Развитие производства металлов привело к возникновению умения — искусства некоторых людей — мастеров-металлургов определять по цвету расплава или изделия при его ковке «правильное» или «неправильное» тепловое (температурное) состояние. В дальнейшем с развитием науки и техники появилась необходимость определения не качественного, а количественного уровня теплового состояния изделия, промышленной или лабораторной печи. Появился инструмент, названный термометром. Он позволил контролировать тепловое состояние предмета — его температуру.

В 1597 г. Галилео Галилей создал первый в мире прибор для измерения температуры воздуха — «термоскоп», который состоял из стеклянного шара, наполненного воздухом. От нижней части шара отходила трубка, частично заполненная водой, которая заканчивалась в высоком сосуде, стеклянной трубе, также заполненной водой. Когда воздух, нагреваясь, расширялся или, охлаждаясь, сжимался, уровень воды в стеклянной трубке изменялся, что и служило показателем температуры, например руки, нагревавшей шар при прикосновении к нему. В 1655 г. Гюйгенс предложил избрать в качестве опорной точки термометра точку кипения воды, что позволило сравнивать температуру («наблюдательную степень теплоты») в разных местах, не перенося один и тот же термометр с места на место. И. Ньютон опубликовал в 1701 г. работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой описана 12-градусная шкала. Нуль он поместил там же, где он находится и сейчас — в точке замерзания воды, а 12 °C отвечали температуре здорового человека.
Первый современный термометр создал голландский стеклодув Д. Фаренгейт в 1724 г., шкала которого до сих пор используется в США и Великобритании. Аналогичный прибор во Франции в 1740 г. стал использоваться со шкалой Реомюра. Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Однако стеклянные термометры имели лишь ограниченное применение из-за хрупкости конструкции и относительно небольшого интервала измеряемых температур.

В 1821 г., немецкий учёный Томас Иоганн Зеебек в Дерптском университете (ныне г. Тарту) занимался изучением магнитного поля Земли. Зеебек наблюдал возникновение магнитного поля, которое фиксировалось по отклонению магнитной стрелки. Из этого опыта Зеебек сделал вывод, что «разность температур в местах соприкосновения металлической цепи является источником освобождающегося магнетизма, причиной магнитных действий». На основании этих опытов была создана первая термоэлектрическая батарея. Открытие Зеебека положило начало качественно новому этапу развития науки.

На основе эффекта Зеебека создано огромное количество средств измерения (СИ), источников энергии и других исключительно важных устройств.
Приведём характеристику измерительных приборов, работа которых основана на эффекте Зеебека, по виду контролируемого параметра и способу применения в металлургии.
1. Вид контролируемого параметра:
1.1. температура объекта (изделия) — термоэлектрический термометр (стандартная или нестандартная градуировка); естественная термопара; чувствительный элемент пирометра полного излучения (батарея 10−12 термопар); температурный режим отжига в протяжной печи;
1.2. тепловой поток — тепломер с термоэлектрическими датчиками;
1.3. состав металла и сплава — определение содержания одного элемента;
определение содержания нескольких элементов; разбраковка (разделение, рассортировка) по маркам;
1.4. контроль структуры металла и сплава — определение фазового состава; контроль механических свойств, вида пластической деформации, режима волочения, характера термообработки (закалка, нормализация, отпуск и т. п.);
определение сложной термообработки (наличие нагрева до определённой температуры, закалка, охлаждение); применение метода т.э.д.с. к уточнению диаграммы состояния сплавов; изучение механизма переноса в металлургических системах;
1.5. окислительный (обезуглероживающий) потенциал газовой атмосферы печи;
1.6. параметры поверхностного слоя и покрытия — толщина и состав покрытия (элементный или фазовый); размер обезуглероженного слоя; величина углерода в обезуглероженном слое; глубина термодиффузионных слоёв; качество биметаллической сталемедной проволоки.
2. Состояние объекта измерения — твёрдые металлы и сплавы; металлургический расплав, газовая атмосфера печи.
3. Место проведения процесса измерения — непосредственно в агрегате;
на рабочей площадке у агрегата или в помещении теплового щита; в специальной лаборатории.
4. Характер процесса измерения — статический; динамический; дискретный; непрерывный.
5. Вид процесса получения результата измерения — прямой; косвенный (с расчётом по математической модели).
6. Временной интервал процесса измерения — оперативный (экспресс-метод); непрерывное измерение в процессе функционирования агрегата.
Как показывает опыт развития цивилизации, в значительной мере успехи современной науки и техники базируются на использовании данного открытия.

Термопары имеют значительные преимущества перед другими датчиками температуры: пирометрами излучения (ПИ) и термопреобразователями сопротивления (ТС). Они не нуждаются в источнике питания, контролируют температуру в точке, при потенциометрической схеме измерения электрическое сопротивление материала термопары, компенсационных и соединительных проводов не влияет на точность измерения, размеры спая термопары и диаметр термоэлектродов могут измеряться в микрометрах (что исключительно важно при контроле криогенных процессов). ПИ имеют значительную методическую погрешность, связанную с неизвестной степенью черноты объектов. Даже наиболее точный из них — пирометр спектрального отношения, может давать большую ошибку при реальных значениях спектральной степени черноты.
Следует отметить, что ТП, исходя из приведённых данных о возникающих погрешностях всегда принципиально точнее, чем ПИ, т.к. их основная погрешность связана с самим средством измерения, а у ПИ она в основном определяется параметром объекта — излучательными характеристиками, которые практически не могут быть измерены и принципиально отличаются от абсолютно чёрного тела (АЧТ), по которому градуируется данный бесконтактный измеритель температуры. На практике часто при помощи ТП настраивается работа ПИ за счёт подбора степени черноты. То есть контактное средство измерения температуры (ТП) служит эталонным для настройки работы бесконтактного средства измерения (ПИ).

Главным конструкционным материалом ХХI века останется сталь. Динамика мирового производства стали (г. — млн т) составила: 1970 — 595, 1980 — 716, 1990 — 788, 2000 — 829, 2004 — 1046 (впервые превышен уровень производства в 1 млрд. т), 2020 — 1864. Несмотря на многочисленные попытки расширить использование других материалов сталь сохранила за собой лидирующие позиции.
В промышленности, металлургии, энергетике, особенно на атомных электростанциях, эксплуатируется огромное количество СИ температуры, отличающихся по методу измерения, точности, необходимо учитывать взаимодействие СИ с объектом контроля и агрегатом, в котором осуществляются и технологический процесс, и измерение его параметров.
На металлургических и машиностроительных предприятиях эксплуатируется огромное количество автоматизированных технологических комплексов (АТК) — печных агрегатов, которые характеризуются большой единичной производительностью, значительной энергетической мощностью, высокими температурами, агрессивностью и взрывоопасностью газовой атмосферы, в том числе, и водородной, высокими скоростями протекающих процессов теплообмена, включающего излучение, конвекцию и теплопроводность. Всё это повлекло создание различных, весьма сложных и разветвлённых систем контроля и автоматического управления.

В доменной печи для контроля температуры используется более 50 термоэлектрических преобразователей (ТП), 7−9 пирометров излучения (ПИ), 10−15 термопреобразователей сопротивления (ТС); в кислородном конвертере — 8 ТП, 3 ПИ, 3 ТС; в ДСП — 6 ТП, 4 ТС. Но наибольшее число термопар применяется на станах горячей прокатки. Так, на листовом стане, который обычно обслуживается четырьмя-пятью нагревательными печами, используется 65−75 ТТ, 6 ПИ, 20 ТС. Много С И температуры эксплуатируется в цехах холодной прокатки. На каждой колпаковой печи установлено по 2−3 ТП, но таких печей в стране более 1300 шт. Также много датчиков температуры на протяжных печах агрегатов непрерывного отжига (АНО) стальной полосы и полосы из цветных металлов.
В РФ работает более 80 таких агрегатов и практически на каждом в АСУ ТП включены 15−20 ТП, 3−5 ПИ, 4−6 ТС. Значительное число ТП используется в секционных, камерных, вращающихся печах и т. д. Практически можно сделать вывод о том, что в металлургии около 75% СИ температуры — это ТП, 10% - ПИ и 15% - ТС.

Основой всех технологических АТК в металлургии являются теплотехнические процессы, реализуемые на базе управления процессами выделения теплоты и процессами теплопередачи с необходимым контролем температурного режима.
Практически все установки для контроля температуры можно разделить на три большие группы:
1) стандартные установки, используемые во многих отраслях производства, которые реализуются с помощью типовых решений с применением серийно изготавливаемых термометров: стеклянных, дилатометрических, биметаллических, манометрических, ТП, ТС, ПИ;
2) специальные установки и методы измерения, в которых используются в основном серийные датчики температуры, но в которых условия измерения температуры очень сложны из-за специфики работы агрегата;
3) принципиально новые методы и средства контроля температуры параметров процессов, которые раньше не измерялись в силу ряда причин, в том числе, и объективных, и субъективных.
Обеспечение заданного температурного и теплового режимов работы печного агрегата (ПА) — основная цель функционирования АСУ ТП АТК. Правильный температурный режим обеспечивает: получение необходимого качества готовой продукции (в том числе, и структуры металла и сплава), эффективное сжигание топлива (исключение его перерасхода и минимальные экологически вредные выбросы), пониженное образование окалины, минимальное разрушающее тепловое воздействие на конструкцию печи и т. п.
Температура является интегральной величиной, определяющей достижение необходимого качества конечного продукта или его повышения в условиях действующего агрегата, необходимой производительности, минимизации затрат энергии, удельного расхода топлива, воды, защитной атмосферы.

Температура металла в печи — это основа информации о процессе в агрегате, что необходимо для обеспечения его эффективного функционирования, исследования, диагностики, а также для их дальнейшего совершенствования, т. е. проектирования аналогичных новых агрегатов.

Остановимся на особенностях измерения температуры в нагревательных печах станов горячей прокатки и в протяжных печах агрегатов непрерывного отжига, как наиболее важных и особенно сложных для решения теплотехнических и технологических задач.
В нагревательных и термических печах (за очень редким исключением) температура металла практически не измеряется — управление процессом ведётся по косвенному параметру — температуре зоны. Управление по одному зональному термопреобразователю (ЗТП) не обеспечивает эффективной работы печи вследствие значительной протяжённости зоны (длина 8−12 м, ширина 5−12 м, высота 2−2,5 м) и определяющего влияния кладки и омывающих газов на показания данного СИ температуры. Эти показания слабо связаны с величиной собственной температуры металла.
Для определения реального теплового состояния при нагреве массивного металла в нагревательных печах используют автономный регистратор температуры (АРТ) — устройство для контроля температурного режима, позволяющее определить реальное изменение температуры в различных точках заготовки (10−20 термопар) и газовой атмосферы над металлом по мере его продвижения через агрегат.
Основная особенность данной системы заключается в том, что ее многоточечный регистратор проходит через печь и защищён от воздействия высоких температур высокоэффективным теплозащитным контейнером, внутри которого температура регистратора не превышает 110 °C. Многослойная тепловая защита включает барьер-испаритель, заполненный водой, микропористую теплоизоляцию с теплопроводностью менее 0,1 Вт/м·К и наружную керамоволокнистую изоляцию, что обеспечивает работоспособность контейнера до 10−12 часов при температуре 1250 °C. С помощью гибких кабельных термопар типа К (ХА) или N (НН), подключённых к регистратору и выведенных из контейнера, производится измерение температуры в заданных точках экспериментального сляба. Память регистратора рассчитана на 3,8 млн. точек измерений. Система «Phoenix TM» оснащена радиотелеметрическим устройством с высокотемпературной антенной, что позволяет оператору печи на экране компьютера наблюдать за нагревом металла в процессе его продвижения через печь в режиме реального времени и оперативно воздействовать на процесс нагрева. После выдачи экспериментального сляба из печного агрегата, сляб с системой переносится в зону охлаждения, где и производится демонтаж теплозащитного контейнера с извлечением регистратора. Затем регистратор подключается к компьютеру и производится выгрузка из его памяти всей полученной информации в дополнение к информации радиотелеметрии.
Использование АРТ при проведении направленного автоматизированного промышленного теплотехнического исследования позволило сократить на действующих агрегатах без их конструктивных изменений удельный расход топлива на 4−12%, уменьшить разброс температуры по длине раската на 12,5% .
Промышленные эксперименты на печах НЛМК, ММК, Северстали, Уральской стали, Выксунского металлургического завода и других предприятий обеспечили существенное сокращение расхода топлива, защитной атмосферы и электроэнергии, позволили увеличить производительность агрегатов и повысить качество готовой продукции. Правильно проведённое исследование позволяет определить виды необходимой измерительной аппаратуры и представительные места для установки термопреобразователей.
Необходимо оснащать печные агрегаты постоянно действующими автоматизированными исследовательскими системами (АСТИ), работающими как в режиме «советчика мастера», так и функционирующими внутри АСУ ТП агрегата, как это делается на современных доменных печах. Лучшие агрегаты в чёрной металлургии являются практически полностью автоматическими, т. е. в системе управления реализована концепция «искусственного интеллекта».

Источник