800～1160 K下鋼的氧化特性對發(fā)射率的影響

潘亞文,吳春法,李宏華,蔣紫韻

(閩南科技學(xué)院光電信息學(xué)院,福建 泉州 362332)

1 引 言

現(xiàn)代生活中鋼鐵應(yīng)用在建筑、機(jī)械、造船、汽車、鐵路、化工、航空等各個領(lǐng)域,無處不在,缺它不可。在生產(chǎn)鋼鐵的工藝過程中(如鍛造、連鑄、熱軋、冷軋等),對鋼鐵的實(shí)時溫度控制與測量是影響鋼鐵質(zhì)量的重要技術(shù)參數(shù)之一。

那么準(zhǔn)確實(shí)時測量不同環(huán)境下鋼鐵的溫度是一個重要的技術(shù)問題。目前測量溫度的方法主要有接觸式和非接觸式兩種[1-2]。接觸式測溫要求探頭與鋼鐵始終保持接觸,其精度雖然較高,但實(shí)時性、可移動性、適應(yīng)性都較差,妨礙著鋼鐵的制造工藝,給加工制造過程帶來很多不便之處。而非接觸式測溫方法幾乎擁有所有優(yōu)點(diǎn),測溫響應(yīng)時間短,幾百毫秒范圍內(nèi),可隨時隨地各個方向各個點(diǎn)測量,可適應(yīng)煉鐵的各種不同環(huán)境。因此在鋼鐵的制造工藝過程中常使用非接觸式紅外測溫方法。

然而紅外測溫涉及到表征物體表面輻射能力的熱物性參數(shù)發(fā)射率[3]。其測量精度、變化特征控制深刻影響著物體表面溫度的測量精度。對于單波長輻射測溫計(jì),需要事先給出當(dāng)前測量條件下物體的發(fā)射率,這是不準(zhǔn)確的。對于多波長測溫計(jì),雖然不需要實(shí)時發(fā)射率,但需要事先給出光譜發(fā)射率與波長的擬合方程,因此不管從那個角度測量,發(fā)射率都是繞不過去的問題。光譜發(fā)射率除了與被測物體溫度和選取的測量波長有關(guān),而且,即使在相同的測量波長和溫度下還依賴于被測物體的表面條件,如表面粗糙度、表面氧化膜厚度、表面污染[4-6]等。本文研究在室溫環(huán)境中,給定的溫度下,長時間持續(xù)加熱使鋼表面生長出的一層氧化膜對光譜發(fā)射率的影響。值得注意的是這種在高溫下快速生成的氧化膜還會改變鋼表面的粗糙度,在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到加熱后的樣品表面條件與加熱前完全不一樣。后面會詳細(xì)分析到這一點(diǎn)。

為了準(zhǔn)確地了解表面氧化對各種鋼鐵光譜發(fā)射率的影響,近年十幾年來相關(guān)領(lǐng)域研究人員在選定波長和選定溫度下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)工作。Pujana 等人[7]在2007年使用精密輻射溫度計(jì)分別測量了波長在2.12 nm、4 nm和8 nm,溫度在959 K和1073 K下表面氧化對鋼的光譜發(fā)射率的影響。Reschab等人[8]在2011年,測量了鋼HS2-9-1-8在熔化和液態(tài)時684.5 nm處的光譜發(fā)射率。Cao等人[9]在2012年利用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)探究了不同波長下不同溫度處鋼的光譜發(fā)射率隨加熱時間的變化。vantner等人[10]在2013年測量了鋼AISI1015在523K不同波長下的光譜發(fā)射率,但是他們沒有研究表面氧化對光譜發(fā)射率的影響。Wen等人[11-13]在2010～2011年用快速紅外陣列光譜儀(FIAS)在1.2～4.8l m波長范圍內(nèi)測量了數(shù)種鋼在700 K、800 K和900 K下的光譜發(fā)射率。利用這些光譜發(fā)射率數(shù)據(jù),一方面研究了光譜發(fā)射率與波長、溫度之間的解析模型,然后將這些模型應(yīng)用到測溫中,從而推斷出鋼的表面溫度；另一方面,Wen[12]研究了加熱時間對光譜發(fā)射率的影響,但他沒有探究加熱時間與發(fā)射率之間的關(guān)系模型及其擬合精度。Shi等人[14-16]在2014～2015年分別測量了鋼201、鋼304、鋼316L在800～1100 K下1.5 μm處數(shù)小時加熱時間內(nèi)表面氧化對法向光譜發(fā)射率的影響,并確定了法向光譜發(fā)射率和加熱時間之間的關(guān)系模型。Zhu等人[17]在2017年探究了鋼309S在給定溫度下加熱對氧化膜生長的影響,評估幾種隨波長和溫度變化的鋼發(fā)射率模型,并擬合了表面氧化對氧化層生長過程中發(fā)射率擬合精度的影響,得到了有價值的結(jié)果。Xing等人[18]在2018年探究了鋼430加熱時間對光譜發(fā)射率的影響,給出了11種發(fā)射率隨加熱時間變化的解析模型,并通過計(jì)算機(jī)處理給出了擬合參數(shù),討論了其精度。

綜上所述,從這些研究結(jié)果中,可以清楚地看出表面氧化對光譜發(fā)射率有很大的影響,近年來也有一些好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然而,所有這些實(shí)驗(yàn)的探究,主要都在于探究發(fā)射率與測量波長及溫度的解析模型,沒有發(fā)現(xiàn)有價值的文獻(xiàn)分析鋼這種樣品的在不同的溫度下相同的加熱時間里鐵的氧化特性對發(fā)射率的影響不一致的化學(xué)原因,這也是本文工作的重要意義。

2 測量原理

在輻射測量中,相同溫度相同測量波長下待測物體和黑體的單色輻出度的比為待測物體的單色發(fā)射率

ελ=Lλ/Lλ,b

(1)

其中,里L(fēng)λ為待測物體的單色輻出度；Lλ,b為同溫度同波長下理想黑體的單色輻出度。顯然只要測出Lλ和Lλ,b就可以得到待測物體的單色發(fā)射率。

根據(jù)普朗克黑體輻射公式,溫度為T,波長為λ處的單色輻出度為:

Lλ,b=2πhc2λ-5[exp(hc/λkT)-1]-1

(2)

其中,h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為黑體的溫度。根據(jù)使用的實(shí)驗(yàn)裝置其中一個光電傳感器測量到黑體的輻射能為:

(3)

式中,f′為 光學(xué)系統(tǒng)的焦距；D為鏡頭直徑；τ0是大氣透射系數(shù)；A是光電傳感器的探測面積；τλ是光學(xué)系統(tǒng)在給定波長處的總透過率；λ1和λ2分別為窄帶濾波器的下限和上限波長。

同樣的,測量系統(tǒng)中,另一個光電傳感器測量的是相同溫度相同波長下待測物體的輻射能為:

(4)

對比式(1)、式(3)和式(4),在極窄的波段內(nèi)Δλ=λ2-λ1=20 nm,τλ可以近似為常數(shù),Lλ也可以看成是一個定值,則待測物體的單色發(fā)射率ελ為:

ελ=P2/P1

(5)

因此,只要測出來自待測物體的單色輻射能P2和來自黑體的單色輻射能P1就可以測出待測物體的單色發(fā)射率,上式即為本系統(tǒng)測量待測物體光譜發(fā)射率的原理。

另外利用此裝置還可以測出黑體的溫度,由式(2)和式(3)可以得到黑體的輻射能為:

[exp(hc/λkT)-1]-1dλ

(6)

光電傳感器的工作波長為1.5 μm,在極窄的波段內(nèi)Δλ=λ2-λ1=20 nm,式(6)可寫為:

(7)

(8)

由于待測物體在黑體腔內(nèi),所以黑體的溫度等于待測物體的溫度。可以根據(jù)上式得出待測物體的溫度。

3 結(jié)果和討論

3.1 實(shí)驗(yàn)過程及測量結(jié)果

表1為選取樣品鋼SPHC的組份。將鋼SPHC樣品制作成長5 cm寬3 cm厚2 mm的中間開有小孔的長方形樣品,并用酒精擦拭清潔樣品表面。利用上述實(shí)驗(yàn)裝置測量了鋼在溫度800 K、840 K、880 K、920 K、960 K、1000 K、1040 K、1080 K、1120 K、1160 K處加熱時間對1.5 μm處光譜發(fā)射率的影響。每個測量溫度點(diǎn),加熱時間持續(xù)3小時以上,每5分鐘記錄一次光譜發(fā)射率的值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,繪制了圖1(800 K、840 K、880 K、920 K、960 K、1000 K、1040 K、1080 K、1120 K、1160 K)共10溫度點(diǎn)處加熱時間對鋼的光譜發(fā)射率影響的關(guān)系圖。

表1 鋼SPHC的化學(xué)成分

圖1 不同溫度下加熱時間對鋼的光譜發(fā)射率的影響

3.2 溫度和鋼的氧化特性對發(fā)射率的影響

下面討論溫度和加熱時間對發(fā)射率的影響。從圖1縱向來比較,可看出在800～1160 K溫度范圍內(nèi),相同加熱時間下鋼樣品的溫度越高,其光譜發(fā)射率也越大。也就是說在本實(shí)驗(yàn)測量溫度范圍內(nèi)1.5 μm處光譜發(fā)射率隨溫度的增加而增大。

從圖1橫向比較,可發(fā)現(xiàn)光譜發(fā)射率變化情況在測量時間內(nèi)有著不同的表現(xiàn),這表明觀測溫度點(diǎn)處鋼的表面氧化有著不同的特征。在低溫時800 K、840 K、需要60～90 min,光譜發(fā)射率才基本趨于穩(wěn)定；而隨著測溫點(diǎn)溫度的升高920 K、960 K、1000 K似乎需要150～210 min發(fā)射率才基本趨于穩(wěn)定；而在更高的溫度處1120 K、1160 K時差不多剛到觀測溫度點(diǎn)發(fā)射率就趨于穩(wěn)定。我們知道,光譜發(fā)射率的變化取決于氧化層的厚度及其化學(xué)成份。從化學(xué)反應(yīng)上分析這種氧化特征。在800 K、840 K、880 K下,鋼樣品中的鐵與空氣中的氧氣緩慢反應(yīng)生成三氧化二鐵,此時氧化膜在緩慢生成,該溫度下氧化膜的增長主要來自于三氧化二鐵的生成；隨著測量點(diǎn)溫度的升高920 K、960 K和1000 K下,氧化膜中三氧化二鐵與鋼樣品中的鐵也會緩慢反應(yīng)生成氧化亞鐵,這種反應(yīng)只在高溫下才會快速反應(yīng),而實(shí)驗(yàn)中所測量的溫度920 K至1000 K相對溫度較低,反應(yīng)過程比較緩慢需要更長的加熱時間氧化膜才趨于穩(wěn)定；當(dāng)溫度達(dá)到1120 K以上,到達(dá)該溫度點(diǎn)處,光譜發(fā)射率幾乎維持不變,氧化膜很快穩(wěn)定下來,這說明鋼樣品中的鐵與氧氣快速反應(yīng)生成三氧化二鐵,然后迅速生成氧化亞鐵,氧化膜迅速穩(wěn)定,此溫度下只需要很短的時間氧化膜就趨于穩(wěn)定。這一結(jié)論從反應(yīng)后的實(shí)驗(yàn)樣品也可以得到印證。通過表1知道樣品99 %以上含量為鐵,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,樣品冷卻到常溫,發(fā)現(xiàn)在低溫時(800 K),樣品表面呈紅棕色主要成份是三氧化二鐵,而高溫時(1160 K),可發(fā)現(xiàn)樣品表面呈黑色主要成份是氧化亞鐵。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,加熱三個小時發(fā)射率的變化幅度分別是0.039、0.024、0.015、0.023、0.026、0.023、0.013、0.017、0.001、0.002,可以發(fā)現(xiàn)在高溫階段發(fā)射率變化幅度很小,但這并不能說明溫度越高氧化膜增長的越薄,根據(jù)常理應(yīng)該是溫度越大,氧化膜越厚,光譜發(fā)射率變化應(yīng)該越大。這個原因應(yīng)該是到達(dá)高溫測量溫度點(diǎn)時需要一定的加熱時間引起的。理想條件下應(yīng)是即刻樣品加熱到所需的溫度。但實(shí)驗(yàn)中即使把加熱功率調(diào)到最大值,仍然需要十幾分鐘才能加熱到所需的溫度,這樣的話,在高溫時,在達(dá)到觀測溫度點(diǎn)前氧化膜已基本形成,所以觀測到發(fā)射率的變化幅度很小。

3.3 曲線擬合

現(xiàn)在探究鋼樣品達(dá)到給定溫度后,并達(dá)到給定的加熱時間(30 min、60 min、90 min和120 min、150 min、180 min)時,溫度與鋼的光譜發(fā)射率之間的解析關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖形如圖2所示?？梢娒織l曲線的趨勢是相同的。

圖2 給定加熱時間下溫度與發(fā)射率的關(guān)系

用式(9)并用最小二乘法擬合圖2的六條曲線,得到表2的擬合參數(shù)。

表2 不同加熱時間下溫度與發(fā)射率模型擬合參數(shù)

ελ=a+bln(T+c)

(9)

表2給出了六條曲線的擬合系數(shù),從表2可以看出,各系數(shù)大小非常接近,曲線的擬合相關(guān)系數(shù)R為0.99,接近于1,可見溫度與發(fā)射率之間的關(guān)系模型與實(shí)際模型之間描述非常準(zhǔn)確。

4 總 結(jié)

本文研究結(jié)果表明,在低溫800 K階段,氧化膜的增長主要來自前90 min,這一階段氧化膜的生成主要是鋼樣品中的鐵與空氣中的氧反應(yīng)生成三氧化二鐵,而當(dāng)溫度到達(dá)960 K左右,三氧化二鐵與鐵緩慢反應(yīng)生成氧化亞鐵,這一過程在該溫度下進(jìn)行的非常緩慢,因?yàn)楫?dāng)下溫度還相對較低,氧化膜需要較長時間才趨于穩(wěn)定,而在1120 K以上,氧化膜很快穩(wěn)定下來,說明三氧化二鐵與鐵反應(yīng)生成氧化亞鐵過程很快,發(fā)射率基本保持不變,值得說明的是在高溫下觀測到的發(fā)射率變化很小,原因可能是到達(dá)測溫點(diǎn)需要十幾分鐘的加熱時間,如此長的時間和溫度,氧化膜已經(jīng)形成。鋼樣品在大氣環(huán)境中的這種氧化特性可以給鋼的實(shí)時溫度測量提供參考。最后擬合了相同的加熱時間里光譜發(fā)射率與溫度的關(guān)系模型。結(jié)果表明,給出的關(guān)系模型與實(shí)際模型非常吻合一致。