LF炉钢水非接触测温系统及应用

高宗保,吴海滨,葛军成,孔伟,刘凯迪

(安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

LF 炉(Ladle furnace)即钢包精炼炉,属于电弧炉的一种特殊形式,于1971 年由日本特殊钢株式会社提出,是钢铁生产中主要的炉外精炼设备[1]。LF 炉钢水精炼是炼钢过程中钢水温度控制及成分调节的核心环节,可处理的钢种几乎涉及从特钢到普钢的所有钢种[2],在生产中占着举足轻重的地位。由于社会的不断发展和进步,人们对钢铁产品的产量和质量要求与日俱增。合金微调和窄成分的控制是保证钢材质量的关键因素[3],这些都离不开炉外精炼技术。同时,LF 炉钢水精炼功能的不断完善和钢铁生产节奏的加快,人们越来越需要LF 钢水精炼技术得以推陈出新,从而满足整个钢铁冶金行业更加安全化、高效化、自动化生产节奏的需求。

温度是LF 炉精炼过程中的重要条件。炉内钢水温度过低满足不了连铸坯质量的要求;反之,温度过高会浪费大量的能源,也会影响整条产线炼钢进度[4]。因此,对炉内温度的精确控制就显得十分重要。目前LF 炉的温度监测尚未实现实时连续地自动化监测[4],仍然由炉前操作工在炉门口将热电偶探头以人工方式多次插入钢水中进行检测。操作工在钢水精炼的过程中需要及时掌握炉内吹氩、钢水翻滚、加料及造渣等工况,但现场缺乏有效的实时监测手段,因此操作工不得不站在炉门口直接肉眼观察。这种主观的工作方式主要靠个人经验积累来加以判断,会加大操作工的劳动强度且不安全,效率也会很低。此外,仅凭肉眼观察大约估计得出的工况也达不到所需要的准确度。

因此,必须对LF 炉进行测温手段的改造。为此我们设计研发了LF 炉钢水非接触式测温系统,通过双光路近红外面阵CCD 探测器架设在炉盖上方获取实时画面,安装WINCC 组态软件,通过共享内存的方式将从可编程逻辑控制器(Programmable logic controller,PLC)[5]中获取的提电极、测温成功等信号传输给计算机,然后触发自编的测温软件,实时计算出LF 炉内钢水温度。LF 炉前期继续保留热电偶测温环节,将测温系统计算出的温度值与电偶测得温度值对比,以验证测温系统温度监测的准确性,保证数据的可靠性。该测温系统能同时提供高清工业电视功能,方便操作工及时掌握炉内工况。最后将计算结果及炉内图像存储到现场工控机中,以供后期需要时查询。

1 钢水温度监测系统设计

1.1 测温原理

普朗克辐射定律表明,黑体温度T 与单色波长λ 辐射出射度的关系为

式中: h 为普朗克常数,c 为真空中的光速,K 为波尔兹曼常数。令C1=2πhc2,C2=hc/k,且由于现实生活中黑体并不存在,所有物体的辐射率和吸收率都小于1,并且它们辐射和吸收红外的能力都与温度表面温度及红外辐射的波长等因素有关[6],则式(1)可改写为

当C2/λ ≫1 时,普朗克公式可直接由维恩公式替代,简化为

通过推导得到单色辐射测温公式

比色测温法又称为双波段测温法或双色温度法,是根据被测对象的两个不同波长(波段)光谱辐射亮度之比B 来测量温度的方法[6]。为了避开选择性气体吸收峰的干扰,需要合理地选取两个相邻的近红外波长对钢水温度进行测量。辐射能量在这两个特定波长下的衰减近乎相等,因此可以较好地消除外部环境及发射率的影响[7],有效地提高测温的精度。通过一系列的数学推导最终得到实际测温时所采用的公式

式中: K 为设备因子,亮度比值B=∫L(λ1,T)dλ/∫L(λ2,T)dλ,通过计算B 就能得到相对应的钢水温度T。

1.2 钢水的准确识别

LF 炉在精炼过程中会产生料渣,漂浮于钢水的表面。翻滚的钢水一般会大面积的成片聚集,强吹氩会将大部分的钢渣吹散到钢包边缘,但是测温区域内的剩余钢渣也会对测温产生影响。因此,对于钢水的准确识别非常必要。

钢水、钢渣这两类物质有着各自的属性或特征,这种差异性也给钢水的准确识别提供了很大的帮助。距离是KM(K-means)聚类算法中用来评价数据相似度的重要指标之一,即我们可以认为两类对象靠的越接近,其相似的几率也就会越大。基于给定的聚类目标函数,该算法采用多次迭代更新的策略,每一次迭代过程都使得目标函数朝减小的方向发展,最终让目标函数达到最小值以获得较好的分类效果。

在测温区域大小为n= M×N 的数据集中随机选取该区域中的k 个初始聚类中心Zj(P), j=1,2,··· ,k,P 代表不同迭代轮数的聚类中心,初始值为1。利用计算机后台计算出每个样本数据对象与聚类中心之间的距离D[xi,Zj(P)],i=1,2,··· ,k,并做好分类。

图1 识别出的钢水Fig.1 Identified molten steel

令P= P+1, f 为误差平方和准则(目标函数),重新计算新的聚类中心,其公式为

如果f(P+1)−f(P) ＜∆,则f 收敛或者对象无类别变化,此时我们便找到了满足条件的多个聚类中心。否则,算法将继续重复上述操作,继续令P= P+1,重新计算得到新的聚类中心。经过强吹氩气后,在选取的测温区域内仍然会留有少部分钢渣,因此我们只需将这部分异常数据删除,同时对满足条件的钢水区域做出标记以方便后续系统调试甚至有关测温的准确性判断,即识别出了实际的钢水,如图1 所示。

1.3 系统设计

LF 炉内钢水实时温度监测系统组成如图2 所示。测温系统由近红外双光路面阵CCD 探测器、电源模块、研华工控机(安装Windows 7 旗舰版操作系统)、PLC 服务器、光纤收发器、4 芯光缆组成。双光路近红外面阵CCD 探测器架设在LF 炉上方以获取LF 炉内钢水的高清红外图像及温度场分布信息。由于炼钢时温度可达1540～1650◦C,为了维持测温设备在现场的稳定运行,需要连续往探测器内通入足量的氩气进行降温,连续不断的气体也可以吹散粉尘以保持镜头的清洁[7]。电气控制箱由电源模块(12 V 直流电)和光纤收发器发送端通过高温电缆与探测器连接。工作状态时的LF 炉周边区域温度较高,从室外电气控制箱利用4 芯光缆接入操作室内的控制箱,可以避免现场恶劣工况对通信线路的损伤,也可以避免电炉厂内的电磁场对测温数值的影响。再将PLC 信号和探测器信号同时接入光纤收发器接收端,并利用一根网线与工控机间连通。至此,整个LF 炉钢水连续温度监测系统硬件部分组装完毕。

图2 LF 炉内钢水实时温度监测系统组成Fig.2 Composition of real-time temperature monitoring system for molten steel in LF furnace

1.4 控制系统工作流程

软件系统主要由相机初始化、图像采集、实时视频显示、钢水区域选择(包括钢水识别)、测温计算与修正、L2 通信等几部分组成,工作流程图如图3 所示。

双光路近红外面阵CCD 探测器程序初始化后,实时采集的LF 炉内钢水图像,经光纤适配器光电转换后送入计算机图像信息分析及控制系统,为现场恶劣的炉况条件提供实时观测。测温系统所提供的钢水实时图像伪彩显示功能可以达到提高画面层次感的目的。同时,为了方便后续的温度数据对照分析及修正,非接触式钢水测温系统所测的温度数值与现有的人工热电偶测温两种方式一并保留并同步将两组数据记录保存于工控机。需要注意的是,钢水冶炼过程中操作工需要多次热电偶测温以掌握炼钢时间的长短,测温系统仅记录最后一次测得的出钢温度。软件内部设置了定时器,当检测到PLC 传来的触发信号便会自动触发软件对LF 炉内钢水进行测温。考虑到不同操作工的使用习惯,该测温系统还加入了手动点击测温以及连续自动测温这两种功能,测温数据会以曲线图的形式同步显示在显示器界面。

图3 软件程序流程框图Fig.3 Flow chart of software program

2 数据处理及设备运行结果

利用鼠标在显示器上直接拖动测温区域选取框并放置于图像中钢液面正中位置,区域大小设置为200 pixel×200 pixel,并将区域等块划分为3 pixel×3 pixel 块小区域。这样既可以防止误采到炉壁,也可以防止采集到被氩气吹到边上的钢渣。

根据测温公式,即可以计算出LF 炉内钢水的温度,选取各个区域的平均值温度作为该次测温的钢水温度,即

经过大量数据的经验积累,我们发现测温数据还需要进行数学处理后才能保证数据的稳定性。由于人工热电偶测温有很好的可重复性,同一炉次钢水,多次测温温度偏差极小。目前只能以热电偶所测得的温度数值为基准,采集大量数据反过来修正温度模型。首先假设函数为

根据最小二乘法定义可知,误差的平方和需要取最小值[8],其表达式为

某一炉次人工热电偶测温数值为1605◦C,以提电极时刻为初始0 时刻,多次连续点击测温,得出该炉钢水的温度如表1 所示,其中Grayscale 为灰度值,Temperature-measure 为非接触测温系统计算得到的温度值,D-value 为该时刻非接触测温系统计算的温度值与这一炉次人工热电偶温度差值的绝对值。监测温度与热电偶测温的温差绝对值∆T 的百分比关系如图4 所示。

表1 修正后某一炉次连续点击测温与电偶温度对比Table 1 Compares the temperature measured by successive clicks of a furnace and the temperature of electric couple after correction

图4 监测温度与热电偶测温的差值的绝对值百分比关系Fig.4 Absolute ratio of the difference between the monitored temperature and the thermocouple measured temperature

3 结 论

以普朗克黑体辐射定律为理论依据,基于比色测温原理设计了LF 炉钢水非接触式测温系统,利用该系统对实时的钢水图像进行准确识别,根据实验室内黑体炉标定的温度模型计算出了钢水温度。与之前的热电偶测温相比,非接触式测温不需要和被测物体直接接触,测量精度高达0.1◦C。设备易于维护,操作便捷,安全性好,适用于现场工况的跟踪。同时也减轻工人的劳动强度。测得的钢水温度经过修正,基本可以达到正常生产需要。