红外扫描测温装置在板坯连铸机二冷区的应用研究

乔 治

(酒泉钢铁(集团)有限责任公司，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引言

炼钢板坯连铸工艺中，二冷区冷却强度直接决定了铸坯在凝固过程中的冷却效果和内部凝固，是铸坯内部质量控制的关键环节[1]。近年来，随着各冶金企业开发新品种钢力度的不断增加，常规钢种连铸二冷区冷却控制模型难以适应新钢种铸坯拉制的要求。因此，在连铸过程中通过温度在线测量将铸坯控制在最佳的热状态，进而开发出能够满足新钢种铸坯生产需要的二冷区冷却模型显得尤为迫切。但炼钢板坯连铸表面测温因各种现场干扰因素导致测温精度较差[2]，常规单点测温的方式难以反映出铸坯表面的温度分布情况，故难以据此对各分区、各段二冷区冷却水强度进行精确的计算和调整。对此，开展了板坯连铸机二冷区铸坯表面温度测量技术的应用研究。

1 背景技术

目前，国内外的二冷区板坯测温技术主要包括热电偶接触测温技术、电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)阵列彩色摄像机热成像技术和红外辐射测温技术。通常，热电偶接触测温采用多只热电偶组成环形测温仪，安装于连铸机支承辊上[3]。由于热电偶测量滞后时间较长，且难以解决氧化铁皮对测温准确性的影响，在冷却水喷射至电偶头部时会造成较大测量误差。此外，采用CCD阵列彩色摄像机也可进行二维图像处理[4]。但其长期应用于连铸机二冷区高温、高水蒸气环境中极易损坏，且其测量铸坯宽度有限，难以适应连铸机随时变换铸坯宽度的实际生产条件。红外辐射测温技术则大多采用峰值检测器测量最高温度，以避免氧化铁皮影响，或采用机械装置刮去氧化铁皮的方式。近年来，将带吹扫的水冷光导纤维探头靠近铸坯的测量方法[5]更为常用。该方法可以避免水蒸气的影响，但在实际应用中主要存在以下问题。

①单探头红外辐射高温计只能测得板坯表面单一测温点位置的温度变化，难以对板坯横向表面温度分布进行全面检测，因而无法对二冷区各段冷却强度进行准确判断。

②红外辐射测温仪或分布红外高温计均采用单波长测温原理。为保证测量准确性，单波长测温仪要求视场内不能有任何遮挡。但在实际测量中，铸坯表面氧化铁皮的干扰影响难以克服，会导致测量失准。

③红外测温仪红外特征波长选择不当，将导致该特征波长的红外能量在传导空间内被二冷区存在的大量水蒸气吸收，增大测量误差。

④铸坯生产时高温辐射，接近铸坯面1 000 mm内的辐射高温达到400 ℃左右，且测温仪周边环境有大量水蒸气，超过常规红外测温仪适用的环境温度及湿度指标。因此，传统的带吹扫光纤探头测量或其他红外测温方式均难以长期在该恶劣环境中运行，使用寿命较短。

⑤对不同宽度的铸坯，无法实现自适应全横向测量。

⑥如在铸坯宽度范围内同时采用多台红外测温仪连续测量，成本高昂。

2 红外辐射测温仪抗干扰试验

针对连铸二冷区铸坯表面存有氧化铁皮、水膜覆盖及测量光路内存在水蒸气等恶劣测量条件，传统的单波长红外辐射测温仪在实际使用过程中，表现出测量值波动大、测量精度不稳定、难以克服水蒸气干扰等明显缺陷。对此，试验选用双波长红外辐射测温仪。

相较于单波长红外测温技术，双波长红外辐射测温仪并非直接根据接收到的物体热辐射能量的大小来判别温度，而是分别接收物体红外热辐射中两个相邻波段的能量求其比值，再根据这个比值的大小来确定物体的温度。当物体发射率较低时，两个相邻波段辐射的能量均较低；反之，当物体发射率较高时，两相邻波段辐射的能量均较高。如果物体温度发生变化，则比值发生相应变化。因此，采用双波长红外辐射测温仪，可有效解决环境因素对物体发射率的影响[6]。

为了验证单、双波长红外辐射测温仪在实际测量应用中受各种干扰的影响程度，以黑体炉为标准温度源，在恒温环境下的测量光路中分别加入水蒸气、烟雾、靶目标被部分遮挡等单一干扰。试验通过红外测量值与黑体炉标准温度值的偏差比较，得出各种干扰因素分别对单波长、双波长红外测温准确性的影响数据。干扰试验数据如表1所示。

表1 干扰试验数据

试验结果分析如下。

①当光路中存在水蒸气时，单波长红外辐射测温仪测量值比标准温度平均低230 ℃，双波长红外辐射测温仪测量值比标准温度平均低24 ℃。由此可见，单波长测量易受到水汽吸收影响，而双波长测温仪受到的干扰较小[7]。

②当有光路中存在烟雾影响时，单波长测温仪与标准温度的最大偏差为2 ℃，双波长测温仪的最大偏差为4 ℃。烟雾干扰对单、双波长红外辐射测温仪的测量准确性影响很小[8]。

③当靶目标遮挡只能充满30%视场时，单波长测温仪的测量平均偏差达200 ℃；而双波长测温仪测量最大偏差仅为4℃。由此可以看出，单波长红外线测温仪必须要求目标完全充满视场，而双波长测温仪则几乎不受影响，部分进口产品的技术指标要求目标大于5%视场即可准确测量[9]。

通过干扰试验证明，在炼钢连铸二冷区板坯温度测量选用双波长红外辐射测温仪，面对水蒸气、烟雾、板坯表面氧化铁皮等干扰因素，其抗干扰性能明显优于单波长红外辐射测温仪。

3 系统结构及配置设计

为了实现在连铸机二冷区对板坯表面的全横向扫面测温，同时兼顾成本，设计了一种可以在板坯连铸机二冷区横向测量铸坯表面温度的红外扫描测温装置。该装置可在铸坯表面有水膜、氧化铁皮及空间有水蒸气情况下，对铸坯以横向多点扫描方式进行准确测量。该装置主要包括一台双波长红外辐射测温仪、一台角行程电子式执行机构、万向调节装置和一套可编程序控制器(programmable logic controller，PLC)。

该装置选用双波长红外测温仪，能够实现靶目标仅占5%视场条件下的精确测量，对水汽、烟尘等干扰因素具有很强的抗干扰性能。为防止双波长红外辐射测温仪因使用环境温度过高而损坏，对其采用循环水冷却方式。将压力为0.4 MPa净水经测温仪水冷入口接入测温仪水冷系统，进行冷却循环。为尽可能地减少测量光路中水汽及其他烟尘的影响，使用压力为0.6 MPa、流量为5～10 L/h的洁净氮气自测温仪镜头吹扫气入口。这样既能保持测温仪镜头清洁及降温，又可以加长红外测温的清洁光程长度，减少烟尘等干扰因素对红外光的吸收、散射，以及因此造成的测量误差。

双波长红外辐射测温仪底部通过固定螺栓与万向调节装置及角行程电子式执行机构相连，角行程电子式执行机构接收PLC发出的4～20 mA控制信号带动红外测温仪。PLC接收连铸主控制系统送出的坯面宽度信号，并据此控制扫描测温装置旋转角度。为了更多地获得铸坯表面温度分布情况，将测温位置以坯面宽度均分6点，每点测量停留时间为5 s，在铸坯连续生产过程中进行自动循环横向扫描测温。

为了满足测温仪及和电动执行机构使用环境温度-17～+60 ℃的技术要求，将测温仪和电动执行机构固定于隔热防护箱内，防护箱前部和两侧带有隔热石棉的防热辐射护板。为解决在铸坯生产时测温仪安装位置环境温度达到205 ℃并伴有大量水蒸气的问题，采用洁净空气对防护箱内进行冷却吹扫的方法。该方法既降低了隔热防护箱内的温度，又保持了箱内微正压状态，可防止蒸气对电气设备的腐蚀和破坏。

该测温系统在酒钢碳钢薄板厂板坯连铸机上线使用后，针对二冷区存在大量水雾、氧化铁皮等干扰因素，整机测量精度达到±2%FS以上。工艺操作员依据测温结果适时调整二冷区冷却强度，对解决连铸机板坯裂纹等影响质量控制薄弱的问题效果显著。

4 结束语

这套自行设计制造的红外扫描测温装置在板坯连铸二冷区的应用，为工艺操作人员进行不同钢种、不同铸坯规格铸面温度分布、异常温度预报等操作提供参考。作为一项成熟的应用技术，其可以在冶金行业同类连铸机上进行推广，在提高铸坯质量、开发新品种钢等方面，为二冷水冷却控制模型的建立提供了更为精确的指导。