矿棉生产过程熔流质量流量的测量与研究

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矿棉是纤维化无机绝热材料的统称。由于其良好的隔音降噪和绝热隔温l生能，被广泛地应用于工业生产◇棉的生产方法较多 ，最常见的生产过程是在冲天炉或者桶炉中融化的熔岩在快速旋转的纺丝盘上被纤维化：熔岩通过虹吸管进入均化池，再通过溢流堰和导引槽，在重力的作用下落在纺丝机的旋转轮上。离开旋转盘的熔滴被旋转轮周围的高速气流纤维化，在纺丝机上完成了矿棉的纤维化。利用与旋转轮同轴的高速气流，纤维被输送到远离纺丝机的矿棉室。在离开成型室之后，矿棉进入次级传送带，在聚合室热处理后被切割成符合密度、厚度和尺寸要求的成品。

矿棉生产过程中，熔流质量流量的波动直接影响着最终产品的质量。为了调节熔炉工况和矿棉生产线的速度，需要对熔流质量流量进行连续的测量，从而实现生产线速度的实时调节。

由于熔流温度非常高，采用常规的方法测量熔流的质量流量是不可能的。熔流的温度范围-般是 1 380～1 500℃，动态黏度 范围是15～8 deka PaS，表面张力r，的范围是0.439～0.41 N/m，流量范围为 3～4.5 t/h。目前在该领域中，对来自于熔炉的熔流质量流量的测量，常有以下几种方法：测量纺丝机电机消耗的电流 用放射性同位素测量流体体积；对矿棉初级层称重 ；在装载收稿日期：2012-09 Received Date：2012-09基金项目：第八届中国-斯洛文尼亚政府间科技合作项目(8-2)、2011年甘肃省国际科技合作计划项 目(1104WCGA189)资助第 3期 陈金鹏 等：矿棉生产过程熔流质量流量的测量与研究 597秤上对最终产品称重等方法。以上几种方法中，纺丝机电机消耗的电流不仅撒于熔流质量流量，还与熔流冲击点的位置、旋转轮的振动等有关，因此不能准确测量熔流的质量流量。用放射性同位素测量熔流质量流量的方法，由于存在安全和环境影响问题已不再使用。初级层矿棉重量与称重设备、沉积的污物、振动等相比比例较小，已证明这种方法是不可靠的。在次级秤上称重最终产品的方法，测量结果在数分钟后才能获得，也不适用于生产线速度的实时控制。到目前为止，对来 自于熔炉的熔流质量流量的测量，还没有可靠的即时测量方法。

2 实 验本文提出-种矿物棉生产过程中测量熔流质量流量的全新的方法，即把熔流质量流量的测量放在纺丝机之前，利用测得的熔流直径和熔流速度，通过计算获得熔流质量流量。由于温度很高，这些变量都是通过对工业相机采集的图像进行图像分析获得的。熔流直径通过测量熔流的边界获得，而熔流的速度是利用相关法、通过测量两连续图像间扰动的传播距离予以确定。

速度的测量类似于基于相关法和粒子图像测速仪的流体测量方法(particle image velocimetry，PIV) 。文献[5 ]回顾了PIV法的发展。PIV法能够同时在许多点对流体速度矢量进行定量测量。基于测量成像流体运动的目的，PIV法研究主要集中在两连续标量灰度图像的相关性上。文中研究了各种图像处理技术，其中主要是位移、旋转、变形和高阶位移梯度场有局部相互关联性的图像处理技术 。对于图像更多的细节，与粒： 跟踪法有关的粒子图像分析法更为适合。PIV法应用广泛，对流道中的泡状流，CHENG等人的算法是利用多空间分辨率法计算气泡图像的互相关；对微孔中的流体，ZOSEL等人 采用/xPIV法进行测量；HANN等人 采用PIV法来测量驻波管中的流体速度和声粒子速度；PATIER等人 对回流区的射流采用正交分解PIV法进行测量；Hu H等人 研究了叶状射流的混合过程；SAKAK-IBARA等人 采用粒 完成了粒子/流体速度相关和湍动能损耗的测量。互相关技术和其他测量原理 结合，也能实现对流体速度和质量流量的测量。其中，CARLSON和ING 采用超声散斑相关成像技术实现了垂直管中流体速度的测量；TAKAMOTO等人 采用超声相关技术实现了对极小质量流量的测量；李叶等人 研究了面向时变信号的质量流量计的处理方法，给矿棉生产过程容留质量流量的准确测量提供了有益的思路。

无论流体中已经存在的扰动或者是由气动扰动发生系统产生的扰动，实验中都能得到检测 ，如图 1所示。扰动是由气嘴产生的，气嘴装在-个可移动的气缸上，在扰动发生期间能够定位于熔流附近。在选定的时间段，电子阀门打开，气嘴产生几次短促的空气喷发。如果扰动发生的时间间隔太短、发生的次数太频繁，就有造成熔流飞溅的可能，还可能干扰生产过程。熔流的直径能够在生产过程中被连续测量，而采用扰动法的熔流速度测量只能在扰动触发时进行。但是，正确的过程控制必须对流体质量流量进行连续估算和对流体速度进行连续测量。因此，在不能采用扰动法测量熔流速度时，引入收缩法来实时估算速度的微小变化。收缩法的原理是：流速越高，流体收缩越小，速度越低，流体收缩越大。

图 1 实验设备布置图Fig.1 Experiment equipment layout2.1 信号调理系统。数据采集、处理和存储用来计算质量流量的节流孑L压力数据采集与 CCD相机图像采集是同步的。压力信号通过信号调理设备SCXI 1120，在 NI6013 16位 A/D数据卡上被数字化。采用 NI 6118数字输出卡控制气动阀产生扰动的触发。在此，采用 NI LabVIEW 进行数据采集和数字触发。采用黑白CCD相机和图像采集卡观测测量区域的质量流量。

相机为 SONY XC.HRS0，采样频率为. 60 Hz，图像深度为 10位。相机分辨率 640×480像素。曝光 时间为1/10 000 s。像素为方形。每个像素的2个方向上尺寸相当于0.14 375 mm。用 NI.1410图像采集卡进行数字化处理，用 NI LabVlEW 和 NI Vision进行数据采集，实验设备布置如图 1所示。

软件每30 S执行-次。首先，无扰动时，对熔流直径进行测量，接着在扰动发生时采集并记录 l0个连续图像用以计算熔流速度，接下来从流体测量设备采集参考数据。计算直径和速度的算法在第 3部分详细阐述。

2.2 硅酸盐熔体的密度除了熔流的速度和直径，熔流密度对于确定熔流质量流量仪常重要。对于高温与硅酸盐熔流密度的相关598 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷性，研究人员在许多实验中进行了详细的研究(BOCKRIS等人 ，1956；RIEBLING，1966；LANGE和 CARMICHAEL，1987；DINGWELL和 BREARLEY，1988；DINGWELL等人，1988)。经验预测方法(BOTTINGA和 WEILL，1970；BOTINGA等人，1982；LANGE和 CARMICH-AEL，1987，1990；KRESS和 CARMICHAEL，1991)。

文献 [17]中论 述了他们 的研 究。BLAGOJEVIC、IROK和 TREMFELJ在2004年 采用了文献[20]中收集到的硅酸盐熔流摩尔体积的数据。实际分析时，只考虑了文献[20]提出的67种多成分的硅酸盐熔流。用如下方程估算摩尔体积 ( )(cm。/too1)：( )∑ · ，。 ∑ ·(a /a )(T-1773)∑ · f.1 ∑ ·(T-1773) (1)PL： (2) Lz这里P 为密度， 为摩尔体积。线性回归系数 8 和梯度系数 可查表 l获龋表 1 计算硅酸盐熔体摩尔体积的回归方程系数值Table 1 The coeficient values of the regression equation forcalculating the molar volume of silicate meltOxide氧化物 i 肛i 氧化物 s 。

S.02 25.178 -0.002 5 MgO 14.110 0.004 1TiO， 24.227 0.002 7 CaO 18.677 0.oo8 1A12O3 39.126 -0.009 6 Na2O 35.872 0.015 8Fe，O 44.457 -0.022 9 K20 49.978 0.019 0Fe0 l1.731 0.013 8用回归法分析温度从 1 300～1 896 K的变化范围内测得实验液体的摩尔体积，结果非常吻合。下面将采用熔流密度计算熔流质量流量。特定情况下熔流成分是恒定的，在温度从 1 580～1 700 K的变化范围内，只需根据熔流温度的变化对熔流密度进行校正。

3 估算质量流量的算法描述质量流量测量的过程包括 2部分：1)扰动发生前的测量；2)连续的测量。

在扰动发生前、熔流没有受到干扰的时刻，对流体的直径 d 进行测量，在扰动发生的时刻对流体的流速 进行测量。因此，当扰动触发时就可以得到随时间变化韵熔流的直径d，和流速 ，但是触发的扰动不能过多，不然会改变熔流的碰撞点。

在连续测量阶段，熔流的直径d，得到连续测量◇棉生产者需要连续获取质量流量的信息。对于流速的连续估计，采用收缩原理：在扰动发生期间，流速随时间增加时熔流收缩很少，而当流速下降时，熔流收缩较大。

质量流量 Q 的估计是利用熔流的直径 和流速 ，通过图像采集和分析实现的。用下标 d表示干扰触发时的测量。假定熔流断面是圆形的，质量流量为：Q (3)流速 仅在干扰发生时才能测量，而直径 可以连续测量。对于成分确定的熔流，密度P只随温度的变化而变化。熔体的温度用光学测量仪器 Maurer KTRD 1075在冲天炉虹吸管中予以测定。在相邻 2次干扰之间，速度的变化用收缩法估算。

在测量干扰的传播速度时，收缩质量流量 Q。 和质量流量 Q 设置为同-值。因此，在干扰发生时收缩质量流量跟随参考质量流量而变化，而在无干扰发生时，收缩质量流量跟随熔流直径和熔流的收缩连续变化。

估算质量流量 Q 的收缩算法由 IROK等人用式 4实现： .譬.Q (4)式中： 是校正系数，d 是干扰触发前熔流的平均直径，d，是即时熔流直径，C和 C 是干扰发生前的即时和收缩系数，在实际过程中，黏度和表面张力变化很小，因此不予考虑。选择这种形式的等式可以得到稳定的性能，依据文献[18]选择估算速度的指数函数。ZIABICK1 18]给出了恒定等温流的简单模型，它表明：流速与流体流出管道的距离成指数关系，而流体的直径按指数规律减校实际情况中，根据文献[18]，在选定的有限大小 的窗 口中拟合流体的形状已经足够。

因此，可以用衰减系数为收缩系数 c和 C 的指数函数，拟合干扰触发前熔流的外边沿。收缩系数表示干扰发生期间(C )和估算质量流量时刻(c)流体收缩的程度。

与干扰触发后(C>C )相比，在质量流量增加的情况下，括弧中的值(e -e )为正，而质量流量减小的情况下(C

常数 的值取为 0.1。对于该常数值的选择，在此不作过多赘述。在流速变化缓慢的情况下，采用上述过程对Q 的估计是恰当的，因此符合矿棉生产中的实际情况。

3.1 熔流直径 d，的测量熔流直径 d，是在尺寸大约为 2d×3d的图像窗口中测量的，如图2(a)所示。d是熔流直径的估计值。在图2(a)中示出了熔流和-条垂直于流向、由大小为 2×2像素的窗口连成的线，用来估计熔流直径。对于选定的熔流段，窗口个数取 5O。窗口i的编号表示窗口相对于熔流的横向位置。在位置 i选定的窗口观测到的灰度值由如下表达式确定：寸盯-仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷(Z)和第 2个图像的直径 Y(f)。这里Z是每条线的序号。

应用互相关法计算每-个图像对中干扰的传播距离 l。对于位移k在两直径序列(如式(3)所示)之间的每-次变换 ，计算出互相关函数 r( )(如图3(b))：∑ (f)y(z )r(k) --二 二二--二二二二 (10)/∑ (z) /∑y(1十 )对于使互相关 r( )最大的特定的位移 k，两连续图像问的位移k就代表干扰的传播距离f。干扰传播距离f取所有 10个图像对的干扰传播距离的平均值。

4 矿棉生产现场测量的描述矿棉生产现场的实验工作是基于比较熔流质量流量和成品矿棉绝热材料的总量而进行的。现场试验时，需要先对生产线上的成品绝热材料予以称重。这种方法的缺点是-部分熔流并没有纤维化而是如珠状从纺丝机上散落了出去，珠状体在到达收集室之前由于 自重作用会掉落下去，因此不会计入绝热材料的重量。由于在实验期间不改变任何生产参数，因此，-般来说这些重量损失可以看做是恒定的。这样-来，在选定时间段，纺丝机前测量的熔流重量总是高于收集室后绝热材料的重量。熔流质量流量的测量采用第 3节所述的过程。计算熔流的质量流量 Q pQ 时，P采用了矿棉制造商提供的数值。

考虑到温度和原材料化学成分，采用式(2)，式(3)所述的算法计算。

为了测量成品绝热板的重量，使用了-个机械称重设备。每隔60 S，尺寸为2 m×1 m的4个面板移出生产线并被称重。

5 实验结果及分析在生产过程中，质量流量决定于熔炉内部的压力、位于下游的测量位置的高度、熔流以及从导引槽来的固化熔体的流出量。测得的质量流量和实际值之间的差异是由不确定的测速位置、熔流与产生干扰的压缩空气流之间的相互影响以及相关分析所用的有限的图像对产生的。

根据式(3)测量质量流量时，测量流速的确切位置是未知的，可以在图像观测窗 口的任何位置。相关分析技术只能提供相关观测区域内的瞬时速度。当在观测窗口较低的位置检测干扰时，测得的流速较高，而当在观测窗 口较高的位置检测扰动时，测得的流速较校为了测量熔流的直径，始终采用平均中径直径。针对该问题的- 个可行的解决方法是采用较窄的相关计算窗口，但是这样-来很难在两连续图像触发扰动，而