СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ БИЛЛЕТА/СЛЯБА ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ЛИТЬЕ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE OF BILLET/SLAB SURFACE DURING CONTINUOUS CASTING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для измерения температуры, применяемому для измерения температуры поверхности биллета/сляба в процессе непрерывного литья, и способу измерения температуры поверхности биллета/сляба с применением устройства для измерения температуры.
Уровень техники
На качество получаемого при непрерывном литье биллета/сляба, зависящее от наличия в них дефектов, таких как трещины и пористость, главным образом, влияет распределение и интенсивность подачи воды для вторичного охлаждения, в связи с этим температура поверхности биллета/сляба во время процесса непрерывного литья является важным параметром для обратной связи при управлении подачей воды для вторичного охлаждения. Однако измерение температуры поверхности биллета/сляба связано с определенными трудностями, вызванными случайным образованием железной окалины на поверхности биллета/сляба, и с неблагоприятными условиями измерения, например, такими как высокая температура, выделение пара и т.д. До настоящего времени не найдено эффективного решения этой технологической проблемы, что является основной причиной, по которой не реализовано управление подачей воды для вторичного охлаждения при непрерывном литье с использованием обратной связи.
В китайском патенте CN 1410189 описан «Способ точного измерения температуры поверхности литой заготовки в зоне вторичного охлаждения при непрерывном литье», в котором используется несколько инфракрасных радиационных пирометров для измерения температуры поверхности литого биллета/сляба во многих заданных точках, и максимальное значение температуры, полученное в этих точках поверхности через промежуток времени от 30 с до 2 мин, выбирается в качестве точного значения температуры поверхности биллета/сляба. Недостатки указанного способа состоят, во-первых, в том, что из-за случайного образования железной окалины максимальные значения температуры, измеренные в течение различных периодов выборки, даже в одних и тех же точках, существенно изменяются, т.е. влияние железной окалины в достаточной степени не преодолено, в связи с чем измеренные значения температуры являются нестабильными; во-вторых, в том, что при периоде выборки, составляющем от 30 с до 2 мин, наблюдается большая временная задержка, в результате чего в реальном времени управление с обратной связью подачей воды для вторичного охлаждения не может быть осуществлено.
Благодаря сильно окислительной среде и интенсивности операции водяного охлаждения при непрерывном литье железная окалина с неравномерной толщиной и непредсказуемым расположением, случайным образом образующаяся на поверхности биллета/сляба, отличается от окалины, равномерно распределенной на поверхности стального сляба, которая образуется в металлургической нагревательной печи или в процессе прокатки стали. На измерение температуры, основанное на излучении поверхности литого биллета/сляба, существенное влияние оказывает существование неравномерной железной окалины. При применении вышеуказанного способа влияние железной окалины на измерение температуры поверхности литого биллета/сляба не может быть преодолено, вследствие чего температура поверхности литого биллета/сляба не может быть измерена точно и стабильно. Следовательно, по-прежнему имеется необходимость в разработке способа и устройства для измерения температуры поверхности биллета/сляба при непрерывном литье, которые дают возможность преодолеть неблагоприятное влияние железной окалины на поверхности литого биллета/сляба.
Раскрытие изобретения
Одна из задач настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство для измерения температуры, позволяющее преодолеть неблагоприятное влияние железной окалины на поверхности литого биллета/сляба при измерении температуры поверхности литого биллета/сляба.
Вышеуказанная задача решается с помощью устройства для измерения температуры, содержащего тепловизор, инфракрасный радиационный пирометр, механическое сканирующее устройство, систему обработки изображений и данных; при этом тепловизор, инфракрасный радиационный пирометр и механическое сканирующее устройство соединены соответственно с указанной системой обработки изображений и данных. Указанный инфракрасный радиационный пирометр установлен на указанном механическом сканирующем устройстве для измерения температуры поверхности литого биллета/сляба при сканировании. Указанный тепловизор используется для измерения распределения температуры в определенной области на поверхности литого биллета/сляба при термическом формировании изображения.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что диапазон пространственного разрешения в один пиксел указанного тепловизора соответствует требуемому диапазону от 0,5 мм до приблизительно 3 мм на поверхности литого биллета/сляба.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанный тепловизор покрыт охлаждающим кожухом, при этом охлаждающий воздух подается в охлаждающий кожух.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что пылезащитное устройство, работающее по принципу электростатического взаимодействия и статического давления, установлено на переднем конце указанного охлаждающего кожуха тепловизора.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанное пылезащитное устройство имеет конический корпус и пылезащитные решетки высотой от 5 мм до приблизительно 10 мм, приваренные к внутренней стороне конического корпуса с шагом от 30 мм до приблизительно 50 мм.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанный инфракрасный радиационный пирометр установлен внутри пылезащитного охлаждающего кожуха, передний конец которого представляет собой пылезащитную трубу с длиной, более чем в 10 раз превышающей внутренний диаметр.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанное механическое сканирующее устройство состоит из элемента, приводимого в действие электродвигателем, и элемента, представляющего собой механическую передачу; при этом указанный двигатель может быть шаговым двигателем или серводвигателем.
Эксперименты и исследования на металлургических участках показывают, что железная окалина, образованная в процессе охлаждения и окисления на литом биллете/слябе, который выходит из изложницы при непрерывном литье, является неравномерной по толщине. Однако всегда имеются участки на поверхности литого биллета/сляба, где железная окалина является настолько тонкой, что она в наименьшей степени влияет на измерение температуры. Эти участки имеют малые геометрические размеры и распределены на поверхности литого биллета/сляба нерегулярно. При замере температуры малой области на поверхности литого биллета/сляба, чем меньше пространственное разрешение тепловизора, тем лучше результат измерения температуры. Один из ключевых пунктов настоящего изобретения состоит в том, что диапазон пространственного разрешения в один пиксел тепловизора в настоящем изобретении соответствует требуемому диапазону от 0,5 мм до приблизительно 10 мм на поверхности литого биллета/сляба.
Другим ключевым пунктом настоящего изобретения является использование модели, основанной на фильтрации. В связи с тем, что фактическое поле распределения температуры в направлении ширины на определенной поверхности биллета/сляба является неравномерным, более высокое измеренное значение температуры в определенной точке поверхности литого биллета/сляба не может являться доказательством того, что в этой точке железная окалина оказывает меньшее влияние на результат измерения температуры. Поэтому очевидно, что точная температура поверхности литого биллета/сляба вряд ли может быть получена лишь на основании максимального значения температуры, как описано в вышеуказанном известном способе. Для решения этой проблемы в настоящем изобретении применяется модель, основанная на фильтрации. Значения распределения температуры в направлении ширины на поверхности литого биллета/сляба, которые рассчитываются на основе модели теплопереноса при затвердевании литой заготовки с накопленными параметрами процесса непрерывного литья в реальном времени, или из статистической модели, созданной на основе значений многочисленных измерений температуры, должны сравниваться с соответствующими значениями распределения температуры, полученными с помощью тепловизора. При применении фильтрации выбирается и используется N температурных данных, имеющих относительно малые расхождения между двумя вышеупомянутыми группами значений температуры, для определения значений температуры на поверхности литого биллета/сляба. Величина N изменяется в зависимости от размера участков поверхности биллета/сляба, на которых измеряется температура по ширине.
Используемые в настоящее время тепловизоры показывают высокую стабильность в работе, а усовершенствованный инфракрасный радиационный пирометр работает стабильно даже в достаточно сложных условиях измерения в металлургическом производстве. Так как железная окалина на поверхности литого биллета/сляба возникает беспорядочно, на основании тепловизионного изображения тепловизора с помощью инфракрасного радиационного пирометра можно точно определить поверхности, которые в наименьшей степени затронуты железной окалиной. Для дальнейшего улучшения стабильности всей системы в некоторых точках области измерения тепловизора проводятся измерения температуры при сканировании поверхности радиационным пирометром, приводимым в движение механическим сканирующим устройством. Измеренные значения температуры вводятся в систему обработки изображений и данных с целью сравнения с данными, полученными на основании тепловизионных изображений соответствующих точек на поверхности литого биллета/сляба. Значения температуры в точках, в наименьшей степени затронутых железной окалиной, полученные с помощью инфракрасного радиационного пирометра, выбираются в качестве сравнительных контрольных значений для корректировки значений температуры, измеренных с помощью тепловизора. Таким образом, после проведения этой операции тепловизор приобретает стабильность, подобную указанному инфракрасному радиационному пирометру.
Применение линейных/матричных ПЗС или КМОП датчиков является предпочтительным для указанного тепловизора, в котором разрешение уровней серого составляет не менее 12 уровней. Тепловизор может работать в ближнем инфракрасном диапазоне от 760 нм до приблизительно 1000 нм, или являться колориметрическим тепловизором. Датчик температуры окружающей среды внутри тепловизора используется для контроля температуры окружающей среды с целью коррекции температурного дрейфа.
Указанный тепловизор помещен в охлаждающий кожух, в который подается охлаждающий воздух для охлаждения тепловизора. Охлаждающий кожух на переднем конце снабжен пылезащитным устройством с коническим корпусом, к внутренней стороне которого приварены пылезащитные решетки высотой от 5 мм до 10 мм с шагом от 30 мм до приблизительно 50 мм. Тепловизионные изображения поверхности литого биллета/сляба, полученные с помощью указанного тепловизора, могут быть получены непосредственно с помощью матричного датчика изображения или линейного формирователя видеосигналов при высокоскоростном сборе данных с частотой регистрации более 1 видеокадра в секунду и менее 80 видеокадров в секунду.
Указанный инфракрасный радиационный пирометр может быть однополосным, колориметрическим или мультиспектральным радиационным пирометром. Инфракрасный радиационный пирометр установлен внутри пылезащитного охлаждающего кожуха, имеющего пылезащитную трубу на переднем конце. Отношение общей длины к внутреннему диаметру пылезащитной трубы составляет более 10. Датчик температуры окружающей среды внутри инфракрасного радиационного пирометра используется для измерения температуры рабочей среды с целью компенсации температурного дрейфа пирометра.
Тип сканирования механического сканирующего устройства может быть прямолинейным или дуговым, при этом дуговой тип сканирования является предпочтительным.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ измерения температурного поля поверхности литого биллета/сляба, при котором может быть устранено неблагоприятное влияние железной окалины на поверхности литого биллета/сляба.
Для осуществления указанной задачи в соответствии с настоящим изобретением предложен способ измерения температурного поля поверхности литого биллета/сляба с использованием следующих этапов:
(1) обеспечивают устройство для измерения температуры поверхности литого биллета/сляба, описанного ранее, содержащего тепловизор, инфракрасный радиационный пирометр, механическое сканирующее устройство, систему обработки изображений и данных; при этом указанный тепловизор, инфракрасный радиационный пирометр и механическое сканирующее устройство соединены соответственно с указанной системой обработки изображений и данных; причем указанный инфракрасный радиационный пирометр установлен на указанном механическом сканирующем устройстве;
(2) используют указанный тепловизор для измерения температуры определенной области на поверхности литого биллета/сляба при термическом формировании изображения;
(3) применяют модельные значения температуры, рассчитанные с помощью указанной системы обработки изображений и данных на основе модели теплопереноса при затвердевании литого биллета/сляба с параметрами процесса литья, или с помощью статистической модели, полученной на основе данных многочисленных измерений температуры, для сравнения со значениями температуры тепловизионных изображений, полученных с помощью тепловизора на поверхности литого биллета/сляба, которая в наименьшей степени затронута железной окалиной. Выбирают N температурных данных, имеющих относительно малые расхождения между двумя вышеуказанными группами температурных данных, для определения значения температуры на поверхности литого биллета/сляба путем фильтрации. Величину N изменяют в зависимости от изменяемых длин поверхности биллета/сляба в направлении ширины.
(4) Измеряют значения температуры в некоторых точках в области измерения или ближайшей области тепловизора путем сканирования указанным инфракрасным радиационным пирометром, приводимым в движение механическим сканирующим устройством. Значения температуры этих точек вводят в указанную систему обработки изображений и данных и сравнивают со значениями температуры в соответствующих местах на тепловизионных изображениях поверхности литого биллета/сляба. Значения температуры в точках, в наименьшей степени затронутых железной окалиной, полученные с помощью инфракрасного радиационного пирометра, выбираются в качестве корректирующих значений для измеренных значений температуры тепловизором.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что тепловизор может быть оснащен линейными/матричными ПЗС или КМОП датчиками с разрешением уровней серого, составляющим не менее 12 уровней. Тепловизор может работать в ближнем инфракрасном диапазоне от 760 нм до приблизительно 1000 нм, или являться колориметрическим тепловизором.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что тепловизионные изображения поверхности литого биллета/сляба могут быть получены непосредственно с помощью матричного датчика изображения или линейного формирователя видеосигналов при высокоскоростном сборе данных с частотой регистрации более 1 видеокадра в секунду и менее 80 видеокадров в секунду.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что тепловизор оснащен датчиком температуры окружающей среды для измерения температуры окружающей среды с целью компенсации температурного дрейфа тепловизора.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанный тепловизор покрыт охлаждающим кожухом, при этом в указанный охлаждающий кожух подают охлаждающий воздух.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанный охлаждающий кожух на переднем конце оснащен пылезащитным устройством, работающим по принципу электростатического взаимодействия и статического давления, имеющим конический корпус, к внутренней стороне которого приварены пылезащитные решетки высотой от 5 мм до 10 мм с шагом от 30 мм до приблизительно 50 мм.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанный инфракрасный радиационный пирометр может быть однополосным, колориметрическим или мультиспектральным радиационным пирометром.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что упомянутый инфракрасный радиационный пирометр установлен внутри пылезащитного охлаждающего кожуха, передний конец которого оснащен пылезащитной трубой, длина которой более чем в 10 раз превышает внутренний диаметр.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что датчик температуры окружающей среды установлен внутри инфракрасного радиационного пирометра с целью компенсации температурного дрейфа инфракрасного радиационного пирометра.
Оптимальное техническое решение характеризуется тем, что указанное механическое сканирующее устройство состоит из элемента, приводимого в действие электродвигателем, и элемента, представляющего собой механическую передачу; при этом указанный двигатель может быть шаговым двигателем или серводвигателем.
Дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения и сопровождающих чертежей, которые не предназначены для ограничения объема испрашиваемой правовой охраны заявленного изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическая структура варианта устройства для измерения температуры согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - схематическое изображение, иллюстрирующее применение устройства для измерения температуры согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 - график изменения температуры, представляющий результаты испытания на основе оптимального варианта согласно настоящему изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 представлено устройство для измерения температуры согласно настоящему изобретению, включающее тепловизор 1, охлаждающий кожух 3 тепловизора 1 и пылезащитное устройство 2, работающее по принципу электростатического взаимодействия и статического давления, инфракрасный радиационный пирометр 6 (который является инфракрасным радиационным пирометром ВСТ-4, изготовленным Automatic Instrument Center of Northeastern University, Китай), пылезащитную трубу 4, пылезащитный охлаждающий кожух 5, механическое сканирующее устройство 7. Инфракрасный радиационный пирометр 6, закрепленный внутри пылезащитного охлаждающего кожуха 5, установлен на механическом сканирующем устройстве 7. Тепловизор 1 установлен внутри охлаждающего кожуха 3. Тепловизор 1, инфракрасный радиационный пирометр 6 и механическое сканирующее устройство 7 установлены внутри пылезащитной и теплоизоляционной камеры 9 и электрически соединены с системой 8 обработки изображений и данных. Пылезащитные решетки высотой от 5 мм до 10 мм приварены к внутренней стороне корпуса пылезащитного устройства 2 тепловизора 1 с шагом от 30 мм до приблизительно 50 мм.
Сжатый охлаждающий воздух подается в охлаждающий кожух 3 для защиты тепловизора 1 от перегрева и затем выходит в пылезащитную и теплоизоляционную камеру 9 через переднюю часть пылезащитного устройства 2, работающего по принципу электростатического взаимодействия и статического давления, для поддержания в ней избыточного давления и более низкой температуры.
Длина пылезащитной трубы 4 на переднем конце инфракрасного радиационного пирометра 6 более чем в 10 раз превышает внутренний диаметр с целью формирования локального статического давления для защиты оптической системы от пыли. Механическое сканирующее устройство 7, приводимое в действие двигателем, может перемещать инфракрасный радиационный пирометр 6 для выполнения управляемого сканирования поверхности литого биллета/сляба. Указанный двигатель может быть шаговым двигателем или серводвигателем.
В настоящем варианте осуществления изобретения тепловизор может быть оснащен матричным ПЗС датчиком, работающим в ближнем инфракрасном диапазоне от 760 нм до приблизительно 1000 нм, с разрешением уровней серого, составляющим 12 уровней, и с пространственным разрешением 1300×1024 пикселов на поверхности литого биллета/сляба минимум в 1 мм, или линейным/матричным КМОП датчиком, или являться колориметрическим тепловизором.
Процесс измерения температуры поверхности литого биллета/сляба описан ниже. На фиг.2 цифрами 10, 11, 12 соответственно обозначены: непрерывное разливочное устройство, литой биллет/сляб, валки непрерывного литья. В начале работы тепловизор 1 формирует тепловизионное изображение поверхности литого биллета/сляба. Далее тепловизионное изображение направляется в систему 8 обработки изображений и данных, в которой выбираются значения температуры в точках поверхности биллета/сляба, которые менее затронуты железной окалиной, и производится их фильтрация исходя из значений температуры на основе расчетной модели. А именно, указанные значения температуры используются для сравнения со значениями температуры на поверхности биллета/сляба, рассчитанными на основе расчетной модели, и выбираются N значений, имеющих относительно малые расхождения, на основе которых получают путем фильтрации значения измерения температуры после фильтрации. Затем инфракрасный радиационный пирометр 6, приведенный в движение механическим сканирующим устройством 7, сканирует поверхность и измеряет значения температуры в некоторых определенных точках области измерений тепловизора на поверхности литого биллета/сляба согласно распределению железной окалины. Эти значения температуры направляются в систему 8 обработки изображений и данных для сравнения со значениями температуры в соответствующих точках на тепловизионном изображении, затем значение температуры в точке измерения, которая в наименьшей степени затронута железной окалиной, выбирается в качестве корректирующего значения для значений измерения температуры на тепловизионных изображениях, сформированных тепловизором. В конечном счете, получают значение фактической температуры на поверхности литого биллета/сляба.
На фиг.3 представлен график изменения температуры по результатам испытания на основе оптимального варианта осуществления настоящего изобретения. По результатам испытания видно, что стабильность измерения температуры составляет ±3°С, а время отклика составляет менее 1 с, и указанная температура может быть использована системой управления в качестве сигнала температурной обратной связи.
Как правило, стабильность температуры, измеренной известными способами, составляет более ±10°С и время отклика обычно составляет от 30 с до приблизительно 2 мин, что обусловлено существенным влиянием железной окалины.
Благоприятные результаты настоящего изобретения достигаются благодаря тому, что в настоящем изобретении используется сочетание тепловизора с высоким разрешением и инфракрасного радиационного пирометра сканирующего типа. Благодаря методу фильтрации на основе модели преодолевается влияние железной окалины и реализуются стабильные измерения температуры поверхности литого биллета/сляба в реальном времени.