CN204679409U - 转炉炼钢碳含量检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种转炉炼钢碳含量检测系统，包括：望远光学系统，被配置用于实时采集炼钢炉口的火焰图像信息；光谱仪，被通过光纤连接至望远光学系统进行火焰光谱分析；终点控制装置，接收光谱仪传输的光谱分布信息进行碳含量的检测，终点控制装置包括微处理器、第一运算单元和第二运算单元，第一运算单元与第二运算单元连接构成一独立运算模块用于根据接收到的光谱分布信息进行碳含量检测。本实用新型所提出的检测系统将传统的通过软件计算实现的碳含量预测改成通过硬件烧录模型的方式来进行，显著提高运算速度，而且由于通过硬件的形式来实现，显著增强系统的可靠性和运算效率，避免传统软件计算所带来的计算时间长、软件故障率高等缺陷。

Description

转炉炼钢碳含量检测系统

技术领域

本实用新型的各个方面涉及转炉炼钢技术领域，尤其是转炉炼钢过程中钢水碳含量的实时监测，具体而言涉及转炉炼钢碳含量检测系统。

背景技术

现今世界上的主流炼钢技术就是转炉炼钢，其产量占钢铁总产量的70％以上。而在转炉炼钢过程中最重要的一环就是末期的终点控制，直接关系到最后钢水的质量。自从转炉炼钢方法出现以来，转炉炼钢的终点控制主要经历了人工经验控制、静态模型控制、动态模型控制和光信息控制四个发展阶段。

人工经验控制，即经验炼钢，利用热电偶测温定碳和炉前取样快速分析的手段，对正常吹炼条件下的转炉终点进行人工经验判断控制。碳氧反应速率是划分三个阶段的重要依据，而碳氧反应的剧烈程度及钢水的温度，都能够被炉口火焰反映出来。炼钢操作工人通过观察炉口火焰、火花和供氧时间来综合判断炼钢终点。然而，仅仅依靠操作工人的肉眼观察，存在终点命中率低、工人劳动强度大等问题。

静态模型控制就是根据统计学的原理，对以往转炉吹炼的初始数据进行统计分析，计算出吹炼所需要的初始条件，以此条件来进行吹炼过程。一般来说，静态模型控制相比人工经验控制能够更加有效地利用吹炼过程的初始条件进行定量计算和控制。静态模型控制能够依据原料条件寻找最佳原料配比，并根据实际配料确定冶炼方案，克服经验控制上的随机性和不一致性。现有的静态模型包括机理模型、统计模型和增量模型三种。而在实际应用中，常常以这三种模型相互结合来提高终点控制的精度。但是由于静态模型控制不考虑吹炼过程中的动态信息，不能进行在线跟踪和实时修正，因此准确性受到很大的限制。

动态模型控制主要是副枪动态控制方法，在静态模型的基础上利用副枪对转炉内的钢水进行检测，根据检测得到的结果，对初始参数加以修正，来得到精确的终点。尤其是近年来，随着人工神经网络的研究在动态模型控制方法上的应用，克服了传统静态模型控制忽视吹炼过程中动态信息的问题，进一步提高了检测的准确性，使终点检测结果的命中率得到了进一步的提升，同时使炼钢的自动化程度得到了极大的提高。但是它成本比较高，需要对转炉进行改造，故对一般的中小型转炉不太适用。

传统方法或对终点判断不准确，或成本高适应性受限，因此随着炼钢技术的发展和相关技术的进步，人们不断尝试在终点控制技术中应用更加有效和准确的方法。在20世纪80年 代，出现了利用转炉炉口光学信息对转炉炼钢终点判断的新型终点控制方法。诸如，利用红外激光穿透炉气时发生的变化情况来测量炉气成分来判断终点的光学探测器，该探测器通过检测穿过炉气激光发生的变化情况来判断终点，其主要原理是检测炉气中的一氧化碳的含量，根据炉气中的一氧化碳的成分变化来进行终点控制。在经验或者动态模型控制中，始终不可忽略的就是操作工人要从火焰的变化来获取不同程度的信息，这些信息其实就是火焰的光圈、光谱分布和火焰的图像信息。随着光电器件的不断发展，光学处理方法的不断成熟，光学探测技术得到了极大的发展，光学控制方法也应用到了转炉炼钢的终点控制中。诸如张金进、石彦杰等人提出的钢水辐射光谱信息探测法、美国伯利恒钢铁公司提出的炉口火焰光强信息探测法、卫成业、严建华等人提出的火焰图像信息探测法等。

虽然炼钢终点控制理论的研究不断深入，但这些方法所需的成本极高，探测和分析设备的造价都是极其昂贵的，而且安装和维护十分不便，仅仅在一些实力强大的钢铁企业中应用。在大多数中小钢铁企业中，还是以单一的经验控制或者静态模型控制为主。而最新的光信息控制方法虽然提供了一些有价值的思路和应用方向，但由于受到生产规模、生产条件的限制，尤其是复杂、恶劣的炼钢生产环境，在光信息采集方面，抗干扰能力弱，不能迅速连续的提取所需要的参数信息，因而很难为一些中小钢铁企业所接受。

因此，迫切需要研制一种精确的，适用于中小钢铁企业，中小转炉的在线实时炼钢终点控制方案。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种转炉炼钢碳含量动态检测系统，具有非接触、抗干扰能力强、易于操作等优点，从而解决了当前转炉炼钢碳含量在线动态检测方面的问题。

本实用新型的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本实用新型提出一种转炉炼钢碳含量检测系统，该检测系统包括：

望远光学系统，被配置用于实时采集炼钢炉口的火焰图像信息，该望远光学系统包括共光轴的物镜和目镜，通过该物镜和目镜对炼钢炉口的火焰进行成像并通过一光纤传输；

光谱仪，被配置通过所述光纤连接至所述望远光学系统，接收来自所述望远光学系统的火焰图像信息进行火焰光谱分析；

终点控制装置，通过数据线与所述光谱仪连接，接收光谱仪传输的光谱分布信息进行碳含量的检测；

其中：

所述的终点控制装置包括微处理器、第一运算单元和第二运算单元，所述微处理器与第 一运算单元和第二运算单元分别连接用于控制该第一运算单元与第二运算单元的运行，第一运算单元与第二运算单元连接构成一独立运算模块用于根据接收到的光谱分布信息进行碳含量检测；该独立运算模块具有数据接口与所述光谱仪连接以接收所述的光谱分布信息。

进一步的实施例中，所述第一运算单元和第二运算单元均构造为烧录了碳含量检测模型的FPGA芯片。

进一步的实施例中，所述第一运算单元和第二运算单元均构造为烧录了碳含量检测模型的CPLD芯片。

进一步的实施例中，所述微处理器包括电源模块、存储模块和中央处理模块，存储模块和中央处理模块连接，其中：所述电源模块用于提供电压供应，且配置有一储能元件用于消除电磁干扰；所述电源模块与存储模块、中央处理模块的接线线路中以及存储模块和中央处理模块的接线线路中均连接有滤波器以消除导线上的干扰。

进一步的实施例中，所述储能元件包括至少一个电容器，其一端连接在所述电源模块的输出线路上，另一端接地。

进一步的实施例中，所述储能元件包括至少两个并联的电容器，该至少两个并联的电容器的一端均连接在所述电源模块的输出线路上，另一端分别接地。

进一步的实施例中，所述电源模块与存储模块、中央处理模块的接线线路中以及存储模块和中央处理模块的接线线路中串联所述的滤波器，该滤波器构造为LC滤波器。

进一步的实施例中，所述望远光学系统还包括一偏振片，设置所述物镜和目镜的光学成像通路中。

进一步的实施例中，所述望远光学系统还包括一独立于物镜和目镜、用于调节炉口火焰探测视场的视场光栏，该视场光栏配置在所述物镜、目镜所形成的光学成像通路中。

进一步的实施例中，所述视场光栏为可变视场光栏。

应当理解，所述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的所述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成 部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1是本实用新型所提出的转炉炼钢碳含量动态检测系统的示意图。

图2是图1的检测系统中终点控制装置的示意图。

图3是图2的终点控制装置中微处理器的示意图。

图4是图1的检测系统中望远光学系统的示意图。

图5是图1的检测系统中望远光学系统另一个实施方式的示意图。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示，本实用新型提出的转炉炼钢碳含量动态检测系统，包括望远光学系统1、光谱仪2以及终点控制装置3。

望远光学系统1与光谱仪2之间通过光纤4连接。

望远光学系统1，被配置用于实时采集炼钢炉口的火焰图像信息。

光谱仪2，被配置通过光纤4接收来自望远光学系统1的火焰图像信息，并进行光谱分析以获取火焰光谱分布信息。

光谱仪2，在本例中选用了光栅光谱仪，诸如海洋光学的USB4000-VIS-NIR的微型CCD光栅光谱仪，其体积小、故障率低，且安装方便，与本例设计的望远光学系统配合可稳定获得炉口火焰的稳定光谱。

终点控制装置3，通过数据线与所述光谱仪2连接，接收光谱仪2传输的光谱分布信息进行碳含量的检测。

结合图2，所述终点控制装置3包括微处理器31、第一运算单元32和第二运算单元33，所述微处理器31与第一运算单元32和第二运算单元33分别连接用于控制该第一运算单元32与第二运算单元33的运行，第一运算单元32与第二运算单元33连接构成一独立运算模块用于根据接收到的光谱分布信息进行碳含量检测.

前述独立运算模块具有数据接口与所述光谱仪2连接以接收所述的光谱分布信息。

作为可选的例子，所述第一运算单元32和第二运算单元33均构造为烧录了碳含量检测 模型的FPGA芯片。

本公开所提出的检测系统中，所述的模型可以采用现有的SVM检测模型，本实用新型并未对检测模型做改变或者改进，这些模型作为成熟的检测方式例如可通过烧录技术将其固化到FPGA芯片或者CPLD芯片中，从而接收前述微处理器31的控制并在接收到火焰光谱信息后自动进行碳含量的检测。

这些模型，诸如在许凌飞等人所提出的炉口火焰的终点控制方法的相关文献中均有详细实现，在本实用新型可以直接引用以实现，在此不再赘述。

在另一些例子中，所述第一运算单元32和第二运算单元33均构造为烧录了碳含量检测模型的CPLD芯片。同样地，这些碳含量检测模型可以采用现有的SVM检测模型，或者其他的检测模型。

面对复杂的炼钢环境和日益增加的炼钢产能、炼钢质量的要求，对于炼钢钢水中碳含量检测的速度、效率均提出了更高的要求，本实用新型所提出的上述解决方案，通过将两个分运算单元例如CPLD或者FPGA，连接形成一个独立的运算单元，而在每一个分运算单元中均烧录了用于碳含量检测的模型，如此提高碳含量预测的运算速度，而且由于通过硬件的形式来实现运算，显著增强系统的可靠性和运算效率，可避免传统的采用软件形式计算所带来的计算时间长、软件故障率高等缺陷。

作为可选的方案，如图3所示，前述的微处理器包括电源模块、存储模块和中央处理模块(CPU)，存储模块和中央处理模块连接，其中：所述电源模块用于提供电压供应，且配置有一储能元件用于消除电磁干扰；所述电源模块与存储模块、中央处理模块的接线线路中以及存储模块和中央处理模块的接线线路中均连接有滤波器以消除导线上的干扰。

作为优选的方案，前述储能元件与电源模块并联。

在一个例子中，前述储能元件，包括一电容器，该电容器的一端与所述电源模块的输出线路连接，另一端接地。

在另一些例子中，这些储能元件还可以采用至少两个电容器(如图2所示的C1、C2)来实现。例如，通过至少两个并联的电容器构成前述的储能元件，该至少两个并联的电容器的一端均连接在所述电源模块的输出线路上，另一端分别接地。

优选地，前述两个电容器中，其中一个为用于滤除低频波的电解电容C1(大电容)，另一个为用于滤除高频波的瓷片电容C2(小电容)。

在另一些例子中，储能元件还可采用电感或者电容与电感的结合来实现。

电源模块与存储模块、中央处理模块的接线线路中、存储模块和中央处理模块的接线线路中均串联滤波器。

前述滤波器优选为LC滤波器。

如前所示，本公开的前述实施例中的第一运算单元32、第二运算单元33通过FPGA芯片、CPLD芯片中的一种，这些FPGA芯片、CPLD芯片中烧录用于进行碳含量检测的模型。利用运算单元，在接收到火焰光谱信息后自动进行碳含量的检测。

结合图4，本公开的检测系统中，作为可选的例子，所述望远光学系统1包括共光轴的物镜和目镜，通过该物镜和目镜对所述炼钢炉口的火焰进行成像。

所述物镜为双分离透镜，由一块正透镜和一块负透镜共光轴的分布而构成。

所述目镜为凯涅尔目镜，由一块单透镜和一块双胶合透镜共光轴的分布而构成。

优选地，望远光学系统1还包括一偏振片，设置所述物镜和目镜的光学成像通路中。

优选地，所述偏振片设置所述目镜的后方，并位于所述光纤与目镜之间。更加进一步地，所述偏振片更加接近前述的光纤4，从而增强火焰图像采集。

在另外的例子中，所述偏振片还可以设置所述物镜与目镜之间。

在更加另外的例子中，所述偏振片设置所述物镜的前方，当然这样的设置将使得偏振片的设计成本和难度增加。

为了适应炼钢厂的复杂恶劣现场环境，前述的偏振片优选采用耐高温的染料系偏光片，诸如日本波拉公司生产的染料系偏光片。

由于不同钢厂的炼钢环境不同，所产生的火焰光的偏振态不同，因此在本实用新型的方案中选用偏振片后可增强火焰采集，从而使得火焰光谱信息的获取和检测更加可靠，稳定性更好。

在另一些实施例中，为了适应不同炼钢现场的复杂情况，诸如炼钢炉大小不同、与望远光学系统的距离不同、上盖不同等原因，结合图5，本公开的检测系统中，在优选的例子中，望远光学系统1还可包括一个独立于物镜和目镜的、用于调节炉口火焰探测视场的视场光栏，该视场光栏配置在物镜、目镜所形成的光学成像通路中，用于调节炉口火焰的探测视场。

优选地，所述视场光栏位于所述物镜的焦平面上。

在另外的例子中，所述视场光栏还可以设置在位于目镜的后方并贴近所述光纤的位置。

优选地，所述视场光栏为可变视场光栏。

图4中，f₁'表示物镜的焦距，f₂'表示目镜的焦距。

图5中，标号l表示物镜、目镜的光轴，f₁'表示物镜的焦距，f₂'表示目镜的焦距。

结合附图所示，根据以上公开的技术内容，在本实用新型所提出的检测系统中，在终点控制装置中做了特殊的设计，将传统的通过软件计算实现的碳含量预测改成通过硬件烧录模 型的方式来进行，可显著提高碳含量预测的运算速度，而且由于通过硬件的形式来实现运算，显著增强系统的可靠性和运算效率，可避免传统的采用软件形式计算所带来的计算时间长、软件故障率高等缺陷。在进一步优选的方案中，还通过在预测板上设置的抗电磁干扰设计和对敏感通道上设置的滤波设计，最大限度上保障终点控制装置能够在炼钢环境现场保持稳定的运行，不会因为现场复杂的电磁干扰而影响系统的可靠性和预测的精确性。同时在优选的方案中，由于设置了偏振片，用于增强火焰光谱采集的效果，使得测量更加稳定，可靠性增强。而且，还设置了一个用于调节炉口火焰探测视场的视场光栏，当然更优选的是可变视场光栏，使得整个检测系统可以适应多种不同的炼钢环境现场，尤其是针对不同距离的火焰探测、不同大小炼钢炉的火焰探测以及对于炉口的盖子上下动作对火焰探测带来的影响(如马钢的炼钢炉)，具有极大的便利，不需要再设计一套光学系统来进行望远成像，利用本实用新型的方案仅需要适应性地调节视场光栏即可，提高了整个系统的适应性，而且可以预见的是，采用该套方案可显著降低生产或者现有钢厂(尤其是中小炼钢厂)采用该系统的成本，安装方便，现场简单调试即可投入使用。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，该检测系统包括：

望远光学系统，被配置用于实时采集炼钢炉口的火焰图像信息，该望远光学系统包括共光轴的物镜和目镜，通过该物镜和目镜对炼钢炉口的火焰进行成像；

光谱仪，被配置通过光纤连接至所述望远光学系统，接收来自所述望远光学系统的火焰图像信息进行火焰光谱分析；

终点控制装置，通过数据线与所述光谱仪连接，接收光谱仪传输的光谱分布信息进行碳含量的检测；

其中：

所述的终点控制装置包括微处理器、第一运算单元和第二运算单元，所述微处理器与第一运算单元和第二运算单元分别连接用于控制该第一运算单元与第二运算单元的运行，第一运算单元与第二运算单元连接构成一独立运算模块用于根据接收到的光谱分布信息进行碳含量检测；该独立运算模块具有数据接口与所述光谱仪连接以接收所述的光谱分布信息。

2.根据权利要求1所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述第一运算单元和第二运算单元均构造为烧录了碳含量检测模型的FPGA芯片。

3.根据权利要求1所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述第一运算单元和第二运算单元均构造为烧录了碳含量检测模型的CPLD芯片。

4.根据权利要求1所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述微处理器包括电源模块、存储模块和中央处理模块，存储模块和中央处理模块连接，其中：所述电源模块用于提供电压供应，且配置有一储能元件用于消除电磁干扰；所述电源模块与存储模块、中央处理模块的接线线路中以及存储模块和中央处理模块的接线线路中均连接有滤波器以消除导线上的干扰。

5.根据权利要求4所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述储能元件包括至少一个电容器，其一端连接在所述电源模块的输出线路上，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述储能元件包括至少两个并联的电容器，该至少两个并联的电容器的一端均连接在所述电源模块的输出线路上，另一端分别接地。

7.根据权利要求4所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述电源模块与存储模块、中央处理模块的接线线路中以及存储模块和中央处理模块的接线线路中串联所述的滤波器，该滤波器构造为LC滤波器。

8.根据权利要求1所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述望远光学系统还包括一偏振片，设置所述物镜和目镜的光学成像通路中。

9.根据权利要求1所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述望远光学系统还包括一独立于物镜和目镜、用于调节炉口火焰探测视场的视场光栏，该视场光栏配置在所述物镜、目镜所形成的光学成像通路中。

10.根据权利要求9所述的转炉炼钢碳含量检测系统，其特征在于，所述视场光栏为可变视场光栏。