DE602004001443T2

DE602004001443T2 - Verfahren zur Kontrolle der Abnutzung einer Elektrode

Info

Publication number: DE602004001443T2
Application number: DE602004001443T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude 1232 BAUMERT; Jean-Claude 4962 THIBAUT
Original assignee: Arcelor Profil Luxembourg SA
Current assignee: ArcelorMittal Belval and Differdange SA
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2004-01-20
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: DE602004001443D1; ATE332621T1; EP1558062A1; ES2268574T3; EP1558062B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur online erfolgenden und automatischen Überwachung der Abnutzung von Elektroden, insbesondere Graphitelektroden, in einem Lichtbogenofen (LBO).
Hintergrund der Erfindung
Der Elektrodenverbrauch ist ein wichtiger Faktor, der bei der Optimierung der Elektrodenqualität und demnach bei der Optimierung der Prozesskosten der Stahlherstellung bei einem LBO zu berücksichtigen ist. Ist die Abnutzung der Elektroden bekannt, kann man die Elektrodenqualität verbessern und Elektrodenbrüche reduzieren. Elektrodenbrüche sind nicht nur kostenaufwändig, sondern verlangsamen auch die Produktion. Holt man eine gebrochene Elektrodenspitze aus dem Stahlschmelzebad heraus, wird die Produktion möglicherweise für bis zu 5 Minuten unterbrochen, wenn sich die Elektrodenspitze an der Oberfläche absetzt. Falls eine gebrochene Elektrode aber im Bad verbleibt, könnte dies ohne weiteres Verzögerungen von bis zu 45 Minuten verursachen. Der Bruch von Elektroden ist später im Schmelzzyklus weniger wahrscheinlich, doch normalerweise dauert es länger, wenn man sie in einer späteren Wärmeentwicklungsphase aus dem Ofen herausnimmt.
WO-A-00/74442 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Elektrodenlänge und des Schmelzbadfüllstands in einem Lichtbogenofen. Gemäß diesem Verfahren wird die Elektrodenlänge dadurch bestimmt, dass man die Elektrode am Ende jeder Erwärmung nach unten zum oberen Füllstand des Stahlbads hin bewegt und die Elektrodenbewegung anhält, wenn ein vorgegebenes Stoppkriterium erreicht ist. Demzufolge ist der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und dem Füllstand der Schmelze bei jeder Messung ungefähr konstant. In diesem Zustand wird eine erste Messung der Elektrodenposition (Höhe) durchgeführt. Danach wird die Elektrode angehoben und aus dem Ofenkörper herausbewegt, bis ihre Spitze die Höhe eines Lichtstrahlwegs erreicht, der in einer vorbestimmten Höhe in Bezug auf den Boden der Schmelze oder des Ofenkörpers angeordnet ist. In dieser Position erfolgt eine zweite Messung. Basierend auf den zwei Messungen kann die tatsächliche Länge der Elektrode und daher der Verbrauch der Länge pro Korbinhalt geschmolzenen Schrotts bestimmt werden. Mit diesem Verfahren kann man jedoch weder die Form der Elektrode – insbesondere deren Spitze – noch die seitliche Abnutzung der Elektrode messen, die beispielsweise durch Oxidation des Elektrodengraphitmaterials während des Stahlherstellungsprozesses verursacht wird.
Ein Bericht mit dem Titel „Überwachung der Elektrodenqualität und Verminderung des Elektrodenverbrauchs von Lichtbogenöfen" von Gronau et al., der 1988 in „Technische Forschung Stahl" von der Europäischen Kommission veröffentlicht wurde (EUR 12019 DE), offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Elektrodenqualität und Verminderung des Elektrodenverbrauchs bei einem LBO zum Zeitpunkt der Entnahme der Elektrode aus dem Ofen nach dem Schmelzen. Die verwendete Vorrichtung ermöglicht allerdings nur zeitlich begrenzte Messkampagnen und nicht die kontinuierliche und automatische Überwachung der Elektrode.
Für eine umfangreiche Überwachung der Elektrodenabnutzung sind darüber hinaus wichtige Informationen erforderlich, beispielsweise Form des Spitzenkegels und Abnutzung an der Seite, Bildung und Ausbreitung von Rissen, Probleme wegen Ansatzbildung, Risse in der Spitze und „Abfallen" der Spitze sowie Verlust von Graphitmaterial wegen loser Partikel und Tröpfchen.
Ein dem Stand der Technik entsprechendes digitales Elektrodenüberwachungssystem wird von WO 02/28084 offenbart.
Es besteht also Bedarf nach der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die solche Informationen zum Zwecke der Auswertung der Elektrodenabnutzung kontinuierlich und automatisch zur Verfügung stellen können.
Ziel der Erfindung
Demzufolge besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein besseres Verfahren zur Messung der Elektrodenabnutzung in einer Lichtbogenofen-Anlage bereitzustellen.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass ein Verfahren zur Überwachung der Abnutzung einer Elektrode in einem Lichtbogenofen bereitgestellt wird, das folgende Schritte umfasst:
Aufnahme eines Digitalbilds der noch glühenden Spitze der Elektrode;
Anwendung eines numerischen Randerkennungs-Filteralgorithmus auf das Digitalbild, um so ein gefiltertes Bild zu erhalten, bei dem abrupte Änderungen in der Lichtintensität als Konturlinien gekennzeichnet sind; und
Analyse der Konturlinien, um die Form der Elektrodenspitze und das Vorhandensein von Rissen zu bestimmen.
Nach dem Schmelzen jedes Schrottkorbs umfasst das Verfahren vorzugsweise die Übertragung eines Signals an die Digitalkamera, das die Bewegung der Elektrode vor der Kamera meldet, so dass die Kamera ein Bild der Elektrode aufnehmen kann. Das Bild wird an einen Personalcomputer gesendet, der vorzugsweise mit einer geeigneten Software für das automatische Extrahieren alle relevanten Informationen versehen ist. Die Informationen werden durch eine spezielle Software extrahiert. Alle Informationen, also beispielsweise Rohbilder und extrahierte Merkmale, können gespeichert werden, um so ein Bildarchiv zu erstellen und für weitere Analysen verwendbar zu sein.
Die spezielle Software führt vorzugsweise eine Bildanalyse des Pixelbilds durch. Die Bildanalyse ermöglicht eine Weiterverfolgung der Elektrode. Sie bietet insbesondere die Möglichkeit, den Einfluss der Maßtoleranzen, die Geometrie der Ansätze, das angewandte Drehmoment, die mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie die Bedingung für die Verwendung der Elektrode zu untersuchen und zu erfahren. Diese Informationen erlauben demzufolge die Optimierung der Elektrodenqualität und den wirtschaftlicheren Einsatz von Lichtbogenöfen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie deren derzeit bevorzugte Ausführungen gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2: eine schematische Darstellung einer Kameraposition der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verwendung bei einem Doppelmantel-Lichtbogenofen;
3: den Schritt zum Drehen und Entfernen der Beschriftung in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
4: den Schritt zur künstlichen Einfärbung des Bilds bei einer Elektrodenspitze ohne Lichtbogenablenkung in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
5: den Schritt zur künstlichen Einfärbung des Bilds bei einer Elektrodenspitze mit Lichtbogenablenkung in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
6: den Schritt zur Elektrodenranderkennung in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
7: den Schritt zur Schwellenwerterkennung in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
8: die nichtlineare Filtermatrix für den Schritt zum Entfernen von „Lichtkörnern" oder Lichtpunkten in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
9: den Schritt zum Entfernen von „Lichtkörnern" oder Lichtpunkten nach Anwendung des Filters von 8 in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
10: den Schritt zur Erkennung der, Elektrodenspitzenzone in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren;
11: das Ergebnis des Schritts zur Erkennung der Elektrodenspitzenzone von Schritt 10 in einer erfindungsgemäßen Anzeige;
12: ein Beispiel von Bildpixeln, die für den Schritt zur Erkennung der Elektrodenspitze und numerischen Approximation der Form in einem erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahren verwendet werden;
13: das Ergebnis des Schritts zur Erkennung der Elektrodenspitze von 12 in einer erfindungsgemäßen Anzeige;
14: das Ergebnis der linearen Approximation der Flanken des Elektrodenkegels in einer erfindungsgemäßen Anzeige;
15: die Definition der oxidierten Zone der Elektrode, die erfindungsgemäß bestimmt wurde; und
16: ein Blockdiagramm, das eine Realisierung eines erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahrens darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zuerst Bezug nehmend auf 2 umfasst die vorliegende Lichtbogenofen-Anlage zwei Lichtbogenofenkörper (LBO-Körper) 13, 14 und eine von den zwei LBOs 13, 14 genutzte Graphitelektrode 12.
Nachdem ein Schrottkorb geschmolzen ist, wird die Elektrode 12 von einem LBO 13 zum anderen LBO 14 bewegt. Eine Digitalkamera 1 ist so angeordnet, dass sie ein Bild der Elektrode 12 aufnehmen kann, während diese sich von einem LBO zum anderen bewegt. 2 zeigt die Bewegung einer Elektrode 12 von einem ersten LBO 13 zu einem zweiten LBO 14. In der Technik ist bekannt, dass die Bewegung der Elektrode 12 vom ersten LBO 13 zum zweiten LBO 14 – oder in umgekehrter Richtung – mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) 11 (in 1 dargestellt) gesteuert wird. Die SPS 11 ist an die Digitalkamera 1 angeschlossen, um so die Kamera 1 auslösen zu können, wenn sich die Elektrode 12 in einer bestimmten Position zwischen den beiden LBOs 13, 14 befindet. Da die SPS 11 die Elektrodenposition 12 steuert und weiß, wo die Kamera 1 angeordnet ist, kann die SPS 11 die Kamera steuern, um so ein Bild genau in dem Moment aufzunehmen, in dem sich die Elektrode 12 vor der Kamera vorbeibewegt.
Die Kamera 1 ist vorzugsweise an einem stabilen Träger (nicht dargestellt) oder einer stabilen Wand (nicht dargestellt) des Stahlwerkgebäudes befestigt, in dem ein oder mehrere Lichtbogenöfen (LBO) angeordnet sind. Die Kamera 1 kann als eine Digitalkamera mit CCD- oder CMOS-Sensor verkörpert sein, die mit einem digitalen Signalprozessor (nicht dargestellt) versehen ist oder nicht.
In 1 ist die Kamera 1 zum Zwecke der Fernsteuerung und Datenübertragung über eine Verbindung 2 an eine elektronische Datenübertragungsbox 3 angeschlossen. Die Verbindung 2 kann aus einer Lichtleitfaser oder irgendeinem anderen elektrischen Mittel bestehen. Falls eine Lichtleitfaser verwendet wird, um große Entfernungen zu überbrücken und elektromagnetische Störungen in der Datenübertragung zu verhindern, ist ein elekto-optischer Wandler A nahe der Kamera 1 und ein zweiter ähnlicher Wandler B in der Übertragungsbox 3 angeordnet. Der elektro-optische Wandler B ist an eine elektrische Übertragungsbox 3 angeschlossen oder darin vorgesehen, wobei die Übertragungsbox ferner elektrische Kommunikationsmodule wie beispielsweise Stromschleifenmodule 8 und 10 enthält oder daran angeschlossen ist, die über Verbindungen 6, 15 die direkte elektrische Kommunikation mit der SPS 11 und dem Personalcomputer (PC) 7 bereitstellen.
Der Personalcomputer (PC) 7 dient zur Verarbeitung des Elektrodenbilds, Bildspeicherung und Anzeige für den Bediener des Ofens.
Die Stromschleifenmodule 8 und 10 der elektrischen Übertragungsbox 3 sind über eine Verbindung 9 – vorzugsweise eine Drahtverbindung – angeschlossen, um eine direkte Kommunikation zwischen dem PC 7 und der SPS 11 bereitzustellen.
Vorzugsweise können alle der vorstehenden Module und Wandler Signale gemäß dem RS-232-Schnittstellenstandard übertragen, obwohl beabsichtigt ist, dass die Realisierung anderer Kommunikationsstandards wie beispielsweise analoge Datenübertragung, Ethernet, TCP/IP oder FireWire IEEE-1394 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Das von der Kamera 1 aufgenommene Bild wird mit geeigneter Software zum PC 7 übertragen, um die relevanten Informationen zu extrahieren. Die Software ist ein spezielles Programm, das nachfolgend im Detail erklärt wird.
Die Bilder werden im PC 7 gespeichert und ergeben ein Digitalbildarchiv. Der Vergleich zwischen dem aktuellen und einem oder mehreren der früheren Bilder einer spezifischen Elektrode trägt dazu bei, den Elektrodenverbrauch nachzuweisen.
Vorteilhafterweise umfassen die aus dem Bild extrahierten Informationen gemäß einem Aspekt der Erfindung insbesondere Überwachungsinformationen über die Elektrodenabnutzung, beispielsweise Länge der Elektrodenspitze, Gesamtabnutzung, Verlust in der Spitze, Form des Spitzenkegels und seitliche Abnutzung, Bildung und Ausbreitung von Rissen, Oxidation an der Seite, Probleme wegen Ansatzbildung, gesamte Rissbildung, „Abfallen" der Elektrodenspitze, Verlust von Graphitmaterial wegen Partikeln und Tröpfchen sowie verschiedenartige Temperaturprofile, die mit Lichtbogenablenkungen im Zusammenhang stehen.
Anhand der folgenden Beschreibung wird ein bevorzugtes Bildextraktionsverfahren offenbart. Es ist anzumerken, dass man das Extraktionsverfahren sowohl in Echtzeit – d.h. quasi „online" – oder in einer späteren Phase – nämlich „offline" – durchführen kann.
Bei dem vorliegenden, nicht einschränkenden Beispiel kann jedes Bild durch folgende Daten gekennzeichnet sein:
Kodierungsformat: JPG;
Farben: monochrom mit 256 Grautönen;
Kodierung: 8 Bits pro Pixel;
Auflösung bei einem Bild oder Rahmen: 632 × 480 Pixel;
Umrechnungsfaktor: 5,0456 mm/Pixel;
physikalische Oberfläche des Bilds: 3,18 × 2,68 m; und
Größe der JPG-Datei: 11 bis 18 kB bei 20% Kompressionsfaktor.
Die digitale Filterung ist als Faltungsprodukt zwischen zwei Matrizes definiert, wobei die erste Matrix durch das Bild als solches definiert ist und eine Dimension (Pixelanzahl) aufweist, die der des analysierten Bilds gleicht, und wobei die zweite Matrix die gewichteten Koeffizienten des benutzten Filters enthält. Bei einem bevorzugten numerischen Filteralgorithmus kann folgende Formel verwendet werden:
wobei M eine Konstante ist (normalerweise die Summe der nach Gewichtung zugeordneten Koeffizienten der Filtermatrix), R das gefilterte Bild ist, S das Bild vor der Filterung ist, K die gewichteten Koeffizienten des Filters repräsentiert und β eine Kompensationskonstante ist.
Ein wie oben beschriebenes Originalbild enthält 632 × 480 Pixel, wobei jedes Pixel durch 8 Bits kodiert ist, die 256 (2⁸) Grautöne erlauben, wobei der Wert 0 schwarz oder keiner Belichtung und der Wert 255 weiß oder maximaler Belichtung entspricht.
Es ist anzumerken, dass die Bilder, die eine (digitale) CCD-Kamera mit einem integrierten digitalen Signalprozessor liefert, normalerweise zwei Informationstypen enthalten, nämlich die von der CCD-Kamera gelieferten Bilder an sich, die während der Bildanalyse verwendet werden, und die durch den digitalen Signalprozessor der Kamera nach der Erkennung der Elektrodenspitze hinzugefügten Beschriftungen.
1. Drehen und Entfernen von Beschriftungen
Die Beschriftungen werden vor der Bildanalyse entfernt. Im Blockdiagramm von 16 ist der Schritt zum Drehen und Entfernen der Beschriftung durch das Bezugszeichen 101 gekennzeichnet.
Beim Schritt zum Drehen wird das Bild ohne Verzerrung seiner physikalischen Abmessungen um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Dieser Schritt ist in 3 dargestellt.
Anschließend werden die Beschriftungen aus den gedrehten Bildern entfernt (in der rechten Seite von 3 dargestellt). Bei dem vorliegenden Verfahren ist demzufolge ein Schritt zur Umwandlung der Beschriftungsbereiche in einen gleichmäßigen dunklen Grauton vorgesehen. Der Grauwert der umgewandelten Beschriftungsbereiche kann beispielsweise die Werte von 0 bis 10 umfassen. Der Schritt zur Umwandlung (Bereitstellung eines „Make-ups") der Beschriftungszone erlaubt vorteilhafterweise eine Optimierung eines nachfolgenden Schritts zur Randerkennung, der nachstehend beschrieben wird.
Die in grau umgewandelten Beschriftungsbereiche werden bei der anschließenden Bildverarbeitung nicht mehr berücksichtigt.
2. Künstliche Einfärbung
Darüber hinaus erhält man gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ein künstlich eingefärbtes Bild der Elektrode (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 108 gekennzeichnet). Im letzteren Schritt wird die Lichtintensität der Elektrode, die im Kamerabild dargestellt ist, einer Oberflächentemperatur der Elektrode zugeordnet. Der Schritt zur künstlichen Einfärbung ermöglicht eine bessere bildliche Darstellung des Temperaturgefälles, das an der Elektrodenoberfläche auftritt, wenn die Kamera das Bild aufnimmt. Ferner ermöglicht dieser Schritt der Kartographierung der von der Elektrodenoberfläche abgestrahlten Lichtintensität vorteilhafterweise eine schnelle Bewertung einer Temperaturasymmetrie, die sich aus einer Lichtbogenablenkung während des Schmelzprozesses der Charge ergibt (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 109 gekennzeichnet). Gemäß einer derzeit bevorzugten Realisierung der vorliegenden Erfindung werden die 256 Grautöne im Schritt zur künstlichen Einfärbung gemäß Tabelle 1 in 8 Farben umgewandelt. Es ist für den Fachmann jedoch ohne weiteres verständlich, dass die Anzahl der Grautöne und die Anzahl künstlicher Farben nicht auf die vorstehenden Zahlen beschränkt ist und dass solche Zahlen praktischerweise nach dem Fachmann bekannten Faktoren wie beispielsweise Verarbeitungsgeschwindigkeit, erforderliche Genauigkeit beim Temperaturgefälle usw. ausgewählt werden können.
Tabelle 1
4 stellt den Schritt zur künstlichen Einfärbung ohne Lichtbogenablenkung dar, während 5 den Schritt zur künstlichen Einfärbung mit Lichtbogenablenkung zeigt. Die Farben sind in der vorliegenden Anmeldung nicht sichtbar, da die Figuren ausschließlich in Grautönen dargestellt sind.
Aus 4 geht hervor, dass sich die heißeste Zone der Elektrode in der Elektrodenmitte befindet, wenn keine Lichtbogenablenkung vorliegt.
In 5 ist deutlich erkennbar, dass die Elektrode an ihrer linken Seite – nämlich an der Seite von LBO 13 – heller (heißer) ist. Die Ablenkung der heißeren Zone ist mit ungefähr 20% vom linken Rand der Figur aus berechnet dargestellt. Die vertikale Linie in der Oberfläche des Elektrodenbilds erleichtert die bildliche Darstellung der Lichtbogenablenkung. Es ist anzumerken, dass die vertikale Linie in 4 ungefähr in der Mitte der Elektrode (rings um deren Achse) verläuft, während sie in 5 zur linken Seite hin verschoben ist.
Es ist anzumerken, dass im Zusammenhang mit dem obigen Schritt zur künstlichen Einfärbung und nach dem Schritt zum Drehen und Entfernen der Beschriftung ein Schritt zur Berechnung der mittleren Lichtintensität vorgesehen sein kann. Der letztere Schritt zur Berechnung der mittleren Lichtintensität bietet besondere Vorteile, wenn der darin errechnete mittlere Lichtintensitätswert in einem Schritt zur Schwellenwerterkennung verwendet wird, der nachfolgend beschrieben wird.
3. Randerkennung
Ferner kann erfindungsgemäß ein Schritt zur Elektrodenranderkennung (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 102 gekennzeichnet) vorgesehen sein. Der Schritt zur Elektrodenranderkennung wird vorzugsweise nach dem Schritt zum Drehen und Entfernen der Beschriftung an einer Kopie des oder der bereitgestellten Bilder durchgeführt.
Der Schritt zur Elektrodenranderkennung wird basierend auf einem digitalen Randerkennungsfilter durchgeführt, der zwei digitale Filter des oben angeführten Typs umfasst.
Jeder der digitalen Filter umfasst vorzugsweise eine 3 × 3-Matrix. Der erste (N-S) der digitalen Filter erkennt die Ränder in Nord-Süd-Ausrichtung, während der zweite (O-W) der digitalen Filter die Ränder in Ost-West-Ausrichtung erfasst. Der quadratische Mittelwert der Filterung durch die zwei Filter liefert eine Erkennung der Ränder der Elektrode in den vorstehend genannten Ausrichtungen.
Die Koeffizienten der zwei Matrizes (N-S- und O-W-Filter) werden vorzugsweise wie folgt ausgewählt:
In 6 sind die durch den Schritt zur Elektrodenranderkennung erhaltenen Reihenübergänge der Lichtintensitäten (Ränder) dargestellt. Die Ergebnisse des Schritts zur Randerkennung sind für die anschließende Handhabung der Bildanalyse von Bedeutung.
4. Schwellenwerterkennung
Erfindungsgemäß ist ein Schritt zur Schwellenwerterkennung vorgesehen, der in 7 dargestellt ist (im Blockdiagramm von 16 auch als Schritt 103 gekennzeichnet). Der Schwellenwert der Lichtintensität wird vorzugsweise als mittlere Lichtintensität multipliziert mit 2 definiert. Wie bereits ausgeführt wurde, kann die mittlere Lichtintensität nach dem Schritt zum Drehen und Entfernen der Beschriftung bereitgestellt werden. Der erkannte Schwellenwert wird auf das Bild angewandt, das am Ende des Schritts zur Elektrodenranderkennung erhalten wurde.
5. Entfernen von Lichtkörnern
Im Anschluss an den Schritt zur Schwellenwerterkennung ist erfindungsgemäß ein Schritt zum Entfernen der „Lichtkörner" oder Lichtpunkte (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 104 gekennzeichnet) vorgesehen, der in 8 und 9 dargestellt ist. Die „Körner" an der Innenseite der Elektrode, die sowohl im rechten Teil von 7 als auch in der linken Seite von 9 ersichtlich sind, sind als Folge eines wesentlichen Temperaturgefälles an kleinen Oberflächen zu verstehen, während die „Körner" außerhalb der Elektrode wahrscheinlich durch Wassertröpfchen, die durch die Elektrodenspitze angestrahlt werden, und glühende Graphitpartikel, die von der Elektrodenspitze abfallen, verursacht werden.
Der Schritt zum Entfernen der „Lichtkörner" wird vorzugsweise mit einem nichtlinearen digitalen Filter durchgeführt, der bei jeder neuen Lichtintensität erneut berechnet wird, die beispielsweise bei einem Pixel, das die ursprüngliche Lichtintensität c aufweist, eine Funktion der maximalen und minimalen Lichtintensität zweier benachbarter Pixel ist (in 9 dargestellt). Im bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung wird folgende Formel verwendet: Ic = min(max(a, b, c,), max(b, c, d), max(c, d, e), ..., max(c, h, i)) (2)wobei a bis i die Lichtintensitäten der in 8 dargestellten Pixel sind.
Der Schritt zum Entfernen von Körnern wird bis zu 15 mal wiederholt, um das in der rechten Seite von 9 dargestellte Ergebnis zu erhalten.
6. Spitzenerkennung
Erfindungsgemäß wird das Bild – vorzugsweise das Bild, das nach dem Entfernen der Lichtkörner erhalten wurde – beispielsweise von unten nach oben und von links nach rechts gescannt (abgetastet), um die Spitzenzone der Elektrode zu erkennen (in 10 dargestellt). Die Außengrenzen der Elektrodenspitze werden durch einen Algorithmus ermittelt, der die Variablen Spitze_i_Min, Spitze_i_Max, Spitze_j_Min und Spitze_j_Max berechnet.
Das Abtasten bzw. Scannen des Bilds beginnt an der linken Unterseite von 10, und wenn die ersten 3 aufeinander folgenden weißen Pixel in derselben horizontalen Zeile erkannt werden, erkennt der dem Fachmann geläufige Algorithmus den Wert Spitze_j_Max, der den untersten Punkt der Elektrodenspitzenzone repräsentiert. Spitze_j_Min, der höchste Punkt der Elektrodenspitzenzone, wird beispielsweise auf einen ungefähr 50 Pixel höheren Wert eingestellt.
Die Werte Spitze_i_Min und Spitze_i_Max, die die jeweilige linke und rechte Grenze der Elektrodenspitzenzone repräsentieren, werden dadurch ermittelt, dass man ungefähr 50 Zeilen von links nach rechts und aufwärts scannt, nachdem der Wert Spitze_j_Max erkannt wurde. Wiederum geben 3 aufeinander folgende weiße Pixel derselben vertikalen Zeile die Erkennung von Spitze_i_Min und Spitze_i_Max an.
Die Ergebnisse der Erkennung der Elektrodenspitzenzone einschließlich der Variablen Spitze_i_Min, Spitze_i_Max, Spitze_j_Min und Spitze_j_Max sind in 11 dargestellt.
12 zeigt beispielhaft den Extraktionsschritt der Pixel der Elektrode in Höhe der Elektrodenspitze, um so die Darstellung der in 13 abgebildeten Elektrodenspitze zu erhalten (im Blockdiagramm von 16 auch als Schritt 105 gekennzeichnet). Es ist anzumerken, dass die die Elektrodenspitze repräsentierenden Pixel vorzugsweise nach dem Schritt zum Entfernen von „Lichtkörnern" oder Lichtpunkten extrahiert werden.
In 12, wo als Beispiel eine Bildzone von 5 Zeilen und 24 Spalten dargestellt ist, repräsentieren die weißen Quadrate die weißen Pixel des Bilds. Während die Bildzone von links nach rechts und von unten nach oben abgetastet wird, werden in Zeile 5 alle vier weißen Quadrate (Pixel) markiert (mit einem Kreuz versehen), da die Bedingung von mindestens 3 aufeinander folgenden Pixeln in einer Zeile erfüllt ist. Das Gleiche geschieht in Zeile 4. Allerdings werden die Pixel in einer bereits markierten Spalte (nämlich die Pixel M4, N4, O4 und P4) nicht markiert (nicht mit einem Kreuz versehen). In Zeile 3 ist die Bedingung von 3 aufeinander folgenden Pixeln in einer Zeile nicht erfüllt, so dass keine Pixel markiert sind. In Zeile 2 sind alle Pixel markiert, da die Bedingung von 3 aufeinander folgenden Pixeln in einer Zeile erfüllt ist und die Pixel nicht zu einer bereits markierten Spalte gehören. In Zeile 1 ist die Bedingung von 3 aufeinander folgenden Pixeln in einer Zeile nicht erfüllt, so dass keine Pixel markiert sind.
Auf diese Weise werden alle 50 Zeilen des Bilds der Elektrodenspitzenzone abgetastet, und die oben beibehaltenen Pixel werden gemäß folgender Gleichung einer numerischen Approximation 2. Grades (parabolisch) unterzogen (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 106 gekennzeichnet): y = k0 + k1x + k2x2 (3)
Die Koeffizienten k₀, k₁ und k₂ und der Koeffizient y, die die Approximationsgüte repräsentieren, werden auf der Grundlage der Koordinaten der beibehaltenen (mit einem Kreuz versehenen) Pixel berechnet. Die Ergebnisse der parabolischen Approximation der Elektrodenspitze sind im rechten Teil von 13 dargestellt.
7. Flankenerkennung
Neben der Erkennung und Darstellung der Elektrodenspitze stellt die vorliegende Erfindung auch vorteilhafterweise das Merkmal der Erkennung der Flanken des Elektrodenkegels bereit (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 110 gekennzeichnet). Das im rechten Seitenteil von 9 dargestellte „kornlose" Bild kann als Ausgangspunkt für das letztere Merkmal der Elektrodenflankenerkennung vorgesehen sein. Die Abtastzone für die Flankenerkennung umfasst einen Bereich, der von Spitze_j_Min ausgehend bis zur Oberseite des Bilds und von Spitze_i_Min-10 (Pixel) bis Spitze_i_Max-+10 (Pixel) reicht (siehe auch 10). Diese Zone wird von oben nach unten und von links nach rechts abgetastet.
Das erste und das letzte weiße Pixel jeder abgetasteten Zeile werden gemäß folgender Gleichung für eine jeweilige lineare Approximation der linken und rechten Flanke verwendet (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 111 gekennzeichnet): y = kx + d (4)
Demzufolge ermöglichen die Steigungen der geraden Linien die Bewertung der seitlichen Abnutzung der Elektrode. Mit anderen Worten: je abgenutzter die Elektrode ist, desto steiler ist die Steigung der geraden Linie. 14 zeigt das Ergebnis der linearen Approximation der Flanken der Elektrode.
8. Bestimmung der Größe der Elektrodenspitze
Basierend auf den Schritten zur Bestimmung der Spitze und der Flanken der Elektrode sieht die vorliegende Erfindung auch einen Schritt zur Bestimmung der Größe der Elektrodenspitze vor (der im Blockdiagramm von 16 als Schritt 107 gekennzeichnet ist). Insbesondere die Größe der Elektrodenspitze wird mathematisch durch folgende drei Gleichungen definiert:
Spitze: y = k0 + k1x + k2x2 (5)linke Flanke: y = klinksx + dlinks (6)rechte Flanke: y = krechtsx + drechts (7)
Durch Lösung der Gleichungen (5) und (6) kann man die Koordinaten der zwei Schnittpunkte zwischen der Parabel und der geraden Linie finden, die die linke Flanke repräsentiert:
y1 = klinksx1 + dlinks (10) y2 = klinksx2 + dlinks (11)wobei (x₁, y₁) den ersten Schnittpunkt und (x₂, y₂) den zweiten Schnittpunkt repräsentieren.
In ähnlicher Weise kann man folgendermaßen die Koordinaten der zwei Schnittpunkte zwischen der Parabel und der geraden Linie berechnen, die die rechte Flanke repräsentiert:
y3 = krechtsx1 + drechts (14) y4 = krechtsx2 + drechts (15)wobei (x₃, y₃) den ersten Schnittpunkt und (x₄, y₄) den zweiten Schnittpunkt repräsentieren.
Nur zwei der vier Lösungen der obigen Gleichungen repräsentieren die Schnittpunkte der geraden Linien mit der Parabel in Höhe der Elektrodenspitze. Die anderen beiden werden gestrichen. Die kleinen Kreise in 14 repräsentieren die beibehaltenen Schnittpunkte. Der Abstand zwischen den zwei Kreisen von 14 ist definiert als die Größe der Elektrodenspitze, die auch als L_Spitze bezeichnet wird und in 15 dargestellt ist.
9. Bestimmung der Länge des abgenutzten Abschnitts
Die vorliegende Erfindung stellt vorteilhafterweise auch die Berechnung der Länge des oxidierten Teils der Elektrode bereit (im Blockdiagramm von 16 auch als Schritt 107 gekennzeichnet). In der Technik ist bekannt, dass der kegelförmige Teil der Elektrode während seiner Lebensdauer Änderungen unterworfen ist. Die Berechnung der Länge des nichtzylindrischen Abschnitts der Elektrode, der die Länge des Oxids repräsentiert, wird gemäß folgender Formel durchgeführt: LOxi = (Spitze_j_Max – Spitze_j_Min) + (Dnom – LSpitze)/(abs(1/klinks) + (abs(1/krechts)) (16) wobei Spitze_j_Min, Spitze_j_Max, L_Spitze, k_links und k_rechts wie oben definiert sind und D_nom den nominellen (bekannten) Durchmesser des zylindrischen Abschnitts der Elektrode 12 repräsentiert.
10. Bestimmung des Vorhandenseins von Rissen
Es ist noch ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung bei der Bestimmung der Länge der Risse vorgesehen, die an der Elektrodenoberfläche auftreten (im Blockdiagramm von 16 als Schritt 112 gekennzeichnet). Demnach basiert der letztere Schritt zur Erkennung der Länge der Risse auf dem Schritt zur Randerkennung, und zwar in einer Zone, die um 10 Pixel von den erkannten Flanken beabstandet ist und sich von der Spitze der Elektrode aus erstreckt. Eine Abtastung dieser Zone bietet eine genaue Erkennung der Gesamtrisslänge der Elektrode.
Der Schritt zur Erkennung der Länge der Risse der Elektrode kann vorteilhafterweise durchgeführt werden, indem man einen Schwellenwert so einstellt, dass alle Pixel gezählt werden, die beispielsweise eine Lichtintensität über 96 aufweisen. Der Zählbetrag wird durch 2 dividiert (da die Risse an den 2 Rändern der Elektrode erkannt werden) und (in der derzeit vorgesehenen, nicht einschränkenden spezifischen Ausführung) mit 5,04 mm multipliziert (siehe Daten der JPG-Bilder), um die Gesamtlänge der Risse zu erhalten.
In 16 ist ein Blockdiagramm dargestellt, das eine vorteilhafte Realisierung eines erfindungsgemäßen Bildanalyseverfahrens zeigt. Es ist jedoch für den Fachmann ohne weiteres verständlich, dass man einige der im Blockdiagramm von 16 dargestellten Schritte auslassen und/oder ihre Reihenfolge ändern kann. Solche Schritte können vorteilhafterweise an einem Personalcomputer wie dem PC 7 realisiert werden.
Wie in einem Schritt 100 ersichtlich ist, kann das Originalbild – vorzugsweise im oben erklärten JPG-Format – von der Kamera 1 zum PC 7 übertragen werden. In einem anschließenden Schritt 101 wird das Originalbild dem Schritt zum Drehen der abgebildeten Elektrode und Entfernen der Beschriftung unterzogen. Danach bildet das Blockdiagramm einen Zweig zum Schritt 108 der künstlichen Einfärbung des Elektrodenbilds und einen Zweig zum Schritt 102 der Elektrodenranderkennung. Das Ergebnis des Schritts 102 der Elektrodenranderkennung wird vom nachfolgenden Schritt 103 der Schwellenwerterkennung der Elektrode verwendet. Das Ergebnis des Schritts 103 der Schwellenwerterkennung der Elektrode wird wiederum für den Schritt 104 bereitgestellt, in dem die Körner oder Punkte entfernt werden. Danach kann basierend auf dem kornfreien Datenergebnis von Schritt 104 die Spitze der Elektrode im Schritt 105 erkannt werden. Auf Basis der Daten des letzteren Schritts wird die parabolische Approximation im Schritt 106 durchgeführt. Das Ergebnis der parabolischen Approximation (Schritt 106) wird zusammen mit dem Schritt 108, in dem das Elektrodenbild künstlich eingefärbt wird, verwendet, um die Lichtbogenablenkung der Elektrode im Schritt 109 zu erhalten. Der Schritt 105 kann auch zum Schritt 110 abzweigen, bei dem die Flanken (linke und rechte) der Elektrode erkannt werden und nach dem der Schritt 111 der linearen Approximation der linken und rechten Elektrodenflanke folgt. Das Ergebnis von Schritt 111 kann auch im Schritt 109 verwendet werden. Darüber hinaus kann basierend auf den Schritten 106 und 111 die Größe der Elektrodenspitze und die Länge des oxidierten Teils im Schritt 107 berechnet werden. Zum Schluss wird die Gesamtlänge der Risse der Elektroden im Schritt 112 basierend auf den Schritten 105, 106 und 111 berechnet.
Die hier beschriebene und dargestellte Erfindung kann Änderungen und Modifikationen unterworfen werden, indem weitere Erkennungsschritte, die auf den vorstehend aufgeführten Erkennungsschritten basieren, hinzugefügt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Das „Abfallen" der Elektrodenspitze könnte beispielsweise dadurch erkannt werden, dass man ihre Querschnittsform und Risse analysiert. Alternativ könnte man das Abfallen der Elektrodenspitze dadurch erkennen, dass man gleichzeitig die Länge der Spitze und die Steigung ihrer Flanken analysiert. Letztendlich könnte man die Temperatur der Elektrodenoberfläche analysieren, um dem Bediener des Ofens die Daten bereitzustellen, die für den optimalen Betrieb erforderlich sind.
Wo in irgendeinem Anspruch Bezugszeichen hinter technischen Merkmalen stehen, wurden diese Bezugszeichen zum alleinigen Zweck der besseren Verständlichkeit der Ansprüche einbezogen; solche Bezugszeichen schränken demgemäß in keiner Weise den Umfang jedes Elements ein, das beispielhaft durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet ist.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Abnutzung einer Elektrode in einem Lichtbogenofen, umfassend die Schritte zur: Aufnahme eines Digitalbilds der noch glühenden Spitze der Elektrode; gekennzeichnet durch die Schritte zur Anwendung eines numerischen Randerkennungs-Filteralgorithmus auf das Digitalbild, um so ein gefiltertes Bild zu erhalten, bei dem abrupte Änderungen in der Lichtintensität als Konturlinien dargestellt sind; und Analyse der Konturlinien, um die Form der Elektrodenspitze und das Vorhandensein von Rissen zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: ein Schwellenwertfilter auf das gefilterte Bild angewendet wird, bevor die Konturlinien analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt zum: Entfernen von Lichtkörnern durch einen numerischen Filter, bevor die Konturlinien analysiert werden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schritt zur Analyse der Konturlinien zur Bestimmung der Form der Elektrodenspitze die Schritte umfasst: zur Erkennung der unteren Konturlinie der Elektrodenspitze und ihre Approximierung an eine parabolische Kurve; und zur Erkennung der Konturlinie, die jeder der Flanken der Elektrodenspitze entspricht, und ihre Approximierung an eine gerade Linie.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend den Schritt zur: Erkennung von Asymmetrien in der Lichtintensität der Elektrodenspitze, um Lichtbogenablenkungen zu erfassen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend die Schritte zur: a) Positionierung einer Kamera beim Lichtbogenofen; b) Bereitstellung einer Verbindung zwischen der Kamera und einem Prozessrechner der Elektrode; c) Aktivierung der Kamera zusammen mit der Bewegung der Elektrode, so dass ein Bild der Elektrode von der Kamera aufgenommen werden kann, nachdem jeder Schrottkorb des Lichtbogenofens geschmolzen ist; und d) Bereitstellung des aufgenommenen Bilds über eine weitere Verbindung zu einem das Bild speichernden und verarbeitenden Mittel.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend den Schritt, bei dem der Kamera durch den Prozessrechner die Bewegung der Elektrode vor der Kamera signalisiert wird.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 6 und 7, ferner umfassend den Schritt zur Speicherung des aufgenommenen Bilds in dem das Bild speichernden und verarbeitenden Mittel.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend den Schritt zum Vergleichen der aufgenommenen Bilder der Elektrode mit dem Bild einer unbenutzten Elektrode.