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摘 要：本文通过介绍国内外转炉钢水下渣检测技术的发展情况，结合设备的检测原理和企业实际，提出了转炉钢水下渣检测装置在选型过程应重点关注的技术环节，同时对下渣检测装置在企业中的应用前景进行了展望。
关键词：下渣检测;原理;应用
引言
随着现代工业生产规模的扩大，对钢铁品种和质量的要求也在不断提高。为生产高级别钢种，冶炼工艺过程中的质量控制显得尤为重要，下渣检测装置的使用便是其中的应用之一。钢渣中因含有FeO、MnO和P2O5等不稳定氧化物和杂质，如果大量混入钢水中，则易造成钢水回磷和氧化铝等夹杂物的产生，进而影响钢水的纯净度。因此，为有效控制下渣，从20世纪80年代起，国外便开始了对下渣检测装置的研究。随着检测技术的不断发展和应用，国内各类下渣检测装置产品也陆续开发出来，面对各类商家的产品宣传推介，如何选择适合企业自身工艺要求的设备也值得关注。
1、转炉下渣检测技术的发展
根据检测原理的不同，下渣检测装置通常分为振动测渣、红外测渣、电磁测渣、超声波测渣、称重测渣等，其中应用最广的是电磁测渣，。根据其应用环节，下渣检测又分为转炉出钢下渣、连铸大包下渣和连铸中包下渣。几种钢水下渣检测方式的性能比较详见下表1。
转炉出钢测渣的应用历史始于1986年由德国Amepa公司推出的SCDT电磁下渣检测系统[1]。由于SCDT系统需在出钢口附近埋设电磁线圈，线圈在高温环境下很容易损坏，误报率较高；加之设备的维护检修困难，令其推广应用受到局限。随着科研人员对红外波长下钢渣和钢水辐射系数差异的研究发现，红外测渣技术逐步被引入到下渣检测中。1999年，美国Bethlehem钢铁公司最先利用长波红外成像系统实现了对转炉下渣的检测，随后德国Itema公司、Amepa公司、美国AMETEK-Land公司、Nupro公司等都相继开发出红外下渣检测系统，并在各钢铁公司获得成功应用[2]。目前，除有美国Amepa公司的TSD系统、英国LAND公司的SDS系统、澳大利亚ITEMA公司的红外检测下渣检测系统外，国内基于自主研发的红外下渣检测产品也不少，其中具有代表性的有浙江谱诚科技和湖南镭目科技。
表1 几种下渣检测方式的优缺点
2、红外检测原理
红外辐射是介于可见光与微波之间的电磁波。与可见光相比，红外波具有明显的绕射、衍射等效应，更有利于在大气中传播。因为不同波长的红外辐射与空气分子的相互作用不同，所以红外辐射分为3个波段:短波红外l～2.5μm、中波红外3～5μm、远红外8～14μm，这三个波段是大气选择吸收形成的“大气透射窗口”，红外辐射在大气中这三个波段区间基本完全透过。
因为钢渣与钢水的化学成份不同，从可见光区到远红外波段，随着波长的增长，钢水和钢渣的放射率差值逐渐增大，转炉红外测渣就是利用钢水和钢渣的热辐射特性即发射率不同来进行的检测。钢渣和钢水的发射率与波长关系曲线如图1所示[3]:
图1： 钢渣与钢水在红外波长范围对应的发射率
从图1可以看出，在3～12μm的红外波段，钢渣和钢水的发射率差异比较明显，为有效降低如烟雾、水气和灰尘等介质的干扰问题，红外测渣元件多采用3～5μm或8～12μm工作波段的探测器。
3、红外测渣系统的设备构成及系统功能
转炉红外测渣系统一般由红外探测器、图像处理卡、图像识别处理单元、工控机、图像同步显示器、声光报警输出单元、控制及保护装置等设备组成。系统中，红外探测器是负责下渣图像连续采集的重要检测元件，当采集的每帧图像先经图像处理卡进行图像的预处理后，再送入图像识别处理单元进行图像的分割、灰度处理、阀值计算等处理，系统通过对钢水与钢渣的图像特征变量的提取，最后在工控机和图像同步显示器上实时显示出钢监控图像和下渣量报警提示。声光报警和控制保护装置属于系统的附属设备，一般根据工艺使用环境和用户需求进行配置。系统检测原理示意如图2所示。
图2： 转炉下渣红外检测系统原理示意图
采用红外测渣系统可以为工艺操作人员提供实时的下渣量检测情况，与人工目测下渣相比，大大降低了工人的劳动强度，避免了钢包渣厚带来的回磷影响，可有效提高钢水的品质。其系统功能如下：
出钢过程图像实时显示
下渣量数据动态分析
渣含量报警阀值设定
出钢图像历史记录
下渣预警分析
系统参数修改
4、紅外测渣系统的应用及注意环节
传统的目测下渣多依赖于操作人员的经验判断，钢包的渣厚控制随机性很大。为提高钢水的品质，减少下渣影响，不少钢厂采用了转炉红外下渣装置，如宝钢、武钢、包钢、太钢、涟钢等。通过对各家产品的实际使用效果来看，红外测渣系统还存在一些问题，用户在选用产品时应对一些关键指标应加以辨识和客观分析。
4.1 红外探测器的选取
红外测渣易受高温、粉尘等环境影响，采用不同的检测元件，测量的效果是有明显差异的，因此红外探测器的选取是其应用的重要环节。红外探测器的种类很多，根据响应波长的不同，可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器；根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器；根据工作温度和致冷需求，可分为低温致冷和室温非致冷红外探测器；根据探测机理，又可分为光子和热敏红外探测器。目前市面上常用的有普通红外摄像机、红外热电视、焦平面热像仪等，但用于下渣检测效果较好的应该是8～12μm工作波长的非制冷型焦平面热像仪。几种常见的红外探测器性能比较如下表2：
表2 常见红外探测器性能比较
对于红外探测器的选取，还应综合考虑检测目标温度范围、分辨率、帧频、镜头视场、信号输出制式、使用环境温度、设备寿命等设备参数和性能指标。
4.2 系统算法软件的应用
红外测渣系统中，红外检测器拍摄到的每一帧图像必须先经图像采集卡转换处理后，再经计算机完成相应的图像识别。要获得稳定、准确的检测效果，对图像中钢流和钢渣特征参数的提取和识别能力也是选择测渣产品的重要环节。红外测渣图像处理的流程框图如下图3： 就图像的具体处理技术而言，除了对比度调整、平滑去噪以及锐化等预处理外，还需对图像进行灰度化处理和色彩阈值分割，以提取钢渣图像的特征变量。目前比较常用的图像处理算法主要有：基于PGA图像的景象匹配算法、基于遗传算法的分层快速匹配、基于进化策略的边缘特征匹配算法以及基于BP神经网络的景象匹配算法等。为提高图像识别的准确性，一些产品还研究建立专家模型库，并开发系统的自学习功能。因此，用户在产品选择过程中，除了了解设备的硬件指标外，系统的图像软件处理功能及后续的应用开发也是关注的重点。
图3 红外测渣图像处理流程图
4.3 系统技术指标的定位
通常情况下，下渣检测的产品资料上会给出一些系统的技术指标，如探测器类型、工作温度范围、工作波段、报警率、安装距离等，但对于探测器的分辨率、每帧响应时间等设备参数未必会给出。不同指标的设备，价格有差异，其检测效果也不同，用户应综合考虑性价比，选择适用的检测设备。
系统指标中，下渣有效报警率也是用户比较关注的重要指标。目前红外测渣装置的下渣报警率一般都在95%以上，但结合企业使用实际，这个指标的验证有待商榷。因为出钢过程如果一出现下渣，系统就报警，这个功能很多产品通过提高灵敏度（即改变钢渣图像阀值域）就可以比较容易实现。但实际上，下渣的初期转炉中剩余钢水还较多，如果系统一报警就抬炉出渣的话，钢水的收得率就较低，经济损失较大。因此，对下渣装置的效果验证和产品甄别，应该考虑实际出钢后钢包渣厚的指标作为考核依据。
另外，鉴于下渣过程在整个出钢过程中所占的时间比例很小，如果系统的响应时间过长，则影响实际应用效果。因此，红外探测器的图像采集时间、计算机的处理运算能力、系统的显示更新频率等指标都应作为指标的重点关注范围。
5、下渣检测应用效果和展望
对于冶金行业用户，采用下渣检测装置后，可以及时预报下渣，有效降低钢水中的带渣，防止钢水二次氧化，大大提高了钢水的洁净度，为后续产品的质量提供保障。同时，由于实现下渣预报，还可以有效指导工艺操作，減少转炉留钢，提高钢水的收得率，减低钢铁料消耗，具有较好的经济效益和应用前景。
在实际应用中，由于钢水下渣的情况较复杂，红外测渣装置受环境干扰因素较多，系统的检测精度和稳定性还有待提高。因此系统应考虑如何结合工艺变化提高系统的自学习功能，在收集和整理不同工况环境下的下渣数据基础上，建立模拟预报模型，增强系统的分析和判断能力。提高系统的适用性和可靠性是红外测渣的研究方向。
参考文献
1 Abratis H,Julius E.Untersuchungen ueber das mitlaufen von schlacke meim konverterabstich.Stahl Eisen,1988,108(18):54-58
关键词：下渣检测;原理;应用
引言
随着现代工业生产规模的扩大，对钢铁品种和质量的要求也在不断提高。为生产高级别钢种，冶炼工艺过程中的质量控制显得尤为重要，下渣检测装置的使用便是其中的应用之一。钢渣中因含有FeO、MnO和P2O5等不稳定氧化物和杂质，如果大量混入钢水中，则易造成钢水回磷和氧化铝等夹杂物的产生，进而影响钢水的纯净度。因此，为有效控制下渣，从20世纪80年代起，国外便开始了对下渣检测装置的研究。随着检测技术的不断发展和应用，国内各类下渣检测装置产品也陆续开发出来，面对各类商家的产品宣传推介，如何选择适合企业自身工艺要求的设备也值得关注。
1、转炉下渣检测技术的发展
根据检测原理的不同，下渣检测装置通常分为振动测渣、红外测渣、电磁测渣、超声波测渣、称重测渣等，其中应用最广的是电磁测渣，。根据其应用环节，下渣检测又分为转炉出钢下渣、连铸大包下渣和连铸中包下渣。几种钢水下渣检测方式的性能比较详见下表1。
转炉出钢测渣的应用历史始于1986年由德国Amepa公司推出的SCDT电磁下渣检测系统[1]。由于SCDT系统需在出钢口附近埋设电磁线圈，线圈在高温环境下很容易损坏，误报率较高；加之设备的维护检修困难，令其推广应用受到局限。随着科研人员对红外波长下钢渣和钢水辐射系数差异的研究发现，红外测渣技术逐步被引入到下渣检测中。1999年，美国Bethlehem钢铁公司最先利用长波红外成像系统实现了对转炉下渣的检测，随后德国Itema公司、Amepa公司、美国AMETEK-Land公司、Nupro公司等都相继开发出红外下渣检测系统，并在各钢铁公司获得成功应用[2]。目前，除有美国Amepa公司的TSD系统、英国LAND公司的SDS系统、澳大利亚ITEMA公司的红外检测下渣检测系统外，国内基于自主研发的红外下渣检测产品也不少，其中具有代表性的有浙江谱诚科技和湖南镭目科技。
表1 几种下渣检测方式的优缺点
2、红外检测原理
红外辐射是介于可见光与微波之间的电磁波。与可见光相比，红外波具有明显的绕射、衍射等效应，更有利于在大气中传播。因为不同波长的红外辐射与空气分子的相互作用不同，所以红外辐射分为3个波段:短波红外l～2.5μm、中波红外3～5μm、远红外8～14μm，这三个波段是大气选择吸收形成的“大气透射窗口”，红外辐射在大气中这三个波段区间基本完全透过。
因为钢渣与钢水的化学成份不同，从可见光区到远红外波段，随着波长的增长，钢水和钢渣的放射率差值逐渐增大，转炉红外测渣就是利用钢水和钢渣的热辐射特性即发射率不同来进行的检测。钢渣和钢水的发射率与波长关系曲线如图1所示[3]:
图1： 钢渣与钢水在红外波长范围对应的发射率
从图1可以看出，在3～12μm的红外波段，钢渣和钢水的发射率差异比较明显，为有效降低如烟雾、水气和灰尘等介质的干扰问题，红外测渣元件多采用3～5μm或8～12μm工作波段的探测器。
3、红外测渣系统的设备构成及系统功能
转炉红外测渣系统一般由红外探测器、图像处理卡、图像识别处理单元、工控机、图像同步显示器、声光报警输出单元、控制及保护装置等设备组成。系统中，红外探测器是负责下渣图像连续采集的重要检测元件，当采集的每帧图像先经图像处理卡进行图像的预处理后，再送入图像识别处理单元进行图像的分割、灰度处理、阀值计算等处理，系统通过对钢水与钢渣的图像特征变量的提取，最后在工控机和图像同步显示器上实时显示出钢监控图像和下渣量报警提示。声光报警和控制保护装置属于系统的附属设备，一般根据工艺使用环境和用户需求进行配置。系统检测原理示意如图2所示。
图2： 转炉下渣红外检测系统原理示意图
采用红外测渣系统可以为工艺操作人员提供实时的下渣量检测情况，与人工目测下渣相比，大大降低了工人的劳动强度，避免了钢包渣厚带来的回磷影响，可有效提高钢水的品质。其系统功能如下：
出钢过程图像实时显示
下渣量数据动态分析
渣含量报警阀值设定
出钢图像历史记录
下渣预警分析
系统参数修改
4、紅外测渣系统的应用及注意环节
传统的目测下渣多依赖于操作人员的经验判断，钢包的渣厚控制随机性很大。为提高钢水的品质，减少下渣影响，不少钢厂采用了转炉红外下渣装置，如宝钢、武钢、包钢、太钢、涟钢等。通过对各家产品的实际使用效果来看，红外测渣系统还存在一些问题，用户在选用产品时应对一些关键指标应加以辨识和客观分析。
4.1 红外探测器的选取
红外测渣易受高温、粉尘等环境影响，采用不同的检测元件，测量的效果是有明显差异的，因此红外探测器的选取是其应用的重要环节。红外探测器的种类很多，根据响应波长的不同，可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器；根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器；根据工作温度和致冷需求，可分为低温致冷和室温非致冷红外探测器；根据探测机理，又可分为光子和热敏红外探测器。目前市面上常用的有普通红外摄像机、红外热电视、焦平面热像仪等，但用于下渣检测效果较好的应该是8～12μm工作波长的非制冷型焦平面热像仪。几种常见的红外探测器性能比较如下表2：
表2 常见红外探测器性能比较
对于红外探测器的选取，还应综合考虑检测目标温度范围、分辨率、帧频、镜头视场、信号输出制式、使用环境温度、设备寿命等设备参数和性能指标。
4.2 系统算法软件的应用
红外测渣系统中，红外检测器拍摄到的每一帧图像必须先经图像采集卡转换处理后，再经计算机完成相应的图像识别。要获得稳定、准确的检测效果，对图像中钢流和钢渣特征参数的提取和识别能力也是选择测渣产品的重要环节。红外测渣图像处理的流程框图如下图3： 就图像的具体处理技术而言，除了对比度调整、平滑去噪以及锐化等预处理外，还需对图像进行灰度化处理和色彩阈值分割，以提取钢渣图像的特征变量。目前比较常用的图像处理算法主要有：基于PGA图像的景象匹配算法、基于遗传算法的分层快速匹配、基于进化策略的边缘特征匹配算法以及基于BP神经网络的景象匹配算法等。为提高图像识别的准确性，一些产品还研究建立专家模型库，并开发系统的自学习功能。因此，用户在产品选择过程中，除了了解设备的硬件指标外，系统的图像软件处理功能及后续的应用开发也是关注的重点。
图3 红外测渣图像处理流程图
4.3 系统技术指标的定位
通常情况下，下渣检测的产品资料上会给出一些系统的技术指标，如探测器类型、工作温度范围、工作波段、报警率、安装距离等，但对于探测器的分辨率、每帧响应时间等设备参数未必会给出。不同指标的设备，价格有差异，其检测效果也不同，用户应综合考虑性价比，选择适用的检测设备。
系统指标中，下渣有效报警率也是用户比较关注的重要指标。目前红外测渣装置的下渣报警率一般都在95%以上，但结合企业使用实际，这个指标的验证有待商榷。因为出钢过程如果一出现下渣，系统就报警，这个功能很多产品通过提高灵敏度（即改变钢渣图像阀值域）就可以比较容易实现。但实际上，下渣的初期转炉中剩余钢水还较多，如果系统一报警就抬炉出渣的话，钢水的收得率就较低，经济损失较大。因此，对下渣装置的效果验证和产品甄别，应该考虑实际出钢后钢包渣厚的指标作为考核依据。
另外，鉴于下渣过程在整个出钢过程中所占的时间比例很小，如果系统的响应时间过长，则影响实际应用效果。因此，红外探测器的图像采集时间、计算机的处理运算能力、系统的显示更新频率等指标都应作为指标的重点关注范围。
5、下渣检测应用效果和展望
对于冶金行业用户，采用下渣检测装置后，可以及时预报下渣，有效降低钢水中的带渣，防止钢水二次氧化，大大提高了钢水的洁净度，为后续产品的质量提供保障。同时，由于实现下渣预报，还可以有效指导工艺操作，減少转炉留钢，提高钢水的收得率，减低钢铁料消耗，具有较好的经济效益和应用前景。
在实际应用中，由于钢水下渣的情况较复杂，红外测渣装置受环境干扰因素较多，系统的检测精度和稳定性还有待提高。因此系统应考虑如何结合工艺变化提高系统的自学习功能，在收集和整理不同工况环境下的下渣数据基础上，建立模拟预报模型，增强系统的分析和判断能力。提高系统的适用性和可靠性是红外测渣的研究方向。
参考文献
1 Abratis H,Julius E.Untersuchungen ueber das mitlaufen von schlacke meim konverterabstich.Stahl Eisen,1988,108(18):54-58