摘要：铜锭步进式加热炉和铝锭推进式加热炉作为有色金属加工的关键设备，其温度控制精度直接影响产品质量与生产效率。本文针对传统接触式测温方法在铜锭或铝锭加热过程中存在的响应滞后、误差较大、维护困难等问题，系统探讨多光谱辐射测温技术的应用价值。通过分析铜锭和铝锭加热炉的工艺特性，提出基于多光谱辐射测温（MRT）的温度监测与优化方案，旨在提升铸锭加热均匀性并降低能耗，并提供未来展望。

　　关键词：多光谱辐射测温；铜锭步进式加热炉；铝锭推进式加热炉

　　铜锭步进式加热炉用于铜锭热轧前的加热，针对铜锭的物理特性，主要采用辐射加热为主、对流加热为辅的加热方式，通过机械步进机构实现铜锭的间歇式输送与加热，广泛应用于铜板带的生产，为热轧机提供合格温度和品质的热铜锭，是铜锭热轧生产的主力加热设备。而铝锭推进式加热炉用于铝锭热轧前的加热，针对铝锭的特性，以对流加热为主、辐射加热为辅，铝锭立着放置于支撑料垫上，通过推料机构对支撑铝锭的料垫逐个向前推，边推边加热，广泛应用于铝热连轧生产线，为热轧机提供合格温度和品质的热铝锭。该两种炉型是铜锭和铝锭加热的主要设备。本文对以下铜锭步进式加热炉和铝锭推进式加热炉，除单独列出外，则统称为加热炉。对铜锭/铝锭，除单独列出外，则统称铸锭。

　　炉内铸锭温度的均匀性直接影响铸锭的晶粒结构、力学性能及后续加工质量。加热炉除了对炉气温度的测量，还需对铸锭温度直接进行测量，传统测温方式为采用接触式热电偶直接顶到铸锭表面，在需要测温时，通过机械机构进行传动，热电偶伸出，接触到铸锭表面进行测温，根据炉型结构特定，接触式热电偶放置于炉底，通常在炉区最后一块铸锭处测温。但该测温方式存在安装复杂、维护困难成本高及无法实时反映炉内铸锭温度等缺陷，本文所论述的多光谱辐射测温技术凭借非接触、高响应速度及宽量程特性，成为优化铸锭加热工艺的理想选择。

　　1铸锭加热炉的工艺特性与测温需求

　　铜锭步进式加热炉主要采用天然气燃烧加热炉内铜锭，炉体为贯通式结构，由钢结构外壳与耐温绝热材料内壳组成，钢结构包括钢板和型钢焊接成坚固的框架。炉衬材料根据使用情况采用不同的隔热材料，炉顶、侧墙的保温材料采用高温陶瓷纤维折叠块铺设而成，折叠块依靠耐热钢制成的锚固针与炉壳钢板紧固，铺设时在折叠块与炉壳钢板间平铺一层硅酸铝纤维棉，以提高炉子的保温性能，炉底采用不定型浇注料组成。由于铜锭黑度较大，且加热温度高，宜采用辐射受热，铜锭一块一块平放于炉底步进梁上，每块铜锭之间有100mm~200mm间隙，在炉内按照步距要求有规则的排列。烧嘴布置于炉顶，按照工艺加热要求，分别布置在加热区、均热区。为增大辐射面积，提升铜锭加热温度均匀性，烧嘴采用平焰烧嘴。

　　铝锭推进式加热炉则与铜锭步进式加热炉有所区别，由于铝锭黑度较小，且加热温度比铜锭低，宜采用对流加热，铝锭立放于料垫之上，炉顶布置有高温循环风机，烧嘴布置于炉顶两侧，分别布置在每个加热区，采用短焰高速烧嘴。烧嘴燃烧的热风通过循环风机，从炉子两侧风道内进入炉底，再从炉底喷口板高速喷出，在垂直的铝锭与铝锭之间快速流过，加热铝锭，最后再进入循环风机，周而复始行成完整循环。

　　1.1工艺特性

　　由于铜锭合金品种不同，有紫铜、黄铜、青铜、白铜等，每种产品具有不同的工艺特性和加热要求，测量温度范围也较宽，通常为780℃±5℃~1100℃±5℃。铜锭加热阶段包括预热、加热、均热保温，各阶段温度梯度需严格控制以确保铜锭内外温差。温度超温过热，则铜锭表面氧化皮厚，烧损多，铣面损耗大，成品率低，需避免过热导致氧化损耗或欠温影响塑性变形，温度过低，则无法满足后续的轧制要求。因此，铜锭测温控温就显得尤为重要。

　　铝锭合金种类同样众多，总共8个系列，种类上千种，铝锭加热温度通常为420℃±5℃~650℃±5℃,均热温度均匀性则达到±3℃,需严格控制铝锭内外温差。温度过高则超温，易烧坏铝锭，温度过低，则无法满足后续的轧制要求。因此，铝锭测温控温特别重要。

　　1.2加热炉对测温的需求

　　以往的加热炉测温有两种方式：一是全靠炉气温度控制，不对铸锭温度进行测量，通过工艺测温摸索适合的加热制度，后续阶段采用定温加热，通常加热时间长、热效率低。二是增加铸锭的接触式直接测温热电偶，铸锭的测温通过布置于炉底或侧壁的K型或N型热电偶，通过气动传动机构升降或进退，定期间歇式接触测量铸锭表面温度。如此可直接测量铸锭表面温度，检测铸锭真实的温度值，缩短了加热时间，提高了加热炉热效率。

　　但因该结构存在安装复杂、维护困难、运行成本高等诸多难点和痛点，用户一直迫切希望更好地利用非接触、无介入式的温度测量技术提高非接触测温的精度，以实现所需的改进工艺控制。红外线测温技术提供了很好的测温思路，类似于测量人体体温的额温枪或耳温枪来取代水银温度计，而多光谱辐射测温技术具有更精准的测量效果，提供了非接触测温改进的可能。

　　测温实时性。加热炉的间歇输送特性要求测温系统具备毫秒级响应能力，以动态调整加热参数。

　　高空间分辨率。需识别炉内不同区域的温度差异，优化热风循环系统。

　　强抗干扰性。炉内存在烧嘴火焰、水蒸气、包含CO2和NOX等的烟气、粉尘等微颗粒物、不锈钢导流板、硅酸铝纤维折叠块和浇注料等耐火材料，炉底活动梁、固定梁、轨道、料垫等耐热钢的辐射干扰，对测温设备的稳定性和抗干扰性提出更高要求。需应对铸锭表面氧化层导致的发射率变化（0.2~0.4），剔除干扰信号，减少测量误差。

　　1.3关键参数选择

　　测量温度范围广。覆盖200℃~1300℃,满足铜锭高温测量需求以及铝锭200℃~660℃的较低温度测量需求。

　　发射率校正准确。支持0.1~1可调发射率，实时适应铸锭表面氧化程度变化。

　　环境适应性强。IP65以上防护等级，配备抗粉尘干扰镜头及电磁屏蔽设计，能适应炉膛最高1300℃的高温。

　　响应速度快。响应速度≤10ms，确保动态温度反馈响应。

　　1.4设备部署方案

　　安装位置选择。通常位于出口段炉顶或侧壁，可以检测最后一块铸锭。距炉门1m~2m处，从上而下倾斜30°~45°安装，避免火焰直射干扰及粉尘堆积。

　　监测点布局。在铜锭步进式加热炉炉体顶部部署至少2个红外测温点，形成多点温度监测网络。而铝锭推进式加热炉，则每区需要布置至少1个红外测温点。

　　数据整合。通过内部网络或工业物联网平台将温度数据与燃烧系统联动，实现自适应加热，检测的铸锭温度实时反馈加热炉PLC，实时精准控温，调整燃烧系统功率输出大小。既缩短加热升温时间、减少工艺保温时间，又可提升热效率、减少氧化烧损、提高成品率，还可以提升铸锭的品质和性能。

　　2应用案例与效果分析

　　2.1案例背景

　　2.1.1案例一

　　某国内铜加工企业使用的步进式加热炉，以往采用接触式K型热电偶，当确认有铜锭时自动进行测量并对测试结果分析后进行输出。热电偶通过气缸进行驱动，定期（例如每1分钟）或当铜锭移动时测温系统自动撤回保护，测料温系统直接参与温度控制。其优点是，能够在炉内直接检测铜锭温度，对铜锭加热过程中的温度进行实时检测监控并参与温度控制。其缺点是，由于测温不连续，存在铜锭加热不均问题，导致后续轧制工序出现裂纹缺陷。热电偶偶丝作为耗材，需要定期进行更换，运行成本高。偶丝更换困难，需要拆除气缸、位置传感器、弹簧等部件，且在高温状态下，可能存在一定烫伤、砸伤等安全风险。操作困难、维护量大等。且由于装在炉底，初此设计时需要开挖炉底检修通道，土建、通风设施等一次投入成本较高。

　　2.1.2案例二

　　某国内铝加工企业使用的推进式加热炉，以往采用接触式热电偶，当确认有铝锭时自动进行测试并对测试结果分析后进行输出。热电偶通过气缸进行驱动，定期（例如每1分钟）或当铝锭移动时测温系统自动撤回保护，测料温系统直接参与温度控制，为当时比较先进的设计。测温原理基本与步进式加热炉形式类似。优点和缺点同上述铜锭步进式加热炉。

　　2.2炉内铸锭测温特点

　　精确的温度测量对铸锭至关重要，客户对产品材料性质、表面质量、尺寸公差和生产效率等要求日益严格，要求实时监控和控制关键工艺参数。在热成形前后必须准确测量铸锭的温度，以确保变形过程处于控制之下。

　　综合以上两个案例以及炉内铸锭测温特点，用户一直希望能对该测温方式进行优化改进，采用非接触、无介入式温度测量技术替换原来的接触式测温形式。

　　针对在高温炉内移动的具有光滑表面的金属铸锭，实用的辐射测温系统必须同时具备下列两个特征。第一，准确建立被测目标的发射率模型，也就是发射率的算法；第二，消除炉子的背景辐射干扰。否则，测温精度不会令人满意。多光谱辐射测温技术（MRT）提供了这种改进的可能。
       2.3多光谱辐射测温技术简介

　　一个经过校准的辐射测温计，可以准确指示黑体的温度。然而当用于真实物体表面时，测温计指示的是该物体表面的光谱辐射温度Tλ。如果在辐射测温计的波长λ处已知光谱发射率ε,那么上述这种关系可以成立。铜的光谱发射率事相对固定的，与铜不同，铝合金的光谱发射率是可变的，很难准确了解。

　　假如无法得到铝合金光谱发射率的准确数学模型补偿函数，将会产生较大误差。例如，温度为430℃,波长2μm处的发射率为0.1，当发射率存在20%的误差时（实际测量过程中，20%的发射率误差是非常容易且出现的，且经常以远大于20%的数值出现），也就是发射率从0.10变化为0.12，这时会导致温度误差为±14K。这就是在实际的操作中,单波长测温仪（SWRT）的误差会大到令人无法接受的原因。

　　如果在两个波长上探测红外辐射强度（DWRT），相比单波长测温仪来说，是一个进步，例如比色测温仪。但是比色测温仪有一定的限制，比色测温仪的双探测器是一个类似“三明治”那样的夹心结构，这种结构导致测量的最低温度不能低于700℃,也就是说比色测温仪的测温范围不适合应用在铝加工行业。在三个以上波长上，探测目标物的辐射强度从而推演被测物温度时，称之为多波段辐射测温，简称MRT测温技术。通过多光谱辐射测温技术，可以找到一个发射率函数模型来实现发射率补偿，这个发射率函数具有一个或多个任意系数。使用最小二乘法，将目标的光谱辐射出射度的测量值Lλ,i与理论公式计算值Fλ,i之间的差异最小化。

　　MRT测温仪的精度高误差小且稳定可靠，因此在国防、航空航天等领域有所应用。但是其高昂的成本限制了以往在民用领域的推广使用。由于MRT的高技术门槛，因此国内鲜有民用领域单位能够研发制造MRT测温仪。近些年西方发达国家纷纷加快MRT技术的研发速度，同时将MRT技术及产品列入限制和管制的范围，无法从国外进口MRT测温仪，国内自主研制就尤为迫切和关键。

　　在选取红外探测器时，特别强调深思熟虑的波长选择，将根据被测物表面的具体情况选取测量波长，比如铝的表面纹理和氧化程度会影响表面发射率。因此,测量波长是不完全相同的，原因就是客户的需求是不同的。尽管反射率高的材料是很光滑的，但在显微镜下，其表面还是有很多褶皱和裂缝。这些褶皱和裂缝很小，长波无法进入，所以材料在此波长下具有较高的反射率。如果波长足够小并可以进入这些褶皱和裂缝，铝的反射率就会变低，反射率较低时发射率较高，在反射率较高时发射率较低。比起长波，短波更容易渗入褶皱和裂缝，因此在用短波测量时，铝的发射率比用长波测量时更高。

　　2.4解决方案

　　根据用户需求及多种方案反复推演，最终决定研制采用MRT系列红外测温仪（量程100℃~1500℃,系统精度±1℃~5℃,重复精度可达到±1℃),配备合适距离以适应炉体尺寸。该设备安装于出口段炉顶末端，实时检测最后一块铸锭，从而替换原来的接触式测温结构。

　　测温系统集成。红外线探头、冷却系统、分析系统、控制系统等。红外线探头可直接获取被测物体表面信息、周边所有干扰信息，冷却系统对红外线探头进行冷却保护，延长使用寿命。分析系统对被检测物体信息、干扰信号进行分析计算，控制系统对检测信息进行综合验算，获取有用信息、剔除干扰信息，并上传给主机PLC。

　　控制优化。可实时检测炉料的温度情况，将温度数据反馈至PLC系统，用于燃烧系统及炉温控制及调整。

　　2.5实施效果

　　温度均匀性。炉内铜锭加热后温差从±10℃降至±5℃。炉内铝锭加热后温差从±5℃降至±3℃。

　　能效提升。能耗降低15%，氧化皮生成量减少30%。

　　产品质量。轧制工序裂纹缺陷率从15%降至3%，产品屈服强度一致性提升20%。

　　结果完全满足用户需求及研发设想，达到很好的使用效果。

　　2.6使用规范与维护策略

　　多光谱辐射测温系统由于非常精密，需格外主要避免正对火焰直射，采用侧向安装减少热辐射干扰。定期校准镜头焦距，确保测量精度。辅助设计时加装隔热罩与冷却装置，采用冷却水或压缩空气保护镜头免受高温辐射与污染。通过压缩空气形成气幕保护层，隔离炉内粉尘，以延长多光谱辐射测温仪的使用寿命，保证使用效果。

　　3结论与展望

　　多光谱辐射测温（MRT）在铜锭步进式加热炉和铝锭推进式加热炉上的应用，实现了温度监测的精准化与智能化，显著提升了加热均匀性及炉子热效率，降低了维护工作量，减少了铜材表面加工的损耗量，提升了成品率，该技术在此两种炉型上的推广会更加广泛。

　　未来，新技术的发展与多光谱辐射测温技术的深度融合以及AI技术在有色金属加工行业的应用，可进一步实现预测性维护与自适应控制，推动有色金属加工行业向绿色、智能化、数字化转型。随着科技的进步，多光谱辐射测温技术（MRT）除了在铜锭步进式加热炉、铝锭推进式加热炉的应用外，相信更加先进的多光谱辐射测温仪也会在铝材的退火炉、均质炉、时效炉、淬火炉，甚至铝合金的熔炼炉、保温炉，铜锭的感应式熔炼炉等有色金属炉窑上面有着广泛的应用。