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高温摄像测温仪在钢铁行业的应用

在钢铁工业的许多处理过程中需要进行温度测量。但在大多数情况下都使用热电偶,然而,在一些应用中接触式测量是不可行的,因为存在正在运动着的固态钢或者是其环境不适宜接触式探头的使用。这些特殊的应用场合将无疑会得益于用高温摄像测温仪进行图像测温的应用。
 远距离摄像和非接触式测温能较好地结合起来应用在一些钢铁工艺中,例如加热炉和滚轧机中。高温摄像测温仪因为其将特有的视频成像与红外测温进行灵活结合从而为优化监视和测温功能提供了极好的工具。这种结合为那些以前还没有使用摄像机的钢厂开辟了新途径,尤其使得对炉子的维修更加容易。下面重点说明高温摄像测温仪在钢铁厂的哪些地方有潜在应用,并对测量固态、液态钢的温度做相关介绍。
  钢铁行业&温度测量
  一般来说,因为钢铁具有低幅射率的属性,所以用红外测温仪测量钢铁的温度是困难的。幅射率是物质的一种属性,它表明同一个黑色物体(它是一种辐射率为1的物体,它代表一种极好的辐射物)相比有多少红外辐射被发射出来。辐射值越高,到达探测器的能量就越高。基本上,辐射率越高,测量物体的温度就越容易。
  对于钢铁产品来说,辐射率随温度、表面条件和钢铁的化学成分的变化而变化。对辐射率有很大影响的一个变量是表面条件。例如,未氧化的不锈钢(如在工厂被处理时)的辐射率大约为0.4。对于高度氧化(更“黑”)的表面,这个值升为0.8。对于被刨光(很“亮”)的表面,辐射率降低到0.2。既然高温摄像测温仪为每个终端屏幕上光标可选区域提供了一种灵活改变辐射率的方法,那么只要我们知道被加工原材料的参数和指标,就能得到可靠的测量温度。

图1:通过红外热像仪观看到的玻璃炉内部

图2:通过红外热像仪观看到的发电锅炉内部
另一个要了解的问题来自于热炉壁对钢铁表面的热反射,这对钢铁处于固态时的应用更重要,例如钢铁在加热炉和退火炉中。钢铁表面和炉墙之间有很大的温度差别,结合钢铁的高反射率属性(如同一面镜子),使得在这些应用中测绝对温度很困难。然而,用相关的测量来定时观察产品或其处理过程中的变化是可能的。在钢铁熔化的应用中,这个问题并不重要。尤其是电炉,它不受这个问题的影响,因为炉墙在处理过程中不是最热的部分。下面的部分详细描述高温摄像测温仪在钢铁行业潜在的应用和潜在的困难。
  鼓风炉
  鼓风炉是钢铁生产过程的开始也是需进行连续操作的地方。它是一个容器,在这个容器中铁矿石和石灰石、焦碳(从煤、沥青、石油的残渣中获得的固态的物质)相混合。这些混合物经鼓风炉的热处理生成熔化的铁,然后落在炉的底部。这些熔化的混合物被鱼形钢包移到处理过程的下一个环节。这是一个极度布满灰尘的环境,可视性极差。在鼓风炉区域安装摄像机几乎没有价值。
  除非在鼓风口,或在钢厂用粉碎的煤作为燃料时,为了控制炉“腔”(燃烧区)内的燃烧,带有温度测量功能的监视摄像机是非常有用的。安装在这个位置的摄像机不是用来观察产品,也不看火球。因火焰里充满了颗粒,所以测量它们的温度是可能。知道炉“腔”的温度和大小是很有价值的,也是一个很重要的控制工具。由于潜在的低燃料成本,并利用粉碎的煤作燃料结合喷吹氧气促进其燃烧已经在欧洲社会变的非常流行。
  在鼓风炉内有两个(容器)部分会因为使用高温摄像测温仪而使其维修变得容易,一个是炉体,一个是鱼形钢包。炉体是一个用来产生炉所需热风的容器。它是一个用耐热砖砌成的高圆筒状结构。一个大的燃炉产生的热量在将它送到用作鼓风的空气以前被储存起来。每个鼓风单元有3-4个炉体。耐火寿命是关键的,一些工厂对极微小的热点用红外成像,然后用黑白照片来定位炉体中实际的位置点。高温摄像测温仪在这个应用中是很有用的,它通过建立热点的位置,(用红紫色-黄色调色板),然后将光标区域设置到较大的温度模式来识别此点的温度。鱼形钢包用来将热的金属产品从鼓风炉送到钢铁生产炉。一般来说,它是一个大的由耐火材料砌成的圆筒状的物体,安装在轮子上。在这个阶段没有燃烧发生,假如很长一段时间它一直不是空的,热金属的出现也足以为使用摄像机提供了足够的亮度。对耐火砖的连续监视是很正常的,但观察里面全部的内容是困难的。然而,配有78″垂直镜头的高温摄像测温仪能成功地看到它的每个角落。高温摄像测温仪带可视图像的温度测量功能可以帮助你决定哪一块砖需要更换。耐火砖的稳定性和完整性是关键的。在运输过程中的失败可能引起严重的损坏,例如,容器,铁轨,工作区域等的彻底损坏,导致昂贵的停工期――它们当中任何轧钢机都是支付不起的。
  钢铁生产的过程
  常用的钢铁生产过程有三个:氧化,平炉和电炉。在这一阶段,来自于鼓风炉的铁被转化成低级钢,然后形成锭或钢坯。
  氧化过程
  氧化过程包括将鼓风炉的液态热金属和助熔剂混合起来,然后和大量的氧气一起传送到大的隔热的铸勺中。在工业中,这通常被标识为基本氧化炉(Basic Oxygen Furnace或BOF)。基本上,这个批处理过程中没有燃烧在进行。尽管缺少火焰,高温摄像测温仪能有效地测量炉料的温度,它是一个关键的参数,由它和另一个监视铸勺内液面高度的关键参数来决定什么时候将熔化的金属放出。目前,将热电偶插入池铁浆(bath)中测量炉料(charge)温度是最普通的方法。我们曾经收到过关于在这个过程中如何使用高温摄像测温仪的问询。在这里,有潜力,但我们不能做一个实验性的演示来证明这个理论。除了关于维护和重新砌砖以外,与这个过程相对应的反馈结果更难确定。
  平炉处理过程

  平炉是较高效的钢铁生产过程(主要表现在有关处理碎块/废物的原材料的能力上)。基本上,这个过程负责批处理过程中铁、碎块/废物石灰石炉料一起和不同的助熔剂进行熔化。这个过程在一个有倾斜底板的大绝缘矩形炉内进行。炉料上的火焰从炉的一个末端到另一末端被点燃,从而熔化所有的成分。在这样的炉内炉料是一个具有不同温度的固态和熔化的金属的混合物,因此有必要设置不同的发射率来达到精确测量温度的目的。
  在这个过程中安装在火焰发生器下面的高温摄像测温仪将为操作者提供:
  ■    熔化过程的视点
  ■    炉壁的温度测量――它对评定砖的寿命是有用的
  ■    内容物的多个温度测量
  ■    末端批温度――在控制和获得所希望的冶金学属性方面和一旦钢铁准备好并且被倒入后确保排除掉在炉内进行长时间的冷却处理过程方面是重要的。

  电炉
  在这个过程中电流用来产生从电焊条到炉料的电弧从而产生强大的热量并使它迅速熔化。没有必要借助氧气来燃烧,但是热量却很强烈并能严格得到控制。这样就提供了最灵活的方法来生产钢铁并且大部分的钢铁也只能在电炉中生产,例如,(1)高锰钢,(2)大量不锈钢合金,(3)用于高温中的超级合金钢。
  我们成功地在不含铁的合金电弧熔化炉中-类似于钢铁生产炉中安装了一套S高温摄像测温仪。此系统用来监视熔化区域,它既可用来监视熔化区的尺寸也可监视耐火砖的磨损情况。在这个应用中热反射没有问题,也没有因为氧化而有发射率的改变。至于视频图像,在明亮的条件下,在电焊条满功率和起动功率时有很大的区别。如果高温摄像测温仪摄像机光圈不可变,很难在某些条件下看到产品。为了解决这个问题,我们开发出了带遥控自动光圈的产品。因为在这个过程中会产生很强的磁场,在控制室这样的环境里安装视频监视器就成为一个很好的想法。因为如果监视器接近电弧,图像很可能会被影响。
  均热炉
  均热炉用来使钢锭的温度变均匀。像前面讨论的,锭在炉的出口处被铸造。这对在击穿(损坏)的滚轧机中进行热加工和进一步的处理以前确保整个产品和“膨松”的本质结构等冶金学属性方面是必要的。
  这个过程必需一打左右的锭和耐火砖对齐放在大槽(pit)里,然后整体被加热。在炉内没有连续的移动,因此,不太需要摄像机的监视。然而,如果将摄像机安装来观察火焰,那么高温摄像测温仪对燃料的控制是很有帮助的。
  加热锭的正常温度范围是1175℃和1345℃之间。确切的温度依赖于钢铁的等级和滚轧机的特性。为了保存这里的燃料,测量锭的温度是重要的,它可避免其表面过热。目前,温度测量大部分由热电偶来完成。锭每次大约花8-12小时进行“均热处理/煨透(soaking)”。这个过程导致锭表面大量的氧化并且由于在操作时间内发射率的本质的改变,所以红外测温仪很难获得一个好的视角。
  再加热炉
  钢板就是来自击穿(损坏)的滚轧机的生产结果。典型的钢板生产出来为25英尺长度和4”厚度。在钢板通过击穿(损坏)的滚轧机的过程中,原材料失去了大量的热量,从而变得易碎和柔韧性变差。基于这一点,钢板需要再加热进行进一步的加工处理。至少需要1200℃的钢板温度并且可在再加热炉内达到这一温度。
  对连续炉的设计随着钢板行进机构,例如,简单的机械推进器,旋转炉床或行走传送器,而有一些变化。这些机构提升钢板通过炉膛。炉膛(喷灯)被指向钢板运动的相反方向。再加热炉位于滚轧机原料行进的路径中。因为再加热炉可能变成生产瓶颈,所以必需对钢板进行持续的温度测量。钢板总在炉内行进(有时很慢)并且通过热电偶进行接触式温度测量是很困难的。
  由于这些困难,红外测温仪经常被用在这些应用中。红外测温仪的要求是从钢铁表面到测温仪的辐射发射补偿,(由特别热的周围的物体所产生)。炉墙和钢板之间100℃或更少的差别使得单色测温仪以0.8mm读出的值比实际的高30℃。炉墙和钢板之间200℃的温度差别使得单色测温仪读出的值比实际的高120℃。具体的数据将随炉的变化而变化。如果钢板的相关温度或加热的均匀性是重要的,既然绝对温度不是这个行业的主要参数,那么高温摄像测温仪能提供有用的信息。钢板在炉内的行进只能被摄像机监视器观测到。一些地方每个炉用多达三个摄像机来达到对钢板运动的完整观测。
  滚轧机中的应用
  钢板生产的未尾处理是制轧过程,热轧和冷轧。首先,加热的钢板通过热轧机,在这里基本作用就是将钢板厚度减少40%。其次,钢板前进到钢片生产的未尾一步――冷轧处理――由此而得名,因为未加热的金属通过滚轧机。通过这个过程可得到钢片产品,例如汽车用钢板,饮料容器用的钢板,建筑材料等所要求的最终的厚度。摄像机已经被广泛应用在滚轧机中(热轧和冷轧),在滚轧机间作监视用。
  在滚轧机(热轧和冷轧)的入口和出口处都需要测量温度。入口处的钢板温度决定了“间隙”(隔离的力量),这个温度在滚轧中对操作者来说是很有用的。出口处的温度决定钢最终产品的机械特性。红外测温仪已经被使用在这两个地方。入口处的高温摄像测温仪通过提供一幅钢板进入滚轧机时的图像完成辅助监视功能;它对跟踪是很必要的。当钢板在进入第一台阶(stand)前停留几乎30秒的时间之内,高温摄像测温仪的六个温度测量区域会将在其进入滚轧机前测出沿钢板长度的温度差别。这对高温摄像测温仪来说是一个潜在的大的应用,因为此时观察和测温是同等重要的。
  这个行业中其他地方可能是需连续铸造――比如用在一些工厂的滚轧机中。在这些应用中,在钢铁被倒入之前,有一个很大的炉子来融化钢铁(这些炉子可能也倾斜)。倒入物流入一系列的槽中并将融化的金属分配到一个可移动的传送带上直接生产钢板。有这样一种必要就是需要看见沿加工路径的原材料流,红外测温仪已经被用来监视传送带末端的钢铁的凝固过程。
  退火(韧化)炉
  在冷轧过程中强加于原材料上的结构变化使得它在被形成以前必需“退火(韧化)”(放松)钢铁结构。如果没有退火这一步,钢片产品在任何成形的过程中都是易碎的。有两种类型的炉子:封闭退火和连续带钢退火。封闭退火是用热空气加热一组冷轧机线圈的一个批处理过程。没有原材料的移动也没有关键温度的要求。在这里应用我们的产品不会带来太大价值。

  另一方面,在连续带钢退火炉内加热和冷却单元被建成塔,所以可能有潜在的应用,因为我们的系统会为轧钢机的操作者们带来真正的好处。钢铁在一个连续的路径上移动并快速地穿过加热和冷却塔(一些有5层楼高)。钢铁在塔的顶部和底部绕着滚轴前后穿行以便增加钢铁自身在炉内的时间。未尾,钢铁被“冷却”(冻结此时钢铁的分子结构)到它的最终温度。
  至于合金,钢铁需要达到730℃~1050℃之间的温度。钢片宽度上温度的均匀性决定了钢铁的机械特性,它是一个很重要的参数。因为原材料的速度在改变(最多7米/秒),而从高温摄像测温仪得来的温度信息可设置在不同的点,所以高温摄像测温仪也能观看大型退火线上的钢板。目前,没有方法可以判断带钢的边缘到底在哪里与滚轴相关。只要有足够的光线,这种观察对操作者控制钢板的运动来说是很有利的。
  然而,一些炉子的镜头管处于被控制的空气和使用无自动力的气体之下,所以在这些退火炉的应用中对摄像机的冷却是很有必要的。
  总结

  上面的描述谈到了很多摄像机和高温摄像测温仪在综合性的钢铁厂的传统应用。也有一些附属的应用例如废物的融化炉,电镀线,挤压线和涂敷线,在这些地方摄像机的应用对操作者和轧钢机都有好处。这些处理过程不存在于每个钢铁厂。它们一般在那些生产特殊产品的工厂里。

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