超高溫環境下鋼板厚度精準測量系統

蔣博

摘要：隨著工業的發展加速，鋼鐵的需求量更加多，鋼鐵產業間競爭也更加激烈，提高鋼鐵產量成為當務之急。產品合格率成為了影響鋼鐵產量的主要因素之一。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計一套鋼板厚度精準測量的系統，以及工作原理，并詳細闡述了關鍵部分的設計和保護。本課題研究的基于激光傳感器測量的鋼板尺寸在線測量系統具有很大的現實意義和良好的應用前景。

1.超高溫環境下鋼板厚度精準測量系統的研究現狀

傳統的檢測方法是采用檢測頭與待測鋼板直接接觸來測量，這種測量方法檢測效率低，勞動強度大，而且會使測量儀器的檢測頭發生磨損，從而造成儀器的測量精度下降。國內目前鋼板測量儀其結構復雜、控制繁瑣、需要標定，以及實時操作性差。隨著現代化生產和加工技術的發展，對于加工零件的檢測速度與精度有了更高的要求，向著高速度、高精度、非接觸和在線檢測方向發展。

2.本系統的結構組成

系統的系統結構，包括激光傳感器1、2、相同的兩個激光測距儀（類型）;支架;信號電纜;電力電纜;測量對象，上述儀器按照一定方式連接（如上圖），組成一個自動控制系統。如圖所示，本系統是由兩個部分組成的，左邊的部分為主要控制部分，右邊的部分則為輔助部分。

3.本系統的測量原理

4.本系統的控制部分

激光測距儀1、2，它的主要功能是測量2個激光測距儀分別到鋼板的距離，每次測試兩個激光測距機同時工作，確保數據的可靠性。同時兩個測距儀應放置上下空間，距離總是在一個固定的值。

操作平臺的主要功能是接收激光測距儀1、2中傳輸的數據，通過一系列的計算，可以計算出鋼板的厚度，將給的厚度與產品所需的厚度相比，當和額定厚度有差距的+ / - 0.5毫米的時候，需要調整產品的厚度。

5.本系統的輔助部分

激光測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，因為鋼金屬作為的系統測量對象，減少溫度從1400℃ 到700℃，在下表面和空氣會有氧化還原反應發生，形成氧化層。氧化層對于激光測距儀2的數據測量有一定的影響，需要空氣壓縮機對其進行除塵處理。

激光測距儀和計算機之間，電力電纜和信號電纜連接。用于運輸電力供應測距儀，同時讀取一個信號的形式返回給計算機。因為它是在高溫的條件下進行，在電力電纜和信號電纜部分，應該設有溫度傳感器，以保護電纜部分。

6.本系統激光測距儀選型

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

對于鋼板厚度是本系統測量的主要要求，系統的測量精度+ / - 0.5米，綜合兩種激光測距儀可以選擇HYKOL-LHS150-X，它可以連續測量移動物體，和適用于高溫環境，沒有反射板等。

7.常用鋼材的熱物性

45 # 鋼，作為生產系統的主要產品，表面溫度會從1400℃降低到700℃ ～ 900℃ 左右，最后到產品成型，熱脹冷縮性質將對最終結果有重要影響。在面選擇了相位激光測距儀，主要的工作范圍是45 # 鋼在700℃ ～ 900℃ 測量其厚度。但為了保證其厚度的準確性，最終確定不僅取決于測距儀的測量數據，還取決于材料本身與溫度變化的出現和厚度的影響。

在前面測距儀厚度計算中，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A是14.85 x 10-6。

線性膨脹系數通常指的是環境溫度和壓力（溫度）的變化，線性對象的大小與溫度、壓力（溫度）的變化。如鐵溫度每上升1度，增加長度或寬度或高度大小12 x 10 ^ - 6，也就是增加了0.0012%。

700℃時，100mm的產品，其線脹系數為14.85X10^-6。

其冷卻后的大小應為：100-100*14.85X10^-6 = 99.998mm。

8.本系統的隔熱材料選擇

選擇時應考慮材料導熱系數、吸水率、燃燒性能也應考慮，如強度指數等。

蛭石片經過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，具有很強的保溫隔熱性能。

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

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

在測得保溫殼厚度為10mm的前提下，再來計算總的導熱量。歐文斯高溫玻璃棉300℃時其導熱系數為0.092W/m·K。

由計算可以看出保溫材料在對材料保溫時，并不是導熱量Q=0，在保溫殼設計時，要注意給其中激光測距儀進行一些通風措施。上面的計算是激光測距儀的保護計算，以及設計激光測距儀的絕緣體外殼的形狀大小。電纜和信號電纜系統絕緣措施也很重要，它是一種重要的連接機制，保證系統穩定運行。電纜和信號電纜安排盡量遠離熱源，早期高溫的環境下工作，可以選擇適當的保溫材料表面上，以確保其恒定的溫度（不考慮他們自己的工作，因為內部熱阻）而產生的熱量。

9.本系統的結構圖設計

通過Pro/Engineer操作軟件完成本系統的結構圖設計。

10.總結

這個設計主要用于工業生產、工業產品的厚度要求更高的精度。在生產線上，鋼材從加熱鍋爐出來，經過軋機軋制的鋼板，溫度非常高，一般大約在900℃左右，呈現出暗紅色或紅色。為了獲得更快、更準確的鋼板尺寸數據，獲得最佳的軋制過程及剪裁的影響，需要實時在線采集鋼板厚度信息，并及時顯示，方便于操作員及時調整軋機或者標識印制尺寸。

在系統的設計，完成了激光測距儀，空氣壓縮機，電纜，溫度傳感器的選擇。并選擇適當的保溫材料，以保證系統的正常穩定運行。絕緣材料的厚度的計算，使其充分發揮保溫效果。最后利用Pro / E軟件建模，合理放置系統中所有的硬件設施。

參考文獻：

[1] 不銹鋼冷軋鋼板及鋼帶.國際標準 JIS G 4305—2005.

[2] 傳感器通用術語.國際標準 GB/T 7665-2005.