Способ оптического контроля параметров непрерывной разливки стали и оптический измеритель

Изобретение относится к оптическим методам контроля технологических параметров установки непрерывной разливки стали (УНРС). Технический результат - увеличение функциональных возможностей способа контроля параметров непрерывной разливки стали за счет обеспечения измерения температурного поля боковой поверхности непрерывнолитой заготовки (НЗ) и величины выпучивания (НЗ) под действием ферростатического давления. Способ контроля технологических параметров (УНРС) включает непрерывную покадровую регистрацию излучения участка поверхности (НЗ), преобразование сигналов в цифровую форму, сравнение нескольких последовательных кадров, расчет мгновенного перемещения поля излучения поверхности заготовки, определение текущей длины заготовки путем суммирования мгновенных перемещений в требуемом временном интервале. Оптический измеритель устанавливают в районе секций вторичного охлаждения УНРС и ориентируют на широкую грань заготовки, регистрируют изображение поверхности в трех диапазонах длин волн: λ1-λ2, λ2-λ3, λ3-λ4 и по известной зависимости Вина-Планка получают поле температур поверхности (НЗ). Рассчитывают мгновенное перемещение температурного поля литой заготовки в двух направлениях: по краю и по центру заготовки, определяют величину выпучивания заготовки по определенной зависимости. Оптический измеритель содержит корпус и последовательно расположенные в нем объектив, координатно-чувствительный фотоприемник, блок аналого-цифровой обработки, блок управления и отдельно расположенный компьютер, предназначенный для архивации и визуализации данных. За объективом установлена призма, за которой расположены три координатно-чувствительных фотоприемника, чувствительных к разным интервалам длин волн. Выход каждого фотоприемника соединен с входом блока аналого-цифровой обработки. Выход блока аналого-цифровой обработки соединен с входом блока управления, соединенного с компьютером. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к оптическим методам контроля технологических параметров непрерывной разливки стали и может использоваться для контроля температуры нагретого тела, его геометрических характеристик и скорости передвижения.

Известен способ и устройство [Дж.Б.Лин “Исследование непрерывной разливки стали”, перевод, М. “Металлургия”, 1982 г., с.88-89] определения скорости передвижения непрерывнолитой заготовки по угловой скорости вращения измерительного ролика, катящегося по поверхности заготовки. Его недостатком является погрешность измерения, связанная с температурным расширением ролика и частичным скольжением ролика по поверхности. Также недостатком является отсутствие возможности измерения температуры непрерывнолитой заготовки и ее геометрических характеристик.

Также известен способ [Заявка RU 2083961, G 01 J 5/60 от 10.07.97] измерения температуры и коэффициента излучения поверхности при температурах выше 900К. Сущность способа заключается в регистрации излучения поверхности посредством многоволнового пирометра, обработки сигналов в цифровую форму, расчет с помощью закона Вина-Планка температуры при предположении, что речь идет об идеальном черном теле, расчет коэффициента излучения и расчет истинной температуры нагретой поверхности. Ограничением указанного способа является отсутствие определения скорости перемещения нагретой поверхности в режиме непрерывной разливки стали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ оптического измерения скорости непрерывнолитой заготовки и устройство для его осуществления [Журнал “Современные технологии автоматизации” №4-2001 г., стр.22-27], включающий установку оптического измерителя в районе машины газовой резки, ориентацию измерителя на узкую грань заготовки, непрерывную покадровую регистрацию излучения участка поверхности непрерывнолитой заготовки, преобразование сигналов в цифровую форму, сравнение нескольких последовательных кадров, расчет мгновенного перемещения поля излучения поверхности заготовки, определение текущей длины заготовки путем суммирования мгновенных перемещений в требуемом временном интервале.

Устройство оптического измерителя содержит корпус и последовательно расположенные в нем объектив, координатно-чувствительный фотоприемник, блок аналого-цифровой обработки, вход которого связан с выходом координатно-чувствительного фотоприемника, блок управления, а также отдельно расположенный компьютер, предназначенный для архивации и визуализации данных.

Недостатками известного способа и устройства является отсутствие возможности измерения температуры боковой поверхности непрерывнолитой заготовки и величины выпучивания непрерывнолитой заготовки как величины, характеризующей текущее фазовое состояние непрерывнолитой заготовки и работу системы вторичного охлаждения.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в увеличении функциональных возможностей способа контроля параметров непрерывной разливки стали, а именно: измерение температурного поля боковой поверхности непрерывнолитой заготовки и величины выпучивания непрерывнолитой заготовки под действием ферростатического давления.

Указанный технический эффект достигается тем, что в предлагаемом способе контроля параметров непрерывной разливки стали устанавливают оптический измеритель в районе секций вторичного охлаждения УНРС и ориентируют на широкую грань заготовки. Регистрируют излучения поверхности заготовки в трех диапазонах длин волн: λ 1-λ 2, λ 2-λ 3, λ 3-λ 4, преобразуют сигналы в цифровую форму, получают по известной зависимости Вина-Планка поле температур поверхности непрерывнолитой заготовки, рассчитывают мгновенное перемещение температурного поля литой заготовки в двух направлениях: по краю и по центру заготовки, определяют величину выпучивания заготовки из отношения:

где Н - межосевое расстояние между роликами секции вторичного охлаждения;

h - величина ферростатического выпучивания;

∂ Нn - мгновенное перемещение поля температур по краю заготовки;

∂ lхn - проекция на вертикальную ось мгновенного перемещения поля температур по центру заготовки в n измерении;

∂ lхn+1 - проекция на вертикальную ось мгновенного перемещения поля температур по центру заготовки в n+1 измерении;

n - порядковый номер измерения

m - количество измерений оптического измерителя, при которых ∂ Н - const.

Оптический измеритель содержит корпус и последовательно расположенные в нем объектив, координатно-чувствительный фотоприемник, блок аналого-цифровой обработки, блок управления, а также отдельно расположенный компьютер, предназначенный для архивации и визуализации данных. В отличие от прототипа оптический измеритель дополнительно содержит призму, установленную за объективом, и три координатно-чувствительных фотоприемника, чувствительных к разным интервалам длин волн, расположенных за призмой, при этом выход каждого фотоприемника соединен с входом блока аналого-цифровой обработки, а выход блока аналого-цифровой обработки соединен с входом блока управления, который в свою очередь соединен с компьютером.

Сущность предлагаемого способа контроля параметров непрерывной разливки стали и устройство для его осуществления поясняется с помощью фиг.1, на которой изображается схема оптического измерителя, на фиг.2а, б, в, г - основные геометрические характеристики непрерывнолитой заготовки в районе секции вторичного охлаждения, на фиг.3 - прогиб боковой поверхности заготовки от действия ферростатического давления.

Устройство на фиг.1 содержит корпус 1 и установленные в нем объектив 2, призму 3, три координатно-чувствительный фотоприемника 4, блок аналого-цифровой обработки 5, блок управления 6, а также отдельно расположенный компьютер 7.

Предложенный способ реализуется с помощью оптического измерителя, который работает следующим образом.

Оптический измеритель устанавливают в районе секций вторичного охлаждения УНРС и ориентируют на широкую грань заготовки. Поток излучения от нагретого тела через объектив попадает на призму, где делится на три потока, которые фиксируются соответствующими фотоприемниками, чувствительными к разным интервалам длин волн. Каждая ячейка координатно-чувствительного фотоприемника формирует пропорциональный излучению электрический сигнал, который затем оцифровывается и записывается в один из трех массивов. В таком массиве строки эквивалентны размеру окна наблюдения (межроликовому пространству), а столбцы - ширине сляба. Блок управления сравнивает соответствующие значения массивов и по зависимости Вина-Планка определяет поле температур поверхности непрерывнолитой заготовки в предположении, что поверхность является идеальным черным телом, по формуле:

где L - энергетическая яркость при длине волны λ ,

С1 и С2 - постоянные для конкретной марки стали,

Т - температура черного тела.

Блок управления рассчитывает по формуле аппроксимации коэффициент излучения, зависящий от температуры и длины волны, и определяет истинную температуру для каждой точки поверхности непрерывнолитой заготовки. Также блок управления определяет вертикальное смешение температурного поля в двух направлениях - по центру и по краю слитка в течение нескольких измерений. В описании под точкой подразумевается единица боковой поверхности заготовки, обладающая фиксированной температурой, а под температурным полем - совокупность точек на поверхности слитка. Вертикальное смещение поля температур между двумя соседними измерениями - мгновенное перемещение.

В случае наличия явления выпучивания непрерывнолитой заготовки профили его продольных сечений будут иметь характерные отличия, как это показано на фиг.2а, б, в, причем скорость точки А больше скорости точки В, так как в сечении А-А будет наблюдаться максимальный прогиб боковой стенки непрерывнолитой заготовки и любая точка на поверхности непрерывнолитой заготовки в данном сечении вынуждена двигаться по дуге. Время, за которое т.А перейдет в т.А’, равно времени, за которое т.В перейдет в т.В’. В противном случае наблюдалась бы пластическая деформация боковой поверхности непрерывнолитой заготовки

где t - время между двумя соседними измерениями, t - const;

l - длина дуговой траектории движения т.А.;

Н - межосевое расстояние между роликами тянущей секции вторичного охлаждения;

Согласно фиг.2.г:

R2=(H/2)2+(R-H)2

Оптический измеритель, наблюдающий за непрерывнолитой заготовкой в сечении А-А, фиксирует вертикальные проекции перемещения точки на поверхности непрерывнолитой заготовки. Следует заметить, что время между двумя соседними измерениями - величина постоянная, т.е. в случае постоянной скорости разливки за период между соседними измерениями любая точка на поверхности непрерывнолитой заготовки проходит равные абсолютные расстояния. Т.А проходит мгновенное перемещение (∂ ln), т.В проходит мгновенное перемещение (∂ Нn). Вертикальные проекции траектории мгновенных перемещений т.А, двигающейся по дуге (∂ lхn), сначала, до перехода т.А линии максимума выпуклости, при каждом последующем измерении начнут увеличиваться, а затем уменьшаться. Это наглядно видно из фиг.3.

Величины текущих мгновенных перемещений т.А (∂ ln):

где k - коэффициент отношения величины мгновенных перемещений т.А к величине мгновенных перемещений т.В при величине времени между двумя соседними измерениями, стремящейся к нулю, коэффициент k≈ 1;

Согласно фиг.3 из треугольников ОАС, CAB, СДЕ следует, что мгновенное угловое перемещение (∂ ϕ n):

∂ ϕ n=| α nn+1|

∂ ϕ n=((arcsin(∂ lxn\∂ ln)-arcsin(∂ lxn+1/∂ ln))

где α n, α n+1 - углы перемещения т.А за время двух последовательных измерений.

Текущий мгновенный радиус окружности траектории движения т.А (Rn):

Rn=∂ ln/∂ ϕ n

Радиус окружности траектории движения т.А (R) при постоянной скорости движения непрерывнолитой заготовки:

где m - количество последовательных сигналов с оптического измерителя, при которых ∂ Н - const;

Величину выпучивания непрерывнолитой заготовки (h) найдем из отношения:

где Н - межосевое расстояние между роликами секции вторичного охлаждения;

h - величина ферростатического выпучивания;

∂ Нn - мгновенное перемещение поля температур по краю заготовки;

∂ lхn - проекция на вертикальную ось мгновенного перемещения поля температур по центру заготовки в n измерении;

∂ lхn+1 - проекция на вертикальную ось мгновенного перемещения поля температур по центру заготовки в n+1 измерении;

n - порядковый номер измерения;

m - количество измерений оптического измерителя, при которых ∂ Н - const.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков предложенных способа и устройства с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии предложенного технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Пример. Устанавливают оптический измеритель между третьим и четвертым роликами нулевой секции вторичного охлаждения УНРС (расстояние между роликами Н=170 мм) на расстоянии 1,5-2 метра от непрерывнолитой заготовки. Регистрируют излучения поверхности заготовки в трех диапазонах длин волн: 0,3-0,44 мкм, 0,44-0,58 мкм, 0,58-0,72 мкм, преобразуют сигналы в цифровую форму. Сравнивают соответствующие значения массивов и по зависимости Вина-Планка, определяют поле температур поверхности непрерывнолитой заготовки в предположении, что поверхность является идеальным черным телом, рассчитывают по формуле аппроксимации коэффициент излучения, зависящий от температуры и длины волны, и определяют истинную температуру для каждой точки поверхности непрерывнолитой заготовки. Температура боковой поверхности слитка находится в диапазоне температур 900-1150° С. Определяют проекцию мгновенного перемещения температурного поля заготовки, движущегося, например, со стационарной скоростью 0,72 м/мин в двух направлениях - по центру и по краю слитка в течение четырех измерений с периодичностью 1 с. Полученные величины проекций мгновенных перемещений точек за интервал работы 4 с оптического измерителя приведены в таблице 1.

Результаты измерений мгновенных перемещений температурного поля используют для нахождения величины выпучивания непрерывнолитой заготовки:

1. Способ контроля технологических параметров разливки установки непрерывной разливки стали (УНРС), включающий непрерывную покадровую регистрацию излучения участка поверхности непрерывнолитой заготовки, преобразование сигналов в цифровую форму, сравнение нескольких последовательных кадров, расчет мгновенного перемещения поля излучения поверхности заготовки, определение текущей длины заготовки путем суммирования мгновенных перемещений в требуемом временном интервале, отличающийся тем, что оптический измеритель устанавливают в районе секций вторичного охлаждения УНРС и ориентируют на широкую грань заготовки, регистрируют изображение поверхности в трех диапазонах длин волн λ1-λ2, λ2-λ3, λ3-λ4, преобразуют сигналы в цифровую форму и по известной зависимости Вина-Планка получают поле температур поверхности непрерывнолитой заготовки, рассчитывают мгновенное перемещение температурного поля литой заготовки в двух направлениях: по краю и по центру заготовки, определяют величину выпучивания заготовки из отношения

где Н - межосевое расстояние между роликами секции вторичного охлаждения, мм;

h - величина ферростатического выпучивания, мм;

∂Нn - мгновенное перемещение поля температур по краю заготовки, мм;

∂lхn - проекция на вертикальную ось мгновенного перемещения поля температур по центру заготовки в n-м измерении, мм;

∂lхn+1 - проекция на вертикальную ось мгновенного перемещения поля температур по центру заготовки в (n+1)-м измерении, мм;

n - порядковый номер измерения;

m - количество измерений оптического измерителя, при которых ∂Н - const.

2. Оптический измеритель, содержащий корпус и последовательно расположенные в нем объектив, координатно-чувствительный фотоприемник, блок аналого-цифровой обработки, блок управления, а также отдельно расположенный компьютер, предназначенный для архивации и визуализации данных, отличающийся тем, что оптический измеритель дополнительно снабжен призмой, установленной за объективом, и тремя координатно-чувствительными фотоприемниками, чувствительными к разным интервалам длин волн, расположенными за призмой, при этом выход каждого фотоприемника соединен с входом блока аналого-цифровой обработки, а выход блока аналого-цифровой обработки соединен с входом блока управления, который, в свою очередь, соединен с компьютером.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .
Изобретение относится к измерению температуры в области металлургии и обработки металлов давлением. .

Изобретение относится к области оптической пирометрии и может быть использовано в измерительной технике, метрологии, дистанционном зондировании. .

Изобретение относится к оптической пирометрии и предназначено преимущественно для измерения температуры продуктов сгорания в факеле ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) при стендовом испытании.

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к оптическим бесконтактным способам измерения истинных температур различных объектов. .

Изобретение относится к способу и устройству определения температуры внутренних стенок в многостенных сосудах, в частности, в высокотемпературных агрегатах, как, например печи, в металлургии или химической технологии.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении отливок из интерметаллидных сплавов с направленной и монокристаллической структурой, в частности лопаток авиационных газотурбинных двигателей и стационарных газотурбинных установок, створок ГТД и других деталей ответственного назначения.

Изобретение относится к литейному производству. .

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при отливке полых изделий, в частности газотурбинных лопаток с проникающим охлаждением. .
Изобретение относится к литейному производству. .
Изобретение относится к изготовлению изделий в условиях резонансных колебаний структурных частиц материала. .
Изобретение относится к литейному производству. .
Изобретение относится к литейному производству. .
Изобретение относится к литейному производству. .

Изобретение относится к изготовлению лопаток авиационных компрессоров и турбин, в частности к лопаткам, изготовленным из отдельных, соединенных между собой монокристаллов с различным направлением кристаллизации каждого из них.

Изобретение относится к способу и устройству для изготовления заготовки из металла посредством установки непрерывной разливки, которая содержит по меньшей мере одно охлаждающее устройство для охлаждения заготовки, причем охлаждающему устройству придана по меньшей мере одна редукционная клеть для обжатия заготовки по толщине, причем заготовка при обжатии по толщине имеет отвердевшую оболочку и жидкую осевую зону.

Изобретение относится к оптическим методам контроля технологических параметров установки непрерывной разливки стали

Наверх