专利名称：焦炭气孔粗糙度的测定方法
技术领域：
本发明涉及焦炭气孔粗糙度的测定方法，属于炼焦应用炭相学技术领域。
背景技术：
在传统炼铁生产中，焦炭在高炉内的主要作用之一是作为料柱骨架，因而强度成为评价高炉焦炭性能的重要参数之一。作为多孔的焦炭，其气孔结构与焦炭的强度有着密不可分的联系，这种结构与性能之间的关系对指导实际生产尤其是配煤有着重要的现实意义。但在高炉焦炭领域，虽然针对焦炭的气孔结构特征做了一些研究，设定了诸如气孔率、平均孔径(大小)、孔壁厚度和气孔形变度等参数，但这些参数与焦炭性质未能建立很好的相关性，对实际生产的应用意义有限。
近年来，在多孔材料气孔结构的分析研究方法上，普遍采用图像分析法，该分析法基于几何学、体视学理论，是从材料二维截面上获得的普适参数来描述立体结构。这些图像分析系统主要由图像拾取和图像分析两大系统构成，前者由光学镜头、扫描台、存储设备等硬件组成，后者主要是指用于图像处理和分析计算的软件。对于前者，光学显微镜和扫描台一般都是容易获取的，而后者，各个图像分析仪有其自行开发的软件系统。鉴于图像分析的这个特点，有多家研究机构和大学在现有硬件(图像拾取)设备的基础上，自行开发或是利用现有的图形软件来完成图像处理和显微组织定量分析的工作。有人特别针对焦炭开发了气孔结构定量分析系统，根据焦炭气孔结构的特点，结合传统的算法，开发了新的算法程序，成为用于分析孔结构参数的软件雏形；但是由于开发的年代较早，计算机硬件还比较落后，受处理芯片、内存容量和图形加速卡所限，该系统的处理能力十分有限，尤其不能胜任高分辨率图像的处理。
另一方面，传统的图像分析法是用测试线测量的方法，通过分析在截面上测试线和气孔截面相截的长度和数量来确定气孔的平均孔径，通过测试线和气孔壁相截的长度和数量来确定气孔壁的平均厚度。早期用人工方法分析时，由于测试线间距不可能做的很小，因此大量直径小于该间距值的气孔将有可能被遗漏；换言之，气孔在截面上截出的断面尺寸越小，被测试线截出的概率越小。在有限次数的测量中，小气孔经常不能在截面上反应出来，使得测量的气孔数量偏低。
发明内容本发明的目的在于提供一种焦炭气孔粗糙度的测定方法，该测定方法通过对表征焦炭微观结构的气孔粗糙度参数测定，可对高炉用焦炭的强度性质进行有效的预判。
本发明是这样实现的一种焦炭气孔粗糙度的测定方法，其包含下列步骤(1)取样，在焦炭轴向上的中线位置处切取焦块截面试样；(2)图像拾取，用带数字输出的光学显微镜在计算机上通过图像软件抓取焦炭二维截面的灰阶图；(3)图像处理，将所获得的二维图像转化为黑白二值图，对由于焦炭中反射率较低的矿物质得到的气孔进行填充修正，对断裂气孔壁进行修复，使得二维图像接近焦炭本来的面貌；(4)气孔粗糙度计算，测量和计算图像上每个气孔的面积A和周长P，进而计算气孔的圆度C；为每个气孔拟合一个椭圆，再计算该椭圆的圆度C椭圆，则气孔粗糙度C’为两者之比；(5)焦炭气孔粗糙度计算，计算所有气孔的粗糙度，取平均值即得到焦炭试样的气孔粗糙度 上述的焦炭气孔粗糙度的测定方法，所述从二维图像转化为黑白二值图，首先通过对图像进行滤波降噪，接着确定阀值将灰阶图分割为黑白二值图，再使用图像处理程序中的腐蚀后膨胀操作使焦炭气孔之间有更好的分离。
本发明包含两个方面第一个方面是获取焦炭二维截面的图像并进行图像处理以获得可用于计算的数字图像；第二个方面是从所述数字图像上计算得到焦炭气孔的粗糙度参数。焦炭的气孔结构与焦炭的强度有着密不可分的联系，这种结构与性能之间的关系对指导实际生产尤其是配煤有着重要的现实意义。本发明通过对表征焦炭微观结构的气孔粗糙度参数测定，揭示该参数与焦炭强度之间具有良好的相关性，从而对高炉用焦炭的强度性质进行有效的预判。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为二维焦炭截面的取样示意图；图2为焦炭原始照片；图3为经过转换、过滤和分割后的图像；图中箭头A、B分别表示断裂的气孔壁和分割缺陷；图4修正后的图像；图中箭头所指处分别表示对断裂孔壁的修补和对分割缺陷的弥补；图5为每个气孔所拟合的椭圆示意图；图6为焦炭的气孔粗糙度与冷强度之间的关系示意图。
具体实施方式
一种焦炭气孔粗糙度的测定方法，包含下列步骤(1)二维焦炭截面的获取高炉焦炭具有从焦头到焦尾疏密度渐变的特点，为使所有待测焦炭块样具有可比性，选取直径约为50mm、包含从焦头到焦尾的完整焦块，如图1所示，在其轴向方向的1/2长度位置处并垂直于轴线切割，获得二维焦炭截面，同时确保该位置的焦块截面有40mm×40mm的可测量面积。经过机械磨抛、清洗以及干燥等一系列处理，获得用于显微镜观察的焦炭块光片。
(2)图像拾取图像拾取使用配备有数字摄像头的光学显微镜，显微镜与带有图像采集卡的计算机相连，以计算机的显示器作为显微镜的显示终端，并用相应的图形软件抓取焦炭切面图片并以数字格式储存下来。
焦炭块光片固定于扫描台上，显微镜放大倍数选取50倍。摄像头的分辨率为2088pix×1552pix，每幅图像的实际大小为2784μm×2069μm，因此扫描步长为横向3mm，纵向2mm。为保证最后结果的普遍性，参考惯例，对焦块每处截面抓取累积不少于1200mm2总面积的光片图像，即所抓取的图片将不少于200张。
(3)图像处理和气孔测量图像处理采用计算机完成，图像处理和计算使用的软件为ImageJv1.30k图形处理软件。以实施例1的孙村焦炭试样的一张照片为例来具体说明图像处理的过程，图2为其原始图像。所抓取的原始焦炭图片为256阶灰度图(8-bit图)。
首先对图像进行降噪处理，在本发明中采用中值滤波(MedianFilter)，其优点是在过滤噪声的同时，还能很好的保护边缘轮廓信息。
而后进行图像分割。图像分割是要将256阶灰度图转变为仅有黑(灰度值为0)和白(灰度值为1)两种颜色构成的所谓二值图。这一过程通过选取适当的灰度阀值(Threshold，亦称作门限)来实现的，可将超过阀值部分的灰度重新分配以最大灰度值1(即白色)，而低于阀值的部分则分配以最小灰度值0(即黑色)。在焦样的灰度图中，亮的部分为焦炭基质，暗的部分为孔洞，在调整阀值时，把图像的背景(即焦炭孔洞)转变为黑色，而把焦炭基质转变为白色，这样得到的图像就成了黑白二值图。在具体分割时，通过对分割前后照片的反复对照比较，确定最佳的阀值范围，该阀值范围在80～120，并根据具体图像调节。最后，再进行两次打开(Open)操作，即腐蚀(Erode)后膨胀(Dilate)，目的在于使毗邻的孔隙能够得到更好的分离。经过以上处理后的图像如图3所示。
接着对有明显缺陷的图像进行修正。经过与原始图像的对比后发现，图像缺陷的来源主要有两个，一个是气孔壁的断裂，另一个是图像分割效果不理想。
焦炭在切片和磨制过程中，由于其某些气孔壁非常薄，不可避免的产生断裂。反映在焦炭显微图片上，就是部分气孔壁的缺失，如图3中A处所示。这种缺失可能造成的后果是，某些气孔面积增大，而整个图像中的气孔数量减少，从而对后面的计算造成不良影响。用画线功能(Draw)可以方便的修补断裂的气孔壁。
焦炭含有不少矿物组分，其反射率一般较低，在显微镜观察下呈暗色，灰度也与背景(气孔)的灰度相接近。在不损失其他图像细节的前提下，阀值分割很难使矿物组分与气孔得到很好的分离，而更容易把它划作气孔，如图3中B处所示。对于这种缺陷，修正的办法是用寻边工具(Wand)选定矿物质的边缘范围，而后用填充工具(Fill)将选定区域以白色(代表焦炭基质)填充。修正后的焦炭图像如图4所示。
(4)对处理后的图像进行气孔粗糙度计算首先测量并计算出每个气孔的面积A和周长P。测量是以图像中的每个黑色像素聚集区(即每个气孔)作为单位测量对象进行测量和计算。其中，孔面积A的测量是通过计算相邻黑色象素总数并折合成实际面积获得的，周长P是以气孔周边像素的数目并折合成实际长度获得的。针对焦炭，在测量时对于直径大于2mm的超大孔和小于18μm的微孔予以剔除。根据每个气孔的面积A和周长P，利用公式(1)计算出气孔的圆度C。
C=4πAP2---(1)]]>接着为每个气孔拟合一个椭圆，如图5所示，并获得该椭圆的主轴和副轴长。同样用公式(1)计算该椭圆的圆度C椭圆。最后根据公式(2)计算气孔粗糙度C’。
粗糙度的几何意义是气孔的圆度与气孔当量椭圆的圆度之比，由于圆度是反应气孔接近于圆的程度，其与为气孔所拟合的椭圆圆度的比值则反映出气孔边缘的粗糙程度。对每个试样所有气孔的粗糙度取平均值即得到该焦炭试样的气孔粗糙度 粗糙度数值越大(越接近1)，表明气孔壁越光滑。
实施例通过对国内20种不同焦炭样品测定了其冷强度(DI15015)和气孔粗糙度，结果如表1所示。
表120种焦炭样品DI15015强度和气孔粗糙度测定结果
用粗糙度对冷强度DI15015作图，如图6所示，图中的曲线为拟合线。从图中可见，焦炭气孔粗糙度与其强度之间有较好的相关性，即粗糙度越大(越接近1)，焦炭的冷强度DI15015越大。
本发明通过对表征焦炭微观结构的气孔粗糙度参数测定，揭示该参数与焦炭强度之间具有良好的相关性，从而对高炉用焦炭的强度性质进行有效的预判。
权利要求
1.一种焦炭气孔粗糙度的测定方法，其特征是包含下列步骤(1)取样，在焦炭轴向上的中线位置处切取焦块截面试样；(2)图像拾取，用带数字输出的光学显微镜在计算机上通过图像软件抓取焦炭二维截面的灰阶图；(3)图像处理，将所获得的二维图像转化为黑白二值图，对由于焦炭中反射率较低的矿物质得到的气孔进行填充修正，对断裂气孔壁进行修复，使得二维图像接近焦炭本来的面貌；(4)气孔粗糙度计算，测量和计算图像上每个气孔的面积A和周长P，进而计算气孔的圆度C，C=4πAP2;]]>为每个气孔拟合一个椭圆，再计算该椭圆的圆度C椭圆，则气孔粗糙度C’为两者之比；(5)焦炭气孔粗糙度计算，计算所有气孔的粗糙度，取平均值即得到焦炭试样的气孔粗糙度
2.根据权利要求1所述的焦炭气孔粗糙度的测定方法，其特征是从二维图像转化为黑白二值图，首先通过对图像进行滤波降噪，接着确定阀值将灰阶图分割为黑白二值图，再使用图像处理程序中的腐蚀后膨胀操作使焦炭气孔之间有更好的分离。
全文摘要
本发明公开了一种焦炭气孔粗糙度的测定方法，其包含下列步骤(1)取样；(2)用带数字输出的光学显微镜在计算机上通过图像软件抓取焦炭二维截面的灰阶图；(3)将所获得的二维图像转化为黑白二值图，并对有缺陷气孔和断裂气孔壁进行修正；(4)测量和计算图像上每个气孔的面积A和周长P，进而计算气孔的圆度C；为每个气孔拟合一个椭圆，再计算该椭圆的圆度C
文档编号G01B11/30GK1979089SQ20051011098
公开日2007年6月13日 申请日期2005年11月30日 优先权日2005年11月30日
发明者吴信慈, 杨俊和, 胡德生, 房永征, 曹银平, 金宝, 沈风雷, 徐志栋 申请人:宝山钢铁股份有限公司, 上海应用技术学院