基于溫度梯度原理的具有覆蓋層的熔融金屬液位測(cè)量裝置及其應(yīng)用研究.pdf

1、具有覆蓋層的熔融金屬液位測(cè)量一直是未能解決的冶金檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的難題。由于覆蓋層的存在，及高溫多塵的惡劣環(huán)境，傳統(tǒng)的非接觸檢測(cè)方法（例如:激光法、超聲法和微波法等）和接觸法（例如:浮子法和電極法等）難以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。連鑄中間包鋼水液位測(cè)量是這種情況的典型代表。連鑄是鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，連鑄中間包鋼水液位是影響鋼坯生產(chǎn)質(zhì)量、鋼水收得率及生產(chǎn)效率的重要參數(shù)。
　　中間包鋼水液面上覆蓋的保護(hù)渣層由覆蓋劑、鋼渣和鋼水中上浮的夾雜物構(gòu)成

2、，針對(duì)保護(hù)渣層分布的不均性和厚度時(shí)變的特點(diǎn)，本文研制出以溫度梯度為原理，以視覺(jué)檢測(cè)為手段的中間包鋼水液位測(cè)量裝置，并在南鋼電爐廠進(jìn)行了應(yīng)用研究。其主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新如下:
　　(1)研制出一套基于溫度梯度原理的中間包鋼水液位測(cè)量裝置。
　　利用插入中間包鋼水中的測(cè)量棒在鋼水層、保護(hù)渣層和空氣層分界面處存在溫度梯度極值的特性，設(shè)計(jì)了一套溫度梯度與視覺(jué)技術(shù)相結(jié)合液位測(cè)量裝置。該裝置采用CCD攝像機(jī)采集提升出鋼水后測(cè)量棒外壁的溫度

3、分布圖像，對(duì)熱圖像的溫度梯度信息進(jìn)行分析后，識(shí)別出分界面，根據(jù)推導(dǎo)的液位幾何關(guān)系式，得到鋼水液位及保護(hù)渣層厚度。
　　通過(guò)建立的測(cè)量棒機(jī)理傳熱模型，從理論上論證空氣與保護(hù)渣層、保護(hù)渣層與鋼水分界面存在溫度梯度極值，并且測(cè)量棒拔出鋼水后10s之內(nèi)極值點(diǎn)位置不變，為鋼水液位測(cè)量方法提供了理論依據(jù)。
　　(2)測(cè)量棒目標(biāo)區(qū)域的識(shí)別與定位
　　測(cè)量棒目標(biāo)區(qū)域識(shí)別與定位的準(zhǔn)確性影響鋼水和保護(hù)渣、保護(hù)渣和空氣分界面的判定。針對(duì)常規(guī)

4、的圖像分割方法不能較好地解決目標(biāo)與背景分離的問(wèn)題，提出一種基于Hough變換的目標(biāo)定位方法。該方法利用柱狀測(cè)量棒縱向邊緣為直線這一特征，計(jì)算極坐標(biāo)空間內(nèi)原始圖像對(duì)應(yīng)的直線參數(shù)分布，并以測(cè)量棒位姿作為約束條件，獲得測(cè)量棒縱向邊緣對(duì)應(yīng)的直線方程，實(shí)現(xiàn)測(cè)量棒和背景的準(zhǔn)確分離，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到98％。
　　(3)分界面判定影響因素的分析與處理
　　分析了液位測(cè)量裝置中視覺(jué)畸變、位姿參數(shù)變化對(duì)分界面識(shí)別的影響，并分別給出了對(duì)應(yīng)的校正方法

5、。針對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的畸變，提出一種改進(jìn)的單目視覺(jué)畸變校正的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的校正。對(duì)于系統(tǒng)位姿參數(shù)變化，利用標(biāo)幟物的物象關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的校正。經(jīng)過(guò)校正后，系統(tǒng)偏差由校正前的20mm減小為校正后的2.4mm。
　　對(duì)“溫度梯度”偽分界面的形成原因及對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行了分析。針對(duì)保護(hù)渣粘附、流動(dòng)和結(jié)殼等狀況，建立偽分界面特征判據(jù)。將該判據(jù)與圖像數(shù)據(jù)相融合，分界面定位準(zhǔn)確率達(dá)到95％。
　　(4)測(cè)量裝置的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用效果分析<

6、br>　　該裝置經(jīng)過(guò)3年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究，目前在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月。通過(guò)采用手動(dòng)測(cè)量方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，證明本系統(tǒng)測(cè)量的可靠和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用結(jié)果表明:液位測(cè)量值與手動(dòng)驗(yàn)證結(jié)果平均偏差為4.2mm，最大偏差小于6mm，測(cè)量復(fù)現(xiàn)性偏差小于3mm，滿足生產(chǎn)要求。
　　對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)攝像機(jī)傾角α、鏡頭光心與測(cè)量棒頂端水平距離—OW'A的確定制定了原則，為系統(tǒng)的推廣奠定基礎(chǔ)。按此原則，在南鋼電爐廠安裝時(shí)，確定—OW'A

7、=415.5mm，攝像機(jī)傾角α=57.5°。
　　(5)確定了中間包鋼水卷渣臨界液位
　　建立澆鑄末期的鋼水卷渣數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算和物理模擬驗(yàn)證了該模型，從而確定停澆過(guò)程卷渣產(chǎn)生的臨界液位可由出流口內(nèi)徑、出口流量、初始環(huán)量和出流口Froude數(shù)計(jì)算。數(shù)值模擬及物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為7.2％，為下一步液位測(cè)量裝置引入最低液位控制奠定了的基礎(chǔ)。
　　目前該項(xiàng)研究已與國(guó)內(nèi)7家鋼廠簽訂了技術(shù)合作協(xié)議。