基于红外热成像的连铸坯实时温度场在线预测方法技术

一种基于红外热成像的连铸坯实时温度场在线预测方法，涉及一种钢坯表面温度的监控和分析。本发明专利技术提出用于确定二冷区和空冷区传热系数的在线校核方法，实时校核二冷区各段和空冷区的传热系数，与现有技术相比，通过传热系数的分段校核方法，提高了实时温度场预测的精度，更加准确预测铸坯表面以及内部温度场，准确反映铸坯的凝固过程，为二冷动态配水、凝固末端电磁搅拌、凝固末端动态轻压下等连铸工艺的准确、有效实施提供了必备的数据支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钢坯表面温度的监控和分析，特别涉及一种基于红外热成像的连铸坯实 时温度场在线预测方法。技术背景连铸工艺过程是由高温钢水向固态转变的凝固传热过程，在铸坯的凝固传热过程中大多 采用水作为冷却介质，即通过冷却水将高温钢水凝固为铸坯的一个凝固传热过程。因此铸坯 的凝固传热过程对于铸坯的表面裂纹，内部裂纹，鼓肚等表面质量和内部质暈起着至关重要 的影响。为了有效的控制铸坯质量和提高经济效益，必须对连铸过程铸坯的凝固传热过程进 行准确且有效的控制，也就是对铸坯的温度场进行控制。国内外目前已经申请的专利， 一般是釆用红外测温仪在铸坯某些位置对不连续的单点进 行测温。专利CN1410189A给出了一种基于测温仪的铸坯表面温度测量方法，该方法只能给出 表面温度的单点测量结果；专利CN1844409A提出基于红外图像的温度场，但此方法仅涉及高 炉冶金过程的炉喉温度场，它也只能显示炉料外部表面温度；专利CN2188439Y给出一种连铸 坯内部温度的在线测量装置，但该测量方法只能在浇铸临近结束时采用，且受到浇铸尾坯过 冷的影响不能真实的反映铸坯的内部温度重庆大学硕士学位论文2008年7月(水雾介质对 连铸坯表面测温的影响及测温方法研究，高文星著)采吊了单色和比色测温计对铸坯表面进 行测温，研究了不同因素对测温精度的影响，上述两种方法也都是采用单点测温；《钢铁》杂 志1998年2月(第33巻第2期第18-21页，刘庆国等著)报道了采用比色测温仪对铸坯表 面温度进行在线实测，但是该方法也只能够对单点进行测温。传统的测温方法只能保证测温 数据在时间上的连续性而不能保证在空间上的连续性，所以其测温数据精度不高。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种能够实现铸坯表面和内部温度连续测量且精度更 高的基于红外热成像酌连铸坯实时温度场在线预测方法。本专利技术采用的技术方案是 一种，该 方法利用一台计算机作为连铸过程服务器，连铸过程服务器与一台红外热成像仪相连，包括 以下步骤-步骤l:通过红外热成像仪采集连铸过程铸坯图像信息；步骤2:对采集的图像进行识别与数字化处理，确定铸坯表面温度实测值T一；步骤3:采用在线校核方法确定二冷区及空冷区传热系数，具体方法如下 步骤3-1:根据经验公式确定二冷区某段传热系数初值，公式如下hi=hinin+0.618 (hi腿x—h化in) ' (1)式中，hi—二冷区某段传热系数初值；hiM—传热系数初值的最大值；h^—传热系数初 值的最小值；步骤3-2:利用二维非稳态凝固传热控制方程，采用有限体积法对方程进行离散，然后 采用TDMA法计算二冷区各段铸坯表面温度Tical; 、々如力〕《〔《Ow)、(2)改 Sx:式中，Tzi(x,y,t)—跟踪单元Zi在时间f、位置(x,y)处的温度；c^一有效热容；/7—冈 的密度、&#一有效导热系数；步骤3-3:修正二冷区传热系数，相关计算公式如下<ff (3)m-u附，),，、Z^(o/c/)i ,…，， PW = L^~~^~~^~~^ 1,2，,M,M + 1 (5)式中，Tieal (m， n) —铸坯表面节点(m,n)的温度计算值；(m，n) —铸坯表面的节点； 节点的横坐标；n—节点的纵坐标；e为收敛因子；Ar—表面温度差；/^wew)—最新一 次&的迭代值，尽如/^一上一次的迭代值，ne『最新一次的迭代；old—上一次迭代； 一收敛判据；/YiU—收敛判据；判别方法为如果,(力》的值小于G则输出hi的值即为二冷区某段的传热系数，如果 尸(力》的值大于f,则判断Ar的值是否小于O'C，如小于O'C采用黄金分割法对hi的值进行直 线搜所，直至/Y力J的值小于e或者/Y力J的值小于e ，所求得的A即为二冷区某段传热系数; 空冷区各段的传热系数修正过程与二冷区的传热系数修正过程相同，它的初值公式如下 heff=heffBin+0. 618 (heftox一hrfMn) (6)式中，heff—空冷区传热系数初值；hefMn—空冷区传热系数初值最小值；heff咖一空冷区传热系数初值最大值；将h6ff的值代入步骤3-2、步骤3-3替代h确定空冷区某段传热系数; 步骤3-4:根据步骤3-3确定的二冷区某段传热系数，对hi进行拟合，构造hi与水量、铸坯的浇铸速度和洚铸温度的函数关系；步骤4:实时温度场在线预测，按以下步骤步骤4-1:设定时间周期，等时间周期从结晶器弯月面处产生跟踪单元； 步骤4-2:初始化跟踪单元，将跟踪单元的工艺条件存储在动态开辟的内存单元中； 步骤4-3:将各跟踪单元依次串联形成双向链表，新产生的跟踪单元从双向链表表头插 入，当跟踪单元离开切割机时从双向链表中删除，建立整个铸流线的双向链表；步骤4-4:在整个铸坯流线的双向链表的计算周期内，采用二维非稳态凝固传热控制方程，从双向链表的头部开始到尾部依次确定每个跟踪单元内部节点的温度。步骤5:将实时温度场在线预测结果嵌入二级过程控制系统中，根据系统实时采集的浇铸条件和流线信息，在线确定连铸坯温度分布，为系统中的工艺控制提供数据支持。步骤1所述的通过红外热成像仪采集二冷区及空冷区温度场图像信息，其中，红外热成像仪的帧数一般控制在5帧/秒。步骤2所述的对采集的图像进行处理，方法如下步骤2-1:利用图像处理软件对热成像图片进行识别和数字化处理；步骤2-2:对热成像图像进行等比例网格划分；步骤2-3:提取表面各节点温度TiMa;步骤2-4:对步骤2-3中确定的温度T^进行筛选和优化，方法如下取斧周期内各节点 对应温度的最大值为稳态浇注条件下的铸坯实测温度TiBea;步骤2-5:将1/4铸坯表面节点的实测温度1\自保存于数据库中；空冷区主要传热方式为辐射传热，步骤3-3所述的空冷区初值公式(6)中的Jw推导过 程如下热流公式9 = (T￡[(r+,273)4长+273)4] (7)通过数学变换《=OT[(r+273)2+(r<rir+273)2][(r+273)+(7;>+273)](:r-7;,>) (s)考虑辐射和对流的综合作用，得等效对流传热系数，公式如下V =;iOT[(r+273)2 +(7;,.r ^^[(r^sXT^ +273)] (9)式中《一热辐射能量；(J一史蒂芬-波尔兹曼常数，其大小为5. 70X10—12J/(cm2 *k4 *s); r一铸坯表面温度；Z;,—空气的温度；/V'—辐射系数；6步骤4所述的跟踪单元是指将流线上的铸坯沿拉坯方向划分为若千薄片单元，按不同的 拉坯速度，沿拉坯方向即Z方向上跟踪单元长度控制在5 15cm内，沿铸坯厚度方向即Y方 向上跟踪单元宽度控制在3 10cm内，沿宽度方向即X方向跟踪单元宽度控制在5 15cm内。 步骤5所述的二级过程控制系统，实时采集浇铸条件和流线信息周期为2-10s。 有益效果本专利技术首次提出在红外热成像技术的基础上，基于连续测温，采用在线校核 方法实时地校核二冷区各段和空冷区的传热系数，与现有技术相比，通过传热系数的分段校 核方法，提高了实时温度场预测的精度，更加准确预测铸坯表面以及内部温度场，准确反映 铸坯的凝固过程，为二冷动态配水、凝固末端电磁搅拌、凝固末端动态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外热成像的连铸坯实时温度场在线预测方法，该方法利用一台计算机作为连铸过程服务器，并使该连铸过程服务器与一台红外热成像仪相连，其特征在于：包括以下步骤：　　　　步骤１：通过红外热成像仪采集连铸过程铸坯图像信息；　　　　步骤２：对采集的图像进行识别与数字化处理，确定铸坯表面温度实测值Ｔ↓［ｉｍｅａ］；　　　　步骤３：采用在线校核方法确定二冷区及空冷区传热系数，具体方法如下：　　　　步骤３－１：根据经验公式确定二冷区某段传热系数初值，公式如下：　　　　ｈ↓［ｉ］＝ｈ↓［ｉ；ｈ↓［ｅｆｆｍｉｎ］－空冷区传热系数初值最小值；ｈ↓［ｅｆｆｍａｘ］－空冷区传热系数初值最大值；将ｈ↓［ｅｆｆ］的值代入步骤３－２和步骤３－３替代ｈ↓［ｉ］，确定空冷区某段传热系数；　　　　步骤３－４：根据步骤３－３确定的二冷区某段传热系数，对ｈ↓［ｉ］进行拟合，构造ｈ↓［ｉ］与水量、铸坯的浇铸速度和浇铸温度的函数关系；　　　　步骤４：实时温度场在线预测，按以下步骤：　　　　步骤４－１：设定时间周期，等时间周期从结晶器弯月面处产生跟踪单元；　　　　步骤４－２：初始化跟踪单元，将跟踪单元的工艺条件存储在动态开辟的内存单元中；　　　　步骤４－３：将各跟踪单元依次串联形成双向链表，新产生的跟踪单元从双向链表头插入，当跟踪单元离开切割机时从双向链表中删除，建立整个铸流线的双向链表；　　　　步骤４－４：在整个铸坯流线的双向链表的计算周期内，采用二维非稳态凝固传热控制方程，从双向链表的头部开始到尾部依次确定每个跟踪单元内部节点的温度；　　　　步骤５：将实时温度场在线预测结果嵌入二级过程控制系统中，根据系统实时采集的浇铸条件和流线信息，在线确定连铸坯温度分布，为系统中的工艺控制提供数据支持。ｍｉｎ］＋０．６１８（ｈ↓［ｉｍａｘ］－ｈ↓［ｉｍｉｎ］）　　（１）　　　　式中，ｈ↓［ｉ］－二冷区某段传热系数初值；ｈ↓［ｉｍａｘ］－传热系数初值的最大值；ｈ↓［ｉｍｉｎ］－传热系数初值的最小值；　　　　步骤３－２：利用二维非稳态凝固传热控制方程，用有限体积方对方程进行离散，然后采用ＴＤＭＡ法求解二冷区某段铸坯表面温度Ｔ↓［ｉｃａｌ］；　　　　ρｃ↓［ｅｆｆ］＊Ｔ↓［ｚ↓［ｉ］］（ｘ，ｙ，ｔ）／＊ｔ＝＊／＊ｘ（ｋ↓［ｅｆｆ］＊／＊ｘＴ↓［ｚ↓［ｉ］］（ｘ，ｙ，ｔ））＋＊／＊ｙ（ｋ↓［ｅｆｆ］＊／＊ｙＴ↓［ｚ↓［ｉ］］（ｘ，ｙ，ｔ））　　（２）　　　　式中，Ｔ↓［ｚ...

【技术特征摘要】
1、一种基于红外热成像的连铸坯实时温度场在线预测方法，该方法利用一台计算机作为连铸过程服务器，并使该连铸过程服务器与一台红外热成像仪相连，其特征在于包括以下步骤步骤1通过红外热成像仪采集连铸过程铸坯图像信息；步骤2对采集的图像进行识别与数字化处理，确定铸坯表面温度实测值Timea；步骤3采用在线校核方法确定二冷区及空冷区传热系数，具体方法如下步骤3-1根据经验公式确定二冷区某段传热系数初值，公式如下hi＝himin+0.618(himax-himin)(1)式中，hi-二冷区某段传热系数初值；himax-传热系数初值的最大值；himin-传热系数初值的最小值；步骤3-2利用二维非稳态凝固传热控制方程，用有限体积方对方程进行离散，然后采用TDMA法求解二冷区某段铸坯表面温度Tical；<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&rho;</mi><msub> <mi>c</mi> <mi>eff</mi></msub><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>T</mi> <msub><mi>z</mi><mi>i</mi> </msub></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>eff</mi> </msub> <mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>x</mi></mrow> </mfrac> <msub><mi>T</mi><msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi></msub> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>k</mi><mi>eff</mi> </msub> <mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>y</mi></mrow> </mfrac> <msub><mi>T</mi><msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi></msub> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>式中，Tzi(x，y，t)-跟踪单元Zi在时间t、位置(x，y)处的温度；ceff-有效热容；ρ-钢的密度、keff-有效导热系数；步骤3-3修正二冷区传热系数，公式如下<maths id=math0002 num=0002 ><math><![CDATA[ <mrow><mi>F</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>h</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Max</mi><mo>|</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mi>ical</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mro...

【专利技术属性】
技术研发人员：祭程，朱苗勇，杨跃标，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]