Система бесконтактного пирометрического измерения температуры жидкой стали

Когда речь заходит о непрерывном контроле температуры расплавленного металла, многие сразу представляют себе классические термопары — но погружные датчики в конвертерах или разливочных ковшах вечно выходят из строя через пару плавок. Мы в ООО 'Шэньян Тэнъи Электроникс' с 2018 года экспериментировали с инфракрасными пирометрами, и вот что выяснилось на практике...

Почему обычные пирометры не работают с жидкой сталью

Первый же тест на ММК показал: серийные инфракрасные датчики за 3000 евро выдавали погрешность до ±50°C. Причина — спектральный диапазон 8-14 мкм, который не пробивает плотную завесу паров и шлаковых частиц над ванной. Кстати, именно тогда мы начали сотрудничать с инженерами из https://www.tengyidikanzi.ru — их наработки по узкополосным фильтрам 1.6 мкм стали основой для нашей первой рабочей версии системы.

Запомните: если поставщик предлагает 'универсальный' пирометр для металлургии — скорее всего, он ни разу не видел, как кипит полуспокойная сталь в 300-тонном ковше. Эмиссионная способность (ε) колеблется от 0.3 до 0.8 в зависимости от марки стали, и это не теоретический параметр, а ежедневная головная боль.

Особенно проблемные зоны — участки под слоем шлака, где показания могут 'прыгать' на 100 градусов. Пришлось разрабатывать алгоритм компенсации, который учитывает не только оптические помехи, но и динамику изменения уровня металла.

Критические узлы системы

Основная битва развернулась вокруг системы воздушного охлаждения. Стандартные термочехлы выдерживали максимум 15 минут при тепловом потоке от стенки конвертера — потом оптическое окно покрывалось окалиной. Решение нашли комбинированное: принудительный обдув + двухконтурная водяная рубашка, но с нержавеющими трубками вместо меди (после 3 прогоревших образцов).

Оптический тракт — отдельная история. Кварцевые линзы мутнели через 2-3 недели, пришлось переходить на сапфировые с антиотражающим покрытием. Кстати, именно тогда мы в ООО 'Шэньян Тэнъи Электроникс' запатентовали съемный модуль юстировки — теперь техник может заменить оптику без демонтажа всей системы.

Самое неочевидное: вибрации от работы ГБЦ выбивали настройки каждые 10-12 дней. Пришлось ставить демпфирующие прокладки и переходить на жесткие крепления — парадокс, но это сработало. Механики сначала ругались, потом сами стали рекомендовать такой монтаж для новых установок.

Полевые испытания на Череповецком МК

Первый долгосрочный тест в 2021 году чуть не провалился из-за... системы подачи сжатого воздуха. Фильтры-влагоотделители не справлялись с конденсатом — на линзах появлялась плёнка, и пирометр начинал 'врать'. Спасла установка адсорбционных осушителей с автоматической продувкой.

Интересный случай: в одной из плавок система бесконтактного пирометрического измерения температуры стабильно показывала на 80°C ниже термопары. Оказалось, проблема в неправильном угле установки — луч 'считывал' не чистый металл, а пограничный слой шлака. После коррекции монтажа расхождения сократились до 5-7°C.

За 8 месяцев непрерывной работы набрали уникальную статистику: наш пирометр на основе инфракрасного излучения выдерживал до 97% рабочего времени против 35% у погружных датчиков. Правда, пришлось 3 раза менять блок обработки сигнала — микросхемы деградировали от температурных циклов.

Нюансы калибровки

Самый частый вопрос от технологов: 'Как часто перекалибровывать?'. Ответ зависит от режима работы — если печь работает с перерывами, термические напряжения сокращают межкалибровочный интервал вдвое. Мы обычно рекомендуем проверку раз в квартал, но с обязательным контролем по эталонному термометру после каждой кампании огнеупоров.

Особенно чувствительны к разгерметизации ИК-фильтры. Один раз при замене оптики забыли продуть камеру сухим азотом — через неделю показания поплыли. Теперь в инструкции отдельным пунктом: 'Перед монтажом — 3 минуты продувки'.

Калибровку по черному телу многие проводят формально, но мы настаиваем на полном цикле: от 800°C до 1700°C с шагом 100 градусов. Да, это занимает целую смену, зато потом не приходится экстраполировать кривые в рабочем диапазоне.

Экономика vs точность

Когда директор по производству спрашивает 'зачем эти сложности', показываем простой расчет: один аварийный простой конвертера из-за вышедшей из строя термопары обходится в 2-3 млн рублей. Наша система бесконтактного пирометрического измерения температуры с тремя точками контроля окупается за 4-5 месяцев даже с учетом затрат на обслуживание.

Но есть нюанс: для ответственных плавок (например, подшипниковые стали) всё равно дублируем погружным датчиком. Хотя за последний год расхождения превышали 3°C всего два раза — оба раза из-за локальных всплесков запыленности.

Сейчас тестируем гибридную схему: основной пирометр + резервный в другом спектральном диапазоне. Дорого, но для непрерывных разливочных станов оправдано — простои там ещё критичнее.

Что в итоге

За 5 лет прошли путь от 'это не будет работать' до внедрения на 3 крупных комбинатах. Главный урок: не существует универсального решения, каждый цех требует адаптации — где-то мешают пары масел от оборудования, где-то электромагнитные помехи от трансформаторов.

Сейчас в ООО 'Шэньян Тэнъи Электроникс' разрабатываем следующее поколение систем с машинным обучением для компенсации помех. Первые тесты показывают снижение погрешности ещё на 40%, но это уже тема для нового отчёта...

Если резюмировать: бесконтактное пирометрическое измерение температуры жидкой стали перестало быть экзотикой, но требует глубокого понимания технологии. Готовых коробочных решений нет и вряд ли появятся — слишком много переменных в реальном производстве.