Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building
The article is devoted to the problem of the most effective and non-alternative continuous optical temperature control of metallurgical aggregates in machine-building metallurgy. The aim of the article is to develop and investigate the technologies of continuous temperature control on the base of cl...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/807 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104318918098944 |
|---|---|
| author | Zhukov, Leonid Petrenko, Dmytro |
| author_facet | Zhukov, Leonid Petrenko, Dmytro |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Leonid Zhukov",
"institution": null
},
{
"author": "Dmytro Petrenko",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Zhukov, Leonid |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:47Z |
| description | The article is devoted to the problem of the most effective and non-alternative continuous optical temperature control of metallurgical aggregates in machine-building metallurgy. The aim of the article is to develop and investigate the technologies of continuous temperature control on the base of classical and spectral (multicolor) thermometry. To achieve this aim, the next methods have been used: analysis of literature sources; experimental investigations of influence regularities of sighting zones, time of tapping, intensity of mixing and liquid metal temperature on one color radiation temperature of liquid metal in visible and infrared spectrum ranges under industrial conditions; statistical processing of the results of direct and indirect measurements with their errors estimation. It has been found the main role of thermometry in the metrological support structure of metallurgical plants. The production volumes of world machine building metallurgy have been analyzed, particularly, the part of metallurgy of energy machine building in it. Metallurgical equipment to be used for liquid metal obtaining and treatment has been classified from thermometric position. The stability of radiation characteristics of liquid metal in cupola, arc and induction furnaces has been investigated under conditions of different impact factors. The methodical errors of optical temperature measurements of liquid metal during tapping from cupola and arc furnaces on the base of classical energy thermometry have been estimated. In specially determined сases these errors don’t exceed 1,0–1,5% with confidence level 0,997. Under another condition, these errors reaches 8% and this fact stimulates transition to the spectral thermometry. With the use of modern elemental bases, the technologies of spectral measurements of temperature and emissivity have been developed. The technologies include: symmetric-wave, two-color compensative, as well as based on nonlinearity equation of emissivity spectral distribution. The temperature measurement errors of new technologies are lower than the same ones of known spectral, as well as classical energy and spectral ratio thermometry in 2,3; 11,7–20,0 and 6,1–7,6 times. |
| doi_str_mv | 10.15407/srenergy2023.03.064 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:03:09Z |
| format | Article |
| fulltext |
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 64
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ ТЕХНОЛОГІЇ,
МОНІТОРИНГ ТА ДІАГНОСТИКА В ЕНЕРГЕТИЦІ
_____________________________________________________________________________
ISSN 2786-7102 (Online), ISSN 2786-7633 (Print)
https://doi.org/10.15407/srenergy2023.03.064
УДК 621.745.5.06./.07:536.5
Леонід Жуков1, д-р техн. наук, професор, https://orcid.org/0000-0001-9067-8613
Дмитро Петренко2*, https://orcid.org/0000-0002-7546-9503
1Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150,
Україна;
2Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, бульв. Вернадського,
34/1, м. Київ, 03142, Україна
*Автор-кореспондент: dima-petrenko@meta.ua
_______________________________________________________________________________________
РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИЙ БЕЗПЕРЕРВНИЙ ОПТИЧНИЙ КОНТРОЛЬ
ТЕМПЕРАТУРИ РІДКОГО МЕТАЛУ В МЕТАЛУРГІЇ
ЕНЕРГЕТИЧНОГО МАШИНОБУДУВАННЯ
Анотація. У статті розглядається питання найбільш ефективного й безальтернативного
безперервного оптичного термоконтролю металургійних агрегатів, які застосовуються в
металургії енергетичного машинобудування. Мета роботи полягає в розробці та дослідженні
технологій безперервного термоконтролю на основі класичної та спектральної
(багатокольорової) пірометрії випромінення. Для досягнення мети використано методи: аналізу
літературних джерел; експериментальних досліджень закономірностей впливу зон візування,
часу зливання, інтенсивності перемішування й температури рідкого металу на однокольорову
температуру його випромінення у видимій та інфрачервоній ділянках спектра в виробничих
умовах; статистичної обробки результатів прямих й опосередкованих вимірювань з оцінкою їх
похибок. Встановлено домінуючу роль термометрії в структурі метрологічного забезпечення
металургійних підприємств. Виконано аналіз обсягів виробництва світової металургії
машинобудування. Класифіковано з термометричних позицій металургійне обладнання, що
використовується в металургії енергетичного машинобудування для отримання й обробки
рідкого металу. Досліджено стабільність випромінювальних характеристик рідкого металу в
вагранках, електродугових та індукційних печах за різних впливаючих факторів. Оцінено
методичні похибки оптичних вимірювань температури рідкого металу при випусканні / зливанні з
вагранок та електродугових печей на базі класичної однокольорової пірометрії випромінення. В
деяких визначених умовах вони не перевищують 1,0–1,5% з довірчою ймовірністю 0,997. В інших
умовах ці похибки досягають 8%, через що необхідно переходити до спектральної термометрії.
На сучасній елементній базі розроблено технології спектральних вимірювань випромінювальної
здатності та температури, в тому числі симетрично-хвильові, двокольорові компенсаційні, а
також засновані на рівнянні нелінійності спектрального розподілу випромінювальної здатності.
Похибки вимірювань температури для нових технологій менше похибок відомої спектральної, а
також класичної енергетичної та спектрального відношення термометрії відповідно у 2,3; 11,7–
20,0 й 6,1–7,6 рази.
Ключові слова: металургія енергетичного машинобудування, безперервний оптичний
термоконтроль, вагранка, електродугова піч, класична та спектральна пірометрія випромінення.
1. Вступ
Переважна більшість виробничих процесів в металургії включає технологічні процеси та
операції температурного впливу на основні та допоміжні матеріали. Тому температура тут є
головним технологічним параметром, який визначає якість готової продукції й витрати, в тому числі
енергетичні, на її отримання [1]–[2]. Провідні західні компанії пов’язують підвищення ефективності
роботи своїх виробництв виключно з підвищенням метрологічної, в тому числі термометричної,
https://orcid.org/0000-0001-9067-8613
https://orcid.org/0000-0002-7546-9503
mailto:dima-petrenko@meta.ua
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 65
культури та з відповідним покращенням технологічної дисципліни. Технології безперервного
термоконтролю та, насамперед, високотемпературного, відзначаються високою вартістю на
світовому ринку. Ця вартість визначається високою наукоємністю й монополією промислово
розвинених країн, у тому числі США, Німеччини, Великобританії, Японії та інших. Однак сучасні
виробники цілком свідомо йдуть на такі витрати, розуміючи, що вони є найбільш швидкоокупними.
Зазвичай строк окупності сучасних технологій безперервного вимірювання температури в металургії
не перевищує 6–12 міс. [2].
Отримання, обробка й розливання рідкого металу – найбільш ресурсоємні та, насамперед,
енергоємні технологічні процеси виробництва виливків. При виробництві виливків з сірого чавуну на
цих етапах витрачається близько 55% загальних ресурсів, а у випадку ковкого й високоміцного
чавуну з кулястим графітом витрати зростають до 70% [2]–[5]. Висока ресурсоємність отримання й
розливання рідкого металу визначається як природою цих процесів, так і технічно невиправданими
витратами внаслідок відхилень за основним технологічним параметром – температурою. Відсутність
чи недосконалість температурного контролю й управління технологічними процесами неприпустимі
для сучасного виробництва, тому що внаслідок цього знижується якість металопродукції,
енергозатрати в 1,5–2,0 та більше разів перевищують розрахункові, можливі аварійні ситуації,
знижується ресурс футерівки металургійних агрегатів. Проблема температурного контролю,
особливо безперервного, є загальною для металургії машинобудування.
На рис. 1 наведено структуру метрологічного забезпечення найбільш показових сталеливарних
підприємств японського концерну JFE Holdings Inc. (раніше Kawasaki Seitetsu) [6].
Рис. 1. Діаграма метрологічного забезпечення сталеливарних підприємств концерну JFE Holdings Inc.
Рис.1 відображає дольовий розподіл кількості засобів вимірювальної техніки для різних
технологічних параметрів, який безпосередньо корелює з витратами на метрологічне забезпечення.
Близько третини (29%) засобів складають термометричні. За ними з перепадом більш ніж у 6% йдуть
витратоміри для рідких та газоподібних середовищ. На вимірювання тиску та рівня припадає близько
19% й 10% засобів вимірювальної техніки відповідно. Ті 19%, що залишились, стосуються
вимірювань хімічного складу, ступеня відкриття, маси, вібрації, зусиль, структури та інших
технологічних параметрів. Як показує рис. 1, термометрія домінує за витратами на метрологічне
забезпечення металургійних підприємств, що підтверджує актуальність досліджень та розробок в
цьому напрямі.
На рис. 2 представлено обсяги виробництва світової металургії машинобудування, в тому числі
виробництва чавунних виливків по галузях машинобудування [7]–[11].
Обсяг виробництва світової металургії машинобудування у 2018 р. перевищував 112 млн т
(рис. 2, а). При цьому світовим лідером є Китай, в якому вироблено майже половину виливків. У
2019 р. бачимо спад світового виробництва виливків на 2,6%. При цьому спад виробництва торкнувся
18 країн світу, в тому числі й Китаю [8], [11]. У 2020 р., внаслідок пандемії COVID-19, обсяг
світового виробництва виливків знизився ще на 3,9%. В цей рік єдиною країною з позитивною
динамікою обсягу виробництва став Китай.
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 66
Доля виливків з сірого, високоміцного й ковкого чавуну у світовій металургії
машинобудування перевищує 70% (рис. 2, б) [9]. Це підкреслює важливість чавуну як основного
конструкційного сплаву для деталей машин та механізмів. На 2-му та 3-му місцях знаходяться
алюмінієві сплави й сталь відповідно.
З аналізу розподілу виробництва чавунного литва (рис. 2, в) видно, що металургія
автомобілебудування зберігає лідерство за обсягом виробництва [10]. Металургія енергетичного
машинобудування знаходиться на 4-му місці й виробляє 10% литва.
а)
б)
в)
Рис. 2. Структура світової металургії машинобудування:
а) обсяги виробництва виливків у різних країнах, млн т;
б) розподіл обсягів виробництва металургії машинобудування за сплавами (2020 р.), млн т;
в) розподіл обсягів виробництва чавуну за галузями металургії машинобудування (2020 р.), млн т
В табл. 1 наведено дольові обсяги виробництва металургії енергетичного машинобудування
серед металургії машинобудування в деяких країнах.
Табл. 1. Частка виробництва металургії енергетичного машинобудування серед металургії машинобудування
для деяких країн (2019 р.) [12]
Країна Частка виробництва:
% млн т
1. Китай 4,3 2,10
2. Індія 8 0,92
3. РФ 5 0,57
4. Німеччина 4 0,17
5. Мексика 8 0,40
6. Франція 4 0,21
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 67
В деяких країнах доля металургії енергетичного машинобудування значна й практично
досягає 8%.
Мета роботи полягає в розробці та дослідженні термометричних технологій безперервного
термоконтролю технологічних процесів отримання й розливання рідкого металу в металургії
енергетичного машинобудування на основі методів класичної та спектральної пірометрії
випромінення. Під технологією тут слід розуміти сукупність методів, засобів оптичних вимірювань
температури, а також апріорної інформації про об’єкт вимірювань, яка необхідна для технічної
реалізації безперервного контролю температури розплаву в металургійному агрегаті.
2. Методи та матеріали
Для отримання, обробки й розливання рідкого металу в металургії енергетичного
машинобудування використовують різне металургійне обладнання, в тому числі [2], [5]:
- вагранки різних типів та конструкцій, зокрема вагранки зі стаціонарними й поворотними
накопичувачами, сифонами для розділення металу й шлаку, відкритими й закритими зливними
жолобами;
- електродугові печі;
- індукційні тигельні та канальні, плавильні, міксерні й розливні печі.
В принципі, продуктивність та ємність вказаних металургійних печей змінюється в межах 1–
100 т/год й 1–200 т відповідно. Враховуючи технічні й технологічні характеристики металургійного
обладнання, в металургії енергетичного машинобудування використовують моно-, дуплекс- і
триплекс-процеси з наступними відповідними маршрутами руху металу в ливарних цехах:
- плавильна піч – ківш – форма;
- плавильна піч – міксер – ківш – форма;
- плавильна піч – міксер – розливний агрегат – форма.
З термометричних позицій серед вказаного металургійного обладнання слід виділити групу
металургійних агрегатів прохідного типу. Типовим їх представником є вагранка. Теплотехнічними
засобами агрегатів прохідного типу виключається нагрівання контрольованого на виході об’єму
металу.
Конструкція й режими експлуатації електродугових печей добре узгоджені з використанням
основної футерівки. При цьому електрична дуга забезпечує пряме нагрівання шлаку й різні види
шлакової обробки рідкого металу в печі. Тому ці печі часто працюють в міксерному режимі навіть
при значному споживанні електроенергії (ККД ≤ 25%). Наприклад, вони широко застосовуються в
металургії енергетичного машинобудування при виробництві шапок з ковкого чавуну для
електроізоляційних гірлянд на високовольтних підстанціях та лініях електропередачі. Зазвичай в
міксерному (квазіпрохідному) режимі метал зливається в ківш з часовим інтервалом в кілька хвилин.
В цьому випадку змонтована на зливному жолобі печі безконтактна термометрична система
забезпечує квазібезперервне вимірювання температури рідкого металу.
Для оптимального управління ваграночним й електродуговим процесом цілком достатньо
здійснювати безперервне вимірювання температури рідкого металу в струмені чи потоці при
випусканні чи зливанні. Оптична термометрія тут не має альтернативи. В принципі, на сьогодні за
інструментальними метрологічними характеристиками оптична термометрія не поступається
термоелектричній. Тому вона використовується для побудови температурних шкал й eталонів,
вимірювань підвищеної точності, а також для безперервних вимірювань середніх та високих
температур і температур малогабаритних й рухомих об’єктів.
В оптичній термометрії слід розглядати 2 матеріальні субстанції – речовину, в нашому випадку
метал, та поле, в нашому випадку – електромагнітне теплове випромінення металу. Випромінення
переносить тепло, через що цілком природньо має енергію, ентропію та температуру. Будь-які
оптичні термометри градуюються за температурою термодинамічно рівноважного випромінення
абсолютно чорного тіла. Тому вони вимірюють температуру випромінення. Завдяки високій
ефективності, оптична термометрія у своєму розвитку випереджала становлення теорії теплового
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 68
випромінення. Перші оптичні термометри були розроблені у Франції та Росії у 80–90-х роках
19 століття (пірометри ле Шательє та Д.К. Полєнова) [13]–[14]. На той час в оптичній термометрії ще
не знали термодинамічних законів теплового випромінення й тому користувались поняттями
«псевдотемператур», вимірюваних оптичними термометрами. Це невдале поняття не відповідає
визначенню температури в термодинаміці, молекулярно-кінетичній теорії та статистичній фізиці.
Наприклад, змінюючи випромінювальну здатність об’єктів, які термометруються, можливо створити
такі умови, за яких об’єкт з нижчою «псевдотемпературою» буде передавати тепло та нагрівати
об’єкт з вищою «псевдотемпературою». Це суперечить визначенню температури в термодинаміці як
такому, що задає напрям передачі тепла. Тому д-р техн наук Л.Ф. Жуков запропонував
використовувати більш обґрунтоване фізичне поняття «температура випромінення», одно-, дво- та
багатокольорова, замість «псевдотемпература».
Виходячи із закону Віна, маємо наступне пірометричне рівняння для класичної енергетичної
однокольорової термометрії:
1
1
1 2
1 1
ln( ),
T S C
− =
(1)
де С2 = 1,4388·10–2 [К·м] – друга радіаційна стала.
Це рівняння пов’язує температуру об’єкта (металу) Т з однокольоровою температурою його
випромінення S1 через значення випромінювальної здатності ε1 на робочій хвилі λ1. Рівняння (1)
визначає можливості класичної енергетичної однокольорової пірометрії випромінення. Вона може
використовуватися в умовах термодинамічно рівноважного випромінення без температурної
поправки, а також забарвленого чи «сірого» випромінення з використанням температурної поправки
(задання значення ε1).
Для класичної двокольорової (спектрального відношення) пірометрії випромінення рівняння (1)
набуває наступного вигляду:
2 2
1 1
ln( ),екв
екв
кT S C
− =
(2)
де 2 1 2 1/ ( )екв = − [м] – еквівалентна довжина хвилі двокольорової пірометрії випромінення;
1 2/екв = – еквівалентна випромінювальна здатність двокольорової пірометрії випромінення.
Рівняння (2) пов’язує температуру об’єкта Т з двокольоровою температурою його
випромінення S2ц через εекв на λекв і розкриває можливості пірометрії спектрального відношення. Вона
може застосовуватися у випадках термодинамічно рівноважного та «сірого» випромінення без
температурної поправки, а також забарвленого випромінення з використанням температурної
поправки (задання значення εекв). Порівнюючи рівняння (1) та (2) видно, що збільшення кількості
робочих довжин хвиль розширює можливості оптичної термометрії (збільшується кількість випадків,
за яких виключається методична похибка) та підтверджує актуальність переходу до спектральної
(багатокольорової) пірометрії випромінення, в якій на сьогодні зазвичай використовують від 3 до 500
довжин хвиль [15]–[19]. Система пірометричних рівнянь для 3-х робочих довжин хвиль матиме
наступний вигляд:
1
1
1 2
2
2
2 2
3
3
3 2
1 1
ln( ),
1 1
ln( ),
1 1
ln( ).
T S C
T S C
T S C
− =
− =
− =
(3)
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 69
В ній 4 невідомі (Т, ε1, ε2, ε3) та 3 прямо вимірювані однокольорові температури випромінення
S1-S3. Оскільки кількість невідомих перевищує кількість рівнянь, система (3) має нескінченну
множину розв’язків. Подальше збільшення кількості робочих хвиль та рівнянь в системі також
виключає знаходження єдиного розв’язку системи. Найбільш реальним шляхом вирішення цієї задачі
є вираження значення випромінювальної здатності на деякій довжині хвилі через її значення на
сусідніх довжинах хвиль – по суті перехід до апроксимації спектрального розподілу
випромінювальної здатності певною функцією. Виконані авторами комплексні дослідження
показують, що для цього необхідно використовувати не менше 3-х робочих хвиль [20]. При цьому
для ідентифікації правильного розв’язку, а також при суттєво нелінійних й інверсійних (з інверсією
знаку коефіцієнта нелінійності по спектральним діапазонам) спектральних розподілів
випромінювальної здатності необхідно використовувати додаткові хвилі порівняння λс та інверсії λі.
Стрімкий розвиток та мініатюризація оптоелектроніки, мікропроцесорних та комп’ютерних
технологій, оптоволоконної техніки забезпечує елементну базу для реалізації спектральних методів
оптичної термометрії. Авторами розроблено наступні спектральні методи вимірювань температури та
випромінювальної здатності:
- симетрично-хвильової пірометрії випромінення [21]. Принцип вимірювання ґрунтується на
залежності значень випромінювальної здатності на середній довжині хвилі робочого спектрального
діапазону від її значень на симетрично розміщених граничних хвилях;
- двокольорової компенсаційної пірометрії випромінення [22]. Принцип вимірювання
ґрунтується на залежності температури об’єкта від двокольорових температур його випромінення для
реального та дзеркального розподілів випромінювальної здатності;
- вимірювання випромінювальної здатності, засновані на отриманому рівнянні нелінійності
спектрального розподілу випромінювальної здатності [20]. В основу принципу вимірювання
покладено взаємозв’язок коефіцієнта нелінійності спектрального розподілу випромінювальної
здатності для середньої хвилі зі значеннями випромінювальної здатності на граничних хвилях через
прямо виміряні однокольорові температури випромінення на робочих хвилях (лінійний,
дводіапазонний, параболічний методи).
На рис. 3 наведено функціональну схему установки, розробленої для експериментальних
спектральних досліджень та якісної оцінки впливу стабільності випромінювальної здатності рідкого
металу та пропускання відповідного проміжного середовища на температури випромінення металу в
виробничих умовах.
Рис. 3. Функціональна схема експериментальної установки
Установка включає універсальний пірометричний перетворювач (УПП) з візирним пристроєм
(ВП) та універсальним блоком управління (УБУ), вимірювальний реєструючий прилад (ВРП),
вимірювальний прилад (Вим. П) та термоелектричний термометр (ТЕТ). Перемикач (П) забезпечує
почергове під’єднання УПП та ТЕТ до ВРП та Вим. П. Установка укомплектована УПП двох типів.
Тепловий приймач випромінення (термобатарея), флюоритова оптика та змінні смугові
інтерференційні світлофільтри УПП першого типу забезпечують дослідження в ультрафіолетовій,
видимій та інфрачервоній областях спектра (0,12–8,00 мкм). УПП другого типу має фотонний
германієвий приймач випромінення (фотодіод), оптику зі скла К8, касети зі змінними смуговими
світлофільтрами та забезпечує дослідження в діапазоні від 0,28 мкм до 2,00 мкм. Оскільки установка
призначена для якісних досліджень (визначення найбільш стабільних умов по випромінювальній
здатності та пропусканню проміжного середовища), важливою є саме часова й температурна
стабільність її метрологічних характеристик, а не їх абсолютні значення.
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 70
3. Результати та обговорення
З використанням описаної вище експериментальної установки отримано діаграмні записи
однокольорової температури випромінення рідкого чавуну для вагранки, електродугової та
індукційної печей в різних умовах (рис. 4).
а) б)
в)
Рис. 4. Діаграмні записи (залежності від часу) однокольорової температури випромінення рідкого чавуну при:
а) випусканні з вагранки; б) на жолобі при зливанні з електродугової печі в умовах періодичного видалення
домішок з проміжного середовища стисненим повітрям; в) плавці в індукційній печі
Температура рідкого металу перевищує однокольорову температуру його випромінення, яка під
впливом випадково змінних випромінювальної здатності та пропускання супутнього проміжного
середовища (відповідно до формули (1)) змінюється в широких межах. Ця різниця (тобто методична
похибка), при характерних для залізовуглецевих розплавів спектральних розподілах
випромінювальної здатності, у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру сягає більше
8% [20]. Діапазон змін однокольорової температури випромінення залежить від зони та часового
інтервалу візування, робочого спектрального діапазону, інтенсивності перемішування й температури
металу (рис. 4). Крім того, значно впливає на S1 співвідношення температур металу (Т) й
термодинамічної рівноваги (Тр) основної металургійної реакції окиснення вуглецю й відновлення
кремнезему (Т < Тp, Т ≈ Тp, Т > Тp, Т >> Тp) (рис. 4, в).
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 71
Аналогічний вплив на двокольорову температуру випромінення S2ц мають випадково змінні
випромінювальна здатність та пропускання супутнього проміжного середовища. При цьому S2ц може
бути як вище, так і нижче температури металу (див. формулу (2) при εекв. > 1 та εекв. < 1). Як випливає з
рис. 4, обираючи оптимальні умови для вимірювання одно- та двокольорових температур
випромінення, можна суттєво знизити дестабілізуючий вплив на них вищенаведених факторів. Для
цього використовують просторову та часову селекцію, а також оптимальний робочий спектральний
діапазон, температурні поправки відповідно до формул (1) та (2), а також спеціальні алгоритми
обробки первинної пірометричної інформації (в тому числі інтегрування, запам’ятовування
максимальних чи мінімальних повторюваних значень). Іноді, в реальних умовах, це суттєво знижує
методичну похибку класичної пірометрії випромінення.
Методами статистичної обробки результатів прямих вимірювань та оцінювання їх випадкових
похибок підтверджено високу метрологічну ефективність застосування розроблених рішень на базі
класичної однокольорової пірометрії випромінення для вимірювання температури розплавів у
вагранках та електродугових печах (табл. 2).
Табл. 2. Похибки вимірювань температури за допомогою класичної однокольорової пірометрії
випромінення [2]
Тип агрегата
Діапазон
вимірюваних
температур
Тmin-Тmax,
°С
Число
вимірювань
N
σ(ΔT1ц),
°С
min max
1ц
1ц
( )
( )
100%,
( ) / 2Т T
T
T
=
=
+
%
дов
1ц
( )3
T
T
=
=
при Pдов. = 0,997,
°С
min m
1
a
до .
ц
x
в
( )
100%
( ) / 2Т T
T
T
=
=
+
при Pдов. = 0,997,.
%
Вагранка з
безперервним
випусканням
чавуну через
відкритий
сифонний
жолоб
1417–1440 20 2,2 0,15 6,6 0,45
Електродугова
піч типу
ДС-5МТ
1578–1615 10 3,1 0,19 9,3 0,57
Тут
( ) ( ) ( )
( )
2 2
1 . 1 . . .
1 1
2
.
11
1
1
2
2
2
1
2
1 1
( ) ( ( ) )
( 1) ( 1)
1 1
( ( ) )
1( 1)
ln( )
ц iТЕТ ТЕТ
ТЕ
N N
ц i ц кор ТЕТ i
i i
N
ТЕТ i
i
i
Т
T T TT T T
T
N N N N
T
N N
S C
= =
=
= − = − − =
− −
=
− −
−
+
– оцінка середнього квадратичного відхилення (СКВ) випадкової складової похибки вимірювань
температури розплаву класичною однокольоровою пірометрією випромінення; ТТЕТ – значення
температури розплаву, отримане зразковим термоелектричним термометром, який складається з
термоелектричного перетворювача ТПР-2075 й потенціометра постійного струму ПП-63;
σ(ΔТТЕТ) = 2,5°С – оцінка СКВ випадкової складової похибки вимірювань температури розплаву
зразковим термоелектричним термометром [2];
2
1 1 .
1 1 1 . 1.
1 1 1 1
{ ( ( ))}
N N
н н i
i i ТЕТ i i
C
exp
N N Т S
= =
= = − – оцінка настроювального значення
випромінювальної здатності на робочій хвилі λ1 для введення температурної поправки у формулу (1)
класичної однокольорової пірометрії випромінення. Температурна поправка необхідна для
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 72
виключення систематичної складової похибки вимірювання температури, обумовленої відмінністю
від одиниці випромінювальної здатності розплаву, який термометрується.
Дані, наведені в табл. 2, ілюструють дуже низькі похибки вимірювань температури класичною
однокольоровою пірометрією випромінення. Треба підкреслити, що ці результати отримано на
металургійному обладнанні при дотриманні ідеальних термометричних умов, зокрема при:
- оптимальних зонах, часових інтервалах й спектральних діапазонах візування;
- виконанні вимог з технічного обслуговування випускних льоток й зливних сифонів
(максимально можливий діаметр, регулярна очистка від шлаку для отримання чистого струменя та
ін.);
- певних марках залізовуглецевих сплавів (наприклад, сірий чавун).
В реальності на металургійних агрегатах такі стабільні умови трапляються надзвичайно рідко,
тому зазвичай граничні похибки класичної пірометрії випромінення, обумовлені випадковими
змінами випромінювальної здатності розплаву, сягають 1,0–1,5% (причому, це з введеною за
термоелектричним термометром температурною поправкою для виключення систематичної
складової похибки). Без температурних поправок – 8% і більше.
На рис. 5 представлено практичну реалізацію безперервного термоконтролю рідкого металу
при випусканні чи зливанні з вагранок та електродугових печей на базі класичної пірометрії
випромінення.
а)
б) в) г)
Рис. 5. Безперервний контроль температури рідкого металу при випусканні з вагранок зі стаціонарним (а) та
поворотними (б, в) накопичувачами, із закритим (б) та відкритим (в) сифонним жолобами, а також зливанні з
електродугової печі (г)
Наведені вище технології забезпечують автоматичне безперервне вимірювання, реєстрацію та
регулювання температури рідкого металу з вищевказаними похибками, а також кількість його
випусків та зливів. Дійсно, це можливо іноді, за умови високої кваліфікації персоналу, який виконує
вимірювання й обслуговує агрегат. Однак в переважній більшості випадків методична похибка
вимірювання температури залишається високою та не відповідає вимогам металургії. Підвищити
точність термоконтролю в інших випадках можливо з використанням сучасних спектральних
(багатокольорових) технологій оптичної термометрії.
На рис. 6 наведено функціональні схеми й елементи систем безперервного контролю
температури розплавів при випусканні чи зливанні з вагранок та електродугових печей, в яких
реалізовано методи класичної та спектральної пірометрії випромінення.
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 73
Рис. 6. Функціональні схеми й елементи систем безперервного оптичного контролю температури
рідкого металу при випусканні / зливанні з вагранок / електродугових печей, в яких реалізовано методи
класичної та спектральної пірометрії випромінення
Первинні частини співпадають для обох термометричних систем і включають розміщені на
металургійних агрегатах ВП, ФП й ВОК. Вторинна частина системи для класичної пірометрії
випромінення містить ДП, ВВП, ВРП та ВЦІП, а у випадку спектральної пірометрії випромінення –
БДП, К та ВЦІП. ФП фокусує та спрямовує до ВОК теплове випромінення розплаву, який
термометрується. ДП та БДП перетворюють теплове випромінення металу на робочих хвилях у
відповідні вимірювальні електричні сигнали й передають їх на ВВП чи К, які оброблюють ці сигнали
відповідно до заданих алгоритмів методів пірометрії випромінення. Інформація про отримані
значення температури розплаву передається на ВЦІП для дистанційної індикації, а також на Вик. П з
метою видачі управляючих сигналів для утримання температури в металургійному агрегаті в заданих
межах. ДП та БДП розроблені, відповідно, на базі фотонного сендвіч-детeктора PIN-DSS (OSI-
Optoelectronics, США) [23] та мікроспектрометра S2000 (Ocean Insight Inc., США) [24]. Cендвіч-
детeктор забезпечує роботу системи на 2-х довжинах хвиль у видимій та ближній інфрачервоній
областях спектра для реалізації класичної енергетичної однокольорової та спектрального відношення
пірометрії випромінення. Мікроспектрометр має 2048 робочих хвиль в діапазоні 0,5–1,1 мкм та
забезпечує роботу системи в спектральному режимі. ВРП та К слугують для обробки первинної
пірометричної інформації відповідно до алгоритмів класичної та спектральної пірометрії
випромінення.
Методами математичного моделювання й обробки результатів опосередкованих вимірювань
показано, що за умов випадково змінної випромінювальної здатності методичні похибки вимірювань
температури на базі нових спектральних технологій менше похибок відомої спектральної, а також
класичної енергетичної та спектрального відношення термометрії відповідно у 2,3; 11,7–20,0 та 6,1–
7,6 рази [20]–[21].
В табл. 3 наведено техніко-економічні показники розроблених технологій безперервного
термоконтролю рідкого металу [2].
Індукційні тигельні плавильні печі не входять до виділеної з термометричних позицій групи
металургійних агрегатів прохідного типу. Тому для повного використання їх технологічних
можливостей необхідно безперервно вимірювати температуру металу безпосередньо в печі.
Найбільш прийнятним варіантом розв’язання цієї важливої задачі є світловодні технології.
Світловодний контроль не обмежує експлуатацію індукційних тигельних плавильних печей, в тому
числі завантаження шихтових матеріалів, зливання та переливання металу, скачування шлаку, а
також навуглецювання, модифікування та легування металу. Такий термоконтроль ефективніший,
ніж безконтактний, також у випадках індукційних канальних, міксерних й розливних печей [2].
Нові технології безперервного термоконтролю забезпечують значне підвищення якості
металопродукції й зниження резурсозатрат, в тому числі енергозатрат, на її отримання. Безперервний
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 74
контроль температури являє собою ідеальну базу для технічної реалізації автоматичного
регулювання температури розплавів, інтегрованого до складу автоматизованої системи керування
процесом одержання, обробки чи розливання рідкого металу. Це дозволяє підняти рівень
виробництва на якісно новий рівень, автоматизувати найбільш складні в управлінні процеси, в яких
доводиться мати справу з високотемпературними металевими розплавами.
Табл. 3. Техніко-економічні показники безперервного термоконтролю
Об’єкт Найменування показника
Зниження
браку «за
температурою»,
%
Зниження
угару шихти,
%
Підвищення
ресурсу
футерівки,
%
Підвищення
температури
металу на
випуску, °С
Зниження витрат:
коксу, % електро-
енергії, %
Вагранка 30–70 10–30 – ≈ 40 6–10 –
Електродугова
піч
20–30 5 25–35 – – 15–20
Пропоновані для металургії енергетичного машинобудування термометричні розробки
опубліковані у вітчизняних та зарубіжних наукових журналах, а також захищені 23-ма патентами
України.
Розробки пройшли широку апробацію в лабораторних та виробничих умовах на підприємствах
металургії машинобудування, в тому числі енергетичного. Ці найбільш жорсткі для термометрії
умови підтверджують реальність адаптації такого термоконтролю для котлоагрегатів ТЕС/ТЕЦ в
галузі енергетики.
4. Висновки
Таким чином, в результаті аналізу встановлено, що термометрія складає близько третини від
загальних затрат в структурі метрологічного забезпечення металургії енергетичного
машинобудування. Обсяг виробництва металургії енергетичного машинобудування (за масою
виготовленого чавуну) сягає 10% від загального обсягу виробництва металургії машинобудування.
Сірий, високоміцний та ковкий чавун за обсягом виробництва разом складають 70%.
Показано, що отримання та розливання рідкого металу – найбільш ресурсоємні та, насамперед,
енергоємні технологічні процеси виробництва виливків. При виробництві виливків з сірого чавуну на
цих етапах витрачається близько 55% загальних ресурсів, а для ковкого й високоміцного чавуну
затрати зростають до 70%. Для технічної реалізації цих процесів використовуються вагранки,
електродугові й індукційні печі.
З термометричних позицій у вказаному металургійному обладнанні слід виділити групу
металургійних агрегатів прохідного та квазіпрохідного типів, до яких належать вагранки та
електродугові печі. Показано, що для них оптична термометрія не має альтернативи.
В результаті комплексних досліджень вагранок, електродугових та індукційних печей як
об’єктів безперервного безконтактного термоконтролю встановлено, що найбільш ефективним для
них є безперервний контроль температури рідкого металу в струмені чи потоці при випусканні;
квазібезперервний контроль температури рідкого металу в потоці при зливанні; світловодний
безперервний контроль температури рідкого металу безпосередньо в індукційних печах.
У випадку класичної однокольорової пірометрії випромінення просторова та часова селекція, а
також оптимальний робочий спектральний діапазон, температурні поправки й запропоновані
алгоритми обробки первинної пірометричної інформації за певних умов знижують граничні
методичні похибки вимірювань температури з 8% до 1,0–1,5%. Для задоволення потреб металургії в
інших умовах розроблено технології спектральних (багатокольорових) вимірювань температури й
випромінювальної здатності, в тому числі симетрично-хвильові, двокольорові компенсаційні, а також
засновані на рівнянні нелінійності спектрального розподілу випромінювальної здатності. Похибки
вимірювань температури для нових технологій менше похибок відомої спектральної, а також
класичної енергетичної й спектрального відношення термометрії відповідно у 2,3; 11,7–20,0 та 6,1–
7,6 рази.
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 75
Пропонований безперервний термоконтроль забезпечує значне зниження ресурсозатрат в
металургії енергетичного машинобудування.
Посилання
1. Temperature measurement of liquid metal. Heraeus Electro Nite. URL:
https://www.heraeus.com/media/media/hen/media_hen/products_hen/iron/temperature_measurement_in_liquid_m
etal.pdf (дата звернення: 17.04.2023).
2. Жуков Л.Ф. Исследование и разработка методов и средств температурного контроля и
ресурсосберегающих технологических процессов получения жидкого чугуна в литейном производстве:
дисc. д-ра техн. наук. Киев, 1992. 505 с.
3. Metal Casting Market: Global Industry Analysis and Forecast (2022–2029). Maximize market research. September
2022. URL: https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/metal-casting-market/1613/ (дата
звернення: 05.02.2023).
4. Paudel S., Nagapurkar P., Smith J. Improving process sustainability and profitablity for a large U.S. gray iron
foundry. 14-th AIChE Annual Meeting. 2014. URL:
https://www.researchgate.net/publication/267346357_392009_Improving_Process_Sustainability_and_Profitablity
_for_a_Large_US_Gray_Iron_Foundry (дата звернення: 17.04.2023).
5. Futas P., Pribulova A., Pokusova M. Possibilities Reducing of Energy Consumption by Cast Iron Production in
Foundry. Materials Science Forum. 2020. Vol. 998. P. 36—41.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.998.36
6. Iwamura T. Survey on Sensing Technology in Steel Industry. Journal of The Society of Instrument and Control
Engineers. 1990. Vol. 29. Iss. 6. P. 508—517. https://doi.org/10.11499/sicejl1962.29.508
7. Census of World Casting Production. Total Casting Tons Hits 112 Million. Modern Casting. December 2019.
P. 22—25.
8. Census of World Casting Production. Total Casting Tons Dip in 2019. Modern Casting. January 2021. P. 28—30.
9. Census of World Casting Production. Fewer Castings Made in 2020. Modern Casting. December 2021. P. 28—30.
10. Iron Castings Market by End-user, Product, and Geography – Forecast and Analysis 2023–2027. Technavio.
November 2022. URL: https://www.technavio.com/report/iron-castings-market-industry-
analysis?&search=Iron%20Casting%20Market (дата звернення: 05.02.2023).
11. Гнатуш В.А., Дорошенко В.С. Світовий ринок металевих виливків 2018–2020: виробництво, країни,
технології. Процеси лиття. 2021. № 1(143). С. 57—64.
12. WFO Global Foundry Report–2020. The World Foundry Organization. 2020. 180 p.
13. Крутиков В.Н., Фрунзе А.В. О прослеживаемости современных пирометров к первичному эталону
единицы температуры и классификации методов пирометрии. Измерительная техника. 2012. № 2. С. 32—
37.
14. Рибо Г. Оптическая пирометрия. Пер. с франц. М.–Л.: ГТТИ, 1934. 455 c.
15. Madura H., Kastek M., Piątkowski T. Automatic compensation of emissivity in three-wavelength pyrometers.
Infrared physics and technology. 2007. Vol. 51. Iss. 1. P. 1—8. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2006.11.001
16. Cezairliyan A., Foley G.M., Morse M.S., Miiller A.P. Six-wavelength millisecond-resolution pyrometer.
Temperature its Measurement and Control in Science and Industry. Ed. by J. F. Schooley. Vol. 6. AIP, New York,
1993. P. 757—762.
17. Cassady L., Choueiri E. High accuracy multicolor pyrometry for high temperature surfaces. 28-th Int. Electric
Propulsion Conf. (Toulouse). 2003. P. 17—21. URL:
https://www.researchgate.net/publication/242125663_High_Accuracy_Multicolor_Pyrometry_for_High_Temperat
ure_Surfaces (дата звернення: 05.03.2023).
18. Felice R. The spectropyrometer – a practical multi-wavelength pyrometer. AIP Conference Proceedings. 2003.
https://doi.org/684.10.1063/1.1627211
19. Felice R. Pyrometry for liquid metals. Advanced materials & processes. 2008. P. 31—33.
20. Жуков Л.Ф., Петренко Д.О. Методи опосередкованих вимірювань випромінювальної здатності вольфраму
і залізовуглецевих сплавів. Український метрологічний журнал. 2022. № 1. С. 20—27.
https://doi.org/10.24027/2306-7039.1.2022.258801
21. Zhukov L.F., Kornienko A.L. New technologies of symmetric-wave multicolour thermometry and their
metrological characteristics. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2014. Vol. 87. No. 2. P. 489—
497. https://doi.org/10.1007/s10891-014-1036-y
https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/metal-casting-market/1613/
https://www.researchgate.net/publication/267346357_392009_Improving_Process_Sustainability_and_Profitablity_for_a_Large_US_Gray_Iron_Foundry
https://www.researchgate.net/publication/267346357_392009_Improving_Process_Sustainability_and_Profitablity_for_a_Large_US_Gray_Iron_Foundry
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.998.36
https://www.jstage.jst.go.jp/search/global/_search/-char/en?item=8&word=Tadaaki+IWAMURA
https://doi.org/10.11499/sicejl1962.29.508
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449506001551#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449506001551#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449506001551#!
https://doi.org/10.1016/j.infrared.2006.11.001
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 76
22. Жуков Л.Ф., Петренко Д.А., Корниенко А.Л. Двухцветовая компенсационная термометрия металлических
сплавов и ее инструментальные погрешности. Процессы литья. 2016. № 5(119). С. 48—58.
23. Two color photodiodes PIN-DSS. URL:
https://www.osioptoelectronics.com/media/pages/products/photodetectors/two-color-sandwich-photodiodes/pin-
dss-si-top/70717c79e2-1675100411/dual-sandwich-detectors.pdf (дата звернення: 01.02.2023).
24. S2000 Miniature Fiber Optic Spectrometers and Accessories. Operation Manual and User’s Guide. URL:
https://neurophysics.ucsd.edu/Manuals/Ocean%20Optics/S2000_Operating_Manual.pdf (дата звернення:
01.02.2023).
RESOURCE-SAVING CONTINUOUS OPTICAL CONTROL OF
LIQUID METAL TEMPERATURE IN METALLURGY OF
ENERGY MACHINE BUILDING\
Leonid Zhukov1, Dr. Sci. (Engin.), Professor, https://orcid.org/0000-0001-9067-8613
Dmytro Petrenko2*, https://orcid.org/0000-0002-7546-9503
1General Energy Institute of NAS of Ukraine, 172, Antonovycha St., Kyiv, 03150, Ukraine;
2Physico-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine, 34/1, Vernadskogo
Blvd., Kyiv, 03142, Ukraine
*Corresponding author: dima-petrenko@meta.ua
Abstract. The article is devoted to the problem of the most effective and non-alternative continuous
optical temperature control of metallurgical aggregates in machine building metallurgy. The aim of the
article is to develop and investigate the technologies of continuous temperature control on the base of
classical and spectral (multicolor) thermometry. To achieve thе aim, the next methods have been used:
analysis of literature sources; experimental investigations of influence regularities of sighting zones, time
of tapping, intensity of mixing and liquid metal temperature on one color radiation temperature of liquid
metal in visible and infrared spectrum ranges under industrial conditions; statistical processing of the
results of direct and indirect measurements with their errors estimation. It has been found the main role
of thermometry in the metrological support structure of metallurgical plants. The production volumes of
world machine building metallurgy have been analyzed, particularly, the part of metallurgy of energy
machine building in it. Metallurgical equipment to be used for liquid metal obtaining and treatment has
been classified from thermometric position. The stability of radiation characteristics of liquid metal in
cupola, arc and induction furnaces has been investigated under conditions of different impact factors.
The methodical errors of optical temperature measurements of liquid metal during tapping from cupola
and arc furnaces on the base of classical energy thermometry have been estimated. In special determined
сases these errors don’t exceed 1,0–1,5% with confidence level 0,997. Under another conditions these
errors reaches 8% and this fact stimulates transition to the spectral thermometry. With the use of modern
elemental base, the technologies of spectral measurements of temperature and emissivity have been
developed. The technologies include: symmetric-wave, two-color compensative, as well as based on
nonlinearity equation of emissivity spectral distribution. The temperature measurement errors of new
technologies are lower than the same ones of known spectral, as well as classical energy and spectral
ratio thermometry in 2,3; 11,7–20,0 and 6,1–7,6 times.
Keywords: metallurgy of machine building, continuous optical temperature control, cupola furnace, arc
furnace, classical and spectral thermometry.
References
1. Temperature measurement of liquid metal. Heraeus Electro Nite. URL:
https://www.heraeus.com/media/media/hen/media_hen/products_hen/iron/temperature_measurement_in_liquid_m
etal.pdf (Last accessed: 17.04.2023).
2. Zhukov, L.F. (1992). Issledovaniye i razrabotka metodov i sredstv temperaturnogo kontrolya i
resursosberegayushchikh tekhnologicheskikh protsessov polucheniya zhidkogo chuguna v liteynom proizvodstve:
Dr. of Tech. Sc. Kiev, 505 p. [in Russian].
3. Metal Casting Market: Global Industry Analysis and Forecast (2022–2029). (2022, September). Maximize market
research. URL: https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/metal-casting-market/1613/ (Last
accessed: 05.02.2023).
https://orcid.org/0000-0001-9067-8613
https://orcid.org/0000-0002-7546-9503
mailto:dima-petrenko@meta.ua
https://www.maximizemarketresearch.com/market-report/metal-casting-market/1613/
Системні дослідження в енергетиці. 2023. 3(74) 77
4. Paudel, S., Nagapurkar, P., & Smith, J. (2014). Improving process sustainability and profitablity for a large U.S.
gray iron foundry. 14-th AIChE Annual Meeting. URL:
https://www.researchgate.net/publication/267346357_392009_Improving_Process_Sustainability_and_Profitablity
_for_a_Large_US_Gray_Iron_Foundry (Last accessed: 17.04.2023).
5. Futas, P., Pribulova, A., & Pokusova, M. (2020). Possibilities Reducing of Energy Consumption by Cast Iron
Production in Foundry. Materials Science Forum, 998, 36–41.
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.998.36
6. Iwamura, T. (1990). Survey on Sensing Technology in Steel Industry. Journal of The Society of Instrument and
Control Engineers, 29(6), 508–517. https://doi.org/10.11499/sicejl1962.29.508
7. Census of World Casting Production. (2019, December). Total Casting Tons Hits 112 Million. Modern Casting,
22–25. URL: https://www.qgdigitalpublishing.com/publication/?m=&l=1&i=637245&p=24 (Last accessed:
12.04.2023).
8. Census of World Casting Production. Total Casting Tons Dip in 2019. (2021, January). Modern Casting, 28–30.
URL: https://www.qgdigitalpublishing.com/publication/?i=687958&p=30 (Last accessed: 12.04.2023).
9. Census of World Casting Production. Fewer Castings Made in 2020. (2021, December). Modern Casting, 28–30.
URL: https://www.qgdigitalpublishing.com/publication/?i=730025&ver=html5&p=28 (Last accessed:
12.04.2023).
10. Iron Castings Market by End-user, Product, and Geography – Forecast and Analysis 2023–2027. (2022,
November). Technavio. URL: https://www.technavio.com/report/iron-castings-market-industry-
analysis?&search=Iron%20Casting%20Market (Last accessed: 05.02.2023).
11. Gnatush, V.A., & Doroshenko, V.S. (2021). World market of metal castings 2018–2020: production, countries,
technologies. Casting processes, 1(143), 57–64 [in Ukrainian].
12. WFO Global Foundry Report–2020. (2020). The World Foundry Organization, 180 p.
13. Krytukov, V.N., & Frunze, A.V. (2012). O proslezhivayemosti sovremennykh pirometrov k pervichnomu etalonu
yedinitsy temperatury i klassifikatsii metodov pirometrii. Measuring technique, 2, 32–37 [in Russian].
14. Ribo, G. (1934). Opticheskaya pirometriya. Translation from French. Moscow–Leningrad: State publishing house
of technical and theoretical literature, 455 p. [in Russian].
15. Madura, H., Kastek, M., & Piątkowski, T. (2007). Automatic compensation of emissivity in three-wavelength
pyrometers. Infrared physics and technology, 51(1), 1–8. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2006.11.001
16. Cezairliyan, A., Foley, G.M., Morse, M.S., & Miiller, A.P. (1993). Six-wavelength millisecond-resolution
pyrometer. Temperature its Measurement and Control in Science and Industry, 6, AIP, New York, 757–762.
17. Cassady, L., & Choueiri, E. (2003). High accuracy multicolor pyrometry for high temperature surfaces. 28-th Int.
Electric Propulsion Conf. (Toulouse), 17–21. URL:
https://www.researchgate.net/publication/242125663_High_Accuracy_Multicolor_Pyrometry_for_High_Temperat
ure_Surfaces (Last accessed: 05.03.2023).
18. Felice, R. (2003). The spectropyrometer – a practical multi-wavelength pyrometer. AIP Conference Proceedings.
https://doi.org/684.10.1063/1.1627211
19. Felice, R. (2008). Pyrometry for liquid metals. Advanced materials & processes, 31–33.
20. Zhukov, L.F., & Petrenko, D.O. (2022). The methods of indirect emissivity measurements of tungsten and iron-
carbon alloys. Ukrainian Metrological Journal, 1, 20–27 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.24027/2306-
7039.1.2022.258801
21. Zhukov, L.F., & Kornienko, A.L. (2014). New technologies of symmetric-wave multicolour thermometry and
their metrological characteristics. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 87, 2, 489–497.
https://doi.org/10.1007/s10891-014-1036-y
22. Zhukov, L.F., & Petrenko, D.A., & Kornienko, A.L. (2016). Dvukhtsvetovaya kompensatsionnaya termometriya
metallicheskikh splavov i yeye instrumental'nyye pogreshnosti. Casting processes, 5(119), 48–58.
23. Two color photodiodes PIN-DSS. URL:
https://www.osioptoelectronics.com/media/pages/products/photodetectors/two-color-sandwich-photodiodes/pin-
dss-si-top/70717c79e2-1675100411/dual-sandwich-detectors.pdf (Last accessed: 01.02.2023).
24. S2000 Miniature Fiber Optic Spectrometers and Accessories. Operation Manual and User’s Guide. URL:
https://neurophysics.ucsd.edu/Manuals/Ocean%20Optics/S2000_Operating_Manual.pdf (Last accessed:
01.02.2023).
Надійшла до редколегії: 03.05.2023
https://www.researchgate.net/publication/267346357_392009_Improving_Process_Sustainability_and_Profitablity_for_a_Large_US_Gray_Iron_Foundry
https://www.researchgate.net/publication/267346357_392009_Improving_Process_Sustainability_and_Profitablity_for_a_Large_US_Gray_Iron_Foundry
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.998.36
https://www.jstage.jst.go.jp/search/global/_search/-char/en?item=8&word=Tadaaki+IWAMURA
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449506001551#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449506001551#!
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449506001551#!
https://doi.org/10.1016/j.infrared.2006.11.001
https://doi.org/10.24027/2306-7039.1.2022.258801
https://doi.org/10.24027/2306-7039.1.2022.258801
|
| id | systemreorg-article-807 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:22:12Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/74/4b6e11a9547181e623b7951a5855c874.pdf |
| spelling | systemreorg-article-8072026-07-18T12:57:47Z Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building Ресурсозберігаючий безперервний оптичний контроль температури рідкого металу в металургії енергетичного машинобудування Zhukov, Leonid Petrenko, Dmytro metallurgy of machine building, continuous optical temperature control, cupola furnace, arc furnace, classical and spectral thermometry. металургія енергетичного машинобудування, безперервний оптичний термоконтроль, вагранка, електродугова піч, класична та спектральна пірометрія випромінення. The article is devoted to the problem of the most effective and non-alternative continuous optical temperature control of metallurgical aggregates in machine-building metallurgy. The aim of the article is to develop and investigate the technologies of continuous temperature control on the base of classical and spectral (multicolor) thermometry. To achieve this aim, the next methods have been used: analysis of literature sources; experimental investigations of influence regularities of sighting zones, time of tapping, intensity of mixing and liquid metal temperature on one color radiation temperature of liquid metal in visible and infrared spectrum ranges under industrial conditions; statistical processing of the results of direct and indirect measurements with their errors estimation. It has been found the main role of thermometry in the metrological support structure of metallurgical plants. The production volumes of world machine building metallurgy have been analyzed, particularly, the part of metallurgy of energy machine building in it. Metallurgical equipment to be used for liquid metal obtaining and treatment has been classified from thermometric position. The stability of radiation characteristics of liquid metal in cupola, arc and induction furnaces has been investigated under conditions of different impact factors. The methodical errors of optical temperature measurements of liquid metal during tapping from cupola and arc furnaces on the base of classical energy thermometry have been estimated. In specially determined сases these errors don’t exceed 1,0–1,5% with confidence level 0,997. Under another condition, these errors reaches 8% and this fact stimulates transition to the spectral thermometry. With the use of modern elemental bases, the technologies of spectral measurements of temperature and emissivity have been developed. The technologies include: symmetric-wave, two-color compensative, as well as based on nonlinearity equation of emissivity spectral distribution. The temperature measurement errors of new technologies are lower than the same ones of known spectral, as well as classical energy and spectral ratio thermometry in 2,3; 11,7–20,0 and 6,1–7,6 times. У статті розглядається питання найбільш ефективного й безальтернативного безперервного оптичного термоконтролю металургійних агрегатів, які застосовуються в металургії енергетичного машинобудування. Мета роботи полягає в розробці та дослідженні технологій безперервного термоконтролю на основі класичної та спектральної (багатокольорової) пірометрії випромінення. Для досягнення мети використано методи: аналізу літературних джерел; експериментальних досліджень закономірностей впливу зон візування, часу зливання, інтенсивності перемішування й температури рідкого металу на однокольорову температуру його випромінення у видимій та інфрачервоній ділянках спектра в виробничих умовах; статистичної обробки результатів прямих й опосередкованих вимірювань з оцінкою їх похибок. Встановлено домінуючу роль термометрії в структурі метрологічного забезпечення металургійних підприємств. Виконано аналіз обсягів виробництва світової металургії машинобудування. Класифіковано з термометричних позицій металургійне обладнання, що використовується в металургії енергетичного машинобудування для отримання й обробки рідкого металу. Досліджено стабільність випромінювальних характеристик рідкого металу в вагранках, електродугових та індукційних печах за різних впливаючих факторів. Оцінено методичні похибки оптичних вимірювань температури рідкого металу при випусканні / зливанні з вагранок та електродугових печей на базі класичної однокольорової пірометрії випромінення. В деяких визначених умовах вони не перевищують 1,0–1,5% з довірчою ймовірністю 0,997. В інших умовах ці похибки досягають 8%, через що необхідно переходити до спектральної термометрії. На сучасній елементній базі розроблено технології спектральних вимірювань випромінювальної здатності та температури, в тому числі симетрично-хвильові, двокольорові компенсаційні, а також засновані на рівнянні нелінійності спектрального розподілу випромінювальної здатності. Похибки вимірювань температури для нових технологій менше похибок відомої спектральної, а також класичної енергетичної та спектрального відношення термометрії відповідно у 2,3; 11,7– 20,0 й 6,1–7,6 рази. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2023-08-24 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/807 10.15407/srenergy2023.03.064 System Research in Energy; No. 3 (74) (2023): System Research in Energy; 64-77 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (74) (2023): Системні дослідження в енергетиці; 64-77 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/807/697 Copyright (c) 2023 Leonid Zhukov, Dmytro Petrenko https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | metallurgy of machine building continuous optical temperature control cupola furnace arc furnace classical and spectral thermometry. Zhukov, Leonid Petrenko, Dmytro Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building |
| title | Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building |
| title_alt | Ресурсозберігаючий безперервний оптичний контроль температури рідкого металу в металургії енергетичного машинобудування |
| title_full | Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building |
| title_fullStr | Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building |
| title_full_unstemmed | Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building |
| title_short | Resource-Saving Continuous Optical Control of Liquid Metal Temperature in Metallurgy of Energy Machine Building |
| title_sort | resource-saving continuous optical control of liquid metal temperature in metallurgy of energy machine building |
| topic | metallurgy of machine building continuous optical temperature control cupola furnace arc furnace classical and spectral thermometry. |
| topic_facet | metallurgy of machine building continuous optical temperature control cupola furnace arc furnace classical and spectral thermometry. металургія енергетичного машинобудування безперервний оптичний термоконтроль вагранка електродугова піч класична та спектральна пірометрія випромінення. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/807 |
| work_keys_str_mv | AT zhukovleonid resourcesavingcontinuousopticalcontrolofliquidmetaltemperatureinmetallurgyofenergymachinebuilding AT petrenkodmytro resourcesavingcontinuousopticalcontrolofliquidmetaltemperatureinmetallurgyofenergymachinebuilding AT zhukovleonid resursozberígaûčijbezperervnijoptičnijkontrolʹtemperaturirídkogometaluvmetalurgííenergetičnogomašinobuduvannâ AT petrenkodmytro resursozberígaûčijbezperervnijoptičnijkontrolʹtemperaturirídkogometaluvmetalurgííenergetičnogomašinobuduvannâ |