余 躍 陳學剛 裴忠冶 茍海鵬 王書曉 郭亞光

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

0 前言

熔池溫度對冶煉工藝、產品質量有至關重要的影響，及時準確地測量熔池溫度有助于精準控制冶煉過程。隨著冶煉技術的發(fā)展，對溫度測量準確性和及時性的要求更加嚴苛，迫切需求開發(fā)一種持續(xù)在線檢測熔池溫度的測溫技術。與傳統(tǒng)的測溫不同，熔池測溫具有溫度高、沖刷強、侵蝕強、煙塵濃度高等特點，現階段尚無完善的測溫技術能夠同時滿足上述要求，在實際測溫過程中，通常需要根據使用場景特點對測溫技術進行選擇。本文就幾種常見的高溫熔池測量技術的特點和適用范圍進行了介紹。

1 常見的高溫測量技術分類

測溫是建立物質的線膨脹率、體積膨脹率、電阻率、輻射特性、熱噪音等特性與溫度的對應聯(lián)系，通過對上述物化性質的計量，反應溫度高低的方法。根據所使用場景的不同，研究者開發(fā)了多種測量方法，其中銻凝固點(903.90 K)以上的溫度測量稱為高溫測量[1]，常見的高溫測量方法[2]如圖1所示。

圖1 常見的高溫測量技術分類

2 接觸式溫度測量技術及其在熔池溫度測量中的應用

接觸式溫度測量技術包括熱電偶測溫技術和黑體腔式熱輻射測溫技術。

2.1 熱電偶測溫技術

2.1.1 熱電偶測溫原理

熱電偶測溫的基本原理為熱電效應，如圖2所示。由兩種導體組合形成的熱電偶閉合電路兩個接點處的接觸電勢分別為eAB(T)和eAB(T0)，由于A、B兩個導體溫度不同，因此回路中還存在一個溫差電勢。閉環(huán)回路中總電勢見式(1)，對于某熱電偶，當參考端(冷端)溫度確定時，環(huán)路總電動勢與溫度為單值函數關系，通過在回路中增加儀表，便可以通過電勢反應測點溫度。

(1)

圖2 熱電偶測溫原理

2.1.2 熱電偶測溫的常見類型及特點

熱電偶測溫范圍廣、造價低、魯棒性強，故應用非常廣泛。熱電偶常用于-200～1 300 ℃的溫度測量，在某些特殊場合，也用于-269～3 000 ℃的溫度測量。制造熱電偶的材料通常為金屬，也有部分熱電偶采用碳、硼及其化合物制造。常見的熱電偶有鎳鉻- 鎳硅熱電偶(K型)、鉑銠10-鉑熱電偶(S型)、鎳鉻- 銅鎳(康銅)熱電偶(E型)、鎳鉻硅- 鎳硅熱電偶(N型)、鐵- 康銅熱電偶(J型)、銅- 銅鎳熱電偶(T型)、鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)等，其性能特點和使用范圍見表1。

表1 常見熱電偶的特點及使用范圍

2.1.3 快速熱電偶的組成

快速熱電偶是目前最常見的高溫熔池溫度測量元件，因其價格低廉、響應較快等原因，廣泛應用于黑色和有色冶金領域?？焖贌犭娕加蓽y溫偶絲、補償導線、耐火泥頭、防渣帽和紙管組成。偶絲是快速熱電偶的核心元件，常見的偶絲有鉑銠和鎢錸兩種，其中鎢錸因其測溫區(qū)間大、造價低等優(yōu)勢，已有許多學者對其開展研究[3-5]。常見的快速熱電偶型號及主要性能見表2。

2.2 黑體腔式熱輻射測溫技術

黑體腔式熱輻射測溫技術，是一種基于黑體輻射理論的測溫技術[6-8]，該技術兼具接觸式測量和

表2 常見快速熱電偶型號及性能

非接觸式測量的優(yōu)點。近年來，通過熱輻射對熔體溫度進行測量逐漸成為研究的熱點。該方法是將測溫元件插入到高溫熔體中，待其與熔池溫度平衡后，利用探測器接收所產生的輻射信號，并對其進行光電轉換和信號處理，計算熔體溫度。早期的黑體腔式熱輻射測溫設備為外層ZrB2、內層剛玉管的雙層結構[9]。由于內層采用剛玉管結構，其抗熱震性和響應速度較差。Park H K[10]等人開發(fā)了一種采用Al2O3-C耐火材料作為傳感器的測溫裝置，該裝置的耐熱震性和耐侵蝕性較高，但是由于高溫下Al2O3-C會產生煙氣，影響光路，使得其測溫的可靠性下降，同時該材質在高溫下的發(fā)射率不確定性較強，進一步增加了測溫誤差。 為了解決該問題，謝植[11]等人設計了外層為Al2O3-C、內層為高純剛玉管的雙層套管結構(圖3)，用剛玉管將外層Al2O3-C管所產生的煙氣隔開，減少了對光路的影響，使結果更加準確；但是該結構使測溫元件響應更加緩慢。

圖3 雙層套管黑體腔式熱輻射測溫元件

圖4 光纖黑體測溫原理

張華[12]等人建立了傳感器腔體二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并假設傳感器與熔體間的傳熱滿足第三類邊界條件，試圖通過計算，在傳感器溫度未達到穩(wěn)態(tài)時，對熔體溫度進行測量。該方法通過引入動態(tài)補償，解決了黑體腔式熱輻射測溫響應慢的問題，但是受材料物性參數、換熱邊界條件的影響，其精度難以保證，最大誤差達10 ℃。

隨著材料技術和光學技術的發(fā)展，光纖溫度傳感器因其精度高、響應快等特點，逐漸得到應用和推廣。按測溫原理，光纖溫度傳感器分為熱輻射型、熒光型和強度吸收型，其中熱輻射型光纖溫度傳感器適用于高溫測量[13]。藍寶石光纖溫度傳感器是目前最具代表性的熱輻射型光纖溫度傳感器，最早的藍寶石光纖高溫計由Dils R R[14]發(fā)明，采用電鍍方式將光纖末端附著一層耐高溫金屬材料，然后在其表面覆蓋一層耐高溫的非金屬層，得到一個近似黑體的空腔。國內首先開展藍寶石光纖測溫研究的是清華大學的王志海[15]等人，他們制備的傳感器的測溫范圍為400～1 300 ℃。在之后的研究中，隨著噴涂工藝以及材料的不斷改進，測量溫度和準確性不斷提高，采用等離子噴涂技術制備的陶瓷薄膜藍寶石光纖傳感器在800～1 600 ℃內能夠保持較高的精度[16]。采用氧化鋯纖維和BeO陶瓷噴涂的藍寶石光纖傳感器，可大幅度提高信噪比，最高測量溫度可達2 000 ℃[17]。南京師范大學的一項研究中，將鉬濺射到藍寶石纖維上，形成一層金屬膜，并在金屬膜的外面燒結一層Al2O3膜，采用此方法制備的傳感器，不僅耐熱性好、耐腐蝕性好、響應快，而且造價低廉、準確性高，在1 760～1 880 ℃間的測溫效果與工業(yè)傳感器測試結果吻合良好[18]。目前，該方法已經廣泛運用于燃氣輪機及飛機發(fā)動機燃燒室溫度測量中[19]。俞小莉[20]等人的研究中指出，在藍寶石光纖前端涂覆銥等金屬薄膜，形成黑體腔，并將其放入高溫熔體中，可以實現對高溫熔體溫度的在線連續(xù)測量。

3 非接觸式溫度測量技術及其在熔池溫度測量中的應用

非接觸式測溫分為光學法和聲學法兩大類。其中，光學測溫法分為輻射光譜法和激光光譜法。

3.1 輻射光譜法測溫

輻射光譜法測溫基于普朗克黑體輻射定律，可以分為輻射強度法、譜線反轉法和CT法，其中CT法適用條件苛刻，一般用于測量光學特性透明的氣相燃燒溫度場，無法用于高溫熔池測溫。輻射強度法是最常見的熔池測溫法，根據測溫原理不同，可以分為單色測溫法、比色測溫法和多光譜測溫法。

3.1.1 單色測溫法

根據普朗克黑體輻射定律和維恩位移定律，單色光輻射亮度與物體溫度存在單一確定關系，利用某個波長的輻射能與溫度之間的函數關系進行溫度測量的方法稱為單色測溫法，在滿足λT?C2的情況下，單色輻射亮度見式(2)：

(2)

式中：C1——第一輻射常數，3.741 832×10-23W·K2；

C2——第二輻射常數，1.438 786×10-2m·K；

λ——熱輻射波長，m；

T——絕對溫度，K；

ε——黑體發(fā)射率。

利用該方法進行測溫時，需要盡可能選擇窄波段，以防止其他波段輻射干擾。但是，如果選用的波段過窄，傳感器所接收到的輻射熱量太小，甚至無法響應，由發(fā)射率造成的誤差難以消除，這使得單色測溫法無法勝任一些復雜測溫需求。

3.1.2 比色測溫法

根據普朗克黑體輻射定律，單色光譜輻射能力與溫度存在單一確定關系，采用兩個波長的單色光譜輻射能力之比可對物體溫度進行測量，該方法稱為比色測溫法。采用該方法進行測溫時，僅當所測物體為黑體或者灰體時，測得的溫度為真實溫度，否則測得的溫度為比色溫度Tc。維恩條件下的比色溫度計算公式[21]如下：

(3)

式中：λ1、λ2——用于對比的兩束光的波長，μm；

ελ1、ελ1——物體在波長λ1、λ2處的發(fā)射率；

TC——比色溫度，K。

根據式(3)可知，物體的比色溫度可以高于或者低于真實溫度，測量時選取兩個光譜發(fā)射率相差不大的波段，可以使測量的溫度更加接近真實溫度。在一些工業(yè)環(huán)境中，通常有大量灰塵、煙霧及水汽，采用比色高溫計進行測量，可以盡可能地消除由于介質吸收引入的測量誤差。直至今日，在冶金及其他工業(yè)環(huán)境中，比色高溫計測溫使用非常廣泛[22]。

3.1.3 多光譜測溫法

單色測溫計測量的溫度為物體的亮度溫度，比色測溫計測量的溫度為物體的顏色溫度，全波長輻射溫度計測量的溫度為物體的輻射溫度，這些都不是物體的真實溫度，只有在已知光譜發(fā)射率的情況下，才能測量得到物體的真實溫度，但物體的發(fā)射率除了與被測溫度和考察溫度相關外，還與物體成分、被測表面狀態(tài)相關。為了減小這一誤差，各國學者一直尋求用多光譜輻射測溫法進行物體真實溫度的測量。

1)Cashdollar K L[23]等人研制了波長為0.45 μm、0.63 μm和1.00 μm的三波長高溫計，并用其對火焰溫度、煙塵平均粒徑和濃度進行測量。

2)Svet D Y[25]等人采用四波長高溫計對表面溫度為300～3 000 K物體的真實溫度進行了測量。

3)Gardner J L[25]等人研發(fā)了六波長高溫計，并對1 000～1 600K內的金屬表面真實溫度進行了測量，通過對比發(fā)現，當假設的發(fā)射率與波長對應關系接近真實情況時，該方法測溫誤差小于1%。

4)Lyzenga G[26]等人采用六波長高溫計對沖擊波后的物體真實溫度進行測量，測量溫度范圍為4 000～8 000 K。

5)在國內，戴景民教授較早從事多光譜測溫法研究，1991年，他首次研制成功35波長的高溫計，并將其用于測量燒蝕材料真實溫度和發(fā)射率；1999年，他們的另一項研究中成功將8波長高溫計用于測量固體發(fā)動機羽焰溫度及輻射特性，取得較高精確度[27-28]。

3.1.4 譜線反轉法

鈉譜線反轉法測量火焰溫度的基礎是普朗克定律和基爾霍夫定律。測量前，需要對設備進行準確標定。測試過程中，將少量鈉元素摻入到火焰中，在589.0 nm和589.6 nm兩處可以發(fā)現鈉原子輻射線狀光譜。如果所測量的火焰溫度高于參考光源溫度，鈉譜線得到增強，反之，譜線減弱。當所測溫度與參考光源溫度相等，鈉譜線消失。因此，采用該方法對火焰溫度進行測量時，通過調整標準鎢帶燈供電電壓，對鎢帶燈的亮度溫度TL進行調整。通過特定的光路，分別記錄鈉譜線處的標準鎢帶燈輻射光譜強度IL、被測火焰輻射光譜強度IF和兩者相疊加后的相對輻射光譜強度IL+F。然后根據式(4)可以計算得出火焰溫度TF[29]。

(4)

式中：TF——火焰溫度,K；

c——光速，3×104m/s；

h——普朗克常數，6.626 070 15×10-34J·s；

k——玻爾茲曼常數，1.380 649×10-23J/K。

利用該方法，僅可對穩(wěn)定火焰溫度進行測量。劉大斌等人[30]通過在參考光源和鈉火焰溫度之間增加一個斬光器，通過斬光器的高速轉動，以一定頻率遮擋標準鎢帶燈發(fā)出的輻射；再通過分光和光電轉換，記錄IF和IL+F瞬態(tài)值，便可計算得到瞬態(tài)火焰溫度。

3.1.5 CT法

光學CT法適用于測量輻射半透明介質的溫度。采用此方法可以測量光路上介質的平均溫度。依據圖像重建理論，如果通過測量介質不同斷面的E0(僅有標準光源輻射作用時，探測器感受信號)、Ef(僅有火焰輻射作用時，探測器感受信號)和E0+f(測量光源輻射和火焰輻射同時作用時，探測器感受信號)，便可重建斷面介質吸收系數和輻射強度空間離散值，進而計算出介質溫度場的離散值。但是由于旋轉掃描消耗時間較長，此方法常用于測量穩(wěn)態(tài)火焰溫度。

3.2 激光光譜法測溫

激光光譜法可以分為散射光譜法和干涉法。

3.2.1 散射光譜法

常見散射光譜方法包括拉曼光譜法、相干反斯托克斯拉曼光譜法及激光誘導熒光法等[31]。光子與空氣分子發(fā)生碰撞后，空氣分子能級發(fā)生躍遷，同時導致光子頻率發(fā)生改變，即發(fā)生拉曼頻移，利用此原理進行溫度測量的技術叫拉曼光譜法和相干反斯托克斯拉曼光譜法。當被測樣品濃度較低時，可采用激光誘導熒光法進行測量。該方法采用激光將被測介質激發(fā)到較高能級，待其向低能級進行躍遷時，發(fā)出熒光，通過對熒光進行分析，便可反推其溫度場。

3.2.2 干涉法

最常見的折射率法為全息干涉測溫法，其測量方法如下：先拍攝一張未變形前的全息圖，保持光路中所有元件位置不變，用原來的參考光照所拍攝的全息圖，在原來物體位置處形成物體虛像。如果溫度場狀態(tài)與拍全息圖時一致，則再現物光波與通過溫度場的實物光波完全重合。反之，溫度場變化引起密度場變化，再現物光波與實物光波存在光程差，兩者形成干涉條紋。對于溫度較高、壓力不大的氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程式(5)和Gladstone-Dale公式(6)。

p=ρRT

(5)

(6)

式中：p——壓強, Pa；

ρ——密度，kg/m3；

R——理想氣體常數, 8.314 J/mol·K；

T——體系的熱力學溫度, K；

K——Gladstone-Dale常數，m3/kg。

n——物質的量, mol。

聯(lián)立式(5)和式(6)可以得到式(7)：

(7)

假設環(huán)境溫度為T0，k級條紋處的實際溫度為Tk，則：

(8)

由于該方法對于光路清潔度要求較高，同時由于需要二次曝光，不能用于測量瞬態(tài)溫度場，其主要使用于實驗室中，在工業(yè)中應用尚不常見。

3.3 聲學測溫法

聲學測溫技術基于聲波傳播過程中傳播介質物理特性與溫度相關，通過測量聲波特性的變化間接計算出溫度場。最常見的聲學測溫方法是聲速法，該方法基于傳播介質中聲波的傳播速度為介質溫度的單值函數，其關系式如下：

v=(rRT/M)1/2

(9)

式中：v——介質中聲波傳播速度，m/s；

r——介質的定壓比熱容與定容比熱容的比值；

M——氣體分子量。

據此原理，在被測區(qū)域兩端分別安裝發(fā)射器和接收器，通過測量聲波通過所測區(qū)域的時間，便可測得該區(qū)域的平均傳播速度，從而測得該區(qū)域平均速度。Green S F[32]等人最早將該技術進行應用，他們建議在爐膛測溫方面，采用該技術替代傳統(tǒng)測溫技術。Bramanti M等人通過聲學測溫技術，對某電廠鍋爐溫度二維分布情況進行重建，并提出兩種溫度場重建方法，即標準正則化重建和插值運算重建。經過近百年的研究，聲學測溫方法逐漸成熟，并在火力發(fā)電、垃圾焚燒和金屬冶煉等領域開始逐步應用，但是受聲學環(huán)境復雜、聲波延遲大等因素影響，該方法的測量精度難以保證，存在較大的提升空間。

4 結論與展望

本文對多種高溫測量方法的特點和原理及其在高溫熔體溫度測量領域的應用進行了綜述，目前接觸式測溫是高溫熔體測量的主流技術，代表性的測溫方法為快速熱電偶測溫，鎢錸型快速熱電偶因其測溫區(qū)間大、造價低等優(yōu)勢，在有色和黑色領域都應用非常廣泛。非接觸式測溫由于受介質的影響，其測量精度和穩(wěn)定性較差，但因其測量響應迅速、測量范圍廣，在高溫熔體溫度測量中應用越來越廣泛，隨著測溫模型的不斷修正和完善，非接觸式測溫的測量精度逐步提高，應用前景逐步拓展。