CN110793452A - 一种钢包铁壳变形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢包铁壳变形检测方法，主要包括扫描前处理、数据采集、数据拼接、数据过滤、数据拟合配准、位置拟合和变形分析等步骤。通过三维激光扫描技术采集钢包铁壳和模芯的三维点云数据，可以从整体上观测和分析钢包铁壳的变形情况，提高钢包铁壳变形情况的检测精度，判断钢包铁壳的使用安全性；通过软件处理，能更直观、更高效、更精准地测量钢包铁壳及模芯的变形量，拟合出钢包铁壳和模芯的最佳安放位置，有效指导永久层浇注施工，提高永久层的浇筑质量，从而保证钢包的使用安全性。

Description

一种钢包铁壳变形检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体涉及一种钢包铁壳变形检测方法。

背景技术

钢包是载运钢水和进行炉外精炼的一种容器，是连接转炉至连铸炼钢生产过程中必不可少的运输、炉外精炼及钢水浇铸工具。钢包内衬耐火材料通常分为工作层和永久层，永久层作为内衬的重要组成部分，是钢包安全运行的一道屏障，也是内衬价值最大化的可靠保障，其主要起到两个作用：一是保温作用，关键是包壁，由于钢水在钢包内滞留时间长，永久层具有较好的保温性能，能减少钢水的热损失，降低钢包钢结构壳体温度，延长其使用寿命；二是保险作用，当工作层渗钢时，永久层至少能挡渗钢而不至于穿包漏钢。

钢包永久层的厚度是否均匀直接影响到钢包的使用安全及使用寿命，钢包下线全修后需要通过在钢包体内安置模芯来完成永久层的重新浇筑，所以钢包铁壳的变形程度及模芯安置的位置和姿态是决定永久层厚度是否均匀的关键因素。

传统的钢包铁壳变形后永久层均匀性测量需要首先将模芯放置在钢包铁壳中，然后通过钢包铁壳外侧的小孔测量钢包铁壳与模芯表面的距离，以此距离来反映钢包铁壳的变形后永久层均匀性的情况。这种方法操作起来虽然简便，但精度较差，且只能从钢包铁壳局部的若干点位进行测量分析，测量结果只能反映局部变形量，难以准确地反映整个钢包铁壳的变形情况，一旦不能及时发现钢包变形异常部位，以至于永久层浇筑不均匀，将导致出现钢水渗漏等事故，引发严重后果。

发明内容

针对上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种从整体检测分析钢包铁壳的变形情况的方法，通过三维激光扫描技术采集钢包铁壳和模芯的三维点云数据，通过拟合算法找到钢包模芯相对于钢包铁壳的最佳位置，根据钢包铁壳内侧表面点与模芯外侧表面点之间的距离反映钢包铁壳的变形情况，提高钢包铁壳变形情况的检测精度。

本发明提供了一种钢包铁壳变形检测方法，包括以下步骤：

S1、扫描前处理：在钢包铁壳和模芯周围架设三维激光扫描仪，选取多个测站，在距离钢包铁壳和模芯0-10米的范围内布置多个标靶点，作为不同位置处数据拼接的同名点或连接点；

S2、数据采集：分别对钢包铁壳内表面和模芯外表面进行扫描，采集钢包铁壳内表面和模芯外表面的原始三维点云数据；

S3、数据拼接：对相邻测站采集到的原始三维点云数据进行粗拼接，然后通过数据处理软件进行三维平差计算，完成精准拼接，分别得到钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维模型数据；

S4、数据过滤：剔除三维点云数据中的噪声数据和冗余数据，获得分布均匀的三维点云数据；

S5、数据配准：将过滤后的钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据配准，转换至同一坐标系中，完成钢包铁壳与模芯的三维点云数据配准；

S6、位置拟合：按一定间距分别对钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据进行水平截面，并对每一水平截面的点云进行圆拟合；分别求取钢包铁壳内表面和模芯外表面的多个截面拟合圆的平均圆心位置，使得两个平均圆心位置重合，得出模芯在钢包铁壳内的最佳安放位置；

S7、变形分析：计算模芯外表面与钢包铁壳内表面之间的距离，分析钢包铁壳的变形情况，判断钢包铁壳的使用安全性。

优选地，所述步骤S1中的标靶点采用标靶球。

优选地，所述步骤S1中，摆放标靶点时应保证从每个测站都能扫描到至少三个标靶点。

优选地，执行所述步骤S5时，采用ICP算法对钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据进行配准。

优选地，执行所述步骤S6时，按20cm间距分别对钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据进行水平截面。

优选地，执行所述步骤S2时，在采集完钢包铁壳内表面的原始三维点云数据后，对钢包铁壳的外表面进行扫描，采集钢包铁壳外表面的原始三维点云数据；执行所述S3时，利用钢包铁壳内表面和外表面的三维点云数据拼接出完整的钢包铁壳的三维点云数据。

优选地，执行所述步骤S6时，需先自定义三维空间坐标系：选取钢包铁壳的俯视方向，定义钢包铁壳带吊环的一侧为北方，然后定义钢包铁壳底部中心为坐标原点，东方为X轴正向，北方为Y轴正向，钢包铁壳开口方向为Z轴。

优选地，还包括步骤S8、采用XOZ平面截取钢包铁壳的三维点云数据，获得钢包铁壳的截面点云，量取钢包铁壳各处的结构尺寸。

优选地，还包括步骤S9、根据钢包铁壳上的耳轴的三维点云数据拟合圆柱体，提取所述圆柱体的截面法向方向，计算耳轴的水平度，并从外侧测量耳轴的变形尺寸。

优选地，还包括步骤S10、量取钢包铁壳开口的尺寸，检测钢包铁壳开口处的椭圆度。

综上所述，本发明的有益之处在于，通过三维激光扫描技术采集钢包铁壳和模芯的三维点云数据，可以从整体上观测和分析钢包铁壳的变形情况，能更直观、更高效、更精准地测量钢包铁壳及模芯的变形量，提高钢包铁壳变形情况的检测精度，判断钢包铁壳的使用安全性，提高永久层的浇筑质量。

附图说明

图1是对钢包铁壳内表面进行三维扫描的示意图；

图2是对钢包铁壳外表面进行三维扫描的示意图；

图3是模芯外表面进行三维扫描的示意图；

图4是本发明检测方法中自定义的三维空间坐标系示意图；

图5是钢包铁壳内表面相对于模芯外表面的变形分布图；

图6是钢包铁壳XOZ截面的尺寸示意图；

图7是从正视方向测量左右耳轴水平度的示意图；

图8是从俯视方向测量左右耳轴水平度的示意图；

图9是钢包铁壳开口的变形情况示意图。

元件标号说明：

1 钢包铁壳

2 三维激光扫描仪

3 左耳轴

4 右耳轴

5 模芯

a 外口尺寸

b 内口尺寸

c 吊点跨距

d 耳轴至钢包铁壳开口距离

e 钢包铁壳内表面高度

f 钢包铁壳外表面高度

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“水平”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种钢包铁壳变形检测方法，包括以下步骤：

S1、扫描前处理：为了保证采集的数据的可靠性，应将钢包铁壳1和模芯5(测量目标)放置在一块干燥、稳定的平地上，尽量降低周围环境中的灰尘含量，且在扫描时，测量目标周围至少6米的范围内不应有障碍物。

在测量目标周围架设三维激光扫描仪2，选取多个测站，然后在距离钢包铁壳1和模芯5约0-10米的范围内布置多个标靶点，作为不同位置处数据拼接的同名点或连接点。放置标靶点时应注意从高度和距离上错开，保证从每个测站都能扫描到至少三个标靶点。优选地，可以采用标靶球作为标靶点。三维激光扫描仪2应架设在视野相对开阔的位置，距离测量目标5-10米，避免因为距离过近或过远影响采集的数据的准确性。

S2、数据采集：如图1和图3所示，分别对钢包铁壳1内表面和模芯5外表面进行多次扫描，采集钢包铁壳1内表面和模芯5外表面的原始三维点云数据。优选地，如图2所示，还应对钢包铁壳1的外表面进行扫描，采集钢包铁壳1外表面的原始三维点云数据。

S3、数据拼接：将相邻测站采集到的有重叠部分的原始三维点云数据进行粗拼接，然后通过数据处理软件进行三维平差计算，完成精准拼接。具体地，是利用钢包铁壳内表面和外表面的三维点云数据拼接出完整的钢包铁壳的三维点云数据，并得到模芯5外表面的三维模型数据。

S4、数据过滤：通过数据处理软件剔除三维点云数据中的噪声数据和冗余数据，获得点密度满足应用分析要求，且分布均匀的三维点云数据。

S5、数据配准：将过滤后的钢包铁壳1内表面和模芯5外表面的三维点云数据配准，转换至同一坐标系中，完成钢包铁壳1与模芯5的三维点云数据配准。优选地，可以采用效率高、适合海量点云数据之间配准的ICP算法。

S6、位置拟合：为了方便后续分析钢包铁壳1的变形情况，可以首先对三维空间坐标系进行自定义。具体地，如图4所示，选取钢包铁壳1的俯视方向，定义钢包铁壳1带吊环的一侧为北方，然后定义钢包铁壳1底部中心为坐标原点，东方为X轴正向，北方为Y轴正向，钢包铁壳1开口方向为Z轴。

按一定间距分别对钢包铁壳1内表面和模芯5外表面的三维点云数据进行水平截面，并对每一水平截面的点云进行圆拟合，然后分别求取钢包铁壳1内表面和模芯5外表面的多个截面拟合圆的平均圆心位置，使得两个平均圆心位置重合，得出模芯5在钢包铁壳1内的最佳安放位置。优选地，按20cm间距分别对钢包铁壳1内表面和模芯5外表面的三维点云数据进行水平截面，该间距既可以避免三维点云数据过于密集影响圆拟合结果，又不会因水平截面圆之间的间距太远而影响求取的平均圆心位置的准确性。

S7、变形分析：截取多个不同取向的平面，对钢包铁壳1内表面和模芯5外表面进行截面分析，计算模芯5外表面与钢包铁壳1内表面之间的距离，获得如图5所示的钢包铁壳1的变形分布图。由该变形分布图可看出该钢包的永久层厚度分布是否均匀，并判断钢包铁壳1的使用安全性。

进一步地，还包括以下步骤：

S8、如图6所示，采用XOZ平面截取整个钢包铁壳1的三维点云数据，获得钢包铁壳1的截面点云，并量取钢包铁壳1各处的结构尺寸，如外口尺寸a、内口尺寸b、吊点跨距c、耳轴至钢包铁壳开口距离d、钢包铁壳内表面高度e和钢包铁壳外表面高度f等，获得钢包铁壳1的变形区域数据。

S9、如图7和图8所示，根据钢包铁壳1上的耳轴三维点云数据拟合圆柱体，提取该圆柱体的截面法向方向，计算正视方向和俯视方向的左耳轴3和右耳轴4的水平度，并从外侧测量左耳轴3和右耳轴4的变形尺寸。

S10、如图6和图9所示，根据外口尺寸a和内口尺寸b计算钢包铁壳1开口的椭圆度，判断钢包铁壳1开口的变形程度。

综上所述，本发明的有益之处在于，通过三维激光扫描技术采集钢包铁壳1和模芯5的三维点云数据，可以从整体上观测和分析钢包铁壳1的变形情况，提高钢包铁壳1变形情况的检测精度，判断钢包铁壳1的使用安全性；通过软件处理，拟合出钢包铁壳1和模芯5的最佳安放位置，有效指导永久层浇注施工，提高永久层的浇筑质量，从而保证钢包的使用安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钢包铁壳变形检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、扫描前处理：在钢包铁壳和模芯周围架设三维激光扫描仪，选取多个测站，在距离钢包铁壳和模芯0-10米的范围内布置多个标靶点，作为不同位置处数据拼接的同名点或连接点；

S2、数据采集：分别对钢包铁壳内表面和模芯外表面进行扫描，采集钢包铁壳内表面和模芯外表面的原始三维点云数据；

S3、数据拼接：对相邻测站采集到的原始三维点云数据进行粗拼接，然后通过数据处理软件进行三维平差计算，完成精准拼接，分别得到钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维模型数据；

S4、数据过滤：剔除三维点云数据中的噪声数据和冗余数据，获得分布均匀的三维点云数据；

S5、数据配准：将过滤后的钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据配准，转换至同一坐标系中，完成钢包铁壳与模芯的三维点云数据配准；

S6、位置拟合：按一定间距分别对钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据进行水平截面，并对每一水平截面的点云进行圆拟合；分别求取钢包铁壳内表面和模芯外表面的多个截面拟合圆的平均圆心位置，使得两个平均圆心位置重合，得出模芯在钢包铁壳内的最佳安放位置；

S7、变形分析：计算模芯外表面与钢包铁壳内表面之间的距离，分析钢包铁壳的变形情况，判断钢包铁壳的使用安全性。

2.根据权利要求1所述的变形检测方法，其特征在于，所述步骤S1中的标靶点采用标靶球。

3.根据权利要求1所述的变形检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，摆放标靶点时应保证从每个测站都能扫描到至少三个标靶点。

4.根据权利要求1所述的变形检测方法，其特征在于，执行所述步骤S5时，采用ICP算法对钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据进行配准。

5.根据权利要求1所述的变形检测方法，其特征在于，执行所述步骤S6时，按20cm间距分别对钢包铁壳内表面和模芯外表面的三维点云数据进行水平截面。

6.根据权利要求1所述的变形检测方法，其特征在于，执行所述步骤S2时，在采集完钢包铁壳内表面的原始三维点云数据后，对钢包铁壳的外表面进行扫描，采集钢包铁壳外表面的原始三维点云数据；执行所述S3时，利用钢包铁壳内表面和外表面的三维点云数据拼接出完整的钢包铁壳的三维点云数据。

7.根据权利要求6所述的变形检测方法，其特征在于，执行所述步骤S6时，需先自定义三维空间坐标系：选取钢包铁壳的俯视方向，定义钢包铁壳带吊环的一侧为北方，然后定义钢包铁壳底部中心为坐标原点，东方为X轴正向，北方为Y轴正向，钢包铁壳开口方向为Z轴。

8.根据权利要求7所述的变形检测方法，其特征在于，还包括步骤S8、采用XOZ平面截取钢包铁壳的三维点云数据，获得钢包铁壳的截面点云，量取钢包铁壳各处的结构尺寸。

9.根据权利要求8所述的变形检测方法，其特征在于，还包括步骤S9、根据钢包铁壳上的耳轴的三维点云数据拟合圆柱体，提取所述圆柱体的截面法向方向，计算耳轴的水平度，并从外侧测量耳轴的变形尺寸。

10.根据权利要求9所述的变形检测方法，其特征在于，还包括步骤S10、量取钢包铁壳开口的尺寸，检测钢包铁壳开口处的椭圆度。

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