专利名称：转炉出钢下渣的控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明属于冶金工业生产的技术领域，涉及钢铁工业生产中的转炉炼钢生产设 备，更具体地说，本发明涉及一种转炉出钢下渣的控制系统。另外，本发明还涉及该控制装 置采用的控制方法。
背景技术：
转炉出钢下渣会给钢水质量带来许多不利的影响，如降低合金收得率；降低钢 包耐火材料的寿命；产生钢水回磷和再氧化的情况；增加精炼工序处理时间等。要实现尽可能少的转炉渣流入钢包，必须对转炉下渣进行实时检测、控制。目前， 国内外大多数炼钢厂在出钢过程中，钢渣的控制主要依靠人工经验操作，即在转炉出钢的 后期，通过摇炉工观察出钢情况，再添加挡渣球、挡渣塞等控制下渣。人工目视判断炉渣流 出所需的时间在2 5s，而且当向钢包中加入辅料和合金量较大时，会导致出钢时产生很 大的烟气、粉尘，使得人工观察钢渣的颜色非常困难。通常，转炉出钢过程的下渣分为三个阶段，其中约15%的下渣发生在出钢开始阶 段，约60%的渣被出钢过程中形成的漩涡吸出，剩余25%的下渣发生在出钢结束阶段。为 了减少下渣量，首先要能够快速检测到下渣，其次是选择快捷有效的挡渣手段，二者配合才 能达到减少下渣量的最终目的。为了减少转炉下渣量，国内外冶金工作者在出钢下渣检测和挡渣方面进行了大量 研究和实践，开发出数种下渣检测技术和挡渣技术。转炉自动下渣检测方法目前主要有电阻法、噪音法、光谱法、电磁法等。在上述各 种转炉自动下渣检测方法中，比较准确并达到实用化的主要有电磁法。但电磁法存在受工 作环境影响大、误报率高、维护不方便等缺点。封堵出钢口的方法，20世纪70年代初采用浮球系统，20世纪80年代初采用浮镖 系统，后来又发展了滑动闸阀系统和气动挡渣系统等。封堵出钢口的方法中，浮球和浮镖系 统需要采用人工或专门设备将封堵器投入炉内靠近出钢口的熔池中，由于无法准确及时地 发现转炉下渣情况，导致挡渣效果较差。滑动闸阀系统和气动挡渣系统存在维护复杂、易于 损坏、使用寿命短、价格昂贵等缺点。目前，国内外开发的转炉出钢下渣检测结合挡渣的技术，主要采用电磁法结合滑 动闸阀、气动或挡渣镖系统挡渣，均存在系统复杂、价格昂贵、易于损坏等缺陷。因此需要开 发新型转炉出钢控渣系统，以降低出钢下渣量。
发明内容
本发明所要解决的第一个问题是提供一种转炉出钢下渣的控制系统，其目的是实 现转炉下渣在线自动检测以及实现快速自动抬炉，控制出钢下渣量。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为本发明所提供的转炉出钢下渣的控制系统，包括转炉、钢包、操作台，所述的控制系统中设有下渣检测系统和自动抬炉控制系统，所述的下渣检测系统包括红外热成像探测系统、图像分析处理系统。所述的红外热成像探测系统包括红外光学模块、探测器模块、高速视频数据采集 模块。所述的红外光学模块采用纯锗掺杂金及单面镀膜法，对位于光学系统最前端的观 测窗锗片进行处理，控制其在保持对可见光的95%以上的衰减率的情况下，对8 14微米 波段的红外辐射有40% 60%的透过率。所述的探测器模块采用多晶硅微辐射计为基本单元的非制冷焦平面感应元件作 为探测器模块的前端系统，进行光电转换、电信号读出处理；采用FPGA高速视频处理电路 构成探测器模块的后端系统，提供场频为50Hz的高清红外热像视频信号输出，输出格式采 用PAL模拟视频标准。所述的红外光学模块是在距钢包20m 30m处设置70mm长焦距镜头。所述的高速视频数据采集模块使用12bit高速AD采样，以及高速并行总线技术对 原始模拟视频信号进行高速高精度的采样。所述的控制系统设置主控机柜设备、摇炉机柜设备；所述的主控机柜设备包括高 性能工业计算机及数据传输系统；所述的自动抬炉控制系统采用PLC控制系统；所述的PLC 控制系统设在摇炉机柜设备中；抬炉脉冲信号传送至PLC控制系统后，PLC控制系统输出转 炉角度信号，进行快速摇炉，控制下渣。所述的摇炉机柜设备还包括报警器。本发明所要解决的第二个问题是以上所述的转炉出钢下渣的控制系统采用的控 制方法，采用了下面的技术方案所述控制方法的步骤为a、出钢25s前，所述的下渣检测系统进入出钢监测阶段；b、按照正常出钢工艺摇动转炉进行出钢；C、所述的图像分析处理系统对检测到的视频信息进行分析处理，给出钢流视频信 息及钢渣含量信息；d、当系统检测到下渣率(下渣率为该时刻系统检测到的下渣量占此刻下渣量与 下钢量之和的百分比)大于20% 30%时，所述的下渣检测系统发出抬炉报警信号；下渣 检测系统实现与自动抬炉控制系统的闭环连锁，在发出抬炉报警信号的同时，自动抬炉控 制系统发出抬炉信号进行抬炉操作，同时提醒操作人员向转炉内投掷挡渣球；e、出钢结束，所述的下渣检测系统自动关闭。以上所述的步骤c包括以下过程1)、原始图像数据流的采集；2)、单帧图像钢流静态特征提取采用分区域变模板中值除噪法提取图像的灰度 分布特征，用于检测钢渣在注流中形成的纹理，判断是否卷渣；3)、多帧图像动态特征提取对钢流图像信息的累积灰度概率分布特征进行分析， 用于计算下渣量；4)、热图像温漂校正注流温度的变化直接反映注流钢水、炉渣含量的变化情况， 图像分析处理系统实时采集注流温度变化，对其实时进行积分运算，并且与同时刻的注流热图像信息进行匹配，两者相结合，实现对钢渣的识别，计算注流中的含渣量。5)、根据出钢时间、出钢流速变化参数，结合注流中的含渣量计算结果，对转炉抬炉的合适报警点进行推断，发出抬炉报警信号及抬炉信号。本发明采用红外热成像法的技术方案，是利用红外摄像装置进行炉渣检测，准确 及时检测出转炉下渣情况，同时可结合挡渣球挡渣；可连续实时地监测转炉出钢状况，精确 区分炉渣、钢水，响应速度快，能够实现及时判断、及时摇炉、及时加挡渣球，从而减少转炉 出钢下渣量。设备远离炉体，寿命长，工作可靠，不需要工人的目测观察；维护方便，对空间 要求不大。采用本发明的技术方案，实现了其与自动抬炉控制系统的闭环连锁，采用该系统 判断炉渣流出并及时自动抬炉所需的时间在0.5s以内；抬炉成功率不小于98%，在不降低 钢水收得率的情况下钢包中的渣层厚度不大于60mm。不但适用于新建车间，也适用于现有 转炉改造。
下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明图1为本发明所提供的转炉出钢下渣的控制系统的结构示意图；图2为转炉钢水和炉渣在1600°C时发射率曲线比较示意图；图3为本发明中红外热成像探测系统的示意图；图4为本发明中主控机柜示意图；图5为本发明中摇炉机柜示意图；图6为本发明的下渣检测软件结构示意图。图中标记为1、红外热成像探测系统，2、图像分析处理系统，3、自动抬炉控制系统，4、转炉，5、 钢包，6、操作台，7、主控机柜，8、摇炉机柜。
具体实施例方式下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式
如所涉及的各构 件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺 及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、 技术方案有更完整、准确和深入的理解。如图1所表达的本发明的结构，本发明为一种转炉出钢下渣的控制系统，包括转 炉4、钢包5、操作台6。图2反映的是转炉4钢水和炉渣在1600°C时发射率曲线，可以看出转炉4钢水和 炉渣发射率有明显区别，钢渣的发射远高于钢水。为了解决在本说明书背景技术部分所述的目前公知技术存在的问题并克服其缺 陷，实现转炉4下渣在线自动检测以及实现快速自动抬炉，控制出钢下渣量的发明目的，本 发明采取的技术方案为本发明所提供的转炉4出钢下渣的控制系统，所述的控制系统中设有下渣检测系 统和自动抬炉控制系统3，所述的下渣检测系统包括红外热成像探测系统1、图像分析处理 系统2。
采用红外热成像钢渣探测系统对转炉4下渣过程进行实时监测。其原理是利用炉渣与钢水在红外频率范围内不同的辐射率，即在红外线的范围内，炉渣的放射率较钢水高 的物理原理。见图2，即使钢水和炉渣有相同的温度，红外线传感器仍能判定炉渣的热容量 较钢水高。通过高精密红外热成像探测系统1对转炉4出钢过程钢流的红外光谱区进行实 时监控，形成实时的红外热像视频信号。红外热成像钢渣探测系统的构成本发明所述的红外热成像探测系统1包括其中现场红外热成像探测系统1主要包 括红外摄像系统及其冷却系统(如图3所示)；其中包括探测器模块、红外光学模块、高速 视频数据采集模块。具体如下1、红外光学模块因系统监测的目标高达1500°C 1700°C，如果不进行衰减处理，将烧毁红外探测 器。因此，本发明所述的红外光学模块采用纯锗双晶对掺杂及不均衡单面镀膜法对位于光 学系统最前端的观测窗锗片进行处理，控制其在保持对可见光的95%以上的衰减率的情况 下，对8 14微米波段的红外辐射有40% 60%的透过率，有效的保护探测器不受高辐射 的损伤。由于锗折射率高、表面反射损失大以及表面易划伤，因此采用了膜层强度好、折射 率较低的氟化钇作为镀膜材料。另外，本发明所述的红外光学模块是在距钢包5的20m 30m处设置70mm长焦距
fe头。为适应系统在20m 30m外进行监测的要求，系统专门配置了 70mm长焦距镜头， 以适应成像要求。1、探测器模块本发明所述的探测器模块采用多晶硅微辐射计为基本单元的非制冷焦平面感应 元件，作为前端系统；采用FPGA高速视频处理电路构成后端系统，提供场频为50Hz的高清 红外热像视频信号输出，输出格式采用PAL模拟视频标准。本发明所述的探测器模块采用多晶硅微辐射计为基本单元的非制冷焦平面感应 元件作为探测器模块的前端系统，进行光电转换、电信号读出处理；采用FPGA高速视频处 理电路构成探测器模块的后端系统，提供场频为50Hz的高清红外热像视频信号输出，输出 格式采用PAL模拟视频标准。以上所述的非制冷焦平面感应元件的焦平面上排列着感应元件阵列，物体发射的 红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感应元件上，感应元件将接受到的光信号转 换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统 形成图像，该图像实质上是被测物体各部分红外辐射的热分布图，这种热分布图与物体表 面的热分布场相对应。3、高速视频数据采集模块图像分析处理中心模块需要对数字图像进行处理，所以本发明所述的高速视频数 据采集模块使用12bit高速AD采样，以及高速并行总线技术对原始模拟视频信号进行高速 高精度的采样，以保证系统钢渣检测的高实时性。本发明的总体的控制装置的总体布置结构
如图4和图5所示，本发明所述的控制系统设置主控机柜7设备、摇炉机柜8设备；所述的主控机柜7设备包括高性能工业计算机及数据传输系统；所述的自动抬炉控制系统 3采用PLC控制系统；所述的PLC控制系统设在摇炉机柜8设备中；抬炉脉冲信号传送至 PLC控制系统后，PLC控制系统输出转炉4角度信号，进行快速摇炉，控制下渣。该红外热像视频信号通过数据传输系统传送到计算机系统，通过安装在计算机系 统中的钢渣图像分析处理软件，对其进行实时分析，检测出钢流内每个瞬间的钢渣含量。当 检测到下渣量达到一定比例后，形成对最终合适的抬炉报警点的判断，立即发出警报。本发明所述的摇炉机柜8设备还包括报警器。下渣检测系统实现了与自动抬炉控制系统3的闭环连锁，在下渣检测系统发出警 报的同时，抬炉控制系统发出抬炉信号，快速摇炉，同时提醒人工向转炉4内投掷挡渣球， 以最大限度地减少下渣量。本发明所要解决的第二个问题是以上所述的转炉4出钢下渣的控制系统采用的 控制方法，其技术方案如下所述控制方法的步骤为a、出钢25s前，所述的下渣检测系统进入出钢监测阶段；b、按照正常出钢工艺摇动转炉4进行出钢；C、所述的图像分析处理系统2对检测到的视频信息进行分析处理，给出钢流视频 信息及钢渣含量信息；d、当系统检测到下渣率大于20% 30%时(下渣率为某一时刻系统检测到的下 渣量占此刻下渣量与下钢量之和的百分比)，所述的下渣检测系统发出抬炉报警信号；下 渣检测系统实现与自动抬炉控制系统3的闭环连锁，在发出抬炉报警信号的同时，自动抬 炉控制系统3发出抬炉信号进行抬炉操作，同时提醒操作人员向转炉4内投掷挡渣球；e、出钢结束，所述的下渣检测系统自动关闭。钢渣图像分析处理系统2是由高性能工业计算机及安装在其上的的转炉4下渣在 线检测系统专业软件组成。下渣检测软件结构示意图见图6。通过对钢流图像进行实时跟 踪处理，并根据每一炉钢流的各自情况，进行自适应调整，精确的对钢流内钢渣含量信息进 行分析。以上所述的步骤c包括以下过程1)、原始图像数据流的采集；2)、单帧图像钢流静态特征提取采用分区域变模板中值除噪法提取图像的灰度 分布特征，用于检测钢渣在注流中形成的纹理，判断是否卷渣；3)、多帧图像动态特征提取对钢流图像信息的累积灰度概率分布特征进行分析， 用于计算下渣量；4)、热图像温漂校正注流温度的变化直接反映注流钢水、炉渣含量的变化情况， 图像分析处理系统2实时采集注流温度变化，对其实时进行积分运算，并且与同时刻的注 流热图像信息进行匹配，两者相结合，实现对钢渣的识别，计算注流中的含渣量。5)、根据出钢时间、出钢流速变化参数，结合注流中的含渣量计算结果，对转炉4 抬炉的合适报警点进行推断，发出抬炉报警信号及抬炉信号。上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案 进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种转炉出钢下渣的控制系统，包括转炉(4)、钢包(5)、操作台(6)，其特征在于所述的控制系统中设有下渣检测系统和自动抬炉控制系统(3)，所述的下渣检测系统包括红外热成像探测系统(1)、图像分析处理系统(2)。
2.按照权利要求1所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的红外热成像 探测系统(1)包括红外光学模块、探测器模块、高速视频数据采集模块。
3.按照权利要求2所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的红外光学模 块采用纯锗掺杂金及单面镀膜法，对位于光学系统最前端的观测窗锗片进行处理，控制其 在保持对可见光的95%以上的衰减率的情况下，对8 14微米波段的红外辐射有40% 60%的透过率。
4.按照权利要求2所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的探测器模块 采用多晶硅微辐射计为基本单元的非制冷焦平面感应元件作为探测器模块的前端系统，进 行光电转换、电信号读出处理；采用FPGA高速视频处理电路构成探测器模块的后端系统， 提供场频为50Hz的高清红外热像视频信号输出，输出格式采用PAL模拟视频标准。
5.按照权利要求4所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的红外光学模 块是在距钢包(5) 20m 30m处设置70mm长焦距镜头。
6.按照权利要求2所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的高速视频数 据采集模块使用12bit高速AD采样，以及高速并行总线技术对原始模拟视频信号进行高速 高精度的采样。
7.按照权利要求1所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的控制系统设 置主控机柜(7)设备、摇炉机柜(8)设备；所述的主控机柜(7)设备包括高性能工业计算机 及数据传输系统；所述的自动抬炉控制系统(3)采用PLC控制系统；所述的PLC控制系统设 在摇炉机柜(8)设备中；抬炉脉冲信号传送至PLC控制系统后，PLC控制系统输出转炉角度 信号，进行快速摇炉，控制下渣。
8.按照权利要求7所述的转炉出钢下渣的控制系统，其特征在于所述的摇炉机柜(8) 设备还包括报警器。
9.一种如权利要求2所述的转炉出钢下渣的控制系统采用的控制方法，其特征在于所 述控制方法的步骤为a、出钢25s前，所述的下渣检测系统进入出钢监测阶段；b、按照正常出钢工艺摇动转炉(4)进行出钢；c、所述的图像分析处理系统(2)对检测到的视频信息进行分析处理，给出钢流视频信 息及钢渣含量信息；d、当系统检测到下渣率大于20% 30%时，所述的下渣检测系统发出抬炉报警信号， 所述的下渣率为该时刻系统检测到的下渣量占此刻下渣量与下钢量之和的百分比；下渣检 测系统实现与自动抬炉控制系统(3)的闭环连锁，在发出抬炉报警信号的同时，自动抬炉 控制系统(3)发出抬炉信号进行抬炉操作，同时提醒操作人员向转炉(4)内投掷挡渣球；e、出钢结束，所述的下渣检测系统自动关闭。
10.按照权利要求9所述的控制方法，其特征在于所述的步骤c包括以下过程1)、原始图像数据流的采集；2)、单帧图像钢流静态特征提取采用分区域变模板中值除噪法提取图像的灰度分布特征，用于检测钢渣在注流中形成的纹理，判断是否卷渣；3)、多帧图像动态特征提取对钢流图像信息的累积灰度概率分布特征进行分析，用于 计算下渣量；4)、热图像温漂校正注流温度的变化直接反映注流钢水、炉渣含量的变化情况，图像 分析处理系统(2)实时采集注流温度变化，对其实时进行积分运算，并且与同时刻的注流 热图像信息进行匹配，两者相结合，实现对钢渣的识别，计算注流中的含渣量。5)、根据出钢时间、出钢流速变化参数，结合注流中的含渣量计算结果，对转炉(4)抬炉的合适报警点进行推断，发出抬炉报警信号及抬炉信号。
全文摘要
本发明公开了一种转炉出钢下渣的控制系统，包括转炉(4)、钢包(5)、操作台(6)，所述的控制系统中设有下渣检测系统和自动抬炉控制系统(3)，所述的下渣检测系统包括红外热成像探测系统(1)、图像分析处理系统(2)。采用红外热成像法的技术方案，准确及时检测出转炉下渣情况，同时可结合挡渣球挡渣；可连续实时地监测转炉出钢状况，精确区分炉渣、钢水，响应速度快，能够实现及时判断、及时摇炉、及时加挡渣球，从而减少转炉出钢下渣量。设备远离炉体，寿命长，工作可靠，不需要工人的目测观察；维护方便，对空间要求不大。
文档编号C21C5/46GK101818228SQ20101013257
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者吴坚, 孙维, 徐葆春, 汤寅波, 汪开忠, 王卓 申请人:马鞍山钢铁股份有限公司