如何在千度高温连铸线实现±1毫米级的连铸坯长度精确测量？【非接触自动化检测】

1. 连铸坯的基本结构与技术要求

连铸坯，也就是从连铸机连续浇铸出来的钢水凝固形成的半成品钢材。它就像一个刚刚出炉，还冒着热气的方条、圆棒或者扁平的板材。这些连铸坯在生产线上以一定的速度向前移动，最终会被切割成预设长度的成品或半成品。

连铸坯的“长相”多种多样，主要根据最终产品的需求来定。常见的有方坯（截面是方形）、矩形坯（截面是长方形，通常也叫板坯）、圆坯（截面是圆形）等。无论哪种截面，它们都有几个共同的特点：* 高温: 刚出炉时，表面温度通常在800℃到1200℃甚至更高，很多时候传感器需要直接面对这些高温物体。* 运动: 连铸坯是连续不断地向前移动的，测量需要在运动中进行。* 表面状态复杂: 表面可能不平整，有氧化皮、水蒸气、熔渣、冷却水等，这些都会影响激光或视觉测量的准确性。* 环境恶劣: 除了高温，现场还有大量的铁粉、烟尘、水蒸气，以及可能存在的电磁干扰。

对于连铸坯的长度测量，核心技术要求就是“准”和“快”。* 精准度高: 测量误差要控制在毫米级甚至亚毫米级，因为每一点误差都可能导致后续切割浪费或者产品不合格。* 响应速度快: 连铸坯移动速度快，传感器必须能实时、快速地给出测量结果，才能及时控制切割设备。* 抗干扰能力强: 要能在高温、多尘、多水蒸气等恶劣环境下稳定工作，不受环境因素的干扰。

2. 针对连铸坯的相关技术标准简介

为了确保连铸坯的质量，行业内对它的各种参数都有严格的规定。在长度测量方面，主要关注以下几个参数的定义和评价方法：

• 连铸坯长度: 这是最直观的参数，指连铸坯从头部到尾部的总长度。它的评价方法通常是在切割后进行物理测量，或通过在线传感器实时测量并记录。在线测量的精确度至关重要，它直接决定了切割的精度和材料的利用率。

• 切割公差: 指实际切割长度与目标长度之间的允许偏差范围。例如，目标是10米，如果公差是±5毫米，那么实际长度在9.995米到10.005米之间都是合格的。这个公差范围越小，对测量系统的要求就越高。

• 端部平整度: 连铸坯切割后的端面应尽量平整，不能有明显的凹凸或斜面。虽然这更多与切割设备有关，但精确的长度测量能帮助切割设备在正确的位置下刀，从而保证端部质量。

• 截面尺寸及形状: 除了长度，连铸坯的横截面尺寸（如方坯的边长、板坯的厚度和宽度）和形状（如方正度、圆度）也是重要的质量指标。它们虽然不是直接的长度参数，但有时一些长度测量系统会同时兼顾这些参数的监测，通过对截面轮廓的识别来辅助判断长度。评价方法通常是通过激光轮廓测量仪进行非接触式扫描。

3. 实时监测/检测技术方法

连铸线上要在高温、粉尘弥漫的环境中给高速移动的连铸坯“量身高”（长度），绝非易事。目前市面上有多种非接触式测量技术方案，各有特点。

（1）市面上各种相关技术方案

• 激光时间飞行法（TOF）或脉冲激光测距技术

  想象一下，你在一个巨大的山谷里喊一声，然后根据听到回音的时间来判断山谷有多宽。激光时间飞行法（TOF）的原理就和这个类似，只不过它使用的是光速。

  工作原理和物理基础: 传感器会发射一个非常短的激光脉冲，这个脉冲以光速飞向连铸坯的表面。当激光脉冲碰到连铸坯后，会反射回来，被传感器的接收器接收到。传感器内部的精密计时器会精确地测量激光从发出到接收所经过的时间。由于我们知道光速是一个常数（大约每秒30万公里），那么通过简单的物理公式就能计算出传感器到连铸坯表面的距离。

  公式可以表示为：距离 (D) = (光速 (c) * 飞行时间 (t)) / 2这里的除以2是因为激光走了去和回两次的路程。

  在连铸坯长度测量中，通常不是一个简单的传感器就能完成。我们会部署两个或更多的TOF传感器，或者将TOF传感器与测速装置结合。例如，可以在连铸坯移动路径的起点和终点各安装一个TOF传感器，当连铸坯前端到达第一个传感器时，记录一个时间；当其尾部离开第二个传感器时，再记录一个时间。结合连铸坯的已知或测量的运动速度，就可以推算出其长度。更常见的是在固定点安装一个传感器，当铸坯前端经过时触发一次测量，尾部经过时再触发一次，结合精确的运动速度积分，计算长度。

  核心性能参数的典型范围:* 测量范围: 激光时间飞行法适用于远距离测量，测量范围通常从0.1米到数百米。* 精度: 精度通常在毫米级别，高端系统可以达到更高的精度。* 响应时间/测量频率: 响应时间较快，测量频率通常可以达到几十赫兹到数百赫兹。

  技术方案的优缺点:* 优点: 测量距离远，非接触，对高温物体的适应性较好。其结构相对简单，抗环境光干扰能力较好，在多尘、多蒸汽的环境下通过优化设计和辅助设备（如吹扫气帘）也能保持较好的稳定性。成本相对适中。* 局限性: 测量精度受物体表面反射率、环境中的烟尘浓度和空气扰动等因素影响。对于表面不均匀的物体，可能需要多次测量取平均值。纯粹的TOF测距仪只能测量单点距离，要获取长度需要配合其他信息（如速度）或多个传感器协同工作。

• 激光轮廓测量技术（线激光三角测量）

  想象你用一把激光尺去测量一个物体的形状，这把尺子不是一个点，而是一条线。激光轮廓测量就是这样，它能描绘出连铸坯的“横截面画像”。

  工作原理和物理基础: 传感器会投射出一条线状激光束到连铸坯表面。当这条激光线投射到物体上时，如果物体表面有起伏，这条激光线就会发生变形。一个高速相机或CMOS传感器会从一个特定角度（与激光发射器构成一个夹角）捕捉这条变形的激光线。利用三角测量法的原理，通过几何关系，就可以根据激光线在相机图像上的位置变化，精确计算出物体表面的三维轮廓数据。

  三角测量法的核心是相似三角形原理：tan(theta) = h / D其中，theta是相机与激光器之间的夹角，h是激光点在相机上的偏移量，D是物体到激光器的距离。通过测量h和已知theta，D就可以被计算出来。实际上系统会更复杂，通过对多个点进行计算得到轮廓。

  核心性能参数的典型范围:* 测量范围（高度/宽度）: 测量范围通常在几十毫米到几百毫米，适合测量截面尺寸。* 精度: 精度非常高，一些高端系统可以达到亚微米级别。* 采样速度: 采样速度极快，可达数万次/秒，能高速获取详细轮廓。

  技术方案的优缺点:* 优点: 精度极高，能获取物体完整的横截面轮廓，不仅可以测长度，还能同时检测截面形状、尺寸、表面缺陷等。对环境光和粉尘具有较强的抗干扰能力，通过算法可以处理一定程度的表面形态复杂性。* 局限性: 测量范围相对较小，通常用于局部高精度测量或截面轮廓获取。设备成本相对较高。要实现长度测量，通常需要结合运动速度或在头部和尾部都进行轮廓识别，并且要求铸坯在测量区域内稳定运动。

• 机器视觉技术

  这就像给连铸坯拍了一张高清照片，然后让一个聪明的“大脑”（图像处理算法和人工智能）去分析这张照片，找出你想要的信息，比如连铸坯的起点和终点在哪里。

  工作原理和物理基础: 系统通过高分辨率工业相机捕获连铸坯的图像。这些图像被传输到高性能的处理器中。内置的图像处理算法（可以基于传统的边缘检测、特征提取，也可以是更先进的深度学习算法）能够自动识别连铸坯的精确前后边缘或特定的特征点。根据预先校准的相机参数（如焦距、像素尺寸、安装角度等）和测量区域的几何关系，系统能够将图像上的像素距离转换为真实的物理长度。

  核心性能参数的典型范围:* 分辨率: 分辨率最高可达几百万像素，决定了图像的精细程度。* 处理速度: 处理速度取决于图像处理算法的复杂度和硬件性能，但通常能满足高速在线测量需求。* 精度: 精度为毫米级到亚毫米级，受相机分辨率、标定精度和算法识别能力影响。

  技术方案的优缺点:* 优点: 高度智能化，除了长度测量，还可以同时进行表面缺陷检测、宽度测量、形状监测等多任务处理。在恶劣工业环境下，通过加装防护罩、冷却和吹扫系统，具备出色的鲁棒性。软件平台灵活，易于开发和集成。* 局限性: 对环境光照变化敏感，可能需要额外的补光系统。图像可能受高温热辐射、蒸汽、粉尘等干扰，需要先进的算法和图像预处理技术来克服。初始安装和标定较为复杂。成本通常较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选了几个在连铸长度测量领域有代表性的品牌和它们所采用的技术方案进行对比。

• 日本基恩士

  • 采用技术: 激光轮廓测量技术。

  • 核心参数: 测量精度最高可达±0.5 μm（重复精度），采样速度最高达64,000次/秒。

  • 应用特点和独特优势: 日本基恩士的激光轮廓测量仪以其极高的精度和速度著称，尤其擅长获取连铸坯的精确横截面轮廓。这意味着它不仅能间接用于长度测量（通过识别前后边缘轮廓），还能同时对铸坯的形状、尺寸、平整度进行精细检测。其产品对环境光和粉尘具有较强的抗干扰能力，易于安装和集成到自动化生产线。

• 英国真尚有

  • 采用技术: 激光时间飞行法（TOF）或脉冲激光测距技术。

  • 核心参数: 测量范围0.05至500m，精度±1mm，测量速度高达250Hz，实测最高表面温度为1550℃。

  • 应用特点和独特优势: 英国真尚有的LCJ系列传感器凭借其超远的测量范围和对高温物体的测量能力，在连铸这种重工业环境中展现出强大优势。它能够直接测量高温物体表面的距离，且能保证精度，特别适合远距离的长度检测。同时，其坚固的金属外壳提供IP65级保护，扩展温度范围-40 ... + 60°C，确保了在恶劣工况下的可靠运行。通过多传感器配合或结合速度信息，可以实现对连铸坯的精准长度测量。

• 德国西克

  • 采用技术: 激光时间飞行法（TOF）。

  • 核心参数: 测量范围0.15 m至300 m，重复精度±1 mm，响应时间最快1 ms，测量频率最高达 1 kHz。

  • 应用特点和独特优势: 德国西克作为全球知名的传感器厂商，其TOF激光测距传感器在连铸行业应用广泛。它具备快速响应和良好的重复精度，能满足高速连铸生产线的在线测量需求。产品设计注重在高温、粉尘等恶劣工业环境下的稳定性和可靠性，是远程、非接触式长度测量的成熟选择。

• 美国康耐视

  • 采用技术: 机器视觉技术。

  • 核心参数: 分辨率最高可达5MP，内置深度学习工具，防护等级IP67。

  • 应用特点和独特优势: 美国康耐视的智能相机解决方案是高度智能化的选择。它通过图像识别和深度学习算法，能精确识别连铸坯的边缘，实现长度测量。其最大的优势在于除了长度，还能同时进行表面缺陷检测、宽度测量等多任务处理，提供全面的质量控制。在复杂多变的环境下，其强大的软件平台和鲁棒性算法表现突出。

• 瑞士宝盟

  • 采用技术: 激光三角测量或相位测量法。

  • 核心参数: 测量范围最高可达1500 mm，重复精度最高0.005 mm。

  • 应用特点和独特优势: 瑞士宝盟的激光距离传感器提供极高的测量精度和分辨率，特别适合对长度精度有极高要求的近距离或中距离应用。传感器设计紧凑且坚固耐用，能适应苛刻的工业环境。在作为高精度开关或位移传感器用于精确检测铸坯的前沿和后沿位置时，能表现出卓越的性能。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的测量设备就像是为你的汽车挑选最适合的轮胎，必须考虑路况、速度和预算。以下是一些关键的技术指标和选型建议：

• 测量精度和重复精度:

  • 实际意义: 测量精度指的是测量结果与真实值之间的接近程度，重复精度则是在相同条件下多次测量结果的一致性。它们是衡量传感器性能的核心指标。在连铸生产中，哪怕是几毫米的误差，也可能导致材料浪费或产品不合格。

  • 影响: 精度越高，切割出的连铸坯长度越符合要求，减少废品率，提高材料利用率。

  • 选型建议: 对于对长度精度要求极高的场景（如高附加值钢种），应优先选择微米级精度的激光轮廓测量或高精度机器视觉系统。如果只需要毫米级精度，且测量距离较远，TOF激光测距传感器是经济且可靠的选择。

• 测量范围:

  • 实际意义: 指传感器能够有效测量距离的上限和下限。

  • 影响: 测量范围决定了传感器能否在不接触连铸坯的前提下，从安全距离进行测量，并覆盖整个测量区域。

  • 选型建议: 连铸线通常需要较长的测量距离，尤其是在高温区域，传感器不能离铸坯太近。因此，对于需要长距离测量的应用，TOF激光测距传感器通常是合适的选择。对于局部特征或截面测量，激光轮廓测量仪在较短范围内有优势。

• 测量速度/响应时间:

  • 实际意义: 测量速度指传感器每秒能进行多少次测量（赫兹），响应时间指从测量到输出结果所需的时间。

  • 影响: 连铸坯是高速移动的，如果传感器测量速度慢，可能会错过关键的测量点，导致数据不完整或不准确。

  • 选型建议: 对于高速生产线，应选择测量频率高、响应时间快的传感器。

• 环境适应性（耐高温、防尘、防水）:

  • 实际意义: 连铸现场高温、粉尘、水蒸气是常态，传感器必须能抵抗这些恶劣环境的侵蚀。

  • 影响: 传感器若不具备足够的防护能力，容易损坏、测量数据漂移或失效，增加维护成本和停机时间。

  • 选型建议: 优先选择防护等级达到IP65、IP67甚至更高（如IP69K）的产品，并关注其标称的最高环境工作温度和可测量物体表面温度。在高温环境下，应考虑配备冷却外壳、水冷或气冷系统。在多尘环境中，吹扫气帘和防护窗口是必需的。

  • 例如，英国真尚有的LCJ系列高温激光测距传感器，适用于重工业和户外应用，可以在深色表面（低反射率）上进行测量，即使在有太阳辐射的室外应用中也是如此。且可以测量高温物体表面距离,实测最高表面温度为1550℃。

• 接口类型:

  • 实际意义: 传感器与控制系统（PLC、上位机）通信的方式。

  • 影响: 兼容的接口可以简化集成，降低系统搭建的复杂度和成本。

  • 选型建议: 常见的有RS232/RS485/RS422、以太网、Profibus、Profinet、模拟量输出、数字量输出等。选择与现有控制系统兼容的接口类型。例如，英国真尚有的LCJ系列提供多种串行接口和可编程数字输出，以及高精度模拟输出。

• 成本考量:

  • 实际意义: 设备的采购、安装、维护以及后续校准的总体投入。

  • 影响: 过高的成本可能超出预算，而选择过低成本的设备可能导致性能不稳定或寿命短。

  • 选型建议: 在满足精度和环境要求的前提下，选择性价比最高的方案。TOF测距传感器通常在长距离、中等精度要求下成本效益较高。激光轮廓测量和机器视觉系统虽然初期投入较大，但在需要多参数检测和极高精度时，其综合效益可能更高。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在连铸这种严苛的环境中，即使再优秀的传感器也可能遇到“水土不服”的问题。

• 问题1：高温热辐射和热变形

  • 原因与影响: 高温连铸坯会向四周散发强烈的热辐射，这不仅可能直接损坏传感器内部元件，还会导致传感器外壳或支架发生热变形，影响测量基准的稳定性和精度。空气受热产生对流，会使激光束发生折射和散射，造成测量信号不稳定。

  • 解决方案与预防措施:

    • 传感器本体冷却: 为传感器配备专用的水冷套、风冷罩或涡流管冷却器，确保传感器在其允许的环境温度下工作。

    • 隔热保护: 在传感器与连铸坯之间设置隔热板或导流罩，阻挡大部分热辐射。

    • 选型考量: 选择本身就具有高耐温性能的传感器。

    • 优化安装位置: 尽可能选择远离热源且测量视线不受阻挡的位置。

• 问题2：粉尘、烟雾和水蒸气干扰

  • 原因与影响: 连铸过程中会产生大量的氧化铁粉尘、金属烟雾和冷却水蒸气。这些颗粒或水滴会吸附在传感器光学窗口上，阻挡激光发射和接收，严重时可能完全失效。同时，它们也会散射和吸收激光，导致测量信号衰减和失真。

  • 解决方案与预防措施:

    • 气帘或气刀吹扫: 在传感器光学窗口前设置持续的气帘或气刀，用洁净压缩空气形成一道屏障，防止粉尘和水蒸气接近和附着。

    • 防护窗口: 加装可定期清洁或更换的保护玻璃或石英窗口，保护传感器镜头。

    • 优化算法: 采用具有强大信号处理和滤波能力的传感器或软件算法，提高对弱信号和噪声的识别能力。

    • 选型考量: 选择IP防护等级高、对环境光和粉尘抗干扰能力强的产品。

• 问题3：连铸坯表面状态不均

  • 原因与影响: 连铸坯表面可能存在氧化皮、粗糙度不均、水迹或熔渣附着，这些会影响激光的反射特性，导致信号强度变化，甚至造成测量点漂移。

  • 解决方案与预防措施:

    • 多点测量与平均: 对于单点测量的传感器，可进行多次测量并取平均值，或者采用具有较大光斑尺寸的传感器来覆盖更广的表面区域。

    • 激光轮廓测量: 对于表面形态复杂且需要高精度的场景，激光轮廓测量仪能更好地捕捉整体轮廓，减少局部不均的影响。

    • 高级算法: 机器视觉系统通过图像处理和深度学习算法，可以训练模型识别不同表面状况下的有效边缘。

• 问题4：振动和机械冲击

  • 原因与影响: 连铸线通常伴随着设备的振动和物料冲击，这可能导致传感器安装支架松动、传感器位置偏移，从而影响测量精度。

  • 解决方案与预防措施:

    • 坚固的安装支架: 采用重型、抗震的安装支架，并确保其与地面或结构物牢固连接。

    • 减震措施: 在传感器与支架之间加装减震垫或减震器。

    • 定期校准: 对传感器进行定期的位置和精度校准，及时发现并纠正偏差。

4. 应用案例分享

• 钢板坯连铸线长度测量: 在板坯切割前，安装TOF激光测距传感器测量板坯的精确长度，指导飞剪进行定尺切割，确保板坯长度符合后续轧制要求。

• 方坯/圆坯生产线定尺切断: 将多个激光测距传感器部署在方坯或圆坯的运输路径上，实时监测铸坯前端和尾部位置，结合运行速度，精确计算出切割长度，优化切割方案，减少切头切尾浪费。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，测量范围可达500米，高测量速度（高达250Hz），最高精度±1mm，可以较好的满足需求。

• 高温合金棒材长度控制: 在高温合金棒材连铸过程中，利用激光轮廓测量系统实时获取棒材的截面尺寸和精确长度，为后续的精轧和质量追溯提供数据支持。

• 异形连铸坯长度及形状一体化检测: 采用机器视觉或激光扫描系统，不仅测量异形连铸坯的长度，还能同步检测其横截面形状是否符合设计要求，确保产品几何精度。