小尺寸黑匣子高溫測試系統(tǒng)的熱防護研發(fā)

李長宏，黃貞益

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002；2.南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

小尺寸黑匣子高溫測試系統(tǒng)的熱防護研發(fā)

李長宏1，2，黃貞益1

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山 243002；2.南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

為解決目前小出入口加熱爐坯料溫度測試?yán)щy的問題，對黑匣子高溫測試系統(tǒng)的熱防護進行深入研究。為達到由外到內(nèi)形成溫度梯度，外部能夠承受高溫沖、內(nèi)部溫度恒定和減小系統(tǒng)尺寸的目的，首次將熱防護由外到內(nèi)設(shè)計為高溫絕熱層、低溫絕熱層和吸熱層。高溫絕熱層主要用來抵抗外部高溫，保護低溫絕熱層不受高溫沖擊。低溫絕熱層導(dǎo)熱系數(shù)低，用來阻止熱量傳入。吸熱層由相變材料組成，吸收傳入熱量，保持內(nèi)部溫度恒定。建立熱防護3層結(jié)構(gòu)的傳吸熱數(shù)學(xué)模型，對各部分尺寸及可靠性進行計算分析。通過破壞性實驗和現(xiàn)場測試實驗表明：采用該方案設(shè)計的熱防護尺寸小，性能穩(wěn)定，能夠為小出入口加熱爐坯料溫度提供安全可靠的測試服務(wù)。

熱防護；高溫測試系統(tǒng)；黑匣子；加熱爐

0 引言

加熱爐是熱軋線上的高耗能設(shè)備，其主要任務(wù)是通過合理加熱制度把坯料加熱到適合軋制的溫度[1]。加熱爐的控制方法、精度以及坯料加熱制度決定了坯料爐內(nèi)溫升曲線、出爐時溫度均勻性以及加熱時長，這些對能耗、生產(chǎn)安全性、成品質(zhì)量及成材率都有重要影響。因此，對加熱爐實際加熱效果及加熱過程進行測試評估非常重要，黑匣子高溫測試系統(tǒng)是實現(xiàn)測試的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。該系統(tǒng)主要由高溫記錄儀、熱防護及熱電偶等組成，用于對加熱過程中坯料的各點溫度、爐溫進行跟蹤測量和數(shù)據(jù)采集，從而獲得對加熱爐和加熱工藝進行優(yōu)化改進的數(shù)據(jù)支撐。

冶金行業(yè)加熱爐溫度高、爐體長，采用拖偶測試有以下問題難以解決：1）在爐內(nèi)高溫環(huán)境下，熱電偶長時間拖行極易發(fā)生斷裂；2）多根熱電偶從爐門口拖入，在爐內(nèi)拖行會造成后續(xù)坯料入爐困難；3）拖拉往往會導(dǎo)致熱電偶熱端從安裝位置松動甚至脫落，無法保證測試結(jié)果正確性；4）熱電偶過長，增加了測試成本。因此，在實際測試中采用對高溫記錄儀加以熱防護，同熱電偶一起固定于坯料上隨爐進行測試。一般將高溫記錄儀、熱防護和熱電偶統(tǒng)稱為黑匣子高溫測試系統(tǒng)，測試過程稱為黑匣子高溫測試。

黑匣子高溫測試系統(tǒng)在爐內(nèi)高溫環(huán)境下進行測試時，與外界不能進行水電交換，所吸收熱量積聚在內(nèi)部無法排出，如在測試期間不能有效控制內(nèi)部溫升，會導(dǎo)致溫度過高而使設(shè)備燒損。熱防護是實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部溫度控制的關(guān)鍵部分，國內(nèi)外對應(yīng)用于板坯加熱過程測試的熱防護做了相應(yīng)研究[3-5]，但對應(yīng)用于小規(guī)格方坯的研究較少，主要原因是測試小規(guī)格方坯加熱過程對熱防護要求更為嚴(yán)格，表1[6]是某鋼廠兩種測試條件的比較。

從表中可看出：1）小方坯坯料橫截面小，黑匣子高溫測試系統(tǒng)僅能安裝在端部，板坯無特殊安裝要求，可直接安裝在上表面或尾部；2）小方坯加熱爐進出口爐門、軌道以及坯料端部至爐墻的距離將黑匣子高溫測試系統(tǒng)外形尺寸限制在：300mm×290mm× 450mm以內(nèi)，考慮余量，實際尺寸應(yīng)小于上述尺寸。板坯加熱爐僅對黑匣子高溫測試系統(tǒng)高度有限制，即不得高于450mm，在寬度和長度方向無限制；3）兩者出鋼溫度、爐內(nèi)最高溫度和爐內(nèi)時長與鋼種規(guī)格及工藝有關(guān)，差別并不明顯。通過以上對比可知，用于板坯的黑匣子高溫測試系統(tǒng)可以根據(jù)需要改變除了高度要求外的結(jié)構(gòu)及外形尺寸，但用于小方坯的黑匣子高溫測試系統(tǒng)則需要在嚴(yán)格的外形尺寸限制下，實現(xiàn)同樣的性能要求。黑匣子高溫測試系統(tǒng)無論是用于板坯還是小方坯的溫度測試，其內(nèi)部高溫記錄儀是相同的，對系統(tǒng)的限制實際上是對熱防護的限制。

表1 某鋼廠小方坯與板坯加熱過程測試條件比較

小尺寸黑匣子高溫測試系統(tǒng)熱防護要在滿足尺寸要求條件下，工作時間內(nèi)，確保測試系統(tǒng)內(nèi)部最高溫度不得超過高溫記錄儀許用溫度，因此在設(shè)計時需要重點考慮以下4個原則：

1）從高溫環(huán)境中吸收熱量最小化。

2）熱防護由外部到內(nèi)部熱傳導(dǎo)最小化。

3）傳導(dǎo)入的熱量，最大化被吸收，從而減小內(nèi)部溫升。

4）外層耐高溫性能好，高溫度環(huán)境中不會被燒損[7]。

本文基于以上原則，對小尺寸黑匣子高溫測試系統(tǒng)熱防護進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了熱傳導(dǎo)及溫升數(shù)學(xué)模型，通過破壞性實驗和實際應(yīng)用驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及設(shè)備安全有效性。

1 熱防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 熱防護設(shè)計要求

黑匣子高溫測試系統(tǒng)外部工作環(huán)境溫度高達1350℃，若無有效熱保護會造成測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，甚至使內(nèi)部溫度過高而燒損記錄儀。在對熱防護進行研究時要充分考慮測試時的最高溫度、平均溫度、工作時長、加熱爐坯料出入口尺寸、坯料距加熱爐側(cè)面間距、測試儀質(zhì)量、坯料間距、爐內(nèi)氣氛等。此外，黑匣子高溫測試系統(tǒng)的安裝、取出、數(shù)據(jù)讀取等對結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)學(xué)模型構(gòu)建也有影響。

黑匣子高溫測試系統(tǒng)在對小方坯進行測試時，采用如圖1所示方法安裝在小方坯頂端，隨坯料一同進入加熱爐，在坯料加熱過程中對坯溫和爐溫進行測試。坯料加熱結(jié)束出爐后，將黑匣子直接噴水冷卻至室溫，取出高溫記錄儀連接至計算機并讀數(shù)處理。

綜合考慮各因素及限制條件，確定熱防護外部尺寸為220mm×240mm×260mm（高×寬×長），內(nèi)部尺寸為高溫記錄儀安裝尺寸。

圖1 黑匣子安裝方位俯視圖

1.2 熱防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

黑匣子高溫測試系統(tǒng)用于板坯的限制條件少，熱防護層可以根據(jù)需要調(diào)整厚度，一般采用單層耐高溫絕熱材料+水箱的方式[3]，但由于小方坯諸多條件限制，采用同樣設(shè)計方案則不能滿足性能要求。

以確保測試時長內(nèi)，內(nèi)部高溫記錄儀工作在許可溫度范圍內(nèi)為基本要求，將系統(tǒng)熱防護設(shè)計為3層，分別為高溫絕熱層、低溫絕熱層、相變吸熱層，外面用耐高溫且反輻射性能較好厚度為6mm的不銹鋼保護，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 黑匣子高溫測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高溫絕熱層主要作用是承受高溫，減少熱傳導(dǎo)，形成從相變吸熱層到高溫絕熱層的溫度梯度，使低溫絕熱層工作在許可溫度范圍內(nèi)。對高溫絕熱層性能有如以下要求：1）較好耐高溫性能，能穩(wěn)定工作在1 350℃條件下；2）熱傳導(dǎo)率低，能有效降低熱量由外到內(nèi)的傳導(dǎo)；3）具有一定強度，冷熱交替不易開裂，加熱永久線變化小。

低溫絕熱層由導(dǎo)熱系數(shù)極低的材料組成，高效隔絕由高溫絕熱層所傳入熱量，減輕相變吸熱層吸熱壓力。因為低溫絕熱層外接高溫絕熱層，內(nèi)接相變吸熱層，所以對抗壓能力、抗震能力和加熱線變化也有一定要求。

經(jīng)絕熱材料傳入的熱流由相變吸熱層吸收，相變吸熱層在發(fā)生相變時可吸收大量熱而同時保持本身溫度近似不變，在相變完成前可保持內(nèi)部高溫記錄儀工作在許可的溫度范圍內(nèi)。

高溫記錄儀用于連接熱電偶進行測試，該儀器可在－10～70℃環(huán)境下連續(xù)工作。

1.3 熱防護材料選擇

1.3.1 絕熱材料選擇

在1 350℃高溫環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作的隔熱材料主要有氧化鋯纖維、多晶莫來石纖維、氧化鋁纖維等。這些材料在高溫環(huán)境下具有導(dǎo)熱系數(shù)低、加熱線變化小、強度高等特點，能夠直接承受爐內(nèi)高溫沖擊燒灼，適合用于熱防護外層，承受高溫沖擊，保護內(nèi)部低溫絕熱材料。

氣凝膠等低溫絕熱材料在其工作溫度內(nèi)較耐高溫隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)更低，還具有比重小、強度高等特點，工作最高溫度可達650℃，適合用于熱防護內(nèi)層。各絕熱材料性能比較如表2所示。

表2 高低溫絕熱材料比較

通過對比分析，選擇氧化鋯纖維為高溫絕熱材料，氣凝膠為低溫絕熱材料。

1.3.2 相變吸熱材料選擇

綜合高溫記錄儀最佳工作溫度及外界氣溫影響等因素，應(yīng)選擇40～55℃之間的相變材料為宜，在該范圍內(nèi)的相變材料主要有石蠟和鹽水化合物。雖然鹽水化合物具有相變溫度固定的優(yōu)點，但易出現(xiàn)過冷及相分離，且具有一定腐蝕性，而石蠟相變潛熱大，性能穩(wěn)定、腐蝕性小，用作相變吸熱層更有優(yōu)勢[8]。本文選擇石蠟作為熱防護相變吸熱材料，分子量為310，相變溫度約44℃，熔化熱252kJ/kg[9]?？紤]到石蠟是有機物易燃燒，將其封閉在壁厚2mm不銹鋼箱體內(nèi)。

2 熱防護數(shù)值計算模型

熱防護內(nèi)外表面均為平面，爐溫波動速度慢，近似恒定，所傳入熱量由相變吸熱材料所吸收。內(nèi)部測試儀所產(chǎn)生熱量、保溫材料吸熱量、不銹鋼箱體吸熱以及間隙傳熱等影響相比于相變吸熱量和傳入熱量很小，可忽略。各層壁之間均為平面接觸良好，因此熱防護滿足多層平壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)條件，可建立一維2層平壁熱分析模型，如圖3[10]所示。

圖3 熱防護一維多層傳熱模

黑匣子高溫測試系統(tǒng)安全工作時間可由式（1）、式（2）得到：

式中：Q——總熱流量，J；

A——高溫測試儀外表面積，mm2；

t1——爐氣溫度，℃；

t3——相變材料相變溫度，℃；

b1——第1層絕熱材料厚度，mm；

λ1——第1層絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

b2——第2層絕熱材料厚度，mm；

λ2——第2層絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

τ——測試時間，h。

設(shè)相變材料總質(zhì)量為G（kg），則：

式中：hp——相變潛熱[11]，kJ/kg；

c——比熱容，kJ/（kg·℃）；

ΔT——入爐前溫度與相變溫度溫差，℃。

對式（1）、式（2）求解得：

中間層溫度可由下式獲得：

式中t2為中間層溫度，℃。

通過式（3）、式（4）可確定高溫絕熱層、低溫絕熱層和相變吸熱層尺寸。

3 破壞性試驗

3.1 破壞性試驗驗證

依據(jù)表1要求，結(jié)合式（3）和式（4）設(shè)計熱防護最終尺寸為：220mm×240mm×260mm，內(nèi)部尺寸為高溫記錄儀尺寸。為驗證設(shè)計準(zhǔn)確有效性，對熱防護進行破壞性實驗。

把制作好的黑匣子高溫測試系統(tǒng)放入爐溫為1 350℃的實驗加熱爐中，布置一根熱電偶測試雙層絕熱層層間溫度，另一根布置在系統(tǒng)內(nèi)部測試高溫記錄儀實際工作溫度，兩支熱電偶均連接至監(jiān)控計算機，記錄其溫度變化，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 黑匣子高溫測試破壞性實驗

從圖中可看出前200min由于相變材料吸熱能力強，雙層絕熱層間溫升緩慢，最高為165℃，測試儀的內(nèi)部溫度38℃。從200～260min，由于相變材料吸熱能力下降，雙層絕熱層間溫度迅速升高至500℃，內(nèi)部溫度升至44℃。260min之后由于相變材料完成相變，雙層絕熱層間溫度在13min內(nèi)上升了400℃，測試系統(tǒng)內(nèi)部溫度在延遲8min后快速升高至其燒毀。

3.2 實驗結(jié)果分析

由實驗結(jié)果可知：

1）黑匣子高溫測試系統(tǒng)在1 350℃爐溫中，前260min測試系統(tǒng)內(nèi)部最高溫度僅為44℃，超過了所要求的150min測試時長。由此得系統(tǒng)安全系數(shù)S為

2）在260min后，石蠟溫度快速升高，絕熱層間溫度在13min內(nèi)上升了400℃，測試系統(tǒng)內(nèi)部溫度在延遲8min后快速升高至其燒毀。這表明當(dāng)相變材料完成相變后，內(nèi)部溫度會急劇升高而使設(shè)備燒損。因此，相變材料吸熱是實驗成敗關(guān)鍵，熱防護絕熱層設(shè)計應(yīng)以此為基準(zhǔn)。

4 應(yīng)用實例

溫度記錄儀技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 溫度記錄儀數(shù)據(jù)參數(shù)

將上述黑匣子高溫測試系統(tǒng)應(yīng)用到表1中的坯料及加熱爐進行實際溫度測試實驗。

在鋼坯表面共布置12支K型熱電偶，采樣周期8 s，測試時長86min，所測溫度點為：

1）料坯的中部上表溫度、中部下表溫度、中部中心溫度（3個點）。

2）兩端部上表、中心、下表溫度（6個點）。

3）料坯中部及兩側(cè)對應(yīng)位置上的爐溫（3個點）。

將所測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，進行后續(xù)分析處理后，得到爐溫變化曲線3條，鋼溫的變化曲線9條如圖5所示。

圖5 鋼坯及爐溫變化曲線

由圖中爐溫和鋼坯溫度隨時間變化情況可以看出，整個加熱過程可以分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段3個階段。大約經(jīng)過50min鋼坯溫度上升到850℃以上，溫度上升速率大約為16.4℃/min。經(jīng)過70min鋼坯溫度上升到1 150℃，50～70min時間內(nèi)的溫度上升速率為15℃/min。

通過該測試可精確掌握鋼坯頭中尾、上中下表面的溫升情況，以及鋼坯出爐均勻性和加熱內(nèi)爐溫分布情況，為制定合理加熱制度、加熱爐故障診斷和改進、解決因加熱造成的質(zhì)量問題提供了重要依據(jù)。鋼廠依據(jù)上述測試結(jié)果對加熱爐及加熱制度等進行了改進，取得良好效果。

5 結(jié)束語

1）該黑匣子高溫測試系統(tǒng)安全系數(shù)為1.7，達到設(shè)計要求，可安全完成測試工作。

2）采用雙層絕熱較單層更有優(yōu)勢，可達到既耐高溫，絕熱性又好的目的。相變材料吸熱量是熱防護成敗關(guān)鍵，絕熱層設(shè)計應(yīng)以此為基準(zhǔn)。

3）利用黑匣子測試系統(tǒng)對方坯進行了測試，測試結(jié)果準(zhǔn)確有效。

4）該測試儀體積小，僅220mm×240mm×260mm，可承受1 350℃高溫和直接噴水冷卻，防護性能高，可廣泛應(yīng)用于冶金、機械、建材、陶瓷等多個行業(yè)。

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（編輯：莫婕）

Research on thermal protection of small size black box hi-tem p meter

LI Changhong1，2，HUANG Zhenyi2
（1.Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China；2.School of Mechanical and Power Engineering，N anjing Tech University，Nanjing 211800，China）

To solve the problem that the billet temperature can hardly be measured for heating furnace with small inlet and outlet，the thermal protection of black box hi-temp meter is thoroughly researched in this paper.In order to form a temperature gradient from outside to inside，withstand high temperature shock externally，keep the internal temperature constant and downsize the system，the thermal protection is designed into hi-temp insulation layer，low-temp insulation layer and heat absorbing layer from outside to inside for the first time.The hi-temp insulation layer is mainly used to resist outside high temperature to protect the low-temp insulation layer. The low-temp insulation layer，with low thermal conductivity，mainly prevents heat transfer-in. The heat absorbing layer is made from phase change material and it absorbs heat transferred from outside and keeps the internal temperature constant.A mathematical heat transfer and absorption model with three-layer thermal protection structure is established to calculate and analyze the size and reliability at different parts.Destructive test and field test show that this design method can effectively decrease the size of thermal protection and ensure its stable performance.The thermal protection can provide safe and reliable temperature measuring services for billets of heating furnace with small-size inlet and outlet.

thermal protection；hi-temp meter；black box；heating furnace

A

1674-5124（2017）05-0086-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.018

2016-09-10；

2016-11-07

李長宏（1974-），男，山東汶上縣人，講師，研究方向為測試技術(shù)、故障診斷及控制技術(shù)。