黑体空腔中间包钢水连续测温传感器准确性与实用性研究

摘要

钢水温度连续测量多年来一直是冶金生产上未能很好解决的难题。 上世纪60年代以后消耗型快速热电偶逐渐完善并成为测量钢水温度的标准技术。其贡献在于实现了对钢水温度的测量，成本低和实用性强。不足是：误差较大；人工间断式测量。 钢水温度是冶金生产过程最主要的工艺参数之一。若能实现钢水温度的连续测量，提高测量精度，则可降低炼钢出钢温度和连铸浇注温度，对提高钢材质量、降低能耗和提高生产效率有直接影响，也是提高冶金生产自动化水平的重要一环。 国内外关于钢水温度连续测量的研究集中在用双铂铑热电偶加保护管的方法：由于铂和铑贵金属价格昂贵，高温下寿命短等原因，使得测温费用过大；国内外许多机构对此方面进行了几十年的研究，但至今进展缓慢。国内外绝大多数钢铁企业至今依然采用消耗型快速热电偶人工间断式测量钢水温度。 钢水连续测温的困难在于，一方面钢水介质温度高，氧化性强，表面渣层侵蚀严重且有冲刷，测温现场环境恶劣，另一方面要求测量精度高、可靠性高和成本低。 本论文的前期工作基础是：已提出黑体空腔中间包钢水连续测温方法；研制出黑体空腔传感器及测量系统；提出了腔体不等温系数概念并建立了在线黑体空腔理论。 本论文以黑体空腔钢水连续测温传感器和系统的准确性为主要研究课题。应用在线黑体空腔理论，研究了黑体空腔传感器结构、材料、不等温性对腔体辐射特性的影响，分析了测量系统误差，并进行了大量的现场试验研究，解决了黑体空腔钢水连续测温传感器测量的准确性、稳定性和一致性问题。主要有如下创新工作： (1)应用Monte Carlo方法分析了黑体空腔传感器的辐射特性，研究了腔体材料发射率和腔体结构对腔体辐射特性的影响。 (2)基于在线黑体空腔理论，研究了黑体空腔钢水连续测温传感器在钢水液位波动，即传感器插入钢水不同深度情况下的腔体非等温性对腔体辐射特性的影响，在现场实际测量了腔体内的温度分布曲线，并用积分方程理论计算了腔体不等温系数。 (3)建立了黑体空腔钢水温度连续测量系统的精度方程：从材料发射率变化、钢水液位波动这两个主要因素研究了黑体空腔钢水温度连续传感器的精度，从理论分析上得出黑体空腔传感器本身测量精度≤1.1℃这一重要结论。这一工作证明，低成本的空芯管(黑体空腔钢水连续测温传感器)比昂贵的工业用双铂铑热电偶传感器(误差±4℃)具有更高测量准确性。该工作作为黑体空腔传感器测量精度的理论基础，确定了所应用的传感器的技术标准，即：①传感器内套管材料要求发射率范围：0.35-0.5；②传感器插入钢水深度正常液位为450mm，最小深度要求：300mm；以保证黑体空腔钢水连续测温传感器本身的测量准确性、稳定性和一致性。 (4)分析了黑体空腔钢水连续测温系统和测量的测量不确定性，结合黑体空腔传感器本身测量精度，分析得出黑体空腔钢水连续测温系统不确定度为：2.6℃这一最主要的技术指标。采用二等标准铂铑热电偶作为参考标准，在十几家钢铁公司的应用现场做了大量的比对实验研究。试验结果与理论分析的技术指标相一致。 (5)在黑体空腔钢水连续测温技术实用化方面作了测量系统可靠性试验和大量传感器寿命试验，给出传感器寿命范围为18-40小时和平均寿命24小时这一技术指标。以黑体空腔钢水连续测温技术实用化为基础，在实现降低过热度、拉速自动调节和二冷配水优化控制的应用研究中作了系统测量和可靠性分析工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的意义

1.2中间包钢水温度对连铸生产的影响

1.2.1中间包钢水温度对铸坯质量的影响

1.2.2中间包钢水温度的控制现状

1.3中间包钢水温度测量的现状

1.3.1钢水温度的间断测量

1.3.2钢水温度的连续测量

1.4本文主要工作

第二章 黑体辐射源与黑体空腔传感器

2.1黑体辐射源的概念

2.2黑体辐射源的典型装置

2.3光纤黑体空腔传感器

2.4黑体空腔中间包钢水连续测温传感器

2.4.1黑体空腔钢水连续测温传感器的结构

2.4.2黑体空腔钢水连续测温装置

第三章 黑体空腔钢水连续测温传感器辐射特性的研究

3.1有效发射率计算的方法

3.1.1多次反射理论

3.1.2积分方程法

3.1.3Monte Carlo方法

3.2方向有效发射率的Monte Carlo解

3.3黑体空腔测温传感器方向有效发射率计算的模型

3.3.1光束追踪过程的求解

3.3.2等温纯漫反射腔体有效发射率分布计算

3.3.3镜反射对腔体有效发射率的影响

第四章 黑体空腔传感器不等温特性的研究

4.1黑体空腔传感器腔体温度分布的测量

4.2温度分布对腔体积分发射率的影响

4.3黑体空腔传感器不等温系数

4.3.1黑体空腔传感器的不等温系数

4.3.2黑体空腔传感器的辐射特性公式

4.3.3钢水温度的计算

4.4黑体空腔钢水测温传感器不等温系数的计算

第五章 黑体空腔钢水连续测温传感器及系统的准确性分析

5.1黑体空腔钢水连续测温装置精度方程的确定

5.2黑体空腔传感器准确性分析

5.3黑体空腔钢水测温系统测量准确性分析

第六章 黑体空腔钢水连续测温传感器与系统的准确性实验

6.1黑体空腔钢水连续测温仪技术指标

6.2黑体空腔钢水连续测温仪表稳定性测试

6.2.1环境温度影响测试

6.2.2仪表输出稳定性测试

6.3黑体空腔钢水连续测温系统准确性试验研究

6.3.1与标准铂铑热电偶的连续测温值准确性比对测试

6.3.2钢水液位对测温准确性的影响

6.3.3黑体空腔钢水连续测温传感器响应特性测试

6.4黑体空腔传感器使用寿命

第七章 黑体空腔钢水连续测温传感器的应用与效果

7.1基于黑体空腔钢水连续测温降低钢水过热度

7.2基于黑体空腔钢水连续测温的拉速优化控制

7.3基于黑体空腔钢水连续测温的小方坯二冷动态配水控制

第八章 结论与展望

8.1结论

8.2展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间的工作

已投论文