AOD炉冶炼过程中的双比色红外测温法

王 军， 底江辉， 吴 悦， 马淑范

（长春工业大学 电气与电子工程学院，吉林 长春 130012）

0 引 言

温度测量是现代工业的一个重要测量指标，而它的重要性在冶金行业体现的更为明显。终点控制是AOD炉铁水冶炼的核心环节。温度和碳含量是终点控制最主要的两个物理量，而且研究表明温度的变化又直接影响到碳含量的变化，因此，采取一种适当的方法实现冶炼过程温度的测量意义重大，温度的高低对整个生产过程起到极大的作用。为了尽可能控制各种反应的进行、预报铁水成分以及准确获得终点温度，需要对铁水温度做连续的在线检测。因此寻找一种可靠性强、成本低的连续测温方法就显得至关重要。

1 常规测温方法存在的问题

AOD炉冶炼过程温度测量大体上可分为接触式和非接触式测量。主要包括热电偶法、副枪测温法、炉气分析法。

热电偶法自身存在着许多问题［1］：

1）只能进行间断性测量，无法实现连续在线测量。

2）热电偶法是在人工操作下完成的，冶炼过程中只能凭借经验选择何时投入热电偶及投入的深浅位置，这就导致测量结果存在误差且测温的稳定性和准确度均难以达到理想效果。

3）热电偶属于消耗性材料，由于冶炼过程长期处于高温环境下，热电偶使用寿命有限，甚至每炼一炉铁水就需要更换，不仅影响冶炼进度而且增加了企业生产成本。

副枪测温法受到许多因素的制约：

1）AOD炉冶炼各阶段需要加入多种原材料，原材料本身就会产生大量灰尘；随着炉内还原反应及氧化反应的进行，将产生大量CO，CO2气体、水蒸气；冶炼过程中生成的炉渣大量堆积并漂浮在铁水表面，导致背景辐射的产生；AOD炉顶枪负责吹入用于化学反应的氧气，在炉内高温影响下会在顶枪端口发生剧烈燃烧从而引入独立的光噪声，导致光路被削弱。

2）副枪工艺只能间断地提供吹炼过程中某一时刻的温度，无法实现连续测量。

3）副枪探头是消耗性材料，每过一定生长时间需更换探头，不仅影响生产进程，也会增加生产成本。

炉气分析法问题如下：

1）炉气分析技术无法实现连续测量，其原理是通过对炉气成分数据进行分析来计算熔池温度，其精度受炉气流量校正计算模型精度等多种因素影响。

2）多数炉气分析模型利用静态模型对温度进行预测，数学模型进行计算，这导致可靠性不高，无法满足生产精度要求［2］。

2 双比色红外测温法

常规的测温方法在精确度等方面无法满足AOD炉冶炼温度在线测量的要求，文中介绍一种新型在线连续测温方法——双比色红外测温法［3］。

2.1 理论依据

红外测温是当今工业等领域应用十分广泛的非接触测温方法，它的理论依据是自然界中一切温度高于绝对零度的物体都在不停地辐射红外线，而物体温度与辐射强度、红外波长之间存在着密切联系［4］。

2.1.1 普朗克黑体辐射定律

1）铁水的辐射能量随着温度的升高逐渐变强［5］。

2）峰值处的波长λm与绝对温度T成反比。

2.1.2 斯蒂芬－玻尔兹曼定律

任何辐射物体的总的辐射亮度与温度的四次方成正比。依据该特性，通过测量物体的辐射亮度就可较准确地确定其温度，这就是辐射测温的基本原理。

2.1.3 韦恩位移定律

光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成反比。

2.2 双比色红外测温工作原理

利用铁水溶液在两个不同波长下的辐射能量比值是随温度变化而变化的这一规律，合理选择两个波长λ1和λ2，且两个波长不能相距太远，选取范围在800～1 200nm之间。由于两个波长中光程的影响因素相同，测量值就不受影响，在测试条件比较恶劣，例如测量光程中有水汽、CO2、灰尘等影响的情况下，采用这种测温均可得到准确值［6］。

3 辐射温度与铁水温度数学模型建立

选择完待测波长，就需要在AOD炉冶炼过程某一阶段分别对两波长产生辐射亮度（能量）进行测量，利用冶炼过程铁水温度、热辐射性征、光学特性以及时间等参数之间的耦合关系，建立AOD炉冶炼过程辐射温度与铁水温度的数学模型。数学模型是建立在一定的假设条件之下的，尽量减少干扰因素对模型建立的影响。

实际测量温度时，大部分被测物体达不到黑体标准，所以产生的发射率各不相同：

式中：ε——发射率，其值受AOD炉内物质特性、表面状态及对象形态等诸多因素制约，且与测量波长和温度有关，0＜ε＜1。

选择合适的波长在可见光的波段范围内就可使用普朗克公式的简化形式——韦恩公式表示［7］。对应中心波长λ1，有：

同时，对应中心波长λ2，有：

式（2）除以式（3），得：

两边取对数，整理并化简后，可知：

由上式知，合理选定两个波长λ1和λ2，并分别测量出在此波段处的黑体辐射亮度，求其比值，就能够判断出黑体即铁水的温度T。

由于大多数被测物体无法满足黑体的标准，接近于其真实温度的近似值T0可根据测算的非黑体光谱辐射强度之比B求出［8］。

4 测温误差分析及实验验证

在确立了双比色红外测温方法后，需要为此方法设计一套红外测温系统。红外测温系统大体由测温仪（包括光学模块、检测电路模块及无线数传模块）、上位机组成。测温系统工作流程如图1所示。

图1 测温系统工作流程图

由图中可知，AOD炉内温度的测量精度受到很多因素的影响。例如，炉内大量的灰尘、水蒸气、氧枪喷入的氧气流等都会对光路的传播造成干扰，导致光学系统产生色差、球差，这在一定程度上会影响测量精度；AOD炉炉衬逐渐变薄会导致成像的变化；此外光学镜头易受污染，导致红外辐射能量进入红外测温系统受阻，进而降低了测温仪的精度。为了简化设计结构，采用双通道采取光信号，测温系统的测温精度将取决于两个通道信号的稳定性，由于信号检测通道不能实现绝对对称，在不做非线性补偿的情况下可能导致一定的测量误差。可以在底枪处安装望远光路系统。

为了验证双比色测温系统的可行性，在实验室进行了模拟AOD炉工作状态的中频炉测温实验。采用标准热电偶和红外测温设备测得部分数据见表1。

表1 中频炉部分实验数据

K表示红外测温设备分别在两个波长下测量电压值之比，T表示热电偶测量铁水温度值，即：

式中：C2，λ——均为定值；

ελ1／ελ2——发射率的比值，双比色法可以将其看作定值。

式中：a，b——常量。

将a，b代入式（6）得：

将式（7）作为经验回归曲线，利用最小二乘法对数据组（Ki，Ti）作曲线拟合，在式（7）中，令 M＝lnK，N＝1／T，得到M关于N 的线性关系式：

应用最小二乘原理对此关系式做一元线性回归，得到温度示值与拟合曲线对应关系如图2所示。

图2 拟合曲线回归效果

由图中可知，15组铁水温度值与拟合曲线基本吻合，曲线的拟合效果很好。由于实验条件所限，中频炉实验过程中忽略了顶枪吹氧过程。为了进一步校准测温系统，应选择真正的AOD炉进行测量实验。为了进一步提高测量精度，可以在底枪设计安装望远光路系统，将炉内辐射光放大并传送到红外测温仪上，以代替光纤的作用。当然这只是一种设计思路，实用性还待检验。

5 结 语

通过比较分析提出了一种新型AOD炉冶炼过程温度在线检测方法——双比色红外测温法，经试验验证，此方法是可行的，达到了设计要求，测温范围：1 500～1 950℃；测温误差：±3℃；测量时间：60s；使用寿命100h。但由于受到一些干扰因素影响以及实验条件所限，仍然产生了较小的测量误差，这就要求在后续工作中采取更多温度补偿措施减小误差，进一步提高测量精度。

［1］代江龙.副枪技术在转炉生产中的应用［J］.天津冶金，2006，3（7）：10－15.

［2］万雪峰，李德刚，王丽娟.转炉炉气分析技术的发展及应用［J］.鞍钢科技，2009，2（5）：7－11.

［3］李学慧，栾文彦，薛志勇.红外双色测温原理及其应用［C］／／第九届全国红外加热暨红外医学展研讨会论文摘要集，2003，25（6）：79－80.

［4］李军，刘梅东，李楚荣.非接触式红外测温的研究［J］.压电与光学，2001，23（3）：15－17.

［5］徐南荣，卞南华.红外辐射与制导［M］.北京：国防工业出版社，1997：24－36.

［6］王维，魏彬.双CCD比色测温系统研究［J］.机械设计与制造，2009，10（8）：18－22.

［7］邢翼川，刘广荣.双波段比色测温方法及其分析［J］.红外技术，2002，24（6）：73－75.

［8］刘润.基于光纤比色测温技术的AOO炉铁水温度在线监测系统研究［D］：［硕士学位论文］.长春：长春工业大学电气与电子工程学院，2011.