一种连铸二冷段铸流表面温度智能测量方法

摘要

本发明公开了一种连铸二冷段铸流表面温度智能测量方法，先通过测温仪实时测量最后一个扇形段出口或矫直段处的温度；再建立凝固传热模型，根据实时测温数据对该模型的参数进行离线校正，并对凝固传热模型的关联参数进行微调；最后计算各控制点温度，并在线实时修正各控制点温度的计算结果，同时输出真实铸流温度分布信息。本发明先通过测温仪实时测量最后一个扇形段出口或矫直段处的温度，再建立凝固传热模型，根据实时测温数据对该模型的参数进行离线校正，并对凝固传热模型的关联参数进行微调，即将传统的测温方式与软测量方式结合为一体，能克服软测量方式即建立凝固传热模型的精度不足和传统测温方式易受环境干扰影响致使测温结果偏差大的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及温度测量方法，尤其涉及一种连铸二冷段铸流表面温度智能测量方法。

背景技术

当前对于二冷铸流表面的测温存在两大主要的实现途径。

第一类，软测量方式：

其以基于凝固传热模型建立的软测量方式最为普遍，当前连铸二冷水控制系统大部分是以该模型计算出来的铸流温度作为二冷水调节的依据。但其模型的校准难度较大；模型对边界条件存在约减和假设，精度不高，对环境的动态适应能力较差；二维、三维模型的计算量太大，计算时间长，时效性不高。

另一类，实际测量方式：

包括集热式热电偶表面测温法和辐射型非接触测温法。

集热式热电偶表面测温法只能进行单点温度的一次性测量，响应速度较慢为1～2min，而且测温传感器要与被测对象有很好的接触，会对铸流表面产生一定的破坏。

辐射型非接触测温法以红外非接触式测温方法为代表，并发展到了以机器视觉技术为基础的面阵CCD辐射测温技术。

红外测温方法则是利用热辐射原理,只能测量物体表面局部小范围的定点温度,且易受外界环境因素影响，精度偏低。

面阵CCD辐射测温技术，其设备光学参数的校准难度大；光学畸变难以克服；需要其他准确的测温手段来提供测温基准点，系统较庞大复杂；获取的数据为多维且数据量大，需要信息融合处理，处理难度大，设备成本高，维修费用高。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种连铸二冷段铸流表面温度智能测量方法，包括如下步骤：

S1、通过测温仪实时测量最后一个扇形段出口或矫直段处的温度；

S2、建立凝固传热模型，根据实时测温数据对该模型的参数进行离线校正，并对凝固传热模型的关联参数进行微调；

S3、计算各控制点温度，并在线实时修正各控制点温度的计算结果，同时输出真实铸流温度分布信息。

步骤S1中，测温仪选用高精度温度传感器，并对测温仪设计冷却及保护装置，使其完全密封以达到恒温恒湿和隔磁的工作环境。

所述步骤S2中，对凝固传热模型的关联参数进行微调包括对实时测温数据进行离线仿真，将经过离线仿真修改完成后的参数再加载到在线运行的凝固传热模型上，实现凝固传热模型的自学习。

所述步骤S3中，在线实时修正的过程为：将实时测温数据与计算温度之差，按各段计算温度同目标温度的下降比例对各段计算温度进行线性调整。

进一步地,所述冷却及保护装置包括恒温箱、干燥净化装置、旋流发生器、窥视管、隔尘套筒、电子温度计和控制模块；测温仪设于所述恒温箱内，所述测温仪的下方设有方便测温仪镜头伸缩的隔尘套筒以调整焦距；所述电子温度计设于所述恒温箱内壁；所述恒温箱为密闭箱体，组成其六面的壁板均呈中空设置，所述恒温箱的上部设有旋流介质入口，左侧上部设有冷却介质入口，右侧下部设有冷却介质出口；所述冷却介质入口处设有调节阀，所述调节阀与所述控制模块信号连接，并由所述控制模块根据电子温度计测得的温度控制调节阀的开度以调节冷却介质的流量，用于对恒温箱内的温度进行恒温闭环控制；所述旋流介质入口处设有干燥净化装置，用于对旋流介质进行除杂和干燥；窥视管的后端通过法兰与恒温箱连接，且设于所述隔尘套筒的下方，可使旋流介质通过窥视管吹扫至被测温铸流表面使光路清晰；且所述窥视管的出口处呈中心窄两头宽的弧形结构，在保证正常吹扫强度和形成最小光斑的条件下，增大窄处气体吹扫速度，减少污染介质进入窥视管的几率。

优选地，旋流介质为压缩空气或者氮气；冷却介质为冷却水。

步骤S1中，对测温仪设计往复运动装置，通过往复运动装置的带动，使测量仪能在最后一个扇形段出口或矫直段处的垂直铸流表面、垂直拉速方向做匀速来回往复测温运动。

步骤S3中，计算各控制点温度包括如下步骤：

S301、采集测温仪的匀速运动速度v_扫描、扫描宽度w_扫描，计算扫描周期为t_扫描＝w_扫描/v_扫描；

S302、设定测温仪的采样周期为τ_测温，计算铸流横切面宽度方向上测温间距d_测温＝v_扫描τ_测温；

S303、计算扫描宽度w_扫描范围内的温度数据列K，所述温度数据列K＝w_扫描/d_测温+1；

S304、通过设计数据计算窗以消弱氧化铁皮的影响，并将数据计算窗内同一列的温度数据最大值作为该列数据的可用数据；

S305、建立统计分析模型，设y代表温度输出，x为温度数据列的横向位置，采用多项式拟合，则：

y＝b₀+b₁x+b₂x²+···+b_mx^m

其中b_i(i＝1,2,···,m)为多项式系数，m为多项式阶数，设温度测量数据对为(x_j,y_j)(j＝1,2,···,K)，其中x_j为横向位置坐标，y_j为x_j位置处实际测量温度数据；

并采用最小二乘法求解

S306、根据统计分析模型，设连续测温装置的控制点所处的位置为x_c，则控制点经过滤波处理后的真实测温值为y_c＝b₀+b₁x_c+b₂x_c²+···+b_mx_c^m，该真实测温值可以作为凝固传热模型校准的温度基准数据，从而得到准确的铸流表面温度，以进行二冷水闭环控制。

所述步骤S304中，所述数据计算窗的设计包括结束时刻、开始时刻与窗口长度；其结束时刻为当前时刻，开始时刻为n个扫描周期前对应的时刻，窗口长度L_窗＝nt_扫描v_拉。

窗口长度L_窗＝nt_扫描v_拉需小于限定长度，该限定长度根据现场氧化铁皮的特征进行设定；扫描周期n需满足n＜t_控制/t_扫描，其中t_控制为二冷水控制时长、t_扫描为测温仪的直线往复运动周期，该直线往复运动周期t_扫描根据现场情况设定。

与现有技术相比，本发明先通过测温仪实时测量最后一个扇形段出口或矫直段处的温度，再建立凝固传热模型，根据实时测温数据对该模型的参数进行离线校正，并对凝固传热模型的关联参数进行微调，即将传统的测温方式与软测量方式结合为一体，能够克服软测量方式即建立凝固传热模型的精度不足和传统测温方式易受环境干扰影响致使测温结果偏差大的问题；同时，采用独立设计的冷却和保护装置，能够有效提高测温仪的使用寿命，通过减少测温仪的维护保养的频率从而降低对二冷段铸流表面温度的测量成本；对测温仪设计往复运动装置并结合独特的数据采集、滤波和数据处理统计分析模型等手段，能够最大限度消除氧化铁皮、水膜等干扰因素对测温结果的影响，同时能够根据现场实际环境来设定合适的测温和运动参数，从而减少测温时延对二冷段控制系统的影响，为连铸二冷段闭环控制提供实时、准确的温度数据，提高控制的时效性和精确性，并为二冷段节能降耗提供科学的数据参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的温度计算的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种连铸二冷段铸流表面温度智能测量方法，包括如下步骤：

S1、通过测温仪实时测量最后一个扇形段出口或矫直段处的温度；

S2、建立凝固传热模型，根据实时测温数据对该模型的参数进行离线校正，并对凝固传热模型的关联参数进行微调；

S3、计算各控制点温度，并在线实时修正各控制点温度的计算结果，同时输出真实铸流温度分布信息。

测温仪选用高精度温度传感器，并对测温仪设计冷却及保护装置，使其完全密封以达到恒温恒湿和隔磁的工作环境。

选择最后一个扇形段出口测温的原因为：最后一个扇形段处于二冷喷淋区的末端位置，其环境相对整个二冷喷淋密闭环境来说要友好得多，环境干扰较小，更容易得到准确的测温数据。

选择矫直段测温的原因为：钢种存在脆性温度区间，当其处于脆性区间时，允许的断面收缩率较小，屈服强度小，而铸流在拉矫段受到较大的机械应力和热应力的综合应力，就很有可能超过屈服强度从而使铸流产生内部及表面质量问题，因此实时监控矫直段的表面温度，判断其是否落在对应钢种的脆性温度区间就显得尤为重要。所述冷却及保护装置包括恒温箱、干燥净化装置、旋流发生器、窥视管、隔尘套筒、电子温度计和控制模块；测温仪设于所述恒温箱内，所述测温仪的下方设有方便测温仪镜头伸缩的隔尘套筒以调整焦距；所述电子温度计设于所述恒温箱内壁；所述恒温箱为密闭箱体，组成其六面的壁板均呈中空设置，所述恒温箱的上部设有旋流介质入口，左侧上部设有冷却介质入口，右侧下部设有冷却介质出口；所述冷却介质入口处设有调节阀，所述调节阀与所述控制模块信号连接，并由所述控制模块根据电子温度计测得的温度控制调节阀的开度以调节冷却介质的流量，用于对恒温箱内的温度进行恒温闭环控制；所述旋流介质入口处设有干燥净化装置，用于对旋流介质进行除杂和干燥；窥视管的后端通过法兰与恒温箱连接，且设于所述隔尘套筒的下方，可使旋流介质通过窥视管吹扫至被测温铸流表面使光路清晰；且所述窥视管的出口处呈中心窄两头宽的弧形结构，在保证正常吹扫强度和形成最小光斑的条件下，增大窄处气体吹扫速度，减少污染介质进入窥视管的几率。

旋流介质为压缩空气或者氮气；冷却介质为冷却水。

采用所述冷却及保护装置一方面能够提供干燥的吹扫气体和合适的吹扫强度，以保证窥视管内合适的正向压力，避免粉尘、水汽、油污等的干扰，确保隔尘套筒前部滤光片的清洁，减少辐射信号在光路中的衰减强度；另一方面避免过强的吹扫气流，对铸流表面产生冲击，致使被吹扫处待测铸流表面由于强制对流作用而产生较大幅度温降，而非真实铸流表面温度。测温仪得到较稳定的红外辐射信号，便可以获得较为真实的被测点表面温度。

设置隔尘套筒一方面方便测温仪镜头的伸缩以实现精确调焦，同时，由于隔尘套筒的前端也即靠近窥视管的一端设置有透镜，可使恒温箱形成相对密闭的环境隔绝同外界水、汽、尘的接触，以确保测温仪的测量精度和使用寿命，另一方面保证从窥视管引进的红外光线能够通过透镜到达测温仪进行测温。

旋流介质通过窥视管吹扫至被测温铸流表面，以使光路清晰；为避免水汽、粉尘等干扰介质不进入窥视管内，对窥视管出口进行优化设计，形成出口处中心窄两头宽的弧形结构，当旋流介质透过窥视管出口处时，加速气体的流出速度，减少污染介质流入窥视管污染光路的概率，出口处的最窄处能保证得到最小光斑；窥视管穿过狭窄的辊缝进行靠近测量，可尽可能缩短包含水汽、水膜、粉尘等干扰介质的复杂光路通道；窥视管的长度可以根据现场环境及需求来确定；窥视管后端通过法兰同恒温箱连接，可实现快拆快换，以便于设备安装和维护。

同时，对测温仪设计往复运动装置，通过往复运动装置的带动，使测量仪能在最后一个扇形段出口或矫直段处的垂直铸流表面、垂直拉速方向做匀速来回往复测温，得到的一次连续测温数据，但该测温数据由于受氧化铁皮、水膜等干扰因素的影响并不是铸流表面真实温度，需要进行相关处理。

因此，所述步骤S2中，对凝固传热模型的关联参数进行微调包括对实时测温数据进行离线仿真，将经过离线仿真修改完成后的参数再加载到在线运行的凝固传热模型上，实现凝固传热模型的自学习。

所述步骤S3中，在线实时修正的过程为：将实时测温数据与计算温度之差，按各段计算温度同目标温度的下降比例对各段计算温度进行线性调整。

步骤S3中，计算各控制点温度包括如下步骤：

S301、采集测温仪的匀速运动速度v_扫描、扫描宽度w_扫描，计算扫描周期为t_扫描＝w_扫描/v_扫描；

S302、设定测温仪的采样周期为τ_测温，计算铸流横切面宽度方向上测温间距d_测温＝v_扫描τ_测温；

S303、计算扫描宽度w_扫描范围内的温度数据列K，所述温度数据列K＝w_扫描/d_测温+1；

S304、通过设计数据计算窗以消弱氧化铁皮的影响，并将数据计算窗内同一列的温度数据最大值作为该列数据的可用数据；

S305、建立统计分析模型，设y代表温度输出，x为温度数据列的横向位置，采用多项式拟合，则：

y＝b₀+b₁x+b₂x²+···+b_mx^m

其中b_i(i＝1,2,···,m)为多项式系数，m为多项式阶数，设温度测量数据对为(x_j,y_j)(j＝1,2,···,K)，其中x_j为横向位置坐标，y_j为x_j位置处实际测量温度数据；

并采用最小二乘法求解

S306、根据统计分析模型，设连续测温装置的控制点所处的位置为x_c，则控制点经过滤波处理后的真实测温值为y_c＝b₀+b₁x_c+b₂x_c²+···+b_mx_c^m，该真实测温值可以作为凝固传热模型校准的温度基准数据，从而得到准确的铸流表面温度，以进行二冷水闭环控制。

所述步骤S304中，所述数据计算窗的设计包括结束时刻、开始时刻与窗口长度；其结束时刻为当前时刻，开始时刻为n个扫描周期前对应的时刻，窗口长度L_窗＝nt_扫描v_拉。

窗口长度L_窗＝nt_扫描v_拉需小于限定长度，该限定长度根据现场氧化铁皮的特征进行设定；扫描周期n需满足n＜t_控制/t_扫描，其中t_控制为二冷水控制时长、t_扫描为测温仪的直线往复运动周期，该直线往复运动周期t_扫描根据现场情况设定。

综上，本发明先通过测温仪实时测量最后一个扇形段出口或矫直段处的温度，再建立凝固传热模型，根据实时测温数据对该模型的参数进行离线校正，并对凝固传热模型的关联参数进行微调，即将传统的测温方式与软测量方式结合为一体，能够克服软测量方式即建立凝固传热模型的精度不足和传统测温方式易受环境干扰影响致使测温结果偏差大的问题；同时，采用独立设计的冷却和保护装置，能够有效提高测温仪的使用寿命，通过减少测温仪的维护保养的频率从而降低对二冷段铸流表面温度的测量成本；对测温仪设计往复运动装置并结合独特的数据采集、滤波和数据处理统计分析模型等手段，能够最大限度消除氧化铁皮、水膜等干扰因素对测温结果的影响，同时能够根据现场实际环境来设定合适的测温和运动参数，从而减少测温时延对二冷段控制系统的影响，为连铸二冷段闭环控制提供实时、准确的温度数据，提高控制的时效性和精确性，并为二冷段节能降耗提供科学的数据参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。