CN114622050B - 一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法 - Google Patents

Abstract

一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法，还原回转窑的窑身分为m段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置和二次风喷口；该方法包括以下步骤：1)待还原物料在还原回转窑内经过还原性燃料的燃烧和还原，获得还原物料；2)通过激励磁场使待还原物料达到饱和磁化强度Ms；再利用物料的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算出该段窑身位置的物料实际温度T_j；3)根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节窑身位置上风机，从而调整窑身位置上的二次风进风量，使得窑身位置物料温度在(1±10％)T₀的范围内。本发明通过激励磁场建立矿物饱和磁化强度Ms与温度的关系，精确检测并通过二次风进风量及时调整还原回转窑内的温度，使系统安全稳定地运行。

Description

一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法

技术领域

本发明涉及一种回转窑温度测量及控制方法，具体涉及一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法，属于回转窑技术领域。

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

针对现有技术中，温度不能在线实时精确检测，造成供风系统、燃料系统和温度的不协调等技术问题，本发明提供一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法。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。

一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法，，还原回转窑的窑身分为n段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置和二次风喷口,并且每一处二次风喷口与风机连接；该方法包括以下步骤：

1)将待还原物料装入还原回转窑内，在还原回转窑的窑头和窑尾位置加入还原性燃料，窑头位置设有烧嘴，待还原物料在还原回转窑内经过还原性燃料的燃烧和还原，获得还原物料；

2)通过铁磁性测温装置计算还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度，并记录对应第j段窑身位置的物料温度T_j，其中j＝1,2,……,m；

3)根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节与第j段窑身位置上二次风喷口连接的风机，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内；

其特征在于：步骤2)所述铁磁性测温装置测量并计算还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度为：在每一段的还原回转窑内均设有激励磁场装置，通过激励磁场使物料达到饱和磁化状态，计算饱和磁化强度，再利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度T_j；

其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于物料的居里温度T_c及其实际温度T_j的大小而确定的。

优选的是，所述激励磁场为外加激励磁场；利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度包括如下步骤：

S1：计算物料所需最大化饱和磁化强度M_0-MAX，外加激励磁场的强度H满足H＞M_0-MAX；M_0-MAX为物料中所有铁磁性物质的单组分饱和磁化强度之和。

其中：

λi为物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量。

μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；n₀为亥姆霍兹线圈匝数；I为激励电流；R为线圈半径；激励磁场发生装置确定的情况下，调节激励电流I的大小，使得H＞M_0-MAX。

S2、施加强度为H的激励磁场，物料经过外加激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到物料的实际饱和磁化强度Ms。

其中：

U为输出电压；d为霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；I_s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。

S3、根据还原回转窑内物料的居里温度T_c，然后根据物料的实际饱和磁化强度Ms与温度的关系，计算出第j段窑身位置的物料实际温度T_j。其中：Tc _Fe2O3为1013K；Tc _Fe3O4为858K；Tc _FeO为198K；Tc _Fe为1043K。

在本发明中，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。

优选的是，通过外加激励磁场测温过程中，检测还原回转窑内的环境温度T_环，比较Fe₃O₄的居里温度Tc _Fe3O4与环境温度T_环的大小，分为两种情况，即T_环≤Tc _Fe3O4和T_环＞Tc_Fe3O4。

当T_环＞Tc _Fe3O4时，进一步划分如下：

Tc _Fe3O4＜T_环<Tc _Fe2O3；

T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、物料还原度在0-1/6范围内；

T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、物料还原度在1/6-1/3范围内；

T_环＞Tc _Fe。

在本发明中，T_c为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)。由于物料中各组分的居里温度不同，在温度升高过程中，部分居里温度较低的组分先转化为顺磁体。

在本发明中，当环境温度T_环≤Tc _Fe3O4时，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(1)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；s_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数，0＜s_i＜5/2；p_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数；p ₁＝p _Fe2O3为2.5；p ₂＝p _Fe3O4为2.5；p ₃＝p _FeO为2.5；p ₄＝p _Fe为4；Tj为第j段窑身位置的物料温度；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；在还原回转窑内，待还原物料中包括4种铁磁性物质，分别为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe，即n＝4，i为1、2、3或4。

在本发明中，环境温度T_环＞Tc _Fe3O4时，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(2)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；Ci为第i种铁磁性物质的居里常数；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；n为物料中铁磁性物质的种类数量，取值为4；i为1、2、3或4。

在本发明中，环境温度T_环＞Tc _Fe3O4，且T_环＜Tc _Fe2O3时，还原回转窑内的物料主要以Fe₂O₃形式存在；饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系具体为：

式(3)中：λ_Fe2O3为该段物料中单位体积内所有原子/分子中Fe₂O₃个数的占比；M_0-Fe2O3为Fe₂O₃的饱和磁化强度；0＜s _Fe2O3＜5/2。

在本发明中，T_环>Tc _Fe3O4，且T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、铁氧化物开始发生还原反应，物料还原度在0-1/6范围时，还原回转窑内的物料主要以Fe₂O₃、Fe₃O₄形式存在；饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(4)中：λ_Fe2O3为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在0-1/6范围内Fe₂O₃个数的占比；λ_Fe3O4为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在0-1/6范围内Fe₃O₄个数的占比；C _Fe2O3为Fe₂O₃的居里常数，为1.76×10^-18；C _Fe3O4为Fe₃O₄的居里常数，为1.82×10^-18。

T_环＞Tc _Fe3O4，且T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、物料还原度在1/6-1/3范围时，还原回转窑内的物料主要以Fe₃O₄、FeO形式存在，饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(5)中：λ_Fe3O4为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在1/6-1/3范围内Fe₃O₄个数的占比；λ_FeO为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在1/6-1/3范围内FeO个数的占比；C _Fe3O4为Fe₃O₄的居里常数，为1.82×10^-18；C_FeO为FeO的居里常数；为1.08×10^-19。

T_环＞Tc _Fe，物料主要以FeO和Fe形式存在；饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(6)中：λ_Fe为该段物料内单位体积内所有原子/分子中Fe个数的占比；λ_FeO为该段物料中单位体积内所有原子/分子中FeO个数的占比；C_Fe为Fe的居里常数，为5.34×10^-19；C_FeO为FeO的居里常数，为1.08×10^-19。

在本发明中，所述激励磁场为微波激励磁场；利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度包括如下步骤：A1、设定微波源输出功率为P，矿物置入微波加热区。检测微波设备对应还原回转窑的物料的反射功率P'。计算微波激励磁场的强度H。

其中：μ_a为波导中的绝对磁导率；a、b、c分别为微波发生装置的长度、宽度、厚度。

A2、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Ms；

其中：

U为输出电压；d为霍尔元件的厚度；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。

A3、根据矿物的居里温度T_c，判断还原回转窑内的环境温度范围，并基于矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T_j。其中：Tc _Fe2O3为1013K；Tc _Fe3O4为858K；Tc _FeO为198K；Tc _Fe为1043K。

在本发明中，通过微波激励磁场测温过程中，检测还原回转窑内的环境温度T_环，比较Fe₃O₄的居里温度Tc _Fe3O4与环境温度T_环的大小，分为两种情况，即T_环≤Tc _Fe3O4和T_环＞Tc_Fe3O4。

优选的是，T_环≤Tc _Fe3O4时，饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(7)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；s_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数，0＜s_i＜5/2；p_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数；p ₁＝p _Fe2O3为2.5；p ₂＝p _Fe3O4为2.5；p ₃＝p _FeO为2.5；p ₄＝p _Fe为4；Tj为第j段窑身位置的物料温度；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；在还原回转窑内，待还原物料中包括4种铁磁性物质，分别为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe，即n＝4，i为1、2、3或4。

优选的是，T_环＞Tc _Fe3O4时，饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(8)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；Ci为第i种铁磁性物质的居里常数，C _Fe2O3为1.76×10^-18；C _Fe3O4为1.82×10^-18；C_FeO为1.08×10^-19；C _Fe为5.34×10^-19；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度，K；n为物料中铁磁性物质的种类数量，取值为4；i为1、2、3或4。

在本发明中，所述还原回转窑还包括总风管；风机与总风管连接，每一处二次风喷口通过一根独立的风管支管与总风管连接。二次风喷口位置或者风管支管上设有风量调节阀。

优选的是，步骤3)具体为：根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节第j段窑身位置上二次风喷口处的风量调节阀，或者调节与第j段窑身位置二次风喷口连接的风管支管上的风量调节阀。从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内。

优选的是，步骤3)具体为：

301)根据待还原物料的目标还原温度T₀，铁磁性测温装置计算的物料温度T_j与待还原物料的目标还原温度T₀进行比较；

302)根据比较的物料温度T_j与目标还原温度T₀的差值△E，调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；

303)第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行t秒后，铁磁性测温装置再次计算第j段窑身位置的物料温度T_j。

优选的是，△E＝T_j-T₀。其中：根据△E值调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv。具体调整规则为：

a.△E≥100℃，F_sv＝75％F～85％F；

b.50℃≤ΔE<100℃，，F_sv＝80％F～90％F；

c.30℃≤ΔE<50℃，F_sv＝85％F～95％F；

d.10℃≤ΔE<30℃，F_sv＝90％F～99％F；

e.-10℃<ΔE<10℃，F_sv＝F；

f.-30℃<ΔE≤-10℃，F_sv＝101％F～110％F；

g.-50℃<ΔE≤-30℃，F_sv＝105％F～115％F；

h.-100℃<ΔE≤-50℃，F_sv＝110％F～120％F；

i.△E≤-100℃，F_sv＝115％F～125％F；

其中：F为第j段窑身位置上的当前二次风进风量。

优选的是，步骤303)中铁磁性测温装置再次检测第j段窑身位置的物料温度T_j：

若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；

若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％)T₀的范围内，返回再次执行步骤302)和步骤303)：经x次温度调整后，若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％)T₀的范围内，停机检修。

在本发明中，t为1-60s，优选为2-50s，更优选为3-40s。

在本发明中，x取值为5-15，优选为8-12，更优选为9-10。

在本发明中，还原回转窑的窑身分为n段，

其中：L为还原回转窑的长度，a为每一段窑身的长度，n取整数值。

在本发明中，a为0.5-10m，优选为0.8-8m，更优选为1-5m。

在本发明中，L为20-300m，优选为30-180m，更优选为40-160m，进一步优选50-140m，再优选为60-120m。

在本发明中，所述还原性燃料为煤粉或煤块。

作为优选，在还原回转窑的窑头位置加入煤粉，在还原回转窑的窑尾位置加入煤块。

在本发明中，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T_c时，在铁磁性物质被饱和磁化后，自发饱和磁化强度Ms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T_c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。

在本发明中，通过外加激励磁场计算还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度具体步骤如下：

①确定激励磁场的强度H：首先计算物料所需最大饱和磁化强度M_0-MAX，其中产生激励磁场强度满足H＞M_0-MAX，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：

M₀＝N·μ_j……(10)

M_0-MAX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，M_0-MAX可根据定义计算得到：

其中：λi为物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量。i分别对应Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe四种成分。μ_j为单个原子或分子得磁矩。

表1

组分	Fe	FeO	<![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]>	<![CDATA[Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>]]>
					原子/分子磁矩	<![CDATA[2.22μ<sub>B</sub>]]>	0	<![CDATA[4.03μ<sub>B</sub>]]>	<![CDATA[4.10μ<sub>B</sub>]]>

注：FeO呈反铁磁性，宏观磁矩为0。μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米。

由式(11)可知，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＞M_0-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U_H，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I_s，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：

βU_H＝U……(13)

B＝μ₀(H+M_s)……(14)

其中：k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定。μ₀为真空磁导率，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。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(12)至(14)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T_c，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，T_c为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)；γ为分子场系数，代表铁磁物质的特征；k_B是玻尔兹曼常数，为1.381×10^-23焦耳/度；J为原子总角量子数；g为朗德因子，其值在1-2之间。

表2

名称	Fe	FeO	<![CDATA[Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>]]>	<![CDATA[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T_c，FeO呈反铁磁性，其转变温度称奈尔温度T_n。

μ_B-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)。μ_j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：

当环境温度T_环≤Tc _Fe3O4时，铁磁性物质在激励磁场中达到饱和磁化强度状态后，其物料实际温度T与饱和磁化强度Ms的关系式满足式(17)：

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、T_c均为定值，联立式(15)、(18)和(19)得到物料的温度与输出电压信号的关系式(1)：

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＜T_c(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。

当环境温度T_环＞Tc _Fe3O4时，铁磁性物质转变为顺磁性物质，其物料实际温度T与饱和磁化强度Ms服从居里-外斯定律，如式(20)。

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＞T_c(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、T_c均为定值，联立式(9)、(15)、(19)和(22)得到物料的温度与输出电压信号的关系式(2)：

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1033-1163K、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1173-1318K，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1033-1163K，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	<![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]>	<![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>]]>	<![CDATA[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，当环境温度Tc_Fe3O4＜T_环＜Tc_Fe2O3时，物料温度与饱和磁化强度关系按式(3)计算。

当环境温度T_环∈[Tc_Fe2O3，Tc_Fe]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＞T_cmax(Fe₂O₃、Fe₃O₄)，T_cmax(Fe₂O₃、Fe₃O₄)＝1013K，此刻物料呈顺磁性，温度与饱和磁化强度关系按式(4)计算：

当环境温度T_环∈[Tc_Fe2O3，Tc_Fe]，还原度为1/6-1/3时，主要以Fe₃O₄、FeO形式存在，此时T＞T_cmax(Fe₃O₄、FeO)，T_cmax(Fe₃O₄、FeO)＝858K，此刻物料呈顺磁性，温度与磁化强度关系按式(5)计算：

当环境温度T_环＞Tc _Fe，主要形式为FeO和Fe，T≥T_c max(Fe、FeO)，T_c 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(6)计算：

在本发明中，所述通过微波激励磁场计算还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度具体步骤如下：

①确定微波源输出功率P和微波激励磁场强度H：

计算T＝0k时矿物的饱和磁化强度M_0k，其中微波磁场强度满足H＞M_0k，从而确定微波源输出功率P；

微波场中磁场储能E为：

式中，P'为反射功率，与炉体结构及内部矿物有关，其数值可采用微波信号接收装置测量得到；a、b、c为炉体的长、宽、厚度；μ_a为波导中的绝对磁导率；

式中，M_0k为T＝0K时饱和磁化强度，即单位体积内所含N个原子的磁矩都整齐地排列在相同方向时的磁化强度；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间；μ_B-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)；

联立式(23)至(25)，得当微波源输出功率P应满足：

②确定饱和磁化强度Ms：

矿物经过微波激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测其磁场强度，产生的霍尔电压经仪器放大器信号放大后，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；

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：

βU_H＝U……(28)

B＝μ₀(H+M_s)……(29)

其中，U_H为霍尔电压；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；B为磁场强度；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；Ms为矿物饱和磁化强度；

其中，霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为x、y、d，通入电流为Is，霍尔元件的x、y面与微波产生的均匀激励磁场垂直；

其中，H为微波磁场强度，在功率不变情况下为定值，联立式(27)至(29)得到矿物的饱和磁化强度Ms的表达式：

③根据矿物的饱和磁化强度与温度的关系，计算出矿物的实际温度：

当矿物的实际温度超过居里温度时，它将从铁磁体转化为顺磁体：

式中，T_c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；

确定温度T与饱和磁化强度Ms的关系式如下：

当环境温度T_环≤Tc_Fe3O4时，物料实际温度T与饱和磁化强度Ms的关系式满足式(32)：

式中，s、p为物质形状及性质参数系数，材料确定后，该值为常数；通常情况下，p为2.5，但p(Fe)＝4；

D为自旋波刚度，抛物型马氏色散关系中的系数；

联立式(25)、(30)、(32)、(33)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(7)

对于T_环＞Tc _Fe3O4，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T的关系具体为：

进一步地，所述式(8)通过下述方法获得：

矿物转变为顺磁性物质，其温度T与饱和磁化强度Ms服从居里-外斯定律，如式(34)：

χ_顺为顺磁性物质的磁导率，C为居里常数；

联立式(24)、(30)、(34)，得到矿物的实际温度与输出电压信号的关系式(8)。

在本发明中，还原回转窑的窑身温度范围通过经验判断或由铁磁性测温装置测量得到。

在本发明中，采用上述铁磁性测温装置来检测还原回转窑的每一段窑身位置的物料温度，并能准确的记录对应第j段窑身位置的物料温度T_j。基于磁学特性的温度测量，磁学测量技术能够实现非接触地测量外部磁场的存在、强度和方向，基于铁磁性物质具有温度敏感特性，从而反推出铁磁性物料所处环境的温度，进而实现物料温度的在线监测。磁学测量技术具有非接触、响应时间快等优点，能够实现温度和距离的在线监测，解决了还原回转窑内不能实时在线测温的难题，通过在还原回转窑窑身上增设铁磁性测温装置，实时在线监测沿窑长方向线上的温度分布。

在本发明中，还原窑温度控制具体方法：从窑头开始沿窑长方向分成a₁、a₂、a₃……a_m等份，每一等份对应二次风喷口，通过铁磁性测温装置实时在线检测每一等份对应位置的温度点T₁、T₂、T₃……T_j，由于在窑头中央烧嘴喷入粉煤，以及在窑尾加入块煤，使得整个物料是还原物料和煤炭的混合物，在高温作用下，煤炭中的挥发份首先逸散出来，同时料层中的铁氧化物发生还原反应，以及在布多尔反应的协同作用下，窑腔中富集挥发份和CO等再燃气体，根据还原工艺要求，如焙烧温度1050℃，焙烧时间2h，此时希望沿延长方向温度都在1050℃左右，这样可以大大提高生产效率。本发明根据铁磁性测温装置实时在线测温后，分析出各个区域的温度分布情况，当窑中温度高时，分析控制系统及时分析，并做出调整，可以通过减少或者增加窑身二次风量，系统保存相关信息，并且为下次调控提供依据，如此反复，根据经验数据，逐步找到最佳的调控方式，以实现对温度的精确控制。

在本发明中，通过铁磁性测温装置可以确定回转窑各二次风喷口的温度目标值，根据温度实际检测值与温度目标值的差值，以及各二次风喷口距离窑头的位置，按照以下控制手段来调节温度：先调整二次风喷口风量，当二次风喷口风量调整到某一个值，实际温度达到目标温度的误差允许范围内，则调整完成，否则继续按照调整规则调整二次风量，直到实际温度还未达到目标温度的误差允许范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、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；

2、本发明所提供的方法精度更高，且寿命较长无需频繁更换，满足了物料在还原过程中测温需求；

3、本发明根据检测还原回转窑的各个窑身区段内的物料温度，通过调节相应窑身区段位置上二次风喷口的二次风风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在设定范围内，使得高温段大大延长(温度低加风，温度高减风)，产量成倍提高，规模成倍增加。

附图说明

图1为本发明一种在线测量及调整风量控制还原回转窑温度的方法中工艺流程图；

图2为本发明一种在线测量及调整风量控制还原回转窑温度的方法中控制调整流程图；

图3为本发明一种在线测量及调整风量控制还原回转窑温度的方法中控制过程示意图；

图4为本发明中采用外加激励磁场测量还原回转窑窑身温度的工艺流程图；

图5为本发明中采用微波激励磁场测量还原回转窑窑身温度的工艺流程图；

图6为本发明中还原回转窑的结构示意图。

附图标记：

1：还原回转窑；101：窑头；102：窑尾；103：烧嘴；2：铁磁性测温装置；3：二次风喷口；4：风机；5：风量调节阀；L1：总风管；L2：风管支管。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。

实施例1

一种在线测量及调整风量控制还原回转窑温度的方法，还原回转窑1的窑身分为30段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置2和二次风喷口3,并且每一处二次风喷口3与风机4连接；该方法包括以下步骤：

1)将待还原物料装入还原回转窑1内，在还原回转窑1的窑头101和窑尾102位置加入还原性燃料，窑头101位置设有烧嘴103，待还原物料在还原回转窑1内经过还原性燃料的燃烧和还原，获得还原物料；

2)通过铁磁性测温装置2计算还原回转窑1的每一段窑身位置的物料温度，并记录对应第j段窑身位置的物料温度T_j，其中j＝1,2,……,30；

3)根据待还原物料的目标还原温度T₀＝1050℃，调节与第j段窑身位置上二次风喷口3连接的风机4，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内；

其特征在于：步骤2)所述铁磁性测温装置2计算还原回转窑1的每一段窑身位置的物料温度为：在每一段的还原回转窑1内均设有激励磁场装置，通过激励磁场使物料达到饱和磁化状态，计算饱和磁化强度，再利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑1的每一段窑身位置的物料温度T_j；

其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于物料的居里温度T_c及其实际温度T_j的大小而确定的。

实施例2

重复实施例1，只是所述激励磁场为外加激励磁场。通过外加激励磁场计算还原回转窑1的每一段窑身位置的物料温度包括如下步骤：

S1：计算物料所需最大化饱和磁化强度M_0-MAX，外加激励磁场的强度H满足H＞M_0-MAX；M_0-MAX为物料中所有铁磁性物质的单组分饱和磁化强度之和；

其中：

λi为物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；

μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；n₀为亥姆霍兹线圈匝数；I为激励电流；R为线圈半径；激励磁场发生装置确定的情况下，调节激励电流I的大小，使得H＞M_0-MAX；

S2、施加强度为H的激励磁场，物料经过外加激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到物料的实际饱和磁化强度Ms；

其中：

U为输出电压；d为霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；I_s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；

S3、根据还原回转窑内物料的居里温度T_c，然后根据物料的实际饱和磁化强度Ms与温度的关系，计算出第j段窑身位置的物料实际温度T_j；其中：Tc _Fe2O3为1013K；Tc _Fe3O4为858K；Tc _FeO为198K；Tc _Fe为1043K。

实施例3

重复实施例2，只是通过外加激励磁场测温过程中，检测还原回转窑1内的环境温度T_环，比较Fe₃O₄的居里温度Tc _Fe3O4与环境温度T_环的大小，分为两种情况，即T_环≤Tc _Fe3O4和T_环＞Tc _Fe3O4；

当T_环＞Tc _Fe3O4时，进一步划分如下：

Tc _Fe3O4＜T_环<Tc _Fe2O3；

T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、物料还原度在0-1/6范围内；

T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、物料还原度在1/6-1/3范围内；

T_环＞Tc _Fe。

实施例4

重复实施例3，只是

当环境温度T_环≤Tc _Fe3O4时，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(1)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；s_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数，0＜s_i＜5/2；p_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数；p ₁＝p _Fe2O3为2.5；p ₂＝p _Fe3O4为2.5；p ₃＝p _FeO为2.5；p ₄＝p _Fe为4；Tj为第j段窑身位置的物料温度；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；在还原回转窑内，待还原物料中包括4种铁磁性物质，分别为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe，即n＝4，i为1、2、3或4。

环境温度T_环＞Tc _Fe3O4时，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(2)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；Ci为第i种铁磁性物质的居里常数；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；n为物料中铁磁性物质的种类数量，取值为4；i为1、2、3或4。

实施例5

重复实施例4，只是环境温度T_环＞Tc _Fe3O4，且T_环＜Tc _Fe2O3时，还原回转窑内的物料主要以Fe₂O₃形式存在；饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系具体为：

式(3)中：λ_Fe2O3为该段物料中单位体积内所有原子/分子中Fe₂O₃个数的占比；M_0-Fe2O3为Fe₂O₃的饱和磁化强度；0＜s _Fe2O3＜5/2；

T_环>Tc _Fe3O4，且T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、铁氧化物开始发生还原反应，物料还原度在0-1/6范围时，还原回转窑内的物料主要以Fe₂O₃、Fe₃O₄形式存在；饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(4)中：λ_Fe2O3为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在0-1/6范围内Fe₂O₃个数的占比；λ_Fe3O4为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在0-1/6范围内Fe₃O₄个数的占比；C _Fe2O3为Fe₂O₃的居里常数，为1.76×10^-18；C _Fe3O4为Fe₃O₄的居里常数，为1.82×10^-18；

T_环＞Tc _Fe3O4，且T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]、物料还原度在1/6-1/3范围时，还原回转窑内的物料主要以Fe₃O₄、FeO形式存在，饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(5)中：λ_Fe3O4为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在1/6-1/3范围内Fe₃O₄个数的占比；λ_FeO为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在1/6-1/3范围内FeO个数的占比；C _Fe3O4为Fe₃O₄的居里常数，为1.82×10^-18；C_FeO为FeO的居里常数；为1.08×10^-19；

T_环＞Tc _Fe，物料主要以FeO和Fe形式存在；饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(6)中：λ_Fe为该段物料内单位体积内所有原子/分子中Fe个数的占比；λ_FeO为该段物料中单位体积内所有原子/分子中FeO个数的占比；C_Fe为Fe的居里常数，为5.34×10^-19；C_FeO为FeO的居里常数，为1.08×10^-19。

实施例6

重复实施例1，只是所述激励磁场为微波激励磁场；利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑1的每一段窑身位置的物料温度包括如下步骤：

A1、设定微波源输出功率为P，矿物置入微波加热区，检测微波设备对应还原回转窑的物料的反射功率P'；计算微波激励磁场的强度H，

其中：μ_a为波导中的绝对磁导率；a、b、c分别为微波发生装置的长度、宽度、厚度；

A2、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Ms；

其中：

U为输出电压；d为霍尔元件的厚度；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；

A3、根据矿物的居里温度T_c，判断还原回转窑内的环境温度范围，并基于矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T_j；其中：Tc _Fe2O3为1013K；Tc _Fe3O4为858K；Tc _FeO为198K；Tc _Fe为1043K。

实施例7

重复实施例6，只是

T_环≤Tc _Fe3O4时，饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(7)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；s_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数，0＜s_i＜5/2；p_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数；p ₁＝p _Fe2O3为2.5；p ₂＝p _Fe3O4为2.5；p ₃＝p _FeO为2.5；p ₄＝p _Fe为4；Tj为第j段窑身位置的物料温度；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；在还原回转窑内，待还原物料中包括4种铁磁性物质，分别为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe，即n＝4，i为1、2、3或4。

T_环＞Tc _Fe3O4时，饱和磁化强度Ms与实际温度T_j的关系为：

式(8)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；Ci为第i种铁磁性物质的居里常数，C _Fe2O3为1.76×10^-18；C _Fe3O4为1.82×10^-18；C_FeO为1.08×10^-19；C _Fe为5.34×10^-19；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度，K；n为物料中铁磁性物质的种类数量，取值为4；i为1、2、3或4。

实施例8

重复实施例5，只是所述还原回转窑1还包括总风管L1；风机4与总风管L1连接，每一处二次风喷口3通过一根独立的风管支管L2与总风管L1连接；二次风喷口3位置或者风管支管L2上设有风量调节阀5；

步骤3)具体为：根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节第j段窑身位置上二次风喷口3处的风量调节阀5，或者调节与第j段窑身位置二次风喷口3连接的风管支管L2上的风量调节阀5，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内。

实施例9

重复实施例8，只是步骤3)具体为：

301)根据待还原物料的目标还原温度T₀，铁磁性测温装置2计算的物料温度T_j与待还原物料的目标还原温度T₀进行比较；

302)根据比较的物料温度T_j与目标还原温度T₀的差值△E，调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；

303)第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行30秒后，铁磁性测温装置2再次计算第j段窑身位置的物料温度T_j。

ΔE＝T_j-T₀；其中：根据△E值调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；具体调整规则为：

a.△E≥100℃，F_sv＝80％F；

b.50℃≤ΔE<100℃，，F_sv＝85％F；

c.30℃≤ΔE<50℃，F_sv＝90％F；

d.10℃≤ΔE<30℃，F_sv＝95％F；

e.-10℃<ΔE<10℃，F_sv＝F；

f.-30℃<ΔE≤-10℃，F_sv＝105％F；

g.-50℃<ΔE≤-30℃，F_sv＝110％F；

h.-100℃<ΔE≤-50℃，F_sv＝115％F；

i.△E≤-100℃，F_sv＝120％F；

其中：F为第j段窑身位置上的当前二次风进风量。

实施例10

重复实施例9，只是步骤303)中铁磁性测温装置2再次检测第j段窑身位置的物料温度T_j：

若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；

若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％)T₀的范围内，返回再次执行步骤302)和步骤303)：经10次温度调整后，若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％)T₀的范围内，停机检修。

实施例11

重复实施例7，只是所述还原回转窑1还包括总风管L1；风机4与总风管L1连接，每一处二次风喷口3通过一根独立的风管支管L2与总风管L1连接；二次风喷口3位置或者风管支管L2上设有风量调节阀5；

步骤3)具体为：根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节第j段窑身位置上二次风喷口3处的风量调节阀5，或者调节与第j段窑身位置二次风喷口3连接的风管支管L2上的风量调节阀5，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内。

实施例12

重复实施例11，只是步骤3)具体为：

301)根据待还原物料的目标还原温度T₀，铁磁性测温装置2计算的物料温度T_j与待还原物料的目标还原温度T₀进行比较；

302)根据比较的物料温度T_j与目标还原温度T₀的差值△E，调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；

303)第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行30秒后，铁磁性测温装置2再次计算第j段窑身位置的物料温度T_j。

ΔE＝T_j-T₀；其中：根据△E值调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；具体调整规则为：

a.△E≥100℃，F_sv＝80％F；

b.50℃≤ΔE<100℃，，F_sv＝85％F；

c.30℃≤ΔE<50℃，F_sv＝90％F；

d.10℃≤ΔE<30℃，F_sv＝95％F；

e.-10℃<ΔE<10℃，F_sv＝F；

f.-30℃<ΔE≤-10℃，F_sv＝105％F；

g.-50℃<ΔE≤-30℃，F_sv＝110％F；

h.-100℃<ΔE≤-50℃，F_sv＝115％F；

i.△E≤-100℃，F_sv＝120％F；

其中：F为第j段窑身位置上的当前二次风进风量。

实施例13

重复实施例12，只是步骤303)中铁磁性测温装置2再次检测第j段窑身位置的物料温度T_j：

若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；

若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％)T₀的范围内，返回再次执行步骤302)和步骤303)：经10次温度调整后，若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％)T₀的范围内，停机检修。

实施例14

采用实施例10所述的一种在线测量及调整风量控制还原回转窑温度的方法，还原回转窑1长度为90m，将还原回转窑1的窑身分为30段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置2和二次风喷口3,并且每一处二次风喷口3与风机4连接；该方法步骤如下：

1)将待还原物料装入还原回转窑1内，在还原回转窑1的窑头101和窑尾102位置加入还原性燃料，窑头101位置设有烧嘴103，待还原物料在还原回转窑1内燃烧和还原；

201)计算物料所需最大化饱和磁化强度M_0-MAX，施加激励磁场，并计算实际饱和磁化强度Ms；

202)根据还原回转窑内物料的居里温度T_c，然后根据物料的实际饱和磁化强度Ms与温度的关系，计算出第j段窑身位置的物料实际温度T_j：

对于T_环≤Tc _Fe3O4，采用公式(1)计算得到物料的实际温度；

对于回转窑内部高温区域，T_环＞Tc _Fe3O4，具体操作如下：

当温度Tc _Fe3O4＜T_环<Tc _Fe2O3时，采用公式(3)计算得到物料的实际温度；

当T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]且还原度在0-1/6时，采用公式(4)计算得到物料的实际温度；

当T_环∈[Tc _Fe2O3，Tc _Fe]时且还原度在1/6-1/3时，采用公式(5)计算得到物料的实际温度；

T_环＞Tc _Fe时，采用公式(6)计算得到物料的实际温度。

经测试，采用本案所述方法测得还原回转窑1第15段窑身对应物料温度为1218K，即944.85℃。

301)待还原物料的目标还原温度设定为1050℃。

302)根据比较的物料温度T₁₅与目标还原温度T0的差值△E，调整第15段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；△E＝-105.15℃；

调整第15段窑身位置上的二次风进风量F_sv＝120％F。

303)第15段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行30秒后，铁磁性测温装置2再次计算第15段窑身位置的物料温度T₁₅＝1303K，即1029.85℃；

再次调整第15段窑身位置上的二次风进风量F_sv＝105％F。

第二次调整二次风进风量经过30秒后，铁磁性测温装置2再次计算第15段窑身位置的物料温度T₁₅＝1325K，即1051.85℃。

第15段窑身位置的物料温度T₁₅在(1±10％)T₀的范围内，保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成。

实施例15

采用实施例13所述的一种在线测量及调整风量控制回转窑温度的方法，还原回转窑1长度为90m，将还原回转窑1的窑身分为30段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置2和二次风喷口3,并且每一处二次风喷口3与风机4连接；该方法步骤如下：

1)将待还原物料装入还原回转窑1内，在还原回转窑1的窑头101和窑尾102位置加入还原性燃料，窑头101位置设有烧嘴103，待还原物料在还原回转窑1内燃烧和还原；

201)设定微波源输出功率为P，检测微波设备对应还原回转窑的物料的反射功率P'；计算微波激励磁场的强度H；

202)计算得到饱和磁化强度Ms；

203)根据矿物的居里温度T_c，判断还原回转窑内的环境温度范围，并基于矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T_j；

204)计算还原回转窑1内每一段窑身位置的物料温度；

对于T_环≤Tc _Fe3O4时，则采用公式(7)实时计算物料温度T_j；

对于T_环＞Tc _Fe3O4时，则采用公式(8)实时计算矿物温度T_j。

经测试，采用本案所述方法测得还原回转窑1第10段窑身对应物料温度为1253K，即979.85℃。

301)待还原物料的目标还原温度设定为1050℃。

302)根据比较的物料温度T₁₀与目标还原温度T₀的差值△E，调整第10段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；△E＝-70.15℃；

调整第10段窑身位置上的二次风进风量F_sv＝115％F。

303)第10段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行30秒后，铁磁性测温装置2再次计算第10段窑身位置的物料温度T₁₀＝1330K，即1056.85℃；

第10段窑身位置的物料温度T₁₀在(1±10％)T₀的范围内，保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成。

Claims (23)

1.一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法，还原回转窑(1)的窑身分为m段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置(2)和二次风喷口(3)，并且每一处二次风喷口(3)与风机(4)连接；该方法包括以下步骤：

1)将待还原物料装入还原回转窑(1)内，在还原回转窑(1)的窑头(101)和窑尾(102)位置加入还原性燃料，窑头(101)位置设有烧嘴(103)，待还原物料在还原回转窑(1)内经过还原性燃料的燃烧和还原，获得还原物料；

2)通过铁磁性测温装置(2)测量并计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度，并记录对应第j段窑身位置的物料温度T_j，其中j＝1,2,……,m；

3)根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节与第j段窑身位置上二次风喷口(3)连接的风机(4)，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内；

其中：步骤2)中所述铁磁性测温装置(2)测量并计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度具体为：在每一段的还原回转窑(1)内均设有激励磁场装置，通过激励磁场使物料达到饱和磁化状态，计算饱和磁化强度，再利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度T_j；所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于物料的居里温度T_c及其物料实际温度T_j的大小而确定的；

所述激励磁场为外加激励磁场；利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度包括如下步骤：

S1：计算物料所需最大化饱和磁化强度M_0-MAX，外加激励磁场的强度H满足H＞M_0-MAX；M_0-MAX为物料中所有铁磁性物质的单组分饱和磁化强度之和；

其中：λi为物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；

μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；H为激励磁场强度；n₀为亥姆霍兹线圈匝数；I为激励电流；R为线圈半径；激励磁场发生装置确定的情况下，调节激励电流I的大小，使得H＞M_0-MAX；

S2、施加强度为H的激励磁场，物料经过外加激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到物料的实际饱和磁化强度Ms；

其中：U为输出电压；d为霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；I_s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；

S3、根据还原回转窑内物料的居里温度T_c，然后根据物料的实际饱和磁化强度Ms与温度的关系，计算出第j段窑身位置的物料实际温度T_j；其中：Tc_Fe2O3为1013K；Tc_Fe3O4为858K；Tc_FeO为198K；Tc_Fe为1043K。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过外加激励磁场测温过程中，检测还原回转窑(1)内的环境温度T_环，比较Fe₃O₄的居里温度Tc_Fe3O4与环境温度T_环的大小，分为两种情况，即T_环≤Tc_Fe3O4和T_环＞Tc_Fe3O4；

当T_环＞Tc_Fe3O4时，进一步划分如下：

Tc_Fe3O4＜T_环<Tc_Fe2O3；

T_环∈[Tc_Fe2O3，Tc_Fe]、物料还原度在0-1/6范围内；

T_环∈[Tc_Fe2O3，Tc_Fe]、物料还原度在1/6-1/3范围内；

T_环＞Tc_Fe。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:当环境温度T_环≤Tc_Fe3O4时，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(1)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；s_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数，0＜s_i＜5/2；p_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数；p₁＝p_Fe2O3为2.5；p₂＝p_Fe3O4为2.5；p₃＝p_FeO为2.5；p₄＝p_Fe为4；Tj为第j段窑身位置的物料温度；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；在还原回转窑内，待还原物料中包括4种铁磁性物质，分别为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe，即n＝4，i为1、2、3或4。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：环境温度T_环＞Tc_Fe3O4时，所述饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(2)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；Ci为第i种铁磁性物质的居里常数；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；n为物料中铁磁性物质的种类数量，取值为4；i为1、2、3或4。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：环境温度T_环＞Tc_Fe3O4，且T_环＜Tc_Fe2O3时，还原回转窑内的物料主要以Fe₂O₃形式存在；饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系具体为：

式(3)中：λ_Fe2O3为该段物料中单位体积内所有原子/分子中Fe₂O₃个数的占比；M_0-Fe2O3为Fe₂O₃的饱和磁化强度；0＜s_Fe2O3＜5/2；

T_环>Tc_Fe3O4，且T_环∈[Tc_Fe2O3，Tc_Fe]、铁氧化物开始发生还原反应，物料还原度在0-1/6范围时，还原回转窑内的物料主要以Fe₂O₃、Fe₃O₄形式存在；饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(4)中：λ_Fe2O3为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在0-1/6范围内Fe₂O₃个数的占比；λ_Fe3O4为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在0-1/6范围内Fe₃O₄个数的占比；C_Fe2O3为Fe₂O₃的居里常数，为1.76×10^-18；C_Fe3O4为Fe₃O₄的居里常数，为1.82×10^-18；

T_环＞Tc_Fe3O4，且T_环∈[Tc_Fe2O3，Tc_Fe]、物料还原度在1/6-1/3范围时，还原回转窑内的物料主要以Fe₃O₄、FeO形式存在，饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(5)中：λ_Fe3O4为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在1/6-1/3范围内Fe₃O₄个数的占比；λ_FeO为该段物料中单位体积内所有原子/分子中，且还原度在1/6-1/3范围内FeO个数的占比；C_Fe3O4为Fe₃O₄的居里常数，为1.82×10^-18；C_FeO为FeO的居里常数；为1.08×10^-19；

T_环＞Tc_Fe，物料主要以FeO和Fe形式存在；饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(6)中：λ_Fe为该段物料内单位体积内所有原子/分子中Fe个数的占比；λ_FeO为该段物料中单位体积内所有原子/分子中FeO个数的占比；C_Fe为Fe的居里常数，为5.34×10^-19；C_FeO为FeO的居里常数，为1.08×10^-19。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述还原回转窑(1)还包括总风管(L1)；风机(4)与总风管(L1)连接，每一处二次风喷口(3)通过一根独立的风管支管(L2)与总风管(L1)连接；二次风喷口(3)位置或者风管支管(L2)上设有风量调节阀(5)；

步骤3)具体为：根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节第j段窑身位置上二次风喷口(3)处的风量调节阀(5)，或者调节与第j段窑身位置二次风喷口(3)连接的风管支管(L2)上的风量调节阀(5)，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤3)具体为：

301)根据待还原物料的目标还原温度T₀，铁磁性测温装置(2)计算的物料温度T_j与待还原物料的目标还原温度T₀进行比较；

302)根据比较的物料温度T_j与目标还原温度T₀的差值△E，调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；

303)第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行t秒后，铁磁性测温装置(2)再次计算第j段窑身位置的物料温度T_j。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：△E＝T_j-T₀；其中：根据△E值调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；具体调整规则为：

a.△E≥100℃，F_sv＝75％F～85％F；

b.50℃≤ΔE<100℃，F_sv＝80％F～90％F；

c.30℃≤ΔE<50℃，F_sv＝85％F～95％F；

d.10℃≤ΔE<30℃，F_sv＝90％F～99％F；

e.-10℃<ΔE<10℃，F_sv＝F；

f.-30℃<ΔE≤-10℃，F_sv＝101％F～110％F；

g.-50℃<ΔE≤-30℃，F_sv＝105％F～115％F；

h.-100℃<ΔE≤-50℃，F_sv＝110％F～120％F；

i.△E≤-100℃，F_sv＝115％F～125％F；

其中：F为第j段窑身位置上的当前二次风进风量。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：步骤303)中铁磁性测温装置(2)再次检测第j段窑身位置的物料温度T_j：

若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；

若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％％)T₀的范围内，返回再次执行步骤302)和步骤303)：经x次温度调整后，若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％％)T₀的范围内，停机检修。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：t为1-60s；x为1-10。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：t为2-50s；x为2-8。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：t为3-40s；x为3-5。

13.一种精准测量及调整风量控制回转窑内物料温度的方法，还原回转窑(1)的窑身分为m段，每一段窑身上设有铁磁性测温装置(2)和二次风喷口(3)，并且每一处二次风喷口(3)与风机(4)连接；该方法包括以下步骤：

1)将待还原物料装入还原回转窑(1)内，在还原回转窑(1)的窑头(101)和窑尾(102)位置加入还原性燃料，窑头(101)位置设有烧嘴(103)，待还原物料在还原回转窑(1)内经过还原性燃料的燃烧和还原，获得还原物料；

2)通过铁磁性测温装置(2)测量并计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度，并记录对应第j段窑身位置的物料温度T_j，其中j＝1,2,……,m；

3)根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节与第j段窑身位置上二次风喷口(3)连接的风机(4)，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内；

其中：步骤2)中所述铁磁性测温装置(2)测量并计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度具体为：在每一段的还原回转窑(1)内均设有激励磁场装置，通过激励磁场使物料达到饱和磁化状态，计算饱和磁化强度，再利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度T_j；所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于物料的居里温度T_c及其物料实际温度T_j的大小而确定的；

所述激励磁场为微波激励磁场；利用物料的饱和磁化强度与温度的关系计算还原回转窑(1)的每一段窑身位置的物料温度包括如下步骤：

A1、设定微波源输出功率为P，矿物置入微波加热区，检测微波设备对应还原回转窑的物料的反射功率P'；计算微波激励磁场的强度H，

其中：μ_a为波导中的绝对磁导率；a、b、c分别为微波发生装置的长度、宽度、厚度；

A2、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Ms；

其中：U为输出电压；d为霍尔元件的厚度；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；

A3、根据矿物的居里温度T_c，判断还原回转窑内的环境温度范围，并基于矿物的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算矿物的实际温度T_j；其中：Tc_Fe2O3为1013K；Tc_Fe3O4为858K；Tc_FeO为198K；Tc_Fe为1043K。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：通过微波激励磁场测温过程中，检测还原回转窑(1)内的环境温度T_环，比较Fe₃O₄的居里温度Tc_Fe3O4与环境温度T_环的大小，分为两种情况，即T_环≤Tc_Fe3O4和T_环＞Tc_Fe3O4。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：T_环≤Tc_Fe3O4时，饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(7)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；M_0i为第i种铁磁性物质组分的饱和磁化强度；n为物料中铁磁性物质的种类数量；s_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数，0＜s_i＜5/2；p_i为第i种铁磁性物质的物质形状及性质参数系数；p₁＝p_Fe2O3为2.5；p₂＝p_Fe3O4为2.5；p₃＝p_FeO为2.5；p₄＝p_Fe为4；Tj为第j段窑身位置的物料温度；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度；在还原回转窑内，待还原物料中包括4种铁磁性物质，分别为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe，即n＝4，i为1、2、3或4。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：T_环＞Tc_Fe3O4时，饱和磁化强度Ms与物料实际温度T_j的关系为：

式(8)中：λi为该段物料中单位体积内所有原子/分子中第i种铁磁性原子/分子个数的占比；Ci为第i种铁磁性物质的居里常数，C_Fe2O3为1.76×10^-18；C_Fe3O4为1.82×10^-18；C_FeO为1.08×10^-19；C_Fe为5.34×10^-19；Tc_i为第i种铁磁性物质的居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度，K；n为物料中铁磁性物质的种类数量，取值为4；i为1、2、3或4。

17.根据权利要求13-16中任一项所述的方法，其特征在于：所述还原回转窑(1)还包括总风管(L1)；风机(4)与总风管(L1)连接，每一处二次风喷口(3)通过一根独立的风管支管(L2)与总风管(L1)连接；二次风喷口(3)位置或者风管支管(L2)上设有风量调节阀(5)；

步骤3)具体为：根据待还原物料的目标还原温度T₀，调节第j段窑身位置上二次风喷口(3)处的风量调节阀(5)，或者调节与第j段窑身位置二次风喷口(3)连接的风管支管(L2)上的风量调节阀(5)，从而调整第j段窑身位置上的二次风进风量，使得第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％)T₀的范围内。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：步骤3)具体为：

301)根据待还原物料的目标还原温度T₀，铁磁性测温装置(2)计算的物料温度T_j与待还原物料的目标还原温度T₀进行比较；

302)根据比较的物料温度T_j与目标还原温度T₀的差值△E，调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；

303)第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv进行t秒后，铁磁性测温装置(2)再次计算第j段窑身位置的物料温度T_j。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：△E＝T_j-T₀；其中：根据△E值调整第j段窑身位置上的二次风进风量为F_sv；具体调整规则为：

a.△E≥100℃，F_sv＝75％F～85％F；

b.50℃≤ΔE<100℃，F_sv＝80％F～90％F；

c.30℃≤ΔE<50℃，F_sv＝85％F～95％F；

d.10℃≤ΔE<30℃，F_sv＝90％F～99％F；

e.-10℃<ΔE<10℃，F_sv＝F；

f.-30℃<ΔE≤-10℃，F_sv＝101％F～110％F；

g.-50℃<ΔE≤-30℃，F_sv＝105％F～115％F；

h.-100℃<ΔE≤-50℃，F_sv＝110％F～120％F；

i.△E≤-100℃，F_sv＝115％F～125％F；

其中：F为第j段窑身位置上的当前二次风进风量。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于：步骤303)中铁磁性测温装置(2)再次检测第j段窑身位置的物料温度T_j：

若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；

若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％％)T₀的范围内，返回再次执行步骤302)和步骤303)：经x次温度调整后，若第j段窑身位置的物料温度T_j在(1±10％％)T₀的范围内，则保持当前二次进风量F_sv不变，温度调整完成；若第j段窑身位置的物料温度T_j仍超出(1±10％％)T₀的范围内，停机检修。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：t为1-60s；x为1-10。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：t为2-50s；x为2-8。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：t为3-40s；x为3-5。

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