CN101655464B - 高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法 - Google Patents

高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法，先沿铸坯拉速方向上扫描高温铸坯横向方向表面距离，测量铸坯运行方向上及横向方向上距离二维点阵；再将距离二维点阵转换为距离点阵HSB二维图，最后对HSB二维图进行图像处理，识别表面缺陷的形态并量化计算缺陷深度。本发明可有效抑制非缺陷但呈缺陷形态的氧化铁皮的干扰，实现950℃以上热状态下连铸坯表面缺陷形态及深度的在线检测，并对整体高温铸坯表面缺陷进行质量评估。本发明对提高高温铸坯表面缺陷检测的自动化水平、降低生产成本、提高连铸坯直接轧制和热送热装率具有重要意义；同时对开发连铸坯质量预报系统及改进连铸过程工艺、提高铸坯质量具有重要的指导作用。

Description

高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，尤其涉及高温连铸坯表面缺陷在线无损量化检测方法，同时也涉及到高速钢轨、带钢等表面缺陷形态及深度在线检测。本发明对实现布满非缺陷的氧化铁皮的铸坯表面缺陷在线检测与质量评估控制，提高高温铸坯表面缺陷检测的自动化水平和铸坯热送热装及直接轧制率具有重要意义。
背景技术
高温铸坯热送热装及直接轧制(CC-DR)工艺是一项系统性新技术，这一技术使炼钢-连铸-热轧生产一体化，其优点直接体现在节省加热能源、降低氧化烧损、提高加热炉生产能力和产品质量、缩短生产周期、降低生产成本。实现高温铸坯热送热装及直接轧制的支撑技术包括许多方面，除了无缺陷连铸坯的生产技术、高温连铸坯的生产技术、过程保温及补热、均热技术、适应不同铸坯热履历的轧制技术、炼钢-轧钢一体化生产管理技术等方面外，还包括高温铸坯表面在线无损探伤技术。高温铸坯表面在线无损探伤技术就是在热状态下(950℃以上)在线检测铸坯表面及近表面的缺陷，实现这一技术能实时管理铸坯质量，避免缺陷铸坯毫无意义的继续深加工，实现高质量坯的“热送热轧”。
虽然连铸技术仍在不断改进，但连铸坯特别是连铸板坯存在的表面缺陷仍难以避免。目前，国内外钢厂对950℃以上高温铸坯表面缺陷的检测，主要依靠人工目测手段定性判断铸坯的表面质量。对高温铸坯近表面缺陷的检测，主要采用先将铸坯冷却至低温，然后人工火焰清理或抽检酸洗的方法。采用人工目测法，其缺点是检测的准确率受人工经验制约，且手段落后、自动化程度低、工作强度大；火焰清理或抽检酸洗法也同样具有生产率低、自动化程度低、工作强度大的特点，同时造成高温铸坯能量资源的巨大浪费。这两种方法都无法实现铸坯表面缺陷的在线检测和质量评估，也无法实现热态下缺陷连铸坯的在线剔除和高质量坯的“热送热轧”。
现有的高温铸坯表面缺陷在线无损检测技术包括光学、超声和涡流等多种探伤方法的实验研究。涡流检测技术的最大优点是能实现表面及近表面缺陷的检测，但受趋肤效应及提离效应的影响，电涡流和超声波检测方法准确度差，受氧化铁皮和振痕影响大，且无法实现表面及近表面缺陷形态的检测。常规的光学检测法在高温铸坯表面缺陷形态检测方面存在优势，但由于很难辨识不是缺陷而呈现某种缺陷图像形态的鳞片状氧化铁皮，即使检测到了某些尺寸比较大的缺陷，例如较宽的横向裂纹，但因无法检测缺陷的深度信息，因此也无法对缺陷进行量化评估。迄今为止，国内外还没有一套能稳定、准确、可靠的在线检测高温铸坯表面缺陷的方法或系统能实际地应用于连铸工业生产线。
发明内容
针对现有检测技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种实现高温铸坯表面缺陷形态和深度在线无损检测方法，并可视化重构高温铸坯表面缺陷三维形貌并对整体表面质量进行量化评估。本方法可有效避免铸坯表面布满呈缺陷形态而非缺陷的鳞片状氧化铁皮及振痕干扰，抑制高背景噪声干扰。
本发明的目的是这样实现的：高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)沿着高温铸坯横向方向上不同宽度位置安装多台激光干涉成像仪，连续地对运动的高温铸坯横向方向进行干涉成像，融合不同宽度位置的干涉图像，从而得到高温铸坯某一横向方向上距离一维点阵；
(2)采集铸坯拉速信号，从而得到铸坯拉速方向上不同位置横向方向的距离一维点阵，所有的距离一维点阵构成铸坯横向和拉速方向的距离二维点阵；
(3)对所获得的距离二维点阵的数据进行处理，转换为距离点阵HSB二维图；
(4)再对距离点阵HSB二维图进行图像处理，完成高温铸坯表面缺陷形态及深度的在线测量。
可以在铸坯横向正中间上方安装线阵CCD，用于摄制铸坯表面沿拉坯方向上的铸坯表面图像，所述距离点阵HSB二维图与线阵CCD摄制的铸坯表面图像进行融合，通过ROI搜索算法获取距离点阵HSB二维图的ROI区，通过ROI特征提取和模式识别，从而识别高温铸坯表面缺陷的形态并量化计算缺陷深度。
所述第(3)步距离二维点阵转换为HSB二维图的方法为：①先搜索距离点阵中最大值和最小值；②将最小值和最大值之间的数按照比例归为0-255之间的数值，得到256级灰度二维点阵数据；③将256级的二维点阵数据转换为灰度图；④将灰度图转换为距离点阵HSB二维图。
所述第(1)步距离一维点阵的获得方法为：①在高温保护罩内安装激光发射器，对铸坯横向上进行激光照射，从而在铸坯横向上形成一条激光光束；②在上述高温保护罩内沿高温铸坯宽度方向上不同位置处安装铸坯表面缺陷激光干涉成像仪，从被测铸坯表面返回的激光经过激光干涉成像仪，其输出干涉条纹图，通过计算获得距离一维点阵。
本发明可以有效抑制非缺陷但呈缺陷形态的氧化铁皮的干扰，实现高温状态下连铸坯表面缺陷形态及深度的在线检测，可视化显示铸坯表面缺陷的三维形貌，实现铸坯表面质量的数字化评估。本发明对提高高温铸坯表面缺陷检测的自动化水平、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义；同时对开发连铸坯质量预报系统及改进连铸过程工艺、提高铸坯质量具有重要的指导作用。本方法也适用于重轨、高速钢轨、热轧带钢和冷轧带钢等材料表面缺陷的在线无损检测。
附图说明
图1-铸坯表面缺陷激光干涉成像测量示意图；
图2-测量装置安装示意图；
图3-信号采集与数据融合处理流程图。
具体实施方式
本高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法思路为：一、通过测量装置得到高温铸坯表面一定宽度区域铸坯表面距离测量装置的距离点阵；二、若干不同宽度区域的距离点阵构成横向方向上的距离一维点阵，横向方向上区域的数量由测量装置的扫描频率和测量装置安装数量决定；三、若干横向方向上的距离一维点阵组合构成铸坯表面距离二维点阵；四、将距离二维点阵转换为距离点阵HSB二维图；五、对距离点阵HSB二维图进行图像处理和ROI搜索，即可量化计算缺陷深度并识别高温铸坯表面缺陷的形态，给出高温铸坯表面缺陷的形态及深度量化数据，并对整体高温铸坯表面缺陷进行质量评估。
其具体的操作步骤为：
(1)沿着高温铸坯横向方向上不同宽度位置安装多台激光干涉成像仪，连续地对运动的高温铸坯横向方向进行干涉成像，融合不同宽度位置的干涉图像，从而得到高温铸坯某一横向方向上距离一维点阵；
(2)由于铸坯是不断运动的，因此只要采集铸坯拉速信号(铸坯拉速信号的采集由脉冲发生器实现，脉冲发生器安装在拉矫辊上)，就可以得到铸坯拉速(运行)方向上不同位置横向方向的距离一维点阵，所有的距离一维点阵构成铸坯横向和拉速方向的距离二维点阵；
(3)对所获得的距离二维点阵的数据进行处理，转换为距离点阵HSB二维图；
(4)再对距离点阵HSB二维图进行图像处理，识别高温铸坯表面缺陷的形态并量化计算缺陷深度。
所述第(1)步距离一维点阵的获得方法为：①在高温保护罩内安装激光发射器，对铸坯横向上进行激光照射，从而在铸坯横向上形成一条激光光束；②在上述高温保护罩内沿高温铸坯宽度方向上不同位置处安装铸坯表面缺陷激光干涉成像仪，从被测铸坯表面返回的激光经过激光干涉成像仪，其输出干涉条纹图，通过计算即可获得距离一维点阵。
所述第(3)步距离二维点阵转换为HSB二维图的方法为：①先搜索距离点阵中最大值和最小值；②将最小值和最大值之间的数按照比例归为0-255之间的数值，得到256级灰度二维点阵数据；③将256级的二维点阵数据转换为灰度图；④将灰度图转换为HSB二维图。
进一步地，可以在铸坯横向正中间安装线阵CCD，用于摄制铸坯表面沿拉坯方向上的铸坯表面图像。所述距离点阵HSB二维图与线阵CCD摄制的铸坯表面图像进行融合，通过ROI搜索算法获取距离点阵HSB二维图的ROI区，通过ROI特征提取和模式识别，从而识别高温铸坯表面缺陷的形态并量化计算缺陷深度，这样可以不用对完整的HSB二维图进行处理，仅处理ROI区即可，从而减少数据处理量。
以下结合设备特点和信息处理过程对本方法进行说明：
①安装激光发射装置，对铸坯横向上进行激光照射。
在高温保护罩内安装激光发射器，高温保护罩采用双层镁铝合金，采用水冷却方式，激光通过圆柱透镜散射后，在铸坯横向上形成一条激光光束；
②安装铸坯表面缺陷激光干涉成像仪
在高温保护罩内安装铸坯表面缺陷激光干涉成像仪，激光干涉成像仪主要由起偏器P1，单轴晶体C，检偏器P2，聚焦镜D，电子耦合器件E组成。从被测铸坯表面一点S返回的激光经过起偏器P1变成偏振光，经过单轴晶体C时，分裂成传播速度不同的寻常光和非寻常光。非寻常光的速度依赖于光束的入射角。晶体的后面放入检偏器P2，与起偏器的方向正交，再经过聚焦镜D，在电子耦合器件E上得到干涉条纹图，示意图如图1所示。
铸坯表面缺陷激光干涉成像仪安装台数由被测的铸坯表面横向宽度确定，一般安装3-4台。
③在铸坯横向正中间安装线阵CCD，用于摄制铸坯表面沿拉坯方向上的铸坯表面图像。
④在拉矫辊上安装脉冲发生器，精确采集铸坯拉速信号。
上述①②③④具体的安装方法，如图2所示，脉冲发生器位于火焰切割机前，激光干涉成像仪和线阵CCD位于火焰切割机后。
⑤信号采集与数据融合处理单元。
铸坯表面缺陷激光干涉成像仪输出的干涉图像信号、线阵CCD信号、拉速信号送入计算机，同步进行干涉图像处理，获得铸坯表面缺陷深度点阵，将缺陷深度映射HSB二维图，通过ROI搜索算法，得到HSB二维图像的ROI区，通过提取ROI区的特征信号，计算缺陷的二维几何尺寸及深度尺寸。融合采集的拉速信号、线阵CCD输出视频图像与ROI特征矢量，通过模式识别，完成高温铸坯表面缺陷形态实时测量，并可视化重构铸坯表面缺陷的三维形貌，并对整快铸坯表面质量进行估价。信号采集与数据融合处理系统流程示意图如图3所示。
本发明通过设于高温铸坯火焰切割机后的若干激光干涉成像仪与计算机内的采集板卡连接，采集不同时序高温铸坯横向上距离点阵，根据时序信息构建高温铸坯拉速方向与横向方向上的二维离散距离点阵，并重构铸坯表面距离点阵HSB二维图，并通过对HSB二维图处理，识别高温铸坯表面缺陷二维形态和三维深度信息，对铸坯整体表面质量进行量化评估。
本发明专利的优点
本发明专利最大的优点在于能够实现高温连铸坯表面缺陷形态和深度的同时测量，同时能可视化重构铸坯表面缺陷的三维形貌，大大提高了高温铸坯表面缺陷检测的自动化水平，能在热态下在线剔除缺陷坯，避免缺陷坯进一步加工而导致损失扩大化。具体体现在以下几点：
①在硬件方面，采用激光干涉测量技术，通过对干涉条纹图像计算，获得铸坯表面缺陷的距离点阵映射，能有效避免非缺陷而呈现缺陷形态的鳞片状氧化铁皮的干扰，同时，能实现缺陷深度的测量。
②为了避免振痕的干扰，采用特殊的成像技术，先获取铸坯表面的距离点阵，然后根据铸坯表面的距离点阵构建铸坯表面HSB映射图，通过ROI搜索算法获取HSB映射图的ROI区，通过提取ROI区的特征，完成高温铸坯缺陷形态的在线测量，并可视化重构铸坯表面的三维形貌。
③采用多传感器信息融合技术，融合脉冲发生器、线阵CCD及激光干涉成像仪所采集的信息，完成整个铸坯表面质量的总体评价。
④本发明也适合于带钢表面以及高速钢轨等表面缺陷形态及深度无损在线测量。

Claims (4)

1.高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)沿着高温铸坯横向方向上不同宽度位置安装多台激光干涉成像仪，连续地对运动的高温铸坯横向方向进行干涉成像，融合不同宽度位置的干涉图像，从而得到高温铸坯某一横向方向上距离一维点阵；
(2)采集铸坯拉速信号，从而得到铸坯拉速方向上不同位置横向方向的距离一维点阵，所有的距离一维点阵构成铸坯横向和拉速方向的距离二维点阵；
(3)对所获得的距离二维点阵的数据进行处理，转换为距离点阵HSB二维图；
(4)再对距离点阵HSB二维图进行图像处理，完成高温铸坯表面缺陷形态及深度的在线测量；
所述第(3)步距离二维点阵转换为HSB二维图的方法为：①先搜索距离点阵中最大值和最小值；②将最小值和最大值之间的数按照比例归为0-255之间的数值，得到256级灰度二维点阵数据；③将256级的二维点阵数据转换为灰度图；④将灰度图转换为距离点阵HSB二维图。
2.根据权利要求1所述的高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法，其特征在于：在铸坯横向正中间上方安装线阵CCD，用于摄制铸坯表面沿拉坯方向上的铸坯表面图像，所述距离点阵HSB二维图与线阵CCD摄制的铸坯表面图像进行融合，通过ROI搜索算法获取距离点阵HSB二维图的ROI区，通过ROI特征提取和模式识别，从而识别高温铸坯表面缺陷的形态并量化计算缺陷深度。
3.根据权利要求2所述的高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法，其特征在于：所述第(1)步距离一维点阵的获得方法为：
①在高温保护罩内安装激光发射器，对铸坯横向上进行激光照射，从而在铸坯横向上形成一条激光光束；
②在上述高温保护罩内沿高温铸坯宽度方向上不同位置处安装铸坯表面缺陷激光干涉成像仪，从被测铸坯表面返回的激光经过激光干涉成像仪，其输出干涉条纹图，通过计算获得距离一维点阵。
4.根据权利要求3所述的高温连铸坯表面缺陷形态及深度在线无损检测方法，其特征在于：铸坯拉速信号的采集由脉冲发生器实现，脉冲发生器安装在拉矫辊上。 
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