小尺寸黑匣子高温测试系统的热防护研发

李长宏，黄贞益

（1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002；2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211800）

小尺寸黑匣子高温测试系统的热防护研发

李长宏1，2，黄贞益1

（1.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002；2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 211800）

为解决目前小出入口加热炉坯料温度测试困难的问题，对黑匣子高温测试系统的热防护进行深入研究。为达到由外到内形成温度梯度，外部能够承受高温冲、内部温度恒定和减小系统尺寸的目的，首次将热防护由外到内设计为高温绝热层、低温绝热层和吸热层。高温绝热层主要用来抵抗外部高温，保护低温绝热层不受高温冲击。低温绝热层导热系数低，用来阻止热量传入。吸热层由相变材料组成，吸收传入热量，保持内部温度恒定。建立热防护3层结构的传吸热数学模型，对各部分尺寸及可靠性进行计算分析。通过破坏性实验和现场测试实验表明：采用该方案设计的热防护尺寸小，性能稳定，能够为小出入口加热炉坯料温度提供安全可靠的测试服务。

热防护；高温测试系统；黑匣子；加热炉

0 引言

加热炉是热轧线上的高耗能设备，其主要任务是通过合理加热制度把坯料加热到适合轧制的温度[1]。加热炉的控制方法、精度以及坯料加热制度决定了坯料炉内温升曲线、出炉时温度均匀性以及加热时长，这些对能耗、生产安全性、成品质量及成材率都有重要影响。因此，对加热炉实际加热效果及加热过程进行测试评估非常重要，黑匣子高温测试系统是实现测试的关键设备[1-2]。该系统主要由高温记录仪、热防护及热电偶等组成，用于对加热过程中坯料的各点温度、炉温进行跟踪测量和数据采集，从而获得对加热炉和加热工艺进行优化改进的数据支撑。

冶金行业加热炉温度高、炉体长，采用拖偶测试有以下问题难以解决：1）在炉内高温环境下，热电偶长时间拖行极易发生断裂；2）多根热电偶从炉门口拖入，在炉内拖行会造成后续坯料入炉困难；3）拖拉往往会导致热电偶热端从安装位置松动甚至脱落，无法保证测试结果正确性；4）热电偶过长，增加了测试成本。因此，在实际测试中采用对高温记录仪加以热防护，同热电偶一起固定于坯料上随炉进行测试。一般将高温记录仪、热防护和热电偶统称为黑匣子高温测试系统，测试过程称为黑匣子高温测试。

黑匣子高温测试系统在炉内高温环境下进行测试时，与外界不能进行水电交换，所吸收热量积聚在内部无法排出，如在测试期间不能有效控制内部温升，会导致温度过高而使设备烧损。热防护是实现对系统内部温度控制的关键部分，国内外对应用于板坯加热过程测试的热防护做了相应研究[3-5]，但对应用于小规格方坯的研究较少，主要原因是测试小规格方坯加热过程对热防护要求更为严格，表1[6]是某钢厂两种测试条件的比较。

从表中可看出：1）小方坯坯料横截面小，黑匣子高温测试系统仅能安装在端部，板坯无特殊安装要求，可直接安装在上表面或尾部；2）小方坯加热炉进出口炉门、轨道以及坯料端部至炉墙的距离将黑匣子高温测试系统外形尺寸限制在：300mm×290mm× 450mm以内，考虑余量，实际尺寸应小于上述尺寸。板坯加热炉仅对黑匣子高温测试系统高度有限制，即不得高于450mm，在宽度和长度方向无限制；3）两者出钢温度、炉内最高温度和炉内时长与钢种规格及工艺有关，差别并不明显。通过以上对比可知，用于板坯的黑匣子高温测试系统可以根据需要改变除了高度要求外的结构及外形尺寸，但用于小方坯的黑匣子高温测试系统则需要在严格的外形尺寸限制下，实现同样的性能要求。黑匣子高温测试系统无论是用于板坯还是小方坯的温度测试，其内部高温记录仪是相同的，对系统的限制实际上是对热防护的限制。

表1 某钢厂小方坯与板坯加热过程测试条件比较

小尺寸黑匣子高温测试系统热防护要在满足尺寸要求条件下，工作时间内，确保测试系统内部最高温度不得超过高温记录仪许用温度，因此在设计时需要重点考虑以下4个原则：

1）从高温环境中吸收热量最小化。

2）热防护由外部到内部热传导最小化。

3）传导入的热量，最大化被吸收，从而减小内部温升。

4）外层耐高温性能好，高温度环境中不会被烧损[7]。

本文基于以上原则，对小尺寸黑匣子高温测试系统热防护进行了结构设计，建立了热传导及温升数学模型，通过破坏性实验和实际应用验证了结构设计和数学模型的准确性以及设备安全有效性。

1 热防护结构设计

1.1 热防护设计要求

黑匣子高温测试系统外部工作环境温度高达1350℃，若无有效热保护会造成测试数据不准确，甚至使内部温度过高而烧损记录仪。在对热防护进行研究时要充分考虑测试时的最高温度、平均温度、工作时长、加热炉坯料出入口尺寸、坯料距加热炉侧面间距、测试仪质量、坯料间距、炉内气氛等。此外，黑匣子高温测试系统的安装、取出、数据读取等对结构设计和数学模型构建也有影响。

黑匣子高温测试系统在对小方坯进行测试时，采用如图1所示方法安装在小方坯顶端，随坯料一同进入加热炉，在坯料加热过程中对坯温和炉温进行测试。坯料加热结束出炉后，将黑匣子直接喷水冷却至室温，取出高温记录仪连接至计算机并读数处理。

综合考虑各因素及限制条件，确定热防护外部尺寸为220mm×240mm×260mm（高×宽×长），内部尺寸为高温记录仪安装尺寸。

图1 黑匣子安装方位俯视图

1.2 热防护结构设计

黑匣子高温测试系统用于板坯的限制条件少，热防护层可以根据需要调整厚度，一般采用单层耐高温绝热材料+水箱的方式[3]，但由于小方坯诸多条件限制，采用同样设计方案则不能满足性能要求。

以确保测试时长内，内部高温记录仪工作在许可温度范围内为基本要求，将系统热防护设计为3层，分别为高温绝热层、低温绝热层、相变吸热层，外面用耐高温且反辐射性能较好厚度为6mm的不锈钢保护，结构如图2所示。

图2 黑匣子高温测试系统结构

高温绝热层主要作用是承受高温，减少热传导，形成从相变吸热层到高温绝热层的温度梯度，使低温绝热层工作在许可温度范围内。对高温绝热层性能有如以下要求：1）较好耐高温性能，能稳定工作在1 350℃条件下；2）热传导率低，能有效降低热量由外到内的传导；3）具有一定强度，冷热交替不易开裂，加热永久线变化小。

低温绝热层由导热系数极低的材料组成，高效隔绝由高温绝热层所传入热量，减轻相变吸热层吸热压力。因为低温绝热层外接高温绝热层，内接相变吸热层，所以对抗压能力、抗震能力和加热线变化也有一定要求。

经绝热材料传入的热流由相变吸热层吸收，相变吸热层在发生相变时可吸收大量热而同时保持本身温度近似不变，在相变完成前可保持内部高温记录仪工作在许可的温度范围内。

高温记录仪用于连接热电偶进行测试，该仪器可在－10～70℃环境下连续工作。

1.3 热防护材料选择

1.3.1 绝热材料选择

在1 350℃高温环境中能够稳定工作的隔热材料主要有氧化锆纤维、多晶莫来石纤维、氧化铝纤维等。这些材料在高温环境下具有导热系数低、加热线变化小、强度高等特点，能够直接承受炉内高温冲击烧灼，适合用于热防护外层，承受高温冲击，保护内部低温绝热材料。

气凝胶等低温绝热材料在其工作温度内较耐高温隔热材料的导热系数更低，还具有比重小、强度高等特点，工作最高温度可达650℃，适合用于热防护内层。各绝热材料性能比较如表2所示。

表2 高低温绝热材料比较

通过对比分析，选择氧化锆纤维为高温绝热材料，气凝胶为低温绝热材料。

1.3.2 相变吸热材料选择

综合高温记录仪最佳工作温度及外界气温影响等因素，应选择40～55℃之间的相变材料为宜，在该范围内的相变材料主要有石蜡和盐水化合物。虽然盐水化合物具有相变温度固定的优点，但易出现过冷及相分离，且具有一定腐蚀性，而石蜡相变潜热大，性能稳定、腐蚀性小，用作相变吸热层更有优势[8]。本文选择石蜡作为热防护相变吸热材料，分子量为310，相变温度约44℃，熔化热252kJ/kg[9]。考虑到石蜡是有机物易燃烧，将其封闭在壁厚2mm不锈钢箱体内。

2 热防护数值计算模型

热防护内外表面均为平面，炉温波动速度慢，近似恒定，所传入热量由相变吸热材料所吸收。内部测试仪所产生热量、保温材料吸热量、不锈钢箱体吸热以及间隙传热等影响相比于相变吸热量和传入热量很小，可忽略。各层壁之间均为平面接触良好，因此热防护满足多层平壁稳态热传导条件，可建立一维2层平壁热分析模型，如图3[10]所示。

图3 热防护一维多层传热模

黑匣子高温测试系统安全工作时间可由式（1）、式（2）得到：

式中：Q——总热流量，J；

A——高温测试仪外表面积，mm2；

t1——炉气温度，℃；

t3——相变材料相变温度，℃；

b1——第1层绝热材料厚度，mm；

λ1——第1层绝热材料导热系数，W/（m·℃）；

b2——第2层绝热材料厚度，mm；

λ2——第2层绝热材料导热系数，W/（m·℃）；

τ——测试时间，h。

设相变材料总质量为G（kg），则：

式中：hp——相变潜热[11]，kJ/kg；

c——比热容，kJ/（kg·℃）；

ΔT——入炉前温度与相变温度温差，℃。

对式（1）、式（2）求解得：

中间层温度可由下式获得：

式中t2为中间层温度，℃。

通过式（3）、式（4）可确定高温绝热层、低温绝热层和相变吸热层尺寸。

3 破坏性试验

3.1 破坏性试验验证

依据表1要求，结合式（3）和式（4）设计热防护最终尺寸为：220mm×240mm×260mm，内部尺寸为高温记录仪尺寸。为验证设计准确有效性，对热防护进行破坏性实验。

把制作好的黑匣子高温测试系统放入炉温为1 350℃的实验加热炉中，布置一根热电偶测试双层绝热层层间温度，另一根布置在系统内部测试高温记录仪实际工作温度，两支热电偶均连接至监控计算机，记录其温度变化，所得结果如图4所示。

图4 黑匣子高温测试破坏性实验

从图中可看出前200min由于相变材料吸热能力强，双层绝热层间温升缓慢，最高为165℃，测试仪的内部温度38℃。从200～260min，由于相变材料吸热能力下降，双层绝热层间温度迅速升高至500℃，内部温度升至44℃。260min之后由于相变材料完成相变，双层绝热层间温度在13min内上升了400℃，测试系统内部温度在延迟8min后快速升高至其烧毁。

3.2 实验结果分析

由实验结果可知：

1）黑匣子高温测试系统在1 350℃炉温中，前260min测试系统内部最高温度仅为44℃，超过了所要求的150min测试时长。由此得系统安全系数S为

2）在260min后，石蜡温度快速升高，绝热层间温度在13min内上升了400℃，测试系统内部温度在延迟8min后快速升高至其烧毁。这表明当相变材料完成相变后，内部温度会急剧升高而使设备烧损。因此，相变材料吸热是实验成败关键，热防护绝热层设计应以此为基准。

4 应用实例

温度记录仪技术参数见表3。

表3 温度记录仪数据参数

将上述黑匣子高温测试系统应用到表1中的坯料及加热炉进行实际温度测试实验。

在钢坯表面共布置12支K型热电偶，采样周期8 s，测试时长86min，所测温度点为：

1）料坯的中部上表温度、中部下表温度、中部中心温度（3个点）。

2）两端部上表、中心、下表温度（6个点）。

3）料坯中部及两侧对应位置上的炉温（3个点）。

将所测数据传输到计算机中，进行后续分析处理后，得到炉温变化曲线3条，钢温的变化曲线9条如图5所示。

图5 钢坯及炉温变化曲线

由图中炉温和钢坯温度随时间变化情况可以看出，整个加热过程可以分为预热段、加热段、均热段3个阶段。大约经过50min钢坯温度上升到850℃以上，温度上升速率大约为16.4℃/min。经过70min钢坯温度上升到1 150℃，50～70min时间内的温度上升速率为15℃/min。

通过该测试可精确掌握钢坯头中尾、上中下表面的温升情况，以及钢坯出炉均匀性和加热内炉温分布情况，为制定合理加热制度、加热炉故障诊断和改进、解决因加热造成的质量问题提供了重要依据。钢厂依据上述测试结果对加热炉及加热制度等进行了改进，取得良好效果。

5 结束语

1）该黑匣子高温测试系统安全系数为1.7，达到设计要求，可安全完成测试工作。

2）采用双层绝热较单层更有优势，可达到既耐高温，绝热性又好的目的。相变材料吸热量是热防护成败关键，绝热层设计应以此为基准。

3）利用黑匣子测试系统对方坯进行了测试，测试结果准确有效。

4）该测试仪体积小，仅220mm×240mm×260mm，可承受1 350℃高温和直接喷水冷却，防护性能高，可广泛应用于冶金、机械、建材、陶瓷等多个行业。

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[11]齐明光，王泽举，赵艳.首钢京唐2250加热炉黑匣实验[J].冶金能源，2012，31（5）：36－38.

（编辑：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

李长宏（1974-），男，山东汶上县人，讲师，研究方向为测试技术、故障诊断及控制技术。