AOD爐冶煉過程中的雙比色紅外測溫法

王 軍， 底江輝， 吳 悅， 馬淑范

（長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

0 引 言

溫度測量是現(xiàn)代工業(yè)的一個(gè)重要測量指標(biāo)，而它的重要性在冶金行業(yè)體現(xiàn)的更為明顯。終點(diǎn)控制是AOD爐鐵水冶煉的核心環(huán)節(jié)。溫度和碳含量是終點(diǎn)控制最主要的兩個(gè)物理量，而且研究表明溫度的變化又直接影響到碳含量的變化，因此，采取一種適當(dāng)?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)冶煉過程溫度的測量意義重大，溫度的高低對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程起到極大的作用。為了盡可能控制各種反應(yīng)的進(jìn)行、預(yù)報(bào)鐵水成分以及準(zhǔn)確獲得終點(diǎn)溫度，需要對(duì)鐵水溫度做連續(xù)的在線檢測。因此尋找一種可靠性強(qiáng)、成本低的連續(xù)測溫方法就顯得至關(guān)重要。

1 常規(guī)測溫方法存在的問題

AOD爐冶煉過程溫度測量大體上可分為接觸式和非接觸式測量。主要包括熱電偶法、副槍測溫法、爐氣分析法。

熱電偶法自身存在著許多問題［1］：

1）只能進(jìn)行間斷性測量，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線測量。

2）熱電偶法是在人工操作下完成的，冶煉過程中只能憑借經(jīng)驗(yàn)選擇何時(shí)投入熱電偶及投入的深淺位置，這就導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差且測溫的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度均難以達(dá)到理想效果。

3）熱電偶屬于消耗性材料，由于冶煉過程長期處于高溫環(huán)境下，熱電偶使用壽命有限，甚至每煉一爐鐵水就需要更換，不僅影響冶煉進(jìn)度而且增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。

副槍測溫法受到許多因素的制約：

1）AOD爐冶煉各階段需要加入多種原材料，原材料本身就會(huì)產(chǎn)生大量灰塵；隨著爐內(nèi)還原反應(yīng)及氧化反應(yīng)的進(jìn)行，將產(chǎn)生大量CO，CO2氣體、水蒸氣；冶煉過程中生成的爐渣大量堆積并漂浮在鐵水表面，導(dǎo)致背景輻射的產(chǎn)生；AOD爐頂槍負(fù)責(zé)吹入用于化學(xué)反應(yīng)的氧氣，在爐內(nèi)高溫影響下會(huì)在頂槍端口發(fā)生劇烈燃燒從而引入獨(dú)立的光噪聲，導(dǎo)致光路被削弱。

2）副槍工藝只能間斷地提供吹煉過程中某一時(shí)刻的溫度，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量。

3）副槍探頭是消耗性材料，每過一定生長時(shí)間需更換探頭，不僅影響生產(chǎn)進(jìn)程，也會(huì)增加生產(chǎn)成本。

爐氣分析法問題如下：

1）爐氣分析技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量，其原理是通過對(duì)爐氣成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析來計(jì)算熔池溫度，其精度受爐氣流量校正計(jì)算模型精度等多種因素影響。

2）多數(shù)爐氣分析模型利用靜態(tài)模型對(duì)溫度進(jìn)行預(yù)測，數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，這導(dǎo)致可靠性不高，無法滿足生產(chǎn)精度要求［2］。

2 雙比色紅外測溫法

常規(guī)的測溫方法在精確度等方面無法滿足AOD爐冶煉溫度在線測量的要求，文中介紹一種新型在線連續(xù)測溫方法——雙比色紅外測溫法［3］。

2.1 理論依據(jù)

紅外測溫是當(dāng)今工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的非接觸測溫方法，它的理論依據(jù)是自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地輻射紅外線，而物體溫度與輻射強(qiáng)度、紅外波長之間存在著密切聯(lián)系［4］。

2.1.1 普朗克黑體輻射定律

1）鐵水的輻射能量隨著溫度的升高逐漸變強(qiáng)［5］。

2）峰值處的波長λm與絕對(duì)溫度T成反比。

2.1.2 斯蒂芬－玻爾茲曼定律

任何輻射物體的總的輻射亮度與溫度的四次方成正比。依據(jù)該特性，通過測量物體的輻射亮度就可較準(zhǔn)確地確定其溫度，這就是輻射測溫的基本原理。

2.1.3 韋恩位移定律

光譜輻射出射度的峰值波長與絕對(duì)溫度成反比。

2.2 雙比色紅外測溫工作原理

利用鐵水溶液在兩個(gè)不同波長下的輻射能量比值是隨溫度變化而變化的這一規(guī)律，合理選擇兩個(gè)波長λ1和λ2，且兩個(gè)波長不能相距太遠(yuǎn)，選取范圍在800～1 200nm之間。由于兩個(gè)波長中光程的影響因素相同，測量值就不受影響，在測試條件比較惡劣，例如測量光程中有水汽、CO2、灰塵等影響的情況下，采用這種測溫均可得到準(zhǔn)確值［6］。

3 輻射溫度與鐵水溫度數(shù)學(xué)模型建立

選擇完待測波長，就需要在AOD爐冶煉過程某一階段分別對(duì)兩波長產(chǎn)生輻射亮度（能量）進(jìn)行測量，利用冶煉過程鐵水溫度、熱輻射性征、光學(xué)特性以及時(shí)間等參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立AOD爐冶煉過程輻射溫度與鐵水溫度的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型是建立在一定的假設(shè)條件之下的，盡量減少干擾因素對(duì)模型建立的影響。

實(shí)際測量溫度時(shí)，大部分被測物體達(dá)不到黑體標(biāo)準(zhǔn)，所以產(chǎn)生的發(fā)射率各不相同：

式中：ε——發(fā)射率，其值受AOD爐內(nèi)物質(zhì)特性、表面狀態(tài)及對(duì)象形態(tài)等諸多因素制約，且與測量波長和溫度有關(guān)，0＜ε＜1。

選擇合適的波長在可見光的波段范圍內(nèi)就可使用普朗克公式的簡化形式——韋恩公式表示［7］。對(duì)應(yīng)中心波長λ1，有：

同時(shí)，對(duì)應(yīng)中心波長λ2，有：

式（2）除以式（3），得：

兩邊取對(duì)數(shù)，整理并化簡后，可知：

由上式知，合理選定兩個(gè)波長λ1和λ2，并分別測量出在此波段處的黑體輻射亮度，求其比值，就能夠判斷出黑體即鐵水的溫度T。

由于大多數(shù)被測物體無法滿足黑體的標(biāo)準(zhǔn)，接近于其真實(shí)溫度的近似值T0可根據(jù)測算的非黑體光譜輻射強(qiáng)度之比B求出［8］。

4 測溫誤差分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在確立了雙比色紅外測溫方法后，需要為此方法設(shè)計(jì)一套紅外測溫系統(tǒng)。紅外測溫系統(tǒng)大體由測溫儀（包括光學(xué)模塊、檢測電路模塊及無線數(shù)傳模塊）、上位機(jī)組成。測溫系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 測溫系統(tǒng)工作流程圖

由圖中可知，AOD爐內(nèi)溫度的測量精度受到很多因素的影響。例如，爐內(nèi)大量的灰塵、水蒸氣、氧槍噴入的氧氣流等都會(huì)對(duì)光路的傳播造成干擾，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生色差、球差，這在一定程度上會(huì)影響測量精度；AOD爐爐襯逐漸變薄會(huì)導(dǎo)致成像的變化；此外光學(xué)鏡頭易受污染，導(dǎo)致紅外輻射能量進(jìn)入紅外測溫系統(tǒng)受阻，進(jìn)而降低了測溫儀的精度。為了簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用雙通道采取光信號(hào)，測溫系統(tǒng)的測溫精度將取決于兩個(gè)通道信號(hào)的穩(wěn)定性，由于信號(hào)檢測通道不能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)對(duì)稱，在不做非線性補(bǔ)償?shù)那闆r下可能導(dǎo)致一定的測量誤差。可以在底槍處安裝望遠(yuǎn)光路系統(tǒng)。

為了驗(yàn)證雙比色測溫系統(tǒng)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬AOD爐工作狀態(tài)的中頻爐測溫實(shí)驗(yàn)。采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和紅外測溫設(shè)備測得部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 中頻爐部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

K表示紅外測溫設(shè)備分別在兩個(gè)波長下測量電壓值之比，T表示熱電偶測量鐵水溫度值，即：

式中：C2，λ——均為定值；

ελ1／ελ2——發(fā)射率的比值，雙比色法可以將其看作定值。

式中：a，b——常量。

將a，b代入式（6）得：

將式（7）作為經(jīng)驗(yàn)回歸曲線，利用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)組（Ki，Ti）作曲線擬合，在式（7）中，令 M＝lnK，N＝1／T，得到M關(guān)于N 的線性關(guān)系式：

應(yīng)用最小二乘原理對(duì)此關(guān)系式做一元線性回歸，得到溫度示值與擬合曲線對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 擬合曲線回歸效果

由圖中可知，15組鐵水溫度值與擬合曲線基本吻合，曲線的擬合效果很好。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，中頻爐實(shí)驗(yàn)過程中忽略了頂槍吹氧過程。為了進(jìn)一步校準(zhǔn)測溫系統(tǒng)，應(yīng)選擇真正的AOD爐進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步提高測量精度，可以在底槍設(shè)計(jì)安裝望遠(yuǎn)光路系統(tǒng)，將爐內(nèi)輻射光放大并傳送到紅外測溫儀上，以代替光纖的作用。當(dāng)然這只是一種設(shè)計(jì)思路，實(shí)用性還待檢驗(yàn)。

5 結(jié) 語

通過比較分析提出了一種新型AOD爐冶煉過程溫度在線檢測方法——雙比色紅外測溫法，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此方法是可行的，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，測溫范圍：1 500～1 950℃；測溫誤差：±3℃；測量時(shí)間：60s；使用壽命100h。但由于受到一些干擾因素影響以及實(shí)驗(yàn)條件所限，仍然產(chǎn)生了較小的測量誤差，這就要求在后續(xù)工作中采取更多溫度補(bǔ)償措施減小誤差，進(jìn)一步提高測量精度。

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