超高溫環(huán)境下鋼板厚度精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)

蔣博

摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展加速，鋼鐵的需求量更加多，鋼鐵產(chǎn)業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)也更加激烈，提高鋼鐵產(chǎn)量成為當(dāng)務(wù)之急。產(chǎn)品合格率成為了影響鋼鐵產(chǎn)量的主要因素之一。其鋼板的厚度尺寸，不僅影響鋼板的鋼板的性能，也影響鋼板的合格率。

本課題采用激光傳感器設(shè)計(jì)一套鋼板厚度精準(zhǔn)測(cè)量的系統(tǒng)，以及工作原理，并詳細(xì)闡述了關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)和保護(hù)。本課題研究的基于激光傳感器測(cè)量的鋼板尺寸在線測(cè)量系統(tǒng)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和良好的應(yīng)用前景。

1.超高溫環(huán)境下鋼板厚度精準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是采用檢測(cè)頭與待測(cè)鋼板直接接觸來(lái)測(cè)量，這種測(cè)量方法檢測(cè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且會(huì)使測(cè)量?jī)x器的檢測(cè)頭發(fā)生磨損，從而造成儀器的測(cè)量精度下降。國(guó)內(nèi)目前鋼板測(cè)量?jī)x其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣、需要標(biāo)定，以及實(shí)時(shí)操作性差。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于加工零件的檢測(cè)速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測(cè)方向發(fā)展。

2.本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括激光傳感器1、2、相同的兩個(gè)激光測(cè)距儀（類(lèi)型）;支架;信號(hào)電纜;電力電纜;測(cè)量對(duì)象，上述儀器按照一定方式連接（如上圖），組成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。如圖所示，本系統(tǒng)是由兩個(gè)部分組成的，左邊的部分為主要控制部分，右邊的部分則為輔助部分。

3.本系統(tǒng)的測(cè)量原理

4.本系統(tǒng)的控制部分

激光測(cè)距儀1、2，它的主要功能是測(cè)量2個(gè)激光測(cè)距儀分別到鋼板的距離，每次測(cè)試兩個(gè)激光測(cè)距機(jī)同時(shí)工作，確保數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)兩個(gè)測(cè)距儀應(yīng)放置上下空間，距離總是在一個(gè)固定的值。

操作平臺(tái)的主要功能是接收激光測(cè)距儀1、2中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)一系列的計(jì)算，可以計(jì)算出鋼板的厚度，將給的厚度與產(chǎn)品所需的厚度相比，當(dāng)和額定厚度有差距的+ / - 0.5毫米的時(shí)候，需要調(diào)整產(chǎn)品的厚度。

5.本系統(tǒng)的輔助部分

激光測(cè)距儀在這里主要是支架固定，支架本身是有一定的減震和抗震能力，而且選材還要強(qiáng)度高，不容易變形，耐高溫的材料。

除塵裝置主要影響激光傳感器2，因?yàn)殇摻饘僮鳛榈南到y(tǒng)測(cè)量對(duì)象，減少溫度從1400℃ 到700℃，在下表面和空氣會(huì)有氧化還原反應(yīng)發(fā)生，形成氧化層。氧化層對(duì)于激光測(cè)距儀2的數(shù)據(jù)測(cè)量有一定的影響，需要空氣壓縮機(jī)對(duì)其進(jìn)行除塵處理。

激光測(cè)距儀和計(jì)算機(jī)之間，電力電纜和信號(hào)電纜連接。用于運(yùn)輸電力供應(yīng)測(cè)距儀，同時(shí)讀取一個(gè)信號(hào)的形式返回給計(jì)算機(jī)。因?yàn)樗窃诟邷氐臈l件下進(jìn)行，在電力電纜和信號(hào)電纜部分，應(yīng)該設(shè)有溫度傳感器，以保護(hù)電纜部分。

6.本系統(tǒng)激光測(cè)距儀選型

對(duì)于一些精密的系統(tǒng)的產(chǎn)品的剛性需求（精確度為+ / - 0.5毫米），和系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度（700 ～ 800℃），和其他原因，在激光測(cè)距儀的選擇尤為重要。

對(duì)于鋼板厚度是本系統(tǒng)測(cè)量的主要要求，系統(tǒng)的測(cè)量精度+ / - 0.5米，綜合兩種激光測(cè)距儀可以選擇HYKOL-LHS150-X，它可以連續(xù)測(cè)量移動(dòng)物體，和適用于高溫環(huán)境，沒(méi)有反射板等。

7.常用鋼材的熱物性

45 # 鋼，作為生產(chǎn)系統(tǒng)的主要產(chǎn)品，表面溫度會(huì)從1400℃降低到700℃ ～ 900℃ 左右，最后到產(chǎn)品成型，熱脹冷縮性質(zhì)將對(duì)最終結(jié)果有重要影響。在面選擇了相位激光測(cè)距儀，主要的工作范圍是45 # 鋼在700℃ ～ 900℃ 測(cè)量其厚度。但為了保證其厚度的準(zhǔn)確性，最終確定不僅取決于測(cè)距儀的測(cè)量數(shù)據(jù)，還取決于材料本身與溫度變化的出現(xiàn)和厚度的影響。

在前面測(cè)距儀厚度計(jì)算中，得到鋼板的厚度為d（毫米），溫度約是700 ～ 800℃，取值是700℃，45 #鋼 線性膨脹系數(shù)A是14.85 x 10-6。

線性膨脹系數(shù)通常指的是環(huán)境溫度和壓力（溫度）的變化，線性對(duì)象的大小與溫度、壓力（溫度）的變化。如鐵溫度每上升1度，增加長(zhǎng)度或?qū)挾然蚋叨却笮?2 x 10 ^ - 6，也就是增加了0.0012%。

700℃時(shí)，100mm的產(chǎn)品，其線脹系數(shù)為14.85X10^-6。

其冷卻后的大小應(yīng)為：100-100*14.85X10^-6 = 99.998mm。

8.本系統(tǒng)的隔熱材料選擇

選擇時(shí)應(yīng)考慮材料導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率、燃燒性能也應(yīng)考慮，如強(qiáng)度指數(shù)等。

蛭石片經(jīng)過(guò)高溫焙燒其體積可以快速膨脹6-20倍，膨脹后的比重為60-180kg/m3，具有很強(qiáng)的保溫隔熱性能。

由水玻璃蛭品蛭石的導(dǎo)熱系數(shù)表格可以看出，其單層蛭石制品一般都可以在大約900℃左右的環(huán)境下工作。所以可以選擇普通的水玻璃蛭石制品，其導(dǎo)熱系數(shù)為λ = 0.068千卡/M·時(shí)·℃在前面激光測(cè)距儀的選擇中了解測(cè)距儀尺寸：255*90*110mm，故在激光測(cè)距儀保溫外殼的尺寸選擇時(shí)，外形尺寸可以選定為275*110*130mm，保溫外殼可以用蛭石制品來(lái)制作，保證激光測(cè)距儀穩(wěn)定運(yùn)行。在熱力學(xué)中，熱力學(xué)系統(tǒng)始終不與外界交換熱量，即Q =0。

一般蛭石制品的導(dǎo)熱系數(shù)為0.068千卡/米·時(shí)·℃，1千卡/時(shí)=1.163W。所以導(dǎo)熱系數(shù)可以是0.079W/（m·K）。

在測(cè)得保溫殼厚度為10mm的前提下，再來(lái)計(jì)算總的導(dǎo)熱量。歐文斯高溫玻璃棉300℃時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)為0.092W/m·K。

由計(jì)算可以看出保溫材料在對(duì)材料保溫時(shí)，并不是導(dǎo)熱量Q=0，在保溫殼設(shè)計(jì)時(shí)，要注意給其中激光測(cè)距儀進(jìn)行一些通風(fēng)措施。上面的計(jì)算是激光測(cè)距儀的保護(hù)計(jì)算，以及設(shè)計(jì)激光測(cè)距儀的絕緣體外殼的形狀大小。電纜和信號(hào)電纜系統(tǒng)絕緣措施也很重要，它是一種重要的連接機(jī)制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。電纜和信號(hào)電纜安排盡量遠(yuǎn)離熱源，早期高溫的環(huán)境下工作，可以選擇適當(dāng)?shù)谋夭牧媳砻嫔?，以確保其恒定的溫度（不考慮他們自己的工作，因?yàn)閮?nèi)部熱阻）而產(chǎn)生的熱量。

9.本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

通過(guò)Pro/Engineer操作軟件完成本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)。

10.總結(jié)

這個(gè)設(shè)計(jì)主要用于工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)產(chǎn)品的厚度要求更高的精度。在生產(chǎn)線上，鋼材從加熱鍋爐出來(lái)，經(jīng)過(guò)軋機(jī)軋制的鋼板，溫度非常高，一般大約在900℃左右，呈現(xiàn)出暗紅色或紅色。為了獲得更快、更準(zhǔn)確的鋼板尺寸數(shù)據(jù)，獲得最佳的軋制過(guò)程及剪裁的影響，需要實(shí)時(shí)在線采集鋼板厚度信息，并及時(shí)顯示，方便于操作員及時(shí)調(diào)整軋機(jī)或者標(biāo)識(shí)印制尺寸。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了激光測(cè)距儀，空氣壓縮機(jī)，電纜，溫度傳感器的選擇。并選擇適當(dāng)?shù)谋夭牧?，以保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。絕緣材料的厚度的計(jì)算，使其充分發(fā)揮保溫效果。最后利用Pro / E軟件建模，合理放置系統(tǒng)中所有的硬件設(shè)施。

參考文獻(xiàn)：

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