氧化铁皮对辐射温度测量误差的影响研究

氧化铁皮对辐射温度测量误差的影响研究

谭锴^,2  赵晶军^1,2  龙木军^1,  吴石新^1,2  黄云伟^1,2  陈登福^1,2

（1.重庆大学 材料科学与工程学院2M研究室，重庆 400030，2.重庆大学钒钛冶金及新材料重庆市重点实验室，重庆 400044）

摘要：钢在高温有氧环境中容易被氧化。氧化铁皮对目标表面辐射能的阻隔导致辐射温度测量产生难以预估的误差。为量化目标表面氧化铁皮对辐射测温的影响规律，本文以实验的方式研究了45钢在不同温度下的表面氧化铁皮厚度的变化规律以及其对辐射温度测量造成的误差，具体提出了一种修正目标表面氧化铁皮对辐射温度测量影响的方法。本文研究结果可为目标表面存在氧化铁皮的非接触式辐射测温过程的温度修正提供数据依据。

关键词：辐射测温；氧化铁皮；表面温度；温度修正

Experimental study on the influence of steel oxide scale on radiation temperature measurement

TAN Kai1,2, ZHAO Jing-jun1,2, WU Shi-xin1,2,HUANG Yun-wei1,2,

LONG Mu-jun1,2 CHEN Deng-fu1,2

College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030,China;

2.Chongqing Key Laboratory of Vanadium-Titanium Metallurgy and New Materials, Chongqing University, Chongqing 400044, PR China)

Abstract:Steel is easily oxidized under high temperature and aerobic conditions,because of the barrier of radiant energy caused by oxide scale leads to large errors in radiation temperature measurement.In order to quantify the influence of surface iron oxide scale on radiation temperature measurement, in this paper, the law of change thickness of oxide scale of No. 45 steel at different temperatures and the error caused by the iron oxide scale on the radiation temperature measurement is studied by experiment.A method for correcting the influence of oxide scale on the radiation temperature of target surface is proposed.The results of this study can provide a basis for temperature correction, when there is iron oxide on the surface of the target.

Key words:Radiation temperature measurement; Steel oxide scale; Surface temperature; temperature correction

1 前言

连铸坯表面温度监测是连铸二冷水动态控制的关键环节[1-3]。目前连铸坯表面温度实时监测主要采用辐射测温法[4,5]。然而复杂的连铸现场环境使得二冷区铸坯表面温度不能准确实时地监测，导致二冷水量、铸坯拉速、凝固末端等参数不能准确实时地进行反馈调节和预测。因此，通过修正辐射测温误差使温度测量值真实反映铸坯表面温度显得尤为重要。

连铸二冷现场影响辐射测温的因素主要有高速二冷水碰撞铸坯形成的水雾和铸坯表面形成的高温氧化层。已有的文献大量研究了如何避开水雾对辐射测温的影响，有气路吹扫法[7]、光导纤维探测器无限接近被测物的方法[8]、神经网络修正测量值等方法[9,10]。利用上述方法，水雾对辐射测温的影响已经基本得到了解决。关于连铸二冷过程中如何避免氧化铁皮对辐射测温的干扰，王新华[11]等人提出一种在铸坯表面测量多点温度，然后将30秒到2分钟时间段内取最大值作为铸坯表面真实温度。此方法虽然能较准确的反映铸坯的真实温度，但也存在明显缺点，一是未能克服随机产生的氧化铁皮导致的温度不稳定问题，二是采用时间段内的平均值带来的滞后，不能实时监测和二冷水的控制，三是没有充分考虑连续的氧化铁皮给辐射测温带来的影响。杨嘉毅[12]提出了用面阵CCD测温仪与红外测温仪结合的方法测量铸坯温度，其原理是利用高分辨率的CCD测温仪找到受氧化铁皮干扰最小的测温位置，引导红外测温仪在此处测温，得到受氧化铁皮干扰最小的温度。此方法也存在也存在滞后性和未考虑连续均厚的氧化铁皮带来的影响，并且采用多设备数据融合的方法也增加了测温成本。本文侧重研究的是根据辐射测温和氧化铁皮的厚度计算铸坯表面的真实温度，不仅可用于连铸工艺，而且还可以应用于其他辐射测温受氧化铁皮影响的工艺，如连轧等。

2 实验

2.1实验材料及器材

本文分别采用多个尺寸为92mm×33mm×13mm的45钢样和尺寸相同的304不锈钢钢样，样品成分如表1。器材包括辐射测温仪，数据采集计算机，真空冷却装置、加热炉，实验装置如图1所示。

表1 实验钢样成分

2.2实验步骤

1）钻焊热电偶。由于高温下样品在空气中会发生剧烈氧化，氧化铁皮会发生脱落，为避免热电偶脱落，在样品上钻焊镍铬-镍硅热电偶（分度号为K，冷端温度为25℃），如图2.

2）将钻焊热电偶的钢样分别放入加热炉中，通入氮气保护，设置目标温度为800℃。

3）待热电偶温度显示为800℃时，停止氮气。钢样继续保温一段时间，第i各样品保温时间为（10×i ）min，800℃温度下共15各试样。保温阶段用辐射测温仪测量钢样表面温度，测温仪每分钟测量6个温度值，每十分钟测60个温度数据，并求平均值。

4）保温完成后立即将钢样转移至真空中冷却至室温。冷却后剥离氧化铁皮，并称重，为m。采用以下公式计算氧化铁皮的平均厚度：

m：氧化铁皮的质量，为m1-m12，单位为g；s表：钢块表面积，单位为cm2；ρ氧化铁皮：氧化铁皮密度，单位为g/cm3。

5）将目标温度分别设为900℃和1000℃，重复以上步骤。

6）在目标温度为900℃下，将45钢换成304不锈钢，重复上述前4个实验步骤。

3 分析与讨论

3.1恒温过程中氧化铁皮的变化

试样恒温处理后，45钢表面产生了氧化铁皮覆盖层，而304不锈钢钢表面几乎没有产生氧化覆盖层。图3为45钢氧化铁皮质量、生成速率变化图。

由图3（a）、（b）可知，随着恒温时间加长，三个目标温度下的氧化铁皮质量和厚度均为先增大后基本不变的变化趋势，且不同温度下氧化铁皮生最终成量和厚度几乎相等。氧化铁皮生成速率逐渐降低，最终都趋近0。35min内，温度越高，氧化越快，35min后，出现了温度高反而氧化速率变缓的现象，出现这种现象的原因是，初期温度越高铁氧化越快，生成氧化铁皮越多，但是氧化层会阻碍空气与基体结合，导致氧化反应变慢直至结束。

3.2 恒温过程中表面温度的变化

钢种抗氧化能力和基体温度会影响表面温度，图4反应了304不锈钢和45钢的辐射测温变化以及基体温度不同时，其表面温度的变化规律。

由图4可知，随着恒温时间变化，45钢表面温度逐渐降低，40min内，基体温度越高，表面温度下降幅度越大。40min后，1000℃实验条件下的45钢表面温度下降至930℃左右，之后保持不变。900℃条件下的45钢表面温度下降速度稍缓，下降幅度稍小，60min后表面温度下降至830℃后保持不变。800℃条件下的45钢表面温度下降幅度最小，下降速度最慢，温变时间最长，80min后，表面温度下降至735℃，之后保持不变。

45钢表面温度降低的原因是表面被氧化，氧化层和基体之间因应力产生裂缝，基体和氧化铁皮间的传热方式由传导传热变为辐射传热，基体向外发射的辐射能在传递过程中衰减，故而表面氧化层的温度低于基体温度。但是，304不锈钢有较强的抗氧化能力，表面几乎不被氧化，温度维持在900℃左右，无明显波动。

3.3氧化铁皮厚度对辐射测温的影响

由图3、图4可知，45钢基体氧化期内，氧化铁皮的大量生成导致其表面温度与基体温度出现偏差，图5反映了45钢恒温氧化铁皮生成过程中其厚度对表面温度的影响。

参考文献

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