Визначення температури поверхні безперервнолитих слябів з урахуванням оксидної екрануючої дії
Федосов А.В., Козачков Є.А. ПДТУ
Вимірювання температури поверхні є одним з небагатьох методів неруйнівного контролю параметрів безперервно-литого зливка, що дозволяють проводити вимірювання в процесі розливання (On Line режимі).
Поверхня зливка, що пройшов повну довжину МНЛЗ, несе на собі "відбитки" всіх дій, які їй довелося пройти. Середня температура поверхні, розподіл температури по поверхні, окалина, що утворилася, - аналіз цих даних дозволяє проводити коригування технологічних параметрів безперервного розливання, а також виявляти недоліки діючих систем вторинного охолодження, які призводять до нерівномірного і несиметричного розподілу температури в тілі злитків і, як наслідок, погіршення їх якості.
Більшість існуючих методів визначення теплового стану поверхні слябу спрямовано визначення температури поверхні злитків у певній геометричній точці [1]. Останнім часом застосовуються методи, що дозволяють визначити розподіл температури по ширині поверхні зливка [2,3]. Для отримання більш повної інформації про тепловий стан злитків цікаві методи, що дозволяють оцінити розподіл температури по деякій площі поверхні злитка. Такі методи становлять особливий інтерес при значній ураженості поверхні слябів окалиною. Оскільки в комплексі розподіл температури по поверхні слябу і температура окалини не становлять інтересу, вони повинні аналізуватися окремо. Тому є необхідність розробки алгоритму, що дозволяє розділити області поверхні, уражені окалиною та чистою зливковою поверхнею. Метоюданої є розробка методів обробки цифрових фотознімків поверхні безперервно-литих заготовок, що дозволяють проводити уточнення даних про тепловий стан поверхні шляхом визначення ділянок, уражених оксидною плівкою.
На виході МНЛЗ температура поверхні слябу від 600 до 900 0 С. Також у цій частині МНЛЗ є ділянки відкритої поверхні великої площі (до декількох метрів завдовжки). Перший фактор викликає свічення у видимому діапазоні, яке може бути зареєстроване цифровою кольоровою фотокамерою. Другий дає можливість отримати дані з великої протяжності ділянки, що дозволяє зменшити вплив випадкових перешкод.
Цифровий знімок є растр, що складається з точок. Яскравість точки визначається чутливістю фотокамери і рівнем випромінювання, що реєструється в даній точці. Кольоровий знімок містить три такі растри (по одному на кожен так званий "основний" колір). Всі три практично збігаються у просторі, тобто для кожної точки реєструється інтенсивність випромінювання за трьома частотами – кольорами. Таким чином, надається можливість визначення температури з використанням методів колірних співвідношень. Під час розробки такого методу у роботі [4] було зазначено, що визначення температури поверхні заготівлі ускладнюється наявністю у ньому окалини. Розглянутий у роботі [4] метод передбачає застосування способів фільтрації даних, що дозволяють дещо згладити стрибки температури на ділянках уражених окалиною. Однак на знімках злитків, сильно уражених окалиною, застосування методів звичайної фільтрації не дозволило отримати добрі результати.
Окалина – оксидна плівка, що утворюється на поверхні зливка, при реакції сталі, що розливається, з атмосферним киснем. Розташовується вона наповерхні зливка або у вигляді плям, або у вигляді суцільних смуг. В ході розливу (в ЗВО), поверхня зливка піддається численним механічним впливам: тиск роликів, що підтримують, тиск струменів (крапель) води з форсунок, загин-розгин зливка. Ці чинники створюють умови видалення окалини з поверхні злитка. Тим не менш, досить часто на готовому злитку кількість окалини велика.
Перебуваючи на поверхні зливка, у зоні вторинного охолодження, пласти окалини піддаються інтенсивному охолодженню. Оскільки окалина є окремою від зливка фазою і має ділянки несплошности, то умови її вторинного розігріву з допомогою внутрішнього тепла зливка несприятливі. У зв'язку з цим окалина має нижчу температуру, ніж суміжна чиста поверхня зливка. Її свічення знаходиться на межі чутливості камери. При вимірі температури плями окалини закривають собою досліджувану поверхню безперервно-литого зливка, тим самим ускладнюючи аналіз результатів вимірів. На рис. 1 представлені результати вимірювання температури (без обробки методами фільтрації) поверхні слябу сильно ураженого окалиною. З графіка на рис. 1 важко вгадується розподіл температури металу на поверхні слябу. При цьому не можна не відзначити складність вимірювань на слябах сильно уражених окалиною за допомогою точкового пірометра і систем скануючого типу. У такому разі обмеженість отриманих результатів може призвести до невірної оцінки теплового стану безперервно-литого зливка.
Мал. 1. Знімок ділянки поверхні слябу ураженого окалиною (а) та отриманий при його аналізі розподіл температури без застосування методів фільтрації (б)
У зв'язку із труднощами у визначенні температури поверхні зливкаураженої окалиною, доцільно провести сегментацію зображення, яка полягає у побудові формального опису зображення з виділенням на ньому ділянок, що займаються окалиною та неокисленим металом. Для цієї мети підходять порогові методи сегментації та методи нарощування областей. Найбільш хороші результати показують методи останньої групи, які ґрунтуються на використанні локальних ознак зображення. Ідея методу нарощування областей полягає в аналізі спочатку стартової точки, потім сусідніх з нею точок тощо, відповідно до деякого критерію однорідності [5]. Однак якість визначення областей, уражених окалиною, при використанні вищеперерахованих методів можна значно підвищити, використовуючи як аналізовану матрицю величини відношення колірних характеристик фотознімків. Колірними характеристиками є значення інтенсивності світіння у трьох певних спектральних інтервалах: червоному, зеленому та синьому ділянках спектру (R,G,B). Спектр свічення різних матеріалів відрізняється, так, навіть при однаковій температурі, спектр свічення окалини дещо відрізняється від спектру свічення металу. Використовуючи цю властивість, розроблено метод сегментації кольорового цифрового зображення поверхні безперервно-литого зливка, який дозволяє покращити процес виділення ділянок, уражених оксидною плівкою. На рис. 2 представлено розподіл спектральних співвідношень окалини та «чистого» металу по поверхні слябу і результат роботи алгоритму виділення області поверхні ураженої окалиною.
Мал. 2. Виділення областей поверхні безперервно-литого слябу уражених окалиною: а – графік розподілу спектрального співвідношення; б – зображення ділянки поверхні слябу з виділеною областю, що відповідає положенню окалини.
Після процесу виділення ділянок поверхні злитків, реальна температура яких прихована шаром окалини, порушується питання, як визначити цю температуру. У процесі аналізу численних знімків поверхні слябів було зазначено, що у місцях свіжого зриву окалини температура була вищою, ніж у середньому досліджуваної поверхні. Також завдяки високій роздільній здатності фотокамери була помічена окантовка підвищеної температури навколо великих пластів окалини. Ці спостереження підтверджують, що окалина лежить на поверхні сляба грає роль утеплювача. Отже, метал, що знаходиться під окалиною, екранується нею від активного охолодження водоповітряних смолоскипів у ЗВО і піддається локальному розігріву, що залежить від ступеня екранування, яка визначається товщиною шару окалини. З цього випливає, що температура поверхні повинна бути як мінімум рівною або вище температури прилеглих ділянок поверхні не прихованих окалиною.
Визначити температуру поверхні прихованої шаром окалини можливо використовуючи два методи: метод екстраполяції та метод математичного моделювання. Метод математичного моделювання дозволяє більш коректно оцінити реальний розподіл температури по поверхні злитків, проте для його реалізації необхідні додаткові параметри, одним з яких є дані про здатність екрануючої шару окалини, що залежить від її товщини. Якщо отримання залежності ступеня екранування від товщини окалини і є можливим (шляхом проведення експериментів), то отримання інформації про товщину шару окалини в процесі розливання поки утруднено. Тому в цій роботі було застосовано метод екстраполяції. Суть методу полягає у скануванні температурної матриці зливка за напрямом його витягування, визначенняділянки окалини та заміні даних на цій ділянці значеннями температури, що лінійно змінюються, між значеннями на його межах. Внаслідок обробки знімка представленого на рис. 1 одержано розподіл наближеної до реальних значень температури поверхні слябу (рис. 3).
Мал. 3. Розподіл температури по поверхні безперервно-литого злитка після обробки знімка за розробленою методикою
Аналіз даних про тепловий стан слябу, що пройшли обробку за розробленою методикою, значно спрощується. Розподіл температури на рис. 3 позбавлене спотворень, що вносяться плямами окалини і має більш чітко виражену, характерну для слябів форму. локальні ділянки підвищеної температури, що залишилися на графіку, являють собою місця зриву окалини з поверхні зливка.
Істотно змінюється картина розподілу температури поверхні слябу за його шириною після обробки фотознімків за запропонованою методикою. Остаточно, розподіл температури за шириною зливка обчислюється шляхом усереднення її значень за довжиною слябу на обмеженій ділянці поверхні. На рис. 4 зіставлені результати розподілу температури, отримані до і після обробки знімка за допомогою розробленої методики.
Мал. 4. Розподіл температури поверхні слябу за його шириною
Крива 2 на мал. 4 повторює загальну кривизну кривою 1, але має згладжений вигляд. Друга крива не має різких перепадів температури, які не характерні для теплового стану поверхні слябу і є перешкодами від плям окалини. Важливо відзначити, що температура по кривій 2 має вищі значення, ніж по кривій 1. Це пов'язано з тим, що занижені значення температури, отримані з ділянок уражених окалиною, замінюютьсязначеннями, отриманими шляхом екстраполяції. Таким чином, отримана середня температура поверхні слябу після обробки знімка на 24 o С вище ніж до обробки, а локальна різниця температур досягає 50 o С. Отже, звичайні методики визначення температури поверхні слябу можуть давати додаткову похибку при отриманні результатів, пов'язану з наявністю окалини на поверхні слябів. Невідповідність виміряної та реальної температури слябу вносить похибку в процес управління технологічними параметрами процесу безперервного розливання, зокрема управління витратами водоповітряної суміші в ЗВО. При однакових технологічних параметрах, але різної ураженості поверхні зливка окалиною умови тепловідведення від злитка можуть значно відрізнятися. У зв'язку з цим розроблена методика, яка дозволяє уточнювати результати вимірювань температури поверхні безперервно-литих злитків, представляє безперечний інтерес.
Розроблено метод обробки експериментальних даних про температуру поверхні безперервно-литого зливка, що дозволяє оцінити його ураженість окалиною і на основі цього подати уточнені дані про розподіл температури. Застосування розробленої методики дозволить більш ефективно проводити контроль температури поверхні безперервно-литих злитків, і оцінювати зв'язок між керуючими впливами технологічних параметрів безперервного розливання і тепловим станом зливків, що відливаються.
Бібліографічний список:
1. Вавілов В.П. Теплові методи контролю, що не руйнує. -М.: Машинобудування, 1991. -240 с.
2. Гусєв Г.В., Харазов В.Г. // Промислові АСУ та контролери. 2006. №5. С. 47-51
3. S.-M. Lee, J.-M. Park // 5th European Conference on Continuous Casting, Nice. 2005. P. 106-111.
4. Визначеннятеплового стану поверхні безперервно-литої заготовки за допомогою пристроїв із ПЗЗ матрицею / О.О. Козачков, А.В. Федосов, Є.А. Чичкарєв та ін / / Вісті вузів. Чорна металургія. – 2009. – № 12. – С. 3–6.
5. Яковлєв А.В. Методи та апаратура аналізу структури мікрошліфів металів / О.В. Яковлєв, Є.М. Сидоренко// Муром. ін-т Володимир. держ. ун-ту - Муром, 2001-25 с.