800～1160 K下钢的氧化特性对发射率的影响

潘亚文,吴春法,李宏华,蒋紫韵

(闽南科技学院光电信息学院,福建 泉州 362332)

1 引 言

现代生活中钢铁应用在建筑、机械、造船、汽车、铁路、化工、航空等各个领域,无处不在,缺它不可。在生产钢铁的工艺过程中(如锻造、连铸、热轧、冷轧等),对钢铁的实时温度控制与测量是影响钢铁质量的重要技术参数之一。

那么准确实时测量不同环境下钢铁的温度是一个重要的技术问题。目前测量温度的方法主要有接触式和非接触式两种[1-2]。接触式测温要求探头与钢铁始终保持接触,其精度虽然较高,但实时性、可移动性、适应性都较差,妨碍着钢铁的制造工艺,给加工制造过程带来很多不便之处。而非接触式测温方法几乎拥有所有优点,测温响应时间短,几百毫秒范围内,可随时随地各个方向各个点测量,可适应炼铁的各种不同环境。因此在钢铁的制造工艺过程中常使用非接触式红外测温方法。

然而红外测温涉及到表征物体表面辐射能力的热物性参数发射率[3]。其测量精度、变化特征控制深刻影响着物体表面温度的测量精度。对于单波长辐射测温计,需要事先给出当前测量条件下物体的发射率,这是不准确的。对于多波长测温计,虽然不需要实时发射率,但需要事先给出光谱发射率与波长的拟合方程,因此不管从那个角度测量,发射率都是绕不过去的问题。光谱发射率除了与被测物体温度和选取的测量波长有关,而且,即使在相同的测量波长和温度下还依赖于被测物体的表面条件,如表面粗糙度、表面氧化膜厚度、表面污染[4-6]等。本文研究在室温环境中,给定的温度下,长时间持续加热使钢表面生长出的一层氧化膜对光谱发射率的影响。值得注意的是这种在高温下快速生成的氧化膜还会改变钢表面的粗糙度,在实验中可以观察到加热后的样品表面条件与加热前完全不一样。后面会详细分析到这一点。

为了准确地了解表面氧化对各种钢铁光谱发射率的影响,近年十几年来相关领域研究人员在选定波长和选定温度下进行了大量实验工作。Pujana 等人[7]在2007年使用精密辐射温度计分别测量了波长在2.12 nm、4 nm和8 nm,温度在959 K和1073 K下表面氧化对钢的光谱发射率的影响。Reschab等人[8]在2011年,测量了钢HS2-9-1-8在熔化和液态时684.5 nm处的光谱发射率。Cao等人[9]在2012年利用傅里叶红外光谱仪(FTIR)探究了不同波长下不同温度处钢的光谱发射率随加热时间的变化。vantner等人[10]在2013年测量了钢AISI1015在523K不同波长下的光谱发射率,但是他们没有研究表面氧化对光谱发射率的影响。Wen等人[11-13]在2010～2011年用快速红外阵列光谱仪(FIAS)在1.2～4.8l m波长范围内测量了数种钢在700 K、800 K和900 K下的光谱发射率。利用这些光谱发射率数据,一方面研究了光谱发射率与波长、温度之间的解析模型,然后将这些模型应用到测温中,从而推断出钢的表面温度；另一方面,Wen[12]研究了加热时间对光谱发射率的影响,但他没有探究加热时间与发射率之间的关系模型及其拟合精度。Shi等人[14-16]在2014～2015年分别测量了钢201、钢304、钢316L在800～1100 K下1.5 μm处数小时加热时间内表面氧化对法向光谱发射率的影响,并确定了法向光谱发射率和加热时间之间的关系模型。Zhu等人[17]在2017年探究了钢309S在给定温度下加热对氧化膜生长的影响,评估几种随波长和温度变化的钢发射率模型,并拟合了表面氧化对氧化层生长过程中发射率拟合精度的影响,得到了有价值的结果。Xing等人[18]在2018年探究了钢430加热时间对光谱发射率的影响,给出了11种发射率随加热时间变化的解析模型,并通过计算机处理给出了拟合参数,讨论了其精度。

综上所述,从这些研究结果中,可以清楚地看出表面氧化对光谱发射率有很大的影响,近年来也有一些好的实验结果。然而,所有这些实验的探究,主要都在于探究发射率与测量波长及温度的解析模型,没有发现有价值的文献分析钢这种样品的在不同的温度下相同的加热时间里铁的氧化特性对发射率的影响不一致的化学原因,这也是本文工作的重要意义。

2 测量原理

在辐射测量中,相同温度相同测量波长下待测物体和黑体的单色辐出度的比为待测物体的单色发射率

ελ=Lλ/Lλ,b

(1)

其中,里Lλ为待测物体的单色辐出度；Lλ,b为同温度同波长下理想黑体的单色辐出度。显然只要测出Lλ和Lλ,b就可以得到待测物体的单色发射率。

根据普朗克黑体辐射公式,温度为T,波长为λ处的单色辐出度为:

Lλ,b=2πhc2λ-5[exp(hc/λkT)-1]-1

(2)

其中,h为普朗克常数；c为光速；k为玻尔兹曼常数；T为黑体的温度。根据使用的实验装置其中一个光电传感器测量到黑体的辐射能为:

(3)

式中,f′为 光学系统的焦距；D为镜头直径；τ0是大气透射系数；A是光电传感器的探测面积；τλ是光学系统在给定波长处的总透过率；λ1和λ2分别为窄带滤波器的下限和上限波长。

同样的,测量系统中,另一个光电传感器测量的是相同温度相同波长下待测物体的辐射能为:

(4)

对比式(1)、式(3)和式(4),在极窄的波段内Δλ=λ2-λ1=20 nm,τλ可以近似为常数,Lλ也可以看成是一个定值,则待测物体的单色发射率ελ为:

ελ=P2/P1

(5)

因此,只要测出来自待测物体的单色辐射能P2和来自黑体的单色辐射能P1就可以测出待测物体的单色发射率,上式即为本系统测量待测物体光谱发射率的原理。

另外利用此装置还可以测出黑体的温度,由式(2)和式(3)可以得到黑体的辐射能为:

[exp(hc/λkT)-1]-1dλ

(6)

光电传感器的工作波长为1.5 μm,在极窄的波段内Δλ=λ2-λ1=20 nm,式(6)可写为:

(7)

(8)

由于待测物体在黑体腔内,所以黑体的温度等于待测物体的温度。可以根据上式得出待测物体的温度。

3 结果和讨论

3.1 实验过程及测量结果

表1为选取样品钢SPHC的组份。将钢SPHC样品制作成长5 cm宽3 cm厚2 mm的中间开有小孔的长方形样品,并用酒精擦拭清洁样品表面。利用上述实验装置测量了钢在温度800 K、840 K、880 K、920 K、960 K、1000 K、1040 K、1080 K、1120 K、1160 K处加热时间对1.5 μm处光谱发射率的影响。每个测量温度点,加热时间持续3小时以上,每5分钟记录一次光谱发射率的值。根据实验结果,绘制了图1(800 K、840 K、880 K、920 K、960 K、1000 K、1040 K、1080 K、1120 K、1160 K)共10温度点处加热时间对钢的光谱发射率影响的关系图。

表1 钢SPHC的化学成分

图1 不同温度下加热时间对钢的光谱发射率的影响

3.2 温度和钢的氧化特性对发射率的影响

下面讨论温度和加热时间对发射率的影响。从图1纵向来比较,可看出在800～1160 K温度范围内,相同加热时间下钢样品的温度越高,其光谱发射率也越大。也就是说在本实验测量温度范围内1.5 μm处光谱发射率随温度的增加而增大。

从图1横向比较,可发现光谱发射率变化情况在测量时间内有着不同的表现,这表明观测温度点处钢的表面氧化有着不同的特征。在低温时800 K、840 K、需要60～90 min,光谱发射率才基本趋于稳定；而随着测温点温度的升高920 K、960 K、1000 K似乎需要150～210 min发射率才基本趋于稳定；而在更高的温度处1120 K、1160 K时差不多刚到观测温度点发射率就趋于稳定。我们知道,光谱发射率的变化取决于氧化层的厚度及其化学成份。从化学反应上分析这种氧化特征。在800 K、840 K、880 K下,钢样品中的铁与空气中的氧气缓慢反应生成三氧化二铁,此时氧化膜在缓慢生成,该温度下氧化膜的增长主要来自于三氧化二铁的生成；随着测量点温度的升高920 K、960 K和1000 K下,氧化膜中三氧化二铁与钢样品中的铁也会缓慢反应生成氧化亚铁,这种反应只在高温下才会快速反应,而实验中所测量的温度920 K至1000 K相对温度较低,反应过程比较缓慢需要更长的加热时间氧化膜才趋于稳定；当温度达到1120 K以上,到达该温度点处,光谱发射率几乎维持不变,氧化膜很快稳定下来,这说明钢样品中的铁与氧气快速反应生成三氧化二铁,然后迅速生成氧化亚铁,氧化膜迅速稳定,此温度下只需要很短的时间氧化膜就趋于稳定。这一结论从反应后的实验样品也可以得到印证。通过表1知道样品99 %以上含量为铁,实验结束后,样品冷却到常温,发现在低温时(800 K),样品表面呈红棕色主要成份是三氧化二铁,而高温时(1160 K),可发现样品表面呈黑色主要成份是氧化亚铁。

从实验数据来看,加热三个小时发射率的变化幅度分别是0.039、0.024、0.015、0.023、0.026、0.023、0.013、0.017、0.001、0.002,可以发现在高温阶段发射率变化幅度很小,但这并不能说明温度越高氧化膜增长的越薄,根据常理应该是温度越大,氧化膜越厚,光谱发射率变化应该越大。这个原因应该是到达高温测量温度点时需要一定的加热时间引起的。理想条件下应是即刻样品加热到所需的温度。但实验中即使把加热功率调到最大值,仍然需要十几分钟才能加热到所需的温度,这样的话,在高温时,在达到观测温度点前氧化膜已基本形成,所以观测到发射率的变化幅度很小。

3.3 曲线拟合

现在探究钢样品达到给定温度后,并达到给定的加热时间(30 min、60 min、90 min和120 min、150 min、180 min)时,温度与钢的光谱发射率之间的解析关系。根据实验数据绘制图形如图2所示。可见每条曲线的趋势是相同的。

图2 给定加热时间下温度与发射率的关系

用式(9)并用最小二乘法拟合图2的六条曲线,得到表2的拟合参数。

表2 不同加热时间下温度与发射率模型拟合参数

ελ=a+bln(T+c)

(9)

表2给出了六条曲线的拟合系数,从表2可以看出,各系数大小非常接近,曲线的拟合相关系数R为0.99,接近于1,可见温度与发射率之间的关系模型与实际模型之间描述非常准确。

4 总 结

本文研究结果表明,在低温800 K阶段,氧化膜的增长主要来自前90 min,这一阶段氧化膜的生成主要是钢样品中的铁与空气中的氧反应生成三氧化二铁,而当温度到达960 K左右,三氧化二铁与铁缓慢反应生成氧化亚铁,这一过程在该温度下进行的非常缓慢,因为当下温度还相对较低,氧化膜需要较长时间才趋于稳定,而在1120 K以上,氧化膜很快稳定下来,说明三氧化二铁与铁反应生成氧化亚铁过程很快,发射率基本保持不变,值得说明的是在高温下观测到的发射率变化很小,原因可能是到达测温点需要十几分钟的加热时间,如此长的时间和温度,氧化膜已经形成。钢样品在大气环境中的这种氧化特性可以给钢的实时温度测量提供参考。最后拟合了相同的加热时间里光谱发射率与温度的关系模型。结果表明,给出的关系模型与实际模型非常吻合一致。