一种熔融金属多热工量测量方法、装置、电子设备及存储介质与流程

本发明属于熔融金属，涉及一种熔融金属多热工量测量方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、熔融金属是金属矿石经过复杂冶炼过程后形成的高温熔融态流体，包括铁水、钢水、铜液、铝液等。热工量(温度、热流)是熔融金属凝固生产过程中重要核心物理参数，准确实时掌握凝固过程中热工量参数，对质量控制、工艺参数选择有重要的意义，也为金属冶炼过程的闭环调控提供了关键反馈信息。

2、现有温度测量方法从原理上包括接触式与非接触式，接触法通常是在铸模、结晶器后部钻孔伸入温度薄膜热电偶传感器测量温度，因测量位置靠后所测温度远低于热面温度，测量时间因薄膜热电偶传感器自身响应特性存在滞后性，无法实现对快速热场的及时响应，另外受制于原理无法实现局部热流密度的测量。另外也有将温度薄膜热电偶传感器直接伸入熔融流体中测量，但是由于熔融金属流体具有温度高、腐蚀性强等特点，此法只能间断地获取有限个温度点，无法实现连续检测；非接触式测温方式主要指红外辐射测温方式，尽管其可以实现长期连续测温，测量过程中容易受被测物体发射率、不同浓度粉尘、水汽的影响，降低测温精度。

3、为此，我们提出一种冶金熔融金属混合流场的多热工量状态检测方法，通过对熔融金属热面温度和热流密度的整体把控和在线准确及时测量，满足工业现代化高质量生产的要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种熔融金属多热工量测量方法、装置、电子设备及存储介质，以解决无法进行熔融金属热面温度、局部热流瞬时检测、无法在线连续检测和检测精度低的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种熔融金属多热工量测量方法，所述方法包括：

4、将薄膜热电偶传感器安装在熔融金属近壁面附近，获取薄膜热电偶传感器不同测温对前节点与后节点测量数据，包括温度测量时刻和所测温度；

5、基于温度测量时刻、不同测温对前节点与后节点所测温度，基于热平衡方程组，选择分段滚动拟和区间，根据统计方法如基于最小二乘法进行多元线性拟和计算得到相关传热系数；

6、根据薄膜热电偶传感器每组测温对前节点与后节点i温度信号与被测点热工量的关系式，代入相关传热系数，实时获得熔融金属近壁面被测点位温度和局部热流密度信息。

7、进一步，考虑热传导以及测温头本身的热惯性，所述薄膜热电偶传感器每组测温头前端测温节点的第一热平衡方程为：

8、

9、其中，左边代表每组测温头前端节点的能量变化，m为前端节点处的质量，c为前端节点比热容，t是前端节点的温度；

10、右边两项分别代表每组测温头前端节点从熔融金属近壁面，即热面的温度吸收的能量φin，前端节点沿薄膜热电偶传感器轴向的热传导损失φout，分别为：

11、

12、其中，tb为熔融金属近壁面温度，t1为每组测温头前端节点温度，tref为每组测温头后端节点测得温度；

13、hf为熔融金属近壁面被测点与薄膜热电偶传感器前端节点的综合传热系数；htc为薄膜热电偶传感器本体的综合传热系数，l为测温对前端节点与后端节点的距离；

14、将薄膜热电偶传感器均布置在管内，认为每组测温头前端节点接收到来自熔融金属表面的同一热输入，即tb温度相同；认为单独每个测温头换热面积a是一致的；另外，对于不同热端测温点，其热传导距离l相同；

15、薄膜热电偶传感器有k个测温对时，第i组满足的热平衡方程为：

16、mi·ci·(dti/dt)＝hf·aconvi·(tb-ti)-htc·aconvi·(ti-trefi)/l，i＝1,2,3…k (3)

17、对于上述方程组，两两相减，消去熔融金属热面温度tb，得到方程(6)如下：

18、

19、对于第i组与j组，将他们并经整理得：

20、

21、定义传热系数：

22、以上各变量中，在相邻时间段内，将换热系数hf、htc质量m、比热容c均视为常数；对于任意时刻熔融金属近壁面温度tb的重构，利用ti,trefi,tj,trefj实测温度薄膜热电偶传感器数据通过最小二乘法拟合求解出传热系数；拟和时，从初始零时刻计，分段拟和区间根据采样间隔δt和采样点数n确定；

23、对于任意t＝tn时刻，即满足：

24、αij|i·(dt1/dt)-αij|j(dtj/dt)+βij(ti-trefi-tj+trefj)＝tj-ti (6)

25、改写为矩阵形式：

26、

27、其中：t＝δt，δt为采集时间；

28、

29、上式中，δt为采样间隔，n为分段滚动拟和区间的数据点数；通过最小二乘法方法获得当前时刻传热参数系数αij|i，αij|i和βij，公式如下所示：

30、

31、任意t＝tn时刻，方程组(6)改写得到方程组如下：

32、

33、对于节点i，与其他k-1的节点的热平衡方程相减；对于传热参数系数αiji和βij，分别有多个计算值，当分别求出后，求平均，得到最终的传热系数αi，βi，如下式所示：

34、

35、将通过式(12)和式(13)获得的αi和βi值代入测温头i的热平衡方程，求解出当前时刻测温对相应的被测对象表面温度值

36、

37、局部热流密度计算公式为：

38、

39、进一步，当被测熔融金属状态稳定时，所述传热系数根据经验值或仿真结果给出。

40、一种熔融金属多热工量测量装置，该装置包括：

41、薄膜热电偶传感器，根据测温要求制备的薄膜热电偶传感器经铠装而成，金属铠装内部填充绝缘材料，端口采用密封胶密封；所述薄膜热电偶传感器的基材材质包括铜、硅、蓝宝石、玻璃和聚酰亚胺；所述薄膜热电偶传感器包括不同测温对，热电材料交替变化，每一个测温对包含两个测温节点，沿薄膜热电偶传感器的长度方向直线分布；不同测温对具有不同的线条宽度，用以形成不同面积的测温节点；所有测温对的前端或后端测温节点均与传感器最前端距离相同；

42、计算机设备，所述计算机设备包括一个或多个处理器和存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述计算机设备实现以下功能：获取传感器不同测温对前端节点与后端节点测量数据，包括温度测量时刻和所测温度；基于温度测量时刻、不同测温对前节点与后节点所测温度，基于热平衡方程组，选择分段滚动拟和区间，根据统计方法如基于最小二乘法进行多元线性拟和计算得到相关传热系数；根据传感器每组测温对前节点与后节点i温度信号与被测点热工量的关系式，代入相关传热系数，实时获得熔融金属近壁面被测点位温度和局部热流密度信息；

43、计算机可读存储介质，用于存储由计算机设备处理后的熔融金属热工量检测数据。

44、进一步，所述薄膜热电偶传感器的薄膜功能层上加设保护层，以提高传感器服役寿命。

45、一种电子设备，包括处理器；

46、用于存储处理器可执行指令的存储器；

47、其中，所述处理器被配置为用于执行所述的熔融金属多热工量测量方法。

48、一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行所述的熔融金属多热工量测量方法的步骤。

49、一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时，执行所述的熔融金属多热工量测量方法。

50、本发明的有益效果在于：薄膜热电偶传感器拥有响应速度快、体积小、集成度高等优点，通过多组有效一维传热通道的建立，基于传热模型能够实现对熔融金属(近壁面)温度和局部热流的在线即时测量，能有效解决因测温位置靠后带来的温度偏低和自身响应带来的温度滞后，还能快速精准捕捉熔融金属局部热流密度的变化，通过多薄膜热电偶传感器阵列组合便能精确实时地掌握熔融金属热场检测；同时能满足适复杂恶劣环境下的测温需求，能自适应实时计算出因薄膜热电偶传感器现场接触质量、被测目标温度波动、测温头物理性质变化等因素带来的相关传热系数波动，具有优良的抗干扰性，而且可以进一步地将热工量检测数据与生产工艺模型结合，对熔融金属凝固过程的工艺研究与高效率生产方面具有重大意义。

51、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种熔融金属多热工量测量方法，其特征在于：所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种熔融金属多热工量测量方法，其特征在于：考虑热传导以及测温头本身的热惯性，所述薄膜热电偶传感器每组测温头前端测温节点的第一热平衡方程为：

3.根据权利要求2所述的一种熔融金属多热工量测量方法，其特征在于：当被测熔融金属状态稳定时，所述传热系数根据经验值或仿真结果给出。

4.一种熔融金属多热工量测量装置，其特征在于：该装置包括：

5.根据权利要求4所述的一种熔融金属多热工量测量装置，其特征在于：所述薄膜热电偶传感器的薄膜功能层上加设保护层，以提高传感器服役寿命。

6.一种电子设备，其特征在于：包括处理器；

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行权利要求1～3中任一项所述的熔融金属多热工量测量方法的步骤。

8.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于：

技术总结
本发明涉及一种熔融金属多热工量测量方法、装置、电子设备及存储介质，属于熔融金属技术领域。通过多组有效一维传热通道的建立，基于传热模型能够实现对熔融金属多热工量在线即时测量，能有效解决因测温位置靠后带来的温度偏低和自身响应带来的温度滞后，还能快速精准捕捉熔融金属局部热流密度的变化，通过多薄膜热电偶传感器阵列组合便能精确实时地掌握熔融金属热场分布；同时能满足复杂恶劣环境下的测温需求，能自适应实时计算出因薄膜热电偶传感器现场接触质量、被测目标温度波动、测温头物理性质变化等因素带来的相关传热系数波动，具有优良的抗干扰性，而且可以进一步地将热工量检测数据与生产工艺模型结合。

技术研发人员：段青松,张建波,谭庆,邓惠丹,冯科,漆锐,杨玉,李秀玲,陈南菲
受保护的技术使用者：中冶赛迪技术研究中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5