摘要介绍了冶金热工测试中的红外成像测试原理，通过几种应用实例分析了红外成像技术和热像图分析方法在热工过程分析中的应用特点和适用范围。
1.红外成像系统原理与构成
热辐射光谱能量分布理论中有一个重要的斯蒂芬—玻耳兹曼定律：
红外成像系统主要由红外探测器、光电转换器、图象采集与处理单元、计算机、监视设备、外部存贮设备、图象输出设备及配套软件等部分组成。传统的红外热像仪都以光机扫描类探测器为主，由于需要深度致冷条件，其应用受到一定的限制。随着电子技术的进步，红外成像元件的选择更加灵活。CCD技术的发展为低成本成像系统的组成创造了条件，计算机及多媒体技术的日益成熟，使图象处理技术可以更好地满足不同的使用条件和工作需要。
2.常见红外成像设备分类及其适用范围
2.1光机扫描类
光机扫描类热像仪根据其探测元件不同，其工作波长有8~12μm和3~5μm两种，需要液氮致冷或电致冷。这类热像仪其温差分辨率最高，测温精度高，图象清晰，可广泛用于各种非接触式测温的场合。在低温段（-40~℃），其最高温度分辨率可达0.1℃，特别适合炉窑或热力管线的局部温度异常、内衬破损或掉砖的探测、电器设备或电子线路的故障诊断等应用。其缺点是因需液氮致冷而使其应用受到一定限制，特别是在线测量，需要复杂的电致冷设备。成像速度较低，一般每秒1~2幅图象。
2.2热释电型热电视
热释电型热电视是唯一能工作于8~12μm红外波长，可实现摄氏几十度的热成像而不需要致冷的红外成像装置，功能和应用范围与光机扫描类相近。其工作原理是利用入射红外线引起靶面温度上升而产生热释电效应，促使表面电荷变化，通过电子束扫描读取信号并转换为图象。由于采用电视制式，时间分辨率较高，可实现25帧/秒的快速成像，比较适合运动物体或瞬时性较大的温度场的测量。这类成像设备可以做成在线式或便携式以适应不同的应用。
2.3线扫描热成像系统
线扫描热成像系统是专门用于在线快速精确测量工业场合运动体表面温度分布的设备，如在线监测大型回转窑表面温度，可提供4-20mA的模拟测量信号，以用于在线控制。其原理是，线扫描摄像头沿着与被测对象运动方向相垂直的方向快速扫描，测量对象各部位的热辐射。工作波长3~5μm，量程25~℃，误差小于2%，响应时间0.1s。
2.4光电耦合类
采用红外CCD作探测元件设计而成的近红外成像高温热电视系统，工作波长0.8~1.2μm，特别适合高温测量场合。量程~℃，最高温度分辨率3~5℃。其特点是采用电视制式，可连续测量间隔0.04s的温度场的变化。可做成在线式或便携式，适合燃烧火焰的测量、铁水或钢水的测量、加热炉或均热炉钢坯（锭）出炉温度的测量等应用。
以上各类红外成像设备均配有功能较强的图象处理软件，可以结合工艺情况灵活地进行图象的处理和分析。同时，还可以多种形式进行图象的存储和输出。
3.红外成像技术在热工测试中的应用实例
3.1钢坯温度的连续监测
在研究加热炉工作状态和供热制度过程中，钢坯在炉内的温度变化过程和出炉后的温度是最常见、最重要的测试项目之一，钢坯出炉至轧前、各轧制道次之间、终轧乃至后部在线热处理过程的温度变化，对合理加热制度和轧钢工艺的制定都至关重要。对于钢坯在炉内的温度变化，除了可用传统的拖偶办法外，“黑匣子”动态测温应是最佳选择。而钢坯在出炉后，其工艺过程和温度变化都非常快，不仅热电偶不再变化而使测试结果不够准确甚至根本无法测量。而且，一个点或某个局部的测量值可能还不具有代表性。红外热成像很大程度上弥补了上述测温手段的不足。首先，由于成像设备是以面代点，把进入视场的辐射源分成几万个像素，并把每一个像素的辐射能转变为温度进行记录。在后期图象处理中可以灵活地选择有代表性的点或区域进行计算。其次，成像设备是连续记录，响应速度高，如JRD热成像，采用高速红外CCD，并采用电视制式，系统时间分辨率可达到1/25s。也就是说，系统可以记录下间隔0.04s的温度变化。一般光机扫描类热像仪最低都可以记录间隔0.5s的温度变化。因此，红外成像是记录钢坯出炉后及整个轧制过程温度变化较理想的测试手段。值得一提的是，由于氧化铁皮的影响，一般辐射温度计测得的表面温度，并非实际钢坯的表面温度，相对而言，钢坯出炉后铁皮剥落部位的温度更接近钢坯的表面温度。跟踪这一部位的温度变化，除了红外成像，其它测试手段是难以胜任的。图1是应用红外成像对鞍钢某厂钢坯出炉后温度跟踪测试的结果。
3.2在煤粉火焰炉上的测试分析
为研究不同煤种和不同混合煤在不同煤粉粒度、给煤量、富氧率、热风温度等条件下的燃烧性能和燃烧状态，在煤粉火焰试验炉上进行了试验，并应用红外成像方法对煤粉火焰进行了测试。通过图象处理软件分析燃烧区的最高温度、平均温度和等温线分布，进而判断不同煤种煤粉的燃烧性能和不同条件下煤粉的燃烧状态。
3.3钢锭浇注过程钢锭模表面热状态测试
为研究钢锭的凝固过程和钢锭模的破损机理，对鞍钢二炼钢Jb12.52T扁形钢锭模在钢水浇注过程中的热状态变化进行了测试，其重要内容之一是钢锭模表面温度场的变化。测试采用的设备是热像仪。测试结果表明，钢锭模宽面温度场在浇注初期呈“蝶形”，在注后70min内先后经历“蝶形”温度场形成、加剧和消退几个阶段，70min后等温区逐渐变成椭圆形。注后14min和3h后的近百幅热像图为进一步分析其传热过程提供了充分的数据。
3.4高炉风口区燃烧状态研究
风口区工作状态的优劣直接影响到高炉的顺行和稳定，改善喷吹煤粉在回旋区内的燃烧状态是喷煤高炉改善操作的重要内容。由于工作条件恶劣，风口区的测试历来被认为是一项非常艰苦的工作。由于水冷探测器破坏了理论温度近℃的回旋区的温度场，而简单的非接触测量又难以做深入的分析，因而红外成像测试成为研究回旋区燃烧状态的重要手段之一。尽管回旋区的辐射有其复杂性，我们还是可以通过调整量程的办法把煤粉火焰从炽热焦炭形成的高温背景中分离出来而加以研究。应用JRD近红外高温热电视系统在高炉富氧喷煤时测试旋流氧煤枪在富氧量为0、m/h、m/h和m/h条件下的热像图，按温度层次和梯度分析或照面积比较法分析，都可看到富氧的作用是明显的。
3.5其它应用
为改善均热炉底部供热，减少“黑根”现象，开发了均热炉底部烧嘴，并在鞍钢二初轧进行了工业试验。在试验中，除对炉坑内横纵不同点进行直接测温外，还对出炉钢锭表面的温度分布进行了红外成像分析，其结果非常直观地证明了底部烧嘴对改善均热炉供热的作用。
高炉内煤气流的分布代表了高炉过程的稳定性和均匀性，而料面的温度分布直接反映了煤气流的分布。高炉料面热像仪通过接收料面的热辐射并转换为温度图象，使高炉内径向与周向工作的均匀性一目了然，对指导高炉操作具有重要意义。
此外，还可在冶金设备的工作状态、炉窑的热损失状况、炉墙耐火材料破损情况的分析等方面有更广泛的应用。
4.结语
红外成像技术以其使用方便、信息量大、测试结果直观等特点而成为热工测试中一个非常有效的手段。对温度场形态的测量特别是对工艺过程和温度变化都很快的温度场的测量，尤其显示出红外成像的优势。因此，在燃烧、传热及冶金炉窑的热状态测试中可以得到广泛应用。由于辐射源本身的复杂性和干扰因素的影响，红外成像则更适合于对温度场和温度变化的对比分析，如何利用热成像系统的各种处理功能更准确地、更深入地定量化描述一个热过程或热状态，还值得进行进一步研究。