炼钢中减少炉渣带入的系统和方法

专利名称：炼钢中减少炉渣带入的系统和方法
本申请是1997年11月13日提交美国专利申请No.08/970,098(现US专利号——)的部分继续申请(CIP)，也是1999年8月20日提前的美国专利申请No.09/377,870的部分继续申请(CIP)。在此包括它们所公开的内容作为参考。
这项专利申请的一部分包含了版权保护的材料，版权所有者不反对在专利与商标局购买专利后使之投入生产，但反对通过其他途径得到此专利。实施本发明的某些方法和系统的软件以微型胶卷(在此作为参考文件引入)的形式存放在美国专利与商标局，微型胶卷包含很多系统，标题就是其中一项。按照本发明的某些实施例，这个软件可包括存储在计算机或相机中的芯片或光盘。微型胶卷附录的标题是钢生产过程中减少熔渣带入的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FORMINIMIZING SLAG CARRYOVER DURING THE PRODUCTION OFSTEEL)。它包含1个微型胶卷和5个系统。
该发明涉及钢的生产/制造过程中在碱性氧气转炉(BOF)或其它炉中出钢水时减少熔渣带入的系统及方法。例如，在一些实施例中，本发明涉及用红外线图象侦测仪来检测在钢水流中熔渣的存在。本发明还涉及当检测到钢中的熔渣含量超过一预定量时停止出钢水的系统的应用及其方法。
炼钢业中一个长期存在的问题是很难控制或减少在BOF出钢水时熔渣的带入。出钢水是指熔融的金属通过转炉上的出钢口从BOF注入钢包中。
在钢的制造过程中，含有杂质(如C,Si,Mn,S,P等)的熔融铁(即常说的热金属)常被注入常说的BOF等转炉中。在BOF中，将氧气(O2)通入热金属之内或之上，来降低杂质含量到所需水平。在除杂纯化的过程中，加入如CaO和MgO等熔剂，与氧化过程中形成的SiO2,MnO,FeO等反应，在转炉中形成熔融的熔渣。由于熔渣的密度比熔融钢水的密度低，所以在BOF中，这些熔渣漂浮在熔融钢水的顶层上。
在氧气通入BOF中一段时间后(如16-25分钟，具体根据转炉的体积、铁水和钢料的多少及所冶炼钢的品位而定)，熔融的熔渣和钢水形成，转炉倾斜，开始出钢水。出钢水时熔融的钢通过在转炉底部的出钢口从BOF注入钢包中。就在这个过程中，产生了所不希望的熔渣带入问题。
当BOF正常出钢水时，就在出钢水之初，少量的带入就有可能产生，但在出钢水末期最容易产生，因为此时大部分纯净的钢水已注入钢包，大部分的熔渣(而不是钢水)还在BOF中。当典型的BOF倾斜至出钢水位置时，因为两者的密度的不同，大部分熔融的钢在熔渣之前通过转炉出钢口从BOF注入钢包中。如果操作者在熔融的熔渣将要倒入钢包的那一刹那不能停止出钢水的话，那么，所不希望的熔渣也会倒入下面的钢包中，浮在倒入的熔融钢水的上面。当太多的熔渣从BOF倒入钢包时，影响钢的纯度，并再次给钢带入如P等杂质，对浇注中铝的作用有不利的影响，和/或炼不出某些品位的钢。此时，任何去除或减少钢包中过多的熔渣的影响都是昂贵、费时和/或劳动强度很大的。譬如，若大量的熔渣由于不小心倒入钢包中，可能需加入价值数百美元的铝或其他除渣剂来降低由熔渣带来的氧化铁和其它不稳定的氧化物。总之，减少从BOF中带入钢包中的熔渣对制造低成本高质量的钢具有重要意义。
在控制出钢时从BOF中带入的熔渣的努力中使用了很多技术。如，可参见《氧气转炉中的熔渣带入》一书，Da Silva,Bergman，和Lindfors著，P91-95，此文讨论了出钢时控制从BOF中带入的熔渣的许多方法，如用大家都知的耐火栓(底塞)、金属栓、木栓、纤维栓、喷补黏土，镖状漂浮元素，和球状漂浮元素等来控制或降低熔渣的带入。
这些已有的技术都是通过在倒钢水末期打断钢水流来减少熔渣的带入，镖状漂浮元素和球状漂浮元素常常用于此目的。上述文章中的图4和5说明了这些常规方法的不足之处，例如镖状漂浮元素和球状漂浮元素在熔渣较厚或粘度大时就失效，而且在钢中定位这些漂浮物很困难且条件也很苛刻。出钢口的结构也影响它们的作用。正如上述文章讨论的，一些钢厂发现球状物常常过早堵塞出钢口，导致了纯钢水的损失(影响收得率)。因此大家都知漂浮物有利于减少熔渣的带入，但效率常常不高，结果有时难于预料，而且无论是球状还是镖状，成本都昂贵。
尽管有这么多的已知方法，但上文所说“没有一个能被认为普遍而又有效的，因为每一个都有局限性，而且只能在特定的条件下达到预期的结果。”换言之，该行业中长期以来需要一个系统及与之相应的方法来减少BOF出钢时的熔渣带入，这种方法可以用于不同情况，可以为不同水平的操作员使用。然而至今没有发现一种方法来满足各种工业制钢条件，因为许多技术被认为不够有效，而其他技术对制普通钢来讲又太昂贵。
由于所有已知的降低BOF熔渣带入方法都是低效或无效，许多钢厂只能简单地依靠操作员肉眼观察来决定倒钢水时是否到了熔渣部分，不幸的是，这种方法不可避免带入熔渣，因为让人只用眼睛观察来区分熔融的钢水和熔渣太困难了(两者都是熔融的、热黄白色)。
另一种行业中常用的方法是在BOF用电磁线圈标定。通过这样一个线圈来监视，以决定什么时候熔渣开始倒入钢包中，通过线圈来关闭钢包或让转炉停止出钢水。不幸的是，电磁线圈标在转炉中所放的位置是很麻烦的，而且经常损坏和失效，另一个问题是线圈只能产生一个警报，操作员还必须观察钢水流以确定是否停止倒钢水。随着熔渣四溅，操作员需长时间多次装炉(例如30000炉或两年)。因此，如果线圈失效了，只有停下转炉才能维修。实际上只有转炉换内衬时才能换新线圈，这降低了收得率和效率，使费用很快变得昂贵起来，因此不希望如此。
综上所说，该行业中有必要研究一个新的系统和方法来解决这个问题，降低和减少BOF炼钢时熔渣带入的产生。其中，与现有技术相比，该系统/方法提高了可靠性，成功率更高，且熔渣检测更有效，和/或减少了维护费用。
本发明的目的是在本行业中部分或完全满足上述需要，同时满足本行业技术人员从下列对本发明的详述中显而易见的其他需要。
本发明的目的之一是提供一种方法及一套自动系统，在钢水流中检测到一定数量的熔渣时使BOF自动地向上倾斜BOF使之停止出钢水。
本发明的目的之二是，在钢水流中检测到一定数量的熔渣时，通过报警来通知操作员向上倾斜BOF而使之停止出钢水。
本发明的目的之三是，当转炉在预定倾角度范围内时才报警或自动停止出钢水，这减少了在出钢水初期当部分熔渣在大部分钢水倒入钢包之前倒出出钢口时停止出钢的机率。
本发明的目的之四是，通过IR相机对钢水流中第一目标区域(ROI)钢水照的相进行数字分析，来检测在ROI中钢水和熔渣的含量。
本发明目的之五是，通过IR相机对靠近BOF嘴的第二个ROI进行观察来检测熔渣是否倒出了转炉的顶开嘴，同时如发现有熔渣时矫正转炉角度(即报警通知操作员或自动校正转炉倾角)。
虽然在不同的实施例中可以使用任意波长的IR，但在一些优选实施例中，本发明的目的之一是在倒钢水时使用大于或等于约8μm的IR波长来提供钢水流的IR图象，来查知钢水流中熔融的熔渣的存在。
本发明还有一个目的是满足以上任何目的或同时满足。
总的来说，本发明通过提供在炼钢过程中从炼钢炉中倒出熔融金属的一种方法而实现了上述任何或所有需要和/或目的，该方法的步骤为提供一个装有一定量熔融金属的炼钢转炉，熔融的金属包含熔融的钢水和熔融的熔渣；提供一个IR相机用来检测从转炉流出的熔融金属流；倾斜转炉使熔融金属流出转炉；用IR成像相机至少使用其波长来检测钢水流；决定钢水流照相区域中第一个表征钢的像素的数目及第二个表征熔渣的像素的数目；利用第一和第二像素数得出一比值；确定以上像素数目的比值是否预示钢水流中有至少是预定数量的熔渣；当确定像素数目的比值显示了钢水流中有至少是预定数量的熔渣时，停止出钢水。
在有些实施例中，该方法还包括用计数器来测量从转炉流出的钢水流中的熔渣含量，熔渣含量计数器是为了将相机的表征熔渣像素的数目加到表征已经流出转炉的熔渣的一先前数目上。
在有些实施例中，转炉是一BOF和电炉之一。
在有些实施例中，上述转炉为冶炼有色金属可以是一冶炼炉，这不偏离本发明。
在另一些实施例中，上述转炉可以是高炉，熔融的铁倒入混铁炉车，用计数器测量流过熔融铁流进入混铁炉车的熔渣的含量，熔渣含量计数器是为了将一来自相机的表示熔渣像素的数目加到表示已经流入车的熔渣的一先前的数目上。
本发明还通过提供炼钢中使用的一种BOF系统实现了以上任意和/或所有需要/目的，该BOF系统包括装有熔融的钢水和熔融的熔渣的BOF转炉，熔融的熔渣漂浮在熔融的钢水上面，所述BOF转炉包含供钢水流动的出钢水口；在BOF垂直下方的钢包，用来接受从BOF转炉的出钢水口倒出的钢水；一个照相设施，用来对从转炉的出钢水口流入钢包的熔融的钢和熔渣流照相，以检测钢水流中熔渣的存在与否；一个决定转炉倾角度的传感器；以及当探测到出炉钢水流中有大量的熔渣及转炉的倾角大于预定值或在一个预定的范围内时，使出钢停止的装置。
下面结合


本发明的实施例。附图中图1是按照本发明的一个实施例，为了将熔渣带入降至最低而用的BOF至钢包的熔渣探测系统及方法的示意图。
图2是与图1类似的本发明另一实施例的示意图。
图3为熔融熔渣与熔融钢的辐射率(v.)-波长(μm)图。
图4为整个红外区(IR)的辐射率——波长(μm)图，用以说明某些悬浮气怎样出现在BOF中，吸收特定波长的红外波，减少其效用的。
图5是可用于本发明某些实施例的红外相机框图。
图6为显示本发明实施例中信息的微机/监视器控制显示屏。
图7为图6中所示的显示屏的一个视图，在液态钢中无大量熔渣时由BOF向钢包浇注的情况。
图8为图6，图7显示屏当液态钢中存在大量熔渣时从BOF到钢包倒出时的视图。
图9是根据图1所示实施例，减少或最小化从转炉中出钢口中流出的熔渣量所采取步骤的流程图。
图10是本发明一个实施例的示意图，其中钢/渣由电炉浇注到钢包，该实施例可以使用图9的流程图及有关说明。
图11是本发明应用于高炉时的示意图。
以下参照附图具体介绍。在各图中相同的标号表示相同的零部件。
图1为根据本发明的一个实施例，炼钢时，控制和/或降低由BOF转炉3流入钢包7时的熔渣夹带的系统/方法。如图所示，该系统/方法包括绕近似水平的轴5转动的转炉3，熔融金属9由转炉出钢口11流入其中的钢包7，监控熔融金属流9的IR相机13及TV显示屏15。在本发明的一些实施例中，相机13位于距金属流9的30-150英尺处(最好50-100英尺)，以获得相对于液态钢水流本身来说较低的温度环境，减少相机因靠近BOF损坏的可能性，且易于操作。该位置还比靠近转炉的其它位置洁净。在本发明的一些实施例中，相机13的观测区包括如图1所示的第一和第二目标区域(ROIs)(即ROI#1和ROI#2)。ROI#1定位得使相机13能观察由转炉出钢口11流入钢包7的钢水流9。ROI#1可以具有应用上的任意的尺寸和形状，在某些实施例中，其尺寸及位置可以预先设定，例如通过点击图6中的监视屏幕。ROI#2位于相机观测区(最好是至少部分位于出钢口之上)，使相机可同时从转炉的上开口下方和出钢口末的上方观察，以便在不希望的熔渣从顶层或转炉嘴301流出时(例如当转炉倾角θ过大)进行检测。又，ROI#2可为任意形状和尺寸，其尺寸和/或位置也可通过点击图6的显示屏而预先设定。在可供选择实施例中，第一台红外(IR)相机可用于观察ROI#1，第二台IR相机用于观察ROI#2(成像软件处理或分析由ROIs传递的信号)，但是，最好使用一台相机13同时观察两个ROI区。成像软件(见微型胶片缩影附录)可存于相机或相机外的微机中。
转炉3首先填充液态铁和钢屑。然后氧气吹入转炉3以去除杂质，在转炉顶部或喷嘴301处设有一开孔使氧气进入，吹入氧气时，转炉3的杂质元素被氧化形成熔渣，净化热金属形成了钢液。因为BOF熔渣密度小于钢液密度，在转炉3中熔渣漂浮于钢液上。
氧气吹入后，转炉3绕轴5旋转或倾斜至角度θ(θ角指穿过转轴5的纵轴12和转炉横轴14之间的夹角)，使熔融金属流9从转炉3流入钢包7。在正确旋转的情况下，出钢时钢液首先流出钢口11(伴随少量熔渣)通过ROI#1流入钢包7，因为熔渣位于钢液和出钢口之上。此后，大部分钢液继续流出，在钢从转炉3流出时，操作人员继续绕轴5转动转炉3，增大倾角θ，直到大部分钢从炉中流出，熔渣层到达出钢口11。红外(IR)相机13和TV显视屏15监视ROI#1处的出钢口11与钢包之间钢水流9，以探测何时熔渣开始大量进入钢水流而流入钢包7。
根据本发明不同的实施例，可用相机的IR波长观察熔渣/钢。但是，在优选实施例中，钢水流中最佳熔渣观测效果出现于(1)红外相机13只使用远区红外线(即波长大于等于8μm)和/或(2)远红外波长(大于等于8μm)由相机13控制，且其它红外波长被滤掉。分析发现，相对于波长极短的红外线，这些波长放大的红外线不易于被BOF环境中普通存在的烟尘阻挡，而且，如下所述，BOF环境中的悬浮气体(如CO2,H2O)吸收或阻挡近端或中端IR波长，却并不大量吸收或阻止远端IR波(即大于8μm的IR波)。而且因为在这些红外波下，熔渣与钢液的辐射率差别更大，显示屏口的色差颜色变化更明显，使工作效果更好。在一些实施例中，只有这些长波红外线可被监视，在其它非优选实施例中，其长波长的波可与这些长波一起被监视。同样，在另外一些实施例中，波长1μm-7μm的波可被监视。利用成像软件控制观察到的成像数据，出钢水流等中的熔渣可被防止。
最好，设置相机13，以主要利用波长大于等于8μm的红外波(即长波)，最佳范围为8μm-12μm。探测出熔渣表现为监视器15上的颜色变化，使之能被操作员发现。
相当于传统减少熔渣带入的技术而言，该发明降低了维护成本，提高了可靠性和有效性，提高了生产者对BOF环境中对熔渣夹带的控制。通过减少炉查夹带，获得以下的优点钢包熔渣中的FeO量减少，昂贵的除渣消耗降低，磷降低，钢包中脱硫程度提高，钢纯度提高，降低了昂贵的熔渣保持系统(如镖形和球形除渣剂)的使用，铁的收得率提高，熔渣探测可靠性提高，因而也就无必要维持BOF本身的探测导线和线圈。
图5是本发明某些实施例中使用的监测钢水流9的IR相机13的框图，所选相机13最好是FLIR公司的760型红外图象辐射仪。相机13可自包含热成像、文档、分析系统和集成彩色LCD，软盘驱动器和集成冷凝器，可与外监视器15一起使用。监视器可以是微机16的一部分或与之相连，(计算机16可根据所附的微型胶片编程，以便采用图9的步骤)。该相机可含有一水银/镉/碲化物探头，该探头被与之一体的冷却器冷却到77K以获得最高的热敏感度和高的空间分辨率。考虑相机的光路，从钢水流的ROI#1和/或ROI#2的热辐射通过一准直透镜进入一真空扫描模块，被水平、垂直的扫描镜偏转，并通过第二个窗口射出，穿过探头棱镜进入探头。如图所示，相机13包含对红外信号的处理、数字化以及再形成以使在集成LCD上和/或在外视频/电视/计算机监视器上以黑白/彩色显示。微处理器获取各图象元素(即像素)，并用和使用的光过滤片/透镜组合对应的校准表计算温度。相机13中扫描部分31的光过滤片30能够调节相机的谱反应来优化BOF钢水流9的测量。在该发明的优选实施例中，位于30中的高透过滤光器在相机13中被用来吸收或阻挡0-8μm红外波长的透过。因此，使相机13通过只使用远端高于或等于8μm的红外波(即长IR波区)长来监视钢水流。在某些实施例中，高通过率滤光器只允许8-14μm或8-12μm的红外波大量透射，而基本阻碍其它波长的IR波透射进入或穿过相机的扫描仪。在以上选定的相机中，这个高透过滤光器可在开始(SETUP)菜单中选择并自动加载，使用该滤光器，相机13对来自钢水流辐射、反射和透射能量总和反应。这种能量组合被称为钢水流辐射度。为得到钢水流的温度，从进入的辐射强度减去反射和透射能量得到辐射能。结果用辐射系数放大得到黑体等效值，该值可通过查校正表转化为温度。得到的钢水流温度，它表示了在熔融钢和渣之间的颜色(以及辐射率)的区别，显示在监视器15上。尽管上述红外成像相机13用在本发明的某些实施例时，本行业的技术人员应理解，其它型号红外成像仪/相机也可使用，只要它能使用长的IR或其它波去测量钢水流中的熔渣(如用微型辐射热计)。也应理解，另外类型的红外成像仪/相机也可使用，只要它们所能提供钢和渣的衬度，即使这种衬度在选择的成像仪/相机不能提供钢和渣之间具有良好衬度的直接图象时，用图象增强软件提供。
倾角传感器14也显示在图5中和计算机16相连。传感器14测量转炉在出钢时的倾角θ，并输出到计算机，以使用于图9中的比较步骤之中。传感器14可连结于转炉的转轴5上，并测量其转动，其替代方法可以用象红外相机等合适方式光学地测量转炉3(或图10的高炉)的倾斜。
在其它优选实施例中，ThermecAM ultra手持红外图像辐射仪(如型号SC2000,PM395,PM295,和/或PM195型)可从FLIR公司获得，可用作相机13，这是一种手掌大小的焦面点阵辐射仪，具有全范围温度测量和内置图像存贮和分析能力。数据可存贮在可擦固态临时记忆或静态随机存贮条多功能卡存贮卡(SRAM PCMCIA)(SC2000,PM395,PM295)。校准的红外数据用电视兼容视频输出作全面实时数据分析。SC2000有一数据视频端口，可输出实时14位数字视频信号。某些实施例中，也可用320×240微型辐射热计焦面点阵探头。其它实施例中，相机13可以是570型热视相机，它包括焦面点阵，未冷却辐射热计320×240像素，可以从华盛顿Bothell的FSI Automation获得。
当相机13用远端红外波长去观察钢水流9时，熔融的渣和钢在电视屏15上显示的辐射率变得更加明显，参照图1，钢水流9中钢水相对于熔渣变得较暗，于是，当渣开始进入钢水流9时，这些渣在监示器15显示的颜色明显不同于钢。在某些实施例中，渣由白色表示，而钢由暗色表示。这使得出炉操作人员(或计算机或图6-9中图象分析系统)能简单地确定何时熔渣已进入钢水流9，以便操作人员能在大量白色(或其它颜色变化)出现在监视器15的钢水流9中时停止倾倒。这样，当操作人员(或计算机16，或图6-10中的红外相机的图像分析系统)盯住监视器15并看到渣开始在钢水流9中大量出现时，他可通过绕轴5向上倾斜转炉3或关闭出钢口11来停止出钢。用这种方法，避免了从转炉3流入钢包7过多熔渣。
据该发明的某些实施例，BOF转炉3可在相机发现钢水流11中有预定量熔渣时自动停止。比如，使用如下要讨论的图6-9中的灰度比，当显示器上衬度达到预定水平，表明钢水流中熔渣到达一预定含量后，倾倒系统可被编程来停止(也就是向上倾斜或颠倒转炉)。据该发明的另一些实施例，出钢时BOF转炉的倾斜可用相机13发现的钢水流中熔渣的含量来调整。比如，出钢开始时，系统可以程序设定转炉3倾角为θ，该倾角下小于预定含量的熔渣从出钢孔11流入钢包7，转炉3的倾角θ可在出钢时随程序调整来使钢水流中熔渣最小化。于是，如前所述，如开始了倾倒一定时间后(比如快结束时)，可发现钢水流中有一预定量的熔渣(预定的辐射率差异)，系统会自动停止出钢。通过校正出钢过程中BOF转炉的倾角，钢水流中熔渣的出现可被显著地降低，直至出钢结束。
图2显示了和图1实施例相似的实施例，但转炉3和钢包7有不同的结构特征。转炉3仍绕轴5旋转，并由孔11倾倒钢水流9。当相机13(或计算机中存贮的软件)发现通过钢水流9的熔渣，操作人员会被提醒去如上讨论的停止倾倒。图2中另一个主要特征是位于相机室23内出现圆形或矩形窗体21，相机13安装于室23的结构25上，以便相机通过窗21观察钢水流9。在该发明的优选实施例中，窗21对远端红外波长透射(比如，红外波长大于8μm)，在某些实施例中，窗21由对所有或部分红外波长显著透射或透明的玻璃或其它材料制成。然而，窗21在某些实施例中不必对非红外波长透明。
在某些实施例中，窗21由包括CaF2的具有显著透射单晶材料所制成。它是非水湿的窗。该种窗可以由Heise’s Online ThermographicServices(H.O.T.S.)获得，该公司位于田纳西州的Knoxville比如其H.VIR Comet window 21。这种窗体对红外波长有95％的透射率，对可视波有约100％的透射率。另外，从HOTS也可获得长波观察窗21，比如no.H.VIR 75型对8-12μm红外线有至少约95％的透射率，对紫外线(UV)不敏感，在13℃时的热导率约为11.72w/mK，这种窗对8-12μm以外的波可以或不可透射。最好，窗21对大于8μm的红外波长有至少95％的透射率。
其它实施例中，窗21可包含ZnSe,GaAs,Ge,CdTe或ZnS，并有如上所述的相似特征，然而有些可选窗体需要涂层。例如ZnSe内置窗。
窗21还可作为相机13内的滤光器，该滤光器被操作人员用来选择相机13使用的波长。窗21可使用不同的材料，用这种窗替代滤光器是为了保护相机。在某些实施例中，该窗在8-12μm范围有高的透射率，这样如果8-12μm是选用来监视钢水流的波长范围，则能使用红外相机或成像仪自身的8-12μm滤光器来。
图3是辐射率-波长曲线，它显示了熔渣和钢的辐射率以红外线波长的函数而变化，可以看出，当使用红外线远端波长(例如，至少约8μm)来确定熔融钢水流中是否有钢渣时，比用其它波长更容易，这是由于在这些更高波长下，钢和渣的辐射率有更大的差别。
图4是透射率-红外波长曲线，显示了在特定气体吸收(也就是防止透射)IR波长的程度，比如，可以看到，水蒸气吸收了5-8μm波长的大部分。类似地，可看到水蒸气和/或CO2吸收了1与5μm之间的许多波长。这张图显示了当使用8-14μm的波长时，有穿过这一些气体的最大透射率。由于CO2和H2O蒸气是经常存在于BOF钢水流附近的气体。因此，可以明白BOF钢水流中的熔渣和钢可用高红外波长(比如，至少约8μm)测出。然而，图4还显示也可用其它波长检测熔渣，这些波长(如1.4-1.8μm,1.9-2.5μm,2.9-4.1μm)在另外的非优选实施例中没有大量地被阻档。
图6-9是该发明的其它实施例，其中图6-8显示了操作人员在不同阶段在监视器上可见的计算机屏幕，图9显示了减少或最小化进入钢包7的熔渣所采取的步骤。通过使用图象分析处理相机13的输出，用计算机16分析钢水流中钢渣比会更有效。该系统可输出电信号使-声频或可视警报器17发声(图1所示)并在ROI#1的钢水流9中发现大量熔渣时自动提升转炉炉体3，以便最小化/减少从加热器倒入钢包7中熔渣的总量。
参考图6-9，可能使用到的部件有红外线相机13，以上讨论的光学仪器，用附加软件编程的计算机16、监视器15(比如，计算机监视器和/或外监视器)，模拟和数字输入/输出，和声频或可视警报器。相机13最好以允许它监视通过ROI#1的钢水流的方式固定，而不管倾倒炉的倾角θ。该系统使用位于得克萨斯的Austin的Nationa1Instruments制造的硬件和软件。硬件包括一个PXI 1000底盘。8155嵌入控制器，PXI图象采集卡，PXI6040E输入/输出卡，PXI 8210以太网/SCSI接口卡，和PXI 8220多功能卡(PCMCIA)，软件包括LabVIEW5.0,IMAQ 1.5,Microsoft NT 4.0操作系统(参见微型胶片附件)，应用程序用LabVIEW 5.0和IMAQ 1.5编写，用来处理从相机13来的视频信号，以及决定某一时点或一时间段内钢水流19的熔渣量。
参见图9，系统启动于闲置状态101，在出钢开始时，操作人员要使转炉3倾斜到一起始角θ，操作人员按动“开始出钢(·start tap·)”按扭103，这发送了一数字信号到图1中18所示的PLC。转炉倾斜开始倾倒钢水流。“开始出钢”按钮的动作引起的信号被传送到图象系统，在出钢之前或紧接其后于步骤107初始化ROI#1和/或ROI#2的成像和处理参数图6-8中所示109区域的计算机或监视器上显示出原始图象，这将在以下讨论。(图6显示无钢或渣被倾倒时的屏幕，图7表示钢水流中多数为钢时的屏幕，而图8显示后来钢水流中有大量渣时的屏幕)对来自相机13的视频图象进行如下处理。
红外相机13观察在ROI#1选定区域的钢水流9以及ROI#2的区域，两个ROI区中的标准RS-170视频信号通过-RG59视频线从红外相机13传输到可视系统。图象几乎实时地被图象采集卡捕捉，在某些实施例中，该卡的最大分辨率为640×480像素，但在其它实施例中可使用最大分辨率不同的其它卡。该图象称为为“原始图象”，并显示在计算机监视器15上，如步骤108的窗口109所示。选择ROI#1进行图象分析，优选ROI#1包含了比相机13观察钢水流的全宽销大的区域。见图6-8，区域/窗111用来显示熔渣，窗113显示钢水流中的钢。
但是应当明白，红外相机13只能提供一个在此项发明范围内的可被微机16接收并处理的数字结果，例如14字节的输出结果。与目前应用的录像结果红外仪相比，红外/数字相机提供更好的分辨率。
ROI#1处的像素灰度可由步骤115的识别系统测量，ROI#2处的则由步骤117测量，在某些实施例中，对于一个8字节图像，举例来说，像素灰度值可从0-225变化，0代表黑，225代表白(熔渣表示为白)，其间不同的阴影有中间值。
一个bin表示目标图象一定范围的灰度值或水平。例如，钢bin为倾倒钢水流中液体钢的成像的灰度值。将微机或其中的软件编程，以包括一个钢bin和一个熔渣bin，使能够决定多少像素中包含熔渣和多少像素中包含液态钢。微机决定对每个像框115来讲落入其中的各自的钢bin和熔渣bin的像素数(由零开始)。在某些实施例中，钢bin可能代表图6-8中所示的灰度值在60-160之间的像素，熔渣bin代表灰度值230-255之间的像素。灰度值未在任何bin内的像素既不表示钢也不表示熔渣。通过决定每个相框中落入每个bin内的像素数，可决定钢液和熔渣各自的近似像素值。如图6-8左上所示，操作员可通过在·range slag·和/或·range steel·中点击改变熔渣和钢液的bin值，定制这些bin，并且，如图6-8左边所示，使用者可通过鼠标点击来改变沪渣和钢液的颜色，图6-8更进一步的说明了操作者可编辑要观察的具体的ROI，也可设定其尺寸和位置。
这样，在步骤119对于一个给定的像框中，在·range steel·bin参数值内观察到的ROI#1像素数以及像框中·range slag·bin参数范围内的像素数是可定的。同样，在121中，观察到的ROI#2的在·rangeslag·bin参数中的像素数亦是可定的。在步骤123，确定倾角是否在预定的角度范围内(若在，执行渣计数步骤125；若不在，跳过125执行SSR127)。假设转炉在预定的最终倾角范围之内，在步骤125中，一个计数器的值将持续增加，增值为通过步骤119处决定的ROI#1中的·range slag·bin像素的数目)，以测量每次倒入钢包中的熔渣量。
在127处确定每个像框的熔渣与钢液比(SSR)，并用以下方程显示在监视器上SSR=#ROI#1渣像素/(ROI#1渣像素+#ROI#1钢像素)，因此SSR值为0-1，如图7所示，钢水流中几乎没有熔渣时，SSR值接近或等于0(图7中为0.00)。倒钢中，钢水流中发现熔渣时，SSR增加并接近1(处图8中所示的0.485)。在优选实施例中，SSR值在0-1.0之间，并可能大于1.0。
例如，图7示出钢液倾倒过程中无明显熔渣夹带时计算机监视器。在左下框109处可见钢水流，ROI#1被虚线矩形勾出(成像范围取自ROI)。两个小框113,111表示钢水流9中钢液存在并且无大量熔渣。但是，图8表示钢水流中有明显熔渣夹带时的计算机监视器，图8的框111中亮白色带表示熔渣。当钢水流中发现大量熔渣时，操作人员观察到框中可能会有的·SLAG DETECTED!!!·RAISE FURNACENOW!!!..的警报。听到或看到警报后，操作者抬起BOF，停止倾倒。
图9中，127处计算每一照相范围内的SSR值，并平均以时间以决定倾倒的终止。步骤129处将SSR值与预先决定的熔渣/钢液设置点或阈值Th1相比较。如图7-8所示，这一阈值可设为0.40或其它合适的数值，这取决于所需钢的级别。它根据尽可能多的将钢液从转炉中倒出和尽可能少的熔渣夹带而定。阈值可由操作者根据不同级别钢的需要而形成定制值。例如，假如某一级别钢种要求极少量的熔渣夹带，那Th1可设在0.05-0.10之间。那么，警报将会在相对于设在较高的值而言，较少的夹带处响起。当铁的收得率很重要时，Th1可设在较高值处，比如0.10-0.60，使警报只会发生在有大量夹带存在时。应当明白，当图像质量很好时，Th1甚至可大于0.6。以上值仅供举例，并无任何限制。
如图9所示，如果SSR值没有超过这个阈值，出钢过程则继续，并重复步骤108，分析下一个成像框。但是只要这个SSR值在步骤129时，超过这个警报阈值(例如0.40)，并且(ⅰ)ROI#2熔渣相素未大于熔渣像素131处预先设定允许的数值，(ⅱ)在步骤133处传感器发现转炉3旋转角度在预先设定的最终倾角度值之内(如从90-105度)，那么，135处便会有警报。警报作用为或(ⅰ)声音或或视警报提示操作员向上倾斜转炉，停止出钢步骤137，或(ⅱ)系统自动使转炉上斜，停止出钢步骤137或(ⅲ)风动或气动杆插入出钢口将其关闭，停止出钢步骤137。倾倒终止于步骤137，系统返回闲置状态101。
假如在步骤133发现转炉倾倒角度超出预先设定的最终倾倒角度范围，那么，将在步骤139处有早期熔渣警报，以显示熔渣有可能在倾倒早期意外倒出。
在某些实施例中，确定出一个平均时间的SSR，将其与阈值比较，在另一些实施例中，SSR不需平均时间。比如，在平均时间的实施例中，程序或微机可通过以下方程计算ROI#1(ROI#2)中总的熔渣像素数。N=i=1m·Ai其中Ai是第i个图象框中，熔渣bin中的像素点数目，m是转炉进入最后出钢倾角范围和结束出钢时间之间的图像框的总的数目。可以得到总的熔渣像素点数目和实际的熔渣夹带数量之间的相关性。实际产生的熔渣量由钢水包中实际熔渣深度测量仪或质量守恒计量器确定。这种关联(实际测量的熔渣和由成像系统探测到的熔渣)可以用于预测进入与成像软件系统相连的钢水包中的熔渣量。
根据本发明的某些具体实施方式
，步骤139中警报可用来警告出钢过程中的操作者的违规操作。在出钢中，假如转炉3没有正确倾斜，熔渣会进入钢水包中。相关的软件系统连续地或周期性地检查转炉的倾角。假如在出钢水流中探测到熔渣，但是，倾角不在预定的最后出钢倾角θ范围内(90-150度)，那么139处警报启动(听觉的或视觉)来警告操作者改正倾角。
参照图9中的步骤117,121,122和124，在ROI#1被监视时，相机13(或另一个IR相机)监视ROI#2(见图1)。出钢水中可能发出的违规是熔渣分流出转炉的上部开口301。当转炉3倾斜太厉害时会发生这种情况。系统探测到这个问题，同时警告操作者或自动纠正转炉的倾角。为此，一个IR录相机监视ROI#2并显示在监视器上，并且用图象系统分析，ROI#2在出钢口上部，但仍在开口的下面，如图1所示。当在给定的框内，在ROI#2中熔渣像素点数目在122步被探测到大于预定允许的像素点的限度或数值，系统同样警告操作者或在124步自动纠正倾角。从122步和124步开始，系统进行119步的出钢过程。
在出钢过程，一般在刚好倒完钢水之前看到在出钢水中的熔渣尾，当拖尾现象发生时，图像软件系统中SSR假定一大于零的值，但明显低于SSR阈值Th1，可选择地，在某些具体实施方式
中，继续监视SSR的图像系统可编程来决定SSR是否在与拖尾现象相关的范围内(例如大于0.02但小于Th1)。假如是，很可能发生拖尾现象，系统启动可看见的或可听见的警告通知操作者，出钢水快要结束了，或者倾角太小，并且熔渣或容器需调整到一更大的倾角。
另外，值得注意的是，其中执行某些步骤的软件可以包括，例如，使用图象捕捉仪的出钢水过程的开始和结束的自动探测；ROI#1的自动定位以使其自身连续地处于中心或在出钢水流上；使用边缘探测和宽度测量测定出钢水流的宽度；用于替换出钢孔(出钢水时间，出钢水宽度)的显示器；出钢水过程中向上或向下自动旋转倾斜转炉3；熔渣探测；以及提供基本信息数据最小化或减少钢水包中熔渣条件形成。
参照图10，根据本发明的另一个实施例，相机，监视器，计算机以及本说明书中讨论的任意一个具体实施方式
的程序可以在炼钢过程的电炉201，以代替BOF。电炉所暴露的典型环境和BOF周围环境相似，炼钢的电炉有一可选的打开/关闭的底端输出口，由此，熔融的钢水流进入位于其下部的钢水包7中(即没有侧面出钢孔)。在这些具体实施方式
中，像机13察看/录像从炉体的底部输出口进入钢包的熔融金属流9，并且按上述任何方式探测在其中溶渣的出现，在图10的实施例中，ROI#2没有被利用，因为它没有上部开口，因此，参照图9，不需要执行步骤117,121,122,124和131。
参照图11，该发明的另一个实施例包括相机13，监视器，计算机和本文所说的程序，在生产熔融铁的过程中用于高炉203，高炉出铁一般在一个脏的、灰尘大的环境中，与BOF和电炉炼钢操作的环境类似，然而，在本例中，出铁开孔205将铁水和熔渣倒入槽207，槽207用挡料圈209保留，圈209上有一个铁水开口211，和一个更高的熔渣开口213，渣由此流出。熔融的铁215通过开口211进入流槽217，流槽217从地板219延伸到一生产线上的罐车220下面，那儿铁水被收集用作进一步的炼钢操作，通过熔渣口213从铁水上面剔除熔渣，其熔渣被收集在守着的熔渣包中(没有显示)以便作进一步处理或丢弃。然而，当铸液水平下落到槽207时，熔渣夹带入熔融铁水中，与铁水一起流入罐车220，在这种情况，能确定收集在罐车中的熔融铁中熔渣含量对于钢铁制造者是很重要的。因此，相机13察看/对熔融铁水流215照相，铁水流从流槽217流到罐车220，并且以本文中提出的任何方式探测其中熔渣的出现，在图11实施例中，ROI#2没有被利用，因为没有上部开口，因此，参照图9，不需要步骤117,121,122,124和131。另外，因为高炉不能围绕-倾斜轴旋转，图9中的步骤113,133不需要执行。
根据另外的替选的实施例，相机，监视器，计算机和本发明的任何实施例中使用的任何程序可在钢铁业以外使用，例如可用在熔炼工作中，包括铝、铜的精炼与制造，黄铜、青铜等的生产和炼制。
给出上述发明，许多其它特征，修改和改进对于本行业技术人员就变得很容易了，因此，诸如此类的特征，修改和改进被认为是该项发明的一部分，其范围由所附权利要求确定。
权利要求
1．炼钢时在BOF转炉出钢过程中测量熔渣的方法，包括下面几步提供盛放熔融金属的BOF转炉，在转炉内通入氧气造渣；提供一个接收从BOF转炉流出的钢水的钢包；使BOF转炉出钢，让钢水从转炉中通过至少第一目标区(ROI#1)的一部分流入钢包中，所述出钢过程由至少倾斜所述转炉完成；红外(IR)成像至少ROI#1区出钢时的钢水流，提供至少一个成像区域；对成像区域中的像素，确定在钢水流中表征钢的一个预定的范围内的像素数，和在钢水流中表征熔渣的一个预定的范围的像素数；利用钢的像素数和熔渣的像素数确定一个在0～1范围内的比率；确定一个转炉倾角θ；确定这个比率是否表征钢水流中熔渣的预定量；确定倾角θ是否大于预定值或在预定范围内；当确定这个比率表征钢水流中有至少预定量的熔渣，且倾角θ大于预定值或在预定范围内时停止出钢。
2．如权利要求1所述的方法，还包括响应确定所述比率表示了钢流中至少有预定量的熔渣，且倾角θ大于预定值或在预定范围内，提醒操作者应停止出钢的步骤。
3．如权利要求1所述的方法，还包括响应确定所述比率表示了钢流中至少有预定量的熔渣，且倾角大于预定值或在预定范围内时，自动向上倾转转炉停止出钢的步骤。
4．如权利要求1所述的方法，还包括当确定了所述比率表示了钢流中至少有预定量的熔渣，且倾角θ大于预定值或在预定范围内时，自动向上倾转转炉停止BOF转炉出钢的步骤。
5．如权利要求1所述的方法，其中，红外成像步骤包括用大于或等于8μm长红外波以探测钢水流中熔渣的存在。
6．如权利要求1所述的方法，其中，在所述红外成像步骤中，照出钢水流中透射率在0.7～0.9之间的熔渣，并照出钢水流中透射率小于0.25的钢，输出到监视器。
7．如权利要求6所述的方法，其中，在所述红外成像步骤中，照出钢水流中放射率小于0.2的钢，并输出到监视器。
8．如权利要求1所述的方法，其中，在所述红外成像步骤中，仅利用了波长大于或等于8μm的红外波。
9．如权利要求1所述的方法，各步骤是按所给的次序依次进行的。
10．如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤红外成像至少部分位于转炉出口下方的第二目标区(ROI #2)；当确定了从ROI#2的一个成像范围中测定的像素数目为预定熔渣量时，给出警报。
11．如权利要求10所述的方法，其中，ROI#2与ROI#1不相邻。
12．如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤在红外成像步骤中，滤去小于8μm波长的波，用长的红外波来探测钢水流中的熔渣。
13．一种炼钢中使用的碱性氧化炉(BOF)系统，该BOF系统包括一个容纳钢液和熔渣的BOF转炉，熔渣浮在钢液上，BOF转炉上有一个出钢口用于出钢；一个钢包，放在BOF转炉正下方，用于接收从转炉出钢口流出的钢液；一个成像，用于成像从出钢口流出进入钢包中的钢液及熔渣流，从而探测钢水流中的熔渣；一个传感器，用来测量转炉的倾角度；和当探测到钢水流中存在大量熔渣，且转炉的倾角度超过一预定值或在一个预定范围内时，停止出钢的装置。
14．如权利要求13所述的系统，其中，所述出钢的装置包括启动-报警器告诉操作者出钢要停止的装置。
15．如权利要求13所述的系统，其中，所述出钢的装置包括将转炉自动向上倾转停止出钢的装置。
16．如权利要求13所述的系统，其中，所述出钢的装置包括a)移动一个压杆或堵头以封堵出钢口停止出钢的装置；或b)在监视器上显示钢流中表征熔渣的颜色以供操作者观察的装置。
17．如权利要求13所述的系统，还包括一个滤去所有小于8μm的红外波的滤光器，从而主要用至少约8μm的红外波来探测钢水流中的熔渣。
18．如权利要求13所述的系统，其中，所述成像装置是一个红外成像装置，该装置用于同时对预选定的非连续的第一目标区和第二目标区成像，从出钢口流出的钢水流经过第一目标区而不经过第二目标区，其中第二目标区位于转炉开口的下面。
19．炼钢中从炼钢炉内倾倒熔融金属的方法，由以下几步组成提供一个容纳一定量熔融金属的炼钢炉，熔融金属包括钢水和熔渣；提供一个红外成像相机来监视从炼钢炉中流出的熔融金属流；倾转炼钢炉以使钢钢水流出；用红外成像相机，使用至少部分红外波监视钢水流；对一个成像范围，确定一个表征钢水流中钢的第一个像素数和一个表征钢水流中熔渣的第二个像素数；用第一个和第二个像素数确定一比率；确定这一比率是否表征了钢水流中渣的至少预定数量；如果这一比率表征钢水流中渣的至少预定数量，则停止出钢。
20．如权利要求19的所述方法，还包括测量流出炉体的钢水流中熔渣的数量。
21．如权利要求20所述的方法，其中的测量步骤包括利用一个熔渣计数器，将一成像范围中的熔渣像素的数目加到一个已从转炉流出的先前的熔渣数上。
22．如权利要求18所述的方法，其中炼钢炉是一个BOF转炉或一个电炼钢炉。
23．炼钢中，测定从BOF炉流到钢包中的钢水流中熔渣的装置，包括一个BOF炉，用于将铁水转变为钢水，并将钢水以钢水流状倾倒入钢包中；一个红外相机，用于给钢水流成像，以确定钢水流中是否存在熔渣，红外相机能利用小于0.25的透射率确定钢水流中是否存在熔渣。
24．炼钢中将熔融金属从炼钢炉中倒出的方法，包括以下几步提供一个容纳钢液的炼钢炉，熔融金属包括钢水和熔渣；提供一个相机来监视从转炉中流出的熔融金属；倾转炼钢炉以使熔融金属流出；用相机监视钢水流；确定一个成像范围中多个像素的灰度值和指出该成像范围中每一像素的灰度值；确定在所述成像范围中哪个像素有一个在预选熔渣范围内的灰度值，哪个像素具有在预选钢范围内的灰度值，用这些结果去分别计算表征熔渣像素的第一个数和表征钢像素的第二个数；运用第一个和第二个像素数确定一个0～1范围内的比率；确定这一比率是否表示钢水流中至少有预定量的熔渣；当确定这一比率表示了钢流中有至少预定量的熔渣时，停止出钢。
25．金属熔炼中从冶炼炉中倾倒出熔融金属的方法，包括下列几步提供一个容纳包括熔融金属和熔渣的熔融材料的冶炼炉；提供一个红外相机用于监视从冶炼炉中流出的熔融材料；在一个成像范围中确定一个表征金属流中熔融金属的第一个像素数和一个表征金属流中熔渣的第二个像素数；用第一和第二个像素数确定一比率；确定这一比率是否表示了金属流中至少有预定量的熔渣；以及如果这一比率表示了金属流中至少有预定量的熔渣，则停止倒出金属流。
26．如权利要求25所述的方法，其中，所述的冶炼炉是一个高炉，所述熔融金属包括铁。
27．如权利要求25所述的方法，其中所述熔融金属是有色金属。
全文摘要
一种确定在炼钢炉(如BOF炉)和相应的钢包之间的钢水流中的熔渣的系统和方法。一个红外成像或探测装置用于成像/观测从BOF到钢包的钢水流,在给定时间,该钢水流所发出能量指示了钢水流是钢水或是熔渣或是二者的混合物。灰度分析是在像素上进行,用以确定在给定的时间时,钢水流中钢像素和渣像素的数目。当熔渣像素的比率或百分数超过了一个预先确定的值或量,报警器响起,用来提醒操作者向上倾转炉体以停止出钢,或炉体可以自动向上倾转而停止出钢。
文档编号G01J5/00GK1306095SQ00101088
公开日2001年8月1日 申请日期2000年1月14日 优先权日1999年10月8日
发明者约翰·A·施托范内克, 丹尼尔·A·戈尔茨坦, 阿洛克·沙拉恩, 伊丽莎白·A·斯泰里茨 申请人:贝瑟尔荷姆钢铁公司