紅外掃描測溫裝置在板坯連鑄機二冷區的應用研究

喬 治

(酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引言

煉鋼板坯連鑄工藝中，二冷區冷卻強度直接決定了鑄坯在凝固過程中的冷卻效果和內部凝固，是鑄坯內部質量控制的關鍵環節[1]。近年來，隨著各冶金企業開發新品種鋼力度的不斷增加，常規鋼種連鑄二冷區冷卻控制模型難以適應新鋼種鑄坯拉制的要求。因此，在連鑄過程中通過溫度在線測量將鑄坯控制在最佳的熱狀態，進而開發出能夠滿足新鋼種鑄坯生產需要的二冷區冷卻模型顯得尤為迫切。但煉鋼板坯連鑄表面測溫因各種現場干擾因素導致測溫精度較差[2]，常規單點測溫的方式難以反映出鑄坯表面的溫度分布情況，故難以據此對各分區、各段二冷區冷卻水強度進行精確的計算和調整。對此，開展了板坯連鑄機二冷區鑄坯表面溫度測量技術的應用研究。

1 背景技術

目前，國內外的二冷區板坯測溫技術主要包括熱電偶接觸測溫技術、電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)陣列彩色攝像機熱成像技術和紅外輻射測溫技術。通常，熱電偶接觸測溫采用多只熱電偶組成環形測溫儀，安裝于連鑄機支承輥上[3]。由于熱電偶測量滯后時間較長，且難以解決氧化鐵皮對測溫準確性的影響，在冷卻水噴射至電偶頭部時會造成較大測量誤差。此外，采用CCD陣列彩色攝像機也可進行二維圖像處理[4]。但其長期應用于連鑄機二冷區高溫、高水蒸氣環境中極易損壞，且其測量鑄坯寬度有限，難以適應連鑄機隨時變換鑄坯寬度的實際生產條件。紅外輻射測溫技術則大多采用峰值檢測器測量最高溫度，以避免氧化鐵皮影響，或采用機械裝置刮去氧化鐵皮的方式。近年來，將帶吹掃的水冷光導纖維探頭靠近鑄坯的測量方法[5]更為常用。該方法可以避免水蒸氣的影響，但在實際應用中主要存在以下問題。

①單探頭紅外輻射高溫計只能測得板坯表面單一測溫點位置的溫度變化，難以對板坯橫向表面溫度分布進行全面檢測，因而無法對二冷區各段冷卻強度進行準確判斷。

②紅外輻射測溫儀或分布紅外高溫計均采用單波長測溫原理。為保證測量準確性，單波長測溫儀要求視場內不能有任何遮擋。但在實際測量中，鑄坯表面氧化鐵皮的干擾影響難以克服，會導致測量失準。

③紅外測溫儀紅外特征波長選擇不當，將導致該特征波長的紅外能量在傳導空間內被二冷區存在的大量水蒸氣吸收，增大測量誤差。

④鑄坯生產時高溫輻射，接近鑄坯面1 000 mm內的輻射高溫達到400 ℃左右，且測溫儀周邊環境有大量水蒸氣，超過常規紅外測溫儀適用的環境溫度及濕度指標。因此，傳統的帶吹掃光纖探頭測量或其他紅外測溫方式均難以長期在該惡劣環境中運行，使用壽命較短。

⑤對不同寬度的鑄坯，無法實現自適應全橫向測量。

⑥如在鑄坯寬度范圍內同時采用多臺紅外測溫儀連續測量，成本高昂。

2 紅外輻射測溫儀抗干擾試驗

針對連鑄二冷區鑄坯表面存有氧化鐵皮、水膜覆蓋及測量光路內存在水蒸氣等惡劣測量條件，傳統的單波長紅外輻射測溫儀在實際使用過程中，表現出測量值波動大、測量精度不穩定、難以克服水蒸氣干擾等明顯缺陷。對此，試驗選用雙波長紅外輻射測溫儀。

相較于單波長紅外測溫技術，雙波長紅外輻射測溫儀并非直接根據接收到的物體熱輻射能量的大小來判別溫度，而是分別接收物體紅外熱輻射中兩個相鄰波段的能量求其比值，再根據這個比值的大小來確定物體的溫度。當物體發射率較低時，兩個相鄰波段輻射的能量均較低；反之，當物體發射率較高時，兩相鄰波段輻射的能量均較高。如果物體溫度發生變化，則比值發生相應變化。因此，采用雙波長紅外輻射測溫儀，可有效解決環境因素對物體發射率的影響[6]。

為了驗證單、雙波長紅外輻射測溫儀在實際測量應用中受各種干擾的影響程度，以黑體爐為標準溫度源，在恒溫環境下的測量光路中分別加入水蒸氣、煙霧、靶目標被部分遮擋等單一干擾。試驗通過紅外測量值與黑體爐標準溫度值的偏差比較，得出各種干擾因素分別對單波長、雙波長紅外測溫準確性的影響數據。干擾試驗數據如表1所示。

表1 干擾試驗數據

試驗結果分析如下。

①當光路中存在水蒸氣時，單波長紅外輻射測溫儀測量值比標準溫度平均低230 ℃，雙波長紅外輻射測溫儀測量值比標準溫度平均低24 ℃。由此可見，單波長測量易受到水汽吸收影響，而雙波長測溫儀受到的干擾較小[7]。

②當有光路中存在煙霧影響時，單波長測溫儀與標準溫度的最大偏差為2 ℃，雙波長測溫儀的最大偏差為4 ℃。煙霧干擾對單、雙波長紅外輻射測溫儀的測量準確性影響很小[8]。

③當靶目標遮擋只能充滿30%視場時，單波長測溫儀的測量平均偏差達200 ℃；而雙波長測溫儀測量最大偏差僅為4℃。由此可以看出，單波長紅外線測溫儀必須要求目標完全充滿視場，而雙波長測溫儀則幾乎不受影響，部分進口產品的技術指標要求目標大于5%視場即可準確測量[9]。

通過干擾試驗證明，在煉鋼連鑄二冷區板坯溫度測量選用雙波長紅外輻射測溫儀，面對水蒸氣、煙霧、板坯表面氧化鐵皮等干擾因素，其抗干擾性能明顯優于單波長紅外輻射測溫儀。

3 系統結構及配置設計

為了實現在連鑄機二冷區對板坯表面的全橫向掃面測溫，同時兼顧成本，設計了一種可以在板坯連鑄機二冷區橫向測量鑄坯表面溫度的紅外掃描測溫裝置。該裝置可在鑄坯表面有水膜、氧化鐵皮及空間有水蒸氣情況下，對鑄坯以橫向多點掃描方式進行準確測量。該裝置主要包括一臺雙波長紅外輻射測溫儀、一臺角行程電子式執行機構、萬向調節裝置和一套可編程序控制器(programmable logic controller，PLC)。

該裝置選用雙波長紅外測溫儀，能夠實現靶目標僅占5%視場條件下的精確測量，對水汽、煙塵等干擾因素具有很強的抗干擾性能。為防止雙波長紅外輻射測溫儀因使用環境溫度過高而損壞，對其采用循環水冷卻方式。將壓力為0.4 MPa凈水經測溫儀水冷入口接入測溫儀水冷系統，進行冷卻循環。為盡可能地減少測量光路中水汽及其他煙塵的影響，使用壓力為0.6 MPa、流量為5～10 L/h的潔凈氮氣自測溫儀鏡頭吹掃氣入口。這樣既能保持測溫儀鏡頭清潔及降溫，又可以加長紅外測溫的清潔光程長度，減少煙塵等干擾因素對紅外光的吸收、散射，以及因此造成的測量誤差。

雙波長紅外輻射測溫儀底部通過固定螺栓與萬向調節裝置及角行程電子式執行機構相連，角行程電子式執行機構接收PLC發出的4～20 mA控制信號帶動紅外測溫儀。PLC接收連鑄主控制系統送出的坯面寬度信號，并據此控制掃描測溫裝置旋轉角度。為了更多地獲得鑄坯表面溫度分布情況，將測溫位置以坯面寬度均分6點，每點測量停留時間為5 s，在鑄坯連續生產過程中進行自動循環橫向掃描測溫。

為了滿足測溫儀及和電動執行機構使用環境溫度-17～+60 ℃的技術要求，將測溫儀和電動執行機構固定于隔熱防護箱內，防護箱前部和兩側帶有隔熱石棉的防熱輻射護板。為解決在鑄坯生產時測溫儀安裝位置環境溫度達到205 ℃并伴有大量水蒸氣的問題，采用潔凈空氣對防護箱內進行冷卻吹掃的方法。該方法既降低了隔熱防護箱內的溫度，又保持了箱內微正壓狀態，可防止蒸氣對電氣設備的腐蝕和破壞。

該測溫系統在酒鋼碳鋼薄板廠板坯連鑄機上線使用后，針對二冷區存在大量水霧、氧化鐵皮等干擾因素，整機測量精度達到±2%FS以上。工藝操作員依據測溫結果適時調整二冷區冷卻強度，對解決連鑄機板坯裂紋等影響質量控制薄弱的問題效果顯著。

4 結束語

這套自行設計制造的紅外掃描測溫裝置在板坯連鑄二冷區的應用，為工藝操作人員進行不同鋼種、不同鑄坯規格鑄面溫度分布、異常溫度預報等操作提供參考。作為一項成熟的應用技術，其可以在冶金行業同類連鑄機上進行推廣，在提高鑄坯質量、開發新品種鋼等方面，為二冷水冷卻控制模型的建立提供了更為精確的指導。