红外热像仪在钢铁制造业中应用

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一、        简述

钢铁制品是在综合钢铁制造厂和小型钢加工厂中通过一系列分批化生产过程完成的，{zh1}生产出的钢铁制品能满足客户对尺寸、机械性能、表面质量、形状和抗腐蚀性等方面的要求。

综合钢铁制造厂从铁矿和焦炭中制成液态铁和钢，而小型制钢厂则从废料和其他冷给料物质中生产钢铁制品。无论何种生产方式，在最初钢铁制造过程中规定使用的测温方法是接触式温度测量，而非接触式温度测量则只用于安全过程与维护而非过程控制中，比如：那些需要不断承载热循环和机械式装载的设备——鼓风炉（高炉）组件、液态钢水传输机和其他再生产线上的设备和容器。

当液态钢水浇铸成固体钢材后，为了达到产品性能要求及制造效率的需要，后面的钢铁生产过程中就需要借助于非接触式测温方法以获得准确可靠的温度。图示1是钢铁制造过程中，材料流水线及加工过程的情况。固体型钢铁制造的关键部分在于浇铸、再加热、热轧、冷轧、退火、表面光轧以及涂层处理。

这些过程的特点是在温度跨度极大的情况下进行生产加工，温度范围高到1300℃的再加热，低到仅70℃的表面光轧。

钢铁通常浇铸成半连接钢锭和钢条（750℃—1000℃），图示2是大型钢锭被切块的过程。图示3则是它们再通过热轧带钢厂而后形成的热轧产品（450℃—1300℃），这时钢材已可作为成品进行销售或继续进入下道工序通过连续退火（500℃—88℃）以及表面光轧（Max.大约70℃）的冷轧工序变为更薄的钢铁材料（Max.大约150℃）。许多综合型钢厂还通过提供锡、锌和其他经过涂层处理的钢铁制品来增加产品的附加价值，图示4就是钢铁在热浸镀锌炉中的情况（大约540℃）

勿庸质疑，钢铁产品的温度在所有生产环节上都是至关重要的，然而在所有生产过程中，材料都在移动，有时速度甚至会超过15—25m/秒，如果制造过程中的温度需要控制在可接受的范围内（如某些过程中这个温度限度约在±8℃或±20℃左右），那么就必须使用非接触式温度传感器了。

从1950年起，钢铁工业部门就成为在过程测量与控制中使用点温辐射热度计（红外热度计、辐射光学热度计）的主要用户了。红外热像仪和区域测温辐射热度计也多用于维护领域，而现在，高精度的线阵测温辐射热度计则作为加工过程的辅助工具被广泛使用，甚至有可能取代点温仪。

二、辐射热度计应用理论

热辐射温度计的应用在以下三个情形中：目标物体温度与所处环境温度相当；目标物体温度比周围环境温度冷；目标温度比周围环境温度热。在这三种环境中，对温度测量的要求都是不一样的。

任何类型的热辐射计（如点温、线温和区域测温）接收物体自身发出的辐射，如果目标是类似钢铁一样不透明的物质，而传感器和目标之间的媒介物是非参与物（即它既不增加也不减少目标物体表面的辐射），那么，所接收到的辐射包括2了个部分：

1、  表面的辐射、物体的辐射率

2、  物体表面反射周边从而产生的叠加辐射或是物体表面辐射

红外热像仪应用归纳为以下3类：

{dy}类测量——目标物体温度和周围环境温度相同

这种情况下，有一个问题——就是到底环境与目标物之间多远距离才会影响到热像仪的应用呢？由于它需要全面考虑温度范围、传感器波长反应及允许误差，因此，很难有明确的答案。

第二类测量——目标物体温度比周围环境温度高（钢铁制造业中多为此种情况）

在这种情况下，钢铁比其周围环境高很多，这时，周围环境温度产生的辐射影响较小就可忽略不计了。

使用最短波以达到xx测温的相同应用规则也适用于这种测温模式。由于辐射是非线性的，却又依赖于线性的变化或辐射率的非xx估算，所以被测物表面温度会随其而产生敏感的变化。

辐射热度计也能用于这类测温中，它们在钢铁企业中应用的优势主要有：{dy}、产品是灰色或近似于灰色；第二、钢厂员工从不需要改变辐射值设置；第三、镜头防止灰尘沉积以免影响测温精度；第四、辐射温度计通常测量视场角中的{zg}温或空间的峰点温度。

第三类测量——目标物体温度比周围环境温度低

在实践中，非辐射源温度可以用热电偶（或是辐射热度计）来测量，所测的温度值和假设的辐射值可以修正热度计对物体表面温度的读数。

三、钢铁加工中温度和周围温度相同

A、楔形或金杯法

观测由于轧机带转动而形成相同温度的楔形中辐射热度计排除了辐射率和反射率修正以及背景辐射率的影响，原因在于楔形中会产生多种反射率。

由此产生的几何图形参见图5。从本质上讲，如果轧机和传输带的温度相同，那么轧带机形成的楔形产生的有效辐射率就会接近1.0。

楔形和复式检流计法已成功应用于大多数连续退火炉中，它简化了轧机带的测量，并在全世界范围内得到应用。

多年前已开始应用高反射，半球型镜或（金杯法），参见图5。当它装于靠近地面的地方时，它遮住所有反射源并形成地面的多种反射，因而增加辐射率使它接近于1.0，由于镜子和地面所形成的外围是由温度计来观测的，因而直到现在，它都用于便携式的实用检查类的测量之中。

B、其他应用

1、一些再加热和分批加热炉浸透区中，炉温和产品的温度是不相同的，一般低于规定的温度标准。普遍的做法是用热电偶，它的维修费用低，使用寿命长。

2、未端的观测管通常装于炉体周围，辐射温度计在下面进行测量，相对于铂合金热电偶，它的使用周期短，热温度计，如果适当维护和定期清理和检查，那么使用几年仍能保持性能良好，测温xx。

四、钢铁加工中测温比周围环境温度高

钢铁加工过程多在这一环境中的应用。在所有的钢铁生产过程中，钢铁的温度都比其周围的温度高，因此，低温环境下的辐射率可忽略，但仍需有一个经修正的辐射率，如果不经修正，读数就是一个低温读数。使用短波热度计能将错误降到最小，而使用短波热度计中的辐射率修正，就会达到{zj0}测温效果。

A、  热轧

热轧制造厂中的许多环节上的温度测量都是做为整个制造控制系统中的一个部分。热轧钢带机是其中一个较复杂的加工过程，在综合型钢铁企业中，由于产品需要，热轧钢带的厚度从220——250mm减少到2——12mm。每次加工一张钢板，从炼炉分发到粗轧程序，再经过由4—7个独立的多机架减化站组成减化程序完成复原。而后进入一个长冷却桌，用水进行冷却后热轧钢带卷成圈。一个钢板约10米长220mm厚，最终加工成一个长880m长、2.5mm厚的条钢。整个过程不超过6分钟，通常来说，在生产高峰时一次生产3—4个钢板。在每个轧机机座控制温度和压力，按要求冷却并通过控制单元监控和调整快速移动的物体的厚度。xx的温度测量提供快速反应的数据输入，实时计算机控制系统，现代热度计的反应时间为10毫秒甚至更短。

典型的过程温度范围从450℃—1300℃，在点温辐射热度计短波的波长范围内（低于600℃用1.6um的波长测量；其余的用低于0.9 um的波长测量 ），用于热轧制造厂的热度计通常是单一波段的，或在2个波长中接近于短波的那一段，这些热度计配有坚固冷却防护罩以及xx的测量传感器。图6是一个安装简图，实际测温传感器是内置冷却，浇铸的金属外壳。

B、其他应用

1、连续浇铸：处于切割之后的钢制品，在大型钢板浇铸器中测量和热轧中的测量一样需要定期对其物理接口，部件运行进行维护或就地校准。

2、在加热过程中热感应的管道，钢条、钢锭、钢板。

3、镀锌法：最困难的应用在镀锌带，因为从铁锌合金的形成阶段到锌层的完成,其间辐射率变化大（从0.15到0.85）,在过去的10年中,都使用不少于4种的辐射热度计来完成测量,并产生了一种新的荧光粉测量的方法.

在再加热炉中的热锭需要可靠的传感器,在不能xx其温度的情况下,许多钢厂通过下一工序中所获得的一个温度热模型来估算现有的温度.

五、钢铁加工过程中温度低于环境温度

这些是在应用中最难解决的，所有测量方法都不甚满意，xxx的解决方法是将其转变成{dy}或第二种模式来完成测温，但少部分是不能转变的。

A、  连续退火炉中的轧带机温度

从测量的角度上说，最需要钢厂应用的在于连续轧带机产品的退火。在这些应用中，热轧带机包括一系列联接炉和冷却站，几乎每一个都包括一种还原气体（通常是氢氮混合物），带速一般在1—9米/秒，带机温度达到480℃—870℃。测量难度在于两方面：

1、  在大多数炉中，钢铁温度低于周围温度

2、  钢铁表层收缩对波谱又相当敏感的低的辐射率。

图7所示为收缩钢带的波谱辐射率曲线图

B、其他应用

钢坯和钢锭再加热炉的入口区和中心区上相对高的背景反射率可通过双热度计法解决（由于辐射率相对稳定）。

六、线性测温红外温度计的发展

在热轧和钢条连续退火时，除了保证长度外，还应确保产品穿过轧带带宽和带材边缘时的完整。由于点辐射温度计一直被用于测量轧钢带机的中心线，因此就需要多传感器或一些横向测温技术来完成对带宽上的测温，线性测温热度计在过去几年中得到迅速发展，市场上出现了很多高品质的仪器。在高级的精轧控制过程中，非常重要也特别需要的一个测温工具就是对宽度的高速厚度测量，如果通过带宽的所有温度变化都需要考虑到的话，则只有线性测温方法能通过指定的精度来完成。

一个明确的测量点尺寸（或线的厚度）以及xx的标定是产品性能的关键，这要求线性测温热度计的xx测温。

当最小测量点尺寸达到98%或更高的放射收集效率时，这两个方面的特性能够{zh0}地实现。这与所熟知的热成像既时视场角有显著的区别。

线性测温红外热度计的测量用于第二类测温模式中不会引发问题。线性测温精度得到标定。图8中所示为一个高精度2D热轧钢带的热图像，是通过积聚来自一个线性测温热度计上的多个扫描点来完成的。垂直轴代表钢的宽度，而水平轴代表长度，在这张红外热图中，轧带的温度被准确测量出。

线性温度测量在第三种类中的应用，比如连续退火炉，它没有采用楔形法，因而不得不接受相同等的温度梯度和基于假设辐射值来预计其{jd1}值。

七、讨论

钢铁制造过程中，要求xx可靠的温度测量，这不仅是环境状况的要求，而且还是上述三种测温条件下的要求，由此看来，只有耐用的、高品质的、非接触式温度传感器能满足要求。

很显然，在钢铁加工过程中，使用非接触式温度传感器已是相当成熟的一个科技了，然而，尽管目前已掌握了一些技术知识和相关经验，但仍然有许多地方需要发展点温测量技术。{zh0}的例子就是处于再加热炉中钢板温度和第三种测温模式常用的连续带材退火炉。

现在能生成产品表面温度图的线温测量热度计开始被采用，由于它们的测量结果和点传感器同样xx可靠，线温测量将被广泛的应用，例如，实际横向温度剖面（纵切面）的测量在连续带材退火和带材镀锌中得到应用，这种新的测温方法的效率是极高的。

区域温度测量仪器将很快得到利用以提供钢铁加工处理控制系统的投入量。一些应用领域，诸如再加热炉出口温度，通过将区域温度测量与视角系统处理结合起来，那么就可以测量出再加热炉的出口的温度。再者，热成像新的能确定潜表缺陷的能力的测量方法可以应用于钢铁加工的某些过程和质量监控之中。任何新技术的应用意味着仪器设计及性能长效性等方面的迅速发展。

钢铁加工全过程简表

连续浇铸过程简图

钢锭在热轧钢带机的再加热炉中

刚从锌炉中生产出的镀锌钢

楔形法和金杯法：2种方法都借助反射率

a)      楔形法：辐射热度计观察热轧带的楔形边——边测

b)      金杯法：镀金的、半球型镜产生反射光速，当能过镜片的小孔来观测时会增强表面的辐射率

加固的辐射热度计安装于冷却外壳和观测管

A钢铁厂通过线性测温所形成的xx热图像