一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法

摘要

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法。所述用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，包括通过外加激励磁场使物料达到饱和磁化强度Ms；采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；再利用物料的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算出待测区域物料的实际温度T；其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于待测区域物料的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的。本发明所述方法解决现有铁矿石直接还原过程无法在线测温的问题，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法。

背景技术

铁矿石直接还原工艺具有流程短、能耗低、污染少等优势；在还原过程中，温度对还原效率具有至关重要的影响。

目前现有的测温方法主要分为接触式和非接触式。接触式测温中以热电偶测温为主，其原理是利用两种不同的导体组成闭合电路，在不同温度环境下产生电动势，将温度信号转变为电信号，当热电偶测温端与被测物体达到温度平衡时，可测得较精确的温度，但需要插入窑内，非常容易受损，寿命短且难以更换。

非接触式测温有红外辐射测温和磁纳米粒子测温等。其中红外辐射测温根据红外辐射特性，通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，但仅能够快速准确地测定被测物体表面温度，受环境干扰大，精度不高，无法实时反应还原过程中的准确温度。

而磁纳米粒子测温则是根据物质饱和磁化强度与温度的特定关系实现测温，具有快速、高精度和便捷的特点。例如，CN109060163A公开了一种用于电磁加热设备的磁纳米粒子电感的专利文献公开了一种测温方法。

但磁纳米粒子测温技术需要引入磁纳米粒子，且仅适用于环境中无其他磁场的情况，对于铁矿石还原过程中铁矿石本身已具有铁磁性，引入的磁纳米粒子会受到干扰，无法满足其测温的需求。

虽然可直接以铁矿石替代磁纳米粒子作为铁磁性体，并引入外加激励磁场，利用饱和磁化强度与温度的特定关系进行测温，如CN104132736A公开的一种直流激励磁场下的非侵入式快速温度变化的测量方法，但由于铁矿石在还原过程中，成分、温度均会发生改变，物料存在多种组分共存(主要为Fe

发明内容

本发明的目的是提供一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法。该方法基于铁矿石直接还原过程中物料特点，无需添加磁纳米粒子，通过利用物料自身的铁磁性，在外加激励磁场下，实现还原过程中的在线测温目的，具有“快速、准确和便捷”的特点。

所述的用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，包括通过外加激励磁场使物料达到饱和磁化强度Ms；采用霍尔元件检测信号，经放大、接收，得到输出电压，进而计算得到饱和磁化强度；再利用物料的饱和磁化强度Ms与温度的关系计算出待测区域物料的实际温度T；

其中，所述饱和磁化强度Ms与温度的关系是基于待测区域物料的居里温度Tc及其实际温度T的大小而确定的，即TTc两种情况；

当T>Tc时，又进一步划分如下：

T<1013K；

T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内；

T在1063～1318K之间、还原度在1/6-1/3范围内；

T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内。

本发明通过对铁矿石直接还原过程的深入分析，根据其物料组分变化情况，结合各组分居里温度及饱和磁化强度的变化，确定了上述划分依据，为实现铁矿石直接还原过程在线测温提供重要依据；根据该依据，结合现有饱和磁力强度与温度关系理论，可解决现有铁矿石直接还原过程无法在线测温的问题，使现有饱和磁力强度与温度关系理论得以具体应用。

进一步地，所述物料饱和磁化强度Ms与温度的关系具体如下。

对于T

式(12)中：

U为输出电压；

d为长方体霍尔元件的厚度；

β为放大系数；

k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；

Is为霍尔元件的通入电流；

μ

H为激励磁场强度；

λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；

M

s、p为物质形状及性质参数系数；通常，p＝5/2，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2，s可根据自旋波理论计算得到，

T

需要说明的是，由于物料中各组分的居里温度不同，在温度T升高过程中，部分居里温度较低的组分先转化为顺磁体。由于χ

对于T>Tc，所述饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：

式(16)中：U为输出电压；d为长方体霍尔元件的厚度；β为放大系数；k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；Is为通入电流；μ

进一步地，对于T>Tc，且T<1013K，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系具体为：

式(17)中：

U为输出电压；

C为居里常数；

β为放大系数；

k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；

Is为通入电流；

μ

n

I为激励电流；

R为线圈半径；

λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；

M

s、p为物质形状及性质参数系数；通常p＝5/2，但p(Fe)＝4；0＜s＜5/2，s可根据自旋波理论计算得到，

对于T>Tc，且T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：

式(18)中：

U为输出电压；

C为居里常数；

β为放大系数；

k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；

Is为通入电流；

μ

n

I为激励电流；

R为线圈半径；

λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；λ1为还原度为0-1/6范围内Fe

C1为Fe

对于T>Tc，且T在1063～1318K之间、还原度在1/6-1/3范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度M与实际温度T的关系为：

式(19)中：

U为输出电压；

C为居里常数；

β为放大系数；

k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；

Is为通入电流；

μ

n

I为激励电流；

R为线圈半径；

λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比，λ3为还原度为1/6-1/3范围内Fe

C1为Fe

对于T>Tc，且T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，上述关系式(16)所表示的饱和磁化强度Ms与实际温度T的关系为：

式(20)中：

U为输出电压；

C为居里常数；

β为放大系数；

k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定；

Is为通入电流；

μ

n

I为激励电流；

R为线圈半径；

λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比，λ5为还原度为1/3-1范围内Fe的占比，λ6为还原度为1/3-1范围内FeO的占比；

C4为Fe的居里常数，C3为FeO的居里常数。

经试验验证，采用上述关系式能够对铁矿石直接还原过程中各区域物料进行快速、准确和便捷地在线测温。

本发明所取得的有益效果如下：

本发明基于铁磁性物质的饱和磁化强度与温度的关系，利用矿物自身的铁磁性及激励磁场装置产生激励磁场，实现物料在还原过程中在线快速测温。

附图说明

图1为本发明所述的用于铁矿石直接还原的在线测温方法的工艺流程图。

图2为本发明对铁矿石直接还原过程的分析图。

图3为本发明所述在线测温方法的具体实施示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

现有研究表明，磁性物质的磁化强度与温度之间存在一种固有关系，因此可以通过测量磁性物质的磁学参数来推算出磁性物质的温度。

而冶炼过程中(如炼铁)的原料通常是经过磁选步骤的，因此均具有铁磁性；我们研究发现，当铁磁性物质的实际温度T小于其居里温度Tc时，在铁磁性物质被饱和磁化后，自发饱和磁化强度M与实际温度T是具有一一对应关系；当铁磁性物质的实际温度T大于其居里温度Tc时，铁磁性物质转变为顺磁性物质，此时服从居里-外斯定律，磁化率χ顺与实际温度T的倒数成正比。基于此，我们根据铁矿石直接还原过程的特点，确定该过程中物料的实际温度与其饱和磁性强度的关系，从而实现在线测温。

具体内容如下：

①确定激励磁场的强度H：首先计算物料饱和磁化强度M

激励磁场装置，采用亥姆霍兹线圈作为磁场产生装置，其特征在于由一对相同得彼此平行且共轴得完全相同的圆形线圈组成，两线圈的间距h＝线圈半径R，以其中心轴为中心，0-0.3R的区域内产生的激励磁场是均匀分布，其激励磁场强度H的表达式为：

其中，I为激励电流；n

M

M

M

其中：i分别对应Fe

λ为单位体积内所有原子/分子中铁磁性原子/分子个数的占比；

单位体积原子/分子个数N＝(ρ·N

μ

表1

注：FeO呈反铁磁性，宏观磁矩为0，μ

由式(3)可知，M

②物料经过激励磁场均匀区域，采用霍尔元件检测其磁场强度B，产生霍尔电压U

霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为abd，通入电流为I

βU

B＝μ

其中：k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定，μ

其中，霍尔元件应置于亥姆霍兹线圈的均匀激励磁场区域内(即ab＜0.09πR

其中，H为激励磁场强度，在功率不变情况下为定值，联立式(4)至(6)得到物料得饱和磁化强度Ms的表达式：

③根据物料饱和磁化强度Ms与温度的关系，计算出物料的温度。

铁磁性物质加热过程中，存在一个重要的物理量居里温度T

式中，T

表2

注：Fe、Fe

μ

不同状态下，其性质也不同。物质呈铁磁性状态时，磁化率(χ

一、当温度T＜T

式中，s、p为物质形状及性质参数系数。

在多组分体系中，各铁磁性组分的饱和磁化强度与温度满足该关系式：

在组分确定的情况下，其s、p、T

由于各组分居里温度不同，在温度T升高过程中，部分居里温度较低的组分先转化为顺磁体。由于χ

二、当温度T＞T

χ

在多组分体系中，当T＞T

在激励磁场及组分确定的情况，H、C、T

在铁矿石在还原过程中，成分、温度均会发生改变。我们通过解析铁矿石在回转窑内还原的行为得到：

Fe

FeO快速还原为Fe主要发生在2窑中段(占窑长的30％)，温度为1063～1318K，金属化率在27min快速提高到86.83％；

Fe最终转化主要发生在3窑头段(占窑长的33.3％)，温度为1318～1473K，金属化率最终提高到92.84％。

在1窑尾段的还原过程中，铁氧化物预还原度与形式的关系：

表3

在发生还原前，升温过程中，主要以Fe

当温度T在1013～1163K之间、还原度在0-1/6范围内时，铁氧化物开始发生还原反应，还原度为0-1/6时，主要以Fe

当温度T在1063～1318K之间，还原度为1/6-1/3时，主要以Fe

在2窑中段及3窑尾段，主要形式为FeO和Fe，T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，T≥T

图1为本发明所述的用于铁矿石直接还原的在线测温方法的工艺流程图。

图2为本发明对铁矿石直接还原过程的分析图。

图3为本发明所述在线测温方法的具体实施示意图。

实施例1

本实施例提供一种用于铁矿石直接还原过程的在线测温方法，控制过程如下：

S1、通过测量铁磁物质的特征量γ和原子总角量子数J，计算铁磁物质的居里温度；

S2、待测场景温度测量：

对于物料干燥区域，其T

对于回转窑内部高温区域，T>Tc，具体操作如下：

1窑尾段(占窑长23.3％)：

当温度T<1013K时，采用公式(17)计算得到物料的实际温度；

当T在1013～1163K之间且还原度在0-1/6时，此时T＞T

当T在1063～1318K之间且还原度在1/6-1/3时，此时T＞T

在2窑中段及3窑尾段：T在1318～1473K之间、还原度在1/3-1范围内，T≥T

经测试，针对1窑中段，采用本案测得的温度为1218K，同时采用现行热电偶的接触式测温方法测得的温度为1204K，通过比较可知本案在线测温方法具有可行性且准确度高。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。