基于多光谱测温法的转炉炉口火焰温度预测研究

对转炉炼钢过程中炉口火焰温度的非接触式在线测量进行了研究。采用无需假设发射率模型的基于最小二乘法的多光谱测温法,利用海洋光学的微型光谱仪USB4000作为分光器件,构建了相应的炉口火焰辐射信息采集系统。采用与炉口火焰温度相近的炉内铁水作为辐射源对系统进行标定,获得其响应系数。选取不同波段的光谱数据,分别将改进的标定方式以及利用卤钨灯进行标定的方式应用于倒炉铁水温度的测量,测温结果表明,波长区间为600~740 nm时,采用改进的方式取得的结果最优。将该方法应用于冶炼过程中炉口火焰温度的在线测量,得到炉口火焰温度在整个吹炼过程中的变化趋势。结果表明,采用所提出的测温方法不仅可以在线反映转炉操作对炉口火焰温度的影响,同时也为炉口操作工人判断炉内铁水的温度提供了有效的依据。     

基于辐射法和原子发射光谱法的转炉口火焰温度测量

转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制,炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。工业炉燃烧火焰可见光谱段,普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线,利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。基于辐射双色法,三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量;数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取,小波脊线拟合提取;特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。结果表明,辐射测温法对谱线比较敏感,选择合理的波段能够有效,精确地测量火焰温度;采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、谱线的跃迁机率、能级的简并度及火焰的光学厚度,需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。     

基于炉口辐射光谱支持向量机回归的转炉终点碳含量检测

转炉终点碳含量在线检测对实现炼钢终点准确控制,提高钢铁产品质量,降低能耗,减少废气排放具有重要意义。针对转炉冶炼终点控制及碳含量检测的难题,研究了一种新的基于炉口辐射光谱分析的非接触式在线碳含量检测方法。方法基于辐射光谱的支持向量机回归(SVR)实现转炉终点前过程的碳含量预测。通过远距离光谱采集系统获取炉口火焰光谱信息,基于冶炼过程炉口火焰辐射光谱变化规律的分析,分别提取了表征辐射光谱整体特征的两个参数即总谱宽和辐射峰值、以及表征发射谱的三个特征波长600,630和775 nm处的幅值作为支持向量机的输入,结合脱碳理论和实测碳值拟合重构的脱碳函数曲线作为支持向量机的输出,利用支持向量机回归方法建立光谱分布与碳含量的关系模型。通过训练样本集和测试集循环优化确定模型最佳参数。设计的仪器和优选的模型已安装在转炉生产现场长时间运行,现场实验结果表明,终点碳含量检测准确率为90.2%,测量时间小于0.3 s,可实时在线检测,能够满足生产需求,为转炉冶炼终点的精确控制提供了重要依据。     

基于炉口辐射和改进神经网络的转炉终点预测模型

针对国内外转炉炼钢终点控制的现状,建立了一种用于终点预测的神经网络模型.以炉口辐射信息获取系统为实验平台,运用光纤谱分复用和颜色空间模型转换技术.分析发现了光谱与图像信息特征量在吹炼过程中晕现出中前期类似、末期相反的规律.从得到的特征规律曲线中选用一些关键特征量,在改进的修正系数算法基础上,进行了模型的训练和预测分析.实验结果表明:响应时间在2 s以内,满足快速判定的时间要求;改进算法的模型预测精度高于常规算法,该系统可以止常工作在转炉炼钢的恶劣环境下,达到了预期效果.     

WCARS-ISPA火焰光谱特征选择的转炉炼钢终点预测

对转炉炼钢终点的实时精准控制能够有效提高钢铁产出的质量,炉口火焰光谱在炼钢不同时期的变化明显,对其进行分析处理并与机器学习方法相结合可有效用于炼钢终点的实时控制。针对炉口火焰光谱数据量大、现有方法对光谱特征提取在可信度和实时性上不足的缺陷,提出一种基于窗口竞争性自适应重加权采样（WCARS）结合迭代式连续投影算法（ISPA）的光谱特征波长选择方法,该方法在有效解决模型过拟合问题的同时,能够降低高维数据计算的复杂度。将火焰光谱数据沿波长方向进行窗口划分后,使用CARS进行计算选出特征窗口波段,再将迭代式选择与传统连续投影算法相结合,通过重复迭代精选出特征波长,在此基础上使用支持向量机回归（SVR）建立炼钢终点碳含量预测模型。实验采集363组炼钢后期的炉口火焰光谱数据作为样本,并对其进行Savitzky-Golay平滑预处理。使用WCARS-ISPA算法从全光谱数据中选出10个特征波长作为SVR模型的输入,碳含量为模型输出,Kennard-stone算法对训练集和测试集进行划分,选择碳含量的平均预测误差、预测误差在±2%以内的命中率以及运行30次的平均时间作为模型评价指标。实验结果显示,模型的平均碳含量预测误差为1.413 2%,命中率高达90.63%,运行时间为0.019 679 s。与使用全光谱和WCARS-ISPA,CARS-SPA,WCARS和SPA四种不同特征选择方法选出的特征波长建模得到的结果进行对比,基于WCARS-ISPA方法选出的特征波长建立的终点碳含量预测模型误差最小、命中率最高。提出一种新的炉口火焰光谱特征波长提取方法,使用窗口竞争性自适应重加权采样结合迭代式连续投影算法选取特征波长,并在此基础上建立转炉炼钢终点碳含量预测模型,实验结果表明,该方法能够有效提取火焰光谱特征,所建模型能够对转炉炼钢终点进行准确预测,满足工业生产的实时控制要求,为实际生产提供可靠帮助。     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究（英文）

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

等离子体激发和辐射温度瞬态光谱测试方法

对等离子体温度的测量能间接诊断瞬态物理场的瞬时温度变化.使用望远光学系统对准等离子体并收集其光谱.光栅分光系统高精度地(△λ<0.1 nm)分离提取出测最所需的等离子体四通道特征光谱信号.光纤将光谱信号导入高灵敏度、快速响应的光电倍增管(PMTs,采集时间小于1 μs),达到瞬态测试的要求.用四通道数据拟合Boltzmann直线提高了计算激发温度的精度(优于2%),同时从黑体辐射理论推导出等离子体辐射温度的计算模型.只需用一次测量得到的光强就可以同时得到等离子体的激发温度和辐射温度.利用标准温度灯对系统的光谱响应系数进行了标定,通过实验表明系统测温的精度优于3%.     

氧气顶炉口火焰温度多光谱分析

采用多波长分析方法测量氧气顶回转炉口火焰温度的研究。在该方法中,采用USB4000型光纤光谱仪测量火焰在可见光波长范围内的火焰辐射光谱,结合Levenberg-Marquardt最优化算法,得到火焰温度和单色辐射率变化规律。本文还提出了采用小波神经网络处理多光谱测温数据,该方法可以取消发射率与波长之间的假设模型,是一种获得目标真温及发射率行之有效的方法。网络中隐含层的神经元是由S函数和Morlet小波函数的乘积组合构成,在逼近火焰温度中具有良好的表现。     

BOF endpoint prediction based on the flame radiation by hybrid SVC and SVR modeling

A new non-contact method for predicting the endpoint carbon content of different kinds of basic oxygen furnace (BOF) vessel sizes is presented in this paper. The proposed model is based on the spectral distribution of the flame at the vessel mouth with support vector machine (SVM). Two models are constructed with SVM in this paper: a SVC model is used to classify the whole blowing phases based on the mechanism analysis, and an ?-SVR model is constructed to map the flame spectrum variation into the state of the molten steel in the iron bath. The simulation results on industrial datasets show that the proposed method can offer an accurate as well as convenient way to improve the performance of BOF endpoint control compared with current methods of endpoint carbon content prediction.     

Basic oxygen furnace steelmaking end-point prediction based on computer vision and general regression neural network

End-point prediction is one of the most difficult problems in basic oxygen furnace (BOF) steelmaking process. To address this problem, some researchers have proposed some methods based on flame image processing and pattern classification. Because of the dynamically changing flame and real-time needs during the blowing process, there are still some issues that need to be solved. We propose a novel method based on accurate and fast multi flame features extraction and general regression neural network (GRNN). Firstly, flame images were acquired, and then the background of each image was removed via color similarity determination algorithm; secondly, color, texture, and boundary features were extracted; the fast and robust boundary and texture features were extracted by using the proposed methods, and these features were tested for their validity to the end-point prediction via comparing them with some other similar methods; finally, the prediction model was built using multi-features and GRNN. The experimental results demonstrated that it is accurate and fast to use the proposed method to the BOF end-point predict.     

利用辐射光谱法在线测量固体火箭推进剂燃烧温度

针对固体火箭发动机恶劣环境下的高温燃烧测量问题,提出了利用辐射光谱法来开展固体火箭推进剂燃烧温度在线测量的方法,采用200～1 100 nm光纤光谱仪测量了高压实验燃烧器下固体火箭推进剂燃烧火焰辐射光谱,总结了其光谱特性,并基于普朗克定律和光谱拟合方法获得了相应的推进剂燃烧温度,这对固体火箭推进剂燃烧诊断与燃烧机理研究具有重要的参考价值。     

Temperature measurement of a premixed radially symmetric methane flame jet using the Mach-Zehnder Interferometry

The temperature field of a premixed methane symmetric laminar flame jet is visualized by studying the interferograms of the flame, using the Mach-Zehnder Interferometry. Two kinds of oxidizers are chosen for combustion: industrially pure oxygen and oxygen-enriched air. The flame is chosen to be both lean, and rich. For the lean oxygen-enriched combustion (OEC), the equivalence ratio was held constant at 0.5, and the oxygen enrichment was adjusted to 0.5 and 0.6, and for rich OEC, equivalence ratio is chosen to be 1.2 while the oxygen enrichment was 0.7 and 0.8. For methane/oxygen combustion, the equivalence ratio varied from 0.35 to 0.55 for the lean flame, and 1.3 and 1.7 for the rich flame. Attempt was made to keep the Reynolds number unchanged at 500, for OEC, and 1000, for methane/oxygen flame. In the present study a non-contact method is successfully developed to measure the temperature field of a premixed radially symmetric laminar methane flame jet. The effect of oxygen enrichment and equivalence ratio on temperature field is also investigated and depicted.     

多光谱瞬态测温计用于动力发射系统火焰测试

 无论在民用钢铁冶炼、焊接技术或者军用近代动力学发射系统中,对于目标火焰的辐射温度测量一直有着重要意义,其对钢铁冶炼成分的判定、焊接工艺的提高和动力系统轨道烧灼的研究都有着重要的影响。该情况下火焰不仅温度极高,而且在某些场合其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再适用。基于经典的普朗克黑体辐射定律在测量时受到光谱发射效率的影响也难以准确得到最后结果。以经典的普朗克黑体辐射定律作为理论基础,结合多波长光谱辐射方法,研制了新型的多光谱辐射瞬态高温测温计。该高温计最快响应时间可达到2 ns。通过采用高分辨率衍射光栅和光纤连接的方式,保证多光谱提取的准确性。同时将经典的普朗克黑体辐射定律结合多波长提出新型辐射温度算法,不仅解决对该目标辐射温度的精准计算,更可以同时求得目标在该温度下的实时光谱发射效率。通过对高速发射目标和可调节亮度的溴钨灯测量的实验表明,该方法满足测量动力发射目标表面辐射温度分布的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。