CN111347023B - 一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射测温技术领域，特别涉及一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，包括以下步骤：步骤1，将钢坯加热至目标温度后继续恒温，记录钢坯在不同温度环境中、恒温不同时间条件下的氧化层厚度h和辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测；步骤2，根据步骤1记录的数据找出温度偏差△T与氧化层厚度h之间的关系为：ΔT＝kh+b；步骤3，根据步骤1记录的数据，计算出k与T_aim之间的关系k(T_aim)以及b与T_aim之间的关系b(T_aim)；根据辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测和氧化层厚度h可计算出钢坯的实际温度；从而实现高温连铸过程铸坯表面温度的在线准确监测。

Description

一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法

技术领域

本发明属于辐射测温技术领域，特别涉及一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法。

背景技术

先进的连铸二次冷却动态控制是保证和提高铸坯质量的需要，连铸坯表面温度实时监测是二冷动态控制的关键环节；二冷区表面温度是调节二冷水量、调节拉速、计算凝固末端的重要参数。目前，连铸坯表面温度实时监测主要采用辐射测温法。然而，复杂的连铸现场环境导致辐射测温不准。连铸现场影响辐射测温的因素主要有二冷水形成的水雾和铸坯表面的氧化层。已有的关于连铸二冷过程中水雾对辐射测温影响的研究较多，有气路吹扫法、光导纤维探测器无限接近被测物的方法、神经网络修正测量值等方法。利用上述方法，水雾对辐射测温的影响基本已经得到解决。

但是连铸过程中铸坯始终暴露空气中，且自身温度较高，铸坯表面会被氧化。由于热应力的作用，铸坯与氧化层之间出现缝隙，传热方式由传导传热变为辐射传热。由于氧化层的阻隔，铸坯表面向外发射的辐射能出现大幅度衰减，导致氧化层的温度低于铸坯表面温度。因此，连铸坯表面氧化层对铸坯表面温度的测量带来不可忽视的误差。

要实现连铸二次冷却区铸坯表面温度的实时准确监测，对氧化层造成的误差作出修正显得尤其重要。目前针如何使连铸二冷过程中的辐射测温更准确，王新华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的方法。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。

中国专利CN201310633960.7“用于多光谱辐射测温系统的发射率系数自校准装置及方法”研究的是在多光谱辐射测温系统所穿过测量火焰的相同路径上，设置了发射率系数自校准系统,通过记录宽谱光源、火焰、宽谱光源联合火焰的光谱参数,得到了不同波长下的火焰发射率系数，用于多光谱辐射测温系统的参数校正，克服了传统理论计算修正中的模型误差,提高了测量不确定度。但该技术方案未解决如何修正连铸过程中由于铸坯氧化层对辐射测温造成的误差的问题。

发明内容

本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，包括以下步骤：

步骤1，将钢坯加热至目标温度T_aim后继续恒温，记录钢坯在不同温度环境中、恒温不同时间条件下的氧化层厚度h和辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测；

步骤2，根据步骤1记录的数据找出温度偏差△T与氧化层厚度h之间的关系为：

ΔT＝kh+b

其中，温度偏差△T＝T-T_测；

步骤3，根据步骤1记录的数据，计算出k与T_aim之间的关系k(T_aim)以及b与T_aim之间的关系b(T_aim)；

步骤4，根据辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测和氧化层厚度h可计算出钢坯的实际温度，计算公式为：

T＝T_测+k(T_aim)*h+b(T_aim)。

优选地，所述步骤1中，钢坯加热前，在钢坯上钻焊热电偶，放入加热炉中，通入氮气保护，设置目标温度T_aim，待热电偶温度显示为目标温度T_aim时，停止通入氮气，进入恒温阶段。

优选地，所述热电偶为镍铬-镍硅热电偶。

优选地，所述步骤1中，辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测为：将辐射测温仪设置为每分钟测量6个温度峰值，每10分钟测得60个温度峰值并取平均值作为T_测。

优选地，所述步骤1中，氧化层厚度h的计算方法为：

其中，m：氧化铁皮的质量，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。

优选地，所述氧化铁皮的质量的计算方法为：钢坯恒温完成后立即转移至真空中冷却至室温；冷却后剥离氧化铁皮，并称重。

优选地，所述步骤4中，辐射测温仪测量的钢坯表面温度选择钢坯表面无水雾的地方进行测量。

相对于现有技术，本发明的优点如下，

1)本发明针对实际生产的钢种，研究计算其高温连铸过程中氧化层形成过程，分析铸坯表面不同氧化层厚度对铸坯表面辐射能的衰减作用，获得铸坯表面氧化层形成过程对铸坯表面温度辐射测量误差的影响规律，并给出相应的辐射测温误差修正方法，从而实现高温连铸过程铸坯表面温度的在线准确监测；

2)本发明能对高温连铸或轧制加热过程中由于表面氧化层造成的铸坯表面温度测量误差作出准确修正，获得实时的准确的铸坯表面温度；

3)能根据连铸拉坯时间对整个连铸过程中不同测温位置的铸坯表面氧化层厚度作出预测，并修正所测温度；

4)可根据不同钢种抗氧化能力的不同，针对性对温度测量误差进行合理修正，获得真实铸坯表面温度；

5)本发明方法可适用于其他金属在高温氧化环境中的辐射测温。

附图说明

图1为实施例1中钢坯表面氧化层生成量、生成速率变化关系图；

图2为实施例1中钢坯表面氧化层厚度变化关系图；

图3为实施例1中不同目标温度下钢坯的表面测量温度随恒温时间的变化关系图；

图4为实施例1中钢坯表面氧化层厚度对辐射测温误差的影响图。

具体实施方式

实施例1：

下面以45钢在高温连铸过程中表面氧化层形成和不同氧化层厚度下辐射测温的修正为具体案例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

1)氧化层的变化

1)钻焊热电偶。由于高温下钢坯在空气中会发生剧烈氧化，为避免热电偶随氧化层会脱落，需在钢坯上钻焊镍铬-镍硅热电偶(分度号为K，冷端温度为25℃)。

2)将钻焊热电偶的钢坯分别放入加热炉中，通入氮气保护，设置目标温度为800℃，待热电偶温度显示为800℃时，停止氮气。钢坯继续恒温一段时间，第i个钢坯恒温时间为(10×i)min。恒温阶段用辐射测温仪实时测量钢坯表面温度，测温仪设置为每分钟测量6个温度峰值，每10分钟测得60个温度峰值并平均值作为该时间段的温度。

3)恒温完成后立即钢坯转移至真空中冷却至室温。冷却后剥离氧化铁皮，并称重，记为m。采用公式(1)计算氧化铁皮的平均厚度：

m：氧化铁皮的质量，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。

4)将目标温度分别设为900℃和1000℃，重复以上步骤。

试样恒温处理后，45钢表面产生了氧化铁皮覆盖层。图1和2反映了45钢表面氧化层生成量、生成速率及厚度变化规律。

由图1和2可知，随着恒温时间加长，45钢表面氧化层质量与厚度随时间的变化规律都出现先增加后基本不变的规律，且不同目标温度下表面氧化层最终生成量和最终厚度几乎相等。各目标温度下钢坯表面氧化层生成速率逐渐降低，最终都趋近0。目标温度越高，氧化层初始生成速率越大，下降幅度越大，氧化反应越快完成。

2)氧化层形成过程中表面温度的变化

45钢恒温过程中表面被氧化导致表面氧化层与基体之间的传热方式变为辐射传热，传热过程中辐射能衰减，导致表面温度下降。图3反映不同温度下钢坯表面温度的变化情况。

由图3可知，钢坯在各目标温度下恒温过程中，表面温度都逐渐降低后基本不变。40min内，目标温度越高，表面温度下降越快。40min后，1000℃的钢坯表面温度下降至930℃左右，之后恒定不变。而800℃、900℃恒温条件下，需要更长时间才能达到恒定。

3)不同氧化层厚度对辐射测温误差的影响

由图1、图2、图3可知，钢坯表面氧化层大量生成导致了钢坯表面温度与实际温度不同，图4反映了氧化层生成过程中其厚度变化对钢坯表面温度的影响。

由图4可知，氧化层越厚，辐射测温值与真实温度相差越大，温度偏差与氧化层之间的关系呈线性变化，变化关系可表示为ΔT＝kh+b。

其中k值与T_aim关系为：

其中b值与T_aim关系为：

由于钢坯表面氧化层的影响，辐射测温测得的温度值低于真实温度。故真实温度与辐射测温值之间的关系为：T＝T_测+ΔT

所以T与表面氧化层厚度的关系为：

所以，根据辐射测温仪所测温度和氧化层厚度可根据上式计算出钢坯的实际温度。

4)45钢连铸过程中矫直处辐射测温的误差修正

45号钢板坯连铸过程中，拉速为1m/min时，在连铸机矫直段出口处形成的氧化层厚度对应为1.01mm。辐射测温仪在连铸机矫直段出口无水雾的地方测得铸坯表面温度约为845℃，用式(4)修正误差后其真实温度应该为910℃。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将钢坯加热至目标温度T_aim后继续恒温，记录钢坯在不同温度环境中、恒温不同时间条件下的氧化层厚度h和辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测；

步骤2，根据步骤1记录的数据找出温度偏差△T与氧化层厚度h之间的关系为：

ΔT＝kh+b

其中，温度偏差△T＝T-T_测；

步骤3，根据步骤1记录的数据，计算出k与T_aim之间的关系k(T_aim)以及b与T_aim之间的关系b(T_aim)；

步骤4，根据辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测和氧化层厚度h可计算出钢坯的实际温度T，计算公式为：

T＝T_测+k(T_aim)*h+b(T_aim)

其中，T_aim为目标温度。

2.如权利要求1所述的修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，所述步骤1中，钢坯加热前，在钢坯上钻焊热电偶，放入加热炉中，通入氮气保护，设置目标温度T_aim，待热电偶温度显示为目标温度T_aim时，停止通入氮气，进入恒温阶段。

3.如权利要求2所述的修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，所述热电偶为镍铬-镍硅热电偶。

4.如权利要求1所述的修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，所述步骤1中，辐射测温仪测量的钢坯表面温度T_测为：将辐射测温仪设置为每分钟测量6个温度峰值，每10分钟测得60个温度峰值并取平均值作为T_测。

5.如权利要求1所述的修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，所述步骤1中，氧化层厚度h的计算方法为：

其中，m：氧化铁皮的质量，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。

6.如权利要求5所述的修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，所述氧化铁皮的质量的计算方法为：钢坯恒温完成后立即转移至真空中冷却至室温；冷却后剥离氧化铁皮，并称重。

7.如权利要求1所述的修正连铸坯表面氧化层对辐射测温影响的方法，其特征在于，所述步骤4中，辐射测温仪测量的钢坯表面温度选择钢坯表面无水雾的地方进行测量。

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