连铸中间包钢水温度快速响应红外比色连续测量系统

连铸中间包钢水温度快速响应

红外比色连续测量系统

白建忠

（安徽冶金科技职业学院，安徽马鞍山２４３０４１）

摘要：分析了中间包钢水连续温度测量装置推广速度缓慢的原因，介绍了中间包钢水温度

快速响应红外比色连续测量系统的构成、功能、原理和应用效果，讨论了目前钢水连续测量装置响应速度慢、动态测量精度差的一种解决方案。

关键词：红外连续测温系统，比色原理，响应时间。中图分类号：ＴＦ７７７

文献标识码：Ａ

ＳｐｅｅｄＡｎｓｗｅｒＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＩｎｆｒａｒｅｄＣｏｌｏｒＣｏｎｔｒａｓｔ１℃ｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍｉｎＣ．Ｃ．Ｔｕｎｄｉｓｈ

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ｃｏｎｔｒａｓｔ，ａｎｓｗｅｒ

ｔｉｍｅ

１、钢水连续测温装置的研究现状

国内钢铁业连铸中间包钢水温度测量的主流方式，目前仍为快速热偶人工测量。但是在特钢生产领域，由于更为严格的工艺控制要求等原因，连续测温正逐步取代断续式的快速热偶测温。

钢水连续测温装置的研究，虽然历经了７０余年“ｍ１，但能够投入实际应用的、较为成熟的产品，就测量原理而言目前只有两类：红外测温装置和热电偶测温装置。而主要占据凰内连续测温市场的产品正好分属于这两类Ⅲ‘Ⅲ“。

实际应用中发现，这两类产品就其系统稳定性、测量可靠性和静态测量精度而言，大都能够满足一般生产的需要。但是它们明显存在的缺陷，又是导致钢水连续测温装置在国内钢铁业界难以快速推广的直接原因。缺陷集中表现在：温度的时间响应慢，从而直接导致动态测量精度差。具体分析如下：

？

第一、温度时间响应慢的原因

两类产品的共同之处是，在实际测量过程中都采用了部分浸入钢水的测温管（保护管），而两类测温管

的结构、材料十分类似。都采用三层复合结构——外管、内管以及内外管之间的填充层。这样的结构是精

心周密的设计结果。

外管，通常采用铝碳材质、等静压加工成型，取其耐高温、抗冲刷、导热系数高、抗热振性好的优点。

４８

内管材质为刚玉，取其高温化学性能稳定、高温气密性好的长处。填充层通常采用Ａ１。０。粉体或直接使用空气隔断，目的是增大热阻、降低振动。

对于红外测温管，由于内管为红外信号的通道，对于给定波段的电磁辐射，内管空腔必须在整个测温过程中保持洁净、透明，采用刚玉管无论从成本还是性能上都是较佳的选择。但刚玉管导热系数低、抗热振性能差，同时由于几何光学方面的限制，内管的内径较大，为保证机械强度、其壁厚不能太小，导致其导热性能和抗热振性能进～步降低，为了保证刚玉管在插入钢水以及测温过程中不至于炸管，故增加了热阻较大的空气夹层。

对于热电偶测温管，由于通常采用Ｂ型热偶测温，而Ｂ型热偶容易在测温过程中遭遇Ｃ０而中毒失效，因此选择刚玉管作为内层保护管。此时，刚玉管内径可以做的较小，管壁较薄，故其导热、抗热振性能也较好，但为了降低成本、提高竞争力，所用热偶的贵金属丝直径通常都在０．１ｍｍ以下，导致热偶丝极易因振动而断裂，因此不得不增加粉体夹层吸收振动能量。至于钨铼热电偶连续测温方式。１，由于钨铼丝高温时极易氧化脆断，其封装更为困难和复杂，不再赘述。

通过以上分析可见，两类装置的测温管都采用了三层复合结构，因此导热性能差，在钢水温度发生快速变化的情况下，响应时间过长。

第二：动态测量精度差的影响

由于温度时间响应慢，目前的连续测温装置都无法获得开浇第一时间的钢水真实温度。对于频繁的大包更换过程，即便是保护良好的中间包也存在数度至十数度的温度快速波动，尤其是无精炼钢水的换包过程、温度波动的范围更可能高达数十度，此时，现有的连续测温装置无法给出实时、准确的钢水温度。因此无法按照这样的测量温度值实施精细的工艺控制更或连铸的涉温自动控制。目前，不仅国内业者如此、国外发达国家的业者也同样面临如此窘境。

虽然报道中类似于硼化锆、硼化钛一类材质的测温管”儿“，由于其导热率高、管壁薄，而具有理想的温度时间响应特性，可保证获得较高的动态测量精度。但由于成型难、价格高等原因，这类测温管目前还难以直接应用于钢铁生产。

２、快速响应红外比色连续测温系统的研究

２００３年初，马钢公司在新区高效板坯连铸系统的设备选型过程中，发现现有的连续测温装置无法满足高效板坯连铸自动控制对钢水温度动态测量精度的要求，于是在２００３年３月责成安徽冶金科技职业学院（马钢下属院校）成立“中间包钢水连续测温项目”预研课题组，并从２００３年５月至２００６年５月，分别以：“原理验证”、“工业试验系统研究”和“工业应用系统研究”三个课题在股份公司立项，以每年一个科研课题的形式连续获得公司资金支持。其间的研究成果：“快速响应红外比色连续测温系统”（简称“ＳＣＴＭ系统”）和“单层高导温测温管”分别申报了国家发明专利，其“工业应用系统”分别在马钢第二钢轧总厂，

４９

第｝Ｗ钢轧总Ｊ推』麻刚．

ｆ耕ｋ岛效扳坯蛙铸ｊ成功应用

井准备近躺赴第铡轧总』的脚坯琏傩秆ＪＣＳＦ，薄板坯琏磷

自ｒ满址不１ｑＩ业现场的：口求．ＳＣＴＭ系统世计ｊ，＃富的功能横块，ｃⅡ“根据现场妁实际需要苑活地进行配胃，其ｋ要设备包禽：删瀣管，制温枪，红外比色光电转换器．信息中心站，气功系统和功能显Ｊ开，其现场布疆示恩见圈Ｉ

２

ｌ、ｓｃ硼系统功旺描述

ｆ

Ｉ）

高精度、琏缝、动态的制水温度删甚功能，实叫反映例水溢度瞬变波动的快建响应功能：连缍硅现铜水温度州受曲线的温度趋辨标绘功能红外和快逑热偶的硕盯数值温度州步丝小功能；钢水温度舯连续、自动｝０采功能

Ｉ

ｆ２）

（３）

ｒ—１）

ｆｊｊ

ｆ６』与｝’ｍｆ

ｈ¨ｓ

ＤＰ等总蛙ｆ；窟系统光障矧｛日屈功能。

Ｆ舞功能指标如Ｆ：

（¨温度啊肫时侧进八砂级：ｆ２）动态测量精度选±ｏ（３１删温系统地维护

ｆ

３‰

４）删温管免烘烤：

《５）驯溢智寿命≥３０ｈ，

ｆ６Ｊ

具有过樱自动蛆测、状盎自修堑功能。

２

２、单培高导温Ⅻ４温管雎温廑怙导特性

自主研蹬的“塞隆基复台高温陶瓷单层剥温管”。韩物理性质见表

表１

物理性能耐火度，℃，，酎压强度，ＭＰａ抗折强度，ＭＰａ

剽温管材料的物理性能

材料Ｉ

铜段

Ｉ７９０７０２５２２

材料２

黄轻

】７９０６６２４２５２

自由

１７９０１２２３０２ｌ

钢段

１７９０６０２２２ｌ２

渣段

ｌ７９０５５２０２４

自由

１７９０１２２３０２ｌ

体靴密度．∥ｃｍ３

显气孔圭，％导热杀教，ｗ／ｍ

ｋ’

ｌ３＞６０

９＞６０

８＞６０

１２＞６０

８＞６０

８＞６０

抗热震性，｛】００＂Ｃ一风垮

１６１）ｘ４０×４０试样．坎

系统探测的足测温管底批巾ｍ商衽约为２０∞删孵内矗【Ｒ１ｆ简自：：删斑）的温度．进步精制斑悦为

肯定厚度的拈形体ｒ见囝２）．捌斑十表面以Ｆ

ｒｆ≤Ｏ）是钢水，驯斑上表面以上ｃｚ≥， 是驯温管空腔

与测斑关联的热传递方式有：Ｔ钢水与测斑之间的传导热量测斑与周围管壁的传导热量测斑、腔

ｋ

蕾

，—————一２，—————叫

围２测斑几何形状蹦

壁气体之间的辐射换热：ｍ

腔内气体的对流传热，我们可咀忽略后＝种方式的忙墟热．理由☆ｌＩ下．

ｆｌｊ昔悫到剽温管醴凡钢求☆相当椿度．测斑与凡附近管壁的温差校小周此，测艇与周同管畦的传导热②呵Ｈ忽略，

ｆ２）由于辐射换热是＊１互的．测艇虽然温度较高趣位丁中央Ｐ１ｌ陷区Ｊ１卣秘转＿、．其辐射净热攒很小。闭此．②也一Ⅱ以鲁略。

ｆ＂＊４溢管上部等滤管的睁却璃制气娩将导敏强迫ｌｔ流攘热全使擀删温管上都管擘热搦较大，似由丁喷射气流难吼深＾ｊ＿ｆ｜删温管的底部区域渊斑附近毋然为自抟对流按热．对洲氍温度麟响牛凡，可以枣略０的影响．

打以ｒ简化近似Ｆｕｒ以认为Ⅻ９斑在ｚ＝，世ｊ茴足绝热条件。

根｛＃博ｎ叫（ｒｃ州ｉｅｒ）热传导记律，可咀将销水与删琏的ｆ々热问题归结为：

堡一！丝：ｏｒ（３ｔ

。

ａ７２

ｕＣｚ，ｏ）＝甜ｏ

＂（０，ｆ）＝甜，坐Ｉ

瓦Ｉ—ｚ＝１．０

（０＜ｚ＜，，ｔ＞０）（０＜ｚ＜，）Ｏ≥０）Ｏ≥０）

（１）

式中髟＝ｋ／ｐｃ为导温系数（或称：温度传导率）；埔为测斑起始温度，令曲＝０；Ｕ。为钢水温度。应用拉氏

变换：万（Ｚ，ｐ）＝，Ｐ—ｐｆ甜ｚ，ｔ）ｄｔ：初值化条件；及边界条件得到：

０

宴一三ｐ万：ｏ

ｄｚ２

Ｋ‘

ｐ

＝

（２）

虬一ｐ

Ｏ

地堕出＠癫一沈Ｌ

令：ｑ２：旦取：

Ｋ

＝

ｑ

２

１ｆ二＿，

ＹＫ

石

Ｒｅ（ｇ）≥０得到方程１的通解，并由边界条件得到：

彳：丝三：尘

万（ｚ，ｐ）＝Ａｅ弘＋Ｂｅ一弘

Ｐ

Ｂ：生

ｅｑｔ上ｅ—ｑｔ

（３）

２ｐｃｈｑｌ

２ｐｃｈｑｌ

式中彳，Ｂ代入方程得到：

万（Ｚ，ｐ）＝了ｕ，面１ｌｑｑ－ｚ）＋ｅ－ｑ（１－ｚ）］＝雩学

将上式右侧用级数展开：

（４）

ｉｉ（ｚ，ｊ，）＝＝！Ｐ！已『＿Ｌ童．＝ｏ（一 ）”Ｐ一（２月，＋ｚ）ｇ＿。喜ｌ’”Ｐ一２月，一。ｋ］

使用拉氏换式：

ｃ５，

导ｅｒｆｃｊ车得到测斑上表面（ｚ：Ｊ，即测量面）温度方程（动态特性方程，

２４ｔ

为：

诹沪２甜，薹（．１）”曲警／Ｉ．／，

捍＝Ｕ

（６）

厶、ｆ

５２

其中ｅ疵＝去弘１２幽＝ 一去弘１２幽＝，一ｅｒｒｘ

ｅ订一：ｒ称为误差函数。该级数解的优点

是当｝很小时，级数的收敛速度也很快，特别适合快速时间响应情况下的理论计算。

取ｆ＝ｌＯＯｓ时，代入数据验算，当‰。＝１０时，相对误差小于十万分之一。

一“（，，ｔ）：１—２ｙＩＯ（－１）一ｅ疵堕掣＝０．０００３４２％％

月＝Ｏ

二、『＾ｌ

叫乞萎（－１）”曲警

图４２为：茁：ｊｌ：５．１９８×１０一；玛：１５２５℃；测斑厚度』：９．３衄；疗：ｌｏｏ时的温度时间理

ｐｃ

论响应曲线，图４３为实测曲线，理论与实测曲线高度吻合，表明简化假设所引起的误差很小。２．３、红外比色测温原理

由于采用高导熟单层测温管，其高温化学性能并不十分稳定，在温度测量过程中始终存在高温挥发

性气体物质，同时钢水中的气相物质也会通过渗透、扩散的方式进入测温管。ＳＣＴＭ系统除了采用枪、管一体化的创新设计外，采用红外比色测温技术也是保证测温系统稳定工作的重要措施。

比色测温技术，关键选择了互相重叠的两个接近的红外波段，取这两路红外射线的照度比值求出相

对应的温度值。其优点是当红外光路被烟尘遮挡时，由于发射率相近，两者照度的下降幅度基本一致，因而照度比值保持不变，从而使得被测温度值不会因烟尘遮挡而发生错误波动。

比色计测温采用两个亮度计的照度比值：刀＝届／尼，可得到”１：

Ｒ＝

口（Ａ。弦∽。，丁玩Ｐ丸ｒ观

口魄。弦（名：。，Ｔ）２丢ｅ秘泓：

（７）

式中元。为第一光电探测器接受频谱的中心波长；觑。为其带宽；无。为第二光电探测器接受频谱的中心

波长：魏为其带宽。式７两端取自然对数整理后得到比色计测温的数理关系式为：

５３

～２ｂ期磋一

取：以ＡＩ∥以石０＝１０：

￡（五ｔ。Ｔ）／￡（如。，）＝ｌ：石况－／６如＝３．５／１．５：

五－ｃ：０．９２５／埘；

㈩

无ｃ＝１．０２５／ｚｍ，

据此绘制了两条，胡曲线，可见：刀取值范围大时为非线性曲线；取值较窄时基本上是线性的。

３、ＳＣＴＭ系统的应用效果

２００５年１２月，为了考验ＳＣＴＭ系统的稳定性和可靠性，课题组在马钢装备水平最为落后、作业条件最为恶劣的第二钢轧总厂方坯连铸机安装了一套“工业试验系统”，又于２００７年２月安装了一套“工业应用系统”，进行长期测试。

试验系统在２００６年５月下旬曾出现过一次停机故障，调查表明：造成停机的直接原因是冷却气体温度严重超限。纪录显示，当时冷却气体温度连续数日超过５５＂Ｃ。而造成冷却气体温度超限的原因来自于两个方面：第一，冷却气体管道未采取任何隔热措施、盘环穿过结晶器夹层；第二、马鞍山当时连日高温。随后采用隔热棉对结晶器夹层段的冷却气体管道进行了全线包裹，系统随即恢复正常。除该次故障外，系统均运行稳定、可靠，实现了免日常维护的设计要求。

随机选取近期一个完整浇铸周期的温度测量纪录，并分析报告如下：时地

间：２００７年７月３０日下午６：３０至次日凌晨３：２０点：马钢第四钢轧总厂高效板坯二号连铸机

测温管类型：１．３ｍ加长免烘烤型

烘包包温曲线：中包大火烘烤４０分钟后，系统进入测温状态，包温曲线见图７：

钢水温度曲线：完整浇铸周期全程，红外温度与热偶温度比对曲线：见图８：

比对统计表：在中间包的完整浇铸周期内，红外连续温度与快速热偶点插温度的逐点比对统计结果（见表２）。

表２全程红外、热偶温度测点逐点比对统计表

比对测点时间

２０：２１’４５”

红外温度值（Ｔ１）

１５４８ｏＣ１５５０ｏＣ１５４７ｏＣ１５４１ｏＣ１５３３ｏＣ１５５２ｏＣ１５５８ｏＣ１５５６ｏＣ１５５３ｏＣ１５４７ｏＣ

热偶温度值（Ｔ２）

１５４７ｏＣ１５５２ｏＣ

温差（Ｔ１＿Ｔ２）

＋１ｏＣ一２ｏＣ一１ｏＣ＋２ｏＣ＋３ｏＣ一１ｏＣ一２ｏＣ＋１ｏＣ＋１ｏＣ＋１ｏＣ

备注

２０：３０’０８”２０：３８’０６

７’

１５４８ｏＣ

１５３９ｏＣ１５３０ｏＣ

２０：５３’００”

２１：３２７２２”００：３５’５２’’

其中两个无效比对测点未纳入该统计表中。在这两个测点上，热

电偶测量的都是

１５５３ｏＣ

１５６０ｏＣ１５５５ｏＣ１５５２ｏＣ

００：５４７２２”

０１：１７’１２”０１：５３７５５”０２：４１’３６”

大包而非中包钢水温度。

１５４６

ｏＣ

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ＵＫ

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２００７４

５５

连铸中间包钢水温度快速响应红外比色连续测量系统

作者：

作者单位：

白建忠

安徽冶金科技职业学院,安徽马鞍山 243041

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