基于温度梯度原理的具有覆盖层的熔融金属液位测量装置及其应用研究

摘要

具有覆盖层的熔融金属液位测量一直是未能解决的冶金检测技术领域的难题。由于覆盖层的存在，及高温多尘的恶劣环境，传统的非接触检测方法（例如:激光法、超声法和微波法等）和接触法（例如:浮子法和电极法等）难以在实际生产中应用。连铸中间包钢水液位测量是这种情况的典型代表。连铸是钢铁生产中的重要环节，连铸中间包钢水液位是影响钢坯生产质量、钢水收得率及生产效率的重要参数。
　　中间包钢水液面上覆盖的保护渣层由覆盖剂、钢渣和钢水中上浮的夹杂物构成，针对保护渣层分布的不均性和厚度时变的特点，本文研制出以温度梯度为原理，以视觉检测为手段的中间包钢水液位测量装置，并在南钢电炉厂进行了应用研究。其主要研究内容与创新如下:
　　(1)研制出一套基于温度梯度原理的中间包钢水液位测量装置。
　　利用插入中间包钢水中的测量棒在钢水层、保护渣层和空气层分界面处存在温度梯度极值的特性，设计了一套温度梯度与视觉技术相结合液位测量装置。该装置采用CCD摄像机采集提升出钢水后测量棒外壁的温度分布图像，对热图像的温度梯度信息进行分析后，识别出分界面，根据推导的液位几何关系式，得到钢水液位及保护渣层厚度。
　　通过建立的测量棒机理传热模型，从理论上论证空气与保护渣层、保护渣层与钢水分界面存在温度梯度极值，并且测量棒拔出钢水后10s之内极值点位置不变，为钢水液位测量方法提供了理论依据。
　　(2)测量棒目标区域的识别与定位
　　测量棒目标区域识别与定位的准确性影响钢水和保护渣、保护渣和空气分界面的判定。针对常规的图像分割方法不能较好地解决目标与背景分离的问题，提出一种基于Hough变换的目标定位方法。该方法利用柱状测量棒纵向边缘为直线这一特征，计算极坐标空间内原始图像对应的直线参数分布，并以测量棒位姿作为约束条件，获得测量棒纵向边缘对应的直线方程，实现测量棒和背景的准确分离，识别准确率达到98％。
　　(3)分界面判定影响因素的分析与处理
　　分析了液位测量装置中视觉畸变、位姿参数变化对分界面识别的影响，并分别给出了对应的校正方法。针对视觉系统的畸变，提出一种改进的单目视觉畸变校正的方法来实现测量装置的校正。对于系统位姿参数变化，利用标帜物的物象关系来实现参数的校正。经过校正后，系统偏差由校正前的20mm减小为校正后的2.4mm。
　　对“温度梯度”伪分界面的形成原因及对测量结果的影响进行了分析。针对保护渣粘附、流动和结壳等状况，建立伪分界面特征判据。将该判据与图像数据相融合，分界面定位准确率达到95％。
　　(4)测量装置的现场实验与应用效果分析
　　该装置经过3年的现场实验研究，目前在生产现场已经稳定运行6个月。通过采用手动测量方式对现场应用结果进行了验证分析，证明本系统测量的可靠和准确性。实验应用结果表明:液位测量值与手动验证结果平均偏差为4.2mm，最大偏差小于6mm，测量复现性偏差小于3mm，满足生产要求。
　　对系统关键参数摄像机倾角α、镜头光心与测量棒顶端水平距离—OW'A的确定制定了原则，为系统的推广奠定基础。按此原则，在南钢电炉厂安装时，确定—OW'A=415.5mm，摄像机倾角α=57.5°。
　　(5)确定了中间包钢水卷渣临界液位
　　建立浇铸末期的钢水卷渣数学模型，并通过数值计算和物理模拟验证了该模型，从而确定停浇过程卷渣产生的临界液位可由出流口内径、出口流量、初始环量和出流口Froude数计算。数值模拟及物理实验结果表明:模型计算与实验结果误差为7.2％，为下一步液位测量装置引入最低液位控制奠定了的基础。
　　目前该项研究已与国内7家钢厂签订了技术合作协议。另外，本文测量原理可推广到其他类似的熔融金属液位测量场合，具备一定的通用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究意义

1．2 中间包液位测量的研究与应用现状

1．2．1 具有覆盖层的钢水液位测量难点

1．2．2 目前液位测量方法研究及应用现状

1．3 本论文研究创新点及特点

1．3．1 本论文创新点

1．3．2 本文研究的特点

第二章 基于温度梯度的钢水液位测量方法

2．1 基于温度梯度的钢水液位测量原理

2．2 钢水液位测量方法

2．2．1 钢水液位测量方法

2．2．2 钢水液位公式几何推导

2．2．3 几何测量参数确定

2．3 基于温度梯度的钢水液位测量理论分析

2．3．1 测量棒传热机理模型

2．3．2 测量棒温度分布的仿真计算

2．3．3 物性参数对温度梯度影响的分析

2．3．4 测量棒响应时间及分界面定位判据

2．4 本章小结

第三章 测量棒目标区域的识别与定位

3．1 测量棒目标区域识别与定位方法

3．2 测量棒目标区域识别

3．2．1 液位测量图像目标对象特征分析

3．2．2 测量棒识别过程中存在问题分析

3．2．3 基于Hough变换的目标区域识别

3．3 测量棒目标区域定位

3．3．1 测量棒目标区域描述

3．3．2 目标区域空间投影变换

3．4 本章小结

第四章 影响分界面判定的因素分析与处理

4．1 影响分界面判定的因素分析

4．1．1 测量装置对分界面判定影响因素分析

4．1．2 形成“温度梯度”伪分界面的影响因素分析

4．2 视觉系统非线性几何畸变校正

4．2．1 非线性几何畸变产生原因分析

4．2．2 改进控制点的非线性畸变校正方法

4．2．3 结果分析

4．3 测量位姿参数在线校正

4．3．1 位姿参数变化的原因及其对测量结果的影响分析

4．3．2 基于标帜物的位姿参数在线校正方法

4．3．3 结果分析

4．4 “温度梯度”伪分界面的识别定位与消除

4．4．1 保护渣粘附形成伪分界面的定位与消除

4．4．2 保护渣流动形成的伪分界面识别与消除

4．4．3 保护渣结壳形成的伪分界面识别与消除

4．5 本章小结

第五章 液位测量装置的研制及现场应用

5．1 液位测量装置的研制

5．1．1 测量装置构成

5．1．2 测量装置关键结构参数的确定

5．1．3 测量装置标定

5．2 液位测量装置现场应用

5．2．1 典型液位图像处理

5．2．2 液位测量值的验证

5．2．3 不同工艺条件钢水液位测量结果

5．3 本章小结

第六章 中间包钢水卷渣临界液位的研究

6．1 钢水卷渣临界液位研究的意义

6．2 钢水卷渣临界液位数学模型

6．2．1 汇流旋涡与卷渣研究现状

6．2．2 钢水旋涡基本方程

6．2．3 钢水旋涡速度场数学模型

6．2．4 钢水卷渣产生的临界条件

6．2．5 钢水卷渣临界液位确定

6．3 钢水卷渣临界液位的数值模拟

6．3．1 边界条件的处理

6．3．2 数值模拟几何模型及物性参数的确定

6．3．3 钢水卷渣临界液位模拟结果分析

6．3．4 数值模拟与理论计算结果对比

6．4 钢水卷渣临界液位物理模拟实验

6．4．1 物理模型与实验方法

6．4．2 实验结果

6．5 本章小结

第七章 结论

7．1 结论

7．2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间的主要工作

作者简介