Оптоволоконный зонд для измерения температуры жидкой стали

Вот уже лет семь работаю с системами контроля температуры в металлургии, и до сих пор сталкиваюсь с заблуждением, что оптоволоконный зонд — это просто 'удочка с проводами'. На деле, если брать измерения в жидкой стали, тут каждый миллиметр конструкции и каждая секунда погружения играют роль. Помню, как на одном из заводов в Липецке пытались использовать переделанный зонд для алюминия — результат был плачевен: сигнал пропадал через 20 секунд, а защитная трубка оплавилась. Это типичная ошибка, когда недооценивают агрессивность среды.

Конструкция и материалы: почему обычная нержавейка не подходит

Основная проблема — тепловой удар. Когда зонд погружаешь в сталь при 1650°C, внешний слой должен выдержать не только температуру, но и химическое воздействие шлаков. Мы в свое время тестировали разные варианты: от кварцевых покрытий до керамики на основе оксида циркония. Последний показал себя лучше всего, но и тут есть нюанс — если керамика слишком пористая, сталь проникает в микротрещины и разрушает чувствительный элемент.

Вот тут стоит упомянуть про ООО Шэньян Тэнъи Электроникс — их разработки по композитным материалам для трубок меня впечатлили. На их сайте https://www.tengyidianzi.ru видел варианты с многослойной защитой, где между керамикой и металлом добавлен буферный слой. В наших испытаниях такой зонд выдерживал до 15 циклов погружения без деградации сигнала. Хотя, честно говоря, для серийного производства это все еще дороговато.

Еще один момент — крепление волокна внутри. Раньше использовали эпоксидные составы, но при длительном контакте с высокими температурами они выделяют газы, которые запотевают оптику. Сейчас перешли на механические фиксаторы с прижимными втулками, но это требует ювелирной точности при сборке.

Калибровка и погрешности: где теряются градусы

Многие думают, что раз оптоволокно передает свет без искажений, то и температура будет идеальной. На практике же основной источник погрешности — неоднородность нагрева по длине зонда. Особенно в зоне контакта с шлаком, где может быть разница до 100°C между кончиком и средней частью.

Мы как-то проводили сравнительные замеры с термопарами типа B — в спокойной ванне расхождение было в пределах 3-5°C, а при активной продувке аргоном уже достигало 15°C. Волокно лучше реагирует на быстрые изменения, но если нужно усредненное значение за время выдержки, приходится делать поправки по кривой остывания.

Интересно, что ООО Шэньян Тэнъи Электроникс в своих методиках предлагает калибровку с учетом скорости погружения. Это действительно важно — если зонд опускать медленно, верхние слои успевают прогреться искажая показания с торца. В их протоколах есть даже поправка на угол установки относительно потока металла.

Полевые испытания: от лаборатории до конвертера

Помню первый опыт внедрения на ЭСПЦ в Череповце. Теоретически все было идеально — зонд с сапфировым окном, система продувки аргоном. Но на практике оказалось, что вибрация от механизма подачи вызывает микросмещения волокна, и через 50 циклов сигнал начинал 'плыть'. Пришлось переделывать крепление на гибкую муфту.

Еще одна история — с защитными колпачками. Стандартные керамические быстро разрушались от термоудара, пробовали делать с двойными стенками с вакуумной прослойкой. Теплоизоляция улучшилась, но стоимость выросла втрое, а ремонтопригодность упала. В итоге вернулись к монолитным, но из спеченного карбида кремния — ресурс около 200 погружений при условии бережного хранения.

На сайте https://www.tengyidianzi.ru я заметил интересное решение — сменные модули с предустановленной оптикой. Для ремонтников это удобно, но на горячем участке менять такие блоки дольше, чем весь зонд. Хотя для плановых ТО вариант хороший.

Интеграция с системами управления: скрытые сложности

Самое неприятное — когда данные с зонда идут в систему управления плавкой, но не учитывается инерционность. Например, при доводке химического состава, если брать последнее измерение как истинное, можно переборщить с легированием. Мы сейчас используем адаптивные алгоритмы, где строится прогноз остывания по истории предыдущих замеров.

С подключением к АСУ ТП тоже не все гладко. Оптоволоконные датчики выдают цифровой сигнал, но на большинстве старых заводов до сих пор стоят аналоговые входы. Конвертеры добавляют задержку, плюс нужна гальваническая развязка — рядом с дуговыми печами помехи съедают полезный сигнал.

У ООО Шэньян Тэнъи Электроникс в этом плане продуманные решения — их модули имеют встроенную защиту от ЭМП и совместимы с основными промышленными протоколами. На том же Череповецком ММК их блоки ставили на печь-ковш, и с настройкой связи с Siemens S7 проблем не было.

Экономика эксплуатации: когда дешевле значит дороже

Часто заказчики экономят на расходниках — покупают зонды без запаса защитных трубок или берут более дешевые аналоги. В итоге за сезон тратят на 30% больше из-за простоев и перерасхода датчиков. У нас был расчет для ДПЦ-5: при ресурсе качественного зонда в 150 циклов и цене около 1200 евро, себестоимость одного измерения выходит около 8 евро. Если брать китайский аналог за 400 евро с ресурсом 40 циклов — уже 10 евро за замер, плюс риски брака.

Сейчас многие переходят на сервис по подписке — когда производитель типа ООО Шэньян Тэнъи Электроникс не только поставляет оборудование, но и ведет мониторинг его состояния, заранее предупреждая о замене. Для больших цехов это выгоднее, чем держать штат ремонтников.

И последнее — обучение персонала. Сколько раз видел, как операторы бросают зонды на пол после замера или чистят оптику грубой ветошью. Простой инструктаж увеличивает срок службы на 20-25%. Поэтому сейчас мы всегда включаем в контракт обязательные тренировки для сменных мастеров.

Перспективы и ограничения технологии

Сейчас активно развиваются распределенные системы — когда по одному волокну можно отслеживать температуру в нескольких точках одновременно. Технически это реализуемо, но для жидкой стали пока сложно — нужны сверхстабильные соединения, которые не боятся вибрации.

Еще одно направление — комбинированные датчики, где кроме температуры измеряется содержание кислорода или водорода. Но тут возникает конфликт требований: для газового анализа нужен контакт с металлом, а для оптики — герметичность. Пока такие разработки есть только в лабораторных вариантах.

Если смотреть на сайт https://www.tengyidianzi.ru, у них есть прототип зонда с дополнительным каналом для спектроскопии. Интересная концепция, но для промышленного применения еще рано — слишком сложная калибровка и высокая чувствительность к условиям монтажа.

В целом, оптоволоконный зонд — не панацея, а инструмент, который требует понимания физики процесса. Главное — не гнаться за модными 'умными' функциями, а обеспечить стабильность работы в суровых условиях цеха. Как показывает практика, надежная простая система всегда лучше сложной, но капризной новинки.