一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法与流程

本发明涉及连铸生产领域，尤其是一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法。

背景技术：

在连铸生产中，钢包是连接炼钢工序和浇注工序之间的中间容器，钢包内壁厚度则是钢水温度控制与质量保证的关键因素。钢包最外层为钢壳，内部为耐火材质构成的内衬，内衬分为保温层、永久层和工作层。在实际生产过程中，由于钢包内衬的工作层直接与钢包内的高温钢水、炉渣接触，导致工作层不断受到物理、机械和化学侵蚀，而造成耐火材料的损耗^[1～][2][3]。钢包内壁局部的损耗过大将导致炼钢质量下降，甚至造成安全隐患，进而影响钢铁生产的正常作业^[4,][5]。因此，掌握准确的钢包内壁厚度数据成为保证炼钢质量、安全生产以及节约成本的重要先决条件。

曹英杰等人使用热电偶作为检测元件测量铜冷却壁渣皮和炉衬厚度。该方法测试范围广，但精度和灵敏度低；刘泉等人^[7]将激光测距与自控测量相结合测量转炉炉衬厚度，该方法具有较高的测量精度，但所测距离与侵蚀程度难以准确对应；queyh等人^[8]利用超声波测量高炉厚度，该方法原理简单，但需要将超声波传感器和分级机嵌入炉内，导致维护困难；iseiy等人^[9]采用两个激光传感器分别测量钢包内表面和钢壳外表面，该方法稳定性好，但测量精度低。然而，因生产过程钢包内壁处于高温状态(超过800℃)，同时钢包在各工位间被行车吊装放置，其绝对位置难以固定，导致其壁厚难以测量，目前现场对处于高温工作的流转过程的钢包壁厚仍采用人工估算方法，无法保证准确性。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法，钢包口的一侧设有激光测距仪，钢包底部的一侧设有两个激光传感器，两个激光传感器分别为第一激光传感器和第二激光传感器，激光测距仪固定在三维旋转平台上；

每次吊装放置的钢包，将产生前后偏移和水平偏转角，同时因吹扫工艺需要，钢包底部高于钢包口，包口和包底轴向与水平面夹角为α(钢包放置支座固定)。第一激光传感器和第二激光传感器分别获得钢包底部两个被测量点距离分别为l1和l2。则认为钢包底部平面相对于参考平面偏移为ld，同时亦可得出钢包底部平面偏移角θ。

式中：d为第一激光传感器和第二激光传感器之间的垂直距离。

上述的一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法，建立2个坐标系，分别为测量坐标系m和钢包坐标系s，m坐标系以激光测距仪初始位置(水平放置)中心为测量坐标原点o'，平行于激光传感器平面的水平方向为x轴，激光光线方向为y轴，竖直方向为z轴。s坐标系以钢包外壁底部圆心为坐标原点o，垂直底部平面方向为y轴，钢包底面竖直向方向为z轴，钢包底面垂直z方向为x轴，m坐标系的x、y、z轴分别用xm、ym、zm表示，坐标用(xm,ym,zm)表示；

s坐标系的x、y、z轴分别用xs、ys、zs表示，坐标用(xs,ys,zs)表示。显然，若要最终获得钢包内壁各点厚度，即需将m坐标系中的激光对钢包内壁点的测距坐标转换到s坐标系中。

上述的一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法，在测量工位上，仅钢包偏移ld和偏移角θ会产生改变，其他位置坐标参数已知，经离线标定，激光测距仪初始位置中心相对于钢包外壁底部圆心的偏移分别为x0，z0，激光测距仪初始位置中心与定位参考平面的距离为l，而ld和θ又可由定位系统测得。故，钢包和测量系统的相对位置可确定。假设扫描激光的水平和竖直偏角分别为β和

钢包坐标系和激光测量坐标系之间存在平移变换和旋转变换，m坐标系原点o'相对s坐标系的位移为m坐标系相对s坐标系的姿态为则m坐标系的点和s坐标系的点之间有以下关系：

式中：ps为s坐标系坐标；pm为m坐标系坐标。

上述的一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法，具体坐标系变换运算为：

根据公式(3)即可实现测厚系统坐标系中的数据到钢包坐标系的转换，获得钢包壁厚信息；

假设某被测点垂直高度距离钢包底部高度为h，则过该点的钢壳半径r为：

式(4)中：rb为钢壳底部半径；rt为钢壳顶(口)部半径；h为钢包高度。

上述的一种基于激光定标测距的连铸钢包壁厚测量方法，若被测点在钢包坐标系中的坐标为(x,y,z)，则可计算出该点的钢包壁厚为：

式中：γ为钢包壁坡度角。

本发明的有益效果为：本专利针对钢铁冶金现场测量钢包壁厚难的问题，提出了一种激光定位测距的连铸钢包壁厚测量方法，采用三个激光传感器定标与测距的方式确保了测量精度；利用定位激光确定被测钢包所处的空间位置，再由执行机构带动的测量激光扫描钢包内壁面以获取钢包内壁各点的坐标；建立测量坐标系和钢包坐标系，再根据定位关系将测量坐标系数据映射至钢包坐标系，即钢包壁厚信息，实现钢包壁厚测量。

现场实验表明，本专利方法壁厚测量最大误差5.2mm，最小误差2.6mm，平均误差3.6mm，测量精度较高，重复性好，满足实际生产要求，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明钢包壁厚测量系统的示意图；

图2a为本发明钢包与激光测量坐标关系的实物关系图；

图2b为本发明钢包与激光测量坐标关系图；

图3为新钢包壁厚测量图；

图4为运转15次钢包壁厚测量图；

图5为运转33次钢包壁厚测量图；

图6为运转52次钢包壁厚测量图。

具体实施方式

若要测量使用周转中的钢包内衬壁厚，应在钢包为未装钢水且放置于位置相对固定的工位上进行测量。因所有在线使用钢包在浇注完后需要到热修工位进行底吹和内壁吹扫，此时钢包横向放置在相对固定的支座上，将热修工位作为壁厚测量工位。

本文壁厚测量系统组成如图1所示。壁厚测量系统由定位激光、测量平台、测量激光及数据计算与主控模块等构成。由于每次浇注完的钢包被行车吊装回到热修工位不能保证钢包放置的绝对位置不变，因此定位激光用以实现钢包位置的定位；测量激光由测量平台旋转扫描钢包内壁获取距离数据，数据计算与主控模块则将距离数据转成壁厚数据；

具体为，钢包1的钢包口的一侧设有激光测距仪2，钢包1底部的一侧设有两个激光传感器，两个激光传感器分别为第一激光传感器3和第二激光传感器4，激光测距仪2固定在三维旋转平台5上；

本壁厚测量方法具体流程与原理如下：

(1)钢包位置定位。定位激光由两个平行于水平面对称安装的激光传感器组成，即为第一激光传感器3和第二激光传感器4，将定位激光所在且与水平面垂直的面视为定位参考平面，定位激光分别获取钢包底部平面的两点与定位参考面的距离；并根据该两点距离值得出钢包底部平面相对于定位参考平面的定位偏移和定位偏移角，因此可确定钢包的定位坐标。

(2)钢包内壁扫描测距。三维旋转平台5是能执行水平和垂直方向旋转的机构，平台底座水平面安装，激光测距仪2安装于三维旋转平台5上。需要说明的是，三维旋转平台5属于市面现有的机械设备，可以采购取得，三维旋转平台5的结构在本文不做描述，因此，三维旋转平台5能测水平角、竖直角和距离，即利用三维旋转平台5测量钢包内壁测点的空间坐标。在壁厚测量时，三维旋转平台5对钢包内壁面进行扫描，获取各被测点与测量激光点的距离数据，从而获取钢包内壁面各点相对旋转支点测量距离与测量偏移角。

(3)壁厚数据映射还原。为了获得钢包内壁各点厚度，必须将激光测量数据转换到钢包坐标系中。分别建立测量坐标系和钢包坐标系，根据离线标定的位置参数和定位激光获得的位置参数，将钢包内壁各点的测量距离与测量偏移角映射到钢包坐标系，完成三维数据映射，转换成钢包壁厚坐标信息。再将每个浇次的钢包与初始钢包壁厚信息对比，从而获得钢包内壁侵蚀分布信息。

测量方法实现

3.1坐标系建立

在测量工位上，定位系统和测量系统被安装在固定位置，二者相对位置固定不变，空间关系可离线标定。而每次吊装放置的钢包，将产生前后偏移和水平偏转角，同时因吹扫工艺需要，钢包底部高于钢包口，包口和包底轴向与水平面夹角为α(钢包放置支座固定)。定位激光传感器1和定位激光传感器2分别获得钢包底部两个被测量点距离分别为l1和l2。则认为钢包底部平面相对于参考平面偏移为ld，同时亦可得出钢包底部平面偏移角θ。

式中：d为激光传感器1和激光传感器2之间的垂直距离。

3.2三维重建原理

为构建钢包壁厚场，本文建立2个坐标系，分别为测量坐标系m和钢包坐标系s(如图2a,图2b所示)。m坐标系以激光测距仪初始位置(水平放置)中心为测量坐标原点o'，平行于激光传感器平面的水平方向为x轴，激光光线方向为y轴，竖直方向为z轴。s坐标系以钢包外壁底部圆心为坐标原点o，垂直底部平面方向为y轴，钢包底面竖直向方向为z轴，钢包底面垂直z方向为x轴，坐标系示意图如图2所示。为了区分，m坐标系的x、y、z轴分别用xm、ym、zm表示，坐标用(xm,ym,zm)表示；s坐标系的x、y、z轴分别用xs、ys、zs表示，坐标用(xs,ys,zs)表示。显然，若要最终获得钢包内壁各点厚度，即需将m坐标系中的激光对钢包内壁点的测距坐标转换到s坐标系中。

在测量工位上，仅钢包偏移ld和偏移角θ会产生改变，其他位置坐标参数已知。经离线标定，激光测距仪初始位置中心相对于钢包外壁底部圆心的偏移分别为x0，z0，激光测距仪初始位置中心与定位参考平面的距离为l。而ld和θ又可由定位系统测得。故，钢包和测量系统的相对位置可确定。假设扫描激光的水平和竖直偏角分别为β和由以上参数可知，钢包坐标系和激光测量坐标系之间存在平移变换和旋转变换，m坐标系原点o'相对s坐标系的位移为m坐标系相对s坐标系的姿态为则m坐标系的点和s坐标系的点之间有以下关系：

式中：ps为s坐标系坐标；pm为m坐标系坐标。

具体坐标系变换运算为：

根据公式(3)即可实现测厚系统坐标系中的数据到钢包坐标系的转换，获得钢包壁厚信息。

钢包由固定形状的钢壳和砌筑的内衬构成。由于钢壳在钢包的周转周期中几乎不会发生形变，且钢壳与内衬是紧密贴合的，因此只要将钢壳半径减去内衬半径，即可得到钢包内衬的厚度。同时将测量所得钢包内衬厚度与标准新铸钢包内衬厚度对比，即可获取钢包内衬侵蚀分布情况。

假设某被测点垂直高度距离钢包(钢壳)底部高度为h，则过该点的钢壳半径r为：

式(4)中：rb为钢壳底部半径；rt为钢壳顶(口)部半径；h为钢包高度。若被测点在钢包坐标系中的坐标为(x,y,z)，则可计算出该点的钢包壁厚为：

式中：γ为钢包壁坡度角。

现场应用

4.1测量模式

本文系统设置了3种测量模式：连续测量、区域测量和单线测量。连续测量为测量主要测量模式，即为面扫描，该扫描模式是根据预先配置规划参数(水平角、俯仰角初始角度和扫描角范围)进行测量，无人工干预；区域测量为对感兴趣区域，根据所设定得区域测量范围角(水平角和俯仰角)大小进行针对性测量；单线测量则进行一次水平旋转的单次路径测量。根据现场温度和测量工位等情况，装置放置在离钢包3-5m的距离。为了让系统稳定工作，测厚系统还配备了工业空调降温与环境温度测量报警等装置，达到保护的目的。

4.2实验与分析

为了测试激光测厚系统的可用性，在某钢铁厂对新钢包和不同周转次数的钢包进行了现场测试，并通过人工比对验证钢包壁厚。该现场的新钢包的结构参数为：包口外径：3560mm；包口内径：2827mm；包底外径：3411mm；包底内径：2699mm；高度：4150mm。罐壁镁碳渣线砖厚度：200mm；铝镁碳罐衬砖厚度：150mm；罐底砖：300mm。

新钢包测量和周转分别为15次，33次，52次钢包的壁厚测量曲线分别如图3-6所示。激光测量数据与人工验证(等待钢包冷却)数据对比结果如表1所示；

表1实验与人工验证对比(mm)

t

如图4所示，对于新钢包，本文方法测量获取的壁厚曲线整体平滑，与人工验证对比，出现相对大的偏差在左侧渣线位置，包底以及右侧中间位置的曲线部分偏差在4mm范围内。由图5-6所示的钢包周转过程测试对比可以看出，在运转过程本文测量方法与人工验证最大误差5.2mm，最小误差2.6mm，平均(绝对)误差3.6mm，达到较高测量精度，满足生产需求。

本文针对钢铁冶金现场测量钢包壁厚难的问题，提出了一种激光定位测距的连铸钢包壁厚测量方法，采用三个激光传感器定标与测距的方式确保了测量精度；利用定位激光确定被测钢包所处的空间位置，再由执行机构带动的测量激光扫描钢包内壁面以获取钢包内壁各点的坐标；建立测量坐标系和钢包坐标系，再根据定位关系将测量坐标系数据映射至钢包坐标系，即钢包壁厚信息，实现钢包壁厚测量。

现场实验表明，本文方法壁厚测量最大误差5.2mm，最小误差2.6mm，平均误差3.6mm，测量精度较高，重复性好，满足实际生产要求，具有较好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。