氧化鐵皮對輻射溫度測量誤差的影響研究

譚鍇^,2  趙晶軍^1,2  龍木軍^1,  吳石新^1,2  黃云偉^1,2  陳登福^1,2

（1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院2M研究室，重慶 400030，2.重慶大學(xué)釩鈦冶金及新材料重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

摘要：鋼在高溫有氧環(huán)境中容易被氧化。氧化鐵皮對目標(biāo)表面輻射能的阻隔導(dǎo)致輻射溫度測量產(chǎn)生難以預(yù)估的誤差。為量化目標(biāo)表面氧化鐵皮對輻射測溫的影響規(guī)律，本文以實(shí)驗(yàn)的方式研究了45鋼在不同溫度下的表面氧化鐵皮厚度的變化規(guī)律以及其對輻射溫度測量造成的誤差，具體提出了一種修正目標(biāo)表面氧化鐵皮對輻射溫度測量影響的方法。本文研究結(jié)果可為目標(biāo)表面存在氧化鐵皮的非接觸式輻射測溫過程的溫度修正提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輻射測溫；氧化鐵皮；表面溫度；溫度修正

Experimental study on the influence of steel oxide scale on radiation temperature measurement

TAN Kai1,2, ZHAO Jing-jun1,2, WU Shi-xin1,2,HUANG Yun-wei1,2,

LONG Mu-jun1,2 CHEN Deng-fu1,2

College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030,China;

2.Chongqing Key Laboratory of Vanadium-Titanium Metallurgy and New Materials, Chongqing University, Chongqing 400044, PR China)

Abstract:Steel is easily oxidized under high temperature and aerobic conditions,because of the barrier of radiant energy caused by oxide scale leads to large errors in radiation temperature measurement.In order to quantify the influence of surface iron oxide scale on radiation temperature measurement, in this paper, the law of change thickness of oxide scale of No. 45 steel at different temperatures and the error caused by the iron oxide scale on the radiation temperature measurement is studied by experiment.A method for correcting the influence of oxide scale on the radiation temperature of target surface is proposed.The results of this study can provide a basis for temperature correction, when there is iron oxide on the surface of the target.

Key words:Radiation temperature measurement; Steel oxide scale; Surface temperature; temperature correction

1 前言

連鑄坯表面溫度監(jiān)測是連鑄二冷水動態(tài)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。目前連鑄坯表面溫度實(shí)時監(jiān)測主要采用輻射測溫法[4,5]。然而復(fù)雜的連鑄現(xiàn)場環(huán)境使得二冷區(qū)鑄坯表面溫度不能準(zhǔn)確實(shí)時地監(jiān)測，導(dǎo)致二冷水量、鑄坯拉速、凝固末端等參數(shù)不能準(zhǔn)確實(shí)時地進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)和預(yù)測。因此，通過修正輻射測溫誤差使溫度測量值真實(shí)反映鑄坯表面溫度顯得尤為重要。

連鑄二冷現(xiàn)場影響輻射測溫的因素主要有高速二冷水碰撞鑄坯形成的水霧和鑄坯表面形成的高溫氧化層。已有的文獻(xiàn)大量研究了如何避開水霧對輻射測溫的影響，有氣路吹掃法[7]、光導(dǎo)纖維探測器無限接近被測物的方法[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正測量值等方法[9,10]。利用上述方法，水霧對輻射測溫的影響已經(jīng)基本得到了解決。關(guān)于連鑄二冷過程中如何避免氧化鐵皮對輻射測溫的干擾，王新華[11]等人提出一種在鑄坯表面測量多點(diǎn)溫度，然后將30秒到2分鐘時間段內(nèi)取最大值作為鑄坯表面真實(shí)溫度。此方法雖然能較準(zhǔn)確的反映鑄坯的真實(shí)溫度，但也存在明顯缺點(diǎn)，一是未能克服隨機(jī)產(chǎn)生的氧化鐵皮導(dǎo)致的溫度不穩(wěn)定問題，二是采用時間段內(nèi)的平均值帶來的滯后，不能實(shí)時監(jiān)測和二冷水的控制，三是沒有充分考慮連續(xù)的氧化鐵皮給輻射測溫帶來的影響。楊嘉毅[12]提出了用面陣CCD測溫儀與紅外測溫儀結(jié)合的方法測量鑄坯溫度，其原理是利用高分辨率的CCD測溫儀找到受氧化鐵皮干擾最小的測溫位置，引導(dǎo)紅外測溫儀在此處測溫，得到受氧化鐵皮干擾最小的溫度。此方法也存在也存在滯后性和未考慮連續(xù)均厚的氧化鐵皮帶來的影響，并且采用多設(shè)備數(shù)據(jù)融合的方法也增加了測溫成本。本文側(cè)重研究的是根據(jù)輻射測溫和氧化鐵皮的厚度計算鑄坯表面的真實(shí)溫度，不僅可用于連鑄工藝，而且還可以應(yīng)用于其他輻射測溫受氧化鐵皮影響的工藝，如連軋等。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料及器材

本文分別采用多個尺寸為92mm×33mm×13mm的45鋼樣和尺寸相同的304不銹鋼鋼樣，樣品成分如表1。器材包括輻射測溫儀，數(shù)據(jù)采集計算機(jī)，真空冷卻裝置、加熱爐，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼樣成分

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

1）鉆焊熱電偶。由于高溫下樣品在空氣中會發(fā)生劇烈氧化，氧化鐵皮會發(fā)生脫落，為避免熱電偶脫落，在樣品上鉆焊鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號為K，冷端溫度為25℃），如圖2.

2）將鉆焊熱電偶的鋼樣分別放入加熱爐中，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，設(shè)置目標(biāo)溫度為800℃。

3）待熱電偶溫度顯示為800℃時，停止氮?dú)狻ｄ摌永^續(xù)保溫一段時間，第i各樣品保溫時間為（10×i ）min，800℃溫度下共15各試樣。保溫階段用輻射測溫儀測量鋼樣表面溫度，測溫儀每分鐘測量6個溫度值，每十分鐘測60個溫度數(shù)據(jù)，并求平均值。

4）保溫完成后立即將鋼樣轉(zhuǎn)移至真空中冷卻至室溫。冷卻后剝離氧化鐵皮，并稱重，為m。采用以下公式計算氧化鐵皮的平均厚度：

m：氧化鐵皮的質(zhì)量，為m1-m12，單位為g；s表：鋼塊表面積，單位為cm2；ρ氧化鐵皮：氧化鐵皮密度，單位為g/cm3。

5）將目標(biāo)溫度分別設(shè)為900℃和1000℃，重復(fù)以上步驟。

6）在目標(biāo)溫度為900℃下，將45鋼換成304不銹鋼，重復(fù)上述前4個實(shí)驗(yàn)步驟。

3 分析與討論

3.1恒溫過程中氧化鐵皮的變化

試樣恒溫處理后，45鋼表面產(chǎn)生了氧化鐵皮覆蓋層，而304不銹鋼鋼表面幾乎沒有產(chǎn)生氧化覆蓋層。圖3為45鋼氧化鐵皮質(zhì)量、生成速率變化圖。

由圖3（a）、（b）可知，隨著恒溫時間加長，三個目標(biāo)溫度下的氧化鐵皮質(zhì)量和厚度均為先增大后基本不變的變化趨勢，且不同溫度下氧化鐵皮生最終成量和厚度幾乎相等。氧化鐵皮生成速率逐漸降低，最終都趨近0。35min內(nèi)，溫度越高，氧化越快，35min后，出現(xiàn)了溫度高反而氧化速率變緩的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，初期溫度越高鐵氧化越快，生成氧化鐵皮越多，但是氧化層會阻礙空氣與基體結(jié)合，導(dǎo)致氧化反應(yīng)變慢直至結(jié)束。

3.2 恒溫過程中表面溫度的變化

鋼種抗氧化能力和基體溫度會影響表面溫度，圖4反應(yīng)了304不銹鋼和45鋼的輻射測溫變化以及基體溫度不同時，其表面溫度的變化規(guī)律。

由圖4可知，隨著恒溫時間變化，45鋼表面溫度逐漸降低，40min內(nèi)，基體溫度越高，表面溫度下降幅度越大。40min后，1000℃實(shí)驗(yàn)條件下的45鋼表面溫度下降至930℃左右，之后保持不變。900℃條件下的45鋼表面溫度下降速度稍緩，下降幅度稍小，60min后表面溫度下降至830℃后保持不變。800℃條件下的45鋼表面溫度下降幅度最小，下降速度最慢，溫變時間最長，80min后，表面溫度下降至735℃，之后保持不變。

45鋼表面溫度降低的原因是表面被氧化，氧化層和基體之間因應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，基體和氧化鐵皮間的傳熱方式由傳導(dǎo)傳熱變?yōu)檩椛鋫鳠幔�基體向外發(fā)射的輻射能在傳遞過程中衰減，故而表面氧化層的溫度低于基體溫度。但是，304不銹鋼有較強(qiáng)的抗氧化能力，表面幾乎不被氧化，溫度維持在900℃左右，無明顯波動。

3.3氧化鐵皮厚度對輻射測溫的影響

由圖3、圖4可知，45鋼基體氧化期內(nèi)，氧化鐵皮的大量生成導(dǎo)致其表面溫度與基體溫度出現(xiàn)偏差，圖5反映了45鋼恒溫氧化鐵皮生成過程中其厚度對表面溫度的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳登福,孫海峰,馮科,白晨光,董凌燕,溫良英,趙戰(zhàn)鋒.ROKOP高效方坯連鑄二冷動態(tài)控制算法模型[J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004(07):56-59.

[2] 陳登福,曾丁丁,孫躍,蘇玉剛,羅敏,梁新亮,劉遠(yuǎn)巖,謝集祥.150mm×150mm方坯連鑄高效化的二冷技術(shù)[J].特殊鋼,2004(03):42-45.

[3] Hardin R A, Liu K, Beckermann C, et al. A transient simulation and dynamic spray cooling control model for continuous steel casting[J]. Metallurgical & Materials Transactions B, 2003, 34(3):297-306.

[4] 賀剛,邢躍,陳忠平.Raytek非接觸式在線測溫系統(tǒng)在熱軋連鑄坯測溫中的應(yīng)用[J].冶金自動化,2001(04):68-70.

[5] 陳建堯,范寶明.二次冷卻動態(tài)控制的研究與分析[J].寶鋼技術(shù),2000(04):37-39+49.

[6] 高文星. 水霧介質(zhì)對連鑄坯表面測溫的影響及測溫方法研究[D].重慶大學(xué),2008.

[7] 杜京義, et al. 一種消除鑄坯表面水霧氣對紅外測溫影響的方法[J]. 重型機(jī)械, 1999, (2): 4-6.

[8] 徐榮軍,陳念貽,劉洪霖,張永鑫,馬智明.基于模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的板坯連鑄二冷水模型[J].鋼鐵,2001(02):26-28+55.

[9] 李琦,施衛(wèi),劉涵,劉丁.連鑄機(jī)鑄坯表面溫度在線實(shí)時測量系統(tǒng)的研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報,2000(02):143-146.

[10] 劉慶國,孫薊泉,溫崇哲,曾小平.連鑄板坯表面溫度在線實(shí)測的研究[J].鋼鐵,1998(02):20-22+47.

[11] 楊嘉義. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的鑄坯表面溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[D].東北大學(xué),2010.

[12] 王新華,王萬軍,劉新宇,朱志遠(yuǎn),張永超. 連鑄二冷區(qū)鑄坯表面溫度準(zhǔn)確測定方法[P]. 北京：CN1410189,2003-04-16.