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高溫攝像測溫儀在鋼鐵行業的應用

在鋼鐵工業的許多處理過程中需要進行溫度測量。但在大多數情況下都使用熱電偶,然而,在一些應用中接觸式測量是不可行的,因為存在正在運動著的固態鋼或者是其環境不適宜接觸式探頭的使用。這些特殊的應用場合將無疑會得益于用高溫攝像測溫儀進行圖像測溫的應用。
 遠距離攝像和非接觸式測溫能較好地結合起來應用在一些鋼鐵工藝中,例如加熱爐和滾軋機中。高溫攝像測溫儀因為其將特有的視頻成像與紅外測溫進行靈活結合從而為優化監視和測溫功能提供了極好的工具。這種結合為那些以前還沒有使用攝像機的鋼廠開辟了新途徑,尤其使得對爐子的維修更加容易。下面重點說明高溫攝像測溫儀在鋼鐵廠的哪些地方有潛在應用,并對測量固態、液態鋼的溫度做相關介紹。
  鋼鐵行業&溫度測量
  一般來說,因為鋼鐵具有低幅射率的屬性,所以用紅外測溫儀測量鋼鐵的溫度是困難的。幅射率是物質的一種屬性,它表明同一個黑色物體(它是一種輻射率為1的物體,它代表一種極好的輻射物)相比有多少紅外輻射被發射出來。輻射值越高,到達探測器的能量就越高。基本上,輻射率越高,測量物體的溫度就越容易。
  對于鋼鐵產品來說,輻射率隨溫度、表面條件和鋼鐵的化學成分的變化而變化。對輻射率有很大影響的一個變量是表面條件。例如,未氧化的不銹鋼(如在工廠被處理時)的輻射率大約為0.4。對于高度氧化(更“黑”)的表面,這個值升為0.8。對于被刨光(很“亮”)的表面,輻射率降低到0.2。既然高溫攝像測溫儀為每個終端屏幕上光標可選區域提供了一種靈活改變輻射率的方法,那么只要我們知道被加工原材料的參數和指標,就能得到可靠的測量溫度。

圖1:通過紅外熱像儀觀看到的玻璃爐內部

圖2:通過紅外熱像儀觀看到的發電鍋爐內部
另一個要了解的問題來自于熱爐壁對鋼鐵表面的熱反射,這對鋼鐵處于固態時的應用更重要,例如鋼鐵在加熱爐和退火爐中。鋼鐵表面和爐墻之間有很大的溫度差別,結合鋼鐵的高反射率屬性(如同一面鏡子),使得在這些應用中測優良溫度很困難。然而,用相關的測量來定時觀察產品或其處理過程中的變化是可能的。在鋼鐵熔化的應用中,這個問題并不重要。尤其是電爐,它不受這個問題的影響,因為爐墻在處理過程中不是*熱的部分。下面的部分詳細描述高溫攝像測溫儀在鋼鐵行業潛在的應用和潛在的困難。
  鼓風爐
  鼓風爐是鋼鐵生產過程的開始也是需進行連續操作的地方。它是一個容器,在這個容器中鐵礦石和石灰石、焦碳(從煤、瀝青、石油的殘渣中獲得的固態的物質)相混合。這些混合物經鼓風爐的熱處理生成熔化的鐵,然后落在爐的底部。這些熔化的混合物被魚形鋼包移到處理過程的下一個環節。這是一個極度布滿灰塵的環境,可視性極差。在鼓風爐區域安裝攝像機幾乎沒有價值。
  除非在鼓風口,或在鋼廠用粉碎的煤作為燃料時,為了控制爐“腔”(燃燒區)內的燃燒,帶有溫度測量功能的監視攝像機是非常有用的。安裝在這個位置的攝像機不是用來觀察產品,也不看火球。因火焰里充滿了顆粒,所以測量它們的溫度是可能。知道爐“腔”的溫度和大小是很有價值的,也是一個很重要的控制工具。由于潛在的低燃料成本,并利用粉碎的煤作燃料結合噴吹氧氣促進其燃燒已經在歐洲社會變的非常流行。
  在鼓風爐內有兩個(容器)部分會因為使用高溫攝像測溫儀而使其維修變得容易,一個是爐體,一個是魚形鋼包。爐體是一個用來產生爐所需熱風的容器。它是一個用耐熱磚砌成的高圓筒狀結構。一個大的燃爐產生的熱量在將它送到用作鼓風的空氣以前被儲存起來。每個鼓風單元有3-4個爐體。耐火壽命是關鍵的,一些工廠對極微小的熱點用紅外成像,然后用黑白照片來定位爐體中實際的位置點。高溫攝像測溫儀在這個應用中是很有用的,它通過建立熱點的位置,(用紅紫色-黃色調色板),然后將光標區域設置到*大的溫度模式來識別此點的溫度。魚形鋼包用來將熱的金屬產品從鼓風爐送到鋼鐵生產爐。一般來說,它是一個大的由耐火材料砌成的圓筒狀的物體,安裝在輪子上。在這個階段沒有燃燒發生,假如很長一段時間它一直不是空的,熱金屬的出現也足以為使用攝像機提供了足夠的亮度。對耐火磚的連續監視是很正常的,但觀察里面全部的內容是困難的。然而,配有78″垂直鏡頭的高溫攝像測溫儀能成功地看到它的每個角落。高溫攝像測溫儀帶可視圖像的溫度測量功能可以幫助你決定哪一塊磚需要更換。耐火磚的穩定性和完整性是關鍵的。在運輸過程中的失敗可能引起嚴重的損壞,例如,容器,鐵軌,工作區域等的徹底損壞,導致昂貴的停工期――它們當中任何軋鋼機都是支付不起的。
  鋼鐵生產的過程
  常用的鋼鐵生產過程有三個:氧化,平爐和電爐。在這一階段,來自于鼓風爐的鐵被轉化成低級鋼,然后形成錠或鋼坯。
  氧化過程
  氧化過程包括將鼓風爐的液態熱金屬和助熔劑混合起來,然后和大量的氧氣一起傳送到大的隔熱的鑄勺中。在工業中,這通常被標識為基本氧化爐(Basic Oxygen Furnace或BOF)。基本上,這個批處理過程中沒有燃燒在進行。盡管缺少火焰,高溫攝像測溫儀能有效地測量爐料的溫度,它是一個關鍵的參數,由它和另一個監視鑄勺內液面高度的關鍵參數來決定什么時候將熔化的金屬放出。目前,將熱電偶插入池鐵漿(bath)中測量爐料(charge)溫度是*普通的方法。我們曾經收到過關于在這個過程中如何使用高溫攝像測溫儀的問詢。在這里,有潛力,但我們不能做一個實驗性的演示來證明這個理論。除了關于維護和重新砌磚以外,與這個過程相對應的反饋結果更難確定。
  平爐處理過程

  平爐是*高效的鋼鐵生產過程(主要表現在有關處理碎塊/廢物的原材料的能力上)。基本上,這個過程負責批處理過程中鐵、碎塊/廢物石灰石爐料一起和不同的助熔劑進行熔化。這個過程在一個有傾斜底板的大絕緣矩形爐內進行。爐料上的火焰從爐的一個末端到另一末端被點燃,從而熔化所有的成分。在這樣的爐內爐料是一個具有不同溫度的固態和熔化的金屬的混合物,因此有必要設置不同的發射率來達到**測量溫度的目的。
  在這個過程中安裝在火焰發生器下面的高溫攝像測溫儀將為操作者提供:
  ■    熔化過程的視點
  ■    爐壁的溫度測量――它對評定磚的壽命是有用的
  ■    內容物的多個溫度測量
  ■    末端批溫度――在控制和獲得所希望的冶金學屬性方面和一旦鋼鐵準備好并且被倒入后確保排除掉在爐內進行長時間的冷卻處理過程方面是重要的。

  電爐
  在這個過程中電流用來產生從電焊條到爐料的電弧從而產生強大的熱量并使它迅速熔化。沒有必要借助氧氣來燃燒,但是熱量卻很強烈并能嚴格得到控制。這樣就提供了*靈活的方法來生產鋼鐵并且大部分的鋼鐵也只能在電爐中生產,例如,(1)高錳鋼,(2)大量不銹鋼合金,(3)用于高溫中的超級合金鋼。
  我們成功地在不含鐵的合金電弧熔化爐中-類似于鋼鐵生產爐中安裝了一套S高溫攝像測溫儀。此系統用來監視熔化區域,它既可用來監視熔化區的尺寸也可監視耐火磚的磨損情況。在這個應用中熱反射沒有問題,也沒有因為氧化而有發射率的改變。至于視頻圖像,在明亮的條件下,在電焊條滿功率和起動功率時有很大的區別。如果高溫攝像測溫儀攝像機光圈不可變,很難在某些條件下看到產品。為了解決這個問題,我們開發出了帶遙控自動光圈的產品。因為在這個過程中會產生很強的磁場,在控制室這樣的環境里安裝視頻監視器就成為一個很好的想法。因為如果監視器接近電弧,圖像很可能會被影響。
  均熱爐
  均熱爐用來使鋼錠的溫度變均勻。像前面討論的,錠在爐的出口處被鑄造。這對在擊穿(損壞)的滾軋機中進行熱加工和進一步的處理以前確保整個產品和“膨松”的本質結構等冶金學屬性方面是必要的。
  這個過程必需一打左右的錠和耐火磚對齊放在大槽(pit)里,然后整體被加熱。在爐內沒有連續的移動,因此,不太需要攝像機的監視。然而,如果將攝像機安裝來觀察火焰,那么高溫攝像測溫儀對燃料的控制是很有幫助的。
  加熱錠的正常溫度范圍是1175℃和1345℃之間。確切的溫度依賴于鋼鐵的等級和滾軋機的特性。為了保存這里的燃料,測量錠的溫度是重要的,它可避免其表面過熱。目前,溫度測量大部分由熱電偶來完成。錠每次大約花8-12小時進行“均熱處理/煨透(soaking)”。這個過程導致錠表面大量的氧化并且由于在操作時間內發射率的本質的改變,所以紅外測溫儀很難獲得一個好的視角。
  再加熱爐
  鋼板就是來自擊穿(損壞)的滾軋機的生產結果。典型的鋼板生產出來為25英尺長度和4”厚度。在鋼板通過擊穿(損壞)的滾軋機的過程中,原材料失去了大量的熱量,從而變得易碎和柔韌性變差。基于這一點,鋼板需要再加熱進行進一步的加工處理。至少需要1200℃的鋼板溫度并且可在再加熱爐內達到這一溫度。
  對連續爐的設計隨著鋼板行進機構,例如,簡單的機械推進器,旋轉爐床或行走傳送器,而有一些變化。這些機構提升鋼板通過爐膛。爐膛(噴燈)被指向鋼板運動的相反方向。再加熱爐位于滾軋機原料行進的路徑中。因為再加熱爐可能變成生產瓶頸,所以必需對鋼板進行持續的溫度測量。鋼板總在爐內行進(有時很慢)并且通過熱電偶進行接觸式溫度測量是很困難的。
  由于這些困難,紅外測溫儀經常被用在這些應用中。紅外測溫儀的要**從鋼鐵表面到測溫儀的輻射發射補償,(由特別熱的周圍的物體所產生)。爐墻和鋼板之間100℃或更少的差別使得單色測溫儀以0.8mm讀出的值比實際的高30℃。爐墻和鋼板之間200℃的溫度差別使得單色測溫儀讀出的值比實際的高120℃。具體的數據將隨爐的變化而變化。如果鋼板的相關溫度或加熱的均勻性是重要的,既然優良溫度不是這個行業的主要參數,那么高溫攝像測溫儀能提供有用的信息。鋼板在爐內的行進只能被攝像機監視器觀測到。一些地方每個爐用多達三個攝像機來達到對鋼板運動的完整觀測。
  滾軋機中的應用
  鋼板生產的*后處理是制軋過程,熱軋和冷軋。首先,加熱的鋼板通過熱軋機,在這里基本作用就是將鋼板厚度減少40%。其次,鋼板前進到鋼片生產的*后一步――冷軋處理――由此而得名,因為未加熱的金屬通過滾軋機。通過這個過程可得到鋼片產品,例如汽車用鋼板,飲料容器用的鋼板,建筑材料等所要求的*終的厚度。攝像機已經被廣泛應用在滾軋機中(熱軋和冷軋),在滾軋機間作監視用。
  在滾軋機(熱軋和冷軋)的入口和出口處都需要測量溫度。入口處的鋼板溫度決定了“間隙”(隔離的力量),這個溫度在滾軋中對操作者來說是很有用的。出口處的溫度決定鋼*終產品的機械特性。紅外測溫儀已經被使用在這兩個地方。入口處的高溫攝像測溫儀通過提供一幅鋼板進入滾軋機時的圖像完成輔助監視功能;它對跟蹤是很必要的。當鋼板在進入**臺階(stand)前停留幾乎30秒的時間之內,高溫攝像測溫儀的六個溫度測量區域會將在其進入滾軋機前測出沿鋼板長度的溫度差別。這對高溫攝像測溫儀來說是一個潛在的大的應用,因為此時觀察和測溫是同等重要的。
  這個行業中其他地方可能是需連續鑄造――比如用在一些工廠的滾軋機中。在這些應用中,在鋼鐵被倒入之前,有一個很大的爐子來融化鋼鐵(這些爐子可能也傾斜)。倒入物流入一系列的槽中并將融化的金屬分配到一個可移動的傳送帶上直接生產鋼板。有這樣一種必要就是需要看見沿加工路徑的原材料流,紅外測溫儀已經被用來監視傳送帶末端的鋼鐵的凝固過程。
  退火(韌化)爐
  在冷軋過程中強加于原材料上的結構變化使得它在被形成以前必需“退火(韌化)”(放松)鋼鐵結構。如果沒有退火這一步,鋼片產品在任何成形的過程中都是易碎的。有兩種類型的爐子:封閉退火和連續帶鋼退火。封閉退火是用熱空氣加熱一組冷軋機線圈的一個批處理過程。沒有原材料的移動也沒有關鍵溫度的要求。在這里應用我們的產品不會帶來太大價值。

  另一方面,在連續帶鋼退火爐內加熱和冷卻單元被建成塔,所以可能有潛在的應用,因為我們的系統會為軋鋼機的操作者們帶來真正的好處。鋼鐵在一個連續的路徑上移動并快速地穿過加熱和冷卻塔(一些有5層樓高)。鋼鐵在塔的頂部和底部繞著滾軸前后穿行以便增加鋼鐵自身在爐內的時間。*后,鋼鐵被“冷卻”(凍結此時鋼鐵的分子結構)到它的*終溫度。
  至于合金,鋼鐵需要達到730℃~1050℃之間的溫度。鋼片寬度上溫度的均勻性決定了鋼鐵的機械特性,它是一個很重要的參數。因為原材料的速度在改變(*多7米/秒),而從高溫攝像測溫儀得來的溫度信息可設置在不同的點,所以高溫攝像測溫儀也能觀看大型退火線上的鋼板。目前,沒有方法可以判斷帶鋼的邊緣到底在哪里與滾軸相關。只要有足夠的光線,這種觀察對操作者控制鋼板的運動來說是很有利的。
  然而,一些爐子的鏡頭管處于被控制的空氣和使用無自動力的氣體之下,所以在這些退火爐的應用中對攝像機的冷卻是很有必要的。
  總結

  上面的描述談到了很多攝像機和高溫攝像測溫儀在綜合性的鋼鐵廠的傳統應用。也有一些附屬的應用例如廢物的融化爐,電鍍線,擠壓線和涂敷線,在這些地方攝像機的應用對操作者和軋鋼機都有好處。這些處理過程不存在于每個鋼鐵廠。它們一般在那些生產特殊產品的工廠里。

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