轉爐煉鋼鋼水碳含量在線實時動態檢測系統的製作方法

2023-10-17 16:55:29 1

本發明的各個方面涉及轉爐煉鋼技術領域，尤其是轉爐煉鋼過程中鋼水碳含量的實時監測，具體而言涉及轉爐煉鋼鋼水碳含量在線實時動態檢測系統。

背景技術：

現今世界上的主流煉鋼技術就是轉爐煉鋼，其產量佔鋼鐵總產量的70％以上。而在轉爐煉鋼過程中最重要的一環就是末期的終點控制，直接關係到最後鋼水的質量。自從轉爐煉鋼方法出現以來，轉爐煉鋼的終點控制主要經歷了人工經驗控制、靜態模型控制、動態模型控制和光信息控制四個發展階段。

人工經驗控制，即經驗煉鋼，利用熱電偶測溫定碳和爐前取樣快速分析的手段，對正常吹煉條件下的轉爐終點進行人工經驗判斷控制。碳氧反應速率是劃分三個階段的重要依據，而碳氧反應的劇烈程度及鋼水的溫度，都能夠被爐口火焰反映出來。煉鋼操作工人通過觀察爐口火焰、火花和供氧時間來綜合判斷煉鋼終點。然而，僅僅依靠操作工人的肉眼觀察，存在終點命中率低、工人勞動強度大等問題。

靜態模型控制就是根據統計學的原理，對以往轉爐吹煉的初始數據進行統計分析，計算出吹煉所需要的初始條件，以此條件來進行吹煉過程。一般來說，靜態模型控制相比人工經驗控制能夠更加有效地利用吹煉過程的初始條件進行定量計算和控制。靜態模型控制能夠依據原料條件尋找最佳原料配比，並根據實際配料確定冶煉方案，克服經驗控制上的隨機性和不一致性。現有的靜態模型包括機理模型、統計模型和增量模型三種。而在實際應用中，常常以這三種模型相互結合來提高終點控制的精度。但是由於靜態模型控制不考慮吹煉過程中的動態信息，不能進行在線跟蹤和實時修正，因此準確性受到很大的限制。

動態模型控制主要是副槍動態控制方法，在靜態模型的基礎上利用副槍對轉爐內的鋼水進行檢測，根據檢測得到的結果，對初始參數加以修正，來得到精確的終點。尤其是近年來，隨著人工神經網絡的研究在動態模型控制方法上的應用，克服了傳統靜態模型控制忽視吹煉過程中動態信息的問題，進一步提高了檢測的準確性，使終點檢測結果的命中率得到了進一步的提升，同時使煉鋼的自動化程度得到了極大的提高。但是它成本比較高，需要對轉爐進行改造，故對一般的中小型轉爐不太適用。

傳統方法或對終點判斷不準確，或成本高適應性受限，因此隨著煉鋼技術的發展和相關技術的進步，人們不斷嘗試在終點控制技術中應用更加有效和準確的方法。在20世紀80年 代，出現了利用轉爐爐口光學信息對轉爐煉鋼終點判斷的新型終點控制方法。諸如，利用紅外雷射穿透爐氣時發生的變化情況來測量爐氣成分來判斷終點的光學探測器，該探測器通過檢測穿過爐氣雷射發生的變化情況來判斷終點，其主要原理是檢測爐氣中的一氧化碳的含量，根據爐氣中的一氧化碳的成分變化來進行終點控制。在經驗或者動態模型控制中，始終不可忽略的就是操作工人要從火焰的變化來獲取不同程度的信息，這些信息其實就是火焰的光圈、光譜分布和火焰的圖像信息。隨著光電器件的不斷發展，光學處理方法的不斷成熟，光學探測技術得到了極大的發展，光學控制方法也應用到了轉爐煉鋼的終點控制中。諸如張金進、石彥傑等人提出的鋼水輻射光譜信息探測法、美國伯利恆鋼鐵公司提出的爐口火焰光強信息探測法、衛成業、嚴建華等人提出的火焰圖像信息探測法等。

雖然煉鋼終點控制理論的研究不斷深入，但這些方法所需的成本極高，探測和分析設備的造價都是極其昂貴的，而且安裝和維護十分不便，僅僅在一些實力強大的鋼鐵企業中應用。在大多數中小鋼鐵企業中，還是以單一的經驗控制或者靜態模型控制為主。而最新的光信息控制方法雖然提供了一些有價值的思路和應用方向，但由於受到生產規模、生產條件的限制，尤其是複雜、惡劣的煉鋼生產環境，在光信息採集方面，抗幹擾能力弱，不能迅速連續的提取所需要的參數信息，因而很難為一些中小鋼鐵企業所接受。

因此，迫切需要研製一種精確的，適用於中小鋼鐵企業，中小轉爐的在線實時煉鋼終點控制方案。

技術實現要素：

本發明目的在於提供一種轉爐煉鋼鋼水碳含量在線實時動態檢測系統，具有非接觸、抗幹擾能力強、適應性強等優點，從而解決了當前轉爐煉鋼碳含量在線動態檢測方面的問題。

本發明的上述目的通過獨立權利要求的技術特徵實現，從屬權利要求以另選或有利的方式發展獨立權利要求的技術特徵。

為達成上述目的，本發明提出一種轉爐煉鋼鋼水碳含量在線實時動態檢測系統，包括：

望遠光學系統，被配置用於實時採集煉鋼爐口的火焰圖像信息；

光譜儀，被配置通過光纖連接至所述望遠光學系統，接收來自所述望遠光學系統的火焰圖像信息進行火焰光譜分析；

終點控制裝置，通過數據線與所述光譜儀連接，接收光譜儀傳輸的光譜分布信息進行碳含量的檢測；

其中：

所述望遠光學系統包括共光軸的物鏡、目鏡，以及獨立於物鏡和目鏡的、用於調節爐口火焰探測視場的視場光欄，該視場光欄配置在所述物鏡、目鏡所形成的光學成像通路中。

進一步的實施例中，所述視場光欄位於所述物鏡的焦平面上，或者位於目鏡後方並貼近所述光纖的位置。

進一步的實施例中，所述視場光欄為可變視場光欄。

進一步的實施例中，所述物鏡為雙分離透鏡，由一塊正透鏡和一塊負透鏡共光軸的分布而構成。

進一步的實施例中，所述目鏡為凱涅爾目鏡，由一塊單透鏡和一塊雙膠合透鏡共光軸的分布而構成。

進一步的實施例中，所述終點控制裝置具有一用於根據光譜分布信息進行碳含量檢測的運算單元和控制運算單元運行的中央控制單元，該中央控制單元與運算單元連接，該運算單元具有數據接口與所述光譜儀連接以接收所述的光譜分布信息。

進一步的實施例中，所述的運算單元包括FPGA晶片、CPLD晶片中的一種，這些FPGA晶片、CPLD晶片中燒錄有用於進行碳含量檢測的模型。

進一步的實施例中，所述的中央控制單元包括一微處理器，諸如單片機等。

應當理解，所述構思以及在下面更加詳細地描述的額外構思的所有組合只要在這樣的構思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發明主題的一部分。

結合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發明教導的所述和其他方面、實施例和特徵。本發明的其他附加方面例如示例性實施方式的特徵和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據本發明教導的具體實施方式的實踐中得知。

附圖說明

附圖不意在按比例繪製。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，並非每個組成部分均被標記。現在，將通過例子並參考附圖來描述本發明的各個方面的實施例，其中：

圖1是本發明所提出的轉爐煉鋼鋼水碳含量在線實時動態檢測系統的示意圖。

圖2是圖1的檢測系統中終點控制裝置的示意圖。

圖3是圖1的檢測系統中望遠光學系統的示意圖。

具體實施方式

為了更了解本發明的技術內容，特舉具體實施例並配合所附圖式說明如下。

在本公開中參照附圖來描述本發明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為 本發明所公開的構思和實施例並不限於任何實施方式。另外，本發明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發明公開的其他方面的任何適當組合來使用。

結合圖1所示，本發明提出的轉爐煉鋼鋼水碳含量在線實時動態檢測系統，包括望遠光學系統1、光譜儀2以及終點控制裝置3。

望遠光學系統1與光譜儀2之間通過光纖4連接。

本例的望遠光學系統1，被配置用於實時採集煉鋼爐口的火焰圖像信息。

光譜儀2，如圖1所示，被配置通過前述光纖4接收來自望遠光學系統1的火焰圖像信息，並進行光譜分析以獲取火焰光譜分布信息。

光譜儀2，在本例中選用了光柵光譜儀，諸如海洋光學的USB4000-VIS-NIR的微型CCD光柵光譜儀，其體積小、故障率低，且安裝方便，與本例設計的望遠光學系統1配合可穩定獲取煉鋼爐口火焰的穩定光譜分布。

終點控制裝置3，通過數據線例如USB數據線與所述光譜儀2連接，接收光譜儀2傳輸的光譜分布信息進行碳含量的檢測。

結合圖1，所述終點控制裝置3具有一用於根據光譜分布信息進行碳含量檢測的運算單元31和控制運算單元運行的中央控制單元32，該中央控制單元32與運算單元31連接，該運算單元具有數據接口與所述光譜儀2連接以接收前述光譜分布信息。

本例中，終點控制裝置3構造為一個電路板。如圖2所示的示例，電路板3上集成有作為運算單元的FPGA晶片和作為中央處理單元的微處理器，當然，電路板3上還包括用於提供穩定電壓供應的電源模塊、串行接口、RS232接口等。

作為可選的方案，所述的運算單元31包括FPGA晶片、CPLD晶片中的一種，這些FPGA晶片、CPLD晶片中燒錄用於進行碳含量檢測的模型。利用運算單元，在接收到火焰光譜信息後自動進行碳含量的檢測。

本公開所提出的檢測系統中，所述的模型可以採用現有的SVM檢測模型，本發明並未對檢測模型做改變或者改進，這些模型作為成熟的檢測方式例如可通過燒錄技術將其固化到FPGA晶片或者CPLD晶片中，從而接收前述中央控制單元32的控制並在接收到火焰光譜信息後自動進行碳含量的檢測。

這些模型，諸如在許凌飛等人所提出的爐口火焰的終點控制方法的相關文獻中均有詳細實現，在本發明可以直接引用以實現，在此不再贅述。

所述的中央控制單元32包括一微處理器，諸如單片機等。

結合圖3，本公開的檢測系統中，望遠光學系統1包括共光軸的物鏡、目鏡，以及獨立於物鏡和目鏡的、用於調節爐口火焰探測視場的視場光欄，該視場光欄配置在所述物鏡、目 鏡所形成的光學成像通路中，以調節爐口火焰的探測視場。

作為優選的方案，如圖3所示，前述視場光欄位於所述物鏡和目鏡之間，諸如設置在所述物鏡的焦平面上。

在另外的例子中，所述視場光欄還可以設置在目鏡後方並貼近光纖的位置。

作為可選的例子，所述物鏡為雙分離透鏡，由一塊正透鏡和一塊負透鏡共光軸的分布而構成。

所述目鏡為凱涅爾目鏡，由一塊單透鏡和一塊雙膠合透鏡共光軸的分布而構成。

優選地，所述視場光欄為可變視場光欄，從而可以適應性地調節爐口火焰探測的視場。

圖3中，標號l表示物鏡、目鏡的光軸，f1'表示物鏡的焦距，f2'表示目鏡的焦距。

結合圖1、圖2和圖3所示，根據以上公開的技術內容，在本發明所提出的檢測系統中，由於設置了一個用於調節爐口火焰探測視場的視場光欄，當然更優選的是可變視場光欄，使得整個檢測系統可以適應多種不同的煉鋼環境現場，尤其是針對不同距離的火焰探測、不同大小煉鋼爐的火焰探測以及對於爐口的蓋子上下動作對火焰探測帶來的影響(如馬鋼的煉鋼爐)，具有極大的便利，不需要再設計一套光學系統來進行望遠成像，利用本發明的方案僅需要適應性地調節視場光欄即可，提高了整個系統的適應性，而且可以預見的是，採用該套方案可顯著降低生產或者現有鋼廠(尤其是中小煉鋼廠)採用該系統的成本，安裝方便，現場簡單調試即可投入使用。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。