潘亞文,吳春法,李宏華,蔣紫韻

(閩南科技學(xué)院光電信息學(xué)院,福建 泉州 362332)

1 引 言

現(xiàn)代生活中鋼鐵應(yīng)用在建筑、機(jī)械、造船、汽車、鐵路、化工、航空等各個(gè)領(lǐng)域,無處不在,缺它不可。在生產(chǎn)鋼鐵的工藝過程中(如鍛造、連鑄、熱軋、冷軋等),對(duì)鋼鐵的實(shí)時(shí)溫度控制與測(cè)量是影響鋼鐵質(zhì)量的重要技術(shù)參數(shù)之一。

那么準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量不同環(huán)境下鋼鐵的溫度是一個(gè)重要的技術(shù)問題。目前測(cè)量溫度的方法主要有接觸式和非接觸式兩種[1-2]。接觸式測(cè)溫要求探頭與鋼鐵始終保持接觸,其精度雖然較高,但實(shí)時(shí)性、可移動(dòng)性、適應(yīng)性都較差,妨礙著鋼鐵的制造工藝,給加工制造過程帶來很多不便之處。而非接觸式測(cè)溫方法幾乎擁有所有優(yōu)點(diǎn),測(cè)溫響應(yīng)時(shí)間短,幾百毫秒范圍內(nèi),可隨時(shí)隨地各個(gè)方向各個(gè)點(diǎn)測(cè)量,可適應(yīng)煉鐵的各種不同環(huán)境。因此在鋼鐵的制造工藝過程中常使用非接觸式紅外測(cè)溫方法。

然而紅外測(cè)溫涉及到表征物體表面輻射能力的熱物性參數(shù)發(fā)射率[3]。其測(cè)量精度、變化特征控制深刻影響著物體表面溫度的測(cè)量精度。對(duì)于單波長輻射測(cè)溫計(jì),需要事先給出當(dāng)前測(cè)量條件下物體的發(fā)射率,這是不準(zhǔn)確的。對(duì)于多波長測(cè)溫計(jì),雖然不需要實(shí)時(shí)發(fā)射率,但需要事先給出光譜發(fā)射率與波長的擬合方程,因此不管從那個(gè)角度測(cè)量,發(fā)射率都是繞不過去的問題。光譜發(fā)射率除了與被測(cè)物體溫度和選取的測(cè)量波長有關(guān),而且,即使在相同的測(cè)量波長和溫度下還依賴于被測(cè)物體的表面條件,如表面粗糙度、表面氧化膜厚度、表面污染[4-6]等。本文研究在室溫環(huán)境中,給定的溫度下,長時(shí)間持續(xù)加熱使鋼表面生長出的一層氧化膜對(duì)光譜發(fā)射率的影響。值得注意的是這種在高溫下快速生成的氧化膜還會(huì)改變鋼表面的粗糙度,在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到加熱后的樣品表面條件與加熱前完全不一樣。后面會(huì)詳細(xì)分析到這一點(diǎn)。

為了準(zhǔn)確地了解表面氧化對(duì)各種鋼鐵光譜發(fā)射率的影響,近年十幾年來相關(guān)領(lǐng)域研究人員在選定波長和選定溫度下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)工作。Pujana 等人[7]在2007年使用精密輻射溫度計(jì)分別測(cè)量了波長在2.12 nm、4 nm和8 nm,溫度在959 K和1073 K下表面氧化對(duì)鋼的光譜發(fā)射率的影響。Reschab等人[8]在2011年,測(cè)量了鋼HS2-9-1-8在熔化和液態(tài)時(shí)684.5 nm處的光譜發(fā)射率。Cao等人[9]在2012年利用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)探究了不同波長下不同溫度處鋼的光譜發(fā)射率隨加熱時(shí)間的變化。vantner等人[10]在2013年測(cè)量了鋼AISI1015在523K不同波長下的光譜發(fā)射率,但是他們沒有研究表面氧化對(duì)光譜發(fā)射率的影響。Wen等人[11-13]在2010～2011年用快速紅外陣列光譜儀(FIAS)在1.2～4.8l m波長范圍內(nèi)測(cè)量了數(shù)種鋼在700 K、800 K和900 K下的光譜發(fā)射率。利用這些光譜發(fā)射率數(shù)據(jù),一方面研究了光譜發(fā)射率與波長、溫度之間的解析模型,然后將這些模型應(yīng)用到測(cè)溫中,從而推斷出鋼的表面溫度；另一方面,Wen[12]研究了加熱時(shí)間對(duì)光譜發(fā)射率的影響,但他沒有探究加熱時(shí)間與發(fā)射率之間的關(guān)系模型及其擬合精度。Shi等人[14-16]在2014～2015年分別測(cè)量了鋼201、鋼304、鋼316L在800～1100 K下1.5 μm處數(shù)小時(shí)加熱時(shí)間內(nèi)表面氧化對(duì)法向光譜發(fā)射率的影響,并確定了法向光譜發(fā)射率和加熱時(shí)間之間的關(guān)系模型。Zhu等人[17]在2017年探究了鋼309S在給定溫度下加熱對(duì)氧化膜生長的影響,評(píng)估幾種隨波長和溫度變化的鋼發(fā)射率模型,并擬合了表面氧化對(duì)氧化層生長過程中發(fā)射率擬合精度的影響,得到了有價(jià)值的結(jié)果。Xing等人[18]在2018年探究了鋼430加熱時(shí)間對(duì)光譜發(fā)射率的影響,給出了11種發(fā)射率隨加熱時(shí)間變化的解析模型,并通過計(jì)算機(jī)處理給出了擬合參數(shù),討論了其精度。

綜上所述,從這些研究結(jié)果中,可以清楚地看出表面氧化對(duì)光譜發(fā)射率有很大的影響,近年來也有一些好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而,所有這些實(shí)驗(yàn)的探究,主要都在于探究發(fā)射率與測(cè)量波長及溫度的解析模型,沒有發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的文獻(xiàn)分析鋼這種樣品的在不同的溫度下相同的加熱時(shí)間里鐵的氧化特性對(duì)發(fā)射率的影響不一致的化學(xué)原因,這也是本文工作的重要意義。

2 測(cè)量原理

在輻射測(cè)量中,相同溫度相同測(cè)量波長下待測(cè)物體和黑體的單色輻出度的比為待測(cè)物體的單色發(fā)射率

ελ=Lλ/Lλ,b

(1)

其中,里L(fēng)λ為待測(cè)物體的單色輻出度；Lλ,b為同溫度同波長下理想黑體的單色輻出度。顯然只要測(cè)出Lλ和Lλ,b就可以得到待測(cè)物體的單色發(fā)射率。

根據(jù)普朗克黑體輻射公式,溫度為T,波長為λ處的單色輻出度為:

Lλ,b=2πhc2λ-5[exp(hc/λkT)-1]-1

(2)

其中,h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為黑體的溫度。根據(jù)使用的實(shí)驗(yàn)裝置其中一個(gè)光電傳感器測(cè)量到黑體的輻射能為:

(3)

式中,f′為 光學(xué)系統(tǒng)的焦距；D為鏡頭直徑；τ0是大氣透射系數(shù)；A是光電傳感器的探測(cè)面積；τλ是光學(xué)系統(tǒng)在給定波長處的總透過率；λ1和λ2分別為窄帶濾波器的下限和上限波長。

同樣的,測(cè)量系統(tǒng)中,另一個(gè)光電傳感器測(cè)量的是相同溫度相同波長下待測(cè)物體的輻射能為:

(4)

對(duì)比式(1)、式(3)和式(4),在極窄的波段內(nèi)Δλ=λ2-λ1=20 nm,τλ可以近似為常數(shù),Lλ也可以看成是一個(gè)定值,則待測(cè)物體的單色發(fā)射率ελ為:

ελ=P2/P1

(5)

因此,只要測(cè)出來自待測(cè)物體的單色輻射能P2和來自黑體的單色輻射能P1就可以測(cè)出待測(cè)物體的單色發(fā)射率,上式即為本系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)物體光譜發(fā)射率的原理。

另外利用此裝置還可以測(cè)出黑體的溫度,由式(2)和式(3)可以得到黑體的輻射能為:

[exp(hc/λkT)-1]-1dλ

(6)

光電傳感器的工作波長為1.5 μm,在極窄的波段內(nèi)Δλ=λ2-λ1=20 nm,式(6)可寫為:

(7)

(8)

由于待測(cè)物體在黑體腔內(nèi),所以黑體的溫度等于待測(cè)物體的溫度?？梢愿鶕?jù)上式得出待測(cè)物體的溫度。

3 結(jié)果和討論

3.1 實(shí)驗(yàn)過程及測(cè)量結(jié)果

表1為選取樣品鋼SPHC的組份。將鋼SPHC樣品制作成長5 cm寬3 cm厚2 mm的中間開有小孔的長方形樣品,并用酒精擦拭清潔樣品表面。利用上述實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量了鋼在溫度800 K、840 K、880 K、920 K、960 K、1000 K、1040 K、1080 K、1120 K、1160 K處加熱時(shí)間對(duì)1.5 μm處光譜發(fā)射率的影響。每個(gè)測(cè)量溫度點(diǎn),加熱時(shí)間持續(xù)3小時(shí)以上,每5分鐘記錄一次光譜發(fā)射率的值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繪制了圖1(800 K、840 K、880 K、920 K、960 K、1000 K、1040 K、1080 K、1120 K、1160 K)共10溫度點(diǎn)處加熱時(shí)間對(duì)鋼的光譜發(fā)射率影響的關(guān)系圖。

表1 鋼SPHC的化學(xué)成分

圖1 不同溫度下加熱時(shí)間對(duì)鋼的光譜發(fā)射率的影響

3.2 溫度和鋼的氧化特性對(duì)發(fā)射率的影響

下面討論溫度和加熱時(shí)間對(duì)發(fā)射率的影響。從圖1縱向來比較,可看出在800～1160 K溫度范圍內(nèi),相同加熱時(shí)間下鋼樣品的溫度越高,其光譜發(fā)射率也越大。也就是說在本實(shí)驗(yàn)測(cè)量溫度范圍內(nèi)1.5 μm處光譜發(fā)射率隨溫度的增加而增大。

從圖1橫向比較,可發(fā)現(xiàn)光譜發(fā)射率變化情況在測(cè)量時(shí)間內(nèi)有著不同的表現(xiàn),這表明觀測(cè)溫度點(diǎn)處鋼的表面氧化有著不同的特征。在低溫時(shí)800 K、840 K、需要60～90 min,光譜發(fā)射率才基本趨于穩(wěn)定；而隨著測(cè)溫點(diǎn)溫度的升高920 K、960 K、1000 K似乎需要150～210 min發(fā)射率才基本趨于穩(wěn)定；而在更高的溫度處1120 K、1160 K時(shí)差不多剛到觀測(cè)溫度點(diǎn)發(fā)射率就趨于穩(wěn)定。我們知道,光譜發(fā)射率的變化取決于氧化層的厚度及其化學(xué)成份。從化學(xué)反應(yīng)上分析這種氧化特征。在800 K、840 K、880 K下,鋼樣品中的鐵與空氣中的氧氣緩慢反應(yīng)生成三氧化二鐵,此時(shí)氧化膜在緩慢生成,該溫度下氧化膜的增長主要來自于三氧化二鐵的生成；隨著測(cè)量點(diǎn)溫度的升高920 K、960 K和1000 K下,氧化膜中三氧化二鐵與鋼樣品中的鐵也會(huì)緩慢反應(yīng)生成氧化亞鐵,這種反應(yīng)只在高溫下才會(huì)快速反應(yīng),而實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量的溫度920 K至1000 K相對(duì)溫度較低,反應(yīng)過程比較緩慢需要更長的加熱時(shí)間氧化膜才趨于穩(wěn)定；當(dāng)溫度達(dá)到1120 K以上,到達(dá)該溫度點(diǎn)處,光譜發(fā)射率幾乎維持不變,氧化膜很快穩(wěn)定下來,這說明鋼樣品中的鐵與氧氣快速反應(yīng)生成三氧化二鐵,然后迅速生成氧化亞鐵,氧化膜迅速穩(wěn)定,此溫度下只需要很短的時(shí)間氧化膜就趨于穩(wěn)定。這一結(jié)論從反應(yīng)后的實(shí)驗(yàn)樣品也可以得到印證。通過表1知道樣品99 %以上含量為鐵,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,樣品冷卻到常溫,發(fā)現(xiàn)在低溫時(shí)(800 K),樣品表面呈紅棕色主要成份是三氧化二鐵,而高溫時(shí)(1160 K),可發(fā)現(xiàn)樣品表面呈黑色主要成份是氧化亞鐵。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,加熱三個(gè)小時(shí)發(fā)射率的變化幅度分別是0.039、0.024、0.015、0.023、0.026、0.023、0.013、0.017、0.001、0.002,可以發(fā)現(xiàn)在高溫階段發(fā)射率變化幅度很小,但這并不能說明溫度越高氧化膜增長的越薄,根據(jù)常理應(yīng)該是溫度越大,氧化膜越厚,光譜發(fā)射率變化應(yīng)該越大。這個(gè)原因應(yīng)該是到達(dá)高溫測(cè)量溫度點(diǎn)時(shí)需要一定的加熱時(shí)間引起的。理想條件下應(yīng)是即刻樣品加熱到所需的溫度。但實(shí)驗(yàn)中即使把加熱功率調(diào)到最大值,仍然需要十幾分鐘才能加熱到所需的溫度,這樣的話,在高溫時(shí),在達(dá)到觀測(cè)溫度點(diǎn)前氧化膜已基本形成,所以觀測(cè)到發(fā)射率的變化幅度很小。

3.3 曲線擬合

現(xiàn)在探究鋼樣品達(dá)到給定溫度后,并達(dá)到給定的加熱時(shí)間(30 min、60 min、90 min和120 min、150 min、180 min)時(shí),溫度與鋼的光譜發(fā)射率之間的解析關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖形如圖2所示?？梢娒織l曲線的趨勢(shì)是相同的。

圖2 給定加熱時(shí)間下溫度與發(fā)射率的關(guān)系

用式(9)并用最小二乘法擬合圖2的六條曲線,得到表2的擬合參數(shù)。

表2 不同加熱時(shí)間下溫度與發(fā)射率模型擬合參數(shù)

ελ=a+bln(T+c)

(9)

表2給出了六條曲線的擬合系數(shù),從表2可以看出,各系數(shù)大小非常接近,曲線的擬合相關(guān)系數(shù)R為0.99,接近于1,可見溫度與發(fā)射率之間的關(guān)系模型與實(shí)際模型之間描述非常準(zhǔn)確。

4 總 結(jié)

本文研究結(jié)果表明,在低溫800 K階段,氧化膜的增長主要來自前90 min,這一階段氧化膜的生成主要是鋼樣品中的鐵與空氣中的氧反應(yīng)生成三氧化二鐵,而當(dāng)溫度到達(dá)960 K左右,三氧化二鐵與鐵緩慢反應(yīng)生成氧化亞鐵,這一過程在該溫度下進(jìn)行的非常緩慢,因?yàn)楫?dāng)下溫度還相對(duì)較低,氧化膜需要較長時(shí)間才趨于穩(wěn)定,而在1120 K以上,氧化膜很快穩(wěn)定下來,說明三氧化二鐵與鐵反應(yīng)生成氧化亞鐵過程很快,發(fā)射率基本保持不變,值得說明的是在高溫下觀測(cè)到的發(fā)射率變化很小,原因可能是到達(dá)測(cè)溫點(diǎn)需要十幾分鐘的加熱時(shí)間,如此長的時(shí)間和溫度,氧化膜已經(jīng)形成。鋼樣品在大氣環(huán)境中的這種氧化特性可以給鋼的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量提供參考。最后擬合了相同的加熱時(shí)間里光譜發(fā)射率與溫度的關(guān)系模型。結(jié)果表明,給出的關(guān)系模型與實(shí)際模型非常吻合一致。