如何在1000℃-1500℃高温连铸坯生产中，实现毫米级精度的非接触式在线尺寸测量？【钢铁自动化检测 质量控制】

1. 连铸坯的基本结构与技术要求

连铸坯，顾名思义，是经过连续铸造工艺生产出来的钢坯。它在钢铁生产流程中扮演着承上启下的角色，是进一步轧制成钢板、型钢、线材等最终产品的半成品。

从结构上看，连铸坯主要有方坯、矩形坯（板坯）和圆坯等几种基本形状。在连铸过程中，液态钢水在结晶器内凝固形成一个带有薄壳的铸坯，然后被拉出结晶器，在二次冷却区继续冷却凝固，最终被切割成所需长度。

对连铸坯的尺寸测量，其技术要求极高：

• 高温环境： 连铸坯在测量区域的表面温度通常高达1000℃到1500℃，这要求测量设备必须具备极佳的耐高温性能或配备有效的冷却保护系统。就像在熊熊燃烧的火炉边测量一个滚烫的物体，普通设备根本无法承受。

• 非接触式： 铸坯处于炽热状态且在高速移动，任何接触式的测量方式都不可行，甚至会损坏铸坯表面或测量设备。

• 高精度： 铸坯的尺寸精度直接影响后续轧制工序的产品质量和收得率。即使是毫米级的误差，也可能导致后续产品报废。

• 实时性： 生产线是连续且高速运行的，测量必须是实时的，以便及时反馈给生产控制系统进行调整，确保生产过程稳定。

• 恶劣环境： 连铸车间往往伴随着大量的蒸汽、烟雾、灰尘和震动，这些都对传感器的可靠性和测量稳定性构成了严峻挑战。

2. 连铸坯相关技术标准简介

针对连铸坯的尺寸质量，行业内通常会关注并评估以下几个关键参数：

• 长度： 指切割后铸坯的准确长度。这关系到后续工序的定尺生产和材料利用率。评价方法通常是测量实际长度与设定目标长度之间的偏差，以及批次内长度的一致性。

• 宽度： 指铸坯横截面的宽度尺寸。对于矩形坯（板坯）而言尤其重要，它直接决定了最终轧制产品（如钢板）的宽度。评价方法包括测量宽度偏差、沿长度方向的宽度均匀性、以及铸坯两侧边的平行度。

• 厚度： 指铸坯横截面的厚度尺寸。同样是保证后续轧制产品厚度均匀性的关键参数。评价方法是测量厚度偏差、沿宽度方向的厚度均匀性。

• 断面形状： 除了长、宽、厚这些基本尺寸，铸坯的横截面形状是否方正、有没有鼓肚、内凹、菱变等缺陷，也至关重要。例如，如果板坯断面出现明显的鼓肚，就像一个原本平整的方块中间凸起，那么在后续轧制时就可能导致轧制力不均，甚至出现裂纹或表面缺陷。断面形状的评价通常通过获取铸坯轮廓数据，与标准轮廓进行比较，分析其几何变形量。

3. 实时监测/检测技术方法

连铸坯的非接触式精准测量，是集合了光学、电子、计算机技术等多种先进手段的复杂工程。目前市面上主流的技术方案各有千秋，适用于不同的测量需求和现场环境。

(1) 市面上各种相关技术方案

激光测距测量（飞行时间法/相位差法）

想象一下，你站在一个巨大的仓库里，想知道对面墙壁的距离。你可能会大喊一声，然后用秒表测量声音从发出到听到回声的时间。声音传播得越快，回声回来得越早，距离就越近。激光测距传感器的工作原理与此类似，只不过它用的是光速极快的激光束来完成这个“喊话和听回音”的过程。

这种技术主要有两种实现方式：

• 飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）：

  • 工作原理： 传感器发射一个极短的激光脉冲，该脉冲以光速（约每秒30万公里）前进，碰到连铸坯表面后反射回来。传感器内部的高速计时器精确地测量从激光发射到接收到反射光脉冲之间的时间间隔。

  • 物理基础： 光在介质中传播的速度是恒定的。因此，距离可以通过简单的公式计算： 距离 = (光速 * 飞行时间) / 2 这里的除以2是因为激光走了去程和回程两段距离。

  • 类比： 就像一个精准的计时员，在激光“跑”过去再“跑”回来的瞬间，记录下它的“跑步时间”。时间越短，距离越近。

• 相位差法：

  • 工作原理： 传感器会发射一束经过调制的连续激光（例如，激光的亮度或强度以特定的频率周期性变化）。当这束调制激光反射回来后，传感器会比较反射光和原始发射光之间的“相位”差异（可以理解为波形的起伏位置错开了多少）。

  • 物理基础： 激光波形经过一段距离传播后，其相位会发生变化。通过精确测量这个相位变化量，结合激光的调制频率和光速，就可以计算出距离： 距离 = (相位差 / (2 * π * 调制频率)) * 光速 / 2 这里的相位差通常以弧度表示。

  • 类比： 想象一下，你和朋友同时开始荡秋千，如果你们的荡秋千节奏完全一样，相位就是同步的。但如果朋友荡的秋千比你远，他回来的时候会比你晚一点点，你们的节奏就会错开一个“相位差”。传感器就是通过测量这个“错开的程度”来判断距离。

• 核心性能参数：

  • 测量范围： 激光测距传感器的测量范围较广，从几厘米到数百米不等。

  • 测量精度： 激光测量精度一般为±1mm~±5mm，优质的系统可以达到更高的精度。

  • 测量速度： 测量速度较快，一些型号可以达到数百赫兹的测量频率，可以满足快速移动物体的测量需求。

  • 耐高温： 部分激光测距传感器通过特殊设计，可以测量高温物体表面。

• 优缺点：

  • 优点： 非接触测量，避免损伤被测物体；测量范围广，可以安装在远离高温环境的位置；测量速度快，适用于高速生产线。

  • 缺点： 测量结果易受被测物体表面反射率以及环境因素的影响，需要多个传感器协同工作。

X射线测厚技术

• 工作原理： 就像医院里的X光机，X射线具有很强的穿透力。系统发射X射线穿透连铸坯，接收器测量穿透后的X射线强度。铸坯的厚度越大，X射线被材料吸收的就越多，穿透过去的X射线强度就越弱。

• 物理基础： 依据X射线吸收定律，即I = I0 * e^(-μρx)。其中，I0是入射X射线强度，I是穿透后的X射线强度，μ是材料的质量衰减系数，ρ是材料密度，x就是铸坯的厚度。通过测量I和I0，并已知材料的μ和ρ，就可以精确计算出厚度x。

• 核心性能参数：

  • 测量范围： 典型值5毫米至400毫米。

  • 测量精度： 优于±0.1%测量值，精度非常高。

  • 响应时间： 通常小于10毫秒，响应速度快。

• 优缺点：

  • 优点： 测量精度极高，稳定性强，不受铸坯表面温度、氧化皮、水蒸气、烟雾等恶劣环境条件的干扰，测量结果可靠性极佳，是厚度测量的理想选择。

  • 缺点： 只能测量厚度，无法测量宽度、长度和形状；设备成本高昂，且涉及到X射线辐射，需要严格的安全防护措施和专业操作人员；通常需要对传感器头部进行冷却。

线激光轮廓测量技术

• 工作原理： 这种技术就像是用一束激光“画”出铸坯的侧面轮廓。传感器投射一条细长的激光线到连铸坯表面，由于铸坯表面可能不平整，这条激光线在表面上会产生一个弯曲的轮廓。一个高分辨率的图像传感器（例如CMOS相机）从一个特定角度拍摄这条变形的激光线。

• 物理基础： 运用光学三角测量原理。通过精确的几何关系，根据图像中激光线的位置和形状变化，计算出激光线上每个点的三维坐标，从而重构出铸坯的完整截面轮廓。更高级的还有共聚焦原理，精度更高。

• 核心性能参数：

  • 测量精度： 可以达到微米级（±0.1微米至±20微米），精度非常高。

  • 采样速度： 超快，可达每秒128,000次，能够捕捉高速运动铸坯的精细变化。

  • 测量点数： 单次测量可获取数千个点的轮廓数据。

• 优缺点：

  • 优点： 能够实时获取铸坯的完整横截面轮廓数据，不仅能计算宽度、厚度，还能分析断面形状的缺陷；测量精度高，速度快。

  • 缺点： 测量距离相对较短，通常需要靠近铸坯安装；对铸坯表面的反射率和环境中的水蒸气、烟雾有一定要求；设备成本较高。

机器视觉测量技术

• 工作原理： 机器视觉系统就像给生产线安装了一双“慧眼”。它通过一个或多个高性能工业相机，对连铸坯进行高分辨率图像采集。然后，利用内置的或外部的图像处理软件和人工智能（AI）算法，对这些图像进行深度分析。算法能够自动识别铸坯的精确边缘、特征点，并基于这些信息计算出其长度、宽度、形状等尺寸参数。

• 物理基础： 基于数字图像处理、模式识别、边缘检测、特征提取和几何测量等计算机视觉算法。

• 核心性能参数：

  • 图像分辨率： 可达数百万像素，提供丰富的细节信息。

  • 处理速度： 高性能处理器支持毫秒级图像处理和分析。

  • 测量精度： 可达亚像素级精度，具体取决于相机分辨率和系统校准。

• 优缺点：

  • 优点： 功能强大且灵活，除了精确的尺寸测量，还能同时进行表面缺陷检测、质量控制等多种任务，实现一机多能；通过软件编程可以适应不同的测量需求；可支持多相机协同工作，覆盖大尺寸测量。

  • 缺点： 受环境光照条件、铸坯表面状况（如氧化皮、水雾、反光）影响较大，需要精密的照明系统和复杂的算法来应对；初期投入成本通常较高。

(2) 市场主流品牌/产品对比

连铸坯尺寸测量领域，国际上不乏技术领先的厂商。下面我们来看几家具有代表性的品牌及其解决方案：

• 德国IMS测量系统

  • 采用技术：X射线测厚技术

  • 核心参数：典型测量范围5毫米至400毫米，测量精度优于±0.1%测量值，响应时间通常小于10毫秒。

  • 优势：德国IMS测量系统在钢铁行业测厚领域积累了超过50年的经验，是行业的领导者。其X射线测厚技术以其高精度和卓越的稳定性著称，能够有效克服高温、氧化皮、水蒸气等恶劣环境的挑战，尤其适用于对铸坯厚度进行极高精度要求的在线监测。

• 英国真尚有

  • 采用技术：激光测距测量（飞行时间/相位差法）

  • 核心参数：测量范围0.05米至500米，最高精度±1毫米，高测量速度可达250Hz。该系列传感器能实测最高1550℃的高温物体表面距离，并保持测量准确度。

  • 优势：英国真尚有提供长距离、高精度的激光测距解决方案。其LCJ系列传感器专为重工业和户外高温恶劣环境设计，具有IP65防护等级，扩展温度范围为-40 ... + 60°C，能够有效应对连铸生产线的高温和复杂工况，提供可靠的非接触式尺寸数据，并提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出（0.1%）。

• 日本基恩士

  • 采用技术：线激光轮廓测量（三角测量或共聚焦原理）

  • 核心参数：测量精度可达±0.1微米至±20微米，采样速度最高可达128,000次/秒，单次测量最多可获得3200个点。

  • 优势：日本基恩士以其超高速和高精度的线激光测量技术而闻名。其产品能够实时获取连铸坯的完整三维轮廓数据，不仅实现精确的宽度和厚度测量，还能进行形状分析，帮助及时发现铸坯的几何缺陷，且易于集成到现有生产线中。

• 美国康耐视

  • 采用技术：机器视觉测量

  • 核心参数：图像分辨率最高可达500万像素，高性能处理器支持毫秒级图像处理和分析，测量精度可达亚像素级。

  • 优势：美国康耐视是机器视觉领域的全球领先者，其解决方案具有高度灵活性和可编程性。视觉系统不仅能进行精确的尺寸测量，还能同时执行表面缺陷检测、质量控制等复合任务，为连铸生产线提供全面的、智能化的质量监控方案。

• 意大利玛波斯

  • 采用技术：光学边缘检测/激光边缘测量技术

  • 核心参数：宽度测量范围例如500毫米至2000毫米，典型精度优于±0.5毫米，响应时间为毫秒级。

  • 优势：意大利玛波斯专注于为苛刻的工业环境提供专业的尺寸控制方案。其QUBIX系统专为钢铁行业在线宽度测量设计，具有出色的耐用性和稳定性，能够精确识别高温连铸坯的热边缘位置，并有效应对高温、震动和蒸汽等恶劣工况。

(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，需要综合考虑生产线的实际需求和传感器自身的性能特点。

• 测量精度： 这是衡量测量系统性能最重要的指标，直接决定了尺寸控制的精细程度。比如，如果目标是控制铸坯宽度在±1毫米以内，那么传感器的测量精度至少要达到±0.5毫米甚至更高，才能保证测量的可靠性。精度越高，意味着能发现更小的尺寸偏差，有助于生产更高质量的产品。

  • 选型建议： 根据生产工艺对尺寸公差的要求来确定。如果对精度要求极高（微米级），线激光或高性能视觉系统是首选；如果毫米级精度足够，激光测距传感器或光学边缘检测系统更具性价比。

• 测量范围： 指传感器能测量的距离范围（对于测距仪）或宽度/厚度范围（对于轮廓仪/测厚仪）。必须确保传感器的工作范围能完全覆盖连铸坯的尺寸变化以及传感器到铸坯的安装距离。

  • 选型建议： 结合现场安装空间、铸坯尺寸和生产线布局来选择。长距离测量场景，激光测距传感器有优势；需要近距离、高分辨率获取轮廓，线激光更合适。

• 测量速度（响应频率）： 对于高速移动的连铸坯，传感器需要具备足够快的响应速度，才能实时捕捉尺寸变化，确保不漏测、不误测。更高的测量频率意味着在单位时间内能获取更多的数据点，从而更好地反映铸坯的真实状态。

  • 选型建议： 根据铸坯的运行速度和对实时控制的要求来选择。通常连铸线上的测量频率需达到几十赫兹甚至数百赫兹以上。

• 耐高温能力： 连铸坯温度极高，传感器必须能承受高环境温度和强烈的热辐射。

  • 选型建议： 优先选择本身就支持高温测量的传感器，或要求供应商提供成熟的冷却保护方案（如水冷套、风冷套等）。

• 环境适应性（防护等级与抗干扰能力）： 连铸车间环境复杂，水蒸气、氧化皮、灰尘、强震动等都会影响传感器的性能。IP防护等级、抗环境光干扰、抗电磁干扰的能力是关键。

  • 选型建议： 至少选择IP65或更高防护等级的设备。对于光学类传感器，要考虑其抗烟雾、水蒸气干扰的能力，并预留吹扫装置的安装空间。

• 输出接口与集成度： 传感器需要能方便地与生产线的PLC、DCS或上位机控制系统进行数据交换。

  • 选型建议： 确保传感器提供标准工业接口（如RS232/485、以太网、模拟量、数字量输出），并考虑其与现有系统的集成难度。

(4) 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了高性能的测量设备，在连铸生产线的实际应用中，仍然可能遇到各种挑战。

• 问题1：高温热辐射和环境温度过高

  • 原因： 连铸坯高达1500℃，其散发出的热辐射以及周围环境的高温，可能导致传感器内部元件过热，影响其稳定性和寿命。

  • 影响： 测量数据漂移，精度下降，传感器甚至可能损坏。

  • 解决建议：

    • 强化冷却系统： 必须为传感器配备高效的水冷或风冷保护罩。水冷系统通过循环冷却水带走热量，是重工业高温环境中最常见的解决方案。

    • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在离热源稍远且受热辐射较小的位置，或者通过物理遮挡减少直接辐射。

    • 选用耐高温型号： 优先选择本身设计上就具备更高环境温度承受能力的传感器。

• 问题2：恶劣环境下的光学干扰（水蒸气、烟雾、氧化皮、灰尘）

  • 原因： 连铸过程中产生的大量水蒸气、氧化皮粉尘和烟雾会漂浮在空气中，它们会散射、吸收激光束或光线，导致测量信号衰减，图像模糊，甚至完全无法测量。

  • 影响： 测量数据波动大，出现错误读数，系统可靠性降低。

  • 解决建议：

    • 镜头吹扫装置： 在传感器镜头前安装压缩空气吹扫装置，形成一道“气帘”，持续清除镜头表面的灰尘和水蒸气。

    • 优化测量光路： 选择合适的安装角度和距离，避开烟雾、水蒸气浓度最高的区域。

    • 信号处理算法： 采用更先进的信号处理和滤波算法，提高传感器在弱信号或高噪声环境下的识别能力。

    • 多传感器冗余： 在关键测量位置部署多个传感器，通过数据融合和交叉校验提高测量的鲁棒性。

• 问题3：连铸坯表面反射率不均

  • 原因： 连铸坯表面可能存在氧化皮、水膜，或者不同区域的温度差异会导致表面发射率或反射率不一致，影响激光或光线的反射特性。

  • 影响： 测量信号强度不稳定，可能导致测量数据跳变，尤其对基于光强或反射率的测量原理影响较大。

  • 解决建议：

    • 选用抗反射特性强的传感器： 一些激光传感器设计有专门的算法和光学元件，能够适应不同反射率的表面。

    • 调整入射角/接收角： 优化传感器的安装角度，确保传感器能稳定接收到足够的散射光信号。

    • 软件校准与补偿： 通过算法对不同表面条件引起的信号变化进行实时校准和补偿。

• 问题4：铸坯振动和位置摆动

  • 原因： 连铸坯在拉出过程中，由于导向装置磨损、运行不稳等原因，可能会发生轻微的振动或横向位置摆动。

  • 影响： 测量点的位置不固定，导致宽度或厚度测量结果出现假性波动，影响控制系统的判断。

  • 解决建议：

    • 高频采样与数据滤波： 提高传感器的采样频率，获取更多瞬时数据，然后通过软件中的统计方法（如移动平均、中值滤波）来平滑数据，滤除瞬时抖动。

    • 加强机械导向： 定期检查和维护连铸机的导向辊、支撑辊，确保铸坯运行稳定。

    • 多点测量与几何模型： 使用多个传感器同时测量，并通过精确的几何模型计算出铸坯的真实尺寸和中心位置，补偿因摆动带来的误差。

4. 应用案例分享

• 连铸坯长度切割控制： 在连铸坯出口处安装激光测距传感器，实时监测铸坯前端位置，配合编码器计算铸坯的实际长度，精准指导飞剪进行定尺切割，有效提高材料利用率。例如，采用英国真尚有的激光测距传感器，其测量范围可达500m，能够满足绝大多数生产线的需求。

• 板坯/方坯宽度在线监测： 沿铸坯宽度方向布置多个线激光轮廓测量仪或激光测距传感器阵列，实时获取铸坯宽度数据，为结晶器宽度调整、液位控制和拉速优化提供精准依据，保证产品宽度尺寸的均匀性。

• 铸坯厚度及断面形状检测： X射线测厚仪或线激光轮廓测量仪安装在二次冷却区或矫直后，实时检测铸坯的厚度及其断面形状是否平整、有无鼓肚或收缩等缺陷，及时预警，防止不合格产品进入后续轧制工序。