WO2010048751A1 - 熔融金属液位的测量装置及测量方法 - Google Patents
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- Another object of the present invention is to provide a method capable of measuring the thickness of a slag layer on a molten metal surface and thereby accurately measuring the molten metal level.
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Description
熔融金属液位的测量装置及测量方法 技术领域
本发明涉及一种熔融金属液位的测量装置和使用该装置测量熔融金 属液位的方法。
背景技术
在熔融金属连续浇注过程中， 为了保持熔融金属温度和防止氧化， 常在 熔融金属的表面添加保护渣而形成渣层。 而在浇注过程中， 随时掌握浇注的 金属包中的熔融金属液位高度 （不包括渣层）， 对于决定开浇时间、 防止液 位过低导致渣卷入铸坯和提高熔融金属的收得率是很重要的。但是， 渣层的 存在和它的厚度难以确定给熔融金属液位的准确测量带来了困难。
为此， "金属容器称重法" 已为人们所熟知， 它是通过称量装有熔融金 属的金属容器的总重量和一些已知参数（如金属容器容积及重量、熔融金属 密度等等）计算出熔融金属的液位高度。 但是， 由于熔融金属密度和其表面 渣层的密度不同， 且渣量未知， 所以测量中将渣层的厚度也包算在液态金属 的液位高度内，造成测量不准； 另一方面， 金属包的包衬被熔融金属腐蚀使 其容积不断变化也会造成液位测量偏差； 就是说，金属容器总重量的变化不 能与液态金属液位建立准确的对应关系，故该方法只能粗略估计熔融金属液 位。
公开号为 DE2945251-A1 的德国专利公开了一种 "使用成像系统检测液 面激光点来测量钢包中钢水液位"的方法。该方法是用激光束照射熔融金属 渣层上表面并同时用光电传感器检测光点位置， 当液面位置变化时， 激光点 位置随之移动， 移动量即反映了液位的变化量。 然而， 该方法亦无法获取液 态金属表面渣层厚度信息， 只能测量渣层上表面位置； 同时， 当渣层上表 面凸凹不平时也造成测量误差。
综上所述，现有技术由于不能测量熔融金属表面渣层的厚度而不能准确 地测量熔融金属的液位高度。 因此提供一种能够测量熔融金属表面渣层厚
度，进而准确测量熔融金属液位的方法和装置就成为该技术领域急需解决的 技术问题。
发明内容
本发明的目的之一在于， 克服现有技术不足， 提供一种能够测量熔融金 属表面渣层厚度， 进而准确测量熔融金属液位的装置。
为实现上述目的， 根据本发明， 提供一种熔融金属液位测量装置， 其特 征在于： 包括图像测量仪、 测量标识物、 升降机构、 位移传感器、 数据处理 系统和校正标识，所述图像测量仪安装在所述的升降机构上或独立于所述升 降机构； 所述的图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线成一夹角，所述测 量标识物安装在所述升降机构上或独立于所述升降机构，所述测量标识物在 所述图像测量仪的视场范围内； 所述数据处理系统分别与所述图像测量仪、 所述位移传感器以及所述升降机构相连接；所述升降机构安装在熔融金属容 器上或独立于熔融金属容器。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述升降机构包括升降驱动装置， 与 所述驱动装置相连接的升降导轨， 与所述升降导轨相连接的支撑架， 以及与 所述支撑架相连接的固定装置，所述测量标识物通过所述的固定装置被铅垂 安装在升降机构的支撑架上。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述测量标识物为由镁碳， 或铝碳， 或镁碳锆，或铝碳锆高温耐火材料或熔点大于 80CTC的金属材料组成的棒状、 管状， 或条状物， 所述测量标识物的总长度大于渣层厚度 100mm以上。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述测量标识物由钢水连续测温管兼 作。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述熔融金属液位测量装置设有校正 标识， 所述校正标识物为厚度大于 1亳米小于 50亳米、 高度大于 1亳米小 于 100亳米的环状物， 或长度大于 10亳米小于 1500亳米、 等效直径大于 2 亳米小于 200亳米的棒状、 管状、 条状物； 所述校正标识物由铝碳、 镁碳、 铝碳锆、 镁碳锆材料的耐火材料或者熔点大于 50CTC的金属材料组成， 所述 校正标识位于所述升降机构上、或测量标识物未浸入熔融金属的部分上， 或
熔融金属容器上部或内部，或独立于熔融金属容器和测量装置之外的能被所 述图像测量仪识别并定位的位置。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述的位移传感器与所述升降机构相 连接； 所述位置传感器为拉杆式、 或拉绳式、 或电阻变换式、 或光电编码器 位移传感器， 或图像位移传感器。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述图像测量仪的光轴与所述测量标 识物轴线之间形成的夹角在 15° 到 70° 之间。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述图像测量仪为线阵、 面阵或单点 扫描式摄像机或热像仪。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述图像测量仪带有防尘和防热保护 罩。
本发明的另一目的在于提供一种能够测量熔融金属表面渣层厚度，进而 准确测量熔融金属液位的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种熔融金属液位测量方法， 其步骤如下：
( 1 )提供一种熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 包括图像测量仪、 测量标识物、 升降机构、 位移传感器、 数据处理系统和校正标识， 所述图像 测量仪安装在所述的升降机构上；所述的图像测量仪的光轴与所述测量标识 物轴线成一夹角，所述测量标识物安装在所述升降机构上或独立于所述升降 机构， 所述测量标识物在所述图像测量仪的视场范围内； 所述数据处理系统 分别与所述图像测量仪、所述位移传感器以及所述升降机构相连接； 所述升 降机构安装在熔融金属容器上或独立于熔融金属容器；
(2 ) 所述升降机构带动测量标识物下降插入熔融金属中， 当测量标识 物的温度达到或接近熔融金属和渣层的温度分布后，所述升降机构迅速地带 动测量标识物升起， 升起高度超过渣层的厚度； 所述图像测量仪采集测量标 识物升起部分的热图像；所述数据处理系统根据测量标识物在熔融液体与渣 层以及渣层与其上方空气的分界面处局部温度梯度最大这一特点对所述的
热图像信息进行分析计算，分别得到熔融液体与渣层和渣层与其上方空气之 间的分界面位置高度， 两个分界面位置高度之差即为渣层的厚度；
(3 ) 确定容器底部在液位测量装置中的参考高度， 其确定方式为： 通 过直接测量容器底面的参考高度，或通过升降机构带动测量标识物下降与容 器底面接触时的移动量计算容器底面的参考高度， 或事先已知；
(4) 再根据图像测量仪连续摄取的插入熔融金属中的测量标识物或熔 融金属容器的内壁面与渣层上表面交界处图像，分析计算出该交界处的位置 高度；
(5 ) 基于步骤 （4) 所得到的位置高度和步骤 （2 ) 所得的渣层厚度求 得熔融金属的液位高度，或通过摄取测量标识物升起后其上的熔融液体与渣 层位置高度及测量标识物升起高度获得熔融金属的液位高度，所述测量标识 物升起高度通过所述位移传感器获取并将该高度数据传输给数据处理器。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述图像测量仪的光轴与所述测量标 识物轴线之间的夹角在 15° 到 70° 之间。
一种优选技术方案， 其特征在于： 所述步骤 （2 ) 中所述渣层的厚度测 量所用的图像测量仪和所述步骤 （4) 中所述渣层上表面位置高度测量所用 图像测量仪为同一台图像测量仪或分别各用一台图像测量仪。 本发明的测量过程是：测量标识物在升降机构的带动下铅直插入到熔融 金属中，测量标识物被插入部分很快会达到或者接近熔融液体与其上渣层的 温度分布， 然后升降机构带动测量标识物升起， 升起高度超过渣层的厚度； 图像测量仪分别采集测量标识物插入熔融金属时它与渣层上表面交界处的 图像和测量标识物从熔融金属中拔出部分的热图像， 之后， 升降机构又将测 量标识物插入熔融金属中等待下一次升起；数据处理系统对图像测量仪采集 的图像信息进行分析计算， 并根据熔融金属、渣层及其上方空气三种不同物 质的铅直方向的温度分布不同，即根据测量标识物在熔融液体与渣层和渣层 与其上方空气环境分界面处温度梯度最大这一特点，分别得到熔融液体与渣 层的分界面位置高度和渣层与空气环境的分界面位置高度，两个分界面的位
置高度之差即为渣层的厚度，再依据所述的两个分界面的位置高度和测量标 识物的升起高度计算得到熔融金属的液位高度。
还可以从图像测量仪连续摄取的测量标识物在插入状态与熔融金属渣 层上表面交界处的图像， 确定该交界处的位置高度， 依据该位置高度和上述 已确定的渣层厚度连续得到熔融金属的液位高度。
为了准确测量液位高度， 在测量进行之前， 首先要确定容器底部在液 位测量装置中的参考高度，其方式为：直接测量空容器底面位置的参考高度， 或通过升降机构带动测量标识物下降与容器底面接触时的移动量计算容器 底面位置的参考高度， 或事先已知。
所述图像测量仪采用摄像机， 它的光轴的安装方位与测量标识物轴向 夹角大小对测量系统的分辨率影响较大， 夹角越小分辨率越低， 反之， 夹角 越大分辨率越高， 但测量标识物的成像范围变小； 作为优选实施例所述的夹 角在 15。 到 70。 之间。
为适用恶劣的现场环境图像测量仪带有防尘、 防热保护罩， 保证它稳定 可靠的工作。
组成测量标识物材料的导热系数和几何尺寸决定测量标识物插入熔融 金属中的感温速度和从熔融金属中拔出时的散热速度，感温慢会使测量周期 变长，散热快会使测量标识物拔起时熔融液体与渣层的温度界限分辨不清而 无法测量。 因此， 本发明的测量标识物为由镁碳， 或铝碳， 或镁碳锆， 或铝 碳锆高温耐火材料或熔点大于 80CTC的金属材料组成的棒状、 管状， 或条状 物， 其总长度大于渣层厚度 100mm以上。
所述的校正标识用来校正图像测量仪或测量标识物的位置变动造成的 测量误差。 实际应用中， 图像测量仪和测量标识物之间相对位置关系可能会 发生变化， 若使用预先设定的相对位置关系数据计算液位， 则会带来计算误 差。 故在图像测量仪视野内安装校正标识， 它是位于升降机构上、 或测量标 识物未浸入熔融金属的部分上， 或熔融金属容器上部或内部， 或独立于熔融 金属容器和测量装置之外的被图像测量仪识别并定位的一个或多个特征标
记。 当图像测量仪和测量标识物之间相对位置关系发生变化后， 在图像测量 仪视野中的校正标识的位置和形状会发生变化，从图像测量仪检测校正标识 的这些变化， 如位置坐标变化、 圆弧曲率变化、 方向变化、 尺寸变化， 便可 计算得到图像测量仪和测量标识物的真实相对位置关系。
下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不意味着对本 发明保护范围的限制。
附图说明
图 1是本发明液位测量装置实施例之一的结构示意图。
图 2是本发明的液位测量装置另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例 1
如图 1所示， 是本发明液位测量装置实施例之一的结构示意图。本发明 熔融金属液位测量装置包括： 图像测量仪 5， 测量标识物 6及测量标识物上 的金属环制成的校正标识 7，升降机构 1，位移传感器 11和数据处理系统 4。 在本实施例中， 升降机构 1安装在熔融金属容器 10的侧壁上， 测量标识物 6通过固定装置 3垂吊在升降机构 1的支撑架 2的横臂上， 由升降机构 1带 动上下运动使测量标识物 6插入熔融金属 9或从中升起； 位移传感器 11获 取测量标识物 6的升起高度， 并反馈给数据处理系统 4。 金属环制成的校正 标识 Ί固定在测量标识物 6未浸入熔融金属的部分， 用于校正图像测量仪 5 或测量标识物 6的相对位置变化； 图像测量仪 5安装在升降机构 1的支撑架 的横臂上， 测量标识物 6从熔融金属 9中拔出部分和金属环制成的校正标 识 Ί同时处于图像测量仪 5的视场内。
根据本发明的温度测量装置运行如下：
驱动升降机构 1带动测量标识物 6下降插入熔融金属中，当测量标识物 6达到或接近熔融金属 9和渣层 8的温度分布后， 升降机构 1带动测量标识 物 6迅速升起， 升起高度超过渣层 8的厚度， 位移传感器 11获取测量标识 物升起高度， 并将高度数据传给数据处理系统 4。 图像测量仪 5采集测量标 识物 6从熔融金属拔起部分的热图像并将图像信息传给数据处理系统 4。 之
后， 升降机构 1又迅速的将测量标识物 6插入熔融金属中。 数据处理系统 4 分析计算所采集的图像信息，并确定出测量标识物 6升起时熔融液体 9与渣 层 8和渣层与其上方空气交界面的位置高度， 进而得到渣层 8的厚度； 再根 据图像测量仪 5连续摄取的插入熔融金属中的测量标识物 6或熔融金属容器 10的内壁面与渣层 8上表面交界处图像， 分析计算出该交界处的位置高度， 再基于该位置高度和上述求得的渣层厚度或测量标识物升起时熔融金属与 渣层分界面的位置高度和渣层与空气环境的分界面位置高度连续获得熔融 金属的液位高度。
在本实施例中， 图像测量仪 5为面阵 CCD图像测量仪； 该图像测量仪 5 的光轴与测量标识物 6的轴向夹角为 2Γ 46 ' ； 图像测量仪 5带有防尘、 防热保护罩， 以保证在高温、 浓粉尘现场环境下可靠的工作 。
在本实施例中， 所述位移传感器 11采用安装在升降机构中的拉杆式位 移传感器。
在本发明的另一个实施例中， 所述位移传感器 11为光电编码器。
在本实施例中， 利用专利号为 00120354. 1 的中国发明专利中披露的钢 水连续测温管兼作测量标识物，它是由铝碳材料组成的一端开口一端封闭的 空芯双层套管， 其导热系数为 8. 7W/ (m - K) , 外径为 85
在本发明的另一个实施例中，所述的测量标识物为由镁碳材料制成的下 端为圆锥形的棒状物， 其直径为 40mm
实施例 2
在本发明实施例中升降机构 1固定在熔融金属容器 10的上盖上， 对于 熔融金属容器侧壁没有安装条件又带有上盖的或者上盖有更佳安装条件时 可优选此安装方式。所述图像测量仪为单点扫描式摄像机。 图像测量仪 5的 光轴与测量标识物 6的轴向夹角为 15° 。 所述校正标识物为厚度大于 1亳 米小于 50亳米、 高度大于 1亳米小于 100亳米的环状物。 其它与实施例 1 相同。
实施例 3
在本发明实施例中升降机构 1安装在独立于熔融金属容器 10的其他位 置。对于熔融金属容器上没有安装条件时可优选此安装方式。所述图像测量 仪为线阵扫描式摄像机。图像测量仪 5的光轴与测量标识物 6的轴向夹角为 70° 。 所述校正标识物为长度大于 10亳米小于 1500亳米、 等效直径大于 2 亳米小于 200亳米的棒状、 管状或条状物。 其它与实施例 1相同。
实施例 4
图 2为本发明又一个实施例的安装结构示意图。 其它与实施例 1相同， 不同之处在于： 校正标识 7是悬挂在升降机构 1的支撑架 2横臂上的铅锤， 并处于图像测量仪 5的视场范围内。 所述图像测量仪为热像仪。
在本实施例中， 熔融金属为钢水， 渣层为保护渣和覆盖剂， 容器为连铸 中间包。
工业应用性
本发明的有益效果是， 由于本发明采用测量标识物穿过渣层插入熔融金 属， 当测量标识物从熔融金属中升起后其热图像带有渣层的厚度信息， 从而 可以确定渣层厚度， 进而准确地测量熔融金属液位。
Claims
1、 一种熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 包括图像测量仪、 测量 标识物、 升降机构、 位移传感器、 数据处理系统和校正标识； 所述图像测量 仪安装在所述的升降机构上或独立于升降机构；所述的图像测量仪的光轴与 所述测量标识物轴线成一夹角；所述测量标识物安装在所述升降机构上或独 立于所述升降机构； 所述测量标识物在所述图像测量仪的视场范围内； 所述 数据处理系统分别与所述图像测量仪、所述位移传感器以及所述升降机构相 连接； 所述升降机构安装在熔融金属容器上或独立于熔融金属容器。
2、 根据权利要求 1所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 升降机构包括升降驱动装置， 与所述驱动装置相连接的升降导轨， 与所述升 降导轨相连接的支撑架， 以及与所述支撑架相连接的测量标识物的固定装 置。
3、 根据权利要求 1所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 测量标识物由铝碳、 镁碳、 铝碳锆、 镁碳锆材料的耐火材料或者熔点大于 800°C的金属材料组成。
4、 根据权利要求 1所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 测量标识物由钢水连续测温管兼用。
5、 根据权利要求 1所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 熔融金属液位测量装置设有校正标识，所述校正标识物为厚度大于 1亳米小 于 50亳米、 高度大于 1亳米小于 100亳米的环状物， 或长度大于 10亳米小 于 1500亳米、 等效直径大于 2亳米小于 200亳米的棒状、 管状、 条状物， 所述校正标识物由铝碳、 镁碳、 铝碳锆、 镁碳锆材料的耐火材料或者熔点大 于 50CTC的金属材料组成； 所述校正标识位于所述升降机构上、 或测量标识 物未浸入熔融金属的部分上， 或熔融金属容器上部或内部， 或独立于熔融金 属容器和测量装置之外的能被所述图像测量仪识别并定位的位置。
6、 根据权利要求 5所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 的位移传感器与所述升降机构相连接；所述位置传感器为拉杆式、或拉绳式、 或电阻变换式、 或光电编码器位移传感器， 或图像位移传感器。
7、 根据权利要求 6所述的熔融金属液位的测量装置， 其特征在于： 所 述图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线之间形成的夹角在 15° 到 70° 之间。
8、 根据权利要求 Ί所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 图像测量仪为线阵、 面阵或单点扫描式摄像机或热像仪。
9、 根据权利要求 8所述的熔融金属液位测量装置， 其特征在于： 所述 图像测量仪带有防尘和防热保护罩。
10、 一种用权利要求 1一 9中任一种熔融金属液位的测量装置测量熔融 金属液位的方法， 其步骤如下：
( 1 ) 将所述熔融金属液位测量装置安装在熔融金属容器上；
(2 ) 所述升降机构带动测量标识物下降插入熔融金属中， 当测量标识 物的温度达到或接近熔融金属和渣层的温度分布后，所述升降机构迅速地带 动测量标识物升起， 升起高度超过渣层的厚度； 所述图像测量仪采集测量标 识物升起部分的热图像；所述数据处理系统根据测量标识物在熔融液体与渣 层以及渣层与其上方空气的分界面处局部温度梯度最大这一特点对所述的 热图像信息进行分析计算，分别得到熔融液体与渣层和渣层与其上方空气之 间的分界面位置高度， 两个分界面位置高度之差即为渣层的厚度；
(3 ) 确定容器底部在液位测量装置中的参考高度， 其确定方式为： 通 过直接测量容器底面的参考高度，或通过升降机构带动测量标识物下降与容 器底面接触时的移动量计算容器底面的参考高度， 或事先已知；
(4) 再根据图像测量仪连续摄取的插入熔融金属中的测量标识物或熔 融金属容器的内壁面与渣层上表面交界处图像，分析计算出该交界处的位置 高度；
(5) 基于步骤 （4) 所得到的位置高度和步骤 （2 ) 所得的渣层厚度求
得熔融金属的液位高度，或通过摄取测量标识物升起后其上的熔融金属与渣 层位置高度及测量标识物升起高度获得熔融金属的液位高度，所述测量标识 物升起高度通过所述位移传感器获取并将该高度数据传输给数据处理器。
11、 根据权利要求 10所述的测量熔融金属液位的方法， 其特征在于： 所述图像测量仪的光轴与所述测量标识物轴线之间的夹角在 15° 到 70° 之 间。
12、 根据权利要求 11所述的测量熔融金属液位的方法， 其特征在于： 所述步骤（2) 中所 述澄层的厚度测量所用的图像测量仪和所述步骤 （4) 中所述渣层上表面位置高度测量所用图 像测量仪为同一台图像测量仪或分别各用一台图像测量仪。
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