Бесконтактное измерение температуры расплавов металлов с использованием имитаторов черного тела

При использовании пирометров в металлургии удается точно определять температуру в замкнутом пространстве высокотемпературных печей и в результате этого улучшать качество выпускаемой продукции. Если стенки печи или объект контроля измеряют через технологические отверстия, то с помощью пирометров частичного излучения или визуальных пирометров в большинстве случаев удается достаточно точно измерить температуру стенок печи или объекта, если его температура близка к температуре стенок печи, причем правильные результаты получают лишь в том случае, если в поле зрения пирометра нет оказывающих влияния на точность измерения газов, паров или твердых частиц, поглощающих излучение.

Однако если нужно определить температуру свободно излучающих тел или температуру расплава металла вне закрытой печи (в индукционной печи, при выпуске из закрытой печи, в ковше, при отборе пробы ложкой или при разливке из вагранки), то полученная с помощью пирометров частичного излучения или визуальных пирометров температура значительно (на 60…200ºC) ниже действительной.

В реальных условиях промышленных измерений коэффициент теплового излучения расплавов металлов зависит от следующих факторов:

  • материал расплава;
  • температура расплава;
  • спектральный диапазон, в котором производятся измерения температуры;
  • степень покрытия поверхности расплава пленкой окисла и шлака;
  • градиент температур между расплавом металла, окислом и шлаком;
  • угол визирования поверхности расплава.

Для того чтобы избавиться от проблем измерения температуры бесконтактным способом, связанных с неопределенностью и нестабильностью коэффициента теплового излучения часто целесообразно применять имитаторы черного тела, погружаемые в расплав металла и поэтому имеющие ту же самую температуру.

Имитаторы черного тела могут иметь достаточно разнообразное исполнение:

  • труба с открытым концом, погружаемым в расплав;
  • труба с запаянным концом, погружаемым в расплав (дно может быть плоским или коническим);
  • полый конус, погружаемый в расплав;
  • болванка материала в твердом состоянии, погружаемая в расплав (коэффициент теплового излучения материала болванки по возможности должен стремиться к единице);
  • стакан из тугоплавкого материала, свободно плавающий по поверхности расплава;

Из всех перечисленных типов имитаторов наиболее достоверные результаты измерений могут быть получены при использовании трубы с запаянным концом, погружаемым в расплав (схема измерения приведена на рис. 1). Это связано с тем, что:

  • в поле зрения прибора отсутствует пыль, пар или испарения, как это было бы при использовании трубы с открытым концом, болванки металла или стакана из тугоплавкого материала;
  • труба может погружаться в расплав под любым углом и угол визирования не влияет на показания пирометра, как это было бы при использовании металлической болванки или стакана;
  • так как труба погружена в расплав, градиент температур между расплавом, окислом или шлаком также не будет влиять на показания пирометра;
  • изготовление имитатора в виде трубы с запаянным дном технологически не представляет трудности в отличие от изготовления полого конуса.

Схема применения стационарного пирометра ПИТ-201 совместно с имитатором черного тела для измерения температуры расплава металла.

К материалу, из которого изготавливается имитатор черного тела предъявляются следующие требования:

  • минимальное влияние на химический состав расплава металла, так как химсостав является важнейшим параметром качества металла;
  • повышенная жаропрочность, чтобы неоднократно выдерживать значительный перепад температур при погружении имитатора в расплав и извлечении из него;
  • высокая теплопроводность, чтобы имитатор был прогрет до той же температуры, что и расплав;
  • химическая устойчивость к воздействию расплава на имитатор.

Таким образом можно рекомендовать для измерения температуры расплава чугуна или стали имитатор черного тела делать в виде силитовой трубы, а для измерения температуры расплава алюминия, меди или сплавов на их основе – в виде стальной трубы с запаянным дном.

Имитатор черного тела в виде трубы с запаянным дном можно также использовать для измерения температуры печных газов. При этом для получения достоверных результатов измерений отношение длины равномерно нагретой трубы к ее диаметру должно составлять не менее чем 6:1.