王盛林
（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）
摘要：介紹了中間包輻射連續(xù)測(cè)溫的原理及系統(tǒng)的改進(jìn)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)溫度測(cè)量基本穩(wěn) 定，測(cè)溫管響應(yīng)時(shí)間短；且在大包開(kāi)澆、交接時(shí)也均能快速反應(yīng)出中間包溫度的變化。該系統(tǒng)的溫度測(cè)量偏差≤ 1.58 ℃，滿足了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需求。
關(guān)鍵詞：連鑄機(jī)；中間包；鋼水；連續(xù)測(cè)溫
引 言
中間包連續(xù)測(cè)溫技術(shù)是指采用連續(xù)測(cè)溫探頭取代傳統(tǒng)的熱電偶點(diǎn)測(cè)方式，以提供給連鑄操作人員實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確的鋼水溫度，尤其是可以提供中間包開(kāi)始澆鑄、鋼包更換及中間包澆鑄結(jié)束期間的溫度變化趨勢(shì)，供操作人員快速應(yīng)對(duì)突變情況。而且如果連鑄機(jī)采用中間包加熱技術(shù)，那么加熱過(guò)程中更是需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中間包內(nèi)鋼水溫度，連續(xù)測(cè)溫裝置更是必不可少。使用連續(xù)測(cè)溫裝置，有利于進(jìn)一步提高連鑄坯質(zhì)量和產(chǎn)量，同時(shí)可以降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，是連鑄智慧制造技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)人員效率提升的必需技術(shù)之一［1－6］，越來(lái)越多的鋼鐵企業(yè)開(kāi)始采用連續(xù)測(cè)溫裝置。
目前已投入工業(yè)使用，技術(shù)上較成熟的中間包連續(xù)測(cè)溫有兩種［7－11］：一種是熱電偶測(cè)溫，使用帶有保護(hù)套管的鉑銠熱電偶或者抗氧化鎢錸熱電偶；熱電偶式連續(xù)測(cè)溫的原理較為簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的問(wèn)題是如何提高保護(hù)套管的使用壽命以及降低昂貴的熱電偶消耗。
國(guó)外較為成熟的中間包連續(xù)測(cè)溫裝置的保護(hù)套管的使用壽命可達(dá)幾百小時(shí)。國(guó)內(nèi)有少量連鑄機(jī)采用國(guó)產(chǎn)的中間包連續(xù)測(cè)溫裝置，使用性能基本滿足中間包測(cè)溫要求。另外一種是紅外輻射測(cè)溫，即黑體空腔輻射測(cè)溫，也是目前利用普遍的一種連續(xù)測(cè)溫技術(shù)。
1 輻射連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
1.1 工作原理
輻射連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)由測(cè)溫管、測(cè)溫探頭、信號(hào)處理器、大屏幕顯示器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等組成，如圖1所示。其測(cè)溫原理是利用黑體空腔輻射進(jìn)行測(cè)溫，以黑體空腔作為感溫元件及輻射源，由光電管接收輻射信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)濾波、放大及數(shù)據(jù)處理后直接輸出被測(cè)的溫度值［12－13］。當(dāng)將測(cè)溫管插入到鋼水中時(shí)，測(cè)溫探頭會(huì)接收測(cè)溫管底部鋼水處的溫度相對(duì)應(yīng)的輻射信號(hào)，并且將其輸送到信號(hào)處理器，信號(hào)處理器經(jīng)過(guò)計(jì)算確定鋼水的實(shí)際溫度，通過(guò)大屏幕顯示鋼水溫度值。
1.2 系統(tǒng)的組成
輻射連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)主要由測(cè)溫管、測(cè)溫探頭和信號(hào)處理器組成。使用時(shí)將測(cè)溫管的封閉端插入鋼水中，感知鋼水溫度，并且產(chǎn)生熱輻射由測(cè)溫探頭接收。
測(cè)溫探頭是由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)傳輸線及冷卻風(fēng)路系統(tǒng)組成。光電探測(cè)器采用光電管，其峰值波長(zhǎng)的選擇應(yīng)與測(cè)溫管相匹配。測(cè)溫管發(fā)出的熱輻射經(jīng)光學(xué)透鏡傳輸給光電探測(cè)器，由光電探測(cè)器將熱輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成與溫度成一定關(guān)系的電壓信號(hào)，再由信號(hào)傳輸線傳至信號(hào)處理器。
信號(hào)處理器由供電系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等構(gòu)成。信號(hào)處理器接收由測(cè)溫探頭輸出的電信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)根據(jù)在線黑體空腔理論公式計(jì)算出被測(cè)鋼水溫度，并由數(shù)字顯示系統(tǒng)顯示被測(cè)溫度。
2 輻射連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)的改進(jìn)
目前國(guó)內(nèi)所用的連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)主要是利用黑體空腔測(cè)溫，但在使用過(guò)程中每隔一段時(shí)間就需要對(duì)系統(tǒng)校正，影響了連續(xù)測(cè)溫的正常使用，主要問(wèn)題及改進(jìn)措施如下：
2.1 鋼水溫度變化響應(yīng)速度較慢
連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)的溫度測(cè)量是一種間接測(cè)量，所測(cè)溫度為測(cè)溫管底內(nèi)壁的表面溫度，只有當(dāng)測(cè)溫管底部與鋼水完全同溫時(shí)，所測(cè)溫度才是鋼水的真實(shí)溫度。當(dāng)鋼水溫度發(fā)生變化時(shí)，該變化量向測(cè)溫管內(nèi)壁的傳遞存在時(shí)間延滯。
系統(tǒng)所用的測(cè)溫管為雙層復(fù)合管，如圖2所示，溫度響應(yīng)較慢。現(xiàn)將測(cè)溫管內(nèi)管開(kāi)口，變?yōu)閱螌庸?，如圖3所示。這樣測(cè)溫管底部的輻射信號(hào)直接由測(cè)溫探頭采集，測(cè)溫時(shí)間響應(yīng)短，反應(yīng)速度快。測(cè)溫相應(yīng)時(shí)間上，改進(jìn)后的測(cè)溫管要快近一倍。
2.2 測(cè)溫管中產(chǎn)生的煙霧無(wú)法排出
生產(chǎn)測(cè)溫管的主要原料為 C＋。Al2O3當(dāng)測(cè)溫管放入鋼水中時(shí)，測(cè)溫管不可避免的要產(chǎn) 生煙霧。
另外用于冷卻測(cè)溫管的壓縮氣體中都不同程度的含有一定量的水滴和油滴；當(dāng)這些物質(zhì)進(jìn)入測(cè)溫管內(nèi)部時(shí)，會(huì)產(chǎn)生煙霧。產(chǎn)生的煙霧在測(cè)溫管內(nèi)會(huì)遮擋測(cè)溫光線，污染連續(xù)測(cè)溫探頭的鏡片，大大影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。由圖4可見(jiàn)改進(jìn)前的連續(xù)測(cè)溫管由于是復(fù)合管，沒(méi)有排煙通道，會(huì)造成測(cè)溫不準(zhǔn)。改進(jìn)后的測(cè)溫管是單層管，測(cè)溫管內(nèi)的窺視管下端為開(kāi)口，并設(shè)有排煙通道，測(cè)溫管內(nèi)所產(chǎn)生的煙霧被及時(shí)的排出，沒(méi)有煙霧遮擋測(cè)溫光線的現(xiàn)象，所以測(cè)溫比較準(zhǔn)，如圖5所示。
2.3 冷卻氣源壓力不穩(wěn)定影響測(cè)溫精度
改進(jìn)前的連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)冷卻氣體系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，直接將源氣體吹入測(cè)溫管及測(cè)溫探頭，沒(méi)有考慮到氣體壓力的不穩(wěn)定，而測(cè)溫探頭要求壓縮氣壓力穩(wěn)定在4kg。所以當(dāng)氣體壓力過(guò)低時(shí)，測(cè)溫鏡片上極易被鋼水濺上白點(diǎn)，造成溫度顯示值低，影響了連續(xù)測(cè)溫的精度。
改進(jìn)后的冷卻氣體系統(tǒng)添加了自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和空氣過(guò)濾器，可以根據(jù)探頭的環(huán)境溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)探頭和測(cè)溫管的通風(fēng)量，解決了測(cè)溫不穩(wěn)定的問(wèn)題，也一定程度上減少了冷卻氣體的消耗。
3改進(jìn)后的測(cè)溫系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)
在寶山鋼鐵股份有限公司二煉鋼5CC生產(chǎn)線試驗(yàn)了改進(jìn)后的測(cè)溫管，共試驗(yàn)了4個(gè)中 間 包、30爐鋼。
3.1 試驗(yàn)內(nèi)容
3.1.1 試驗(yàn)鋼種及相關(guān)參數(shù)
試驗(yàn)鋼種：普通低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼，液相線溫度1533 ℃，過(guò)熱度控制在25 ℃；中間包形式：5CC 生產(chǎn)線采用T型中間包，正常工作噸位40噸。
3.1.2 連續(xù)測(cè)溫安裝調(diào)試
將測(cè)溫儀表安裝在連鑄機(jī)中間包車上，待大包開(kāi)澆中間包噸位穩(wěn)定后，將測(cè)溫管放入中間包包蓋右側(cè)的測(cè)溫孔內(nèi)，插入深度低于中間包工作液面≥300mm，將測(cè)溫探頭內(nèi)通氣體冷卻，測(cè)溫探頭與測(cè)溫管插接好，預(yù)熱信號(hào)處理器連續(xù)自動(dòng)顯示中間包內(nèi)鋼水的溫度。
3.1.3 與快速偶頭測(cè)溫對(duì)比
待連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)工作時(shí)，同時(shí)使用人工測(cè)溫點(diǎn)測(cè)一次，熱電偶頭需浸入鋼水7－8s，等待測(cè)溫結(jié)束燈亮。為保證測(cè)溫環(huán)境的一致性，人工測(cè)溫也必須在中間包同一側(cè)的測(cè)溫孔中進(jìn)行。為確保數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)量，每爐鋼測(cè)溫6次以上，同時(shí)記錄兩種測(cè)溫方法測(cè)量值，作對(duì)比曲線及偏差分析。
3.1.4 測(cè)溫管的壽命
待中間包鋼水澆鑄結(jié)束后，測(cè)溫管隨同中間包一同下線，檢查測(cè)溫管渣線熔損情況。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果
3.2.1 溫度測(cè)量的穩(wěn)定性
溫度測(cè)量的穩(wěn)定性是指在正常測(cè)溫條件下，系統(tǒng)連續(xù)長(zhǎng)期工作時(shí)，其溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性能否保持穩(wěn)定。分析結(jié)果顯示，系統(tǒng)溫度測(cè)量基本穩(wěn)定，在同一支測(cè)溫管連續(xù)工作的整個(gè)時(shí)期，溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性基本一致。
3.2.2 溫度測(cè)量的響應(yīng)速度
未烘烤測(cè)溫管在插入中間包鋼水3min內(nèi)即可達(dá)到正常工作狀態(tài)，若隨中間包一起烘烤則響應(yīng)時(shí)間僅為60s。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)連續(xù)測(cè)溫曲線與點(diǎn)測(cè)溫值（如圖6所示），表明在開(kāi)澆、大包交接時(shí)也均能快速反應(yīng)出中間包溫度的變化，響應(yīng)速度較改進(jìn)前有了明顯的進(jìn)步。
3.2.3 溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性
采用快速熱電偶與連續(xù)測(cè)溫進(jìn)行測(cè)量值對(duì)比。共進(jìn)行了4次溫度對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)同一時(shí)點(diǎn)的熱電偶和連續(xù)測(cè)溫溫度值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。4次試驗(yàn)連續(xù)測(cè)溫與測(cè)溫平均偏差在1.58 ℃。而改進(jìn)前的連續(xù)測(cè)溫平均偏差在2.28 ℃。圖7顯示了試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)測(cè)溫值與熱電偶溫度值的偏差分布，偏差≤±1℃的占總數(shù)據(jù)的72.3％ ，而偏差≤±2 ℃的占總數(shù)據(jù)的95.2％，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求。
3.2.4 測(cè)溫管壽命
對(duì)使用過(guò)的測(cè)溫管觀察發(fā)現(xiàn)，測(cè)溫管長(zhǎng)時(shí)間浸泡在鋼水中后，在渣線附近出現(xiàn)少許侵蝕，但渣線以下的管體幾乎沒(méi)有侵蝕。本次4支測(cè)溫管預(yù)計(jì)壽命在24ｈ，在4次試驗(yàn)時(shí)使用良好，未發(fā)現(xiàn)由于渣線侵蝕造成的斷裂現(xiàn)象。
4 結(jié)束語(yǔ)
（1）連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，在同一支測(cè)溫管工作的整個(gè)周期內(nèi)，測(cè)溫精度完全滿足溫度控制要求，同時(shí)測(cè)溫管壽命與連澆周期同步，滿足現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求。
（2）測(cè)溫管能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正常工作狀態(tài)，在連鑄開(kāi)澆、鋼包更換、中間包澆鑄結(jié)束時(shí)也均能快速反應(yīng)出中間包溫度的變化。
（3）連續(xù)測(cè)溫與點(diǎn)測(cè)溫平均偏差在1.58℃。溫度偏差≤±1℃的占總數(shù)據(jù)的72.3％，溫度偏差≤±2℃的占總數(shù)據(jù)的95.2％，能夠滿足鋼水溫控要求。
參考文獻(xiàn)：
［1］ 李鳳巧．連鑄機(jī)中包連續(xù)測(cè)溫系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］．中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2017，52（2）：71－72．
［2］ 黃聲良，楊枝超．中間包連續(xù)測(cè)溫裝置應(yīng)用實(shí)踐［C］．連鑄裝備技術(shù)的科技進(jìn)步與精細(xì)化學(xué)術(shù)研討會(huì)．北 京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2013．110－112．
［2］ 周永 華，何 俊 正，肖 帆．鋼水連續(xù)測(cè)溫技術(shù)在安鋼板坯連鑄生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．自動(dòng)化應(yīng)用，2015，55（5）：84－85，88．
［4］ 吳光杰，王 海 寶．中間包鋼水溫度連續(xù)測(cè)量技術(shù)研究［J］．科技通報(bào)，2005，21（2）：233－235，241．
［5］ 賈思放．連鑄機(jī)中間包連續(xù)測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用［J］．酒 鋼 科技，2012，23（3）：263－265．
［6］ 張 茜．連鑄中包鋼水連續(xù)測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用［J］．中 國(guó)設(shè)備工程，2013，28（8）：52－53．
［7］ 王 琳．基于光纖紅外輻射原理的中間包連續(xù)測(cè)溫技術(shù)研究［D］．沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2005．
［8］ Carl-Erik GRIP．Simplenodel forpre diction of temper-aturesinan L-shapedtundishver fication tinu-oustem perature measurements［J］．ISJI nternational，2007，38（7）：704－713．
［9］ 聶崇瑞．中包鋼水連續(xù)測(cè)溫裝置的應(yīng)用［C］．2012年全國(guó)煉鋼－連鑄生產(chǎn)技術(shù)會(huì)．北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2012．943－944，948
［10］謝 植，次 英，孟紅記，等．基于在線黑體空腔理論的鋼水連續(xù)測(cè)溫傳感器的研制［J］．儀 器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（5）：446－448，456．
［11］史新清，陳良玉，馬交成．基于解析法的黑體空腔傳感器測(cè)溫預(yù)估研究［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2017，46（7）：1－3，10．
［12］黃曉東．黑體空腔鋼水測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)化［J］．科技視界，2016，5（23）：74，92．
［13］張賀全．黑體空腔式中間包鋼水連續(xù)測(cè)溫技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用［J］．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，16（10）：58－59．