超高温环境下钢板厚度精准测量系统

蒋博

摘要：随着工业的发展加速，钢铁的需求量更加多，钢铁产业间竞争也更加激烈，提高钢铁产量成为当务之急。产品合格率成为了影响钢铁产量的主要因素之一。其钢板的厚度尺寸，不仅影响钢板的钢板的性能，也影响钢板的合格率。

本课题采用激光传感器设计一套钢板厚度精准测量的系统，以及工作原理，并详细阐述了关键部分的设计和保护。本课题研究的基于激光传感器测量的钢板尺寸在线测量系统具有很大的现实意义和良好的应用前景。

1.超高温环境下钢板厚度精准测量系统的研究现状

传统的检测方法是采用检测头与待测钢板直接接触来测量，这种测量方法检测效率低，劳动强度大，而且会使测量仪器的检测头发生磨损，从而造成仪器的测量精度下降。国内目前钢板测量仪其结构复杂、控制繁琐、需要标定，以及实时操作性差。随着现代化生产和加工技术的发展，对于加工零件的检测速度与精度有了更高的要求，向着高速度、高精度、非接触和在线检测方向发展。

2.本系统的结构组成

系统的系统结构，包括激光传感器1、2、相同的两个激光测距仪（类型）;支架;信号电缆;电力电缆;测量对象，上述仪器按照一定方式连接（如上图），组成一个自动控制系统。如图所示，本系统是由两个部分组成的，左边的部分为主要控制部分，右边的部分则为辅助部分。

3.本系统的测量原理

4.本系统的控制部分

激光测距仪1、2，它的主要功能是测量2个激光测距仪分别到钢板的距离，每次测试两个激光测距机同时工作，确保数据的可靠性。同时两个测距仪应放置上下空间，距离总是在一个固定的值。

操作平台的主要功能是接收激光测距仪1、2中传输的数据，通过一系列的计算，可以计算出钢板的厚度，将给的厚度与产品所需的厚度相比，当和额定厚度有差距的+ / - 0.5毫米的时候，需要调整产品的厚度。

5.本系統的辅助部分

激光测距仪在这里主要是支架固定，支架本身是有一定的减震和抗震能力，而且选材还要强度高，不容易变形，耐高温的材料。

除尘装置主要影响激光传感器2，因为钢金属作为的系统测量对象，减少温度从1400℃ 到700℃，在下表面和空气会有氧化还原反应发生，形成氧化层。氧化层对于激光测距仪2的数据测量有一定的影响，需要空气压缩机对其进行除尘处理。

激光测距仪和计算机之间，电力电缆和信号电缆连接。用于运输电力供应测距仪，同时读取一个信号的形式返回给计算机。因为它是在高温的条件下进行，在电力电缆和信号电缆部分，应该设有温度传感器，以保护电缆部分。

6.本系统激光测距仪选型

对于一些精密的系统的产品的刚性需求（精确度为+ / - 0.5毫米），和系统的工作环境温度（700 ～ 800℃），和其他原因，在激光测距仪的选择尤为重要。

对于钢板厚度是本系统测量的主要要求，系统的测量精度+ / - 0.5米，综合两种激光测距仪可以选择HYKOL-LHS150-X，它可以连续测量移动物体，和适用于高温环境，没有反射板等。

7.常用钢材的热物性

45 # 钢，作为生产系统的主要产品，表面温度会从1400℃降低到700℃ ～ 900℃ 左右，最后到产品成型，热胀冷缩性质将对最终结果有重要影响。在面选择了相位激光测距仪，主要的工作范围是45 # 钢在700℃ ～ 900℃ 测量其厚度。但为了保证其厚度的准确性，最终确定不仅取决于测距仪的测量数据，还取决于材料本身与温度变化的出现和厚度的影响。

在前面测距仪厚度计算中，得到钢板的厚度为d（毫米），温度约是700 ～ 800℃，取值是700℃，45 #钢 线性膨胀系数A是14.85 x 10-6。

线性膨胀系数通常指的是环境温度和压力（温度）的变化，线性对象的大小与温度、压力（温度）的变化。如铁温度每上升1度，增加长度或宽度或高度大小12 x 10 ^ - 6，也就是增加了0.0012%。

700℃时，100mm的产品，其线胀系数为14.85X10^-6。

其冷却后的大小应为：100-100*14.85X10^-6 = 99.998mm。

8.本系统的隔热材料选择

选择时应考虑材料导热系数、吸水率、燃烧性能也应考虑，如强度指数等。

蛭石片经过高温焙烧其体积可以快速膨胀6-20倍，膨胀后的比重为60-180kg/m3，具有很强的保温隔热性能。

由水玻璃蛭品蛭石的导热系数表格可以看出，其单层蛭石制品一般都可以在大约900℃左右的环境下工作。所以可以选择普通的水玻璃蛭石制品，其导热系数为λ = 0.068千卡/M·时·℃在前面激光测距仪的选择中了解测距仪尺寸：255*90*110mm，故在激光测距仪保温外壳的尺寸选择时，外形尺寸可以选定为275*110*130mm，保温外壳可以用蛭石制品来制作，保证激光测距仪稳定运行。在热力学中，热力学系统始终不与外界交换热量，即Q =0。

一般蛭石制品的导热系数为0.068千卡/米·时·℃，1千卡/时=1.163W。所以导热系数可以是0.079W/（m·K）。

在测得保温壳厚度为10mm的前提下，再来计算总的导热量。欧文斯高温玻璃棉300℃时其导热系数为0.092W/m·K。

由计算可以看出保温材料在对材料保温时，并不是导热量Q=0，在保温壳设计时，要注意给其中激光测距仪进行一些通风措施。上面的计算是激光测距仪的保护计算，以及设计激光测距仪的绝缘体外壳的形状大小。电缆和信号电缆系统绝缘措施也很重要，它是一种重要的连接机制，保证系统稳定运行。电缆和信号电缆安排尽量远离热源，早期高温的环境下工作，可以选择适当的保温材料表面上，以确保其恒定的温度（不考虑他们自己的工作，因为内部热阻）而产生的热量。

9.本系统的结构图设计

通过Pro/Engineer操作软件完成本系统的结构图设计。

10.总结

这个设计主要用于工业生产、工业产品的厚度要求更高的精度。在生产线上，钢材从加热锅炉出来，经过轧机轧制的钢板，温度非常高，一般大约在900℃左右，呈现出暗红色或红色。为了获得更快、更准确的钢板尺寸数据，获得最佳的轧制过程及剪裁的影响，需要实时在线采集钢板厚度信息，并及时显示，方便于操作员及时调整轧机或者标识印制尺寸。

在系统的设计，完成了激光测距仪，空气压缩机，电缆，温度传感器的选择。并选择适当的保温材料，以保证系统的正常稳定运行。绝缘材料的厚度的计算，使其充分发挥保温效果。最后利用Pro / E软件建模，合理放置系统中所有的硬件设施。

参考文献：

[1] 不锈钢冷轧钢板及钢带.国际标准 JIS G 4305—2005.

[2] 传感器通用术语.国际标准 GB/T 7665-2005.