缩短35分钟，铝液温度的波动范围从正负15℃下降到正负4℃，炉膛温度的波动幅度从正负30℃下降到正负10℃，吨铝天然气耗量从73立方米下降到65立方米，节能率达到10.9％。
表1采用本发明后的有益效果
项目 常规蓄热式熔铝炉 采用本发明的温度控制方法后
单个周期熔炼时间 8h 7h 25min
铝液温度波动范围 740±15℃ 740±4℃
炉温波动范围 1050±30℃ 1050±10℃
吨铝燃气耗量 73Nm<sup>3</sup>/t 65Nm<sup>3</sup>/t
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法，其特征在于，所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法采用接触式和非接触式测温分别获得同样熔炼工序条件下铝液内部温度和熔池铝液表面温度，分别形成铝液内部温度和熔池铝液表面温度对应各自的温度数据库；再结合工艺运行参数以及大数据、神经网络算法构建出整个周期的铝液标准温度-铝液表面温度关系模型，通过铝液标准温度-铝液表面温度关系模型以及非接触式测温中铝液表面温度的实测值计算出铝液实际温度；基于铝液实际温度、炉膛温度提出熔铝炉的双温度加热燃烧优化控制方法和系统，根据炉膛温度、铝液实际温度与设定值的差异，发出指令实现燃料流量和燃烧器热负荷调节。
2.如权利要求1所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法，其特征在于，所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法具体包括：
步骤一，通过多个可伸缩热电偶实现全周期加热过程中铝液温度的多点定时接触式测量，获得大量的熔炼周期过程中铝液实际温度数值与对应的工序时间；并将该方式下测定的铝液实际温度视为标准温度，形成接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库；
步骤二，通过非接触式测温获得大量的熔炼周期过程中熔池上表面温度，与步骤一中的工序时间相对应，并将该方式下测定的熔池表面温度视为铝液表面温度，形成非接触式测温铝液表面温度-工序时间数据库；
步骤三，基于步骤一和步骤二获得的铝液标准温度-工序时间数据库和铝液表面温度-工序时间数据库，基于大数据分析、人工智能和神经网络算法构建整个周期的铝液标准温度和铝液表面温度的关系模型；
步骤四，基于步骤三获得的铝液标准温度-铝液表面温度模型，建立起准确可靠的非接触式铝液测温方法，将非接触测温测量出的铝液表面温度值带入步骤三获得的铝液标准温度-铝液表面温度关系模型，进行铝液标准温度计算，进而获得铝液实际温度；
步骤五，基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制，使得在炉膛升温过程和熔炼过程中，避免炉膛超温、铝液超温现象出现。
3.如权利要求2所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法，其特征在于，步骤三中，所述关系模型同时考虑熔铝工序、燃烧器热负荷、炉膛温度、工序进行的时间，拟合出铝液标准温度与铝液表面温度的非线性函数，所述关系模型公式如下：
Tals＝f(Pi、Qf、Tlt、t)*Talsf；
其中，Tals为铝液标准温度；Pi为熔铝工序，P1为入料、P2为铝液搅拌、P3为预扒渣、P4为入辅料、P5为合金搅拌、P6为扒渣，P7为精炼；Qf为燃烧器热负荷；Tlt为炉膛温度；t为工序Pi所运行的时间；Talsf为铝液表面温度。
4.如权利要求2所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法，其特征在于，步骤五中，所述基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制策略，包括监测控制系统设定炉膛温度为tlts，设定铝液温度为tals，记炉膛实际温度为tltp，铝液实际温度为talp；
(1)当炉膛实际温度低于设定炉温-50℃，tltp<tlts-50℃，铝液实际温度低于铝液设定温度-50℃，talp<tals-50℃，燃烧器满负荷运行，燃料管道流量调节阀全开；
(2)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度-50℃，tltp>tlts-50℃，铝液实际温度低于铝液设定温度，talp<tals-50℃，燃烧器满负荷运行，燃料管道流量调节阀全开；
(3)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度-50℃，tltp>tlts-50℃，铝液实际温度高于铝液设定温度，talp>tals，停止燃烧器运行，燃料管道流量调节阀关闭；
(4)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度，tltp>tlts，铝液实际温度高于铝液设定温度，talp>tals，停止燃烧器运行，燃料管道流量调节阀关闭；
(5)当炉膛实际温度高于炉膛设定温度-50℃，tltp>tlts-50℃，铝液实际温度高于铝液设定温度-50℃，talp>tals-50℃，采用基于铝液实际温度的分段调节燃料管道流量调节阀开度来改变燃料流量；
(6)当炉膛实际温度低于炉膛设定温度-50℃，tltp<tlts-50℃，铝液实际温度高于铝液设定温度-50℃，talp>tals-50℃，采用基于铝液实际温度的分段调节燃料管道流量调节阀开度来改变燃料流量；
基于铝液实际温度的分段调节控制策略，包括：
以铝液设定温度-铝液实际温度的差值大小为监控对象，建立热负荷或者燃料流量的阶梯式负荷调整曲线；铝液实际温度为talp，铝液设定温度为tals，铝液实际温度和设定温度之间的差值为△talps；
(1)当铝液实际温度值小于等于铝液设定温度-50℃时，talp≤tals-50℃，选定燃烧器热负荷为满负荷；
(2)当铝液实际温度值超过铝液设定温度-50℃时，talp>tals-50℃，选定燃烧器热负荷为满负荷状态的80％；
(3)当铝液实际温度值超过铝液设定温度-40℃，talp>tals-40℃，选定燃烧器热负荷为满负荷状态的70％；
(4)依次地，Qf＝80％-(4-[(talp-tals)/10])*10％，其中，[(talp-tals)/10]采用取整法，当[(talp-tals)/10]的值不为整数时，舍弃小数位，取值为0、1、2、3、4；即铝液实际温度值超过铝液设定温度-10℃时，talp>tals-10℃，选定燃烧器热负荷为满负荷状态的40％。
5.一种应用如权利要求1～4任意一项所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的方法的用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统，其特征在于，所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统，包括CCD相机、可伸缩热电偶、工业计算机以及燃料管道流量调节阀；
所述CCD相机为非接触测温装置，用于将测得的铝液表面温度实时传输入工业计算机；
所述可伸缩热电偶为接触式测温装置，用于接受计算机指令实现伸入铝液测温和撤出铝液的操作，测得铝液实际温度为铝液标准温度，将温度数据传入计算机处理；
所述燃料管道流量调节阀，用于接受计算机指令实现阀门开度的调节以调节燃料流量和燃烧器热负荷。
6.如权利要求5所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统，其特征在于，所述CCD相机包括线性CCD传感器和矩阵型CCD相机；优选地，采用矩阵型CCD相机，用于动态的显示熔铝炉内部炉膛及液面的实际动态图像；
CCD相机布置区域包括：炉膛顶部、炉膛后墙或者侧墙辅助烟道区域；CCD相机拍照采样频率采用与燃烧器换向频率相同，在燃烧器换向间隔进行拍照可获得最大的熔池表面积和有效像素；采用高曝光频率获取图像，并将熔池表面图像与火焰图像分离，根据辐射传热原理计算出熔池铝液表面温度。
7.如权利要求5所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统，其特征在于，所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统还包括炉膛测温热电偶，所述炉膛测温热电偶为固定式热电偶，用于炉膛温度的测量；
所述可伸缩热电偶采用多测点测量方式，安装在熔铝炉后墙和侧墙，所述可伸缩式热电偶与工业计算机相连接，当计算机发出指令开始热电偶测温时，伸缩装置带动热电偶插入铝液；当计算机发出指令停止热电偶测温时，伸缩装置带动热电偶从铝液中抽出，可伸缩式热电偶测得的铝液实际温度作为铝液标准温度。
8.如权利要求5所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统，其特征在于，所述工业计算机内部还包括数据采集器，所述数据采集器对CCD相机图像和各个热电偶温度数据进行采集，传输入计算机进行处理、存储，获得与工序时间对应的接触式测温温度数据库与非接触式测温温度数据库；
所述燃料管道阀门开度基于炉膛温度和铝液实际温度的双温度反馈控制，用于优化和调节燃烧器热负荷。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：通过多个可伸缩热电偶实现全周期加热过程中铝液温度的多点定时接触式测量，获得大量的熔炼周期过程中铝液实际温度数值与对应的工序时间；并将该方式下测定的铝液实际温度视为标准温度，形成接触式测温铝液标准温度-工序时间数据库；通过非接触式测温获得大量的熔炼周期过程中熔池上表面温度，与步骤一中的工序时间相对应，并将该方式下测定的熔池表面温度视为铝液表面温度，形成非接触式测温铝液表面温度-工序时间数据库；
基于获得的铝液标准温度-工序时间数据库和铝液表面温度-工序时间数据库，基于大数据分析、人工智能和神经网络算法构建整个周期的铝液标准温度和铝液表面温度的关系模型；基于获得的铝液标准温度-铝液表面温度模型，建立起准确可靠的非接触式铝液测温方法，将非接触测温测量出的铝液表面温度值带入获得的铝液标准温度-铝液表面温度关系模型，进行铝液标准温度计算，进而获得铝液实际温度；基于铝液实际温度、炉膛温度实施双温度反馈运行控制，使得在炉膛升温过程和熔炼过程中，避免炉膛超温、铝液超温现象出现。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1～3任意一项所述用于熔铝炉温度监测与优化运行控制的系统。
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