一种基于ECT测量的底吹搅拌反应器及反应物浓度与分布测量方法与流程

本发明涉及一种基于ect测量的底吹搅拌反应器及反应物浓度与分布测量方法，属于冶金熔池反应物分析技术领域。

背景技术：

冶金熔池搅拌是促进金属熔池的传质和传热过程并使金属液成分和温度均匀化的重要手段。搅拌方式有顶吹、底吹、侧吹三种，过程中涉及气、液、固三种物质状态的混合。掌握熔池内搅拌状态及特点，进而对实践过程进行指导，可以提高熔渣、气体和金属液的反应速率，加快固体料的熔化速度，使金属液中成分更加均匀，对冶金过程具有极其重要意义。

针对冶金熔池体积庞大、内部温度过高、熔池内部工质状态不易探入检测等特点，目前对冶金熔池搅拌的研究方法主要有：搭建底吹搅拌熔池水模型实验平台，利用图像处理技术对由高速摄像机获取的实验图样进行二值化处理，采用数值模拟方法，利用vof多相流模型精确模拟搅拌过程中气泡的自由液面，运用商业软件ansys-fluent，建立了1t钢包底吹氩与合金熔化扩散数值模型，其中高速摄像机拍摄的照片具有空间上的重叠性，在进行试验数据处理时不够准确；数值模拟法未与实验相结合，处理过程太过理想化，考虑不到实际实验影响。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于ect测量的底吹搅拌反应器及反应物浓度与分布测量方法，本发明利用电容层析成像技术来测量底吹搅拌过程浓度与分布，基于ect测量的底吹搅拌反应器可对搅拌过程进行实时连续成像，可以更好地检测搅拌过程中反应物的浓度与分布，通过分析工质在搅拌器内部的分布状态，探究影响搅拌效果的因素。

一种基于ect测量的底吹搅拌反应器，包括搅拌反应器，搅拌反应器为水平设置的圆柱形罐体，圆柱形罐体的壁为绝缘熔池壁3，搅拌反应器的顶部设置有与搅拌反应器内部连通的进料口1，进料口1侧的搅拌反应器内的一半腔体为底吹搅拌腔，搅拌反应器内的另一半腔体为液相澄清腔；底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3端头设置有主烧嘴2，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头设置有辅助烧嘴12，搅拌反应器的底部内壁固定设置有隔板9，底吹搅拌腔底部的隔板9上均匀开设有若干个通孔，底吹搅拌腔底部的隔板9与绝缘熔池壁3之间铺设有气体输送管4，气体输送管4的顶端固定设置有与气体输送管4连通的底吹气体喷头，底吹气体喷头穿过隔板9上的通孔并竖直向上延伸至底吹搅拌腔内，气体输送管4穿过绝缘熔池壁3外接气泵，底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3外侧周向均匀设置有若干个与绝缘熔池壁3相匹配的弧形的ect传感器电极6，ect传感器电极6的外侧沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅰ7，ect传感器电极6的两端沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅱ8，ect传感器电极6通过数据线与计算机的ect数据采集系统连接，液相澄清腔底部的隔板9上开设有铜锍出口10，铜锍出口10与铜锍管连通且铜锍管向下穿过液相澄清腔的绝缘熔池壁3，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头底部设置有排渣口11，液相澄清腔的绝缘熔池壁3顶端开设有排烟口13。

所述搅拌反应器的底端固定设置有支撑架5。

所述搅拌反应器的直径为300～310mm，长度为800～820mm。

所述底吹气体喷头的喷口直径为4～5mm，底吹气体喷头的喷口与隔板的距离为2～2.5mm，隔板距离搅拌器底部中心的距离为50～60mm。

所述进料口1的直径为30～35mm。

所述搅拌反应器、隔板和气体输送管的材质均为透明有机玻璃，屏蔽电极ⅰ7和屏蔽电极ⅱ8的材质均为铜。

所述ect传感器电极6与屏蔽电极ⅰ7之间设置有海绵双面胶层，ect传感器电极6与屏蔽电极ⅱ8之间也设置有海绵双面胶层。

基于ect测量的反应物浓度与分布测量方法，采用基于ect测量的底吹搅拌反应器，具体步骤如下：

(1)实验初始状态搅拌反应器内只有空气，启动ect系统对其进行标定；接着，将常温导热油加入搅拌反应器内，待工质稳定后，对其进行标定；然后点击ect系统的“录制”按钮并启动气泵，将空气通过气体输送管的底吹气体喷头喷入搅拌反应器的底吹搅拌腔，对工质进行搅拌；利用ect传感器电极采集底吹搅拌反应器内工质的电容信号，并通过数据线传输给计算机的ect数据采集系统进行实时成像，运用lbp算法进行线下图像重建得到ect图像，ect图像进行高通滤波去噪处理得到由红、蓝、黄三色组成的去噪ect图像，红色为合成导热油，蓝色为空气，黄色为气液混合区；

(2)提取去噪ect图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的(r,g,b)，其中r取值为0～255、g取值为0～255、b取值为0～255；

(3)运用支持向量机对不同颜色的rgb值进行学习、训练得到rgb值数据库，运用rgb值数据库对去噪ect图像进行识别得到特征提取图，通过色彩对比度定性判别出搅拌器内反应物浓度与分布。

进一步地，所述步骤(3)中特征提取图进行灰度处理得到灰度特征提取图，通过色彩对比度定性判别出搅拌器内反应物浓度与分布。

基于ect测量的反应物浓度与分布测量方法，采用基于ect测量的底吹搅拌反应器，具体步骤如下：

(1)实验初始状态搅拌反应器内只有空气，启动ect系统对其进行标定；接着，将常温导热油加入搅拌反应器内，待工质稳定后，对其进行标定；然后点击ect系统的“录制”按钮并启动气泵，将空气通过气体输送管的底吹气体喷头喷入搅拌反应器的底吹搅拌腔，对工质进行搅拌；利用ect传感器电极采集底吹搅拌反应器内工质的电容信号，并通过数据线传输给计算机的ect数据采集系统进行实时成像，运用lbp算法进行线下图像重建得到ect图像；

(2)采用计盒维数腐蚀法腐蚀处理ect图像得到分形维数斜率p值，分形维数斜率p值达到初始稳定的时间为反应物混匀时间。

本发明底吹气体对搅拌反应器内的模拟工质进行搅拌，由ect传感器将工质介电常数的变化转换为电容信号，传输到数据采集器，进而在电脑成像分析工质浓度与分布。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于ect测量的底吹搅拌反应器可对搅拌过程进行实时连续成像，可以更好地检测搅拌过程中反应物的浓度与分布，通过分析工质在搅拌器内部的分布状态，探究影响搅拌效果的因素；

(2)本发明基于ect测量的底吹搅拌反应器可实现对搅拌过程实时成像，且安装方便，所需成像的区域靠近传感器电极，成像灵敏度较高；

(3)本发明基于ect测量的底吹搅拌反应器可以应用到测量底吹搅拌浓度与分布的过程中，也可以应用到气液固多相混合测量过程中；

(4)本发明基于ect测量的底吹搅拌反应器可以应用到研究底吹喷枪的距离、底吹喷枪喷气量、底吹喷枪喷气角度等因素对搅拌效果的影响；

(5)本发明基于ect测量的底吹搅拌反应器可以应用到化工领域等的气液混合效果检测，以及其他无法从容器外部检测混合效果的领域。

附图说明

图1为基于ect测量的底吹搅拌反应器的结构示意图(主视)；

图2为基于ect测量的底吹搅拌反应器的结构示意图(左视)；

图3为图1中a-a’方向剖视图；

图中，1-进料口、2-主烧嘴、3-绝缘熔池壁、4-气体输送管、5-支撑架、6-ect传感器电极、7-屏蔽电极ⅰ、8-屏蔽电极ⅱ、9-隔板、10-铜锍出口、11-排渣口、12-辅助烧嘴、13-排烟口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：如图1～3所示，一种基于ect测量的底吹搅拌反应器，包括搅拌反应器，搅拌反应器为水平设置的圆柱形罐体，圆柱形罐体的壁为绝缘熔池壁3，搅拌反应器的顶部设置有与搅拌反应器内部连通的进料口1，进料口1侧的搅拌反应器内的一半腔体为底吹搅拌腔，搅拌反应器内的另一半腔体为液相澄清腔；底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3端头设置有主烧嘴2，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头设置有辅助烧嘴12，搅拌反应器的底部内壁固定设置有隔板9，底吹搅拌腔底部的隔板9上均匀开设有若干个通孔，底吹搅拌腔底部的隔板9与绝缘熔池壁3之间铺设有气体输送管4，气体输送管4的顶端固定设置有与气体输送管4连通的底吹气体喷头，底吹气体喷头穿过隔板9上的通孔并竖直向上延伸至底吹搅拌腔内，气体输送管4穿过绝缘熔池壁3外接气泵，底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3外侧周向均匀设置有若干个与绝缘熔池壁3相匹配的弧形的ect传感器电极6，ect传感器电极6的外侧沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅰ7，ect传感器电极6的两端沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅱ8，ect传感器电极6通过数据线与计算机的ect数据采集系统连接，液相澄清腔底部的隔板9上开设有铜锍出口10，铜锍出口10与铜锍管连通且铜锍管向下穿过液相澄清腔的绝缘熔池壁3，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头底部设置有排渣口11，液相澄清腔的绝缘熔池壁3顶端开设有排烟口13；搅拌反应器的底端固定设置有支撑架5。

实施例2：如图1～3所示，一种基于ect测量的底吹搅拌反应器，包括搅拌反应器，搅拌反应器为水平设置的圆柱形罐体，圆柱形罐体的壁为绝缘熔池壁3，搅拌反应器的顶部设置有与搅拌反应器内部连通的进料口1，进料口1侧的搅拌反应器内的一半腔体为底吹搅拌腔，搅拌反应器内的另一半腔体为液相澄清腔；底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3端头设置有主烧嘴2，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头设置有辅助烧嘴12，搅拌反应器的底部内壁固定设置有隔板9，底吹搅拌腔底部的隔板9上均匀开设有若干个通孔，底吹搅拌腔底部的隔板9与绝缘熔池壁3之间铺设有气体输送管4，气体输送管4的顶端固定设置有与气体输送管4连通的底吹气体喷头，底吹气体喷头穿过隔板9上的通孔并竖直向上延伸至底吹搅拌腔内，气体输送管4穿过绝缘熔池壁3外接气泵，底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3外侧周向均匀设置有若干个与绝缘熔池壁3相匹配的弧形的ect传感器电极6，ect传感器电极6的外侧沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅰ7，ect传感器电极6的两端沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅱ8，ect传感器电极6通过数据线与计算机的ect数据采集系统连接，液相澄清腔底部的隔板9上开设有铜锍出口10，铜锍出口10与铜锍管连通且铜锍管向下穿过液相澄清腔的绝缘熔池壁3，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头底部设置有排渣口11，液相澄清腔的绝缘熔池壁3顶端开设有排烟口13；搅拌反应器的底端固定设置有支撑架5；

搅拌反应器的直径为300～310mm，长度为800～820mm；

底吹气体喷头的喷口直径为4～5mm，底吹气体喷头的喷口与隔板的距离为2～2.5mm，隔板距离搅拌器底部中心的距离为50～60mm；

进料口1的直径为30～35mm；

搅拌反应器、隔板和气体输送管的材质均为透明有机玻璃，屏蔽电极ⅰ7和屏蔽电极ⅱ8的材质均为铜；

ect传感器电极6与屏蔽电极ⅰ7之间设置有海绵双面胶层，ect传感器电极6与屏蔽电极ⅱ8之间也设置有海绵双面胶层；

ect传感器电极6为8个。

实施例3：如图1～3所示，一种基于ect测量的底吹搅拌反应器，包括搅拌反应器，搅拌反应器为水平设置的圆柱形罐体，圆柱形罐体的壁为绝缘熔池壁3，搅拌反应器的顶部设置有与搅拌反应器内部连通的进料口1，进料口1侧的搅拌反应器内的一半腔体为底吹搅拌腔，搅拌反应器内的另一半腔体为液相澄清腔；底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3端头设置有主烧嘴2，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头设置有辅助烧嘴12，搅拌反应器的底部内壁固定设置有隔板9，底吹搅拌腔底部的隔板9上均匀开设有若干个通孔，底吹搅拌腔底部的隔板9与绝缘熔池壁3之间铺设有气体输送管4，气体输送管4的顶端固定设置有与气体输送管4连通的底吹气体喷头，底吹气体喷头穿过隔板9上的通孔并竖直向上延伸至底吹搅拌腔内，气体输送管4穿过绝缘熔池壁3外接气泵，底吹搅拌腔的绝缘熔池壁3外侧周向均匀设置有若干个与绝缘熔池壁3相匹配的弧形的ect传感器电极6，ect传感器电极6的外侧沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅰ7，ect传感器电极6的两端沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有屏蔽电极ⅱ8，ect传感器电极6通过数据线与计算机的ect数据采集系统连接，液相澄清腔底部的隔板9上开设有铜锍出口10，铜锍出口10与铜锍管连通且铜锍管向下穿过液相澄清腔的绝缘熔池壁3，液相澄清腔的绝缘熔池壁3端头底部设置有排渣口11，液相澄清腔的绝缘熔池壁3顶端开设有排烟口13；搅拌反应器的底端固定设置有支撑架5；

搅拌反应器的直径为300mm，长度为800mm；

底吹气体喷头的喷口直径为4mm，底吹气体喷头的喷口与隔板的距离为2mm，隔板距离搅拌器底部中心的距离为50mm；

进料口1的直径为30mm；

搅拌反应器、隔板和气体输送管的材质均为透明有机玻璃，屏蔽电极ⅰ7和屏蔽电极ⅱ8的材质均为铜；

ect传感器电极6与屏蔽电极ⅰ7之间设置有海绵双面胶层，ect传感器电极6与屏蔽电极ⅱ8之间也设置有海绵双面胶层；

ect传感器电极6为12个，每个ect传感器电极6的长度为200mm，宽为70mm，厚度为0.2mm，ect传感器电极6的外侧沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有宽度为280mm、厚度为0.2mm的屏蔽电极ⅰ7，ect传感器电极6的两端沿绝缘熔池壁3周向包覆设置有展开长度为942.5mm，宽度为30mm的屏蔽电极ⅱ8，屏蔽电极ⅱ8与ect传感器电极6的距离为10mm，ect传感器电极6与与屏蔽电极ⅰ7、屏蔽电极ⅱ8之间均以海绵双面胶隔开并缠绕紧密，可以为实验过程降低杂散电容。

实施例4：基于ect测量的反应物浓度与分布测量方法，采用实施例3的基于ect测量的底吹搅拌反应器，具体步骤如下：

(1)实验初始状态搅拌反应器内只有空气，启动ect系统对其进行标定；接着，将常温导热油加入搅拌反应器内，待工质稳定后，对其进行标定；然后点击ect系统的“录制”按钮并启动气泵，将空气通过气体输送管的底吹气体喷头喷入搅拌反应器的底吹搅拌腔，对工质进行搅拌；利用ect传感器电极采集底吹搅拌反应器内工质的电容信号，并通过数据线传输给计算机的ect数据采集系统进行实时成像，运用lbp算法进行线下图像重建得到ect图像，ect图像进行高通滤波去噪处理得到由红、蓝、黄三色组成的去噪ect图像，红色为合成导热油，蓝色为空气，黄色为气液混合区；

(2)使用colorpix软件提取去噪ect图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的(r,g,b)，其中r取值为0～255、g取值为0～255、b取值为0～255；

(3)运用支持向量机对不同颜色的rgb值进行学习、训练即对任意一张ect图像的气相、液相以及气液混合相进行区别，使得气液混合区域特征更加明显得到rgb值数据库，运用rgb值数据库对去噪ect图像进行识别得到特征提取图，通过色彩对比度定性判别出搅拌器内反应物浓度与分布；

为了便于更好的观察，将特征提取图进行灰度处理得到灰度特征提取图，将气相、气液混合相两相与液相区别开，使混合区域更直观，通过色彩对比度定性判别出搅拌器内反应物浓度与分布。

实施例5：基于ect测量的反应物浓度与分布测量方法，采用实施例3的基于ect测量的底吹搅拌反应器，具体步骤如下：

(1)实验初始状态搅拌反应器内只有空气，启动ect系统对其进行标定；接着，将常温导热油加入搅拌反应器内，待工质稳定后，对其进行标定；然后点击ect系统的“录制”按钮并启动气泵，将空气通过气体输送管的底吹气体喷头喷入搅拌反应器的底吹搅拌腔，对工质进行搅拌；利用ect传感器电极采集底吹搅拌反应器内工质的电容信号，并通过数据线传输给计算机的ect数据采集系统进行实时成像，运用lbp算法进行线下图像重建得到ect图像；

(2)采用计盒维数腐蚀法腐蚀处理ect图像得到分形维数斜率p值，分形维数斜率p值达到初始稳定的时间为反应物混匀时间；

分维反映复杂形体占有空间的有效性，为复杂形体不规则性的量度；在研究混合时间的预测过程中，在对同一幅图像进行腐蚀操作五次后，logn跟logr的拟合曲线始终为一条直线，分形维数d在任何情况下不变，说明分形维数d并没能准确的代表图样中颗粒的分布；

计盒维数腐蚀法：用来表征混合均匀时间，采取分形维数斜率p值平均的方法，来获取最短混合时间t，即：时间序列的演化曲线与充分混合后在小区间内振荡的p值平均值的交点或距离最接近的点，更准确、清晰地描述多相混合的均匀性状况；衡量混合效果的重要指标为形维数斜率值p的大小和最短混合均匀时间的大小；

计盒维数：

分别求取不同工况的p值，在p值第一次达到稳定波动状态时，运用logistic回归分析对附近散点进行拟合，得到曲线的拐点，拐点即认为是达到混匀状态的点，所对应的时间即为混匀时间。