摘要
在火法冶金过程中的熔融金属及渣液，都具有一定的粘度，即流动性的好坏。为了研究高温熔体结构以及高温时各种反应机理，都必须测定其液态时的粘度状况。例如炼钢渣和高炉渣在高温下是一个复杂的物理化学变化过程，而炉渣粘度对整个冶炼过程中有很重要的影响。目前国内虽然有很多单位在研究各种各样的高温下微小粘度测定传感器，但都因各方面的原因未能做得十分理想，甚至不到半年就无法使用，且稳定性很差。本课程完成的高温炉渣粘度测定系统总结了国内外粘度计的优缺点，其实验证明效果较好。本项目的研究对象为测定火法冶金过程中的熔融金属及炉渣的粘度。包括选择和设计测定系统方案、分析炉渣流体特性、材料粘度的计算、炉渣粘度测定系统的设计等。本文中主要分析了高温粘度测定原理和方法、牛顿流体和非牛顿流体、硬件系统设计、粘度参数的非线性修正和稳健优化控制、控制系统电气图设计，软件和控制系统的设计与实现等，从而可更清楚详细地了解本系统的设计与开发。本课题的研究凭借以重庆科技学院为依托单位和重庆科技学院冶金性能检测设备研究所为主要完成单位，莱芜钢铁集团公司提供该产品的测试和实验条件。
关键词：炉渣粘度测定 非牛顿流体特性 粘度测定系统 LMS自适应滤波器
Abstract
The melting metal and the slag-liquor both have a viscosity that indicates how about the fluidity. It must test the viscosity when they are liquid state for investigating the configuration of the high-temperature melting metal and the reaction mechanism. For example, the steel slag and the blast furnace slag are a complex physical-chemistry reaction, while the viscosity of the slag plays an important part in the smelting. Presently in China, many units search the viscosity, sensor which measures the low viscosity in the high temperature, but they are not very good and have the weak stability. The design and exploitation of this system is a scientific research project which comes from a graduate school of the university of Chongqing science and technology, the graduate school is to study the performance-testing equipment. The research object: determining the melting-metal and the slag’s viscosity in the process of the fire-method metallurgy, involving in choosing and designing to test the project, testing to obtain the performance parameter, calculating the material’s viscosity, designing to test the system of the slag’s viscosity. This dissertation expatiates mainly the measure principium and the method of the high temperature viscosity, the hardware system’s design, the design of the control system’s electrical chart ,designing and carrying out the control system and so on, so to understand the system distinctly and in detail. Depending on the main units of the university and it’s a graduate school which is to study the performance-testing equipment, while the LaiWu Steel Group offers the product’s testing and the training environment. Using for reference of Mr Shi and Mr Chen in the study, under their help and guidance to bring the dissertation to success.
Key words: The slag’s viscosity Measurement :Non-Newtonian Fluids:
Viscosity Measurement Equipment :LMS
项目的研究意义
本课题属于应用基础研究，是为了解决火法冶金过程中高炉炉渣粘度的测定问题，属于冶金过程中的共性问题，研究成果为国民经济和社会发展迫切需要解决的重要科技问题，因此开展这项研究具有重大的科学意义和工程实用价值。
冶金工业是我国社会经济发展的支柱产业，直接影响到国家基础设施建设和人民生活水平的提高。我们开发成功的高温粘度测定系统，解决了长期困扰冶金企业的一大共性科技难题，研究成果大大提高了我国冶金检测的水平。大力发展该高新技术产品，完全可以替代进口产品，并可出口创汇，促进我国经济发展，对科技进步有重要的推动作用。从国内外市场看，该产品在市场年销量约15000台，国内市场10000台，国外市场5000台且分布面广遍布世界各国。该产品是应用前景广阔，市场需求量大的产品。我们还将通过广泛宣传产品，开拓国内外市场，并积极争取列于国家科技计划，使该项成果在全国范围内推广应用。
本课题的研究成果目前已经在国内多家大型冶金企业应用，已经并继续为用户带来了可观的经济效益。
系统的研究内容和总体设计思路
本课题针对火法冶金过程中目前还没有比较有效的高温粘度测定和分析装置的实际情况，参考国内外相关研究的成功经验，设计出了 “高温粘度测定系统”。本课题研究的科学技术内容包括项目研究总体思路的设计；炉渣粘度测量方法的提出；测定过程中误差控制算法的设计；测定装置硬件系统的设计；控制系统和软件系统的设计等。
为了解决炉渣粘度的测定问题，测定原理和测定方法是本课题研究的核心内容，本课题比较了牛顿流体和非牛顿流体粘度的区别，分析了炉渣的流变特性。最后根据高炉炉渣特有的高温、高腐蚀的特点，粘度测量选用了计算机控制的从冷态到高温的全自动控制的扭矩旋转粘度计。
在实际操作中，为了减小测量的系统误差和测量误差的影响，对粘度的测定需要进行标定。同时为了进一步解决测量过程中杂质、气泡、测量环境中有关因素对测量结果精度的影响，提出了采用LMS滤波器进行曲线的拟合和跟踪，包括稳定性调节、过调节，以及解决优化调节的收敛性和收敛速度问题。从而最大限度去除干扰信号，稳定测量结果。
测定装置的硬件系统是实现既定测量路线的重要保障。在炉渣的性能测定系统中，设计了专用的传感系统、执行机构、温控系统、PLC、供电装置、测定箱、变速箱、样品箱等。这些测量装置的设计一方面解决了传统测定方法中需要手动操作而造成的测量误差，保证测量精度；另一方面降低了测量人员的工作强度。
数据处理方面，本系统采用计算机控制的方法。传感设备将采集到的数据输入计算机，在计算机中对数据进行存储、分析和处理，计算机根据用户设定的测量参数向执行机构发出执行命令，进而达到自动控制的目的。
最后，通过实际测得的数据与理论数据进行比对，对本课题建立的模型和采用的技术方案进行验证。
软件系统功能的实现
高温粘度测定系统控制系统的主要控制内容为温度控制、粘度测量和对执行机构的控制几个方面，另外还有一些辅助功能。在实现此系统时选用了Borland公司98年推出的全新32位Windows开发工具C++Builder。之所以选用C++Builder是因为它不仅继承了Delphi使用简便，功能强大，效率高等特点，而且它还结合C++语言所有优点。C++Builder可以说是至今最好的Windows开发工具。而根据本系统的各方面实际情况，C++Builder可更容易实现此系统的各种功能．
此部分只列出了部分的主要源代码，详细代码见付表或本系统。
○1温度控制
此部分主要的后台代码：
if(cssz[0]<1){
CBHot->Checked = false; //Label9->Caption = "实际温度:℃";
Label29->Caption = "料中温度："; // Label20->Caption = "料中温度:℃";
}else{
CBHot->Checked = true; //Label9->Caption = "侧边温度:℃";
Label29->Caption = "料中温度：";// Label20->Caption = "料中温度:℃";
}if(cssz[1]<1)
{
…
}else
{
CBZS->Checked = true;
LabDJZS->Visible = true;
LabZS->Visible = true;
}if(cssz[4] == 1.0)//采用温度仪表读温度
{
if(MSComm2->PortOpen==true) MSComm2->PortOpen = false;
MSComm2->CommPort = cssz[5];
try{
MSComm2->PortOpen = true;
CBYB->Checked = true;
}
…
目录
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
1 绪 论 1
1.1项目立项背景及研究意义 1
1.2系统的研究内容和总体设计思路 2
2高温粘度测定原理和方法 4
2.1牛顿流体的流变特性和粘度测量方法 4
2.2高温炉渣粘度的流变特性及其对测定结果的影响 5
2.3粘度计的工作原理 10
3粘度参数的非线性修正和稳健优化控制 13
4硬件系统设计 18
4.1系统的总体设计 18
4.2 PLC系统的选型和设计 18
4.3 温控系统的选型和设计 20
4.4执行机构的设计 23
4.5控制系统的设计与实现 24
5软件系统功能的实现与验证 27
5.1软件系统功能的实现 27
5.2 控制系统电气图设计 36
5.3 模型和功能的实现和验证 39
(毕业设计网 )
6结论与展望 41
6.1结论 41
6.2存在的问题和后续研究 42
参考文献 44
致谢 45
参考文献
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