中间包钢水连续测温的新方法

方 法
黑体空腔 铂铑热电偶 消耗型热电偶
测温方式
连续测温 连续测温 间断测温
表 １ ３ 种测温方法性能比较 Table １ Comparison of three thermometries
测温误差／ ℃ 响应时间／ s
测 温 成 本／ （美元／ 支）
≤３
４５
～ １５０
≤２
９０
４ ５０
≤５ ～ １０
xj ＋ xj ＋ １
（ ） ∑ ２
zk ＋ zk ＋ １
（ ） ］ ２
j＝ １
N z
（ dFr ， x － d Fr ， x ） ＋ εe ×
０n j
０n j＋１
k＝１
（ d Fr０ n ， zk＋ １ － d Fr０ n ， zk） ＋
ε０ ＋ εc dFr ， R ０n ０
Eb Eb
（（θθ０c）），
r j
）
＋ ε０
Eb （θz０ t ） Eb （θ０ ）
，
t ＝ １，２， …， N z ·
（ ５）
式中，ε０ 为腔 体材 料 发射 率；εc 为 开孔 处 等 效 空
气发射率；θ０ 为靶 底温 度；θc 为环 境温 度；θx０ m 为 x０ m 处筒壁温 度； θz０ t 为 z０ t 处 盖 面 温 度； d Fx０ ， x 为 x０ 处微圆环对 x 处同 轴 圆盘 的 角 系数； Nx ， Nr，
（３） 使用寿命 长：２４ ～ ４０ h（ 取决 于钢 种和 工 艺）·
（４） 测温成本与现行的 快速热电 偶实际消 耗 相 当 或 略 低，同 时 远 低 于 铂 铑 热 电 偶 连 续 测 温·
（５） 实 践 表明， 黑体 空腔 式钢 水 连续 测温 是 取 代 现 行 偶 头 间 断 测 温 的 最 佳 方 法·
基于在线黑体 空腔 理论 的研 究 成果，提 出 了 一种新型的钢水连续测温方法· 该 方法通 过在 线 黑体空腔辐射 特 性的 研究， 有 效解 决 了在 线黑 体 空腔“非密闭性”和“不 等温 性”对 测量 的 影响·实 践证明该方法 具 有较 高性 能价 格比： 测量 误差 ≤ ±３ ℃，测温管寿命可达 ２０ ～４０ h， 测温成 本与 现 行的快速热电 偶 实际 消耗 相当 或略 低， 同 时低 于 铂 铑 热 电 偶 连 续 测 温·
测温时将传感 器插 入到 钢水 中，保 护套 管 直
接与钢水相接触，感知温度， 测温管发出的辐射能
被测温探头接收，由斯蒂芬 － 波尔兹曼定律可得
Eb ＝ ε·σ· T４ ·
（ １）
式中， Eb 为在线黑体 空腔 的半 球 辐射 力； T 为 被 测介质的温度；ε为 在线黑 体空 腔的 发射率；σ为
斯蒂芬 － 波乐兹曼常数： σ ＝ ５．６６９ ７ × １０ － ８ W／ （m２ ·K４ ）·
d F － dF x ０ m ， x i ＋ １
x０
， m
x i
（ ） N r
＋ ∑εe j＝ １
rj ＋ rj ＋ １ × ２
∑ （ ） N z
（ dFx０
， m
rj＋ １
－
dFx０ m， rj） ＋
εe
k＝１
zk
＋ zk＋ １ ２
×
］ （ dFx０
， m
zk＋ １
－
dFx０
， m
z） k
Eb （θx ）
角系数； L１ 为靶底部分轴线长度； L２ 为圆筒部 分 轴 线 长 度·
式（２）中角 系数 是全 照区 角系 数 还是 半照 区
角系数以及积分限如何确定，与腔体的几何结构、
探测器接收面大 小以 及 探测 器的 具体 位置 有 关· 全照区角系数是指微圆环所发出的辐射能全部投
射到整个探测 器接 收 面上 的角 系数， 半照 区角 系
１ 测量原理
中间包钢水连续测温传感器主要由黑体空腔 测量管和测温探头组成·其 中 黑 体测 量 管是 由 内 外套管组成的 一 端开 口一 端封 闭的 复 合腔 体： 外 管 为 保 护 管，由 耐 高 温 、抗 钢 渣 腐 蚀 、耐 钢 水 冲 刷 、 抗热震性好和 抗氧 化 性好 的材 料制 成； 内 管为 测 温管，其内壁形成在线黑体空腔； 测温管与保护套 管 之 间 为 空 气 夹 层·
计算充分简化， 其基 本假 定条 件是 腔 体壁 面为 漫
发射和漫反射体·实 际上 并不 存在 理 想的 漫射 材 料，但构成黑体 空腔 壁面 的许 多工 程 材料 都是 漫
射 体 的 近 似 体·
［ （ ） N
∑ εe （ x０ m ） ＝ （１ － ε０ ）
x
εe
i＝１
xi ＋ xi＋ １ × ２
参考文献：
［１］
Short M W， Barber B， Normat on A S， et a l ． Temperature prediction and control during con tinuous casting［A］ ． Iron maki ng Con ference Proceed ings［C］ ． Chicago： Ironmaking Division of t he Iron & Steel Society， １９９７ ．５６，６５５ － ６５９ ．
n
＝
１，２，…， Nr ·
（ ４）
N
［∑ （ ） εe（ z０ t） ＝ （１ － ε０ ）
x
εe
i＝１
xi ＋ xi＋ １ ２
×
N r
∑ （ ） （ dFz ０t， xi＋１
－
d Fz０ t， xi ） ＋
εe
j＝ １
rj ＋ rj ＋ １ ２
×
］ （ dFz ０ t， r j＋ １
－
d
Fz
０
t
，
铑热电偶测温偏差 小于 ２ ℃，其准 确 性完 全满 足 生产要求·图中 曲线 右端 下降 部分 具 有较 大温 差 是由于更换中间包时（约 ３ min）， 两个测温传感器 的 响 应 时 间 不 同 而 造 成 的 动 态 测 温 误 差·
４ ６２
东北大学学报（自然科学版） 第 ２５ 卷
有“非密闭性”； ②测温时， 传感器一 部分插 入钢水
中，另一部分暴露于中包 空气中，二 者所施 加的边
界条 件（流 体 温度 和对 流 换热 系 数）具 有较 大 差 异，
温度 分布 沿 轴向 必然 存 在梯 度，其 测 温 管 内壁 所 形
成的 黑体 空 腔也 必然 具有 一 定的“ 非 等 温 性”，因 此
从以 上原 理 可知，该测 温 方法 的准 确 度主 要 取
决于 积分 发 射率 的准 确 计算·实验 室 黑 体 空腔 满 足 基尔 霍夫 理 想黑 体“密 闭”和“ 等 温”的 物理 模 型，其
积分发射率近似等于 １·但是在线黑体空腔却具有 如下两个特点： ①由于传 感器长径 比、靶底 锥度和
开口 大小 等 几何 条件 的 影响，所形 成 的 黑 体空 腔 具
图 １ 准确性实验曲线图 Fig ．１ Curve of precision
３ 结 论
（１） 在线 黑 体空 腔 的 辐射 特 性研 究， 能 有 效 消 除“ 非 密 闭 性”和“ 不 等 温 性”对 测 量 的 影 响·
（２） 准确 度高： 在温 度为 １ ４００ ～ １ ６００ ℃ 范 围内测温误差≤±３ ℃·
＋ ε０
０m
Eb （θ０ ）
＋
εc
d Fx ０
， m
R０
Eb （θc） Eb （θ０ ）
，
m
＝
１，２， …， N x ·
（ ３）
［ （ ） N
∑ εe （ r０ n ） ＝ （１ － ε０ ）
r
εe
i＝ １
ri
＋ ri＋ １ ２
×
N x
∑ dF － dF r０
n
，
r i
r０ n ， r i＋ １
＋
εe ×
８
≥１５０ ＊
优缺点
实用性
准 确 ， 成本 低 准 确 ， 成本 高 不 准 确 ，成 本 低
强 差 较强
＊ 相 同连续 测温 时间内 ，消 耗型 热电偶 的等 效成本·
２．２ 准确性试验
将连续测温系统与二等标准铂铑热电偶 （B 型）做对比实验， 其 结 果 如图 １ 所 示· 从 中可 见， 在线黑体空腔式钢水连续测温系统与二等标准铂
有效发射率、积分发射率的计算模型，并应 用于中 间包钢 水连续 测温系 统中·实践 表明，该方法 具 有较高性能价格比，测量误差≤±３ ℃，测温管寿 命可达 ２０～４０ h，测温成 本与现 行的快 速热电 偶 实 际 消耗 相 当 或 略 低 ，同 时 低 于 铂 铑 热 电 偶 连 续测 温 ， 是 取 代现 行 钢 水 间 断 式 测 温 的 较 好方 法· 关 键 词： 中间包；钢水；连续温度测量；在线黑体空腔；发射率
第 ２５卷第 ５期 ２００４ 年 ５ 月
东北大学学报（自然科学版） Journal of Northeastern U niversity（ Nat ural Science）
文章编号： １００５－３０２６（２００４）０５－０４６０－０３
Vol．２５， No ．５ May ２ ０ ０ ４
中间包钢水连续测温的新方法
次 英， 谢 植， 张 华
（ 东北大 学 信息 科学与 工程 学院， 辽宁 沈 阳 １１０００４）
摘 要： 基于在线黑体空腔理论，提出 了一种 新型的 钢水连 续测温 方法·针对在 线黑 体空 腔 不满足基尔霍夫理想黑体物理模型，具有“非密闭”和“不 等温”的 辐射 特性，建 立了在 线黑 体空 腔
［２］ ［３］
［４］
［５］ ［６］ ［７］ ［８］
［９］
Zoryk A， Reid P M ．On－line liquid steel temper at ure control［A］ ． ７６th AI ME S teel makin g Co n ference［ C ］ ． Dallas： Iron and Steel Society， １９９３ ．３１ － ４０ ． Robinson G ． Quality and operational benefits of continuous
Nz 分别为筒壁、靶底和盖面的等分点数·
２ 现场试验
基于在线黑体空腔理论设计的钢水连续测温 系统先后在包 钢、南 钢等 炼钢 厂方 坯 铸机 中间 包 上进 行 准 确性、测 量 管使 用 寿 命、响应 时 间 等 实 验，主 要 结 果 如 下· ２．１ 测温方法性能比较试验
黑体空腔式钢水连续测 温方法与现有 铂铑热 电偶连续测温方法和消耗型 热电偶间断式 测温相 比，具有准确度高且成本低的优点，详见表 １ 所示·
＋
L１ ＋ L２
dFx ， D d Ax
·
０
L１
（ ２）
收 稿日 期： ２００３－１０－１３ 基 金项 目： 国 家自然 科学 基金资 助项 目（５０１７４０２１）· 作 者简 介： 次 英（１９７２ － ），女 ， 山西大 同人， 东 北大学 博士 研究生 ； 谢 植（１９５７ － ），男 ，辽 宁沈阳 人， 东北 大学教 授， 博士 生导 师·
在线黑体空腔不满足 基尔霍夫理想黑 体“密闭 性”
和“ 等 温性”的 两个 限制 条 件，其 积 分 发 射 率不 能 简
单认为近似 １， 而必须进行准确计算·
∫ ∫ L１
L １ ＋ L２
εe（ r） dFr，D d Ar ＋
εe（ x） dFx ，D d Ax
ε＝
０
L１
∫ ∫ L１ dFr ，D d Ar
中图分类号： T F １２１ 文献标识码： A
连铸中间包钢 水温 度测 量是 控 制铸 机 拉速， 提高浇成率的 １ 项重 要监 测 指标［１～ ２］·常用 的 测 温方法有快速热电偶间 断测 温［３ ，４］ 和铂铑 热电 偶 外加保护 套 管连 续 测温［５～ ７］·前 者需 要 每 ５ ～ １０ min 人工测量一次，劳动强 度大，且因快速 热电 偶 的插入深度不 同 而影 响测 温的 准确 性 和稳 定性； 后者虽能较好 解 决上 述问 题， 但因 昂 贵的 铂铑 金 属使得测温费用过大，企业难以承受； 因此开发一 种测温 准确、性能 价格 比高、安 全可靠、操 作方 便 的 中 间 包 钢 水 连 续 测 温 技 术 势 在 必 行·
第 ５ 期 次 英等： 中间包钢水连续测温的新方法
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式中，εe 为空 体内 有 效 发 射 率； d Ar 和 d Ax 分 为 腔体靶面处 r 和壁面 x 处的微圆 环面积； dFr，D 和 dFx，D分别为 d Ar 和 d A x 对探 测 器接 收面 AD 的
数是指微圆环所发出的辐射能只有一部分投射到
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探测器接收面 上的 角 系数， 它 由黑 体 空腔 的开 口
大 小 或 光 栏 大 小 所 决 定· 由式 （２） 可知， 欲求腔 体积 分发射 率， 必须 先
确定黑体空腔内的有效 发射 率 分布·有 效发 射 率 的计算方法可 分 为积 分方 程法、多 重 反射 法和 蒙 特卡洛法［８］·本文采 用基 于积 分方 程 理论 的矩 形 区域近 似 法［９］ ， 该 方 法 能 避 开 奇 点 处 理 问 题， 使