焦炭氣孔粗糙度的測定方法

2023-12-10 10:40:22

專利名稱：焦炭氣孔粗糙度的測定方法
技術領域：
本發明涉及焦炭氣孔粗糙度的測定方法，屬於煉焦應用炭相學技術領域。
背景技術：
在傳統煉鐵生產中，焦炭在高爐內的主要作用之一是作為料柱骨架，因而強度成為評價高爐焦炭性能的重要參數之一。作為多孔的焦炭，其氣孔結構與焦炭的強度有著密不可分的聯繫，這種結構與性能之間的關係對指導實際生產尤其是配煤有著重要的現實意義。但在高爐焦炭領域，雖然針對焦炭的氣孔結構特徵做了一些研究，設定了諸如氣孔率、平均孔徑(大小)、孔壁厚度和氣孔形變度等參數，但這些參數與焦炭性質未能建立很好的相關性，對實際生產的應用意義有限。
近年來，在多孔材料氣孔結構的分析研究方法上，普遍採用圖像分析法，該分析法基於幾何學、體視學理論，是從材料二維截面上獲得的普適參數來描述立體結構。這些圖像分析系統主要由圖像拾取和圖像分析兩大系統構成，前者由光學鏡頭、掃描臺、存儲設備等硬體組成，後者主要是指用於圖像處理和分析計算的軟體。對於前者，光學顯微鏡和掃描臺一般都是容易獲取的，而後者，各個圖像分析儀有其自行開發的軟體系統。鑑於圖像分析的這個特點，有多家研究機構和大學在現有硬體(圖像拾取)設備的基礎上，自行開發或是利用現有的圖形軟體來完成圖像處理和顯微組織定量分析的工作。有人特別針對焦炭開發了氣孔結構定量分析系統，根據焦炭氣孔結構的特點，結合傳統的算法，開發了新的算法程序，成為用於分析孔結構參數的軟體雛形；但是由於開發的年代較早，計算機硬體還比較落後，受處理晶片、內存容量和圖形加速卡所限，該系統的處理能力十分有限，尤其不能勝任高解析度圖像的處理。
另一方面，傳統的圖像分析法是用測試線測量的方法，通過分析在截面上測試線和氣孔截面相截的長度和數量來確定氣孔的平均孔徑，通過測試線和氣孔壁相截的長度和數量來確定氣孔壁的平均厚度。早期用人工方法分析時，由於測試線間距不可能做的很小，因此大量直徑小於該間距值的氣孔將有可能被遺漏；換言之，氣孔在截面上截出的斷面尺寸越小，被測試線截出的概率越小。在有限次數的測量中，小氣孔經常不能在截面上反應出來，使得測量的氣孔數量偏低。

發明內容本發明的目的在於提供一種焦炭氣孔粗糙度的測定方法，該測定方法通過對表徵焦炭微觀結構的氣孔粗糙度參數測定，可對高爐用焦炭的強度性質進行有效的預判。
本發明是這樣實現的一種焦炭氣孔粗糙度的測定方法，其包含下列步驟(1)取樣，在焦炭軸向上的中線位置處切取焦塊截面試樣；(2)圖像拾取，用帶數字輸出的光學顯微鏡在計算機上通過圖像軟體抓取焦炭二維截面的灰階圖；(3)圖像處理，將所獲得的二維圖像轉化為黑白二值圖，對由於焦炭中反射率較低的礦物質得到的氣孔進行填充修正，對斷裂氣孔壁進行修復，使得二維圖像接近焦炭本來的面貌；(4)氣孔粗糙度計算，測量和計算圖像上每個氣孔的面積A和周長P，進而計算氣孔的圓度C；為每個氣孔擬合一個橢圓，再計算該橢圓的圓度C橢圓，則氣孔粗糙度C』為兩者之比；(5)焦炭氣孔粗糙度計算，計算所有氣孔的粗糙度，取平均值即得到焦炭試樣的氣孔粗糙度 上述的焦炭氣孔粗糙度的測定方法，所述從二維圖像轉化為黑白二值圖，首先通過對圖像進行濾波降噪，接著確定閥值將灰階圖分割為黑白二值圖，再使用圖像處理程序中的腐蝕後膨脹操作使焦炭氣孔之間有更好的分離。
本發明包含兩個方面第一個方面是獲取焦炭二維截面的圖像並進行圖像處理以獲得可用於計算的數字圖像；第二個方面是從所述數字圖像上計算得到焦炭氣孔的粗糙度參數。焦炭的氣孔結構與焦炭的強度有著密不可分的聯繫，這種結構與性能之間的關係對指導實際生產尤其是配煤有著重要的現實意義。本發明通過對表徵焦炭微觀結構的氣孔粗糙度參數測定，揭示該參數與焦炭強度之間具有良好的相關性，從而對高爐用焦炭的強度性質進行有效的預判。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖1為二維焦炭截面的取樣示意圖；圖2為焦炭原始照片；圖3為經過轉換、過濾和分割後的圖像；圖中箭頭A、B分別表示斷裂的氣孔壁和分割缺陷；圖4修正後的圖像；圖中箭頭所指處分別表示對斷裂孔壁的修補和對分割缺陷的彌補；圖5為每個氣孔所擬合的橢圓示意圖；圖6為焦炭的氣孔粗糙度與冷強度之間的關係示意圖。
具體實施方式
一種焦炭氣孔粗糙度的測定方法，包含下列步驟(1)二維焦炭截面的獲取高爐焦炭具有從焦頭到焦尾疏密度漸變的特點，為使所有待測焦炭塊樣具有可比性，選取直徑約為50mm、包含從焦頭到焦尾的完整焦塊，如圖1所示，在其軸向方向的1/2長度位置處並垂直於軸線切割，獲得二維焦炭截面，同時確保該位置的焦塊截面有40mm×40mm的可測量面積。經過機械磨拋、清洗以及乾燥等一系列處理，獲得用於顯微鏡觀察的焦炭塊光片。
(2)圖像拾取圖像拾取使用配備有數字攝像頭的光學顯微鏡，顯微鏡與帶有圖像採集卡的計算機相連，以計算機的顯示器作為顯微鏡的顯示終端，並用相應的圖形軟體抓取焦炭切面圖片並以數字格式儲存下來。
焦炭塊光片固定於掃描臺上，顯微鏡放大倍數選取50倍。攝像頭的解析度為2088pix×1552pix，每幅圖像的實際大小為2784μm×2069μm，因此掃描步長為橫向3mm，縱向2mm。為保證最後結果的普遍性，參考慣例，對焦塊每處截面抓取累積不少於1200mm2總面積的光片圖像，即所抓取的圖片將不少於200張。
(3)圖像處理和氣孔測量圖像處理採用計算機完成，圖像處理和計算使用的軟體為ImageJv1.30k圖形處理軟體。以實施例1的孫村焦炭試樣的一張照片為例來具體說明圖像處理的過程，圖2為其原始圖像。所抓取的原始焦炭圖片為256階灰度圖(8-bit圖)。
首先對圖像進行降噪處理，在本發明中採用中值濾波(MedianFilter)，其優點是在過濾噪聲的同時，還能很好的保護邊緣輪廓信息。
而後進行圖像分割。圖像分割是要將256階灰度圖轉變為僅有黑(灰度值為0)和白(灰度值為1)兩種顏色構成的所謂二值圖。這一過程通過選取適當的灰度閥值(Threshold，亦稱作門限)來實現的，可將超過閥值部分的灰度重新分配以最大灰度值1(即白色)，而低於閥值的部分則分配以最小灰度值0(即黑色)。在焦樣的灰度圖中，亮的部分為焦炭基質，暗的部分為孔洞，在調整閥值時，把圖像的背景(即焦炭孔洞)轉變為黑色，而把焦炭基質轉變為白色，這樣得到的圖像就成了黑白二值圖。在具體分割時，通過對分割前後照片的反覆對照比較，確定最佳的閥值範圍，該閥值範圍在80～120，並根據具體圖像調節。最後，再進行兩次打開(Open)操作，即腐蝕(Erode)後膨脹(Dilate)，目的在於使毗鄰的孔隙能夠得到更好的分離。經過以上處理後的圖像如圖3所示。
接著對有明顯缺陷的圖像進行修正。經過與原始圖像的對比後發現，圖像缺陷的來源主要有兩個，一個是氣孔壁的斷裂，另一個是圖像分割效果不理想。
焦炭在切片和磨製過程中，由於其某些氣孔壁非常薄，不可避免的產生斷裂。反映在焦炭顯微圖片上，就是部分氣孔壁的缺失，如圖3中A處所示。這種缺失可能造成的後果是，某些氣孔面積增大，而整個圖像中的氣孔數量減少，從而對後面的計算造成不良影響。用畫線功能(Draw)可以方便的修補斷裂的氣孔壁。
焦炭含有不少礦物組分，其反射率一般較低，在顯微鏡觀察下呈暗色，灰度也與背景(氣孔)的灰度相接近。在不損失其他圖像細節的前提下，閥值分割很難使礦物組分與氣孔得到很好的分離，而更容易把它劃作氣孔，如圖3中B處所示。對於這種缺陷，修正的辦法是用尋邊工具(Wand)選定礦物質的邊緣範圍，而後用填充工具(Fill)將選定區域以白色(代表焦炭基質)填充。修正後的焦炭圖像如圖4所示。
(4)對處理後的圖像進行氣孔粗糙度計算首先測量並計算出每個氣孔的面積A和周長P。測量是以圖像中的每個黑色像素聚集區(即每個氣孔)作為單位測量對象進行測量和計算。其中，孔面積A的測量是通過計算相鄰黑色象素總數並折合成實際面積獲得的，周長P是以氣孔周邊像素的數目並折合成實際長度獲得的。針對焦炭，在測量時對於直徑大於2mm的超大孔和小於18μm的微孔予以剔除。根據每個氣孔的面積A和周長P，利用公式(1)計算出氣孔的圓度C。
C=4AP2---(1)]]>接著為每個氣孔擬合一個橢圓，如圖5所示，並獲得該橢圓的主軸和副軸長。同樣用公式(1)計算該橢圓的圓度C橢圓。最後根據公式(2)計算氣孔粗糙度C』。
粗糙度的幾何意義是氣孔的圓度與氣孔當量橢圓的圓度之比，由於圓度是反應氣孔接近於圓的程度，其與為氣孔所擬合的橢圓圓度的比值則反映出氣孔邊緣的粗糙程度。對每個試樣所有氣孔的粗糙度取平均值即得到該焦炭試樣的氣孔粗糙度 粗糙度數值越大(越接近1)，表明氣孔壁越光滑。
實施例通過對國內20種不同焦炭樣品測定了其冷強度(DI15015)和氣孔粗糙度，結果如表1所示。
表120種焦炭樣品DI15015強度和氣孔粗糙度測定結果
用粗糙度對冷強度DI15015作圖，如圖6所示，圖中的曲線為擬合線。從圖中可見，焦炭氣孔粗糙度與其強度之間有較好的相關性，即粗糙度越大(越接近1)，焦炭的冷強度DI15015越大。
本發明通過對表徵焦炭微觀結構的氣孔粗糙度參數測定，揭示該參數與焦炭強度之間具有良好的相關性，從而對高爐用焦炭的強度性質進行有效的預判。
權利要求
1.一種焦炭氣孔粗糙度的測定方法，其特徵是包含下列步驟(1)取樣，在焦炭軸向上的中線位置處切取焦塊截面試樣；(2)圖像拾取，用帶數字輸出的光學顯微鏡在計算機上通過圖像軟體抓取焦炭二維截面的灰階圖；(3)圖像處理，將所獲得的二維圖像轉化為黑白二值圖，對由於焦炭中反射率較低的礦物質得到的氣孔進行填充修正，對斷裂氣孔壁進行修復，使得二維圖像接近焦炭本來的面貌；(4)氣孔粗糙度計算，測量和計算圖像上每個氣孔的面積A和周長P，進而計算氣孔的圓度C，C=4AP2;]]>為每個氣孔擬合一個橢圓，再計算該橢圓的圓度C橢圓，則氣孔粗糙度C』為兩者之比；(5)焦炭氣孔粗糙度計算，計算所有氣孔的粗糙度，取平均值即得到焦炭試樣的氣孔粗糙度
2.根據權利要求1所述的焦炭氣孔粗糙度的測定方法，其特徵是從二維圖像轉化為黑白二值圖，首先通過對圖像進行濾波降噪，接著確定閥值將灰階圖分割為黑白二值圖，再使用圖像處理程序中的腐蝕後膨脹操作使焦炭氣孔之間有更好的分離。
全文摘要
本發明公開了一種焦炭氣孔粗糙度的測定方法，其包含下列步驟(1)取樣；(2)用帶數字輸出的光學顯微鏡在計算機上通過圖像軟體抓取焦炭二維截面的灰階圖；(3)將所獲得的二維圖像轉化為黑白二值圖，並對有缺陷氣孔和斷裂氣孔壁進行修正；(4)測量和計算圖像上每個氣孔的面積A和周長P，進而計算氣孔的圓度C；為每個氣孔擬合一個橢圓，再計算該橢圓的圓度C
文檔編號G01B11/30GK1979089SQ20051011098
公開日2007年6月13日 申請日期2005年11月30日 優先權日2005年11月30日
發明者吳信慈, 楊俊和, 胡德生, 房永徵, 曹銀平, 金寶, 沈風雷, 徐志棟 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司, 上海應用技術學院