黑体辐射在工业冶炼金属镍中的应用
【研究】物理学史54黑体辐射的研究
【关键字】研究5.4黑体辐射的研究热辐射是19世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。
到19世纪末，由这个领域又打开了一个缺口，导致了量子论的诞生。
热辐射研究发展简史1800年，赫谢尔在观察太阳光谱的热效应时发现了红外线，并且证明红外线也遵守折射定律和反射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。
1821年，塞贝克（，1780—1831）发现温差电现象并用之于测量温度。
1830年，诺比利（L.Nobili，1784—1835）发明了热辐射测量仪。
他用温差电堆接收包括红外线在内的热辐射能量，再用不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。
他发现岩盐对热辐射几乎是完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器件。
与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。
例如：德国的夫琅和费在观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁锋尔（J.Tyndall，1820—1893）、美国的克罗瓦（，1833—1907）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。
其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。
例如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温度高；在冶炼金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。
因此，很早就对热辐射的能量分布问题发生了兴趣。
美国人兰利（Samuel Pierpont Langley，1834—1906）对热辐射做过很多工作。
1881年，他发明了热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量（图5－17）。
为了测量热辐射的能量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计中，测出能量随波长变化的曲线，从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图5－18）。
1886年，他用罗兰凹面光栅作色散元件，测到了相当精确的热辐射能量分布曲线。
黑体辐射原理的相关应用
黑体辐射原理的相关应用1. 黑体辐射原理的基本概念黑体辐射是指在一定温度下，物体会发出电磁波，其中包括可见光、红外线和紫外线等各种不同频率的电磁辐射。
黑体辐射的原理是基于物体内部原子、分子振动和电子跃迁等微观级别的现象。
2. 黑体辐射的应用领域黑体辐射的原理在多个领域的应用中扮演着重要角色。
下面列举了一些黑体辐射原理的相关应用：•热辐射计算和模拟：黑体辐射理论为计算和模拟热辐射提供了理论依据。
在工程领域，热辐射计算和模拟可用于设计太阳能热水器、温室和太阳能电池等设备。
•物体温度测量：基于黑体辐射原理，可以利用物体发出的红外线辐射来测量物体的温度。
这种测量方式广泛应用于红外热像仪、红外测温仪和红外体温计等设备中。
•光源设计：利用黑体辐射原理，可以选择合适的光源材料和结构，设计出具有特定光谱分布和颜色温度的光源。
这在照明工程中非常重要，因为各种场景（如户外景观、艺术展览等）对光源的要求不同。
•太阳能利用：太阳是一个近似于黑体辐射的物体，利用太阳能进行能源转换也是黑体辐射原理的一个重要应用。
太阳能电池板利用太阳的辐射能将其转化为电能，从而提供可再生能源。
•辐射制热和制冷：黑体辐射原理是制冷和制热过程中的重要基础。
例如，在空调系统中，利用黑体辐射原理，通过调节辐射面的温度，可以实现空气的制冷或制热。
•天体物理学：对黑体辐射原理的研究对于理解星体形成、演化和结构等天体物理学问题至关重要。
天文学家利用黑体辐射原理，通过观测天体的辐射谱线，研究天体的物理特性，如温度、组成和质量等。
•核能行业：黑体辐射原理在核能行业中也有一些应用。
例如，黑体辐射的计算和模拟可用于核反应堆的热设计和辐射剂量评估。
•红外线通信：黑体辐射中的红外线能够通过大气层传播，并可用于通信。
红外线通信常用于短距离通信系统，如红外遥控器和红外传感器等。
3. 总结黑体辐射原理是物体发出电磁辐射的基本原理。
在很多领域中，利用黑体辐射原理的各种应用已经渗透到我们的日常生活和工作中。
黑体辐射的原理的应用
黑体辐射的原理的应用1. 黑体辐射的基本原理黑体辐射是指没有反射和透过的物体在不同温度下所发射的电磁波。
根据黑体辐射的理论，黑体辐射的能量与温度的四次方成正比，即斯特藩-玻尔兹曼定律。
2. 黑体辐射的应用领域黑体辐射的原理在物理学和工程领域有着广泛的应用。
以下是几个主要的应用领域：a. 热辐射测温利用黑体辐射的特性，可以通过测量物体发射的热辐射来实现非接触式测温。
这在医学、工业和冶金等领域都有着重要的应用。
例如，在医学领域，可以通过测量人体表面的热辐射来判断体温，这在病毒传播风险高的情况下非常有用。
b. 太阳能电池太阳能电池是一种将太阳光转化为电能的装置，其中关键的组成部分是半导体材料。
半导体材料能够吸收所接收到的光子能量，并转化为电能。
太阳光作为一种黑体辐射，其能量可以被半导体材料吸收，从而产生电能。
c. 电炉电炉是一种利用电能产生高温的设备。
在电炉中，通过电流经过导体材料而产生的电阻热，在黑体辐射的原理下，会发射出热辐射。
这种热辐射能够提供高温环境，用于熔化金属和进行其他高温处理。
d. 星体物理学研究黑体辐射的理论在星体物理学的研究中有着重要的应用。
科学家可以通过研究天体发出的黑体辐射，来推断其温度、组成和其他物理性质。
对于远离地球的天体，这种方法是非常有用的，因为我们无法直接观测到这些天体的表面温度。
3. 黑体辐射的局限性黑体辐射的理论模型是一个理想化的模型，实际的物体很难真正达到这种理论模型的标准。
以下是黑体辐射应用中的一些局限性：a. 表面吸收率实际物体的表面吸收率并不是完全吸收所有入射的辐射能量，而是部分吸收并部分反射。
这导致实际物体的黑体辐射与理论模型的差异。
b. 发射频谱实际物体的黑体辐射频谱可能不完全符合理论模型的分布。
实际物体的发射频谱可能受到元素组成、温度分布和其他因素的影响。
c. 热传导和对流在实际应用中，物体的热传导和对流也是需要考虑的因素。
这些因素对物体的温度分布和热辐射有着重要影响。
黑体辐射的实际应用及原理
黑体辐射的实际应用及原理引言黑体辐射是热物体发射的电磁波的现象，它是物理学中一个重要的概念，在各个领域都有实际应用。
本文将介绍黑体辐射的基本原理，并探讨其在实际应用中的应用情况。
基本原理黑体是一个能够完全吸收所有进入它的电磁辐射并产生辐射的物体。
根据普朗克辐射定律，黑体辐射的能量与频率的关系可以由以下公式表示：E=ℎu其中，E是辐射的能量，ℎ是普朗克常数，u是辐射的频率。
根据维恩位移定律，黑体辐射的最大能量密度发生在一个与温度成反比的频率处。
具体公式为：$$\\lambda_{\\text{max}} = \\frac{b}{T}$$其中，$\\lambda_{\\text{max}}$ 是最大能量密度对应的波长，b是维恩位移常数，T是黑体的绝对温度。
实际应用黑体辐射在许多领域都有着广泛的应用。
下面将介绍一些常见的实际应用情况。
照明黑体辐射在照明领域有着重要的应用。
根据黑体辐射的原理，通过控制黑体的温度，可以调节其发出的光的颜色和亮度。
因此，黑体辐射被广泛应用于室内照明和舞台灯光等领域。
热辐射测温利用黑体辐射的原理，可以设计出热辐射测温的设备。
这类设备可以通过测量目标物体发出的辐射，来推算出物体的温度。
热辐射测温在工业生产和医学检测等领域都有重要的应用。
红外加热黑体辐射在红外加热领域也有着广泛的应用。
通过控制黑体的温度和红外辐射的方向，可以实现对物体的定点和定温加热。
这对于一些需要高温加热的工艺或实验非常有用。
能源利用黑体辐射在能源利用领域也具有重要的作用。
利用黑体辐射的原理，可以研发出更高效的太阳能电池和热能发电设备。
这些设备可以将太阳能或其他形式的能量转化为电能，提高能源利用效率。
天体物理学天体物理学中也广泛应用了黑体辐射的概念。
通过观测天体的黑体辐射特征，可以推测出它们的温度、组成成分以及年龄等信息。
这对于研究宇宙的起源和演化非常重要。
总结黑体辐射是热物体发射的电磁波的现象，它是物理学中一个重要的概念。
黑体辐射规律推广及其简单应用
黑体辐射规律推广及其简单应用
黑体辐射规律推广及其简单应用主要是指物体在受外界温度激发时，释放出的辐射。
根据它，物体表面温度越高，向它周围环境发射的辐射强度也越大。
简单来说，这就是黑体辐射定律，即一定温度下放射能量与该温度的第四次幂成正比。
这一定律使我们能够更好地了解物质之间的热能传递机制，精确预测能量传递和热量行为的变化。
黑体辐射的实际应用有很多，其中最常见的是在热工设计中，通过对物体表面温度和目标环境温度的分析，计算散热器面积，从而确定合理的热负荷，实现热效率的最高化。
此外，黑体辐射法还可用于冷却系统的设计，通过判断物体表面温度及环境温度，使散热器的冷却效果最大化，从而确保系统的有效运行。
此外，黑体辐射定律还可用于研究地球大气作用下物体表面温度的计算和分析，以确定某一天料的表面温度及特定环境的天料的表面温度。
此外，这一定律也可用于研究太阳能电池板的设计，以获得最高的能量利用率，并可应用于其他各种光伏电源装置，使其受环境温度影响最小。
总之，黑体辐射规律推广及其简单应用在物理与热工领域均有重要应用，它的原理研究深入，丰富了物理学的内容，也被广泛应用于实际领域，为许多科学技术的发展做出了重要贡献。
凸起黑体辐射元件对锻压炉炉膛辐射换热的影响
第16卷第1期2016年3月Vol.16No.1Mar，2016南京师范大学学报（工程技术版）JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY（ENGINEERING AND TECHNOLOGY EDITION）doi：10.3969/j.issn.1672-1292.2016.01.008凸起黑体辐射元件对锻压炉炉膛辐射换热的影响支静涛1，刘浩2，苏贤伟1，杨宏旻1（1.南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京210042）（2.中国城市建设研究院有限公司，北京100120）［摘要］开展了利用黑体凸起结构强化钢厂热锻压炉炉膛辐射传热的数值研究.采用Gambit软件设计出模拟炉膛段，利用Fluent软件对炉膛段内辐射传热过程进行了耦合数值模拟，获得了炉膛内烟气的流场、温度场以及锻钢表面辐射热流密度.分析了炉壁表面黑度以及不同凸起结构对辐射传热效果的影响规律.结果表明，提高炉膛内壁黑度以及加装凸起辐射元件对炉膛内辐射传热有显著的强化作用.通过Gambit模拟改变辐射元件的尺寸、形状，得到最佳的安装方案可以提高炉膛内烟气15%的辐射传热效率.［关键词］黑度，辐射换热，数值模拟，凸起辐射元件，辐射热流密度［中图分类号］TK01+8［文献标志码］A［文章编号］1672-1292（2016）01-0048-05The Effects of Raised Radiation Elements on RadiationHeat Transfer in Forging FurnaceZhi Jingtao1，Liu Hao2，Su Xianwei1，Yang Hongmin1（1.School of Energy and Mechanical Engineering，Nanjing Normal University，Nanjing210000，China）（2.China Urban Construction Design&Research Institute Co.Ltd.，Beijing100120，China）Abstract：This paper carries out numerical study on the enhancement of radiation heat transfer in forging furnace byraised radiation elements.The simulated furnace is designed by Gambit.The coupled heat transfer process in thefurnace is numerically simulated by Fluent，from which details information of the flue gas temperature field and the radiation heat flux density in the furnace are obtained.The effects of furnace wall emissivity and different shapes ofraised radiation elements on radiation heat transfer in forging furnace are analyzed.The results show that，the radiation heat transfer efficiency can be enhanced by increasing the furnace wall emissivity and installing raised radiationelements with high emissivity.By changing the size and shapes of the radiation elements，15%increase of radiation heat transfer efficiency can be achieved.Key words：emissivity，radiation heat transfer，numerical simulation，raised radiation element，radiation heat flux density长久以来，钢铁工业一直是一个高能耗、高污染的产业.同时，它也是节能潜力最大的行业之一.伴随着经济的发展，钢材需求量的递增，钢铁产业面临着越来越严峻的节能减排压力.近年来，中国钢铁工业节能减排工作虽然取得了一些成绩，但在提高二次能源回收利用水平方面还有待进一步提高.提高加热炉的余热利用是节能减排的一项重要举措.利用高温烟气的余热对钢材进行加热，可以有效回收余热，节约能源.在加热通道中，由于烟气温度较高，辐射传热成为这一阶段最主要的传热方式，其传热量占到总传热量的80%以上.因此，强化这一阶段的辐射传热对于烟气余热回收具有重要意义.用Fluent数值模拟的方法对锻压炉炉膛内辐射换热进行模拟计算，可以为实际工业过程提供理论依据.张志诚等［1］人利用Fluent模拟计算，得出乙烯裂解炉炉膛内烟气的流场、燃料燃烧和烟气温度场.进而得到了在保持燃料量不变的情况下，通过安装热辐射元件强化炉壁的辐射传热，可以显著提高炉膛烟气的平均温度和传热效率；在保持炉管内介质吸热量不变的条件下，强化炉壁的辐射传热后可以减少10%的燃料量的结果.Detemmerman等［2］以及Heynderickx等［3］，利用Fluent和CFD方法对炉膛辐射传热收稿日期：2015-12-09.通讯联系人：杨宏旻，教授，研究方向：燃烧与污染物控制理论与技术，E-mail：yanghongmin@支静涛，等：凸起黑体辐射元件对锻压炉炉膛辐射换热的影响行过深入研究并得到了炉膛和炉管内详细的浓度场、速度场和温度场的分布.蓝兴英等［4］、胡桂华等［5-6］，都曾用CFD 方法对炉膛辐射传热进行过深入研究并得到了炉膛和炉管内详细的浓度场、速度场和温度场的分布.本文在已有研究基础上，进行了以下几方面的工作：一是利用Gambit 设计出模拟锻压炉炉膛段以及安装好的凸起黑体辐射元件；二是通过Fluent 模拟炉膛中辐射传热情况；三是对计算结果进行分析，得出烟道内壁黑度以及加装凸起黑体辐射元件对于锻压炉炉膛内内辐射传热的影响，为实际钢厂中锻压炉炉膛的节能改造提供理论依据.1模拟对象及工况用Gambit 设计出长2m 、宽1m 、高0.5m 的模拟锻压炉炉膛段.辐射元件简化为烟道上表面几个凸起的立体结构，形状设计分别为立方体、圆柱体、半球型.其中，每种形状的辐射元件再分类为中间打孔和不打孔两种.所用材料在Fluent 中自定义设置为Al 2O 3.以立方体辐射元件为例，如图1所示，在2m 长、1m 宽的上表面上共布置了21个立方体辐射元件.各形状辐射元件具体参数如表1所示.右面为炉膛进口，高温烟气从此进入炉膛段.左面为烟气出口.下表面设置材料属性为钢，用来模拟实际过程中被加热的钢板.其余各面设置为绝热表面.利用Gambit 对烟道进行网格划分，对辐射元件进行加密处理.得到的总网格数量约为30万个.图1安装立方体辐射元件的锻压炉炉膛几何模型Fig.1The geometrical model of forging furnace withcubical raised radiating elements 表1辐射元件尺寸参数Table 1The dimensions of the radiating element立方体圆柱体半球体长/m15——宽/m 15——高/cm 1515—半径/cm —7.57.52数学模型2.1湍流模型因湍流效应对辐射传热有一定的影响，故本文采用标准k-ε双方程模型［7］.其表达形式为：∂(ρϕ)∂t +∂(ρU j ϕ)∂x j =∂∂x j æèçöø÷Γϕ∂ϕ∂x j +S ϕ，（1）式中，ϕ为广义因变量；ρ为气体密度；Γϕ为广义扩散系数；S ϕ为广义源项，j =1，2，3.2.2辐射模型在炉膛中，因壁面温度和烟气温度都很高，故辐射传热在这一区域在主导地位.选择合适的辐射模型对于本例中的数值模拟分析尤为重要.Fluent 中主要有五种辐射模型：DTRM 模型、P1模型、Rosseland 模型、DO 模型、S2S 模型［8］.本文选择DO 模型是因为其基本能满足所有光学深度区间的辐射问题的求解，且内存和计算机开销都适中［9］.在直角坐标系下，辐射传递方程可以写为以下形式：μ∂I ∂x +ξ∂I ∂y +η∂I ∂z =-(k α+k S )I +k αI b +k S 4π∫4πϕ(Ω,Ω′)I d Ω′，（2）其中，k α和k S 分别为介质的吸收系数和散射系数；I 和I b 分别为辐射强度和黑体辐射强度.3边界条件为方便计算，本次模拟采用的烟气统一为氮气.设炉膛右面为速度入口（velocity inlet ），设进口烟气温度为1473K ，进口流速为1m/s ，气体吸收率为0.33.设置炉膛左面为出口，采用自由出口边界条件（outflow ）.南京师范大学学报（工程技术版）第16卷第1期（2016年）内壁面除下表面外统一设置为不可渗透、无滑移绝热边界条件.给定壁面温度1423K ，黑度分别设置为0.2、0.5、0.96来研究不同黑度的炉膛内壁对炉膛内辐射换热的影响.下表面设置为换热壁面来模拟加热钢板，黑度设置为0.28.通过Fluent 计算出通过底面钢板的辐射热流密度大小，以此来判断不同情况下炉膛中辐射传热的强弱.显然，辐射热流密度越大，辐射传热效果就越好.加装的辐射元件所用材料为Al 2O 3，形状及尺寸已在上文中给出.其壁面黑度均设置为0.96，表面温度给定为1373K.在这三种形状的基础上，对辐射元件进行打孔处理又可以得到三种不同的工况（壁面黑度及温度保持不变）.4计算结果分析用Fluent 模拟计算结果如表2所示，其中第四、五列分别为经过最底面钢板的辐射热流密度、总热流密度.将第四列数据用柱状图表示，如图2所示.可以清楚地看到随着改变墙壁黑度以及辐射元件的安装情况，辐射传热效率随之改变.表2各工况模拟计算结果Table 2Calculation results1.不安装辐射元件（0.2）2.不安装辐射元件（0.5）3.不安装辐射元件（0.96）4.安装立方体辐射元件（不打孔）5.安装半球形辐射元件（不打孔）6.安装圆柱体辐射元件（不打孔）7.安装立方体辐射元件（打孔）8.安装半球形辐射元件（打孔）9.安装圆柱体辐射元件（打孔）进口温度/K 147314731473147314731473147314731473出口温度/K137813651353134513471350134013461351辐射热流密度/（W/m 2）419584282343535464094482045795482434735048066总热流密度/（W/m 2）471274799648311523975060051266539695282753687观察图2，X 轴上1到9分别对应表2中的9种工况.观察工况1到3，可以发现，在不额外安装辐射元件的情况下，随着烟道内墙壁黑度的增加（从0.2到0.5到热流密度呈现出增大的趋势.即烟道内墙壁黑度越高，辐射效率也就越高.若将墙壁黑度0.96作为不变量，观察工况4到6，发现安装辐射元件后（此时墙壁黑度保持为0.96），其辐射热流密度以及总热流密度均有明显增大的趋势.其中立方体（工况4）结构辐射元件与圆柱体结构辐射元件效果较好，半球形结构辐射元件（工况5）效果略差.此时，再对工况4到6中的辐射元件进行打孔处理，得到工况7到9.可以发现，在辐射元件进行打孔处理后，辐射热流密度和总热流密度又有显著增加.同样地，立方体（工况7）和圆柱体结构（工况9）的效果仍然好于半球形结构（工况8）.很显然，增加墙体黑度对于炉膛内辐射传热具有一定的增强作用.而在保持墙体高黑度的情况下，另外安装辐射元件，可以进一步的提高烟气辐射传热效率.因为辐射元件的安装使原来光滑的壁面变成了凹凸不平的壁面，从而增加了辐射面积［10］.根据Stefan -Boltzmann 定律，炉膛壁面和钢板之间的辐射传热量可以表示为以下形式：ϕ=σ(ε1A 1T 14-ε2A 2T 42)，（3）式中，ϕ为辐射热流量；σ为黑体辐射常数，其值为5.67×10-8；ε1、ε2分别为炉壁和管壁的辐射率；A 1、A 2分别为炉壁和管壁的表面积；T 1、T 2分别为炉壁和管壁的热力学温度.故当ε1和A 1增大时，辐射换热量会有显著增加.因立方体结构的辐射元件增加的辐射面积较大，故其对辐射换热的强化效果也最好.在辐射图2不同工况下通过钢板的辐射热流密度和总热流密度Fig.2The radiant heat flux and total heat flux through the steel plate in different working conditions支静涛，等：凸起黑体辐射元件对锻压炉炉膛辐射换热的影响元件上打孔后，辐射热流密度又进一步增大［11］.这是因为打孔后，辐射元件的表面积进一步增大，随之辐射面积也进一步增大了［12］.同时，打孔处理又对辐射热流的传递起到了一个向着正下方的导向性作用［13］.进一步分析计算所得数据，得出辐射传热效率增量.以墙体黑度为0.2并且不安装任何辐射元件的工况1作为比较的标准，通过计算得出了表3的结果.表中的1到9分别对应上文中提到的9中工况.可见，通过增加墙壁黑度，并且安装辐射元件以增加辐射面积从而提高锻压炉炉膛内辐射传热效率的方案是可行的.其中，辐射元件的形状最好选用立方体或圆柱体，并且对其进行打孔处理，这样能使其辐射传热效率的增加最高达到约15%［14］.表3辐射传热效率增加量Table3The improvement of radiation heat transfer efficiency辐射传热效率增量122.06%33.76%410.61%56.82%69.14%714.98%812.85%914.56%5结论（1）模拟结果表明，增加锻压炉炉膛内壁的黑度可以有效强化其辐射换热效率.因此选用高发射率的涂料对炉膛内壁进行加工可以起到节能减排的作用.（2）安装凸起黑体辐射元件可以有效增加炉膛内壁的辐射面积，从而达到增加辐射换热效率的结果.且选用立方体或圆柱体结构的辐射元件效果最好，因为其能最大程度的增加辐射面积.（3）在辐射元件内部打孔，增大了辐射元件的辐射面积，同时对辐射热流具有导向作用，可以更大程度地提高烟道内辐射换热效率.因此，选用高发射率的涂料加工烟道内壁，并安装打孔立方体辐射元件，对于钢铁厂的节能减排具有重要的意义.［参考文献］（References）［1］张志诚.强化辐射对工业炉内传热过程影响的耦合模拟［J］.工程力学，2015，32（1）：218-225.ZHANG Z C.Coupled simulation about the effect of enhanced radiation on heat transfer process in industrial furnace［J］.Engineering mechanics，2015，32（1）：218-225.（in Chinese）［2］DETEMMERMAN T，FROMENT 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加热炉黑体技术 表面材料成分
一、概述加热炉是工业生产中常用的设备，通过对物体进行加热，使其达到一定温度以便进行下一步加工或变形。
而加热炉黑体技术是指利用黑体辐射加热原理，通过对表面材料成分进行精确管理，实现对加热炉温度的精确控制和能量的高效利用。
本文将就加热炉黑体技术和表面材料成分等相关内容进行详细介绍。
二、加热炉黑体技术原理1.黑体辐射加热原理黑体是指具有理想吸收特性和完全非反射特性的物体，能够吸收所有入射到其表面的辐射能，并将其转化为热能。
在加热炉中，利用黑体辐射加热原理，对物体进行加热，使得表面温度达到所需温度，从而实现对物体的加热处理。
2.加热炉黑体技术优势加热炉黑体技术相较于传统的加热方式具有诸多优势，主要包括以下几点：- 温度控制精准：由于黑体辐射加热的特性，能够实现对加热炉温度的精确控制，避免因温度过高或过低而导致的加工质量不佳。
- 能量利用高效：黑体辐射能够将辐射能转化为热能，能量利用效率高，节能环保。
- 加热均匀：黑体辐射加热能够实现对物体表面的均匀加热，避免因温度不均匀而导致的加工质量问题。
三、表面材料成分1.金属材料金属材料是加热炉常见的加工对象之一，常用的金属材料包括铁、铜、铝等，这些金属材料的成分主要以金属元素为主，具有良好的导热性和强度，适合在加热炉中进行加工处理。
2.非金属材料除了金属材料外，加热炉也常用于处理一些非金属材料。
比如陶瓷材料、塑料材料等，这些非金属材料的成分复杂，需要根据具体材料的特性进行相应的加热处理，以确保加热效果和加工质量。
3.表面涂层成分在加热炉中，还常常需要对物体进行表面涂层处理，比如喷涂、电镀等。
对于表面涂层的材料成分需求也较为特殊，需要根据涂层材料的特性和要求进行精细控制，确保涂层的附着力和密度。
四、加热炉黑体技术和表面材料成分的关系1.温度控制对于不同成分的表面材料，其加热温度要求各异。
利用加热炉黑体技术，可以精准控制加热炉的温度，满足不同表面材料成分的加热要求。
常用光辐射源
比 较：
2.1 黑体辐射
普朗克辐射公式 －－光谱辐射能分布
维恩位移定律 －－峰值波长
斯蒂芬－玻尔兹曼定律 －－总辐射出度
光光电电科科学学与与工程程学学院院
CColollelgeegeOOf fOOpptoteoleelcetcrtircicSSciceinenceceananddEEnngignineereirningg
Meb(,T)5(ec2c/1T 1)
降低武器平台的温度 后，红外辐射的峰值 波长的辐出度将按温
度5次方的关系向长波
斯蒂芬—玻尔兹曼定律的一个特殊形式 方向偏离．根据降低 ——黑体光谱辐射出射度峰值的表达式： 的温度数值，可以具
体计算武器平台红外
M BT ebλm
5 辐射的峰值是否移出 红外探测器的探测范 围，进而评估红外隐 身的效果．
3．维恩位移定律 Meb(,T)5(ec2c/1T 1)
2.1 黑体辐射
峰值波长
m T h/5 c k 28 ( μ9 m K )8
红外技术中，用维恩定律计算出某一温度的峰值 波长，以确定红外探测院院
CColollelgeegeOOf fOOpptoteoleelcetcrtircicSSciceinenceceananddEEnngignineereirningg
2.1 黑体辐射
能够在任何温度下全部吸收所有波长辐 射的物体叫绝对黑体－－简称黑体
M e(b ,T )(,T )E e(b ,T )
辐射出度
辐射照度
(,T)1
－－黑体
(,T)1
－－其他物体
光光电电科科学学与与工程程学学院院
CColollelgeegeOOf fOOpptoteoleelcetcrtircicSSciceinenceceananddEEnngignineereirningg
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两端存在温差时。其两端可产生电动势差。并且，该
电动势和温差基本上成线性关系，因此可用热电偶
来测量温度．本系统中将热电偶的一端置为固定温 度，如Ｏ℃，于是该热电偶的电动势就是另一端的电
圈１热电儡工作原曩
收稿日期：２００７—１１—２０
—３０一 万方数据
压值。热电偶模型如图ｌ所示。 ． 由斯特著一波尔兹曼定律可知．
今依然采用消耗型快速热电偶人工间断式测量钢水温度。
钢水连续测温的困难在于，一方面钢水介质温度高，氧化性强，表面渣层侵蚀严重且有
冲刷，测温现场环境恶劣，另一方面要求测量精度高、可靠性高和成本低。
本论文的前期工作基础是：已提出黑体空腔中间包钢水连续测温方法
；研制出黑体空腔传感器及测量系统；提出了腔体不等温系数概念并建立了在线黑体空腔理论。
２基本原理
黑体：黑体是一种假设，实际并不存在，它能够完全吸收一切外来的电磁辐射，本文将
冶煤炉上开的小孔近似为理想黑体。
黑体辐出度：它是指从温度为Ｔ的黑体上，在单位时间单位面积上辐射出的所有的电
磁辐射能量的总和，简称辐出度。在本系统中，用热电偶来接收黑体辐射出的能量，以建
立一个热一电转换器。
热电偶：它是由不同材质的金属构成，当金属
冶炼炉是一个高温系统，假定在冶炼炉上开的一个小孔为理想黑体，本系统如图３。 把这个小孔作为处理的基本对象，从小孔发射出的光通过光路选择系统（这一部分可由透 镜、平行光管、分光镜等部分组成）进行处理。将一定频带的光照射在热电偶的工作端。由 于“标识色”是一个复合光．它包含一定的频谱范围。所以使用光路选择系统将该部分的光 选择出来以供测量，照射到热电偶上以后，热电偶将热能转换为电能。对于电信号．处理起 来就比较容易了。
这样，从设计思路上巧妙地避计了对冶炼炉温度的直接测量：一个简单的闭环温度控
制系统基本形成。其工作原理如下所述：
首先。从热电偶上获得的微弱电动势信号通过运算放大器进行放大，放大倍数可以根
据实际情况确定。一般选用高精度的运放以提高精度减小误差。将放大后的电压信号通
过ＡＤ转换器，转换为处理器能够识别的数字信号。微控制器可以选择通用的５ｌ系列。也
同的电压值对应的金属镍的品质因数，将这些测试出的数据存人处理器的ＲＡＭ中作为将
来判断出炉时间的依据。
温度控制环节可采用工业常用的ＰＩＤ控制算法。因为当温度过高辐出度会随着温度
的变化而剧烈变化（辐出度和温度的四次分成正比），温度控制环节可采采用工业常用的
ＰＩＤ控制算法．由于温度不会发生骤变，但辐出度会随着温度升高而发生剧烈的变化，可
ｄｏｓｅｄ一】唧ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｅｌｅｃ在Ｄｍｏａｖｅ ｆｏｒｃｅ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｒＤＩＩｇＩＩ ａ ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｏ ｆｏｒｍ Ｂ
ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｆｅｅ曲ａｃｋ．ｔＯ ｆｏｒｍ ａ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．
大学物理实验 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE 2008，21(1) 0次
参考文献(2条) 1.赵志芳 大学物理实验 2.李元春 计算机控制系统
相似文献(10条)
1.期刊论文 张景异 黑体炉精度的实验研究 -重庆工学院学报2003,17(2)
测量了不带盖圆筒形黑体空腔黑体炉在400～800℃温域内的温度分布,根据测量结果,对其黑体空腔的有效发射率分布进行了计算.划分了黑体炉中温 域的精度等级,结果表明在400～800℃较低温度范围内,不带盖圆筒形黑体炉的精度在0.02～0.03级之间.
肘（ｒ）＝』ｆ＾毛西＝口ｒ 其中口为波尔兹曼常量口＝５．６７０×ｌＯ．‘形·ｍ。２后“
由维恩位移定律可知．当温度升高时起峰值被长Ａ．向短波方向移动，如图２
Ａ．ｒ＝０
。
（２）
其中ｂ为常量。ｂ＝２．８９８ｘ ｉＯ。ｍ·｜｜｝
根据热电偶测温原理，可以知道热电偶上·
的电动势和温度成线性关系
Ｅ＝七×△Ｔ＋ｐ
（３）
可以根据实际情况选用功能更强的单片机。微控制器收到信号后，进行判断看是否达到
出炉时间，若到了出炉时间，则发出警告，通知操作人员进行出炉准备，否则，就去控制温
度控制器，选择是否继续加温。
．
该自动控制系统的一个重要环节就是确定出炉时的电压值。那么出炉时的参考电压
应该是多少呢？本系统将通过离散化模拟量，逐渐逼近出炉电压。在系统工作之前，需要
ｉｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔＯ ｔｈａｔ ｉｄｅａｌ ｂｌａｃｋｂｏｄｙ，Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ ｔＩＩｒ口ｕｇＩＩ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｈｏｏｓｅ ｓｙｓｔｅｍ。
ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｒＩａｌ ｉｎ ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ ＷａＳ ｍａｇｎｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｉ５Ⅲａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
·
参考文献
［ｉ】赵志芳主编．大学物理实．验．清华大学出版社 ［２】李元春．计算机控制系统．高等教育出版社
ＴＨＥ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ０Ｆ ＢＬＡＣＫＢＯＤＹ ＲＡＤＬ虹ＩＯＮ ＩＮ ＴＨＥ Ｍ匝ＴＡＬ Ｎｉ ＳＭ匝ＬＴＤｉＧ Ｄ『ＤＵＳＴＲｍＳ
Ｃｈｅｎ Ｃｈｕｎｄｅｎｇ．Ｗａｎｇ Ｌｉｎａｎ ｔａｎｇ Ｃｈｅｎｇ
第２ｌ卷第１期 ２００８年３月出版
．大学物理实验·’
ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴ ＯＦ ＣＯＵＪ｝ＣＥ
文章缩号：１００７—２９３４｛２００８）０１—００３０—０４
¨．２１ Ｎｏ．１
Ｍ盯．２瞄
黑体辐射在工业冶炼金属镍中的应用
陈春登 王丽南 朗 成
（吉林化工学院，古林，１３２０２２）
摘要本文主要介绍一种金属镍出炉时同的自动控制方法。在冶镍炉上开一个小
其中．｜｝、卢都是常数，对给定材料的热电偶
ｊＩ、卢都是确定的。而物体由于温度升高
而获得的能量由下式给出，
口＝Ｃ·ｍ·Ａ ｒ
（４）
其中Ｑ是物体吸收或者释放的能量，Ｃ 是比热，ｍ是物体的质量，△ｒ是由于吸
收或者是释放能量以后的温度变化量。
考虑黑体的面积ｓ和对热电偶的辐射对 问ｔ。由以上四式可以得出如下的电动势
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｂ／ａｃｋｂｏｄｙ；ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐＩｅ；ＳＣＭ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｕｖｌ；Ⅳｉ ｓｍｅｌｔｉｎｇ／ｎｄｕｓ时
万方数据
一３３—
黑体辐射在工业冶炼金属镍中的应用
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
陈春登， 王丽南， 朗成， Chen Chundeng， Wang Linan， Lang Cheng 吉林化工学院,吉林,132022
孔，近似认为是理想黑体，通过光路选择系统将辐射出的光照射在热电偶上，然后将热
电偶上的电压信号用运算放大器放大，司ｆ以获得温度和电动势之问的关系。通过一个
微控制器形成一个闭环的测温和反馈系统，以构成一个实时的控制系统。
关键词黑体、热电偶、单片机、自动控制、工业冶镍
中圈分类号：０４—３３
文献标识码：Ａ
１ 引言
(3)建立了黑体空腔钢水温度连续测量系统的精度方程：从材料发射率变化、钢水液位波
动这两个主要因素研究了黑体空腔钢水温度连续传感器的精度，从理论分析上得出黑体空腔传感器本身测量精度≤1.1℃这一重要结论。这一工作证明
，低成本的空芯管(黑体空腔钢水连续测温传感器)比昂贵的工业用双铂铑热电偶传感器(误差±4℃)具有更高测量准确性。该工作作为黑体空腔传感器测
初始化处理器，所需数据应该来自人工测试，这项工作可以让有经验的操作人员来处理。
当炉火出现“标识色”时。系统并不是根据这个颜色来决定出炉时间，而是在这个“标识色”
附近取若干个离散的点进行测试，比如Ⅳ取５０，即是在出现“标识色”的前取４５个点，后
取５个点分别取出样品，测试金属镍的品质，并以此形成数据表格，这张表格上记录着不
工业上冶炼金属镍。出炉时间极难控制，主要是因为出炉时间直接影响着金属镲的质 量和品质。传统上判断出炉时间只能依靠经验，有经验的工人师傅发现炉火为“孔雀蓝” （以后称标识色）时，即是出炉的最好时机。但不同的人之间存在色差，即便是同一种颜 色，不同的人也会有不同的感觉。准确把握出炉时间便成为冶炼技术中的难题。为了精确 和自动地控制金属镍的出炉时间，本文提出了一种实施方法。
2.学位论文 次英 黑体空腔中间包钢水连续测温传感器准确性与实用性研究 2006
钢水温度连续测量多年来一直是冶金生产上未能很好解决的难题。
上世纪60年代以后消耗型快速热电偶逐渐完善并成为测量钢水温度的标准
技术。其贡献在于实现了对钢水温度的测量，成本低和实用性强。不足是：误差较大；艺
圈２为对曩体的辐出度按渡长分布曲终
Ｅ和波长Ａ。之间的关系，
·
Ｅ＝筹·（三）‘＋Ｊ９ ’
Ｌｍ
＿
’
二旦系统的相关材料确定了，则！警为一常量。令它为口．则有，
（５）Ａ
‘，
’’
７
Ｉ
Ｅ＝ａ＇ｔ（击）４＋Ｊ９
（６）
一－
通过斯特穆一波尔兹曼定律和维恩位移定律建立了热电偶上电动势Ｅ和波长Ａ．之间的
关系。
气 暮圣泰工作厦理
运算放大器将热电偶上的微弱的电压信号进行放大，仰转换器将模拟信号转换为
数字信号供微处理器进行使用。微控制器负贡控制温度控制器和报警模块，以实时监控 出炉预警和温度控制器。
万方数据
一３ｌ一
‘
２
７
６
５
４
１冶炼炉２光路选择系统３热电偶４运算放大器
５＾Ｄ转换器６微控制器７报警模块８沮度控制器
圈３系统工作原理框图
Carlo方法分析了黑体空腔传感器的辐射特性，研究了腔体材料发射率和腔体结构对腔体辐射特性的影响。