铜工业是国民经济的支柱产业，在军事、经济领域有无可替代的作用，竖炉炼铜是铜冶炼的重要装备之一，竖炉生产的效率直接影响铜生产的产量。因此，提高竖炉的生产效率具有重要的意义。但目前我国竖炉的信息化水平总体不高，大部分仍然仅依靠仪表和工人的经验进行控制，效益不高。竖炉大型化虽有发展，但总体上竖炉技术装备水平较国外企业要低。为了缩短我国与工业发达国家之间技术水平的差距，提高我国炼铜技术的竞争力，必须要加快炼铜系统的技术改造步伐，尤其要发展炼铜的自动化和息化技术，达到国际先进水平。

　　废杂铜冶炼生产是在高温、密闭条件下的物理、化学、动力学过程。由于影响竖炉安全稳定生产、提高铜液质量的因素很多，为此采用了各种传感器来检测废杂铜冶炼过程中的各种参数和炉内状态，力求为操作者提供有效和可靠的操作依据。但在经过处理分析之前，这些参数既不是直观的，对冶炼过程的影响也不是独立的，有些甚至不是实时的。例如，炉内热电阻测温都是点数据，对炉内情况描述不全面;炉内的气体温度、压力是相互影响，都和炉内工况息息相关;代表铜液质量的成分检测也是在出铜之后才由实验室分析出来的。因此，在未对这些参数加工、处理之前，需要操作人员根据竖炉冶炼理论和生产操作经验加以综合分析，对炉况做出判断，这无疑是很困难的。因此有必要对竖炉炼铜过程进行研究，建立数学模型，借助计算机技术，为竖炉能优质、低耗、高产、长寿、稳定地生产提供有力的手段。

　　在竖炉炉内信息中，竖炉的温度和炉膛压力是整个成套控制系统实现自动控制的关键参数。炉内的温度场分布和炉膛压力大小在很大程度上体现竖炉生产工况。温度过低，反应无法正常进行，导致炉膛结焦、炉膛灭火。温度过高会浪费能源，降低冶炼炉使用寿命并且会造成铜液过氧化，影响还原阶段的操作及铜质量。炉膛压力是反映炉膛稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。炉膛工况一旦发生变化，炉膛负压随即发生相应变化。当炉膛系统发生故障和异常时，最先在炉膛负压上反映出来。当炉膛负压过大时，漏风量过大，引风机耗电，不完全燃烧损失，排烟热损失均增大，甚至使反应不稳定或炉内负压变小甚至变成正压，火焰及飞灰从炉膛不严处冒出，恶化工作燃烧造成危及人身及设备安全，故应保持炉膛负压在稳定范围内。

　　高温测量一般是指800℃以上的温度测量，人们利用物体的某些物理化学性质如线膨胀率、体积膨胀率、电阻率、热噪声、热辐射等与温度的关系，开发了形式众多的温度传感器以及基于这些传感器的温度测量方法与测温装置。根据温度传感器的使用方式不同，目前温度的检测方法大致可分为接触式测温法和非接触式测温法两类。

　　接触式测温法

　　接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场中，不受黑度、热物理参数等因素影响，对于通常的单点温度测量情况来说，具有测量精度较高、使用方便的优点，而且测得的是被测物的真实温度。其缺点是由于要接触被测物体或介质，对测量仪器及探头的环境适应能力就有较高的要求;其次，接触本身会对被测物体或介质的温度分布产生影响;另外，相对辐射测温来说，其动态性能较差，测量过程较长。

　　目前在竖炉生产中，主要还是应用传统的热电偶测温法和光纤高温计来测量温度，我国东北大学长期从事热电偶研究，武汉理工光科股份有限公司也成功研发出了GW系列光纤高温计，其成果在冶金行业的不同过程的应用中获得成功。

　　非接触式测温法

　　在非接触方法中，红外测温技术比较成熟，日本千野、横河、松下、川崎公司、美国Raytek公司、ISI公司、英国LAND公司、德国Optris公司、瑞典AGEMA公司、中国科学院自动化所等单位研究开发并生产了用于冶金行业的红外测温仪器。三明钢铁厂、济源钢铁厂成功应用了用于热风炉拱顶温度测量的红外测温装置。新钢6号高炉使用了炉顶红外摄像仪作为炉内温度检测的装置，但是高炉没有建立相应的温度场模型，只是利用原始的红外图像数据作为温度场的参考，并没有对数据作深入的分析研究及应用。莱钢也采用了类似的方法。

　　当前世界上最先进的两种炉膛温度场的测量方法是基于图像处理的温度场测量方法和声学高温测量法。基于数字图像处理技术的高温非接触测温技术利用彩色CCD摄取的数字图像信号实现温度检测，测温仪器通常由彩色CCD摄像机、图像采集卡和计算机组成。就目前国外的研究状况而言，D.Manca等人提出了一种利用红外CCD测控燃烧室温度场的实用方法。G.sutter等人利用加强型CCD测量近似黑体的物体表面发出的某一波长的单色光，以此得到物体的辐射温度，所得测量结果与物体的真实温度之间的差别几乎可以忽略不计，但作者未具体说明图象处理和温度计算方法，也未进行误差分析，其实验误差达16℃。

　　国内西北工业大学也搭建了一套基于彩色CCD摄像头的实时炉温测量系统，并且用自己研发的黑体炉对该系统进行了标定。他们重点研究了分段测温的问题，对神经网络法和最小二乘法两种计算温度的方法进行了比较，提出了用联合卡尔曼滤波器来提高测量精度的方法，并且将系统改进成了双彩色CCD摄像头的测温系统。东南大学提出在600~700nm波段，避开炉壁辐射的影响，利用比色测温的原理，消去中间介质吸收的影响，使用中心波长不同的单色滤光片和CCD同时摄取图像测量温度场。南昌大学从应用的角度架构了一个以优化的教字信号处理器为核心的系统，实时实现窑炉内的高温检测。陕西科技大学应用双色测温原理设计了一种基于DSPs的图像处理系统，通过研究表明，该系统可以获取温度场的瞬时分布。华侨大学应用MATLAB中的图像处理工具箱，对彩色CCD摄像机所拍摄的窑炉内的彩色图像进行处理分析，采用温度区域的划分和三色波长光谱测量法，将温度分成几个温度区域从而实现高温窑炉温度的计算机检测，并取得了良好的效果。

　　但基于图像处理技术的测温方法在建立二维辐射和三维辐射能量(温度)分布的数学关系式，需要考虑的因素很多，如固体颗粒的散射对辐射能的影响，炉内介质衰减系数的影响等等，但目前都将其忽略或假定为均匀的，无疑给温度场重建带来较大的误差。且这些研究成果大部分是在仿真环境下运行或在现场设备上做了短期试验，还有些具体问题需要解决，如所采用的内窥式CCD摄像头在高温，粉尘和熔渣等现场恶劣环境的长期，连续工作的寿命和维护问题等。

　　1873年，Mayer第一次提出了利用声学方法来确定气体介质的温度，20世纪80年代美国Nevada大学的J.A.Kleppe等人研究开发了声学高温测量系统;意大利Pisa大学Emanuele Salerno等人成功研制出一套声学高温计并申请了专利，所用发射—接收单元为电声系统。德国University of saarland开发了声学高温测试系统，并已应用于230MW及750MW电站锅炉温度场检测。声学测温系统在国外已经实现了商业化，如美国SEI公司开发和研制了一种命名为Biolerwatch的系列产品，用来检测活力发电厂的锅炉温度场分布。英国的CODEL国际有限公司与谢菲尔德大学合作研发出的名为PyroSoniell的声学测温装置也已投放市场。

　　我国对声学测温技术的研究尚处于起步阶段。20世纪90年代初，东北大学邵富群教授及其领导的研究小组，开始对锅炉炉膛温度场的声学测量方法进行研究，从声源信号发生形式，温度场重建算法到温度场测量实验系统的构成等均进行了一系列的研究和实验。华中科技大学周怀春教授利用声学的方法对炉膛内的温度场、流场等进行了研究。华北电力大学、沈阳航空工业学院的学者也开展了相关的研究工作，他们的研究工作也主要是优化温度场重建算法，并在炉膛现场进行了相关的冷态实验。

　　声学高温测量系统直接测得的是某一路径上的平均温度。但这一平均温度不能反映某一点的实际温度水平。并且目前炉内三维空间的温度分布尚不能获得，理论上可行，实际上要想得到炉膛空间的温度分布首先得在炉身上下布置众多的声发生器和接收器，而现在的声发生器和接收器尺寸较大，需炉墙开孔也大，这对燃烧有一定的影响;另外，炉内燃烧复杂，各种气体组分相差悬殊，要精确地求解温度场需考虑的因素还很多。目前声学高温测量系统必须在吹灰器停用时使用，而且只有在背景噪声很低时才投入，这就限制了系统的应用。

　　作者单位：安徽大学，浙江大学宁波理工学院