一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法
【专利摘要】一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法：将耐2000℃以上高温冲击，具有热传导性能的合金棒插入被测转炉的下部，合金棒的一端浸入钢水中，另一端暴露于空气中；合金棒浸入钢水一端的温度与暴露于空气中一端的温度之差保持在500℃以内；采用辐射测量装置分别测得合金棒暴露于空气中一端的第一辐射强度和第二辐射强度；将第一辐射强度和第二辐射强度代入公式Ψ(t，λ)＝aλ?5(eb/tλ?1)?1中，得到二元一次方程；求二元一次方程得到辐射系数a和b的值；将辐射系数a和b的值代入上述公式中，求出不同辐射强度所对应的温度。本发明能够对封闭的高温炉体内部的钢水进行精确适时测温，测量精度可达±1℃度，测量范围为600℃??3500℃。
【专利说明】
一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种测温方法。特别是涉及一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法。
【背景技术】
[0002] 在钢铁冶炼过程中，能适时测到钢水的准确温度。对于自动控制冶炼过程，减少氧 气的过吹，进而减少二氧化碳的排放，降低生产成本提高产品质量，都是非常重要的。现在 普遍使用的插入热电偶的测温方式，已经应用几十年了，到目前为止还没有任何方法可以 取代。
[0003] 热电偶的测温方法，是一次只能测出一个时间点的温度，不能连续测出冶炼过程 中的温度变化。无法实现冶炼过程的自动控制。另外使用热电偶测量，由于钢水温度较高， 测温时热电偶可能被熔化，易造成钢水的污染。每炼一炉钢都需要反复测量钢水温度，也耗 费大量的热电偶。
[0004] 现有的红外测温方法，虽然具有非接触，反应速度快，测温范围宽，可以适时显示 等优点。但现有红外测温方法，都是基于黑体辐射的普朗克(Planck)公式之上，即把被测物 看成黑体，先对其辐射强度进行测量，再进行辐射率的修正。理想黑体的物理模型可以用普 朗克(Planck)公式来描述：
[0006] 式中W(A，t)为黑体辐射光谱功率密度，单位为瓦?厘米2 ·微米<，λ为光谱辐射的 波长，单位为微米。t为黑体温度，单位为Κ<Χι为第一辐射常数，Ci = 3.7415Xl(T12瓦?厘 米2<X2为第二辐射常数C2=l.4388厘米· K。这是黑体的热辐射公式。实际存在的被测物体， 其辐射率都是随被测物体的成分、温度、波长而变化的复杂函数，没有精确的解析表达公 式，很难修正准确。因此测温精度只能达到钢水温度的1%，这几十度的测温误差，无法满足 钢铁冶炼过程的自动控制要求。被测物体和黑体的区别是被测物体的辐射率小于黑体的辐 射率。被测物也都是热辐射体，它也遵守热辐射规律。但普朗克公式并不适用于有传导和辐 射二个过程的被测物体。
[0007] 目前钢铁企业冶炼的转炉，在冶炼过程中炉体是完全封闭的，没有任何可供红外 测量的窗口。钢在冶炼过程中会产生钢渣，它的比重比钢水小很多。钢渣是由碳、钙、硅、硫、 磷等元素构成，浮在钢水上面，钢渣的厚度一般在20厘米至40厘米，它的温度要比钢水低 150°C至250°C左右。这是钢水红外测温的最大障碍。另外，冶炼过程中吹氧产生的火焰，烟 雾和粉尘等，也会严重干扰了红外辐射的测量。
[0008] 因此，迫切需要一种可在现场恶劣条件和环境下，能够在封闭炉体内，防火焰，烟 尘，抗电磁干扰，测温精度高的一种新的测温方法。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够对封闭的高温炉体内部的钢水，进 行精确的适时测温的热传导和辐射的浮动跟踪测温方法。
[0010] 本发明所采用的技术方案是：一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，包括如下 步骤：
[0011] 1)将耐2000°C以上高温冲击，具有热传导性能的合金棒插入被测转炉的下部，所 述合金棒的一端浸入钢水中，另一端暴露于空气中构成浮动跟踪的辐射源；
[0012] 2)使合金棒浸入钢水一端的温度与暴露于空气中一端的温度之差保持在500 °C以 内；
[0013] 3)采用辐射测量装置分别测得合金棒暴露于空气中一端的第一辐射强度ΨΚ。， λι)和第二辐射强度Ψ2(?2，λ2)，其中，是温度为。对应波长人!时被测物体的第一 福射强度， ψ2(?2，λ2)是温度为t2对应波长λ2时被测到的第二福射强度；
[0014] 4)将第一辐射强度…⑴山)和第二辐射强度％(匕人2)代入公式Ψα，λ)=ε^ 5 (eb/u-l)-1中，得到二元一次方程：
[0015] w1(t1,A1)=aAf5(e b/tA1-l)"1
[0016] Ψ 2 (t2，λ2) = ειλ2-5 (eb/tA2-1) -1
[0017] 式中t为钢水的温度，a、b为辐射系数，a的单位为瓦?厘米2，b的单位为厘米· Κ，Κ 是绝对温标；
[0018] 5)求解步骤4)中的二元一次方程得到辐射系数a和b的值；
[0019] 6)将福射系数a和b的值代入公式W(t，A)= aA-5(eb/tA-l)-1中，求出不同辐射强度 所对应的温度。
[0020] 步骤1)所述的合金棒采用具有耐酸碱腐蚀的钨、钼、铜合金棒。
[0021] 所述的合金棒的外侧依次包裹有用于减少传导过程中热损耗的绝热层，以及用于 实现热传导和辐射的动态过程的保护层，所述的保护层与炉衬的膨胀系数相匹配。
[0022]步骤3)中，当所述的辐射测量装置为单波长辐射测量装置时，第一辐射强度$1 (1：1山)和第二福射强度Ψ2(?2，λ2)中：tl矣t2,而λ? = λ2;当所述的福射测量装置为双波长车g 射测量装置时，第一福射强度ψ1(??，λ〇和第二福射强度Ψ2(?2，λ2)中：tl = t2,而λ?矣入2。
[0023] 本发明的一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，能够对封闭的高温炉体内部的 钢水，进行精确的适时测温，测量精度可达± 1°C度，测量范围可从600°C -3500°C，保持优 良。长期稳定性可以实现对冶炼过程自动控制的各种要求。本发明的方法，距离系数很大， 可达1/1000。（D/S = 1:1000)可实现冶炼过程的自动控制。本发明的方法还有特别能抗火 焰、烟雾、电磁等干扰，对有钢渣的覆盖层都能实现准确测温。本发明适用于转炉炼钢过程 的适时测温。也适用于钢水中间包的适时测温，还适用于高温炉窑，隧道窑的适时测温。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明方法所使用的钨、钼、铜合金棒的结构示意图；
[0025] 图2是采用本发明的方法进行转炉炼钢的热传导和辐射的浮动跟踪测温的结构示 意图；
[0026] 图3是采用本发明方法进行热传导和辐射的浮动跟踪温度测量示意图；
[0027] 图4是本发明方法所使用的双波长辐射测量装置的结构示意图。
[0028] 图中
[0029] 1:合金棒 2:保护层
[0030] 3:绝缘层 4:顶吹氧枪
[0031] 5:炉壳 6:炉衬
[0032] 7:耳轴 8:钢水
[0033] 9:双波长辐射测量装置 10:计算机
[0034] 11:接收辐射物镜 12:长波1.15μπι反射滤光片
[0035] 13:第一硅光探测器 14:短波0.88μπι反射滤光片
[0036] 15:第二硅光探测器 16:瞄准目镜
[0037] 17:红外辐射光线
【具体实施方式】
[0038] 下面结合实施例和附图对本发明的一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法做出 详细说明。
[0039] 本发明的一种热传导和福射的浮动跟踪测温方法，包括合金棒的热传导部分和福 射的浮动跟踪部分，要根据合金棒两端温度差，调整辐射的浮动跟踪测温范围。具体包括如 下步骤：
[0040] 1)将耐2000°C以上高温冲击，具有热传导性能的合金棒插入被测转炉的下部，所 述合金棒的一端浸入钢水中，另一端暴露于空气中，合金棒暴露于空气中的一端，既起钢水 温度传导的作用，又构成浮动跟踪的辐射源；
[0041] 所述的合金棒采用具有耐酸碱腐蚀的钨、钼、铜合金棒;如图1所示，所述的合金棒 的外侧依次包裹有用于减少传导过程中热损耗的绝热层，以及用于实现热传导和辐射的动 态过程的保护层，所述的保护层与炉衬的膨胀系数相匹配。所述合金棒可水平插入被测转 炉的下部，也可斜插入被测转炉的下部，但必须保证合金棒与辐射测量装置的测量头为同 轴。
[0042] 如将直径2.5厘米，长100厘米的钨、钼、铜合金棒插入转炉的下部，一端浸泡在被 测钢水中，另一端暴露在空气中。
[0043] 2)使合金棒浸入钢水一端的温度与暴露于空气中一端的温度之差保持在500 °C以 内，使两端有足够快的热传导过程；
[0044] 3)采用辐射测量装置，分别测得合金棒暴露于空气中一端的第一辐射强度ΨΚ。， λι)和第二辐射强度Ψ2(?2，λ2)，其中，是温度为。对应波长人!时被测物体的第一 福射强度， ψ2(?2，λ2)是温度为t2对应波长λ2时被测到的第二福射强度；
[0045] 本发明中可以采用单波长辐射测量装置进行测量，也可以采用双波长辐射测量装 置进行测量。所述的单波长辐射测量装置可以是北京时代佳享科技有限公司生产的ΡΤ300/ 300Β型便携式测温仪，或是西安光圣能源传感系统有限公司生产的GS-SR型固定式红外测 温仪，或是无锡辰光隆兴工控仪器有限公司生产的CIT型双色红外测温仪。
[0046] 本发明中所述的双波长辐射测量装置是采用如图4所示的双波长辐射测量装置， 包括有:依次设置在红外辐射光线17上的接收辐射物镜11、长波1.15μπι反射滤光片12、短波 0.88μηι反射滤光片14和目苗准目镜16,其中，所述长波1.15μηι反射滤光片12的反射光线上设 置有第一硅光探测器13,所述短波0.88μπι反射滤光片14的反射光线上设置有第二硅光探测 器15。
[0047]当所述的辐射测量装置为单波长辐射测量装置时，第一辐射强和第 二福射强度ψ2(?2，λ2)中：tl7^t2,而λ? = λ2;当所述的福射测量装置为双波长福射测量装置 时，第一福射强度ψ1(??，λ1)和第二福射强度Ψ2(?2，λ2)中：tl = t2,而入1矣入2。
[0048] 4)将第一福射强度ΨΚ??,λ!)和第二福射强度Ψ2(?2，λ2)代入传导的福射强度与 钢水温度之间的对应关系公式▽(〖，人)='％|^-1广1中，得到二元一次方程：
[0049] w1(t1,A1)=aAf 5(eb/tA1-l)"1
[0050] Ψ 2 (t2，λ2) = aA2-5 (eb/tA2-1) -1
[0051 ]式中t为钢水的温度，a、b为辐射系数，a的单位为瓦?厘米2，b的单位为厘米· Κ(Κ 称为绝对温标。各种红外测温公式里，都用绝对温标，单位也是度。Κ = 0时，摄氏温度为273 °C〇)
[0052] 5)求解步骤4)中的二元一次方程得到辐射系数a和b的值；
[0053] 6)将辐射系数a和b的值代入公式中，求出不同辐射强度 所对应的温度。
[0054] 本发明的一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，根据的辐射测温的通用公式：
[0055] ψ(?，λ)=ειλ-5(eb/u-l)- 1
[0056] 当温度为t为1500°C - 1800°C时，利用双波长红外测温装置，在波长0.75微米到 1.15微米时，精确测量被测物的辐射强度ψ i (t，λ:)和Ψ 2 (t，λ2)。这里Ψ i (t，h)是对应波长 μ时被测物体的辐射强度，ψ2α，λ2)是对应波长\2时被测物体的辐射强度，为绝对温度。分 别代入到屯办山）=也- 5(eb/tw-l)-4ρψ2α，λ2)=??λ 2-5(eb/"2-l)-1的公式中，并解出系数 a和b的值。将辐射系数a、b的值，代入到本发明的辐射测温的通用公式：W(t，A)=aA-5(e b Λλ-1 Γ1中，就可以得到被测物体的辐射强度和被测物体的温度之间的对应关系。
[0057] 图3是采用本发明的方法测量炉内钢水温度得到的示意图，从图3可以看出适时钢 水温度的测量精度在± 1°C度，测量范围可从800°C -2500°C，测量时间根据每一炉的冶炼 情况，也都有些微小的变化。
【主权项】
1. 一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 将耐2000°C以上高温冲击，具有热传导性能的合金棒插入被测转炉的下部，所述合 金棒的一端浸入钢水中，另一端暴露于空气中构成浮动跟踪的辐射源； 2) 使合金棒浸入钢水一端的温度与暴露于空气中一端的温度之差保持在500°C以内； 3) 采用辐射测量装置分别测得合金棒暴露于空气中一端的第一辐射强度 第二辐射强度Ψ2(?2，λ2)，其中，是温度为。对应波长心时被测物体的第一辐射强 度，Ψ 2 (t2，λ2)是温度为^对应波长^时被测到的第二辐射强度； 4) 将第一辐射强度…仏山)和第二辐射强度*2(匕12)代入公式Ψα，λ)=??λυ Μ_ ιΓι中，得到二元一次方程： Wi(ti,Ai)=aAf5(eb/tA1-l)^ 屯2"2，入2)=已入2 5(eb'tA2-l) 1 式中t为钢水的温度，a、b为辐射系数，a的单位为瓦?厘米2，b的单位为厘米· K，K是绝 对温标； 5) 求解步骤4)中的二元一次方程得到辐射系数a和b的值； 6) 将辐射系数a和b的值代入公式*^，1)=仏％|^-1广1中，求出不同辐射强度所对 应的温度。2. 根据权利要求1所述的一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，其特征在于，步骤1) 所述的合金棒采用具有耐酸碱腐蚀的钨、钼、铜合金棒。3. 根据权利要求1所述的一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，其特征在于，所述的 合金棒的外侧依次包裹有用于减少传导过程中热损耗的绝热层，以及用于实现热传导和辐 射的动态过程的保护层，所述的保护层与炉衬的膨胀系数相匹配。4. 根据权利要求1所述的一种热传导和辐射的浮动跟踪测温方法，其特征在于，步骤3) 中，当所述的辐射测量装置为单波长辐射测量装置时，第一辐射强和第二辐射 强度Ψ2(?2，λ2)中：tl7^t2,而λ? = λ2;当所述的福射测量装置为双波长福射测量装置时，第 一福射强度ψ1(??，λ1)和第二福射强度Ψ2(?2，λ2)中：tl = t2,而入1矣入2。
【文档编号】G01J5/00GK105865633SQ201610338597
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】田乃良
【申请人】田乃良