一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置与流程

本发明涉及轧钢表面检测领域，具体涉及一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置，尤其是用于通过光接收传感器测量高速轧制的热钢材表面热图像并分析该热图像以检测钢材表面缺陷的方法和装置。

背景技术：

近年来，从节省热轧过程中的能量和提高生产效率的观点来看，连续铸造（连铸）板坯和热轧钢材的表面缺陷经常保持在红热状态，在完全冷却的情况下不易检测。当发现瑕疵时，需要及时停止生产设备、检测设备参数，或者快速动态调整生产设备的控制参数，消除瑕疵。生产过程中，如果在完全冷却的情况下检测轧钢表面缺陷，那么当检测出缺陷时，轧钢可能已经生产了几十吨，会已经造成了极大的浪费。所以有必要建立一种检测连续铸坯和炽热的热轧钢材表面缺陷的技术。

目前市场上采用的方法大多是电磁涡流法检测，即使用电磁探针线圈套在钢材出轧流水线上，通过观察电磁探针线圈阻抗的变化，计算钢材表面上是否存在褶皱瑕疵。但是，将涡流法应用于钢筋轧制线时存在以下问题：在许多情况下，在带钢热轧生产线中，会将诸如变形钢、圆钢、等边山地钢和扁钢等各种钢材在一条线上轧制。在涡流法中，需要使线圈与钢材之间的电磁耦合保持恒定，但是在轧制多种钢材的生产线中，必须在每次钢材种类变化时更换和调整线圈，会造成有很多麻烦，费时费力。所以，涡流式电磁检测方法的使用限于小批量生产轧制等。

另一方面，也有很多机构采用激光反射的光学方法。在利用反射光检测热钢表面褶皱瑕疵时，为了避免来自红热钢材料的自发光的影响，需要用比自发光更高亮度的光源进行照明，同时，此光源的波长范围需要与自发光的波长不同，例如400至500nm或更短的短波长范围。作为这样的光源，一般会采用激光光源，led光源，卤素光源，金属卤化物光源等。然而，在钢材的表面缺陷检测中，需要均匀且适当地照射宽视野。短波长的光源做到这些并不容易的，一般需要多个激光器与相机矩阵对火热状态下的轧钢进行检测。因此，在很多情况下很难通过光的照射与反射看到皱纹瑕疵，并且在很多情况下会发生过度检测，因为设备昂贵以及设备复杂，适用情况受到了很大限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置。

实现本发明目的技术解决方案为，通过光接收传感器，即摄像机，测量高速轧制的热钢材表面热图像，分析该热图像以检测钢材表面缺陷。

本发明使用的同步辐射热钢表面缺陷检测方法，是一种通过传感器测量红热钢的亮度分布，即热图像，并分析热图像以检测钢表面缺陷的方法。当在轧制的钢材中产生诸如裂纹和压皱的表面缺陷时，缺陷部分的温度略微变化并且亮度分布改变，因此通过传感器摄像机测量亮度图像的变化来检测缺陷。

因此该热成像系统结构简单，但是该方法具有以下问题。首先，诸如裂缝之类的小皱纹不会引起明显的温度变化，并且在分析热图像时可能会遗漏。第二个问题，灰尘，水垢，水滴，油的适应性等会从运输的钢材上飞散而掉下来，导致无法将摄像机直接安装在轧制线下方，并且无法检测钢材的下表面。正式由于这些问题，这种热图像型皱纹检测方法没有被广泛使用。

本发明通过装置解决了该热成像方法热点检测方法中的上述问题，不仅可以检测被输送的热轧钢材的整个圆周，而且不会可能遗漏细小的表面缺陷。本发明在钢材通过的预定测量位置处安装传感器摄像机，采集从在输送线上输送的热钢材发射的辐射光，以检测钢材的表面缺陷。设备在该预定测量位置的上游设置冷却除尘装置，在将钢材的被检测部分的整个表面冷却之后，将其运送到测量位置并通过传感器摄像机进行表面缺陷检测。

在上述方法与装置中，冷却装置是使用循环冷水，通过喷嘴，对钢材进行空气-水喷雾冷却，同时进行了除尘。空气-水喷雾冷却适用于均匀冷却较大的冷却表面。此外，由于水汽雾很细，没有水滴痕迹，因此在防止错误检测方面是有利的。

在上述方法与装置，所指的冷却不是完全冷却，而是对检测表面进行恒定的均匀降温，待检测表面降温之后，钢材瑕疵处与健康无瑕疵表面会形成明显的温差，热成像的差别会更加明显，在检测过程中，会大大降低遗漏细小的表面缺陷的风险，于此同时，水喷雾对钢材表面进行了除尘处理。

在上述方法与装置中，在测量位置之前和之后的预定范围内的输送线的四个侧面，有遮光罩对输送线进行覆盖；并且在测量位置处，该罩的至少一个壁表面与钢材输送方向正交，提供沿该方向延伸的狭缝，光接收传感器接收狭缝处的光以检测表面缺陷。

在上述方法与装置中，防止了传感器摄像机被灰尘等污染，摄像机可以安装在生产线的正下方。此外，通过用遮光罩覆盖的四个侧面，可以阻挡成为噪声的光，例如外部照明，并且可以提高热图像的分析精度。

在上述方法与装置中，如果按照热轧带钢线的输送速度为大约5至20米/秒计算，那么空气喷嘴每次喷射与热成像开始采集的时间差为0.5至2.0秒。当从水喷雾冷却到热图像捕获的时间小于0.5秒时，冷却水不蒸发会使整个钢表面的图像变暗。相对的，如果到热图像拍摄为止的时间为2.0秒以上，则冷却水完全蒸发，钢表面会进行热回收，健康部位和瑕疵处的亮度差会减小。

在上述方法与装置中，防尘罩为圆筒状的主体，其前表面的中央具有矩形或狭缝状的开口，其在轴向上设置具有多个开口的多级挡板。圆柱形主体的开口和挡板的开口都阻碍外界的干扰光入射到传感器上，保证传感器只接收来自钢铁的辐射光的光路。在该防尘罩中，筒状主体的侧面上，在接近传感器的位置设置吹扫气体导入喷嘴。一方面，通过在防尘罩内部设置多级挡板，进一步提高摄像机的防污效果，另一方面，通过在防尘罩内部循环吹扫气体，可以进一步提高摄像机的防污效果。

附图说明

图1是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置的实施方案整体透视图。

图2是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置在实施方案中使用的线传感器摄像机的布置的示意截面图。

图3是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置在实施方案中使用的摄像机的结构侧视图和主视图。

图4是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置在实施方案中使用的防尘罩的截面图和主视图。

图5是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置在实施方案中使用的喷嘴的形状和布置的透视图。

图6是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置在实施方案中使用的信号处理系统的结构图。

图7是本发明一种用于检测热轧钢材料表面缺陷的方法和装置在实施方案中扁钢，即宽度100mm，厚度为12mm，钢表面缺陷的热图像示例图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明的实施方案。

结合图1，红色热钢材料1按照箭头x方向由构成由输送线输送至输送辊2。钢材1和输送辊2的整个圆周被遮光罩3覆盖。在图中，箭头a表示测量位置，箭头b表示注水冷却装置位置。在测量位置a，在遮光罩3周围的四个表面上形成狭缝4。从热钢材料1的表面发射的辐射光通过缝隙4被光接收传感器5接收。在图中，未示出遮光罩3的下表面侧和左侧表面上的狭缝和传感器摄像机。防尘罩6安装在线传感器摄像机5的前面。

结合图2，左、右水平摄像机5a和上下垂直摄像机5b对应于具有矩形横截面的钢材1的四个表面布置，并通过遮光罩3的狭缝4接收来自钢材1的发射光。防尘罩6附接到每个摄像机5a，5b的前部。

结合图3，透镜组8布置在线传感器摄像机5的前面，并且它们两者都布置在冷却箱9内部。冷却箱9通过安装脚10固定到支撑基座（未示出）。在冷却箱9的前后表面上设置有凸缘11，从而可以自由地检测和更换内部摄像机5。冷却箱9具有水冷却结构。在冷却箱9的侧面设置有环状的冷却水流路12，从冷却水导入管13进入的冷却水从排出管14排出。圆柱形防尘罩6安装在冷却箱9的前面，以防止灰尘，水滴，油滴等进入冷却箱9。在冷却箱9的前表面上设置有狭缝状的开口部15，从该开口部入射的钢材的放射光被摄像机5接收。开口部15具有与摄像机5的光接收表面相似的形状，其尺寸相同或更大，并且两者的长度方向必须匹配。另外，在防尘罩6的开口20的前方配置有空气吹扫喷嘴16。空气吹扫喷嘴16由狭缝状的吹出部17、吹扫箱18和空气供给管19构成。

结合图4，该防尘罩由圆筒状的主体21和配置在其内部的多级（在本实施方式中为七个）挡板24构成。挡板24在圆筒形主体21的轴向上以大致相等的间隔安装。圆柱形主体21的前表面和挡板24的中心都具有矩形或狭缝形的开口20。两个开口具有基本相同的形状和尺寸，并且形状与摄像机的冷却箱的开口15相似，具有与它们相同或更大的尺寸，并且两个的纵向方向匹配。当从钢材1的被检测部位放射出的辐射光射入线传感器摄像机5的受光面时，其能保证没有干扰光路。在该实施例中，圆柱形主体21的后表面设置有凸缘22，该凸缘22附接到摄像机冷却箱（图3中的9）。在该附接中，将螺栓（未示出）插入到螺纹孔23中。挡板24通过一对彼此连通的支撑柱25附接到凸缘22。另外，在筒状主体21的筒部的凸缘22的附近安装有吹扫空气导入管26，从该吹入空气导入管26导入的吹扫空气从主体的开口部20流出，防止灰尘等侵入。

结合图5与图1，在本实施方式中，使用水汽喷嘴，左右的水汽喷嘴7a的四个喷嘴以及上部的水汽喷嘴和下部的水汽喷嘴7b大致恒定，以使钢材1的四个表面均匀地冷却。距钢表面一定距离。每个喷嘴包括扁平喷嘴主体31，扁平喷嘴主体31在尖端具有狭缝状开口30，以及用于供应空气32和水33的供应管34。水汽喷嘴7安装在注水冷却位置b处，以冷却钢材1的几乎整个四个表面。喷嘴7优选是水汽喷嘴。空气喷水不仅可以实现均匀的冷却，而且在直径数十微米的水滴与钢材表面碰撞时会蒸发并从钢材表面带走热量，从而仅绝热地冷却了一个很薄的表层。

在使用同步辐射法的光学表面缺陷检测方法中，通常通过在轧机机架中注水来冷却钢表面。但是，由于轧制后的钢材在运输过程中会被再加热，这是由于钢材内部的热量往外释放而使外表面被再加热，这会导致的表面明暗明确，从而使得表面缺陷的检测出现误差。本发明采用的方法是将被检测部分的整个表面均匀地冷却到测量位置的上游，然后在经过预定时间之后被传送到测量位置，并且线传感器摄像机接收所发射的光，解决了上述问题。

结合图6，摄像机电源面板35设置在四个线传感器摄像机5附近，并且光缆转换器36和摄像机电源37容纳在电源面板中。从摄像机5通过摄像机电缆38传输的电信号被光缆转换器36转换成光信号，并通过光信号电缆40传输到控制面板41。另一方面，电动变焦镜头安装在摄像机5上，并且变焦镜头由经由摄像机电源电缆39从摄像机电源37发送的电信号控制。计算机42容纳在控制面板41中，分析由光信号电缆40传输的热图像，检测钢表面缺陷，并将其显示在显示器43上。通过以这种方式将热图像作为光信号发送，可以高速发送大量数据，并且可以进一步缩短皱纹检测所需的时间。此外，通过使用电动变焦镜头，检测人员可以确定最适合瑕疵皱纹检测的焦点位置并获取热图像。

作为对热轧带钢热轧生产线进行热轧钢板的表面缺陷检测的实际应用案例之一：在带材热轧机最终机架出口侧的切割机下游安装了一个摄像机。测量位置在切割机下游约6m处，并且从切割机出口到测量位置下游1m范围内的钢筋输送线的整个圆周，由遮光罩覆盖。遮光罩通过将耐热板安装到钢架上制成的。在遮光罩的四个表面上与测量位置相对应的位置处设置有切口。切口设置成与钢筋输送方向正交，其尺寸为50×宽度300mm。作为线传感器相机，使用了basler制造的四台rul1024-57gm型相机。该摄像机被容纳在外径约为190mm的钢制冷却箱（图3中的符号9）中，并且如图1所示，从钢材1的四个表面接收辐射光。摄像机由防尘罩罩住以防止污染。防尘罩是具有约115mm的外径和约500mm的长度的圆柱体，并且在其内部以相等的间隔布置有14个挡板。在圆柱体和挡板的前表面的中心设有一个宽度为15×90mm的矩形开口，以确保入射光到相机的光路。防尘罩的外径和挡板的切口尺寸根据被轧制的钢材的尺寸适当选择。从摄像机到钢表面的距离约为1m。防尘罩的吹扫空气的流量约为50l/min。在测量位置的上游约5m处布置有四个用空气-水喷雾冷却钢材的四个表面的空气-水喷嘴。空气-水喷嘴嘴尖端到钢材的距离为约0.5至0.8m。每个喷嘴的空气/水流速对于空气为约200l/min，对于水为约30l/min。

结合图7，实际应用案例中扁钢（宽度为100×厚度为12mm）上的钢表面缺陷的热图像示例如图7所示。相机的扫描速度为50khz，亮度级别是256级（8字节）的分辨率，宽度方向上的像素数是1024。在图7中，横轴表示像素数，即钢材的宽度方向上的位置，纵轴表示亮度水平。图7的（a）至（d）示出了以恒定的时间间隔连续测量的亮度信号。由于钢材的移动速度为5m/sec，因此，各图表示钢材表面上的距离，即每20mm在宽度方向上的亮度分布。图7(a)是没有瑕疵褶皱的热图像，并且可以看出健康部分的亮度水平为大约200-210。在图7(b)和7(c)中，在宽度方向上的中心附近存在亮度极低的部分，这表明存在表面缺陷。表面缺陷的宽度可以从低亮度部分的宽度测量。此外，可以根据具有皱纹的图像的数量来测量表面皱纹的长度。在图7的实施示例中，由于2至3个图像具有皱纹，所以皱纹的长度估计为40至60mm。图7(d)是没有进行冷水汽处理的检测结果，此钢材实际没有瑕疵，但是因为表面温度不均，亮度线中间部位出现了微微的凹陷，此种情况容易被误判，产生虚警警报。

如上所述，通过本发明的方法自动检测表面缺陷，同时检测员在测量现场目视检测冷却的钢材的表面缺陷，并将两次检测的结果进行比较，即通过本发明的方法进行喷水汽冷却和不存在常规的喷水汽冷却的两种检测结果进行比较，并比较结果。作为研究100根热轧扁钢的结果，其中nt是通过目视检测检测到的表面缺陷的数量，nm是自动检测到的表面缺陷的数量，在传统方法中，nt/nm×100为20％，即识别正确率为20%，虚警率高达80%。在本发明中，识别正确率被提高到90％。此结果证实了通过进行空气-水喷雾冷却的方法，同步加速器辐射的测量，使得表面缺陷的检测误差大大改善。在上述实施例的条件下，在实际操作中在热轧生产线上连续检测热钢表面缺陷10个月。四台传感器摄像机没有任何污染或损坏，也无需任何维护，它仍然可以正常运行。由于提高了缺陷判断的准确性，因此澄清了在炼钢过程中在连铸生产线上出现的坯料边缘裂纹与钢表面缺陷之间的关系，并且可以改善本发明的效果以改善炼钢过程中的质量控制。