红外检测技术在工业炉窑耐火材料损伤检测中的方法

工业炉窑是钢铁、水泥、陶瓷等行业的核心装备，其运行可靠性依赖于耐火材料的性能。然而，高温、热冲击、物料冲刷等极端环境会导致耐火材料出现裂缝、剥落、侵蚀等损伤，若未及时检测可能引发炉体泄漏、停产甚至安全事故。传统检测方法（如人工巡检、内窥镜）存在效率低、接触式易损伤设备等局限，而红外检测技术凭借非接触、实时、可视化的优势，成为工业炉窑耐火材料损伤检测的重要手段。本文将系统阐述红外检测技术在该领域的具体方法，涵盖原理、特征识别、操作流程及干扰排除等关键环节。

红外检测技术的基本原理

红外检测的核心依据是黑体辐射定律：任何温度高于绝对零度的物体都会发射红外热辐射，其辐射能量与温度的四次方成正比（斯蒂芬-玻尔兹曼定律），辐射峰值波长与温度成反比（维恩位移定律）。耐火材料作为热工设备的隔热层，其内部结构的完整性直接影响热流的传导路径——当耐火材料出现损伤（如裂缝、剥落）时，损伤区域的导热系数会发生变化（如裂缝处空气的导热系数远低于耐火材料，导致局部热流阻滞；剥落处耐火层变薄，热流更容易传导至表面），进而引起炉体表面温度分布异常。

红外热像仪通过光学系统接收炉体表面的红外辐射，经探测器（如碲镉汞、非晶硅）转换为电信号，再通过信号处理生成热像图——热像图以不同颜色（或灰度）代表不同温度，温度差异直观反映耐火材料的损伤区域。例如，裂缝处因隔热性下降，表面温度会高于周围区域，在热像图上呈现“亮带”；剥落处若内部有空腔，会形成“低温区”（空腔内空气隔热）或“高温区”（耐火层变薄导致热量泄漏）。

耐火材料损伤的红外特征分析

不同类型的耐火材料损伤对应不同的红外热像特征，是损伤识别的关键依据：

1、裂缝：多表现为线性或分支状的温度异常带。若裂缝穿透耐火层至保温层，内部热流泄漏会使裂缝处表面温度升高，热像图上呈现连续的“亮线”；若裂缝未穿透，仅在耐火层内部，可能因裂缝内的空气隔热，形成“暗线”（温度低于周围）。例如，回转窑的窑衬裂缝多为周向或轴向的线性亮带，对应滚圈挤压或热膨胀不均导致的损伤。

2、剥落：表现为局部区域的温度突变。若剥落处的耐火层完全脱落，露出内部的保温层或金属壳体，表面温度会显著升高（因保温层的隔热性差于耐火材料），热像图上呈现“亮斑”；若剥落处仍有残留的耐火材料，可能因内部空腔的存在，形成“高低温交替区”（空腔内空气隔热，周围残留耐火材料的温度较高）。例如，加热炉炉顶的剥落区常呈现圆形或不规则的亮斑，边缘有明显的温度梯度。

3、侵蚀：表现为大面积的温度异常区，边缘模糊。侵蚀是耐火材料受物料冲刷或化学腐蚀导致的厚度减薄，受侵蚀区域的导热系数变化较小，但因厚度变薄，热流传导效率提高，表面温度会逐渐升高，形成“渐变式亮区”。例如，竖窑窑壁下部的侵蚀区，因受物料下落的冲刷，表面温度从边缘向中心逐渐升高，热像图上呈现“晕状”的温度分布。

检测前的准备工作

工业现场的复杂性（如高温、粉尘、震动）会影响红外检测的准确性，因此检测前需做好充分准备：

1、设备校准：使用黑体炉对红外热像仪进行温度校准，确保温度测量误差在±1℃以内（根据炉窑温度范围选择合适的黑体温度，如1000℃的炉窑需用高温黑体校准）；检查镜头的清洁度，若有灰尘或油污，用专用镜头纸擦拭，避免影响热辐射的接收。

2、现场调研：收集炉窑的结构图纸、运行参数（如工作温度、转速、物料类型）及历史损伤记录，确定易损伤部位（如回转窑的滚圈附近、竖窑的窑壁下部）；清理炉体表面的灰尘、油污或结皮，因为这些覆盖物会吸收或反射红外辐射，导致热像图失真——例如，清理回转窑表面的窑皮（物料结壳）时，需用工具轻轻刮除，避免损伤耐火层。

3、环境控制：选择炉窑处于稳定运行状态时检测（如回转窑的转速稳定、加热炉的温度恒定），避免生产波动导致的温度变化干扰；若检测环境的风速较大（超过2m/s），需用防风罩遮挡检测区域，或选择风速较小时检测，因为风会加速炉体表面的热损失，导致温度测量值偏低。

现场检测的操作流程

现场检测需遵循标准化流程，确保数据的完整性和可比性：

1、确定检测范围：根据炉窑的结构和易损伤部位，标记检测区域（如回转窑的整个窑体、加热炉的炉顶和炉墙），用粉笔或胶带画出边界，避免漏扫。

2、设定扫描参数：根据检测距离和区域大小选择合适的镜头焦距（如检测10m外的回转窑，需用长焦镜头；检测近距离的竖窑窑壁，用广角镜头）；调整热像仪的温度范围（如炉体表面温度为300-800℃，需将温度量程设为200-900℃）；设定帧频为15fps，确保动态扫描时的图像清晰度。

3、执行扫描：采用“光栅式”或“螺旋式”扫描路径——光栅式适用于平面区域（如加热炉炉墙），沿水平方向逐行扫描；螺旋式适用于回转窑，从一端开始沿窑体转动方向螺旋前进。扫描时保持热像仪与炉体表面距离恒定（1-5m），移动速度均匀（0.5m/s），避免因距离或速度变化导致的误差。

4、数据记录：同步记录检测时间、炉内温度、环境温度、风速及检测区域位置（如回转窑的窑位号），这些参数将用于后续分析和对比。

数据处理与分析方法

原始热像图可能存在噪声或对比度低的问题，需通过数据处理提取有效信息：

1、图像预处理：用高斯滤波（3×3核）去除噪声，保留损伤边缘；采用直方图均衡化增强对比度，使温度差异更明显；通过伪彩色编码（如铁红、彩虹色）将灰度图转换为彩色，用红色表示高温区、蓝色表示低温区，直观显示损伤。

2、温度场分析：利用热像仪软件（如FLIR Tools）提取温度场数据，生成等温线图或分布曲线。例如，分析回转窑周向温度曲线，若某位置温度明显高于相邻区域，说明该区域耐火层可能损伤；分析加热炉炉顶等温线，若呈闭合环状，说明存在剥落或裂缝。

3、损伤识别：采用阈值法（设定ΔT=10℃）标记损伤区域，或用卷积神经网络（CNN）自动识别裂缝、剥落等类型——CNN通过训练大量热像图数据，可快速定位损伤位置，准确率达90%以上，适用于大面积检测。

不同炉窑类型的适配方法

不同炉窑的结构和工作环境不同，需调整检测方法：

1、回转窑：因窑体转动，需用带云台的热像仪同步跟踪，保持角度恒定；扫描路径采用“轴向+周向”结合，沿轴向移动的同时跟踪周向转动，覆盖整个窑体。

2、竖窑：重点检测窑壁上部（热冲击）和下部（物料冲刷），高处区域用升降平台或无人机检测；避开物料填充区，避免物料遮挡热辐射。

3、加热炉：选择停炉或保温阶段检测（炉内温度<500℃），避免火焰干扰；关闭炉门或遮挡炉口，减少炉内热辐射影响；重点检测炉顶（炉气侵蚀）和炉墙（物料碰撞）。

常见干扰因素及排除方法

工业现场的干扰会影响检测准确性，需针对性排除：

1、炉内气氛干扰：粉尘、水汽会吸收红外辐射，导致热像图模糊。解决方法：选择长波红外热像仪（8-14μm，穿透性好）；检测前用压缩空气吹扫炉内积灰，减少粉尘浓度。

2、外界温度干扰：冬季环境温度低，炉体热损失大，温度测量值偏低。解决方法：用保温罩遮挡未检测区域，或在相同环境条件下对比检测，通过差值法消除影响。

3、设备震动干扰：回转窑震动会导致热像仪晃动，图像模糊。解决方法：将热像仪固定在三脚架或减震平台上；或使用带图像稳定功能的热像仪（如FLIR T1040），自动补偿位移。