高宗保,吳海濱,葛軍成,孔偉,劉凱迪

(安徽大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

LF 爐(Ladle furnace)即鋼包精煉爐,屬于電弧爐的一種特殊形式,于1971 年由日本特殊鋼株式會(huì)社提出,是鋼鐵生產(chǎn)中主要的爐外精煉設(shè)備[1]。LF 爐鋼水精煉是煉鋼過程中鋼水溫度控制及成分調(diào)節(jié)的核心環(huán)節(jié),可處理的鋼種幾乎涉及從特鋼到普鋼的所有鋼種[2],在生產(chǎn)中占著舉足輕重的地位。由于社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,人們對鋼鐵產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量要求與日俱增。合金微調(diào)和窄成分的控制是保證鋼材質(zhì)量的關(guān)鍵因素[3],這些都離不開爐外精煉技術(shù)。同時(shí),LF 爐鋼水精煉功能的不斷完善和鋼鐵生產(chǎn)節(jié)奏的加快,人們越來越需要LF 鋼水精煉技術(shù)得以推陳出新,從而滿足整個(gè)鋼鐵冶金行業(yè)更加安全化、高效化、自動(dòng)化生產(chǎn)節(jié)奏的需求。

溫度是LF 爐精煉過程中的重要條件。爐內(nèi)鋼水溫度過低滿足不了連鑄坯質(zhì)量的要求;反之,溫度過高會(huì)浪費(fèi)大量的能源,也會(huì)影響整條產(chǎn)線煉鋼進(jìn)度[4]。因此,對爐內(nèi)溫度的精確控制就顯得十分重要。目前LF 爐的溫度監(jiān)測尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)地自動(dòng)化監(jiān)測[4],仍然由爐前操作工在爐門口將熱電偶探頭以人工方式多次插入鋼水中進(jìn)行檢測。操作工在鋼水精煉的過程中需要及時(shí)掌握爐內(nèi)吹氬、鋼水翻滾、加料及造渣等工況,但現(xiàn)場缺乏有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測手段,因此操作工不得不站在爐門口直接肉眼觀察。這種主觀的工作方式主要靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)積累來加以判斷,會(huì)加大操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度且不安全,效率也會(huì)很低。此外,僅憑肉眼觀察大約估計(jì)得出的工況也達(dá)不到所需要的準(zhǔn)確度。

因此,必須對LF 爐進(jìn)行測溫手段的改造。為此我們設(shè)計(jì)研發(fā)了LF 爐鋼水非接觸式測溫系統(tǒng),通過雙光路近紅外面陣CCD 探測器架設(shè)在爐蓋上方獲取實(shí)時(shí)畫面,安裝WINCC 組態(tài)軟件,通過共享內(nèi)存的方式將從可編程邏輯控制器(Programmable logic controller,PLC)[5]中獲取的提電極、測溫成功等信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī),然后觸發(fā)自編的測溫軟件,實(shí)時(shí)計(jì)算出LF 爐內(nèi)鋼水溫度。LF 爐前期繼續(xù)保留熱電偶測溫環(huán)節(jié),將測溫系統(tǒng)計(jì)算出的溫度值與電偶測得溫度值對比,以驗(yàn)證測溫系統(tǒng)溫度監(jiān)測的準(zhǔn)確性,保證數(shù)據(jù)的可靠性。該測溫系統(tǒng)能同時(shí)提供高清工業(yè)電視功能,方便操作工及時(shí)掌握爐內(nèi)工況。最后將計(jì)算結(jié)果及爐內(nèi)圖像存儲(chǔ)到現(xiàn)場工控機(jī)中,以供后期需要時(shí)查詢。

1 鋼水溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測溫原理

普朗克輻射定律表明,黑體溫度T 與單色波長λ 輻射出射度的關(guān)系為

式中: h 為普朗克常數(shù),c 為真空中的光速,K 為波爾茲曼常數(shù)。令C1=2πhc2,C2=hc/k,且由于現(xiàn)實(shí)生活中黑體并不存在,所有物體的輻射率和吸收率都小于1,并且它們輻射和吸收紅外的能力都與溫度表面溫度及紅外輻射的波長等因素有關(guān)[6],則式(1)可改寫為

當(dāng)C2/λ ?1 時(shí),普朗克公式可直接由維恩公式替代,簡化為

通過推導(dǎo)得到單色輻射測溫公式

比色測溫法又稱為雙波段測溫法或雙色溫度法,是根據(jù)被測對象的兩個(gè)不同波長(波段)光譜輻射亮度之比B 來測量溫度的方法[6]。為了避開選擇性氣體吸收峰的干擾,需要合理地選取兩個(gè)相鄰的近紅外波長對鋼水溫度進(jìn)行測量。輻射能量在這兩個(gè)特定波長下的衰減近乎相等,因此可以較好地消除外部環(huán)境及發(fā)射率的影響[7],有效地提高測溫的精度。通過一系列的數(shù)學(xué)推導(dǎo)最終得到實(shí)際測溫時(shí)所采用的公式

式中: K 為設(shè)備因子,亮度比值B=∫L(λ1,T)dλ/∫L(λ2,T)dλ,通過計(jì)算B 就能得到相對應(yīng)的鋼水溫度T。

1.2 鋼水的準(zhǔn)確識(shí)別

LF 爐在精煉過程中會(huì)產(chǎn)生料渣,漂浮于鋼水的表面。翻滾的鋼水一般會(huì)大面積的成片聚集,強(qiáng)吹氬會(huì)將大部分的鋼渣吹散到鋼包邊緣,但是測溫區(qū)域內(nèi)的剩余鋼渣也會(huì)對測溫產(chǎn)生影響。因此,對于鋼水的準(zhǔn)確識(shí)別非常必要。

鋼水、鋼渣這兩類物質(zhì)有著各自的屬性或特征,這種差異性也給鋼水的準(zhǔn)確識(shí)別提供了很大的幫助。距離是KM(K-means)聚類算法中用來評價(jià)數(shù)據(jù)相似度的重要指標(biāo)之一,即我們可以認(rèn)為兩類對象靠的越接近,其相似的幾率也就會(huì)越大?；诮o定的聚類目標(biāo)函數(shù),該算法采用多次迭代更新的策略,每一次迭代過程都使得目標(biāo)函數(shù)朝減小的方向發(fā)展,最終讓目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值以獲得較好的分類效果。

在測溫區(qū)域大小為n= M×N 的數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選取該區(qū)域中的k 個(gè)初始聚類中心Zj(P), j=1,2,··· ,k,P 代表不同迭代輪數(shù)的聚類中心,初始值為1。利用計(jì)算機(jī)后臺(tái)計(jì)算出每個(gè)樣本數(shù)據(jù)對象與聚類中心之間的距離D[xi,Zj(P)],i=1,2,··· ,k,并做好分類。

圖1 識(shí)別出的鋼水Fig.1 Identified molten steel

令P= P+1, f 為誤差平方和準(zhǔn)則(目標(biāo)函數(shù)),重新計(jì)算新的聚類中心,其公式為

如果f(P+1)?f(P) ＜?,則f 收斂或者對象無類別變化,此時(shí)我們便找到了滿足條件的多個(gè)聚類中心。否則,算法將繼續(xù)重復(fù)上述操作,繼續(xù)令P= P+1,重新計(jì)算得到新的聚類中心。經(jīng)過強(qiáng)吹氬氣后,在選取的測溫區(qū)域內(nèi)仍然會(huì)留有少部分鋼渣,因此我們只需將這部分異常數(shù)據(jù)刪除,同時(shí)對滿足條件的鋼水區(qū)域做出標(biāo)記以方便后續(xù)系統(tǒng)調(diào)試甚至有關(guān)測溫的準(zhǔn)確性判斷,即識(shí)別出了實(shí)際的鋼水,如圖1 所示。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LF 爐內(nèi)鋼水實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖2 所示。測溫系統(tǒng)由近紅外雙光路面陣CCD 探測器、電源模塊、研華工控機(jī)(安裝Windows 7 旗艦版操作系統(tǒng))、PLC 服務(wù)器、光纖收發(fā)器、4 芯光纜組成。雙光路近紅外面陣CCD 探測器架設(shè)在LF 爐上方以獲取LF 爐內(nèi)鋼水的高清紅外圖像及溫度場分布信息。由于煉鋼時(shí)溫度可達(dá)1540～1650?C,為了維持測溫設(shè)備在現(xiàn)場的穩(wěn)定運(yùn)行,需要連續(xù)往探測器內(nèi)通入足量的氬氣進(jìn)行降溫,連續(xù)不斷的氣體也可以吹散粉塵以保持鏡頭的清潔[7]。電氣控制箱由電源模塊(12 V 直流電)和光纖收發(fā)器發(fā)送端通過高溫電纜與探測器連接。工作狀態(tài)時(shí)的LF 爐周邊區(qū)域溫度較高,從室外電氣控制箱利用4 芯光纜接入操作室內(nèi)的控制箱,可以避免現(xiàn)場惡劣工況對通信線路的損傷,也可以避免電爐廠內(nèi)的電磁場對測溫?cái)?shù)值的影響。再將PLC 信號(hào)和探測器信號(hào)同時(shí)接入光纖收發(fā)器接收端,并利用一根網(wǎng)線與工控機(jī)間連通。至此,整個(gè)LF 爐鋼水連續(xù)溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分組裝完畢。

圖2 LF 爐內(nèi)鋼水實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of real-time temperature monitoring system for molten steel in LF furnace

1.4 控制系統(tǒng)工作流程

軟件系統(tǒng)主要由相機(jī)初始化、圖像采集、實(shí)時(shí)視頻顯示、鋼水區(qū)域選擇(包括鋼水識(shí)別)、測溫計(jì)算與修正、L2 通信等幾部分組成,工作流程圖如圖3 所示。

雙光路近紅外面陣CCD 探測器程序初始化后,實(shí)時(shí)采集的LF 爐內(nèi)鋼水圖像,經(jīng)光纖適配器光電轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)圖像信息分析及控制系統(tǒng),為現(xiàn)場惡劣的爐況條件提供實(shí)時(shí)觀測。測溫系統(tǒng)所提供的鋼水實(shí)時(shí)圖像偽彩顯示功能可以達(dá)到提高畫面層次感的目的。同時(shí),為了方便后續(xù)的溫度數(shù)據(jù)對照分析及修正,非接觸式鋼水測溫系統(tǒng)所測的溫度數(shù)值與現(xiàn)有的人工熱電偶測溫兩種方式一并保留并同步將兩組數(shù)據(jù)記錄保存于工控機(jī)。需要注意的是,鋼水冶煉過程中操作工需要多次熱電偶測溫以掌握煉鋼時(shí)間的長短,測溫系統(tǒng)僅記錄最后一次測得的出鋼溫度。軟件內(nèi)部設(shè)置了定時(shí)器,當(dāng)檢測到PLC 傳來的觸發(fā)信號(hào)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)軟件對LF 爐內(nèi)鋼水進(jìn)行測溫?？紤]到不同操作工的使用習(xí)慣,該測溫系統(tǒng)還加入了手動(dòng)點(diǎn)擊測溫以及連續(xù)自動(dòng)測溫這兩種功能,測溫?cái)?shù)據(jù)會(huì)以曲線圖的形式同步顯示在顯示器界面。

圖3 軟件程序流程框圖Fig.3 Flow chart of software program

2 數(shù)據(jù)處理及設(shè)備運(yùn)行結(jié)果

利用鼠標(biāo)在顯示器上直接拖動(dòng)測溫區(qū)域選取框并放置于圖像中鋼液面正中位置,區(qū)域大小設(shè)置為200 pixel×200 pixel,并將區(qū)域等塊劃分為3 pixel×3 pixel 塊小區(qū)域。這樣既可以防止誤采到爐壁,也可以防止采集到被氬氣吹到邊上的鋼渣。

根據(jù)測溫公式,即可以計(jì)算出LF 爐內(nèi)鋼水的溫度,選取各個(gè)區(qū)域的平均值溫度作為該次測溫的鋼水溫度,即

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)積累,我們發(fā)現(xiàn)測溫?cái)?shù)據(jù)還需要進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后才能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。由于人工熱電偶測溫有很好的可重復(fù)性,同一爐次鋼水,多次測溫溫度偏差極小。目前只能以熱電偶所測得的溫度數(shù)值為基準(zhǔn),采集大量數(shù)據(jù)反過來修正溫度模型。首先假設(shè)函數(shù)為

根據(jù)最小二乘法定義可知,誤差的平方和需要取最小值[8],其表達(dá)式為

某一爐次人工熱電偶測溫?cái)?shù)值為1605?C,以提電極時(shí)刻為初始0 時(shí)刻,多次連續(xù)點(diǎn)擊測溫,得出該爐鋼水的溫度如表1 所示,其中Grayscale 為灰度值,Temperature-measure 為非接觸測溫系統(tǒng)計(jì)算得到的溫度值,D-value 為該時(shí)刻非接觸測溫系統(tǒng)計(jì)算的溫度值與這一爐次人工熱電偶溫度差值的絕對值。監(jiān)測溫度與熱電偶測溫的溫差絕對值?T 的百分比關(guān)系如圖4 所示。

表1 修正后某一爐次連續(xù)點(diǎn)擊測溫與電偶溫度對比Table 1 Compares the temperature measured by successive clicks of a furnace and the temperature of electric couple after correction

圖4 監(jiān)測溫度與熱電偶測溫的差值的絕對值百分比關(guān)系Fig.4 Absolute ratio of the difference between the monitored temperature and the thermocouple measured temperature

3 結(jié) 論

以普朗克黑體輻射定律為理論依據(jù),基于比色測溫原理設(shè)計(jì)了LF 爐鋼水非接觸式測溫系統(tǒng),利用該系統(tǒng)對實(shí)時(shí)的鋼水圖像進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)黑體爐標(biāo)定的溫度模型計(jì)算出了鋼水溫度。與之前的熱電偶測溫相比,非接觸式測溫不需要和被測物體直接接觸,測量精度高達(dá)0.1?C。設(shè)備易于維護(hù),操作便捷,安全性好,適用于現(xiàn)場工況的跟蹤。同時(shí)也減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。測得的鋼水溫度經(jīng)過修正,基本可以達(dá)到正常生產(chǎn)需要。