基于輻射圖像的高爐回旋區(qū)溫度場重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、回旋區(qū)是風(fēng)口燃燒帶上部焦炭做循環(huán)運(yùn)動的空腔。回旋區(qū)溫度場分布,影響高爐上部爐料的均衡下降、熔融渣鐵的滴落和爐缸的煤氣分布,對保證高爐整個(gè)冶煉過程連續(xù)、穩(wěn)定地順利進(jìn)行起著至關(guān)重要的作用。隨著高爐的大型化和大噴煤工藝和技術(shù)地不斷提高,如何實(shí)現(xiàn)回旋區(qū)溫度場實(shí)時(shí)監(jiān)測與重構(gòu),對強(qiáng)化高爐冶煉、保證鐵水產(chǎn)質(zhì)量具有重要的理論和工業(yè)應(yīng)用意義?；谳椛鋱D像的高爐回旋區(qū)溫度場重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括回旋區(qū)傳熱傳質(zhì)過程數(shù)值模擬、回旋區(qū)內(nèi)彌散介質(zhì)輻射特性、直吹管窺視孔

2、方向CCD探測器成像過程、回旋區(qū)輻射圖像與溫度場計(jì)算關(guān)聯(lián)模型與實(shí)驗(yàn)、回旋區(qū)光束輻射能傳輸過程及三維溫度場重構(gòu)算法。本文就此過程中的系列關(guān)鍵技術(shù)展開研究,研究主要內(nèi)容和創(chuàng)新成果有:①回旋區(qū)傳熱傳質(zhì)過程數(shù)值模擬?；匦齾^(qū)內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程是研究基于輻射圖像的回旋區(qū)溫度場重構(gòu)的主要內(nèi)容之一,研究回旋區(qū)傳熱傳質(zhì)過程,為研究回旋區(qū)空間彌散介質(zhì)輻射特性、窺視孔CCD成像過程、窺視輻射圖像與回旋區(qū)溫度關(guān)聯(lián)模型、回旋區(qū)輻射能傳輸過程及鼓風(fēng)溫度對回旋區(qū)傳熱傳質(zhì)

3、過程影響的工業(yè)應(yīng)用研究打下基礎(chǔ)。通過回旋區(qū)運(yùn)行動力學(xué)分析,給出了回旋區(qū)幾何尺寸計(jì)算方法,建立了k?ε方程、煤粉熱解揮發(fā)率方程、能量守恒方程及簡化的化學(xué)反應(yīng)混合分子數(shù)方程,數(shù)值模擬了回旋區(qū)的溫度場、組分種類及組分濃度場分布,并建立了流場數(shù)據(jù)庫。②回旋區(qū)彌散介質(zhì)輻射特征研究。通過直吹管窺視孔方向CCD輻射圖像,重構(gòu)回旋區(qū)內(nèi)溫度場分布,其關(guān)鍵技術(shù)之一就是要知道回旋區(qū)內(nèi)彌散介質(zhì)的物質(zhì)種類、輻射特性,以計(jì)算光束在回旋區(qū)內(nèi)的輻射傳遞過程。通過合并譜

4、帶模型計(jì)算了回旋區(qū)內(nèi)CO2、H2O蒸汽及NOx等氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的發(fā)射率隨溫度的變化關(guān)系及采用Lorentz-Mie電磁理論計(jì)算煤粉粒子、焦炭粒子及炭黑等彌散介質(zhì)的平均衰減系數(shù)、平均散射系數(shù)及平均吸收系數(shù)隨溫度的變化,以及回旋區(qū)內(nèi)氣與固混合物的輻射特性。③研究了直吹管窺視孔方向CCD探測器成像過程。建立了回旋區(qū)成像系統(tǒng)光學(xué)模型,研究了回旋區(qū)三維空間對二維CCD靶面的成像機(jī)理,提出了回旋區(qū)輻射成像假設(shè),解決了高爐風(fēng)口直吹管窺視孔CCD成像的像

5、源問題。同時(shí)針對CCD傳感器在高溫測試過程中由于輻射強(qiáng)度過大易出現(xiàn)輸出過飽和電流導(dǎo)致“圖像發(fā)白”問題,提出了CCD快門控制模型,以提高CCD測溫動態(tài)范圍。④研究灰體假設(shè)條件下回旋區(qū)輻射圖像與溫度場計(jì)算模型。研究CCD輻射圖像與回旋區(qū)溫度場重構(gòu)方法,在回旋區(qū)幾何光學(xué)成像假設(shè)條件下,通過單波長及雙波長輻射成像光學(xué)計(jì)算與推導(dǎo),建立基于單波長及雙波長的輻射測溫模型。對回旋區(qū)灰體假設(shè)條件下窺視輻射圖像與回旋區(qū)溫度關(guān)聯(lián)模型及高溫條件下CCD快門控制

6、模型進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)研究。⑤回旋區(qū)光束輻射能傳輸過程和三維溫度場重構(gòu)算法。提出了煤粉及焦炭燃燒火焰光束在回旋區(qū)內(nèi)部的傳輸過程以及沿直吹管窺視孔方向CCD靶面接受熱流的輻射傳熱方程(RTE)的蒙特卡洛(MonteCarlo)求解方法,研究了影響三維溫度場重建的輻射能量分布份額α和β的影響因素,分析了輻射能量分布份額α和β對系數(shù)矩陣A的影響。在此基礎(chǔ)上,研究和探討了回旋區(qū)不同焦炭粒子濃度下窺視孔方向CCD靶面接受輻射能分布及回旋區(qū)的三維溫度場重

7、構(gòu)問題。⑥工業(yè)應(yīng)用研究。在回旋區(qū)灰體假設(shè)條件下和非灰體實(shí)際條件下的窺視孔CCD輻射圖像與高爐回旋區(qū)溫度場重構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,展開了回旋區(qū)斷面不同測點(diǎn)溫度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測與回旋區(qū)溫度場三維重構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用研究。應(yīng)用表明:風(fēng)口窺視孔輻射圖像,直接反映了風(fēng)口輻射強(qiáng)度的大小,反映了回旋區(qū)內(nèi)煤氣與固、液相進(jìn)行熱交換、回旋區(qū)的渣鐵流及焦炭燃燒等工況。重構(gòu)溫度場幾何形態(tài)分布與回旋區(qū)幾何形態(tài)分布基本一致,同時(shí),重構(gòu)的溫度場分布與流場計(jì)算的溫度場分布基本吻合。

8、同時(shí),通過輻射圖像,實(shí)現(xiàn)了高爐回旋區(qū)溫度場、回旋區(qū)的活躍程度、渣皮和冷料滑落等工況的在線可視化監(jiān)控,為操作人員提供了高爐風(fēng)口區(qū)域的實(shí)時(shí)爐況信息,為指導(dǎo)高爐操作提供了科學(xué)的依據(jù)。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和上海寶鋼聯(lián)合基金項(xiàng)目“高爐噴煤工況監(jiān)控及爐缸分布模式研究(5037485)”的資助,以Planck輻射定律、回旋區(qū)內(nèi)彌散介質(zhì)輻射特性及回旋區(qū)輻射傳遞方程求解為基礎(chǔ),研究了基于輻射圖像的回旋區(qū)溫度場重構(gòu)算法和實(shí)現(xiàn)方法,并進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)和