Инфракрасное защитное оптическое стекло для измерения температуры жидкой стали завод

Когда говорят про инфракрасное защитное оптическое стекло для сталелитейных производств, многие думают, что это просто кусок термостойкого стекла. Но на деле — это ключевой элемент, от которого зависит точность всего процесса и срок службы дорогостоящего оборудования. Вспоминаю, как на одном из заводов в Липецке пытались сэкономить, поставили обычное кварцевое стекло — через две недели измерения температуры жидкой стали начали 'плыть', пришлось останавливать плавку. Именно поэтому мы в ООО Шэньян Тэнъи Электроникс всегда подчеркиваем: стекло должно быть не просто термостойким, а именно оптическим с правильным коэффициентом пропускания в ИК-диапазоне.

Почему обычное стекло не подходит

Начну с базового момента: спектральные характеристики. Для точного измерения температуры жидкой стали (а это °C) нужно, чтобы стекло пропускало волны именно в диапазоне 0.9-1.1 мкм. Обычное кварцевое стекло, которое часто ставят 'на авось', начинает деградировать уже при 1200°C — появляется поверхностная опалесценция, которая искажает показания. Как-то разбирали отказ на Череповецком меткомбинате: после 15 плавок погрешность достигла 40°C. Оказалось, стекло было без защитного ИК-покрытия.

Еще важный нюанс — тепловой удар. Когда оптическое стекло резко охлаждается (например, при продувке системы воздухом), на поверхности возникают микротрещины. Они не всегда видны глазу, но коэффициент пропускания падает на 5-7% каждые 10 циклов. Мы в Тэнъи Электроникс специально разрабатывали стекла с градиентным упрочнением — внешний слой более термостойкий, внутренний сохраняет оптические свойства. Но и это не панацея: если монтаж выполнен без теплового зазора, даже самое лучшее стекло треснет при первом же включении.

Кстати, про монтаж — это отдельная боль. Видел случаи, когда техники зажимали стекло металлическими фланцами без компенсационных прокладок. При нагреве коэффициент теплового расширения у стали и стекла отличается в 3 раза — результат предсказуем. Сейчас всегда рекомендуем использовать асбестовые или керамические прокладки, но некоторые заводы до сих пор экономят на 'мелочах'.

Как мы тестируем стекла перед поставкой

В нашей лаборатории в ООО Шэньян Тэнъи Электроникс каждый образец проходит не менее 200 циклов 'нагрев-охлаждение' в режиме, имитирующем работу у ковша с жидкой сталью. Температуру поднимаем до 1650°C (с запасом), затем принудительное охлаждение до 200°C за 2 минуты. Если после этого оптические характеристики упали более чем на 3% — партия бракуется. Помню, в 2019 году пришлось забраковать целую серию из-за неоднородности структуры стекла — визуально дефект был незаметен, но при термоциклировании появлялись локальные помутнения.

Особое внимание уделяем проверке спектрального пропускания. Часто поставщики экономят на материалах, и тогда в критическом диапазоне 1.05 мкм возникает 'провал' — это приводит к систематической погрешности в +20-30°C. Как-то проверяли стекло от конкурентов — в паспорте было заявлено 92% пропускания, а на деле на рабочих длинах волн едва 80% набиралось. После этого всегда требуем протоколы испытаний по ГОСТ 8.558-2009.

Еще один тест — устойчивость к брызгам шлака. На Магнитогорском комбинате как-то наблюдал, как капля шлака прожгла стандартное стекло за одну смену. С тех пор мы добавили в техпроцесс специальную обработку поверхности — не скажу детали, коммерческая тайна, но результат: стекло выдерживает контакт с жидким шлаком до 15 секунд без критических повреждений.

Типичные ошибки при эксплуатации

Самая распространенная — неправильная очистка. Видел, как операторы металлургических печей пытаются отскрести нагар металлическими щетками — естественно, защитное оптическое стекло покрывается царапинами, которые рассеивают ИК-излучение. В инструкциях всегда пишем: только мягкие салфетки и специальная паста на основе оксида церия. Но доходит далеко не до всех.

Другая проблема — несвоевременная замена. На одном из уральских заводов стекло проработало 2 года без замены — в итоге пирометр начал занижать показания на 60°C. Когда разобрали, оказалось, что стекло потемнело равномерно, и визуально это было незаметно. Теперь рекомендуем обязательную поверку каждые 6 месяцев с замерами фактического пропускания.

И конечно, температурный режим. Хотя стекло и рассчитано на высокие температуры, резкие перепады губительны. Как-то на новом заводе в Таганроге поставили пирометры слишком близко к зоне выгрузки — стекло трескалось каждую неделю. После переноса датчиков на 0.5 метра дальше проблема исчезла. Казалось бы, очевидная вещь, но на практике такие ошибки встречаются постоянно.

Особенности для разных типов сталелитейного оборудования

Для конвертеров нужны стекла с повышенной стойкостью к окислению — там высокая концентрация кислорода. Мы разрабатывали специальный состав с добавкой оксида иттрия, который снижает скорость деградации в таких условиях. На испытаниях в Череповце этот вариант проработал в 3 раза дольше стандартного.

Для электродуговых печей критична стойкость к электромагнитным помехам — иногда забывают, что стекло должно сохранять не только оптические, но и диэлектрические свойства. Были случаи, когда наведенные токи вызывали локальный перегрев и растрескивание. Пришлось вводить в конструкцию токопроводящее напыление по краям — проблема ушла.

А вот для установок 'печь-ковш' важнее всего устойчивость к термическому удару — там температурные скачки самые резкие. Для таких случаев мы делаем стекла с пониженным коэффициентом теплового расширения, но они дороже на 30-40%. Не все заводы готовы платить, пока не столкнутся с постоянными заменами.

Перспективные разработки и неудачные эксперименты

Пытались внедрить сапфировые стекла — да, они прочнее и термостойче, но стоимость в 7 раз выше, а при длительном контакте с жидким металлом все равно появляются микротрещины. Отказались, экономически нецелесообразно.

Сейчас экспериментируем с многослойными структурами — внешний слой принимает термический удар, внутренний сохраняет оптику. Первые испытания на Новолипецком комбинате показали увеличение ресурса на 40%, но есть проблемы с адгезией слоев при длительной работе. Дорабатываем.

Интересный вариант — самоочищающиеся покрытия на основе диоксида титана. В теории — уменьшается загрязнение, продлевается срок службы. На практике — покрытие выгорает за 2-3 месяца при температурах выше 1400°C. Пока не нашли устойчивого состава, но продолжаем исследования.

В ООО Шэньян Тэнъи Электроникс считаем, что будущее за композитными материалами, но пока они слишком дороги для серийного применения. Хотя для ответственных участков на новых заводах уже начинаем поставлять пробные партии — посмотрим, как покажут себя в реальных условиях.