基于紅外測溫的轉爐下渣檢測方法與流程
本發明涉及視覺檢測技術，涉及基于紅外熱像檢測，尤其是一種基于紅外測溫的轉爐下渣檢測方法。
背景技術：
隨著社會發展的需要，各行各業對材料質量的要求日趨提高，尤其是基礎工業的鋼材質量亦日益提高，迫使煉鋼不斷采用新技術，新工藝以提高鋼水的質量。因此，生產高質量、高技術含量、高附加值的優質鋼產品成為鋼鐵企業的必然選擇，而鋼水質量直接影響鋼材性能。減少轉爐出鋼時的下渣量是改善鋼水質量的一個重要環節，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，起到降低鋼產品成本的作用。轉爐出鋼過程中如何降低下渣量是長期困擾鋼鐵行業的技術難題，已成為轉爐冶煉特鋼、優鋼的制約因素。
轉爐出鋼從上世紀七十年代開始采用擋渣出鋼技術以來，擋渣出鋼技術發展突飛猛進，其中最典型的有：擋渣球→擋渣塞(鏢)→氣動擋渣→滑板法擋渣等。轉爐出鋼口采用滑板法擋渣是當今國際上最先進的方法之一，由于滑板開閉非常迅速(0.5s)，能夠對出鋼過程中的前期渣和后期渣有效的阻擋，是目前轉爐出鋼擋渣效果最佳的一種生產工藝技術。
在滑板擋渣過程中對下渣量的判斷，以確定何時關閉滑板是滑板擋渣系統的關鍵，關閉過早會造成爐內剩鋼，關閉過晚會使鋼水質量下降。如果單純依靠人工肉眼觀察和經驗判斷，其局限性在于當鋼水和鋼渣均為熾熱狀態時，工作環境惡劣，操作者難以準確判斷下渣量的多少。并且，當工人長時間注視轉爐出鋼注流，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。為此國內外相繼使用了電磁檢測法、紅外圖像法等方式對轉爐下渣過程進行監測。
電磁檢測法的傳感器(線圈)放在出鋼口附近，由于暴露在常溫環境下，加上機械負荷較大，一般要求的維護量也較大。因此現階段大多使用紅外的方式對轉爐下渣量進行判斷從而對滑板擋渣進行控制。
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對溫度進行探測；系統將物體表面紅外輻射溫度分布情況轉換為灰度，然后以視頻圖像的形式呈現出來，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。圖像式檢測系統由于是從紅外輻射溫度一次量轉換形成圖像，轉換后的灰度數值范圍小，在分辨率上有很大的下降，并且一旦出現干擾，很可能出現卷渣誤報等情況，因此大多數圖像式檢測系統都需要配合轉爐傾角信號來進行判斷，一旦轉爐傾角的信號發生問題，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關系的不均勻和非線性，增加了誤差環節，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關系也隨之變化，必須再根據工況去修改相關系統參數，維護量較大。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術不足，提供一種滿足轉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爐下渣檢測方法。
本發明采用的技術方案是：
一種基于紅外測溫的轉爐下渣檢測方法，其步驟為：
⑴采用紅外熱像儀作為圖像和溫度數據采集設備，紅外熱像儀的信息輸出端與工控機連接，工控機的指令輸出端口與轉爐PLC電控柜的信息輸入端口連接，
⑵將紅外熱像儀放置在遠離轉爐的地方且與工控機連接，出鋼過程中實時拍攝出鋼注流的圖像，得到圖像數據，同時得到鋼水的實時溫度數據；
⑶將紅外熱像儀采集的得到的圖像數據和實時溫度數據傳送給工控機，工控機通過計算和分析對轉爐PLC電控柜發出指令；
⑷轉爐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，得到連續的圖像數據。
而且，步驟⑶中工控機對圖像數據的數據處理流程是：實時計算鋼水中的含渣量，當含渣量超過預先設定的報警值時，輸出報警信號。
而且，所述含渣量超過預先設定的報警值的設置方式是：
⑴設置只在注流的上端和下端的兩個有限的區域內進行ROI確定，減少運算量；
⑵在上述兩個區域內，通過在每一行中從左至右行掃描確定溫度上跳點，然后從該點繼續向右尋找溫度下跳點，將各行中兩跳點之間的距離進行記錄；
⑶從這些記錄下的距離中排序找到最大距離，以其對應的左上跳和右下跳點粗略地確定ROI位置；
⑷擴展ROI，使其能包含盡量多的連續信息。
而且，工控機對實時溫度數據的計算方式是：所述熱像儀接收到的有效輻射包括三部分：目標自身輻射、環境反射輻射和大氣輻射，熱像儀的測溫公式為：
f(Tr)＝τα[εf(T0)+(1-α)f(Tu)]+εαf(Tα) 式1
其中：Tr為熱成像儀指示的輻射溫度。當被測表面為黑體，大氣透射率τα＝1,且εα＝0時，f(Tr)＝f(T0)，熱像儀的輻射溫度就是物體表面的真實溫度；當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，即認為被測物體為灰體，且εα＝1-τα時，下式就是熱像儀測溫計算用的基本公式：
f(Tr)＝τα[εf(T0)+(1-ε)f(Tu)]+(1-τα)f(Tα) 式2
由于f(T)＝CTn，上式可以進一步轉化為
在遠紅外波段近距測量時，且當被測物體為灰體近似時，α＝ε大氣透射率τα＝1，εα＝0，由于鋼水的溫度較高Tu/T0近似為0，則上式最終化簡為
在遠紅外波段，n＝4，
鋼水和鋼渣的紅外輻射系數在8-13微米的遠紅外波段有很大差異，根據這一特性可以設定一個溫度閾值對兩者進行區分，選定[T1,T2]確定鋼水的紅外輻射溫度的區間，在此溫度區間的像素，即對應的是鋼水，小于T1的為水蒸氣或者低溫鋼水，大于T2的認定為鋼渣。
本發明優點和積極效果為：
1、本發明使用紅外測溫檢測法直接提供探測鋼水表面各點的紅外輻射溫度，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，便于后續歷史查詢時對鋼水的狀態進行分析。
2、本發明使用紅外熱像儀對出鋼注流的溫度進行測量，并根據鋼水、鋼渣在遠紅外波段紅外輻射率具有較大差異這一特性對鋼水、鋼渣進行區分，實時計算含渣量。
3、本發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是本發明紅外熱像儀與轉爐、工控機以及PLC電控柜之間連接關系的結構示意圖；
圖2是本發明的檢測流程圖；
圖3是本發明注流區域內進行確定ROI的示意圖。
具體實施方式
下面通過附圖結合具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。
一種基于紅外測溫的轉爐下渣檢測方法，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據采集設備，紅外熱像儀的信息輸出端與工控機連接，工控機的指令輸出端口與轉爐PLC電控柜的信息輸入端口連接；
⑵將紅外熱像儀放置在遠離轉爐的地方且與工控機連接，出鋼過程中實時拍攝出鋼注流的圖像，得到圖像數據，同時得到鋼水的實時溫度數據；
⑶將紅外熱像儀采集的得到的圖像數據和實時溫度數據傳送給工控機，工控機通過計算和分析對轉爐PLC電控柜發出指令；
⑷轉爐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，得到連續的圖像數據。
步驟⑶中工控機對圖像數據的數據處理流程是：實時計算鋼水中的含渣量，當含渣量超過預先設定的報警值時，輸出報警信號。
含渣量超過預先設定的報警值的設置方式是：
⑴設置只在注流的上端和下端的兩個有限的區域內進行ROI確定，由于出鋼過程中轉爐角度變化的，會造成出鋼注流的移動，因此需要在進行溫度數據分析處理前，對出鋼注流進行跟蹤，自動鎖定數據處理所需的感興趣區域(Region of Interest，ROI)。自確定動ROI方法流程如下：
⑵在上述兩個區域內，通過在每一行中從左至右行掃描確定溫度上跳點，然后從該點繼續向右尋找溫度下跳點，將各行中兩跳點之間的距離進行記錄；
對紅外輻射溫度數據的二維矩陣進行逐行數據處理，通過在每一行中從左至右行掃描確定溫度數值上跳點，然后從該點繼續向右尋找溫度數值下跳點，將各行中兩數值跳點之間的距離進行記錄；
在出鋼過程中搜尋出鋼主流，自動確定ROI的處理結果如圖3所示。
⑶從這些記錄下的距離中排序找到最大距離，以其對應的左上跳和右下跳點粗略地確定ROI位置；
⑷擴展ROI，使其能包含盡量多的連續信息。
步驟⑶中工控機對實時溫度數據的數據處理流程是：
根據紅外熱像儀的測量原理，它是靠接收被測表面發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：目標自身輻射、環境反射輻射和大氣輻射，熱像儀的測溫公式為：
f(Tr)＝τα[εf(T0)+(1-α)f(Tu)]+εαf(Tα) 式1
其中：Tr為熱成像儀指示的輻射溫度。當被測表面為黑體，大氣透射率τα＝1,且εα＝0時，f(Tr)＝f(T0)，熱像儀的輻射溫度就是物體表面的真實溫度；當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，即認為被測物體為灰體，且εα＝1-τα時，下式就是熱像儀測溫計算用的基本公式：
f(Tr)＝τα[εf(T0)+(1-ε)f(Tu)]+(1-τα)f(Tα) 式2
由于f(T)＝CTn，上式可以進一步轉化為：
在遠紅外波段近距測量時，且當被測物體為灰體近似時，α＝ε大氣透射率τα＝1，εα＝0，由于鋼水的溫度較高Tu/T0近似為0，則上式最終化簡為
在遠紅外波段，n＝4，
鋼水和鋼渣的紅外輻射系數在8-13微米的遠紅外波段有很大差異，根據這一特性可以設定一個溫度閾值對兩者進行區分。
選定[T1,T2]確定鋼水的紅外輻射溫度的區間，在此溫度區間的像素，即對應的是鋼水，小于T1的為水蒸氣或者低溫鋼水，大于T2的認定為鋼渣。
本實施例中，設[T1,T2]區間內，溫度閾值為Ths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據，選取沒有下渣的時刻，對溫度數據進行統計；
(2)轉爐出鋼的溫度T可以根據副槍得到，根據式4調整εsteel，當矩形框中注流溫度的平均值接近T時，記錄下此時的εsteel；
(3)使用εsteel計算整個出鋼過程中注流的溫度，得到Tsteel與T′slug；
(4)T′slug與Tslug的關系可以表示為式5，
由于Tslug≈Tsteel，公式(2)可以表示為式6；
(5)εslug約為εsteel的3～4倍，根據公式(5)可得，T′slug≈(1.3-1.4)Tsteel，Tsteel與T′slug有較大差距，可以通過一個溫度Ths對鋼水、鋼渣進行區分。
(6)統計[T1,T2]這T2-T1+1個溫度等級分別對應的像素個數(T1,T2為經驗數值)，令閾值Ths從T1至T2遍歷每一個溫度等級，此時Ths將圖像中的像素分為C0和C1兩類。C0對應溫度值在[0,Ths-1]之間的像素，C1對應于溫度值在[Ths-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，ni表示溫度值i對應的像素數。
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
Ths在[T1,T2]范圍內，以步長1依次遞增取值，當σ2最大時對應的T2即為區分鋼水、鋼渣的最佳閾值。
盡管為說明目的公開了本發明的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解：在不脫離本發明及所附權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本發明的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內容。
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