Защитное оптическое стекло для систем непрерывного измерения температуры жидкой стали завод

Вот что сразу надо понимать про защитные стекла для пирометров в сталелитейных цехах – многие думают, будто это просто кусок прозрачного материала, который можно заменить любой термостойкой пластиной. На самом деле, если стекло не пропускает строго определенный ИК-диапазон, которое выдает жидкая сталь при 1500–1700°C, все показания будут идти вразнос. У нас на ММК как-то поставили экспериментальное кварцевое стекло без коррекции спектрального коэффициента – в итоге три плавки ушли в брак из-за расхождений в 40–50 градусов.

Почему обычное кварцевое стекло не работает в конвертерах

Когда мы только начинали внедрять системы непрерывного измерения температуры в кислородно-конвертерном цехе, думали – берем кварцевое стекло с максимальной термостойкостью и все. Но уже через две смены на поверхности появлялись микротрещины от термоудара, когда шлаковые брызги попадали на защиту. Причем визуально стекло казалось целым, но ИК-сигнал начинал 'плыть'. Лаборатория позже подтвердила – поверхностная деградация меняет оптическую плотность.

Тут еще нюанс с химическим составом шлаков. В разных марках стали используются разные флюсы – например, при выплавке нержавейки часто идет повышенное содержание фторидов кальция. Они буквально за две-три плавки протравливают поверхность стекла, создавая матовый налет. Приходилось менять защиту каждые 8–10 часов, пока не перешли на специализированные стекла с боросиликатным покрытием.

Сейчас вспоминаю, как в 2018 году на ЭСПЦ №2 пытались использовать немецкие защитные стекла от пирометров для алюминиевой промышленности. Технологи кричали – показания стабильные! А когда провели калибровку по эталонному термопарному зонду, оказалось – систематическое занижение на 22°C. Производитель потом признал, что спектральная характеристика рассчитана на другие температурные диапазоны.

Критерии выбора защитного стекла для жидкой стали

Первое – коэффициент пропускания в диапазоне 0.7–1.1 мкм. Для жидкой стали это критично, потому что пиковая интенсивность излучения как раз приходится на эту зону. Если стекло, например, начинает 'проседать' на 0.9 мкм – пирометр будет показывать температуру не металла, а шлаковой пленки.

Толщина – тоже неочевидный момент. Слишком тонкое стекло (менее 8 мм) быстро прогорает, особенно в зоне замера ударной струи кислорода. Но если ставить толще 12 мм – появляется погрешность из-за дисперсии. Мы эмпирическим путем вывели оптимальные 9–10 мм с антирефлексным напылением.

Система охлаждения – отдельная история. Воздушное обдувание не всегда спасает, когда температура в конвертере под 1600°C. Приходилось делать комбинированную защиту: водяной охладитель корпуса + воздушная завеса непосредственно перед стеклом. Но здесь важно соблюдать дистанцию – если поток воздуха слишком интенсивный, возникают микровибрации, которые влияют на стабильность показаний.

Практический опыт с системами от Тэнъи Электроникс

Когда ООО Шэньян Тэнъи Электроникс предложили нам испытать их защитные стекла с керамической прослойкой, сначала отнеслись скептически. Китайские аналоги раньше показывали нестабильные результаты. Но на тестовой установке в электроплавильном цехе стекло проработало 72 часа без замены – это было в 2.3 раза дольше, чем у нашего стандартного поставщика.

Особенно отметили конструкцию крепления – не требующую юстировки после замены. Раньше после установки нового стекла техникам приходилось тратить до 40 минут на настройку оптической оси. С их системой посадки 'ласточкин хвост' время замены сократилось до 5–7 минут.

Правда, возникла проблема с совместимостью со старыми пирометрами AMETEK Land. Пришлось дорабатывать посадочные места – но это скорее вопрос унификации, а не качества самих стекол. Кстати, их технические специалисты оперативно прислали переходные кольца, что редкость для поставщиков из Азии.

Типичные ошибки монтажа и эксплуатации

Самая частая проблема – неправильная установка прокладок. Если использовать обычные асбестовые уплотнители вместо графитовых, при первом же термическом расширении возникает перекос стекла в корпусе. В результате появляется оптическое искажение, которое пирометр воспринимает как колебание температуры.

Еще забывают про периодическую продувку оптического канала. В условиях цеха вокруг системы измерения постоянно летит мелкодисперсная пыль с содержанием металлических частиц. Они оседают на стекле и создают экранирующий эффект. Мы ввели регламент – каждые 4 часа обязательная продувка сжатым воздухом через форсунки.

Калибровка – отдельная головная боль. Многие цеха экономят на поверочном оборудовании, полагаясь на штатные функции пирометров. Но когда сравнивали показания откалиброванного пирометра с термопарой погружного типа – расхождения доходили до 15°C. Теперь раз в квартал обязательно гоняем контрольные замеры эталонным зондом.

Экономический эффект от правильного выбора стекла

Когда мы пересчитали потери от брака из-за некорректных показателей температуры – цифры оказались шокирующими. Всего один процент брака по температуре выхода стали из конвертера обходился цеху в 1.2 млн рублей ежемесячно. После перехода на специализированные защитные стекла и внедрения системы контроля от ООО Шэньян Тэнъи Электроникс удалось снизить этот показатель в 4 раза.

Срок службы – тоже важный фактор. Раньше стекла меняли каждые 36–40 часов работы. Сейчас те же 72–80 часов, при этом стоимость одного стекла всего на 15–20% выше. Плюс экономия на простое оборудования во время замены – раньше на эту операцию уходило до 25 минут, сейчас 7–10 максимум.

Косвенный эффект – снижение погрешности измерения позволило точнее выдерживать технологические режимы. В частности, при выплавке низкоуглеродистых сталей теперь стабильно попадаем в допуск по содержанию углерода ±0.002%, раньше был разброс до ±0.005%. Для премиальных марок это существенно.

Перспективы развития защитных систем

Сейчас тестируем экспериментальные образцы с нанопористой структурой – идея в том, чтобы между двумя слоями оптического стекла создать вакуумную прослойку. Теоретически это должно улучшить термостойкость еще на 30–40%. Но пока есть проблемы с герметизацией стыков – при циклическом нагреве до 800°C и охлаждении до 200°C появляются микротрещины по периметру.

Интересное направление – самоочищающиеся покрытия. В лабораторных условиях пробовали фотокаталитические напыления на основе диоксида титана. При воздействии УФ-излучения от расплава они должны разлагать органические загрязнения. Но в реальных цеховых условиях эффект пока слабый – слишком много металлической пыли, которая экранирует ультрафиолет.

Следующий шаг – интеллектуальные системы диагностики. Хотим внедрить лазерные сканеры, которые будут отслеживать степень деградации стекла в реальном времени. Если удастся – сможем прогнозировать момент замены с точностью до 2–3 часов, вместо текущих визуальных проверок раз в смену.

Выводы для практиков

Главное – не экономить на защитных стеклах. Сэкономите 20% на закупке – потеряете в 10 раз больше на браке. Особенно это касается конвертерных и электроплавильных цехов, где точность температуры критична для всего технологического цикла.

Обязательно вести журнал замен с фиксацией рабочих часов каждого стекла. Мы сначала не придавали этому значения, пока не накопили статистику за полгода. Оказалось, что срок службы сильно зависит от марки выплавляемой стали – при переходе на высоколегированные сплавы износ увеличивается на 15–20%.

И последнее – не бойтесь пробовать новых поставщиков. Да, у ООО Шэньян Тэнъи Электроникс не такое громкое имя как у европейских брендов, но по факту их продукция показала себя не хуже, а в чем-то даже лучше. Особенно в условиях российских цехов с их специфическими нагрузками.