Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов
В статье рассмотрено состояние контроля температуры, состава и структуры металлических сплавов. Показано, что технологический контроль процессов получения, обработки и разливки жидкого металла не обеспечивает стабильное получение качественной металлопродукции при минимальных ресурсозатратах. Обоснов...
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61466 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов / Л.Ф. Жуков // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 6. — С. 100-107. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-61466 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-614662014-05-06T03:01:42Z Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов Жуков, Л.Ф. Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов В статье рассмотрено состояние контроля температуры, состава и структуры металлических сплавов. Показано, что технологический контроль процессов получения, обработки и разливки жидкого металла не обеспечивает стабильное получение качественной металлопродукции при минимальных ресурсозатратах. Обоснованны новые направления развития температурного и экспрессного теплофизического, световодного, спектральнокомпенсационного, термографического, термоэлектрического и термодинамического контроля и доказана высокая эффективность его применения в металлургии. У статті розглянуто стан контролю температури, складу та структури металевих сплавів. Показано, що технологічний контроль процесів отримання, обробки та розливання рідкого металу не забезпечує стабільного отримання якісної металопродукції при мінімальних ресурсозатратах. Обґрунтовані нові напрями розвитку температурного та експресного теплофізичного світловодного, спектрально-компенсаційного, термографічного, термоелектричного та термодинамічного контролю і доведено високу ефективність його застосування в металургії. In this the author have viewed state of control of the metal alloys temperature, composition and structure. Today technological control of the molten metal mocking, treatment and pouring processes docs not secure the stable manufacture of the high – quality metal – production with minimal resource – consumption. The author hove based new directions of development of the temperature and express thermolphysic light – quide, spectral – compensating, thermoqraphic, thermoelectric and thermodynamic control and proved high efficiency of its application in metallurgy. 2006 Article Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов / Л.Ф. Жуков // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 6. — С. 100-107. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61466 621.745.5.06./07:536.5 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| spellingShingle |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов Жуков, Л.Ф. Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов Промышленная теплотехника |
| description |
В статье рассмотрено состояние контроля температуры, состава и структуры металлических сплавов. Показано, что технологический контроль процессов получения, обработки и разливки жидкого металла не обеспечивает стабильное получение качественной металлопродукции при минимальных ресурсозатратах. Обоснованны новые направления развития температурного и экспрессного теплофизического, световодного, спектральнокомпенсационного, термографического, термоэлектрического и термодинамического контроля и доказана высокая эффективность его применения в металлургии. |
| format |
Article |
| author |
Жуков, Л.Ф. |
| author_facet |
Жуков, Л.Ф. |
| author_sort |
Жуков, Л.Ф. |
| title |
Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов |
| title_short |
Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов |
| title_full |
Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов |
| title_fullStr |
Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов |
| title_full_unstemmed |
Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов |
| title_sort |
состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Измерение, контроль, автоматизация тепловых процессов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61466 |
| citation_txt |
Состояние и основные направления развития температурного и теплофизического контроля металлургических процессов / Л.Ф. Жуков // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 6. — С. 100-107. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT žukovlf sostoânieiosnovnyenapravleniârazvitiâtemperaturnogoiteplofizičeskogokontrolâmetallurgičeskihprocessov |
| first_indexed |
2025-07-05T12:29:08Z |
| last_indexed |
2025-07-05T12:29:08Z |
| _version_ |
1836810029133463552 |
| fulltext |
Высокотемпературные процессы получения,
обработки и разливки жидкого металла являются
наиболее ресурсоемкими в металлургии. Высо;
кая ресурсоемкость определяется как физичес;
кой природой применяемых технологий, так и
значительным уровнем технически неоправдан;
ных затрат, в том числе затрат, обусловленных
плохим метрологическим обеспечением произ;
водств. Несовершенство и тем более отсутствие
технологического мониторинга совершенно не;
допустимы для современного производства, так
как при этом увеличивается брак металлопродук;
ции, энергозатраты в 1,5…2,0 раза превышают
расчетные, возрастает вероятность аварийных
100 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
У статті розглянуто стан контролю
температури, складу та структури мета-
левих сплавів. Показано, що техно-
логічний контроль процесів отримання,
обробки та розливання рідкого металу
не забезпечує стабільного отримання
якісної металопродукції при мінімальних
ресурсозатратах. Обґрунтовані нові на-
прями розвитку температурного та екс-
пресного теплофізичного світловодного,
спектрально-компенсаційного, термо-
графічного, термоелектричного та тер-
модинамічного контролю і доведено ви-
соку ефективність його застосування в
металургії.
В статье рассмотрено состояние кон-
троля температуры, состава и структуры
металлических сплавов. Показано, что
технологический контроль процессов по-
лучения, обработки и разливки жидкого
металла не обеспечивает стабильное по-
лучение качественной металлопродукции
при минимальных ресурсозатратах. Обос-
нованны новые направления развития
температурного и экспрессного теплофи-
зического, световодного, спектрально-
компенсационного, термографического,
термоэлектрического и термодинамичес-
кого контроля и доказана высокая эффек-
тивность его применения в металлургии.
In this the author have viewed state of
control of the metal alloys temperature,
composition and structure. Today techno-
logical control of the molten metal mock-
ing, treatment and pouring processes docs
not secure the stable manufacture of the
high – quality metal – production with min-
imal resource – consumption. The author
hove based new directions of development
of the temperature and express thermol-
physic light – quide, spectral – compensat-
ing, thermoqraphic, thermoelectric and
thermodynamic control and proved high
efficiency of its application in metallurgy.
УДК 621.745.5.06./07:536.5
ЖУКОВ Л.Ф.
Физико@технологический институт металлов и сплавов НАН Украины
СОСТОЯНИЕ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
ТЕМПЕРАТУРНОГО И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
с2 – вторая постоянная Планка;
Кус – коэффициент усреднения;
Т – действительная температура объекта;
S(Sц) – яркостная, радиационная (цветовая) тем;
пературы излучения;
Δa – отклонение характеристической температу;
ры от измеряемой многоцветовой;
λ(λэ) – эффективная (эквивалентная) длина
волны для энергетической (цветовой)
пирометрии излучения;
λно – длина оптимальной настроечной волны;
ε(εэ) – излучательная (эквивалентная излучатель;
ная) способность объекта;
τ(τэ) – коэффициент (эквивалентный коэффици;
ент) пропускания промежуточной среды.
ВОК – волоконно;оптический кабель;
ВИП – вторичные измерительные преобразова;
тели;
ВЦИУ – выносные цифровые индикаторные ус;
тройства;
ИРП – измерительные регистрирующие при;
боры;
ППП – первичные пирометрические преобразо;
ватели;
СУ – световодное устройство;
ТЭТ – термоэлектрические термометры;
УОС – устройства оптического сочленения;
ФУ – фокусирующее устройство;
ЦПУ – цифропечатающие устройства;
П – поправка.
ситуаций, уменьшается ресурс футеровки метал;
лургических агрегатов.
На предприятиях с высокой технологической
дисциплиной экспрессно или полуэкспрессно
термографическими, рентгенофлуоресцентными,
оптическими спектральными и ультразвуковыми
методами, а также по ионной электропроводнос;
ти контролируются химический состав, структура
и газосодержание сплавов. Основными недостат;
ками указанного контроля являются ограничения
по количеству определяемых элементов, экс;
прессности, метрологическим характеристикам,
стоимости и функциональными возможностями.
Термометрический комплекс построен по мо;
дульному принципу и предназначен для непре;
рывного и периодического контроля, регистра;
ции и регулирования температурных режимов
технологических процессов в металлургии маши;
ностроения и большой металлургии, а также в
энергетике, керамическом, стекольном, химиче;
ском и других производствах.
Лучшие результаты показали световодные
методы контроля с помощью огнеупорных
коррозионностойких световодных устройств,
стационарно устанавливаемых в футеровке ме;
таллургических агрегатов. Для технической реали;
зации такого контроля выполнены исследования
металлургического оборудования с позиций све;
товодной термометрии и исследования световод;
ных методов и средств в условиях получения, об;
работки и разливки жидкого металла. В результате
исследований разработаны огнеупорные коррози;
онностойкие армировочные и световодные мате;
риалы, конструкции, технологии изготовления и
монтажа измерительных принадлежностей, вспо;
могательных, световодных и фокусирующих уст;
ройств, пирометрических преобразователей и схе;
мы их оптического сочленения, а также общий и
частные, для основных типов металлургических
агрегатов, методы световодной термометрии ме;
таллических расплавов.
На основе выполненных разработок создано
несколько типов и модификаций световодных
систем непрерывного контроля, регистрации и
индикации температуры расплавов в металлурги;
ческих агрегатах. Базовая система унифициро;
ванной конфигурации состоит из индивидуаль;
ной, привязываемой к условиям контроля и
размещаемой на металлургических агрегатах
первичной части, включающей световодное уст;
ройство, устройство оптического сочленения и
фокусирующее устройство, а также из универ;
сальной электронной вторичной части, включа;
ющей ППП, ВИП, ИРП и ВЦИУ. СУ предназна;
чено для формирования и передачи через
футеровку теплового излучения, термометричес;
кие параметры которого однозначно связаны с
температурой контролируемого расплава. СУ со;
стоит из световода, армированного силовой кон;
струкцией, которая выполнена из огнеупорных
коррозионностойких материалов, сочетаемых с
футеровкой и контролируемым расплавом. СУ
устанавливается в футеровку агрегата на всю ее
кампанию, в зоне, условия которой наиболее
полно отвечают специальным требованиям све;
товодной термометрии. УОС обеспечивает опти;
ческое сочленение ФУ с СУ, а также их гермети;
зацию, механическую защиту и охлаждение. ФУ
собирает выведенное СУ из полости металлурги;
ческого агрегата излучение и направляет его в во;
локонно;оптический кабель. ВОК передает излу;
чение на ППП. ППП преобразует, в наиболее
стабильных спектральных диапазонах, термомет;
рические параметры формируемого и передавае;
мого СУ теплового излучения в электрические
сигналы. ВИП преобразует аналоговые выход;
ные сигналы ППП в цифровые, обрабатывает их
по заданному алгоритму и выдает информацию о
текущей температуре металла на ИРП, ВЦИУ и
компьютер. ИРП является аналоговым показы;
вающим и самопишущим регистрирующим при;
бором и представляет термометрическую инфор;
мацию в удобной для восприятия форме. ВЦИУ
предназначено для цифровой визуальной инди;
кации текущих значений температуры расплава.
В отличие от известных технических решений
световодные технологии позволяют осуществить
непрерывный контроль температуры расплавов
непосредственно в металлургических агрегатах.
В настоящее время освоено промышленное
использование световодных термометрических
технологий на работающем непрерывно или с
зумпфом металлургическом оборудовании, в том
числе на индукционных тигельных и канальных
плавильных, миксерных и раздаточных печах и
разрабатывается модификация системы для кон;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 101
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
троля температуры расплавов в агрегатах перио;
дического действия.
Эксплуатация в промышленных условиях на
отечественных и зарубежных предприятиях по;
казала, что световодные термометрические тех;
нологии:
; обеспечивают непрерывный контроль
температуры металлических расплавов непо;
средственно в металлургических агрегатах, в том
числе в агрегатах закрытого типа, на всех этапах
получения и разливки жидкого металла. Могут
также использоваться для контроля температуры
солевых и керамических расплавов, газовых сред,
футеровки и для теплового контроля уровня жид;
ких и сыпучих высокотемпературных материа;
лов, границы агрегатного состояния металла,
толщины футеровки и других технологических
параметров;
; перспективны для использования на кон;
вертерах и вагранках; доменных, электродуго;
вых, нагревательных, стекловаренных и коксо;
вых печах; установках непрерывной разливки
металла и другом теплотехническом оборудова;
нии;
; не усложняют эксплуатацию металлурги;
ческого оборудования, в том числе загрузку ших;
товых материалов, наведение и скачивание шла;
ков и слив металла;
; удобны в обслуживании и перспективны
для использования серийных пирометрических и
вторичных измерительных преобразователей,
приборов и микропроцессорной техники с целью
самоконтроля, автоматического определения и
введения температурных поправок и регулирова;
ния температуры;
; по сравнению с бесконтактным оптичес;
ким контролем повышает точность измерений за
счет перераспределения излучения по спектру,
исключения влияния нестабильности оптичес;
ких характеристик термометрируемой поверхно;
сти и промежуточной среды и увеличения степе;
ни тесноты корреляции термометрических
параметров формируемого и передаваемого све;
товодом излучения с температурой контролируе;
мого расплава [1–3].
Для измерений высоких температур, темпера;
тур удаленных, движущихся и малогабаритных
объектов и во многих других случаях методы бес;
контактной пирометрии излучения являются на;
иболее приемлемыми и часто единственно воз;
можными. Современные оптоэлектронные, во;
локонно;оптические и микропроцессорные
технологии обеспечивают снижение уровня
инструментальных погрешностей средств оп;
тической термометрии до вполне приемлемых
значений. Поэтому в настоящее время метроло;
гические характеристики оптических измерений
температуры в основном определяются методи;
ческими погрешностями, обусловленными от;
клонением от единицы и случайными изменени;
ями коэффициентов ε и τ. Устранению влияния ε
и τ на результаты измерений уделяется особое
внимание в современной оптической термомет;
рии [4–7].
Любой оптический термометр (пирометр) из;
меряет температуру объекта косвенно, через из;
мерения его яркости, имеющей однозначную,
определяемую термодинамическими законами
теплового излучения, связь с температурой толь;
ко для термодинамически равновесного излуче;
ния. Если тепловое излучение находится в термо;
динамическом равновесии с термометрируемым
объектом, то их температуры равны, ε = 1 и при
τ = 1 энергетические пирометры (яркостные и
радиационные) обеспечивают измерения дейст;
вительной температуры объектов. Это следует и
из пирометрического уравнения, обобщающего
параметры классической (энергетической и
двухцветовой) и многоцветовой пирометрии из;
лучения:
.
Для двухцветовой пирометрии , по;
этому двухцветовая температура излучения равна
температуре объекта для термодинамически рав;
новесного (ε1 = ε2 = 1) и “серого” (ε1 = ε2 < 1) из;
лучения, для которых εэ = 1.
Анализ показывает, что с увеличением количе;
ства рабочих волн выражения для εэ приобретают
более сложный вид, обеспечивающий εэ = 1 при
определенной комбинации длин волн для любо;
го характера функции ε = f (λ), включая
ε1 = ε2 = … = εn = 1 и ε1 = ε2 = … = εn = const < 1.
Такое усложнение алгоритмов получения и обра;
э 1 2
ε = ε ε
[ ]э
э э
( )1 1
ln ( ) ( )
ц 2
T S(S ) c
λ λ
− = ε ε τ τ
102 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
ботки первичной пирометрической информации
и переход к многоцветовой пирометрии значи;
тельно расширяют возможности и область при;
менения оптической термометрии для измере;
ний действительных температур, в том числе с
помощью разработанных в составе термометри;
ческого комплекса спектрально;компенсацион;
ных методов [8–11].
Спектрально;компенсационные методы мно;
гоцветовой пирометрии излучения устраняют
недостатки известных решений [6, 12, 13]. В ре;
зультате исследований спектрально;компенса;
ционных методов многоцветовой пирометрии
излучения установлены их высокие метрологиче;
ские характеристики. Например, погрешности
спектрально;компенсационной термометрии
железоуглеродистых расплавов в несколько раз
ниже погрешностей классической пирометрии
излучения, в том числе реализуемой на основе од;
но; и двухцветовых пирометров известных в мире
фирм Raytek, Ircon и Micron (USA) и Land (UK).
Физические основы спектрально;компенса;
ционной многоцветовой пирометрии излучения
обеспечивают ее высокую метрологическую эф;
фективность в особо сложных термометрических
условиях, в том числе, например, при термокон;
троле поверхности заготовки под кристаллизато;
ром, ελ которой случайно изменяется от 0,2 до 0,9
(Рис. 1). Причем в зависимости от состояния за;
готовки спектральное распределение излучатель;
ной способности ее поверхности ε = f (λ) изме;
няется не только количественно, но и
качественно от спадающего (1) до серого (4) и
возрастающего (5). В табл. 1 приведены абсолют;
ные методические погрешности классической и
спектрально;компенсационной многоцветовой
пирометрии излучения заготовки для 1, 2, 3, 4, 5
и 1–5 состояний ее поверхности соответственно
без исключения и с исключением систематичес;
кой составляющей погрешности путем введения
поправок. Сравнительные исследования метро;
логических характеристик показали, что при
температуре поверхности заготовки 1195 оС и
случайных изменениях ее состояния от 1 до 5 по;
грешности одноцветоволго и двухцветового тер;
моконтроля соответственно составляют 44 и
38о С, а для спектрально;компенсационной пи;
рометрии излучения они не превышают 6 оС. В
отличие от классических разработанные спект;
рально;компенсационные методы многоцвето;
вой пирометрии излучения обеспечивают непре;
рывный термоконтроль поверхности заготовки с
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 103
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 1. Изменение спектрального распределения излучательной способности поверхности заготовки в
процессе ее окисления.
требуемой технологией точностью, в том числе
самый необходимый для оптимального управле;
ния непрерывной разливкой металла термоконт;
роль непосредственно под кристаллизатором.
Для периодического термоконтроля созданы
бесконтактные, термоэлектрические контактные
и световодные переносные цифровые термомет;
ры и стационарные измерительные установки.
Термометры состоят из электронного блока со
встроенным цифровым индикатором и автоном;
ным источником питания и из линзового, термо;
электрического или линзосветоводного термо;
преобразователя. Термопреобразователи в
зависимости от условий контроля комплектуют;
ся сменными термоэлектрическими пакетами,
защитными чехлами или моделями АЧТ одно;
или многоразового погружения; ТЭТ или ППП
различных типов, градуировок и конструкций.
Измерительные установки в соответствии с вы;
полняемыми функциями и условиями примене;
ния комплектуются ВИП, ИРП, ЦПУ и ВЦИУ
термометрических систем.
При промышленном использовании средства
термометрического комплекса обеспечивают кон;
троль температуры в диапазоне от 0 до 2500 оС, с
погрешностями, обычно не превышающими
0,5 % и оптимальное управление тепловыми тех;
нологическими процессами, что позволяет сни;
зить энергозатраты и угар шихтовых материалов,
исключить брак и аварии, обусловленные наруше;
нием температурных режимов, повысить срок
службы футеровки и производительность метал;
лургических печей и других теплотехнических аг;
регатов. Например, непрерывный контроль тем;
пературы жидкого металла в индукционных печах
позволяет снизить уровень брака по температуре
на 20...60 % и расход электроэнергии на 10...40 %
и повышает срок службы футеровки на 20...70 %.
Для производства качественной металлопро;
дукции с заданными свойствами при минималь;
но возможных ресурсозатратах и максимальной
производительности металлургического обору;
дования необходимо в процессе получения, об;
работки и разливки жидкого металла контроли;
ровать и выдерживать оптимальными как его
температуру, так и химический состав, количест;
во неметаллических включений, степень моди;
фицирования и другие характеристики.
Комплекс теплофизических методов и средств
предназначен для такого контроля и включает
термографические, термоэлектрические и термо;
динамические установки для экспресс;анализа
железоуглеродистых и цветных, на основе алю;
миния, меди и цинка, сплавов.
104 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Та б л и ц а . Погрешности классической и спектрально;компенсационной пирометрии излучения
Установки для термографического анализа
комплектуются одноразовыми графитовыми
погружными и песчаными наливными или
многоразовыми (до 1000 проб) окрашиваемыми
металлическими наливными изложницами, тер;
моэлектрическими или оптоэлектронными тер;
мопреобразователями.
Термографические установки обеспечивают
контроль содержания следующих элементов:
; C и Si в чугунах;
; С в сталях;
; Al, Cu в цинковых сплавах;
; Fe, Al, Zn в медных сплавах;
; Si, Fe, Mg, Ni, Cu, Mn, Zn и Ti в алюмини;
евых сплавах.
Известно, что диаграммы состояния металли;
ческих сплавов строятся по результатам наиболее
достоверных в настоящее время металлографи;
ческих, микрорентгеноспектральных и прежде
всего термографических исследований. Следова;
тельно, термографический анализ базируется на
диаграммах состояния сплавов и поэтому являет;
ся физически наиболее обоснованным по сравне;
нию с другими методами. Доступный для произ;
водства спектральный качественный анализ по
числу контролируемых элементов в настоящее
время не имеет альтернативы. При этом метроло;
гические характеристики спектрального количест;
венного анализа ограничены, в том числе тем, что
даже относительные интенсивности линий зави;
сят от вида и степени возбуждения, а также плот;
ности, температуры и протяженности пути излуче;
ния. На результаты спектрального анализа сильно
влияет также структура образцов, которую сложно
воспроизводить в промышленных условиях.
Во ФТИМС выполнены сравнительные ис;
следования метрологических характеристик ана;
лиза химического состава сплавов, в том числе
сходимости и воспроизводимости в лаборатор;
ных и производственных условиях нескольких
институтов и предприятий Украины, России и
США. Исследованы наиболее известные методы,
в том числе методы химического, термографиче;
ского, микрорентгено;спектрального и спект;
рального анализа, которые перечислены в поряд;
ке снижения уровня их метрологических
характеристик. Дополнительно, для определения
объема эвтектики использовали металлографию.
Химический анализ использовался в качестве об;
разцового только при условии тщательной под;
готовки образцов, которую трудно выдержать в
производственных условиях. Для иллюстрации
этого был проведен химический анализ крупной
(δ > 0,5 мм) и мелкой (δ < 0,5 мм) стружки алю;
миниевого сплава марки АК21М3МгН. Результа;
ты химического анализа содержания Si в указан;
ных фракциях отличались почти на 1 %, что более
чем в 2 раза превышает допускаемые пределы для
этого сплава. Погрешности термографического
анализа алюминиевых сплавов как правило, были
в 2–3 раза меньше погрешностей спектрального
анализа. При изменении структуры образцов для
спектрального анализа приведенные соотноше;
ния погрешностей возрастает в несколько раз в
пользу термографии. Например, результаты спек;
трального анализа охлаждаемых с различной ско;
ростью фрагментов одной и той же чушки из алю;
миниевого сплава могут отличаться до 25 %.
Для исключения влияния условий подготовки
образцов при проведении химического анализа
исследования были повторно выполнены на об;
разцах выплавленных весовым методом по стан;
дартным методикам [14]. На стандартных образ;
цах были подтверждены результаты, полученные
при образцовом химическом анализе.
Термографический анализ по сравнению со
спектральным дополнительно отличается более
высокой оперативностью и дополнительной воз;
можностью контроля следующих характеристик:
; степени модифицирования;
; количества неметаллических включений;
; пористости;
; объема усадочной раковины;
; протяженности границ зерен с последующей
оценкой связанных с ней параметров, в том числе
дисперсности эвтектики и α – твердого раствора.
Приведенный выше перечень контролируе;
мых элементов не ограничивает возможности
термографии применительно, например, к желе;
зоуглеродистым сплавам, а прежде всего, пока;
зывает необходимость и перспективность разви;
тия для них алгоритмов совместной обработки
кривых охлаждения и темпа охлаждения образ;
цов, значительно расширивших возможности
термографического анализа применительно к алю;
миниевым сплавам. Экспрессный контроль хими;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 105
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
ческого состава и перечисленных выше характери;
стик обеспечивает разработку технологических
процессов стабильного получения жидкого метала,
с прогнозируемыми свойствами, в том числе режи;
мов обработки расплавов солями, модифицирова;
ния и термовременной обработки расплава для по;
лучения заданных составов и объемов фаз.
Термографический анализ железоуглеродис;
тых сплавов проводится только по кривым ох;
лаждения образцов, т.е. по температурам фазо;
вых превращений ТL и TS и ограничивается
определением содержания углерода и кремния и
расчетом углеродного эквивалента. При этом ме;
трологические характеристики определения со;
держания углерода не достигаемы для других до;
ступных методов экспресс;анализа, а по кремнию
неприемлемы для производства. Поэтому термо;
графические установки, в том числе установки
известных в мире компаний, например, HEN –
Бельгия и Toshiba – Япония, используются, как
правило, только для определения содержания уг;
лерода. Значительные погрешности контроля со;
держания кремния в железоуглеродистых сплавах
инициируют развитие алгоритмов обработки пер;
вичной термографической информации и созда;
ние новых технологий экспресс – анализа.
Разработанные в составе комплекса термоэле;
ктрические установки предназначены для опре;
деления углерода, кремния и марганца, не содер;
жит расходуемых элементов и материалов и
могут использоваться для чугунов и сталей. По;
грешности термоэлектрического анализа по
кремнию в 2 и более раз ниже погрешностей тер;
мографического анализа. В новых установках ис;
пользованы биметаллические горячие электро;
ды, на базе микропроцессорной техники
усовершенствованы алгоритмы обработки пер;
вичной информации и улучшены конструкции,
что значительно повысило метрологические ха;
рактеристики термоэлектрического анализа.
Температуропроводность является перспек;
тивным метрическим параметром для контроля
структуры чугуна, наиболее сильно зависящим от
формы графита. Например, при изменении сте;
пени сфероидизации графита от 30 до 70% темпе;
ратуропроводность чугуна изменяется почти в
2 раза, в то время как скорость ультразвука в нем –
только на 8...10 %. Увеличение крутизны метри;
ческого параметра почти в 10 раз позволяет по;
высить статистическую достоверность контроля
до 0,95 при 0,6 для традиционно используемого
для этих целей ультразвукового контроля. Разра;
ботанная термоэлектрическая установка позволя;
ет определять пластинчатую. вермикулярную и
шаровидную форму графита в специальных об;
разцах или непосредственно в отливках.
При промышленном использовании методы и
средства комплекса обеспечивают контроль со;
держания указанных элементов в железоуглеро;
дистых и цветных сплавах с абсолютной погреш;
ностью не превышающей 0,1 %, а также
дополнительное экспрессное определение ос;
новных технологических характеристик.
Методы и средства термометрического и теп;
лофизического комплексов защищены патента;
ми Украины и России, а также 29 патентами в Ав;
стралии, Болгарии, Германии, Канаде, США,
Швеции и Японии.
Таким образом, текущее состояние технологи;
ческого мониторинга процессов получения, об;
работки и разливки жидкого металла не обеспе;
чивает стабильное получение качественной
металлопродукции с заданными свойствами при
минимально возможных ресурсо;, в том числе
энергозатратах и максимальной производитель;
ности металлургического оборудования. Для ре;
шения этой актуальной проблемы ФТИМС НАН
Украины созданы комплексы методов и средств
для температурного и экспрессного теплофизи;
ческого контроля металлургических процессов,
оборудования и материалов. В составе комплек;
сов развиты известные и разрабатываются новые
наиболее перспективные технологии контроля.
Термометрический комплекс предназначен
для непрерывного и периодического бесконтакт;
ного, световодного и контактного измерения
температуры в металлургии машиностроения,
металлургии и других отраслях производства. В
составе комплекса получило дальнейшее разви;
тие разработанное в институте новое световодное
направление в термометрии, применительно к
непрерывному термоконтролю расплавов, футе;
ровки и газовых сред в металлургических и на;
гревательных печах и других теплотехнических
агрегатах. Разработано и на базе современной оп;
тоэлектронной, волоконной, микропроцессор;
106 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
ной и микроспектрометрической техники реали;
зовано новое направление многоцветовой спект;
рально;компенсационной пирометрии излучения.
Многоцветовые методы позволяют решить изве;
стную проблему современной оптической тер;
мометрии – исключить влияние излучательных
характеристик термометрируемых объектов и про;
пускания сопутствующей промежуточной среды
на результаты измерений и за счет этого значи;
тельно расширить область применения бескон;
тактного и световодного температурного контро;
ля. Теоретически обоснованы и экспериментально
подтверждены значительно более высокие метро;
логические характеристики разработанных спект;
рально;компенсационных методов по сравнению
с классическими методами яркостной и двухцве;
товой пирометрии излучения.
Комплекс теплофизических методов и средств,
включает установки для термографического, тер;
моэлектрического и термодинамического экс;
пресс;анализа железоуглеродистых и цветных
сплавов.
Выводы
В результате сравнительных исследований до;
казаны более высокие по сравнению с другими
методами, в том числе спектральным и ультра;
звуковым, метрологические характеристики тер;
мографического и термоэлектрического анализа
химического состава и формы графита. Допол;
нительно термографические методы и средства
позволяют экспрессно определять основные тех;
нологические характеристики, в том числе сте;
пень модифицирования, количество неметалли;
ческих включений, пористость, объем усадочной
раковины и протяженность границ зерен и соот;
ветственно разрабатывать высокоэффективные
технологические процессы стабильного получе;
ния жидкого металла с заданными свойствами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент 4533243 (США). Light guide for
transmitting thermal radition from melt to pyrometer
and method of measuring temperature of molten
metal in metallurgical vessel with the aid of said light
guide./ L. F. Zhukov et al. Опубл. 18.02.82
2. Жуков Л.Ф., Кучаев А.А. Измерение темпера;
туры жидкого металла в МГД установках // Магнит;
ная гидродинамика. – 1991. – № 2. – С. 133–135.
3. L. Zhukov. System of the continuous tempera;
ture control of melts in plants // Sensor business
digest (USA). 1996.
4. А. с. 1500062 А1 СССР МКИ G01J5/06.
Способ измерения температуры расплавов /
Л.Ф.Жуков, С.В.Кучеренко, В.С.Шумихин.
5. А. с. 1612704 А1 СССР МКИ G01J5/02.
Способ измерения температурных режимов в за;
крытых металлургических агрегатах / Л.Ф.Жу;
ков, А.П.Унинец и др.
6. А.А.Поскачей, Л.А.Чарихов. Пирометрия
объектов с изменяющейся излучательной спо;
собностью. М.: Металлургия, – 1978. – 200 с.
7. Пат. 17385 Украина, МПК G01К11/00.
Способ лазерной обработки и измерения темпе;
ратуры сплавов / Л.Ф.Жуков. Опубл. 31.10.97.
Бюл. № 5.
8. Жуков Л.Ф., Богдан А.В. Исследование и раз;
работка методов многоцветовой пирометрии излу;
чения // ИФЖ. – 2002. – Т 75. – № 5. – С. 165–169.
9. Пат. 51076А Україна, МПК G01J5/60.
Спосіб вимірювання температури / Жуков Л.Ф.,
Богдан О.В. Опубл. 15.11.2002, Бюл. №11.
10. Пат. 53961А Україна, МПК G01J5/60.
Спосіб вимірювання температури / Жуков Л.Ф.,
Богдан О.В., Корнієнко А.Л. Опубл. 17.02.2003,
Бюл. №2.
11. Висновок про видачу деклараційного па;
тенту на винахід по заявці 2002032293 від
24.10.2003. МПК G01J5/00. Спосіб вимірювання
температури / Л.Ф. Жуков, О.В. Богдан. Заявл.
22.03.2002.
12. Пат. 4659234 США, МКИ G 03 J 5/00.
Emissivity error correcting method for radiation ther;
mometer / Brouwer; Aluminum Company of
America. Опубл. 21.04.1987.
13. Пат. 5772323 США, МПК G 01 J 5/00.
Temperature determining device and process / Ralph
A. Felice. Опубл. 30.06.1998.
14. Семененко Н.Г., Памова В.И., Лахов В.М.
Принципы законной метрологии в создании и
применении стандартных образцов. // Изд. стан;
дартов. 1989.
Получено 23.10.2006 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 6 107
ИЗМЕРЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
|