CN116569007A - 钢产品的温度的估计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于估计钢产品的温度的方法，该方法包括：校准步骤，其中，针对若干测量条件记录范围从0.9μm至2.1μm的5个波长处的强度以及计算光谱衰减系数；测量步骤，其中，记录所述5个波长处的强度以及针对若干温度计算光谱衰减系数；以及比较步骤，其中，执行概率测试以估计钢产品温度。
Description
本发明涉及用于估计正在经受冷却处理的钢产品的温度的方法。当所述钢产品上存在水时，本方法特别有利。例如，在炼钢中，所要求保护的方法可以在连续铸造的二次冷却过程期间或在热轧机的输出辊道中应用。
在钢带的制造期间，从其铸造到其卷取，钢经受若干冷却操作。这些操作通常包含将水喷涂到钢上。这可能会导致在带表面上形成水膜。
冷却操作通常涉及调节冷却功率的模型。这些模型以带温度作为输入数据。因此，为了可靠地掌握冷却，在冷却操作期间精确地知道温度是关键。
通常使用测量辐射强度的高温计来测量钢产品温度。然而，测量的辐射的强度受产品与高温计之间的介质(诸如，产品上的水层)的存在的影响。例如，当钢表面和环境没有任何干扰时，其精度为大约±10℃。当钢表面上有水时或当钢与高温计之间有雾时，测量误差可能高达100℃。当钢上有水并且钢与高温计之间有雾时，测量误差可能高达200℃。
因此，需要提高当钢上有水和/或带与测量装置之间有雾时测量钢温度的准确性。
EP 2889594公开了在利用水的冷却过程中准确地测量钢材料的表面温度的方法。0.7μm至0.9μm、1.0μm至1.2μm和1.6μm至1.8μm的波段中的辐射被记录。为了测量钢温度，使用了高温计。此外，光学玻璃被放置在高温计与钢之间，并且被放置在距离钢的确定空间处。光学玻璃也被定位成使得在冷却过程期间，冷却水进入钢材料与光学玻璃之间的空间，以便具有稳定的表面张力。因此，光学玻璃与钢之间的介质是已知的。然后使用和钢材料与光学玻璃之间的间隙有联系的系数对测量的辐射强度进行校正。这允许减少由水对辐射能量的吸收或散射引起的温度测量误差。
本发明的目的是提供提高钢带在冷却操作期间的温度测量的准确性的方法。
该目的通过提供根据权利要求1至12中任一项所述的方法来实现。
根据本发明的以下详细描述，其他特性和优点将变得明显。
图1示出了所要求保护的方法的步骤A.i.至B.ii.的实施方式。
图2示出了水的根据波长的吸收光谱的实施方式。
图3示出了水蒸气的根据波长的吸收光谱的实施方式。
图4示出了在校准步骤中计算的若干光谱衰减系数CCALIB的实施方式。
图5示出了由热电偶测量的和由所要求保护的方法估计的钢带温度的比较结果。
本发明涉及用于估计具有从300℃至1600℃的温度的钢产品的温度TREAL的方法，该方法包括：
A.校准步骤，其包括以下步骤：
i.借助于传感器测量由具有已知温度(TREF)的参考物在测量条件下发射的辐射在范围从0.9μm至2.1μm的5个波长(λ)处的强度(I)，其中，一个波长从0.9μm至1.35μm，一个波长从1.35μm至1.55μm，一个波长从1.55μm至1.85μm，一个波长从1.85μm至2.05μm，以及一个波长从2.05μm至2.1μm，测量条件是由所述参考物的发射率(εREF)和所述参考物与所述传感器之间的介质的透射率(αREF)所表征的，其中，所述参考物是钢产品，
ii.使用所述5个波长处的所述测量强度(I)来计算光谱衰减系数CCALIB，
其中，P(λ,TREF)是基于普朗克定律(Planck Law)由处于热平衡的黑体(blackbody)在波长(λ)和在温度(TREF)处发射的电磁辐射的谱密度，
iii.对于参考物发射率(εREF)和所述参考物与所述传感器之间的介质的透射率(αREF)的NCALIB个不同组合重复步骤i.和ii.，以得到NCALIB个光谱衰减系数，NCALIB是大于2的整数，
B.测量步骤，其包括以下步骤：
i.测量由所述钢产品发射的辐射在所述范围从0.9μm至2.1μm的5个波长(λ)处的强度I，
ii.针对范围从300℃至1600℃的NT个温度(Tj)和针对所述5个波长来计算NT个光谱衰减系数C计算Tj，NT是从2至1300的整数，
其中，
-P(λ,TJ)是基于普朗克定律由处于热平衡的黑体在波长λ和在温度TJ处发射的电磁辐射的谱密度，
C.比较步骤，其包括以下步骤，
i.执行用于在CCALIB之中发现最可能的C计算Tj的概率测试，
ii.将所述钢产品的温度TREAL估计为等于所述最可能的C计算TJ的温度TJ。
该过程的步骤如图1中所示。
钢产品可以是任何类型的产品，诸如带、箍或板坯。钢产品的温度是未知的，然而，根据其中执行测量的过程步骤，本领域的技术人员知道温度应该在的范围。例如，在热轧之后的钢带的冷却处理中，钢带的温度一般包括在300℃和1100℃之间。
在校准步骤A.i.中，可以通过任何合适的手段测量由参考钢产品发射的辐射的强度。这些强度优选地由高光谱摄像装置测量。
在校准步骤A.i.中，参考钢产品优选地具有与使其温度被估计的钢产品类似的成分。甚至更优选地，参考钢产品具有与被分析的钢产品相同的品级。
在校准步骤A.i.中，可以通过任何手段测量参考钢产品的温度。优选地，使用热电偶测量该温度。
在校准步骤A.ii.中，可以通过在测量温度处将每个记录的强度I除以P(λ,Tj)来计算光谱衰减系数CCALIB。
步骤A.i.和A.ii.被重复了NCALIB次，每次对应于新的测量条件。测量条件由参考物发射率(εREF)和参考物与传感器之间的介质的透射率(αREF)的组合来限定。这允许对于不同的测量条件得到各种CCALIB。NCALIB越大，估计的准确性就越大。
换言之，校准步骤A.的步骤i.和ii.是针对钢产品发射率(εREF)和测量条件透射率(αREF)的各种组合而重复的。εREF根据若干因素，诸如参考钢产品的温度、表面特性(诸如，油的存在)而变化。αREF取决于传感器与参考钢产品之间的介质，诸如参考钢产品上的水层的厚度。
然而，对于计算CCALIB，εREF和αREF的值不需要已知。
在测量步骤B.i.中，优选地使用高光谱摄像装置测量由所述钢产品发射的强度。在步骤B.i.中测量强度的波长与步骤A.i.中的测量强度的波长相同。
在测量步骤B.ii.中，计算光谱衰减系数的温度的数量(NT)越大，估计的准确性就越大。
此外，在校准步骤和测量步骤二者中，可以使用传递函数调整测量的强度。
测量所述5个波长处的辐射强度允许使用减少数量的强度来描述产品发射率和介质透射率的组合的光谱形状，所述5个波长中一个波长从0.9μm至1.35μm，一个波长从1.35μm至1.55μm，一个波长从1.55μm至1.85μm，一个波长从1.85μm至2.05μm，以及一个波长从2.05μm至2.1μm。实际上，在从0.9至2.1的范围内，如图1中所示，水的吸收光谱表现出两个峰，一个峰从1.35μm至1.55μm，而一个峰从1.85μm至2.05μm。
在比较步骤C中，执行概率测试以在CCALIB之中发现最可能的C计算TJ。可以执行允许在CCALIB之中发现最可能的C计算TJ的任何方法。
这种方法允许提高钢产品的温度估计的准确性，因为所述估计考虑了测量条件的影响，诸如钢产品上存在水。
优选地，所述冷却处理在热轧期间或之后进行，并且所述钢产品具有从300℃至1100℃的温度，并且其中，在步骤B中，TJ的范围从300℃至1100℃。这种冷却通常在输出辊道中执行。
优选地，所述冷却处理在连续的铸造期间或进行，并且所述钢产品具有从800℃至1600℃的温度，并且其中，在步骤B中，TJ的范围从800℃至1600℃。
优选地，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的8个波长(λ)的辐射强度，其中，一个波长从0.9μm至1.11μm，一个波长从1.11μm至1.15μm，一个波长从1.15μm至1.35μm，一个波长从1.35μm至1.55μm，一个波长从1.55μm至1.85μm，一个波长从1.85μm至2.05μm，一个波长从2.05μm至2.07μm，以及一个波长从2.07μm至2.1μm，以及在步骤A)ii.和B)ii中，计算所述8个波长的光谱衰减系数。当钢产品与传感器之间存在诸如蒸气的介质时，测量这8个波长的辐射强度提高了测量结果的准确性。如图2中所示，从1.11μm至1.15μm和从2.05μm至2.07μm的范围对应于蒸气的吸收光谱的峰。此外，这两个峰与水的吸收光谱的峰不匹配。
优选地，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的5个附加波长处的辐射强度，以及在步进步骤A)ii.和B)ii.中，计算所述8个波长和所述5个附加波长的光谱衰减系数。13个波长优选地均匀地分布在所述范围内，这意味着13个波长由0.1μm的间隔隔开(0.9，1.0，……，2.0，2.1)。
优选地，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的42个附加波长处的辐射强度，以及在步进步骤A)ii.和B)ii.中，计算所述8个波长和所述42个附加波长的光谱衰减系数。
优选地，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的92个附加波长处的辐射强度，以及在步进步骤A)ii.和B)ii.中，计算所述8个波长和92个附加波长的光谱衰减系数。
优选地，NCALIB是从2至1000的整数，并且优选地是从20至1000的整数。
优选地，在步骤C)i.中，概率测试包括对限定主要成分的所述CCALIB进行降维(dimensionality reduction)。甚至更优选地，在步骤C)i.中，利用主成分分析执行所述降维。
优选地，在步骤C)i.中，概率测试包括所述CCALIB在概率模型中的投影。甚至更优选地，在步骤C)i.中，所述概率模型是高斯混合模型(Gaussian mixture model)。
本发明的实施方式
为了评估所要求保护的方法的准确性，通过热电偶对在输出辊道中被冷却的钢带的温度进行了测量并且通过本方法对温度进行了估计。
A.校准步骤
在校准步骤期间，通过高光谱摄像装置对由在输出辊道中被冷却的钢带发射的辐射强度进行了记录。更精确地，对范围从1.1μm至2.1μm的256个波长处的强度进行记录。这256个波长均匀地分布在所述范围内。由热电偶对钢带的温度进行测量。
校准步骤包括6次持续5分钟至15分钟之间的试验，其中，辐射强度每秒被测量10次和100次之间。因此，记录了几千个测量条件。这些测量条件发生在冷却期间(存在水滴、雾和水)和冷却之后/之前(不存在水/雾)，以及针对具有各种氧化程度的钢带。
然后，使用由处于热平衡的黑体发射的电磁辐射的谱密度、由热电偶测量的温度和高光谱摄像装置的传递函数计算若干光谱衰减系数CCALIB。CCALIB中的每一个具有256个值，一个值对应于所述256个波长中的每一个。图4中绘制了CCALIB。
B.测量
在测量步骤期间，通过高光谱摄像装置对由在输出辊道中被冷却的钢带发射的辐射强度进行了记录。更精确地，记录与校准步骤中相同的256个波长处的强度。
此外，限定范围从300℃至1600℃的261个温度为被测量的钢带的可能温度，因此NT＝261。这些温度被5℃的间隔隔开：(300℃，305℃，310℃……1595℃，1600℃)。
然后，对于先前限定的261个温度中的每一个温度，将所述256个波长处的测量辐射强度除以普朗克定律的值并且乘以传递函数。因此，计算出261个光谱衰减系数C计算TJ。所述261个光谱衰减系数中的每一个具有256个值，一个值对应于每个测量的波长和相关联的温度。
C.比较
本实施方式的概率测试包括10个步骤。
1)对在校准步骤期间获得的所有光谱衰减系数CCALIB执行主成分分析(PCA)，以得到3个主要的PCA成分(PC1、PC2、PC3)。然后，使用所述三个主要成分对数据库的每个CCALIB进行近似。
2)将光谱衰减系数投影到由先前限定的3个主要成分限定的PCA空间中。
3)将步骤2)的PCA空间中的点的密度投影到高斯混合模型中。
4)将所述261个C计算TJ中的每一个投影到由先前限定的3个主要成分限定的PCA空间中。
5)对于261个C计算TJ中的每一个，根据其在4)中限定的PCA空间中的坐标重建近似的光谱衰减系数，并且通过比较原始光谱衰减和其根据PCA系数的重建来限定第一似然因子(Like1)。
6)将所述261个C计算TJ中的每一个投影到3)中限定的高斯混合模型中，并且确定第二似然因子(Like2)。Like2表示投影在PCA空间中的学习数据的局部密度。
因此，两个似然(Like1和Like2)与所述261个C计算TJ中的每一个相关联。
7)然后，针对所述261个C计算TJ中的每一个计算Like1和Like2的乘积。
最后，将与使7)的乘积最大化的C计算TJ相关联的温度限定为钢带的温度。
通过热电偶测量获得的温度和经由所要求保护的估计获得的温度的比较结果绘制在图5中。带点的线表示通过先前描述的方法估计的温度，而连续的线表示通过热电偶测量的温度。可以清楚地看出，由本方法给出的温度是可靠的。
Claims (12)
1.一种用于估计具有从300℃至1600℃的温度的钢产品的温度TREAL的方法，所述方法包括：
A.校准步骤，其包括以下步骤：
i.借助于传感器测量由具有已知温度(TREF)的参考物在测量条件下发射的辐射在范围从0.9μm至2.1μm的5个波长(λ)处的强度(I)，其中，一个波长从0.9μm至1.35μm，一个波长从1.35μm至1.55μm，一个波长从1.55μm至1.85μm，一个波长从1.85μm至2.05μm，以及一个波长从2.05μm至2.1μm，所述测量条件是由所述参考物的发射率(εREF)和所述参考物与所述传感器之间的介质的透射率(αREF)所表征的，其中，所述参考物是钢产品，
ii.使用所述5个波长处的所述测量强度(I)来计算光谱衰减系数CCALIB，
其中，P(λ,TREF)是基于普朗克定律由处于热平衡的黑体在波长(λ)和在温度(TREF)处发射的电磁辐射的谱密度，
iii.对于参考物发射率(εREF)和所述参考物与所述传感器之间的介质的透射率(αREF)的NCALIB个不同组合重复所述步骤i.和ii.，以得到NCALIB个光谱衰减系数，NCALIB是大于2的整数，
B.测量步骤，其包括以下步骤：
i.测量由所述钢产品发射的辐射在所述范围从0.9μm至2.1μm的5个波长(λ)处的强度I，
ii.针对范围从300℃至1600℃的NT个温度(Tj)和针对所述5个波长来计算NT个光谱衰减系数C计算Tj，NT是从2至1300的整数，
其中，
-P(λ,TJ)是基于普朗克定律由处于热平衡的黑体在波长λ和在温度TJ处发射的电磁辐射的谱密度，
C.比较步骤，其包括以下步骤：
i.执行用于在所述CCALIB之中发现最可能的C计算Tj的概率测试，
ii.将所述钢产品的温度TREAL估计为等于所述最可能的C计算TJ的温度TJ。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却处理在热轧期间或之后进行，并且所述钢产品具有从300℃至1100℃的温度，并且其中，在步骤B中，TJ的范围从300℃至1100℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却处理在连续的铸造期间或之后进行，并且所述钢产品具有从800℃至1600℃的温度，并且其中，在步骤B中，TJ的范围从800℃至1600℃。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的8个波长(λ)的辐射强度，其中，一个波长从0.9μm至1.11μm，一个波长从1.11μm至1.15μm，一个波长从1.15μm至1.35μm，一个波长从1.35μm至1.55μm，一个波长从1.55μm至1.85μm，一个波长从1.85μm至2.05μm，一个波长从2.05μm至2.07μm，以及一个波长从2.07μm至2.1μm，以及在步骤A)ii.和B)ii中，计算所述8个波长的光谱衰减系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的5个附加波长处的辐射强度，以及在步进步骤A)ii.和B)ii.中，计算所述8个波长和所述5个附加波长的光谱衰减系数。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的42个附加波长处的辐射强度，以及在步进步骤A)ii.和B)ii.中，计算所述8个波长和所述42个附加波长的光谱衰减系数。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，在步骤A)i.和B)i.中，测量范围从0.9μm至2.1μm的92个附加波长处的辐射强度，以及在步进步骤A)ii.和B)ii.中，计算所述8个波长和92个附加波长的光谱衰减系数。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，NCALIB是从2至1000的整数，并且优选地是从20至1000的整数。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，在步骤C)i.中，所述概率测试包括对限定主要成分的所述CCALIB进行降维。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤C)i.中，利用主成分分析执行所述降维。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，在步骤C)i.中，所述概率测试包括所述CCALIB在概率模型中的投影。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在步骤C)i.中，所述概率模型是高斯混合模型。
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