CN101869971A - 连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于炼钢连铸技术领域，尤其是涉及连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪及其监测方法。该检测仪包括微型CCD摄像头，安装于连铸机足辊区域内、外弧两侧，用于获取二维图像信息；视频图像采集模块，用于接收所述二维图像信息并存储；工控计算机，用于处理和分析二维图像信息，显示最终结果。通过在足辊区域内外弧安装CCD摄像头并利用计算机图像处理技术，对足辊转动情况和挂渣情况进行在线图像分析，实时监测足辊工作状态，必要时可根据异常状况特征及时作出报警或相应的故障处理。其优点在于设备结构简单，适用范围广，采用摄像技术实现运程监视，降低了现场工人的劳动强度和危险程度，提高铸机设备整体自动水平与智能水平。

Description

连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪及其监测方法

技术领域

本发明属于炼钢连铸技术领域，尤其是涉及连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪及其监测方法。

背景技术

足辊是连铸机上的一个重要部件，一般设置在结晶器下部，其作用主要体现在：(1)引导引锭杆进入结晶器，防止穿引锭杆时引锭头碰坏结晶器铜板(管)下口，对结晶器铜板(管)起保护作用；(2)对初出结晶器的薄弱坯壳进行支撑与导向，减少铸坯的变形或漏钢，同时也可减轻铸坯对铜板(管)下口的磨损。早期，连铸界对于结晶器是否有必要安装足辊尚存在争议，其中争议的焦点是发生漏钢事故后因钢水粘住足辊而加大事故处理难度。随着连铸工艺技术的不断发展，操作水平的不断提高，漏钢率已呈不断下降的趋势，当前，足辊以其独特的作用在连铸中已被广泛应用。

足辊的表面是与高温连铸坯直接接触的，因而足辊的表面光洁度和转动情况影响着连铸坯的表面质量。足辊工作状态不正常时容易致使铸坯出现划痕、鼓肚和凹陷：(1)当足辊夹渣、润滑脂被烤干或是轴承抱死时，足辊会出现不转或转动不灵活的现象；(2)当足辊自身表面出现龟裂、凸起或小坑等缺陷时，往往会给铸坯表面带来裂纹、小坑和麻点等质量缺陷。由于拉坯过程中足辊的表面温度较高，其表面的硬度相应下降；若足辊不转，其表面与高温铸坯产生相对滑动，在较大的滑动摩擦阻力作用下，足辊表面将产生较大变形，铸坯表面上存在的氧化铁皮和保护渣也会在此聚积。在高温受压的情况下铁皮逐渐变得异常坚硬，铁皮渣聚集形成坚硬的渣堆，渣堆与铸坯产生相对滑动时在铸坯表面造成划痕。同时，不规则的渣堆也会影响到铸坯传热的均匀性，由于初出结晶器的坯壳较薄弱，坯壳局部的冷却不良以及较大的划痕很容易造成漏钢事故的发生。此外，足辊区喷嘴的喷淋状态对铸坯质量也有着重要的影响。足辊区的喷水一部分喷淋在铸坯表面冷却铸坯以增加铸坯凝固和保持铸坯截面的几何形状，另一部分喷淋在辊子上来冷却足辊以降低足辊的温度。喷嘴的堵塞、磨损以及水压的不稳定会降低喷嘴的冷却效果，不均匀的换热容易引起铸坯缺陷的产生或扩展。

由于足辊的工作环境极其恶劣，高温高湿高粉尘等不利条件对足辊的破坏性较大。而足辊的不正常运转又势必会恶化铸坯质量，严重时导致结晶器及其足辊异常而停浇下线维修。因此，在安全生产的前提下，有必要对足辊本体及区域内的喷淋状态和铸坯状态实施有效的在线监视，以采取相应的措施来保证铸坯质量，同时也为设备维护提供参考依据。但是，当前对连铸机足辊区的在线监视还没能充分引起冶金科技工作者的关注，至今尚未发现有应用先例和技术性报道。

CCD(Charge-coupled Device)是一种将光学图像转换成电信号的新型光电转换器件，具有寿命长，可靠性高，稳定性好，耐振动，耐冲击，无图像失真，分辨率高，功耗低，抗电磁干扰等一系列优点，非常适用于生产现场的动态在线测量。将远距离CCD摄像和计算机图像分析技术结合可实现足辊工作状态的在线自动监测。

发明内容

为了解决上述问题：本发明的提出，旨在提出一种在线监视连铸机足辊工作状态的监测仪及其监测方法，通过安装CCD摄像头并利用计算机图像处理技术，对足辊工作状态和该区域内连铸坯的形态及水喷嘴喷淋效果进行图像分析，自动监测足辊和铸坯可能出现的异常情况，必要时还可根据异常状况特征及专家知识库作出相应的报警或故障处理。

本发明的技术方案是一种连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪，其特征在于：该检测仪包括微型CCD摄像头，安装于连铸机足辊区域内、外弧两侧，用于获取二维图像信息；视频图像采集模块，用于接收所述二维图像信息并存储；工控计算机，用于处理和分析二维图像信息，显示最终结果。

本发明的另一目的是提出一种连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪的监测方法，具体包括以下步骤：

1.获取信息：视频图像采集模块实时采集足辊和高温连铸坯图像，并将图像信号接入到工控计算机；

2.所述工控计算机对接收到的图像进行预处理；

3.图像处理：所述工控计算机对足辊设备运转状况及铸坯表面形貌等进行图像分析和判断；

4.结果显示：经上述步骤计算后得到的综合信息加以显示，并对超出预先设定范围的情形予以报警提示；

5.对关键性参数及事故报警进行存储。

本发明使用的摄像头采用感光范围宽的CCD芯片。CCD是由高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由视频采集卡把图像数据传输给工控计算机。为获得丰富的颜色信息，以选取彩色摄像头更佳。同时需要考虑以下几个细节问题：(1)CCD摄像头镜头选型；(2)对CCD摄像头防水雾和粉尘干扰的处理；(3)CCD摄像头的安装位置及固定。这是因为，在实际连铸过程中，铸机处于高温高湿的状态，摄像头在恶劣的环境下长期持续工作，有必要为摄像头镜头进行特殊化防护处理，如使用保护罩和喷吹保护性气体(一般为N₂)进行气封，以减少对镜头的污损。

在每个足辊本体的侧表面边缘涂有明显感光标记，正常生产过程中，这些标记会随着足辊的转动而同步转动，由于最终显示在计算机上的是二维平面图像，该标记点在屏幕上的运行轨迹将是周期性的封闭曲线或者单向曲线。即足辊每转动一圈，标记点只重复出现在某个相同位置一次

工控计算机在收到图像采集信息后，进行简单的图像预处理，然后根据实际需求做出以下分析判断：

1.判定足辊转动状态：

1)识别各足辊带有的感光标记点；

2)跟踪上述标记点的运行轨迹，得到各足辊转动的角速度；

3)各足辊辊径大小为预先设定值，将上述步骤得到的角速度计算成足辊转动的线速度；

4)比较各对足辊之间的线速度大小，并与现场采集的实际拉速值(一般是铸机拉矫辊的线速度)进行对比；

5)如果每对足辊的计算线速度大小相等，并与实际拉速值保持同步，说明足辊运转正常，反之，则为足辊转动不灵活或足辊不转，开始报警，以此作为下线维修的诊断依据。

2.判定足辊挂渣情况：

1)由图像分割算法提取采集图像中足辊本体轮廓，识别足辊上可能出现的保护渣或氧化铁皮等异物，如在足辊上发现异物及时预警，并将异物与足辊本体在图像上进行区分；

2)通过统计异物的像素点个数，然后除以足辊总的像素点数计算得到异物覆盖率，当异物覆盖率超过预先设定允许值时立刻报警；

3)当出现挂渣报警时，开启自动喷水或自动吹气以冲刷附着在足辊上的异物。

3.判定铸坯的形态和喷嘴的喷淋效果：

可直接由人工观察辅助性监视即可。

以上图像处理后得出的分析结果，报警信息及主要连铸工艺参数，均实时显示在计算机程序界面，操作简单方便。并且会择要周期性地储存到计算机硬盘中，方便浇注过程的历史查询与回放。

采用本发明，基本上可实现以下功能：

1.自动监视足辊表面的清洁度，是否挂渣；

2.自动监视足辊的工作状态，是否正常转动；

3.人工监视足辊区域喷嘴的喷淋状态是否正常，是否有喷嘴堵塞现象；

4.人工监视足辊区域内高温连铸坯的形态；

5.基于铸坯质量逻辑判定及构建的专家知识库，对超出设定范围的实时监测数据及时预警，必要时作相应的有效处理，并记录事故报警信息，为下线设备的维修提供诊断依据。

6.可保存实时图像，支持历史图像和主要工艺参数的回放。

与现有技术相比，其优点在于开创性的在连铸机结晶器足辊区实施在线监视，设备结构简单，填补了国内外在连铸机足辊区域监控的空白。采用摄像技术实现运程监视，极大地减少了现场工人的劳动强度和危险程度，提高铸机设备的自动水平与智能水平，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明监测仪的结构示意图。

图2为本发明监测方法的流程框图。

图3为本发明监测判定足辊运转状态流程框图。

图4为本发明监测判定足辊表面清洁度流程框图。

图中：

1.CCD摄像头，2.连铸机，3.工控计算机。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，在2连铸机足辊区内外弧两侧适当部位焊接固定架，将1彩色面阵CCD摄像头分别安装距离足辊约3m处指定位置上，采用广角镜头，获取足辊和该区域连铸坯完整图像。摄像头尽量垂直对准监测点(面)，偏离角度控制在0°～30°。摄像头外带有防护罩，并有N₂气体喷吹加以密封。选用彩色图像采集卡，可以在800×640分辨率下实现24bit图像的25帧/秒采样速度传递至3工控机。工控机除了实时采集视频图像数据外，还可与现场PLC设备的直接通信，同步接收相关的生产工艺参数，具备施行生产控制的能力。计算机主程序框图见图2。

在每个待测足辊上作出一个特殊性的荧光标记点，面积小但醒目。在浇注生产过程中，该标记点会随着足辊本体的转动而同步转动。由计算机跟踪该标记点在采集的图像中的位置坐标变化，若该标记重复出现在某指定位置(如初始位置处)，计为一个时间周期，以此可得到足辊转动的角速度，而足辊直径大小为已知，故可将上述角速度转化为该足辊的线速度。然后比较各对足辊之间的线速度大小并与现场的实际拉速值进行对比，以此综合判定足辊的转动情况。如果这些速度基本相同，并与实际拉速保持一致，说明足辊运转正常。反之，则为足辊转动不灵活或足辊不转，开始报警。对足辊运转状态的监测判定程序框图见3。

在采集到的图像中，由计算机利用图像分割算法提取足辊本体轮廓，将足辊上可能留有的保护渣或氧化铁皮进行圈定，并统计异物覆盖区域的像素点个数，并计算异物覆盖率。一旦在足辊上发现异物会及时预警，若其覆盖率超过许可范围会立刻报警，以此提醒主控操作工是否执行自动冲渣。对足辊表面清洁度的监测判定程序框图见4。

因为有硬件设施来作保障，实时采集的连铸坯和足辊的高清图像可经主控操作工肉眼观察，大致判断比如出结晶器铸坯形貌和足辊区喷嘴的喷淋状态等重要的信息。图像信息和相关工艺参数会以影像文件和数据库文件的形式周期性保存到工控机的硬盘中，同时配有相应的日志文件记录特定的报警信息，作为设备诊断维护和优化工艺的重要参考依据。

采用本实施例，基本上可实现以下功能：

1.自动监视足辊表面的清洁度，是否挂渣。

2.自动监视足辊的工作状态，是否正常转动。

3.人工监视足辊区域喷嘴的喷水状态，是否有喷嘴堵塞现象。

4.人工监视结晶器足辊区域内高温铸坯的形态，是否有明显的表面质量缺陷和形状缺陷。

5.可实时保存图像和报警信息，支持历史图像和主要工艺参数的回放，便于维护设备和优化工艺。

Claims (4)

1.一种连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪，其特征在于：该检测仪包括微型CCD摄像头，安装于连铸机足辊区域内、外弧两侧，用于获取二维图像信息；视频图像采集模块，用于接收所述二维图像信息并存储；工控计算机，用于处理和分析二维图像信息，显示最终结果。

2.根据权利要求1所述的连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪的监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)获取信息：视频图像采集模块实时采集足辊和高温连铸坯图像，并将图像信号接入到工控计算机；

2)所述工控计算机对接收到的图像进行预处理；

3)图像处理：所述工控计算机对足辊设备运转状况及铸坯表面形貌等进行图像分析和判断；

4)结果显示：经上述步骤计算后得到的综合信息加以显示，并对超出预先设定范围的情形予以报警提示；

5)对关键性参数及事故报警进行存储。

3.根据权利要求2所述的连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪的监测方法，其特征在于，所述步骤3中还包括判定足辊转动状态分析：具体包括以下步骤：

1)识别各足辊带有的感光标记点；

2)跟踪上述标记点的运行轨迹，得到各足辊转动的角速度；

3)各足辊辊径大小为预先设定值，将上述步骤得到的角速度计算成足辊转动的线速度；

4)比较各对足辊之间的线速度大小，并与现场采集的实际拉速值进行对比；

5)如果每对足辊的计算线速度大小相等，并与实际拉速值保持同步，足辊运转正常，反之，则为足辊转动不灵活或足辊不转，开始报警。

4.根据权利要求2所述的连铸机结晶器足辊工作状态在线监测仪的监测方法，其特征在于，所述步骤3中还包括判定足辊挂渣情况分析：具体步骤如下：

1)通过图像分割算法提取采集图像中足辊本体轮廓，识别足辊上是否出现异物，如在足辊上发现异物及时预警，并将异物与足辊本体在图像上进行区分；

2)通过统计异物的像素点个数，然后除以足辊总的像素点数计算得到异物覆盖率，当异物覆盖率超过预先设定允许值时立刻报警。

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