基于红外热成像的连铸坯实时温度场在线预测方法

摘要

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。

主权项

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；$\rho c_{\mathrm{eff}}\frac{\partial T_{z_i}(x,y,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(k_{\mathrm{eff}}\frac{\partial }{\partial x}{T}_{z_i}(x,y,t)\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(k_{\mathrm{eff}}\frac{\partial }{\partial y}{T}_{z_i}(x,y,t)\right)---\left(2\right)$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：$F\left(h_i\right)=\mathrm{Max}\left|\frac{T_{\mathrm{ical}}(m,n)-T_{\mathrm{imea}}(m,n)}{T_{\mathrm{imea}}(m,n)}\right|<ϵ---\left(3\right)$ΔT＝Tical(m，n)-Timea(m，n) (4)$P\left(h_i\right)=\frac{|h_i\left(\mathrm{new}\right)-h_i\left(\mathrm{old}\right)|}{h_i\left(\mathrm{new}\right)}i=\mathrm{1,2},......,M,M+1---\left(5\right)$式中，Tical(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；m-节点的横坐标；n-节点的纵坐标；ε为收敛因子；ΔT-表面温度差；hi(new)-最新一次hi的迭代值，hi(old)-上一次的迭代值，new-最新一次的迭代；old-上一次迭代；F(hi)-收敛判据；P(hi)-收敛判据；判别方法为：如果F(hi)的值小于ε，则输出hi的值即为二冷区某段的传热系数，如果F(hi)的值大于ε，则判断ΔT的值是否小于0℃，如小于0℃，采用黄金分割法对hi的值进行直线搜所，直至F(hi)的值小于ε或者P(hi)的值小于ε，所求得的hi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＝heffmin+0.618(heffmax-heffmin) (6)式中，heff-空冷区传热系数初值；heffmin-空冷区传热系数初值最小值；heffmax-空冷区传热系数初值最大值；将heff的值代入步骤3-2和步骤3-3替代hi，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。