Определение температуры поверхности непрерывнолитых слябов с учетом экранирующего действия оксидной пленки

Федосов А.В., Казачков Е.А.
ПГТУ

Измерение температуры поверхности является одним из немногих методов неразрушающего контроля параметров непрерывно-литого слитка, позволяющих проводить измерения в процессе разливки (в On Line режиме).

Поверхность слитка, прошедшего полную длину МНЛЗ, несет на себе "отпечатки" всех воздействий, которые ей пришлось пройти. Средняя температура поверхности, распределение температуры по поверхности, образовавшаяся окалина - анализ этих данных позволяет проводить корректировку технологических параметров непрерывной разливки, а также выявлять недостатки действующих систем вторичного охлаждения, которые приводят к неравномерному и несимметричному распределению температуры в теле слитков и, как следствие, ухудшению их качества.

Большинство существующих методов определения теплового состояния поверхности сляба направлены на определение температуры поверхности слитков в некоторой геометрической точке [1]. В последнее время применяются методы позволяющие определить распределение температуры по ширине поверхности слитка [2,3]. Для получения более полной информации о тепловом состоянии слитков представляют интерес методы, позволяющие оценить распределение температуры по некоторой площади поверхности слитка. Такие методы представляют особый интерес при значительной пораженности поверхности слябов окалиной. Поскольку в комплексе распределение температуры по поверхности сляба и температура окалины не представляют интереса, то они должны анализироваться раздельно. Поэтому есть необходимость разработки алгоритма, позволяющего разделить области поверхности, пораженные окалиной и чистой поверхности слитка. Целью данной работы является разработка методов обработки цифровых фотоснимков поверхности непрерывно-литых заготовок, позволяющих проводить уточнения данных о тепловом состоянии поверхности путем определения участков, пораженных оксидной пленкой.

На выходе МНЛЗ температура поверхности сляба от 600 до 900⁰С. Также, в этой части МНЛЗ имеются участки открытой поверхности большой площади (до нескольких метров длиной). Первый фактор вызывает свечение в видимом диапазоне, которое может быть зарегистрировано цифровой цветной фотокамерой. Второй дает возможность получить данные с большого по протяженности участка, что позволяет уменьшить влияние случайных помех.

Цифровой снимок представляет собой растр, состоящий из точек. Яркость точки определяется чувствительностью фотокамеры и уровнем регистрируемого в данной точке излучения. Цветной снимок содержит три таких растра (по одному на каждый так называемый "основной" цвет). Все три практически совпадают в пространстве, то есть для каждой точки регистрируется интенсивность излучения по трем частотам – цветам. Таким образом, предоставляется возможность определения температуры с использованием методов цветовых соотношений. При разработке такого метода в работе [4] было отмечено, что процесс определения температуры поверхности заготовки усложняется наличием на ней окалины. Рассмотренный в работе [4] метод предусматривает применение способов фильтрации данных позволяющих несколько сгладить скачки температуры на участках пораженных окалиной. Однако на снимках слитков, сильно пораженных окалиной, применение методов обычной фильтрации не позволило получить хорошие результаты.

Окалина – оксидная пленка, образуется на поверхности слитка, при реакции разливаемой стали с атмосферным кислородом. Располагается она на поверхности слитка либо в виде пятен, либо в виде почти сплошных полос. В ходе разливки (в ЗВО), поверхность слитка подвергается многочисленным механическим воздействиям: давление поддерживающих роликов, давление струй (капель) воды из форсунок, загиб-разгиб слитка. Эти факторы создают условия для удаления окалины с поверхности слитка. Тем не менее, довольно часто на готовом слитке количество окалины велико.

Находясь на поверхности слитка, в зоне вторичного охлаждения, пласты окалины подвергаются интенсивному охлаждению. Поскольку окалина является отдельной от слитка фазой и имеет участки несплошности, то условия для ее вторичного разогрева за счет внутреннего тепла слитка неблагоприятны. В связи с этим окалина имеет более низкую температуру, чем смежная чистая поверхность слитка. Ее свечение находится на самом пределе чувствительности камеры. При измерении температуры пятна окалины закрывают собой исследуемую поверхность непрерывно-литого слитка, тем самым затрудняя анализ результатов измерений. На рис. 1 представлены результаты измерения температуры (без обработки методами фильтрации) поверхности сляба сильно пораженного окалиной. Из графика на рис. 1 с трудом угадывается распределение температуры металла на поверхности сляба. При этом нельзя не отметить сложность проведения измерений на слябах сильно пораженных окалиной с помощью точечного пирометра и систем сканирующего типа. В таком случае ограниченность полученных результатов может привести к неверной оценке теплового состояния непрерывно-литого слитка.

Рис. 1. Снимок участка поверхности сляба пораженного окалиной (а) и полученное при его анализе распределение температуры без применения методов фильтрации (б)

В связи с затруднениями в определении температуры поверхности слитка пораженной окалиной, целесообразно провести сегментацию изображения, которая заключается в построении формального описания изображения с выделением на нем участков, занимаемых окалиной и неокисленным металлом. Для этой цели подходят пороговые методы сегментации и методы наращивания областей. Наиболее хорошие результаты показывают методы последней группы, которые основаны на использовании локальных признаков изображения. Идея метода наращивания областей состоит в анализе сначала стартовой точки, затем соседних с ней точек и т.д., в соответствии с некоторым критерием однородности [5]. Однако качество определения областей, пораженных окалиной, при использовании вышеперечисленных методов можно значительно повысить, используя в качестве анализируемой матрицы величины отношения цветовых характеристик фотоснимков. Цветовыми характеристиками являются значения интенсивности свечения в трех определенных спектральных интервалах: красном, зеленом и синем участках спектра (R,G,B). Спектр свечения различных материалов отличается, так, даже при одинаковой температуре, спектр свечения окалины несколько отличен от спектра свечения металла. Используя это свойство, разработан метод сегментации цветного цифрового изображения поверхности непрерывно-литого слитка, который позволяет улучшить процесс выделения участков, пораженных оксидной пленкой. На рис. 2 представлено распределение спектральных соотношений окалины и «чистого» металла по поверхности сляба и результат работы алгоритма по выделению области поверхности пораженной окалиной.

Рис. 2. Выделение областей поверхности непрерывно-литого сляба пораженных окалиной: а – график распределения спектрального соотношения; б – изображение участка поверхности сляба с выделенной областью соответствующей положению окалины

После процесса выделения участков поверхности слитков, реальная температура которых скрыта слоем окалины, ставится вопрос о том, как определить эту температуру. В процессе анализа многочисленных снимков поверхности слябов было отмечено, что в местах свежего срыва окалины температура была выше, чем в среднем по исследуемой поверхности. Также благодаря высокой разрешающей способности фотокамеры была замечена окантовка повышенной температуры вокруг больших пластов окалины. Эти наблюдения подтверждают, что окалина на поверхности сляба играет роль теплоизолятора. Следовательно, металл, находящийся под окалиной, экранируется ею от активного охлаждения водовоздушных факелов в ЗВО и подвергается локальному разогреву, зависящему от степени экранирования, которая определяется толщиной слоя окалины. Из этого следует, что определяемая температура поверхности должна быть как минимум равной или выше температуры близлежащих участков поверхности не скрытых окалиной.

Определить температуру поверхности скрытой слоем окалины возможно используя два метода: метод экстраполяции и метод математического моделирования. Метод математического моделирования позволяет более корректно оценить реальное распределение температуры по поверхности слитков, однако для его реализации необходимы дополнительные параметры, одним из которых является данные об экранирующей способности слоя окалины, зависящей от ее толщины. Если получение зависимости степени экранирования от толщины окалины и представляется возможным (путем проведения экспериментов), то получение информации о толщине слоя окалины в процессе разливки пока затруднено. Поэтому в данной работе был применен метод экстраполяции. Суть метода заключается в сканировании температурной матрицы слитка по направлению его вытягивания, определении участка окалины и замене данных на этом участке линейно изменяющимися значениями температуры между значениями на его границах. В результате обработки снимка представленного на рис. 1 получено распределение приближенной к реальным значениям температуры поверхности сляба (рис. 3).

Рис. 3. Распределение температуры по поверхности непрерывно-литого слитка после обработки снимка по разработанной методике

Анализ данных о тепловом состоянии сляба прошедших обработку по разработанной методике значительно упрощается. Распределение температуры на рис. 3 избавлено от искажений вносимых пятнами окалины и имеет более четко выраженную, характерную для слябов форму. Оставшиеся на графике локальные участки повышенной температуры представляют собой места срыва окалины с поверхности слитка.

Существенно изменяется картина распределения температуры поверхности сляба по его ширине после обработки фотоснимков по предложенной методике. Окончательно, распределение температуры по ширине слитка вычисляется путем усреднения ее значений по длине сляба на ограниченном участке поверхности. На рис. 4 сопоставлены результаты по распределению температуры, полученные до и после обработки снимка с помощью разработанной методики.

Рис. 4. Распределение температуры поверхности сляба по его ширине

Кривая 2 на рис. 4 повторяет общую кривизну кривой 1, но при этом имеет сглаженный вид. Вторая кривая не имеет резких перепадов температуры, которые не характерны для теплового состояния поверхности сляба и представляют собой помехи от пятен окалины. Важно отметить, что температура по кривой 2 имеет более высокие значения, чем по кривой 1. Это связано с тем, что заниженные значения температуры, полученные с участков пораженных окалиной, заменяются значениями, полученными путем экстраполяции. Таким образом полученная средняя температура поверхности сляба после обработки снимка на 24 ^oС выше чем до обработки, а локальная разница температур достигает 50 ^oС. Следовательно, обычные методики определения температуры поверхности сляба могут давать дополнительную погрешность при получении результатов, связанную с наличием окалины на поверхности слябов. Несоответствие измеренной и реальной температуры сляба вносит погрешность в процесс управления технологическими параметрами процесса непрерывной разливки, в частности управлением расходами водовоздушной смеси в ЗВО. При одинаковых технологических параметрах, но различной пораженности поверхности слитка окалиной условия теплоотвода от слитка могут значительно отличаться. В этой связи разработанная методика позволяющая уточнять результаты измерений температуры поверхности непрерывно-литых слитков представляет несомненный интерес.

Однако применение метода экстраполяции при определении неизвестных значений температуры не дает полной картины теплового состояния слитков. По мнению авторов уточненная таким способом температура поверхности остается все еще заниженной по сравнению с реальной. Поэтому дальнейшие исследования в направлении использования методов математического моделирования для уточнения теплового состояния поверхности непрерывно-литых слитков позволят максимально приблизить получаемые при измерениях данные к реальным температурам поверхности.

Выводы

Разработан метод обработки экспериментальных данных о температуре поверхности непрерывно-литого слитка, позволяющий оценить его пораженность окалиной и на основе этого представить уточненные данные о распределении температуры. Применение разработанной методики позволит более эффективно проводить контроль температуры поверхности непрерывно-литых слитков, и оценивать связь между управляющими воздействиями технологических параметров непрерывной разливки и тепловым состоянием отливаемых слитков.

Библиографический список:

1. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля. –М.: Машиностроение, 1991. –240 с.

2. Гусев Г.В., Харазов В.Г. // Промышленные АСУ и контроллеры. 2006. №5. С. 47-51

3. S.-M. Lee, J.-M. Park // 5th European Conference on Continuous Casting, Nice. 2005. P. 106-111.

4. Определение теплового состояния поверхности непрерывно-литой заготовки при помощи устройств с ПЗС матрицей / Е.А. Казачков, А.В. Федосов, Е.А. Чичкарев и др. // Известия вузов. Черная металлургия. – 2009. – № 12. – С. 3–6.

5. Яковлев А.В. Методы и аппаратура анализа структуры микрошлифов металлов / А.В. Яковлев, Е.Н. Сидоренко // Муром. ин-т Владимир. гос. ун-та - Муром,2001-25 с.

© Федосов А.В., Казачков Е.А. 2010