本發(fā)明涉及視覺檢測技術(shù)，涉及基于紅外熱像檢測，尤其是一種基于紅外測溫的轉(zhuǎn)爐下渣檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著社會發(fā)展的需要，各行各業(yè)對材料質(zhì)量的要求日趨提高，尤其是基礎(chǔ)工業(yè)的鋼材質(zhì)量亦日益提高，迫使煉鋼不斷采用新技術(shù)，新工藝以提高鋼水的質(zhì)量。因此，生產(chǎn)高質(zhì)量、高技術(shù)含量、高附加值的優(yōu)質(zhì)鋼產(chǎn)品成為鋼鐵企業(yè)的必然選擇，而鋼水質(zhì)量直接影響鋼材性能。減少轉(zhuǎn)爐出鋼時的下渣量是改善鋼水質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)，它可以減少鋼水回磷、回硫，提高合金收得率，減少鋼中夾雜物，提高鋼水清潔度，可為精煉鋼水提供良好條件。另外，有效的擋渣不僅可改善爐后環(huán)境還可減少脫氧劑及合金消耗，減少鋼包粘渣，延長鋼包使用壽命，起到降低鋼產(chǎn)品成本的作用。轉(zhuǎn)爐出鋼過程中如何降低下渣量是長期困擾鋼鐵行業(yè)的技術(shù)難題，已成為轉(zhuǎn)爐冶煉特鋼、優(yōu)鋼的制約因素。

轉(zhuǎn)爐出鋼從上世紀(jì)七十年代開始采用擋渣出鋼技術(shù)以來，擋渣出鋼技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，其中最典型的有：擋渣球→擋渣塞(鏢)→氣動擋渣→滑板法擋渣等。轉(zhuǎn)爐出鋼口采用滑板法擋渣是當(dāng)今國際上最先進(jìn)的方法之一，由于滑板開閉非常迅速(0.5s)，能夠?qū)Τ鲣撨^程中的前期渣和后期渣有效的阻擋，是目前轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣效果最佳的一種生產(chǎn)工藝技術(shù)。

在滑板擋渣過程中對下渣量的判斷，以確定何時關(guān)閉滑板是滑板擋渣系統(tǒng)的關(guān)鍵，關(guān)閉過早會造成爐內(nèi)剩鋼，關(guān)閉過晚會使鋼水質(zhì)量下降。如果單純依靠人工肉眼觀察和經(jīng)驗判斷，其局限性在于當(dāng)鋼水和鋼渣均為熾熱狀態(tài)時，工作環(huán)境惡劣，操作者難以準(zhǔn)確判斷下渣量的多少。并且，當(dāng)工人長時間注視轉(zhuǎn)爐出鋼注流，高溫下鋼水熱輻射使面部特別是眼睛受到極大的傷害，不利于工人的勞動保護(hù)。為此國內(nèi)外相繼使用了電磁檢測法、紅外圖像法等方式對轉(zhuǎn)爐下渣過程進(jìn)行監(jiān)測。

電磁檢測法的傳感器(線圈)放在出鋼口附近，由于暴露在常溫環(huán)境下，加上機(jī)械負(fù)荷較大，一般要求的維護(hù)量也較大。因此現(xiàn)階段大多使用紅外的方式對轉(zhuǎn)爐下渣量進(jìn)行判斷從而對滑板擋渣進(jìn)行控制。

紅外圖像檢測法探測的溫度范圍通常是0-500度，而出鋼溫度通常在1650度左右，因此需要使用紅外衰減片和降低鏡頭的光圈，降低輻射能量才能夠?qū)囟冗M(jìn)行探測；系統(tǒng)將物體表面紅外輻射溫度分布情況轉(zhuǎn)換為灰度，然后以視頻圖像的形式呈現(xiàn)出來，輻射溫度相對高則偏向于白色，輻射溫度相對低則偏向于黑色。圖像式檢測系統(tǒng)由于是從紅外輻射溫度一次量轉(zhuǎn)換形成圖像，轉(zhuǎn)換后的灰度數(shù)值范圍小，在分辨率上有很大的下降，并且一旦出現(xiàn)干擾，很可能出現(xiàn)卷渣誤報等情況，因此大多數(shù)圖像式檢測系統(tǒng)都需要配合轉(zhuǎn)爐傾角信號來進(jìn)行判斷，一旦轉(zhuǎn)爐傾角的信號發(fā)生問題，誤報的情況就不可避免了。圖像式熱像儀為將物體表面紅外輻射溫度分布情況轉(zhuǎn)換為灰度，必須涉及到利用紅外衰減片和降低鏡頭的光圈溫度探測范圍的縮小，這種方式人為增加了紅外輻射能量在傳輸過程中的干擾因素。如果濾光片鍍膜不均勻，則會造成圖像灰度與紅外輻射溫度對應(yīng)關(guān)系的不均勻和非線性，增加了誤差環(huán)節(jié)，影響探測精度。鏡頭光圈一旦變化，則灰度和紅外輻射溫度對應(yīng)關(guān)系也隨之變化，必須再根據(jù)工況去修改相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，維護(hù)量較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種滿足轉(zhuǎn)爐下渣量在線測量的需求，滿足煉鋼過程中智能、快速、高精度、低成本的檢測需要的基于紅外測溫的轉(zhuǎn)爐下渣檢測方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于紅外測溫的轉(zhuǎn)爐下渣檢測方法，其步驟為：

⑴采用紅外熱像儀作為圖像和溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，紅外熱像儀的信息輸出端與工控機(jī)連接，工控機(jī)的指令輸出端口與轉(zhuǎn)爐PLC電控柜的信息輸入端口連接，

⑵將紅外熱像儀放置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐的地方且與工控機(jī)連接，出鋼過程中實時拍攝出鋼注流的圖像，得到圖像數(shù)據(jù)，同時得到鋼水的實時溫度數(shù)據(jù)；

⑶將紅外熱像儀采集的得到的圖像數(shù)據(jù)和實時溫度數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)，工控機(jī)通過計算和分析對轉(zhuǎn)爐PLC電控柜發(fā)出指令；

⑷轉(zhuǎn)爐PLC電控柜液壓站將滑板閉合，由此完成擋渣。

而且，步驟⑵所述的出鋼注流在出鋼的不同階段，紅外熱像儀自動跟蹤注流的移動，得到連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。

而且，步驟⑶中工控機(jī)對圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理流程是：實時計算鋼水中的含渣量，當(dāng)含渣量超過預(yù)先設(shè)定的報警值時，輸出報警信號。

而且，所述含渣量超過預(yù)先設(shè)定的報警值的設(shè)置方式是：

⑴設(shè)置只在注流的上端和下端的兩個有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行ROI確定，減少運(yùn)算量；

⑵在上述兩個區(qū)域內(nèi)，通過在每一行中從左至右行掃描確定溫度上跳點(diǎn)，然后從該點(diǎn)繼續(xù)向右尋找溫度下跳點(diǎn)，將各行中兩跳點(diǎn)之間的距離進(jìn)行記錄；

⑶從這些記錄下的距離中排序找到最大距離，以其對應(yīng)的左上跳和右下跳點(diǎn)粗略地確定ROI位置；

⑷擴(kuò)展ROI，使其能包含盡量多的連續(xù)信息。

而且，工控機(jī)對實時溫度數(shù)據(jù)的計算方式是：所述熱像儀接收到的有效輻射包括三部分：目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射，熱像儀的測溫公式為：

f(T_r)＝τ_α[εf(T₀)+(1-α)f(T_u)]+ε_αf(T_α) 式1

其中：T_r為熱成像儀指示的輻射溫度。當(dāng)被測表面為黑體，大氣透射率τ_α＝1,且ε_α＝0時，f(T_r)＝f(T₀)，熱像儀的輻射溫度就是物體表面的真實溫度；當(dāng)ε<1時，熱像儀的輻射溫度不等于物體的真實溫度。如果α＝ε，即認(rèn)為被測物體為灰體，且ε_α＝1-τ_α時，下式就是熱像儀測溫計算用的基本公式：

f(T_r)＝τ_α[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)]+(1-τ_α)f(T_α) 式2

由于f(T)＝CTⁿ，上式可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

在遠(yuǎn)紅外波段近距測量時，且當(dāng)被測物體為灰體近似時，α＝ε大氣透射率τ_α＝1，ε_α＝0，由于鋼水的溫度較高T_u/T₀近似為0，則上式最終化簡為

在遠(yuǎn)紅外波段，n＝4，

鋼水和鋼渣的紅外輻射系數(shù)在8-13微米的遠(yuǎn)紅外波段有很大差異，根據(jù)這一特性可以設(shè)定一個溫度閾值對兩者進(jìn)行區(qū)分，選定[T₁,T₂]確定鋼水的紅外輻射溫度的區(qū)間，在此溫度區(qū)間的像素，即對應(yīng)的是鋼水，小于T₁的為水蒸氣或者低溫鋼水，大于T₂的認(rèn)定為鋼渣。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和積極效果為：

1、本發(fā)明使用紅外測溫檢測法直接提供探測鋼水表面各點(diǎn)的紅外輻射溫度，即探測到的為一次量，溫度測量范圍是300-2000度，一般分辨力能達(dá)到1度以下，并且能直接獲取到出鋼過程中鋼水的紅外輻射溫度，便于后續(xù)歷史查詢時對鋼水的狀態(tài)進(jìn)行分析。

2、本發(fā)明使用紅外熱像儀對出鋼注流的溫度進(jìn)行測量，并根據(jù)鋼水、鋼渣在遠(yuǎn)紅外波段紅外輻射率具有較大差異這一特性對鋼水、鋼渣進(jìn)行區(qū)分，實時計算含渣量。

3、本發(fā)明提出一種快速尋找鋼注流邊緣，從而完成出鋼注流跟蹤，避免由于轉(zhuǎn)爐角度變化(注流移動)，造成無法計算含渣量的情況。

附圖說明

圖1是本發(fā)明紅外熱像儀與轉(zhuǎn)爐、工控機(jī)以及PLC電控柜之間連接關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的檢測流程圖；

圖3是本發(fā)明注流區(qū)域內(nèi)進(jìn)行確定ROI的示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于紅外測溫的轉(zhuǎn)爐下渣檢測方法，見圖1和圖2其步驟為：

⑴采用紅外熱像儀作為圖像和溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備，紅外熱像儀的信息輸出端與工控機(jī)連接，工控機(jī)的指令輸出端口與轉(zhuǎn)爐PLC電控柜的信息輸入端口連接；

⑵將紅外熱像儀放置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐的地方且與工控機(jī)連接，出鋼過程中實時拍攝出鋼注流的圖像，得到圖像數(shù)據(jù)，同時得到鋼水的實時溫度數(shù)據(jù)；

⑶將紅外熱像儀采集的得到的圖像數(shù)據(jù)和實時溫度數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)，工控機(jī)通過計算和分析對轉(zhuǎn)爐PLC電控柜發(fā)出指令；

⑷轉(zhuǎn)爐PLC電控柜液壓站將滑板閉合，由此完成擋渣。

步驟⑵所述的出鋼注流在出鋼的不同階段，紅外熱像儀自動跟蹤注流的移動，得到連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。

步驟⑶中工控機(jī)對圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理流程是：實時計算鋼水中的含渣量，當(dāng)含渣量超過預(yù)先設(shè)定的報警值時，輸出報警信號。

含渣量超過預(yù)先設(shè)定的報警值的設(shè)置方式是：

⑴設(shè)置只在注流的上端和下端的兩個有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行ROI確定，由于出鋼過程中轉(zhuǎn)爐角度變化的，會造成出鋼注流的移動，因此需要在進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析處理前，對出鋼注流進(jìn)行跟蹤，自動鎖定數(shù)據(jù)處理所需的感興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)。自確定動ROI方法流程如下：

⑵在上述兩個區(qū)域內(nèi)，通過在每一行中從左至右行掃描確定溫度上跳點(diǎn)，然后從該點(diǎn)繼續(xù)向右尋找溫度下跳點(diǎn)，將各行中兩跳點(diǎn)之間的距離進(jìn)行記錄；

對紅外輻射溫度數(shù)據(jù)的二維矩陣進(jìn)行逐行數(shù)據(jù)處理，通過在每一行中從左至右行掃描確定溫度數(shù)值上跳點(diǎn)，然后從該點(diǎn)繼續(xù)向右尋找溫度數(shù)值下跳點(diǎn)，將各行中兩數(shù)值跳點(diǎn)之間的距離進(jìn)行記錄；

在出鋼過程中搜尋出鋼主流，自動確定ROI的處理結(jié)果如圖3所示。

⑶從這些記錄下的距離中排序找到最大距離，以其對應(yīng)的左上跳和右下跳點(diǎn)粗略地確定ROI位置；

⑷擴(kuò)展ROI，使其能包含盡量多的連續(xù)信息。

步驟⑶中工控機(jī)對實時溫度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理流程是：

根據(jù)紅外熱像儀的測量原理，它是靠接收被測表面發(fā)射的輻射來確定其溫度的，實際測量時，熱像儀接收到的有效輻射包括三部分：目標(biāo)自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射，熱像儀的測溫公式為：

f(T_r)＝τ_α[εf(T₀)+(1-α)f(T_u)]+ε_αf(T_α) 式1

其中：T_r為熱成像儀指示的輻射溫度。當(dāng)被測表面為黑體，大氣透射率τ_α＝1,且ε_α＝0時，f(T_r)＝f(T₀)，熱像儀的輻射溫度就是物體表面的真實溫度；當(dāng)ε<1時，熱像儀的輻射溫度不等于物體的真實溫度。如果α＝ε，即認(rèn)為被測物體為灰體，且ε_α＝1-τ_α時，下式就是熱像儀測溫計算用的基本公式：

f(T_r)＝τ_α[εf(T₀)+(1-ε)f(T_u)]+(1-τ_α)f(T_α) 式2

由于f(T)＝CTⁿ，上式可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為：

在遠(yuǎn)紅外波段近距測量時，且當(dāng)被測物體為灰體近似時，α＝ε大氣透射率τ_α＝1，ε_α＝0，由于鋼水的溫度較高T_u/T₀近似為0，則上式最終化簡為

在遠(yuǎn)紅外波段，n＝4，

鋼水和鋼渣的紅外輻射系數(shù)在8-13微米的遠(yuǎn)紅外波段有很大差異，根據(jù)這一特性可以設(shè)定一個溫度閾值對兩者進(jìn)行區(qū)分。

選定[T₁,T₂]確定鋼水的紅外輻射溫度的區(qū)間，在此溫度區(qū)間的像素，即對應(yīng)的是鋼水，小于T₁的為水蒸氣或者低溫鋼水，大于T₂的認(rèn)定為鋼渣。

本實施例中，設(shè)[T₁,T₂]區(qū)間內(nèi)，溫度閾值為Th_s的計算可以分為以下步驟：

(1)獲取一組完整出鋼過程的溫度數(shù)據(jù)，選取沒有下渣的時刻，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計；

(2)轉(zhuǎn)爐出鋼的溫度T可以根據(jù)副槍得到，根據(jù)式4調(diào)整ε_steel，當(dāng)矩形框中注流溫度的平均值接近T時，記錄下此時的ε_steel；

(3)使用ε_steel計算整個出鋼過程中注流的溫度，得到T_steel與T′_slug；

(4)T′_slug與T_slug的關(guān)系可以表示為式5，

由于T_slug≈T_steel，公式(2)可以表示為式6；

(5)ε_slug約為ε_steel的3～4倍，根據(jù)公式(5)可得，T′_slug≈(1.3-1.4)T_steel，T_steel與T′_slug有較大差距，可以通過一個溫度Th_s對鋼水、鋼渣進(jìn)行區(qū)分。

(6)統(tǒng)計[T₁,T₂]這T₂-T₁+1個溫度等級分別對應(yīng)的像素個數(shù)(T₁,T₂為經(jīng)驗數(shù)值)，令閾值Th_s從T₁至T₂遍歷每一個溫度等級，此時Th_s將圖像中的像素分為C₀和C₁兩類。C₀對應(yīng)溫度值在[0,Th_s-1]之間的像素，C₁對應(yīng)于溫度值在[Th_s-1,T₂]之間的像素，則C₀、C₁的概率可以表示為式7，式中N表示像素的總個數(shù)，n_i表示溫度值i對應(yīng)的像素數(shù)。

C₀、C₁的均值為

整個圖像的溫度均值為

u＝w₀u₀+w₁u₁ 式9

定義類間方差為

σ²＝w₀(u₀-u)²+w₁(u₁-u)²＝w₀w₁(u₀-u₁)² 式10

Th_s在[T₁,T₂]范圍內(nèi)，以步長1依次遞增取值，當(dāng)σ²最大時對應(yīng)的T₂即為區(qū)分鋼水、鋼渣的最佳閾值。

盡管為說明目的公開了本發(fā)明的實施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發(fā)明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內(nèi)容。