, 张颖2, 杨潇潇11. 清华大学 能源与动力工程系, 热科学与动力工程教育部重点实验室, 清华大学-滑铁卢大学微纳米能源环境联合研究中心, 北京 100084;
2. 北京立化科技有限公司, 北京 100085
收稿日期：2019-08-21
基金项目：国家重点研发计划（2017YFB0603601）
作者简介：张衍国(1968-), 男, 教授。E-mail:zhangyg@tsinghua.edu.cn
摘要：为了开发冶炼熔渣干法粒化和余热回收技术，提出了一种飞行高炉熔渣颗粒表面温度与发射率的瞬间测量方法。实验过程中，建立了熔渣表面温度与灰度、表面发射率与表面温度的关系曲线，通过高速摄像机瞬间捕捉飞行熔渣颗粒图像，计算图像灰度，结合关系曲线得到飞行熔渣颗粒表面温度和表面发射率。结果表明：随着熔渣表面温度的降低，表面发射率减小；当飞行熔渣颗粒表面温度为1 402℃时，其表面发射率约为0.89。
关键词：表面温度高炉熔渣干法粒化余热回收表面发射率
Instantaneous measurements of granular blast furnace slag thermal parameters
ZHANG Yanguo1
, ZHANG Ying2, YANG Xiaoxiao11. Tsinghua University-University of Waterloo Joint Research Center for Micro/Nano Energy & Environment Technology, Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Beijing LiHua Science Technology Co., Ltd., Beijing 100085, China
Abstract: An instantaneous measurement method was developed to measure the surface temperature and surface emissivity of blast furnace slag for investigating dry granulation and waste heat recovery from blast furnace slag. The system was used to measure temperature-gray scale and emissivity-temperature relationships from granular blast furnace slag images captured by a high-speed camera based on the surface gray scale level. The surface temperature and the surface emissivity of the granular blast furnace slag could then be obtained by combining the measured surface gray scale with these relationships for the granular blast furnace slag. The results show that the surface emissivity decreases with decreasing slag surface temperature. The slag surface emissivity is about 0.89 at 1 402℃.
Key words: surface temperatureblast furnace slagdry granulationwaste heat recoverysurface emissivity
高炉熔渣是生铁冶炼生产过程中产生的高温、熔融态的工业废弃物[1]。据统计，2017年中国高炉熔渣平均排放量高达3亿多t[2]。高炉熔渣的排放温度约为1 500 ℃，蕴含丰富的余热资源[3-4]。为实现高炉熔渣的余热回收，高炉熔渣的干法粒化工艺如滚筒法[5]、风淬法[6-7]、离心粒化法[8-9]、高速射流粒化法[10]等被相继提出。高炉熔渣颗粒的温度、发射率等热物性参数是干法粒化工艺传热计算的基本参数。
基于数字图像处理的非接触式测量方法，在高温物体的温度、发射率测量中得到越来越广泛的应用。姜志伟等[11]在图像处理的基础上，利用彩色相机获得了流化床锅炉内燃烧火焰的温度和发射率；刘晴晴等[12]利用红外成像相机对熔融金属的温度进行了非接触式测量；黄希桥等[13]利用高速摄像机对扩散火焰的表面温度分布进行了实验测定，并通过与热电偶测量结果对比，证明了其方法的准确性；郭凯等[14]利用工业相机计算了酒精灯火焰图像的温度场。上述研究虽涉及高温物体的温度、发射率测量，但并未应用于高炉熔渣颗粒。并且，在高炉熔渣颗粒降温传热过程的数值模拟中，大部分研究对颗粒温度和发射率进行了定值化的理想假设[15-17]，而忽略了实际粒化降温过程中颗粒的高速飞行状态和热物性参数的变化。截至目前，高炉熔渣颗粒在实际高速飞行过程中的表面温度和表面发射率的变化规律鲜有报道。
本文通过一系列实验提出了一种瞬间测量飞行高炉熔渣颗粒表面温度与发射率的方法。该方法测量目标物体的主要特点为：1)高速飞行态；2)高温态；3)小体积；4)多组分；5)有相变；6)有形变。采用所提方法探究了高炉熔渣颗粒表面温度与发射率的关系以及两者随时间的变化，以期为进一步研究高炉熔渣颗粒的传热特性提供参考。
1 实验原理对于一般物体而言，物体的辐射遵循Planck定律，
| $E(\lambda , T) = \frac{{\varepsilon (\lambda , T) \cdot {C_1}}}{{{\lambda ^5} \cdot \left( {{{\rm{e}}^{\frac{{{C_2}}}{{\lambda T}}}} - 1} \right)}}.$ | (1) |
结合彩色三基色RGB测温原理[18]，物体自身辐射所表现出来的色彩取决于其辐射光谱成分，即决定于物体的温度和发射率。
因此，本文基于高速摄像机拍摄的高炉熔渣图像，建立了熔渣表面温度与灰度(T-Gray)的数据库并拟合曲线；基于红外高温计的辐射测温原理，建立了熔渣表面发射率与温度(ε-T)的数据库并拟合曲线；然后，通过高速摄像机瞬间捕捉飞行熔渣颗粒图像，计算得到飞行熔渣颗粒的灰度Gray，进一步计算得到其表面温度T和表面发射率ε[19-20]。
2 实验2.1 实验样渣准备实验所用样渣来自山东某钢铁厂的高炉渣。通过X射线荧光光谱分析可知，所用样渣的主要成分为CaO、SiO2、Al2O3和MgO，质量分数分别为38.97%、31.24%、16.27%和9.15%。
2.2 实验装置温度与发射率瞬间测量的实验装置如图 1所示。实验装置主要包括高速摄像机、高温节能熔块炉、热电偶、红外高温计、压缩空气喷射装置、计算机及图像数据采集与分析系统等。
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| 图 1 温度与发射率瞬间测量实验装置图 |
| 图选项 |
高速摄像机来自英国iX Cameras公司，型号为i-SPEED 720 Color 72 GB，最高帧速率为75万帧/s，配合i-SPPED Control软件进行计算机控制和图像采集。实验过程中设定高速摄像机光圈数为5.6，帧速率为10 000帧/s。高温节能熔块炉来自洛阳鲁威窑炉有限公司，型号为KSS-1 600 ℃，最高加热温度为1 600 ℃。红外高温计来自德国KELLER公司，型号为PKL28，测温范围为250~1 600 ℃。
2.3 实验方法实验过程中，首先将高炉渣加热，直至全部熔化为液相，然后分别建立T-Gray和ε-T数据库。
在建立T-Gray数据库的实验中，先将熔渣温度控制在1 450 ℃，温度监测数据通过热电偶连接的显示器实时读取。调整高速摄像机镜头与熔渣液面之间的距离H1为735~935 mm，记录不同距离下的熔渣表面图像，分析得到拍摄距离对图像灰度的影响；根据节3.1的实验结果选择固定的拍摄距离H1，启动高温节能熔块炉降温模式，继续采集图像，记录不同温度下的熔渣表面图像。
在建立ε-T数据库的实验中，先调整红外高温计镜头与熔渣液面之间的垂直高度H2为400~880 mm，记录1 400 ℃、不同高度H2下的发射率ε，分析得到测量距离对测量发射率的影响；根据节3.3的实验结果选择固定的垂直高度H2，启动高温节能熔块炉降温模式，调节红外高温计发射率ε，当红外高温计显示检测温度与热电偶检测的高炉熔渣真实温度相同时，记录此时的发射率ε。
最后，在高炉熔渣飞行过程中温度与发射率在线测量实验中，首先利用高温节能熔块炉将高炉渣加热至液相；随后控制液态熔渣自然流出，打开压缩空气，对下落的液态熔渣进行喷射粒化。同时，设定高速摄像机镜头与粒化颗粒飞行区域距离为800 mm，光圈为5.6，帧速率为10 000帧/s，对射流粒化过程中的飞行高炉熔渣进行图像采集。
2.4 图像分析方法基于物体自身所表现出来的色彩，采用图像灰度进行度量。在每个实验温度点熔渣图像中心区域，选取10 mm×10 mm的正方形框作为有效分析区域，如图 4所示，区域内像素点总数为2 209个。利用MATLAB将有效区域图像进行Gauss滤波、灰度图像转化，并对其灰度矩阵行列式求平均值，即可得到区域图像的有效平均灰度值Gray。
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| 图 2 拍摄距离对图像灰度的影响 |
| 图选项 |
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| 图 3 T-Gray实验数据及拟合曲线 |
| 图选项 |
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| 图 4 高炉熔渣表面降温的图像 |
| 图选项 |
3 结果与讨论3.1 H1对图像灰度的影响拍摄距离H1对图像灰度值Gray的影响如图 2所示。
由图 2可知，在熔渣表面温度相同的情况下，增大H1，Gray略微减小。当H1由735 mm增加至935 mm时，Gray相对减小0.037。因此，本实验条件下，拍摄距离对图像灰度的影响很小，可忽略不计。拍摄距离影响很小的原因可能是高速摄像机自身的去噪设计或熔渣表面温度远远高于周围环境温度。
3.2 T-Gray数据库及拟合曲线固定拍摄距离H1为800 mm，熔渣表面温度T与灰度值Gray的关系如图 3所示。通过最小二乘法拟合，得到T=0.000 031 42 Gray3-0.016 9·Gray2+3.634 Gray+1 115.658，R2=0.996 97。
由图 3可知，灰度值Gray随表面温度T的降低而降低，二者呈一一对应的关系，主要原因可能是熔渣温度越低，熔渣表面的辐射亮度越低，同等条件下高速摄像机所获取的有效RGB三色值也相应地越小，从而导致Gray减小。图 4所示为高炉熔渣表面降温过程的图像变化。
3.3 H2对发射率的影响测量距离H2对发射率ε的影响如图 5所示。
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| 图 5 测量距离对发射率的影响 |
| 图选项 |
由图 5可知，当H2由400 mm增大至600 mm时，发射率相对减小0.073，表明该距离区间内，H2对ε的影响很小，基本可忽略。当H2＞600 mm时，随着H2的增大，发射率急剧减小，其原因可能是：当H2＞600 mm时，红外波段的空气透射率明显减小，红外高温计采集区域超出熔渣有效边界，外界其他辐射干涉比重相对增加，导致发射率测量结果急剧减小[21]。因此，使用本文所述熔渣表面发射率测量方法时，应控制H2≤600 mm。
3.4 ε-T数据库及拟合曲线固定测量距离H2为550 mm，发射率ε与熔渣表面温度T之间的关系如图 6所示。通过最小二乘法拟合的曲线为ε=0.000 000 4T2-0.000 7T+1.086 8，R2=0.957。
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| 图 6 发射率-温度实验数据及拟合曲线 |
| 图选项 |
由图 6可知，ε随T的降低而减小，二者呈一一对应的关系。当T由1 450 ℃降低至1 020 ℃时，ε由0.9减小至0.78。由此可见，熔渣表面发射率并非定值，与表面温度有直接关系。
3.5 飞行熔渣颗粒表面温度T与发射率ε飞行熔渣颗粒表面温度T随时间间隔τ的变化曲线如图 7所示。结合已知的时间间隔τ，计算得到粒径约为5.9 mm、飞行速度约为3.7 m/s的熔渣颗粒表面温度的平均降低速率为180 ℃/s。
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| 图 7 飞行熔渣颗粒表面温度随时间间隔变化曲线 |
| 图选项 |
将图 7中的飞行熔渣颗粒表面温度T代入ε-T关系式，得到表面发射率ε随时间间隔τ的变化曲线，如图 8所示。结合已知的时间间隔τ，计算得到本文实验条件下飞行熔渣颗粒表面发射率的平均减小速率为0.07 /s。
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| 图 8 飞行熔渣颗粒表面发射率随时间间隔变化曲线 |
| 图选项 |
3.6 发射率测量方法的不确定度分析在不确定度分析实验过程中，已知黑体炉的发射率为定值(εy=0.995)，且忽略温度对实验结果的影响。黑体炉的发射率测量结果如图 9所示。不确定度的计算公式为
| $ U = {\varepsilon _y} - \bar \varepsilon . $ | (2) |
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| 图 9 黑体炉的发射率测量结果 |
| 图选项 |
式(2)中：U为不确定度，εy为黑体炉已知发射率，ε为黑体炉测定发射率的平均值。
由图 9和式(2)计算可得，当温度由750 ℃升高至1 000 ℃时，黑体炉测定发射率的不确定度约为0.026。由此可见，当H2处于有效检测距离范围内时，本文所述的发射率测量方法完全可以用在对发射率测量精度要求不太高的实验研究和实际生产中。
4 结论本文利用高速摄像机和红外高温计对飞行高炉熔渣颗粒的表面温度与表面发射率进行了非接触式测量实验，得到了高炉熔渣颗粒飞行过程中表面温度T和发射率ε的变化速率。实验结果如下：
1) 高炉熔渣表面温度越高，表面发射率越大；
2) 当熔渣颗粒表面温度为1 400 ℃左右时，粒径约为5.9 mm、飞行速度约为3.7 m/s的飞行熔渣颗粒表面温度的平均降低速率为180 ℃/s，表面发射率的平均减小速率为0.07 /s；
3) 当飞行熔渣颗粒表面温度为1 402 ℃时，其表面发射率约为0.89；
4) 本文发射率测量方法的不确定度约为0.026。
本文测量方法适用于高温熔融态的小颗粒或液滴在高速飞行过程中热物性参数的瞬间测定。本文实验数据与方法将为进一步研究高炉熔渣颗粒传热特性提供参考。
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