CN115323110A - 一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法及测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法及测量***，包括：获取钢水开始加热的初始温度；获取对所述钢水加热的加热***的输入能量；根据钢包炉内的红外图像，得到钢包炉内钢水表面的渣面辐射散热值和渣面对流换热值；根据钢包炉外的比色高温计，获取钢包炉外部壳体的表面辐射热值和表面对流换热值；根据烟气温度以及流量获取烟气带走的排出热量值；结合耐材升温吸热，根据热平衡计算出所述钢包炉内钢水每分钟的温度变化平均值，最终得到所述钢水在任意时刻的平均温度；本方法通过钢包内炉渣的加热情况，间接反应钢包内钢水的温度，具有快速、连续、无接触以及测量准确的优点。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，尤其是涉及一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法及测量***。
背景技术
钢包炉是冶炼品种钢的重要手段之一，而钢水温度又是钢包炉需要控制的主要参数，它对精炼钢水的质量、连铸坯的质量起着重要作用，因此在精炼过程中需要经常测量钢水温度3～4次。
在测量钢包内钢水温度时，现有的技术手段是：在停电后，打开钢包的盖子，利用探杆前端的测温探头***钢水中进行测温，直接得到钢水的温度；虽然该方法可以直接获取钢水温度，但是在测温过程中，需要停电，打开炉盖，不仅影响精炼周期，增加热能散失；而且探杆上的测温探头在测试一次后就会被钢水的高温损毁，属于一次性用品，增加了成本。
为此，一种快速、连续、非接触式地测量钢包炉钢水温度的测量方法及测试***亟待研发。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法及测量***，用于解决前述技术问题中的至少一个。
具体地，其技术方案如下：
一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，包括：
获取钢水开始加热的初始温度；
获取对所述钢水加热的加热***的输入能量；
根据钢包炉内的红外图像，得到钢包炉内钢水表面的渣面辐射散热值和渣面对流换热值；
根据钢包炉外的比色高温计，获取钢包炉外部壳体的表面辐射热值和表面对流换热值；
根据烟气温度以及流量获取烟气带走的排出热量值；
结合耐材升温吸热，根据热平衡计算出所述钢包炉内钢水每分钟的温度变化平均值，最终得到所述钢水在任意时刻的平均温度。
所述“获取钢水开始加热的初始温度”的步骤，包括：
采集出钢过程中的吹氩量以及出钢过程中所述钢水的停留时间；
根据以下模型确定所述初始温度t原始：
t原始＝T出钢-k△t；
其中，T出钢为钢水出钢时的实测温度；
△t为钢水出钢结束时刻到钢水开始加热时的时间间隔；
k为温降系数。
所述“获取对所述钢水加热的加热***的输入能量”的步骤，包括：
利用下述模型获取所述输入能量：
Q＝G×COSΦ×N×60；
其中，Q为输入热量；
G为变压器档位容量；
N为综合热效率；
COSΦ为功率因数。
所述“根据钢包炉内的红外图像，得到钢包炉内钢水表面的液面辐射散热值和液面对流换热值”的步骤，包括：
利用红外摄像机获取所述钢水表面的渣面的红外图像；
根据以下模型确定所述渣面辐射散热值：
Q1＝εAσ(t表 4-t空 4)：
根据以下模型确定所述渣面对流换热值：
Q2＝αA(t表-t空)；
其中：
Q1为钢包里钢水渣面的炉渣对外辐射热；
Q2为钢包里钢水渣面的炉渣对外对流换热；
σ为黑体辐射常数；
A为辐射表面积；
ε为渣面的黑度系数；
t表为渣表面温度；
t空为钢包炉上渣面空气的温度。
所述“根据钢包炉外的比色高温计，获取钢包炉外部壳体的表面辐射热值和表面对流换热值”的步骤，包括：
利用比色高温计获取所述钢包炉外部壳体的表面温度；
根据以下模型确定所述表面辐射热值：
Q3＝εAσ(t壳 4-t壳空 4)：
根据以下模型确定所述表面对流换热值：
Q4＝αA(t壳-t壳空)；
其中：
Q3为表面辐射热值；
Q4 为表面对流换热值；
σ 为黑体辐射常数；
A 为辐射表面积；
ε 为渣面的黑度系数；
t壳 为钢包壳体表面温度；
t壳空 为钢包壳体附近空气的温度。
所述“根据烟气温度以及流量获取烟气带走的排出热量值”的步骤，包括：
采集烟气温度和流量值；
根据下述模型获取所述排出热量值：
Q5＝G烟×Cp烟(T烟-T烟0)
G烟为烟气质量；
Cp烟为烟气平均热容；
T烟为烟气实测温度；
T烟0为烟气初始温度。
所述“耐材升温吸热”的获取方法，包括：
根据耐材的初始温度和最终温度获取所述取耐材升温吸热的量：
Q6＝G耐×Cp耐(T耐-T耐0)；
G耐为耐材质量；
Cp耐为耐材平均热容；
T耐为耐材最终温度；
T耐0为耐材初始温度。
所述“根据热平衡计算出所述钢包炉内钢水每分钟的温度变化平均值，最终得到所述钢水在任意时刻的平均温度”的步骤，包括：
获取钢水的升温时间，作为加热平衡时间；
通过热平衡原理获取钢包加热的升温速度；
利用所述升温速度与任意时间t获取在该t时间段内，温度升高的值；并将该温度升高的值与钢水的初始温度值进行求和，得到t时间后钢水的平均温度值。
一种非接触式钢包炉内钢水温度的测量***，包括：
图像采集单元(2)，设置在所述钢包炉(1)的上盖上；
比色高温计(3)，设置在所述钢包炉(1)的外侧；
智能单元(4)，与所述图像采集单元(2)和所述比色高温计(3)分别电性连接，用于分别采集所述钢包炉(1)内的红外图像和所述钢包炉(1)外壳的温度；
处理模块(5)，设置在所述智能单元(4)内，用于与所述智能单元(4) 进行数据交互，利用如权利要求1-8任一权利要求所述的非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法持续观测钢包炉内钢水的温度。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明所述的方法，利用炉渣漂浮在钢水上的特点，通过获取钢水开始加热的初始温度，利用所述钢水加热的加热***的输入能量、钢包炉内钢水表面的液面辐射散热值和液面对流换热值、钢包炉外部壳体的表面辐射热值和表面对流换热值以及烟气带走的排出热量值，最后结合耐材升温吸热，根据热平衡计算出所述钢包炉内钢水每分钟的温度变化平均值，最终得到所述钢水在任意时刻的平均温度；本发明所述的方法通过钢包内炉渣和钢水的加热情况，间接反应钢包内钢水的温度，具有连续、无接触以及测量准确的优点；
本发明所述的测量***，利用图像采集单元(2)采集钢包内的图像；再通过比色高温计(3)采集钢包外壳的温度，在智能单元(4)中，利用本发明所述的方法对钢包内的钢水温度进行测算；本测量***构成简单，而且无需使用一次性的温度测温探头，能够大大节省生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为本发明所述***的结构框图；
图3为本发明所述***的示意图；
其中，图3中的M处为钢水液位位置。
具体实施方式
本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
具体实施例I：
本发明提供一种实施例：
如图1，一种非接触式钢包炉内钢水温度的方法，在具体应用时，包括如下步骤：
(1)冶炼炉冶炼结束，开始出钢；
(2)冶炼炉下的钢包车1开到出钢位置，准备接受钢水；
(3)在出钢过程中，底吹氩+铁合金脱氧、合金化+渣料；
(3)出钢结束，测温取样1；
(4)钢包被吊运到钢包炉的钢包车2上，进入精炼***；
(5)钢包车2开到加热工位，进行加热；
钢水初始温度为：
t原始＝T出钢-k△t (1)
并且开始对钢包内熔池液面和钢包外壳进行连续温度检测；
(6)获取钢水开始加热的温度；
(7)在本实施例中，使用电极加热；根据电极加热***的变压器档位确定加热钢水的输入能量；Q；Q按公式(2)计算
Q＝G×COSΦ×N×60 (2)
Q为变压器输入热量，kJ/min；
G为变压器档位容量，kVA；
N为综合热效率，％，一般取～43％；
COSΦ为功率因数，0.78。
(8)测定液面红外图像，确定钢水表面渣滓的表面积和温度，实时计算液面的辐射散热Q1和对流换热Q2；由于传导传热很小，忽略不计；则Q1、Q2按公式(3)和(4)计算；
Q1＝εAσ(t表 4-t空 4) (3)
Q1为钢包里钢水渣面的炉渣对外辐射热；kJ/min；
σ为黑体辐射常数，5.67×10-8W/(m2·℃4)；
A为辐射表面积，m2；
ε为渣面的黑度系数；
t表为渣表面温度，℃；
t空为钢包上液面空气的温度；
Q2＝αA(t表-t空) (4)
Q2为钢包里钢水渣面的炉渣对外对流换热；kJ/min；
α为对流换热系数，W/m2/K
A为辐射表面积，m2；
t表为渣表面温度，℃；
t空气为钢包上液面空气的温度；
(9)获取钢包壳的表面辐射传热Q3和对流换热Q4；
根据以下模型确定所述表面辐射热值：
Q3＝εAσ(t壳 4-t壳空 4)：
根据以下模型确定所述表面对流换热值：
Q4＝αA(t壳-t壳空)；
其中：
Q3为表面辐射热值；
Q4为表面对流换热值；
σ为黑体辐射常数；
A为辐射表面积；
ε为渣面的黑度系数；
t壳为钢包壳体表面温度；
t壳空为钢包壳体附近空气的温度。
(10)根据烟气温度、流量计算烟气带走的热量Q5；
Q5＝G烟×Cp烟(T烟-T烟0) (5)
Q5为烟气带走的热量，kJ/min；
G烟为烟气质量，kg；
Cp烟为烟气平均热容，kJ/kg/K，取1.137；
T烟为烟气温度，℃；
T烟0为烟气初始温度，℃；
(11)耐材的升温吸热Q6；
Q6＝G耐×Cp耐(T耐-T耐0) (6)
G耐为耐材质量，kg；
Cp耐为耐材平均热容，kJ/kg/K，取0.6；不同的耐材，平均热容是不同的；
T耐为耐材最终温度，℃；
T耐0为耐材初始温度，℃。
(12)根据热平衡计算出钢水的温度变化值，从而推算出钢水的平均温度；推算钢水平均温度的方法是：
获取钢水的升温时间，作为加热平衡时间；通过热平衡原理获取钢包加热的升温速度；利用所述升温速度与任意时间t获取在该t时间段内，温度升高的值；并将该温度升高的值与钢水的初始温度值进行求和，得到t时间后钢水的平均温度值；具体为：
△T＝(Q-Q1-Q2-Q3-Q4-Q5)/G钢/Cp钢；M＝Q6/(Q-Q1-Q2-Q3-Q4-Q5)；
T最终温度＝t原始+(T测-M)△T；
其中，△T为钢包加热的升温速度；M为加热平衡时间；T最终温度为钢水的平均温度值；T测为测温时刻；
Q为输入热量；Q1为钢包里钢水表面的炉渣和钢壳表面之间的辐射热；Q2为钢包里钢水表面的炉渣和钢壳表面之间的对流换热；Q3为钢包炉外部壳体的表面辐射热值；Q4为钢包炉外部壳体的表面对流换热值；Q5为烟气带走的排出热量值；G钢为钢水质量；Cp钢为钢水平均热容；Q6为耐材吸热量；
(13)加热一定时间，温度达到要求后，取样；
(14)若钢水成分不合格，继续加渣料后，继续加热处理；
渣量吸热按公式(6)计算；
Q6＝G渣×Cp渣(T渣-T渣0) (7)
Q6为渣料吸热；kJ；
G渣为渣料量；kg；
Cp渣为渣料平均热容，kJ/kg/K，取1.248；
T渣为渣料最终温度，℃；
T烟0为渣料的初始温度，℃；
(15)若钢水成分合格以后，钢包车2开到起吊位置；
(16)钢包被吊运到连铸的大包回转台。
具体实施例II：
下面以120t钢包精炼炉为例。
(1)转炉炉冶炼结束，开始出钢；
(2)冶炼炉下的钢包车1开到出钢位置，准备接收钢水；
(3)在出钢过程中，底吹氩和铁合金脱氧、合金化+渣料；
(3)出钢结束，测温：钢水温度T出钢，取样S1；
(4)钢包被吊运到钢包炉的钢包车2上；
(5)钢包车开到加热工位，进行加热；
t原始＝T出钢-k△t (6-1)
(5)钢包车开到加热工位，进行加热；
(6)根据吹氩量、钢水的停留时间，推算钢水开始加热的温度；
在本实施例中，钢水在LF炉开始加热时的初始温度＝1600-10×0.55＝1594.5℃
钢水测量温度＝1600℃；测量温度结束时刻到开始加热时的时间＝10min，钢包不加盖时，钢水的温降速度＝0.55℃/min；
(7)根据电极加热***的变压器档位(电压、电流)确定加热钢水的输入能量；Q；Q按公式(1)计算
Q＝G×COSΦ×N×60 (6-2)
Q为变压器输入热量，kJ/min；362232kJ/min
G为变压器档位容量，18000kVA；
N为综合热效率，％，一般取～43％；
COSΦ为功率因数，0.78。
(8)根据具体实施例II中的图像采集单元(2)测定钢水液面红外图像；实时计算液面的辐射散热Q1和对流换热Q2；由于传导传热很小，忽略不计；Q1、 Q2按公式(2)和(3)计算；
对熔池液面测得温度1200℃、钢包外壳＝285℃，
Q1＝εAσ(t表 4-t空 4) (6-3)
σ为黑体辐射常数，5.67×10-8W/(m2·℃4)；
A为辐射表面积，10.521m2；
ε为渣面的黑度系数，0.56；
t表为渣表面温度，1200℃；
t空为钢包上液面空气的温度，30℃；
得到辐射散热1571.493kW；1kWh＝3600kJ；
Q2＝αA(t表-t空) (6-4)
α为对流换热系数，10W/m2/K
A为辐射表面积，49.537m2；
t表为渣表面温度，1200℃；
t空气为钢包上液面空气的温度，30℃；
得到Q2为123.066kW
钢包上口总散热Q1+Q2＝101674kJ/min。
(9)根据比色高温计(3)的实测值，计算钢包壳的表面辐射传热Q3和对流换热Q4；
实测钢壳表面温度＝285℃；环境温度＝30℃。
Q3钢壳表面辐射散热＝139.231kW
Q4钢壳表面对流换热＝126kW
钢包外壳表面总散热Q3+Q4＝15933kJ/min
(10)根据烟气温度、流量计算烟气带走的热量Q5；
Q5＝G烟×Cp烟(T烟-T烟0) (6-5)
Q5＝716kJ/min
G烟为烟气质量，流量计测量值：50000m3/h；换算成标准状态的烟气量；
50000/60×1.429×(273+30)/(273+300)kg；
Cp烟为烟气平均热容，kJ/kg/K，取1.137；
T烟为烟气实测温度，300℃；
T烟0为烟气初始温度，30℃。
(11)耐材的升温吸热
Q6＝G耐×Cp耐(T耐-T耐0) (6-6)
G耐为耐材质量，kg；17.5t；
Cp耐为耐材平均热容，kJ/kg/K，取0.6；不同的耐材，平均热容是不同的；
T耐为耐材最终温度，℃；1200℃；
T耐0为耐材初始温度，℃；1300℃。
得到耐材吸热Q6＝17500×0.6×100＝1050000kJ
(12)加热开始到钢水开始升温时间(通常称加热平衡的时间)，也就是耐材的吸热时间，按下式计算：
加热平衡时间＝Q6/(Q-Q1-Q2-Q3-Q4-Q5) ＝1050000/(362232-101674-15933-716)＝4.3min
钢包加热的升温速度按下式计算
△T＝(Q-Q1-Q2-Q3-Q4-Q5)/G钢/Cp钢
G钢为钢水质量，kg；120t；
Cp钢为钢水平均热容，kJ/kg/K，取0.837；
则，钢水的升温速度＝(362232-101674-15933-716)/120000/0.837＝2.43℃/min
如，加热平衡后1min(即开始加热5.3min)后,钢水温度1594.5+2.43×1＝1596.9℃；
如，加热平衡后2min(即开始加热6.3min)后,钢水温度 1594.5+2.43×2＝1599.4℃；
加热任何时间的温度以此类推。
(12)加热一定时间，达到预定温度后，取样；
(13)若钢水成分合格以后，钢包车开到起吊位置；
(14)钢包被吊运到连铸的大包回转台。
本发明在使用时，测温用的元件可以远离高温区，采用非接触式测量，测量设备寿命长，能够使每炉钢水节省3～4个测温探头；如按钢包容量120t，年处理钢水500万吨计算，可以节省200×10000/120×(3-4)×5＝62.5～83.25万元；而且，本发明所述的方法可以连续测量钢水温度，无需停电，停产，能够缩短测量时间和精炼时间，降低电极消耗和底吹气体消耗，减少散热、节约能源；还能够提升冶炼炉与连铸机之间的缓冲效果，增加钢包炉的废钢加入量。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
Claims (9)
1.一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，包括：
获取钢水开始加热的初始温度；
获取对所述钢水加热的加热***的输入能量；
根据钢包炉内的红外图像，得到钢包炉内钢水表面的渣面辐射散热值和渣面对流换热值；
根据钢包炉外的比色高温计，获取钢包炉外部壳体的表面辐射热值和表面对流换热值；
根据烟气温度以及流量获取烟气带走的排出热量值；
结合耐材升温吸热，根据热平衡计算出所述钢包炉内钢水每分钟的温度变化平均值，最终得到所述钢水在任意时刻的平均温度。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“获取钢水开始加热的初始温度”的步骤，包括：
采集出钢过程中的吹氩量以及出钢过程中所述钢水的停留时间；
根据以下模型确定所述初始温度t原始：
t原始＝T出钢-k△t；
其中，T出钢为钢水出钢结束时的实测温度；
△t为钢水出钢结束时刻到钢水开始加热时的时间间隔；
k为温降系数。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“获取对所述钢水加热的加热***的输入能量”的步骤，包括：
利用下述模型获取所述输入能量：
Q＝G×COSΦ×N×60；
其中，Q为输入热量；
G为变压器档位容量；
N为综合热效率；
COSΦ为功率因数。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“根据钢包炉内的红外图像，得到钢包炉内钢水表面的渣面辐射散热值和液面对流换热值”的步骤，包括：
利用红外摄像机获取所述钢水表面的渣面的红外图像；
根据以下模型确定所述渣面辐射散热值：
Q1＝εAσ(t表 4-t空 4)：
根据以下模型确定所述渣面对流换热值：
Q2＝αA(t表-t空)；
其中：
Q1为钢包里钢水渣面的炉渣对外辐射热；
Q2为钢包里钢水渣面的炉渣对外对流换热；
σ为黑体辐射常数；
A为辐射表面积；
ε为渣面的黑度系数；
t表为渣表面温度；
t空为钢包炉上液面空气的温度。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“根据钢包炉外的比色高温计，获取钢包炉外部壳体的表面辐射热值和表面对流换热值”的步骤，包括：
利用比色高温计获取所述钢包炉外部壳体的表面温度；
根据以下模型确定所述表面辐射热值：
Q3＝εAσ(t壳 4-t壳空 4)：
根据以下模型确定所述表面对流换热值：
Q4＝αA(t壳-t壳空)；
其中：
Q3为钢包外壳的表面辐射热值；
Q4为钢包外壳的表面对流换热值；
σ为黑体辐射常数；
A为辐射表面积；
ε为渣面的黑度系数；
t壳为钢包壳体表面温度；
t壳空为钢包壳体附近空气的温度。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“根据烟气温度以及流量获取烟气带走的排出热量值”的步骤，包括：
采集烟气温度和流量值；
根据下述模型获取所述排出热量值：
Q5＝G烟×Cp烟(T烟-T烟0)
G烟为烟气质量；
Cp烟为烟气平均热容；
T烟为烟气实测温度；
T烟0为烟气初始温度。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“耐材升温吸热”的获取方法，包括：
根据耐材的初始温度和最终温度获取所述取耐材升温吸热的量：
Q6＝G耐×Cp耐(T耐-T耐0)；
G耐为耐材质量；
Cp耐为耐材平均热容；
T耐为耐材最终温度；
T耐0为耐材初始温度。
8.根据权利要求1所述的一种非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法，其特征在于，所述“根据热平衡计算出所述钢包炉内钢水每分钟的温度变化平均值，最终得到所述钢水在任意时刻的平均温度”的步骤，包括：
获取钢水的升温时间，作为加热平衡时间；
通过热平衡原理获取钢包加热的升温速度；
利用所述升温速度与任意时间t获取在该t时间段内，温度升高的值；并将该温度升高的值与钢水的初始温度值进行求和，得到t时间后钢水的平均温度值。
9.一种非接触式钢包炉内钢水温度的测量***，其特征在于，包括：
图像采集单元(2)，设置在所述钢包炉(1)的上盖上；
比色高温计(3)，设置在所述钢包炉(1)的外侧；
智能单元(4)，与所述图像采集单元(2)和所述比色高温计(3)分别电性连接，用于分别采集所述钢包炉(1)内的红外图像和所述钢包炉(1)外壳的温度；
处理模块(5)，设置在所述智能单元(4)内，用于与所述智能单元(4)进行数据交互，利用如权利要求1-8任一权利要求所述的非接触式测量钢包炉内钢水温度的方法持续观测钢包炉内钢水的温度。
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- 2022-08-30 CN CN202211044273.7A patent/CN115323110A/zh active Pending
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