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_0整(T＝0k时的值)，其中产生激励磁场强度满足H＞M_0整，从而确定激励磁场的强度。

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；n₀为亥姆霍兹线圈匝数；μ₀为真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)。

M₀为单种成分的饱和磁化强度，具体为单位体积内所含N个原子(分子)的磁矩都整齐地排列在相同方向时的磁化强度：

M_o＝N·μ_j (2)

M_0整为混合物的饱和磁化强度；还原过程中，物料中存在多种成分(主要为Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe)，假定各组分间无相互影响，M_0整可根据定义计算得到：

其中：i分别对应Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO、Fe四种成分。

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_A)/M，N_A为阿伏伽德罗常数，ρ为密度，M为摩尔质量；

μ_j为单个原子或分子得磁矩；其中μ_B为玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，μ_B＝1.165×10^-29韦伯·米。

表1

注：FeO呈反铁磁性，宏观磁矩为0，μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米。

由式(3)可知，M_oi＜M₀(max)，M₀(max)是指混合物里所包含的纯净物中纯净物M₀最大的值。在实际过程中，物质不断发生变化，只要满足激励磁场强度H＞M₀(max)即可保证所有铁磁性物质能达到饱和磁化强度。

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_H，经仪器放大器信号放大后，放大系数为β，由信号接收器收集，再连入计算机，得到输出电压U，通过计算得出饱和磁化强度Ms。

霍尔元件为长方体，设长宽厚分别为abd，通入电流为I_s，根据霍尔效应，元件内电子达到动态平衡，电场力大小等于洛伦兹力，可得：

βU_H＝U (5)

B＝μ₀(H+M_s) (6)

其中：k为霍尔系数，由霍尔元件材料性质决定，μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)，H为激励磁场强度；M_s为物料饱和磁化强度。

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＜0.09πR²)，并ab面与亥姆霍兹线圈共轴且平行。

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_c，当铁磁性物质温度超过居里温度时，它将从铁磁体转化为顺磁体：

式中，T_c为居里温度，铁磁体转化为顺磁体的临界温度(k)；γ-分子场系数，代表铁磁物质的特征；k_B是玻尔兹曼常数，为1.381×10^-23焦耳/度；J-原子总角量子数；g-朗德因子，其值在1-2之间。

表2

注：Fe、Fe₂O₃、Fe₃O₄呈铁磁性，其转变温度为居里温度T_c，FeO呈反铁磁性，其转变温度称奈尔温度T_n。

μ_B-玻尔磁子，电子磁偶极矩最小值，为1.165×10^-29韦伯·米；μ₀-真空磁导率，为4π×10^-7韦伯/(安培·米)；μj为单个原子或分子得磁矩；单位体积原子/分子个数N＝(ρ·NA)/M，NA为阿伏伽德罗常数，ρ为密度，M为摩尔质量。

不同状态下，其性质也不同。物质呈铁磁性状态时，磁化率(χ_铁)较大(数值为10¹-10⁶量级)，即M_s较大；物质呈顺磁性状态时，磁化率(χ_顺)较低(数值为10^-3-10^-6量级)，即M_s很小(其宏观表现在于收集的输出电压信号突然变得很小)，其温度T与饱和磁化强度M的关系式如下：

一、当温度T＜T_c时，铁磁性物质在激励磁场中达到饱和磁化强度状态后，其温度T与饱和磁化强度Ms的关系式满足式(8)：

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_c均为定值，联立式(7)、(10)和(11)得到物料的温度与输出电压信号的关系式(12)：

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_顺＜＜χ_铁，在T＜T_c(max)时，在组分整体呈铁磁性时，顺磁体产生磁化强度M_s过小，可忽略不计；铁磁体转化为顺磁体时，其宏观表现在于收集的输出电压信号会一定幅度的减弱，可参照各组分居里温度，进行判断。在多组分体系中计算M_s时，转化为顺磁体的组分，其占比λ按0计。

二、当温度T＞T_c时，铁磁性物质转变为顺磁性物质，其温度T与饱和磁化强度Ms服从居里-外斯定律，如式(13)。

χ_顺为顺磁性物质的磁导率；C为居里常数。

在多组分体系中，当T＞T_c(max)时，组分整体呈顺磁性，各组分均服从居里-外斯定律：

在激励磁场及组分确定的情况，H、C、T_c均为定值，联立式(1)、(7)、(11)和(15)得到物料的温度与输出电压信号的关系式(16)：

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：

Fe₂O₃还原为FeO主要发生在1窑尾段(占窑长23.3％)，温度为1013～1163K、时间为21.5min；

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Fe₂O₃形式存在，温度T＜T_c(Fe₂O₃)，T_c(Fe₂O₃)＝1013k，温度与饱和磁化强度关系按式(17)计算。

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Fe₂O₃、Fe₃O₄形式存在，此时T＞T_c max(Fe₂O₃、Fe₃O₄)，T_c max(Fe₂O₃、Fe₃O₄)＝1013K，此刻物料呈顺磁性，温度与饱和磁化强度关系按式(18)计算：

当温度T在1063～1318K之间，还原度为1/6-1/3时，主要以Fe₃O₄、FeO形式存在，此时T＞T_c max(Fe₃O₄、FeO)，T_c max(Fe₃O₄、FeO)＝858K，此刻物料呈顺磁性，温度与磁化强度关系按式(19)计算：

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_c max(Fe、FeO)，T_c max(Fe、FeO)＝1043K，此刻物料呈顺磁性，温度与饱和磁化强度关系按式(20)计算：

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<Tc，可采用公式(12)计算得到物料的实际温度；

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_c max(Fe₂O₃、Fe₃O₄)，T_c max(Fe₂O₃、Fe₃O₄)＝1013K，采用公式(18)计算得到物料的实际温度；

当T在1063～1318K之间且还原度在1/6-1/3时，此时T＞T_c max(Fe₃O₄、FeO)，T_cmax(Fe₃O₄、FeO)＝858K，采用公式(19)计算得到物料的实际温度；

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_c max(Fe、FeO)，T_c max(Fe、FeO)＝1043K，采用公式(20)20计算得到物料的实际温度。

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。