CN105571719B - 一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法，通过使金属焊割气通过割嘴喷出并燃烧，燃烧的火焰对低碳钢热轧钢板的表面加热，记录钢板表面融化时间；基于对钢板表面及火焰温度之间所存在的关系的分析，绘制钢板表面熔化时间与火焰温度关系曲线图；根据所记录的钢板表面融化时间，在钢板表面熔化时间与火焰温度关系曲线图上读取对应的火焰温度。本发明检测方法简单，可快速测定金属焊割气高温火焰；成本低廉，可以进行反复测定；检测结果不受外界环境干扰，实验数据准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种火焰温度测定方法，具体涉及一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法。
背景技术
一种好的金属焊割气，除了本身没有腐蚀性不损坏设备外，火焰温度是最主要的一个指标。火焰温度测定的方法很多，对于高温火焰(3000℃以上)和低温火焰也有不同的测量方法。由于高温火焰的温度较高，所以无法直接测量得出。目前世界上最通用的是1902～1903年发明的钠谱线反转法，也称为库尔鲍姆－弗里法。乙炔、丙烯、丙烷等均用该法测定，是一种相当正统的火焰温度测定方法。但由于在实际测量中，距离、烟雾等对测量的影响较大，对于低温火焰测量误差一般在5～10％左右；对于3000℃以上高温段测量的误差却在10％以上，甚至会超过15％。
2006年环境保护行业标准-金属焊割气HJ/T234中采用“热流法”测定燃气温度。但热流法不仅需要进行计算，还需要通过调试仪器对燃烧后的烟气组分进行测量。实际应用中，气体的收集和组分的确认测定误差比较大，测量误差一般在15～20％，最高甚至会达到30％。所以热流法测量比较繁琐，误差也比较大，不适用于企业。
2008年全国气体标准化技术委员会在行业标准“增效丙烷”、“增效液化气”中采用了比色红外测温法。主要是通过测温介质进行温度测量。但在实际测量中，高温下不熔化、不升华并且不氧化的测温介质非常难找到，干扰因素比较多；而且测量仪器的校正温度在1800℃，高温段是通过校正曲线延展的，所以3000℃以上高温段的测量误差会超过10％，甚至达到15％。使用成本高，且测量误差大。
其余测量方法成本高且操作困难，不适用于企业中对不同成分的混合气体进行温度测量。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法，解决现有技术中检测过程繁琐、准确率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法：首先通过使金属焊割气通过割嘴喷出并燃烧，燃烧的火焰对低碳钢热轧钢板的表面加热，同时保证割嘴出口直径为5.5mm，火焰垂直于钢板表面。
(1)当钢板与火焰的焰心接触时，开始计时；当钢板与火焰焰心的接触处形成明亮的圆时，停止计时；
(2)根据乙炔中性焰温度(K)、钢板表面熔化时间(秒)以及钢板表面融化温度(K)，得到试样钢板表面熔化时间(秒)和试样的火焰温度(K)的换算公式为：
式中t样为试样钢板表面熔化时间，T样为试样的火焰温度。
(3)绘制曲线图：根据T样的取值不同，得出相对应的t样值；以横坐标为t样，纵坐标为T样，绘制t样-T样曲线图。
(4)根据(1)得到的时间，从t样-T样曲线图中读取该t样的数值相对应的T样的数值，则该T样的数值即为该种金属焊割气火焰温度。
所述钢板表面初始温度为40℃±2℃，钢板规格为200×200×40mm；所述割嘴出口直径为5.5mm。
本发明的优点：(1)本发明基于对钢板表面及火焰温度之间所存在的关系的分析，根据计时所得到的钢板表面融化时间即可快速且准确得出该种金属焊割气的火焰温度，误差范围在3％～5％之间，该误差值远远小于现有技术中的误差值；(2)本发明测量所需环境条件低，外界环境对测量结果几乎没有影响，测量结果准确；(3)便于对同种金属焊割气进行重复测量，进而得到更准确的火焰温度；(4)检测成本低廉且检测过程简单快捷，对操作人员要求低，节省培训专业测量人员的成本。
附图说明
图1是t样-T样曲线图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明，首先现有技术中常用的几种方法的原理以及测量方法进行详细的介绍。
(1)钠谱线反转(库尔鲍姆-弗里法，也被称为“光学高温计法”)
其原理是：已知单色亮度与单色辐射强度的关系：
从上式中可以看出，物体的发光亮度与物体的辐射强度成正比。
但由于亮度不易被直接测量，故实际测量中要采用比较亮度的方法，即：用已知亮度的高温灯丝的亮度与被测物体的亮度相比较。当两者亮度相等时，按高温灯丝的已知温度来反映被测物体的温度。
测量时，首先将望远系统对准被测物体，调节物镜使被测物体清晰成像在灯丝平面上。调节目镜使在观察孔能清楚看到被测物体和灯丝像。调节好后，用定位螺丝将目镜锁紧。此时，在被测物体的物像所形成的发光背景上可看到灯丝。若灯丝亮度低于被测物体的亮度，则物像背景上有一条暗的灯丝弧线；若灯丝亮度高于被测物体亮度，则呈亮的弧线；若二者亮度相等，灯丝隐没在物像背景中。但是由于望远系统与被测物体之间的距离、金属焊割气燃烧时产生的烟雾等对测量的影响较大，加上人为因素对光强度的判定偏差，导致低温火焰的温度测量误差一般在5～10％左右。3000℃以上高温段测量误差甚至会在15％以上。
(2)热流法
原理：驻点传热率与混合气体驻点焓、热流探头有效头部半径、驻点压力有如下关系：
式中qs——驻点热流，cal/cm2﹒s；
Reff——热流探头有效头部半径，cm；
ps——驻点绝对压力，atm；
ci——单独气体与混合气体的质量比
Ki——不同气体常数；
Hs——驻点比焓，cal/g；
Hw——冷壁焓，cal/g；
由以上可以看出，不同气体混合后其驻点传热率与不同气体在混合气体中所占质量比有关。只要知道被测气体燃烧后产生的气体组分，测量出火焰的驻点热流和压力，就可以由上述公式得到混合气体的驻点比焓，再通过查热力学焓熵表，可以得到不同气体的温度，从而根据不同的质量比，由公式得到混合气体的温度。
测量时，需要自制实验装置，埋入热电偶，做好实验装置的绝热。再测出冷壁焓和驻点焓。用相关烟气分析仪测量燃烧后的气体组份根据不同的质量比，由公式得到混合气体的温度。热流法不仅需要自行制作部分实验装置，而且在实际测量中，要保证完全绝热、热量不流失是很难做到，尤其是燃烧过程。所以金属焊割气燃烧时产生的气体的收集和组分的确认测定误差是比较大的，测量误差一般在15～20％，最高会达到30％。
(3)比色红外测温法
测温原理：任何物体在低温时向外辐射的能量大部分为红外辐射。单色红外辐射感温器实际上是接受某一窄波段λ1～λ2的红外辐射线。此波段的Eλ～T关系用普郎克或维恩公式积分求得
测量时，光电检测器交替接受来自调节盘的波长为λ1和λ2的单色辐射，向比值运算器输入电信号，经比较运算后输至显示仪表。目镜通过反射镜接受平行于平面玻璃反射的部分辐射，以便瞄准目标并调节成相大小。但在实际测量中，高温下不熔化、不升华并且不氧化的测温介质非常难找到，干扰因素比较多，系统误差一般在3～8％。仪器的校正温度在1800℃，高温段是通过校正曲线延展的，所以3000℃以上高温段的系统误差会超过10％，甚至15％。
本发明一种实施方案的一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法，
检测方法：钢板采用Q235低碳钢热轧钢板，规格为200×200×40mm。表面初始温度为40℃±2℃，可使每次测量温度时产生的热传导的影响基本一致。采用射吸式100型割炬，割嘴出口直径为5.5mm，金属焊割气的流通面积为5.7mm2，保证各种被测的金属焊割气的流速一致。金属焊割气通过割嘴喷出并燃烧，该燃烧的火焰需保证垂直于钢板表面，使辐射传热的条件一致。当火焰的焰芯接触钢板之后，会发出轻微的“嘶嘶”声，并很快形成一个融化的圆圈。如果形不成圆圈，说明火焰对钢板表面的垂直度不够，进而无法保证数据的准确性，需要调整火焰与钢板表面的角度。当火焰与钢板表面保持垂直时，外圈融熔后，初期形成很亮的一圈，中间部分较暗，也称为“黑芯”。当中间黑芯完全熔化变亮，形成明亮的圆时，即表示钢板表面已熔化。为了保证产生的撞流射击对流传热的影响基本一致，温度测量需在室内进行。
计时：当火焰与钢板表面保持垂直时，记下当火焰的焰心接触到钢板表面到焰心与钢板表面的接触处即受热单元形成明亮的圆的时间，即钢板表面的熔化时间。为保证所得熔化时间的准确性，尽量减少误差，最终所得的熔化时间为六次检测数据的平均值。
确定关系式：已知钢板表面熔化温度为1773.5k，通过不同金属焊割气的热辐射传热速率、钢板表面熔化时间以及相同工作量下金属焊割气重量耗量之间的关系，以乙炔中性焰温度3373.15K、乙炔使钢板表面熔化得时间10.3s为参照值，确定钢板表面熔化时间(秒)和火焰温度(K)的关系式：
上式中，t样为钢板表面熔化时间，T样为火焰温度；
绘制曲线图：代入不同的火焰温度，即当T样取值不同时，就可以根据钢板表面熔化时间(秒)和火焰温度(K)的关系式，得出相对应的钢板表面熔化时间的值(秒)：
(1)T样1＝2500℃(2773.15K)
(2)T样2＝2600℃(2873.15K)
(3)T样3＝2700℃(2973.15K)
(4)T样4＝2800℃(3073.15K)
(5)T样5＝2900℃(3173.15K)
(6)T样6＝3000℃(3273.15K)
(7)T样7＝3200℃(3473.15K)
(8)T样8＝3300℃(3573.15K)
(9)T样9＝3400℃(3673.15K)
(10)T样10＝3500℃(3773.15K)
将以上10组(t样-T样)数据，加上乙炔中性焰的数据：T乙炔＝3100℃，t乙炔＝10.3(秒)。绘制成曲线图，如图1所示，其中横坐标为钢板表面熔化时间(秒)，纵坐标为火焰温度(℃)。
(11)为了确定绘制的t样-T样曲线图的准确性，需要对t样-T样曲线图进行验证。根据2013年全国气标会四届四次会议“标准资料”的内容可知：纯天然气使钢板表面融化的时间为17.45s，而通过查t样-T样曲线图得：纯天然气的火焰温度为2722℃；查t样-T样曲线图所得到的纯天然气的火焰温度与“标准资料”中查得的纯天然气的火焰温度误差为0.91％。纳斯天然气使钢板表面融化的时间为7.66s，查图得纳斯天然气的火焰温度为3341.3℃；柯尔鲍姆法测定的纳斯天然气的火焰温度为3350℃，查图所得纳斯天然气的火焰温度与柯尔鲍姆法测定的纳斯天然气的火焰温度误差为0.26％。两次验证误差率均小于1％，证明从t样-T样曲线图上通过钢板表面熔化时间查得的火焰温度的准确性。
查温度：根据检测方法所得的时间，即为T样的数值，从t样-T样曲线图中读取T样的数值相对应的t样的数值，则该t样的数值即为该种金属焊割气的火焰温度。
为了保证检测方法所得数据适用于t样-T样曲线图，通过上述检测方法，对纯天然气在不同时间段检测，得到纯天然气使钢板表面融化时间和查t样-T样曲线图所得温度值如下表所示：
从上表中的三组检测数据可以看到，2013年11月24日对纯天然气以本发明进行检测，测得火焰温度为2722℃。同一批次的纯天然气在2014年5月16日，测得火焰温度为2725℃，只差3℃。而另一批次的纯天然气在2014年5月16日，测得火焰温度为2721℃，与2013年11月24日的纯天然气相比只差1℃。三次不同时间、不同批次的纯天然气检测所得火焰温度与纯天然气实际火焰温度相比，误差均小于3％，现有技术中误差在10％～30％之间，可看出其误差远远小于现有技术中测得火焰温度的误差，进而证明检测方法所得数据适用于t样-T样曲线图，同时证明了本发明所得数据十分准确。
误差分析：(1)用同一种燃气，调正火焰后在六块钢板上测定表面熔化时间(秒)得到六个数据。这样进行六次试验，共得到36个数据。
实验数据如下：
表面熔化时间(秒)的实验数据
(2)根据上表实验数据计算方差和相对方差，分析数据波动范围。
误差分析数据表
| 表面熔化平均时间(秒) | 换算成相应的火焰温度℃ | |
| 第1组六次平均数据 | 8.18 | 3285.90 |
| 第2组六次平均数据 | 8.69 | 3235.85 |
| 第3组六次平均数据 | 7.54 | 3354.74 |
| 第4组六次平均数据 | 7.54 | 3354.74 |
| 第5组六次平均数据 | 8.30 | 3273.77 |
| 第6组六次平均数据 | 8.36 | 3267.79 |
| 总平均值 | 8.10 | 3295.47 |
| 方差stdev | 0.47 | 48.80 |
| 相对方差RSD％ | 5.78 | 1.48 |
从表中数据可以看出，表面熔化时间(秒)，六组数据的方差小于1秒。
而换算成火焰温度之后，相对方差为1.48％。相对方差越小，证明每个数据之间相差越小，即数据波动小，进一步证明了通过本发明检测所得数据的稳定性。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (3)
1.一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法，通过使金属焊割气通过割嘴喷出并燃烧，燃烧的火焰对钢板表面加热，其特征在于：测量在室内进行，所述钢板为低碳钢热轧钢板，所述火焰垂直于钢板表面，所述割嘴出口直径为5.5mm；
(1)计时：记下当钢板表面与火焰的焰心接触到该接触处形成明亮的圆的时间；
(2)计算：根据乙炔中性焰温度、单位为K，钢板表面熔化时间、单位为秒以及钢板表面熔化温度、单位为K，得到钢板表面熔化时间、单位为秒和火焰温度、单位为K的换算公式为：
式中t样为钢板表面熔化时间，T样为火焰温度；
(3)绘制曲线图：根据T样的取值不同，得出相对应的t样值；以横坐标为t样，纵坐标为T样，绘制t样-T样曲线图；
(4)读取数据：根据(1)得到的时间即为t样的数值，从t样-T样曲线图中读取该t样的数值相对应的T样的数值。
2.根据权利要求1所述的一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法，其特征在于：所述钢板表面初始温度为40℃±2℃；所述割嘴出口直径为5.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种金属焊割气高温火焰温度测定的方法，其特征在于：所述钢板规格为200×200×40mm。
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