張崇堯¹，劉卓民²，王如倫¹，周勃延²，田陸²

（1. 翼城鋼鐵有限責(zé)任公司，山西省臨汾市，041000）

（2. 衡陽鐳目科技有限責(zé)任公司，湖南省衡陽市，421001）

摘要：轉(zhuǎn)爐爐口的火焰信息和熔池碳含量及溫度之間存在緊密的聯(lián)系。爐口火焰的顏色、亮度等表征了鋼水溫度的高低，而火焰的形狀、紋理等則預(yù)示著鋼水含碳含量的多少。通過采集和分析爐口火焰信息，對鋼水碳含量和溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)，可以克服人工經(jīng)驗(yàn)煉鋼穩(wěn)定性差，終點(diǎn)命中率低的缺點(diǎn)，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)終點(diǎn)碳含量＜0.1%，控制范圍為±0.02%時(shí)，碳命中率大于90%，溫度控制范圍為±15℃時(shí)，溫度命中率大于90%，滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：終點(diǎn)控制；火焰；圖像處理

1  前言

終點(diǎn)控制是轉(zhuǎn)爐冶煉后期的一個(gè)關(guān)鍵操作，準(zhǔn)確命中終點(diǎn)有利于提高鋼廠生產(chǎn)效率、減少能源和原材料浪費(fèi)、提高鋼材質(zhì)量^[1]。轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制技術(shù)的發(fā)展可以分為四個(gè)階段：人工經(jīng)驗(yàn)煉鋼階段、靜態(tài)模型控制煉鋼階段、動(dòng)態(tài)控制階段以及全自動(dòng)冶煉。目前，全自動(dòng)冶煉僅在少數(shù)大型鋼廠使用，如新日鐵，神戶制鋼等，采用較多的是動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，包括副槍和爐氣分析兩種方法^[1-4]。副槍控制精度高，但是設(shè)備價(jià)格昂貴，探頭消耗大，同時(shí)對爐容要求嚴(yán)格，一般要求120t以上，難以滿足我國以中小鋼廠為主的現(xiàn)狀^[5]。煙氣分析技術(shù)不受爐容限制，但是對原材料要求高，對鋼廠自動(dòng)化要求高，同時(shí)其價(jià)格昂貴，且質(zhì)譜儀屬于精密儀器，在鋼廠煉鋼環(huán)境下，氣體標(biāo)定周期短，采樣頭更換頻繁，維護(hù)量大^[6]。

鐳目公司開發(fā)的火焰信息終點(diǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，通過采集和分析爐口火焰信息，預(yù)報(bào)熔池碳含量和溫度，指導(dǎo)提槍操作。該系統(tǒng)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐，維護(hù)量低，對提高我國轉(zhuǎn)爐冶煉水平，提升鋼材質(zhì)量具有積極意義。

2  系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由機(jī)械密封結(jié)構(gòu)、光學(xué)模塊、光強(qiáng)采集模塊、視頻采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、工控機(jī)等部分組成，如圖1所示。

光強(qiáng)采集模塊：用于將光強(qiáng)信號變成電信號再變成數(shù)字信號便于計(jì)算機(jī)分析處理，采用硬件濾波電路、軟件算法修正等方法來濾除噪聲、降低采樣的失真率。

視頻采集模塊：采用工業(yè)攝像機(jī)、大變焦自動(dòng)鏡頭、高精度圖像采集卡，保證采集圖像的真實(shí)有效。

數(shù)據(jù)處理模塊：現(xiàn)場噪聲及光照、灰度偏移、幾何變形、原因使得圖像變得模糊不清，影響分析精度，采用中值濾波、直方圖修正、直方圖均衡化等技術(shù)有效降低火焰圖像的失真率、濾除噪聲、還原圖像真實(shí)信息。

圖1 火焰分析系統(tǒng)組成

3   系統(tǒng)工作原理

3.1  碳含量預(yù)報(bào)原理

煉鋼末期，碳含量的變化在火焰形狀、紋理等多個(gè)方面發(fā)生變化。因此，在傳統(tǒng)的人工判斷基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)智能圖像識別來對末期碳含量進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而對鋼水中碳含量做實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

通過計(jì)算機(jī)圖像處理，對火焰的原形態(tài)（通過濾鏡得到的圖像）做邊緣、中心紋理的提取，如圖2及圖3所示。

圖2  濾鏡過濾后火焰的原始形態(tài)圖像

圖3  經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理后的火焰特征圖像

每秒實(shí)時(shí)采集多張圖像，對每一張圖像做特征提取，然后把提取出來的紋理，邊緣特征轉(zhuǎn)為量化值。

火焰特征量化利用圖像的灰度共生矩陣GLCM（Gray-level co-occurrence matrix from an image）?；叶裙采仃囀窍袼鼐嚯x和角度的矩陣函數(shù)，它穿越計(jì)算圖像中定然距離和定然方向的兩點(diǎn)灰度之間的相干性，來反映圖像在方向、間隔、改變幅度及快慢上的歸納信息。

取圖像(N×N)中任意一點(diǎn)（x，y）及偏離它的另一點(diǎn)（x+a，y+b），設(shè)該點(diǎn)對的灰度值為（g1，g2）。令點(diǎn)（x，y）在整個(gè)畫面上移動(dòng)，則會(huì)得到各種（g1，g2）值，設(shè)灰度值的級數(shù)為k，則（g1，g2） 的組合共有 k 的平方種。對于整個(gè)畫面，統(tǒng)計(jì)出每一種（g1，g2）值出現(xiàn)的次數(shù)，然后排列成一個(gè)方陣，再用（g1，g2）出現(xiàn)的總次數(shù)將它們歸一化為出現(xiàn)的概率P（g1，g2），這樣的方陣稱為灰度共生矩陣。距離差分值（a，b）取不同的數(shù)值組合，可以得到不同情況下的聯(lián)合概率矩陣。（a，b）取值要根據(jù)紋理周期分布的特性來選擇，對于較細(xì)的紋理，選取（1，0）、（1，1）、（2，0）等小的差分值。

當(dāng) a=1，b=0時(shí)，像素對是水平的，即0度掃描；當(dāng)a=0，b=1 時(shí)，像素對是垂直的，即90度掃描；當(dāng) a=1，b=1時(shí)，像素對是右對角線的，即45度掃描；當(dāng) a=-1，b=-1時(shí)，像素對是左對角線，即135度掃描。

這樣，兩個(gè)象素灰度級同時(shí)發(fā)生的概率，就將（x，y）的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為“灰度對”（g1，g2）的描述，形成了灰度共生矩陣。

最終對灰度共生矩陣進(jìn)行了如下的歸一化：

R的取值分為兩種情形：

① 

②

通?？梢杂靡恍?biāo)量來表征灰度共生矩陣的特征，令G表示灰度共生矩陣，常用的特征有:

3.1.1 ASM（angular second moment）

也即每個(gè)矩陣元素的平方和。

如果灰度共生矩陣中的值集中在某一塊（比如對連續(xù)灰度值圖像，值集中在對角線；對結(jié)構(gòu)化的圖像，值集中在偏離對角線的位置），則ASM有較大值，若G中的值分布較均勻（如噪聲嚴(yán)重的圖像），則ASM有較小的值。

3.1.2 對比度（contrast）

如果偏離對角線的元素有較大值，即圖像亮度值變化很快，則CON會(huì)有較大取值，這也符合對比度的定義。

3.1.3 IDM（inverse different moment）

如果灰度共生矩陣對角元素有較大值，IDM就會(huì)取較大的值。因此連續(xù)灰度的圖像會(huì)有較大IDM值。

3.1.4 熵（entropy）

若灰度共生矩陣值分布均勻，也即圖像近于隨機(jī)或噪聲很大，熵會(huì)有較大值。

3.1.5 自相關(guān)（correlation）

其中

自相關(guān)反應(yīng)了圖像紋理的一致性。

根據(jù)以上原理，對整個(gè)末期火焰特征進(jìn)行實(shí)時(shí)分析得出量化結(jié)果,最終通過對各個(gè)特征值的智能分析與計(jì)算，再結(jié)合煉鋼過程相關(guān)參數(shù)的跟蹤得到末期實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)鋼水碳含量的功能。

3.2 溫度預(yù)報(bào)原理

根據(jù)輻射傳熱的觀點(diǎn)：物體在每一個(gè)溫度下都有一個(gè)最大輻射強(qiáng)度的波長，而且隨著溫度的升高，最大輻射強(qiáng)度的波長變短，物體的顏色由紅變白。所以火焰的顏色在很大程度上反映了火焰的溫度高低。

根據(jù)光輻射理論，當(dāng)c₂/λT遠(yuǎn)大于1時(shí)，在某個(gè)特定的波長下，單色輻照度為^[7]：

                                          （4）

火焰圖像經(jīng)彩色CCD系統(tǒng)采集后按每像素24位方式存儲(chǔ)，其中包括各8位的紅色（R）綠色（G）藍(lán)色（B）。對各自通道，通道采集值正比于各自的單色輻照度，若R₁G₁B₁為CCD器件RGB通道的亮度，K_RK_GK_B為各通道的光電相應(yīng)特性系數(shù)，則得到：

對（5）、（6）、（7）式取對數(shù)，然后采用兩兩相比再相比的方法，即可得到要測的溫度。

                             （8）

轉(zhuǎn)爐爐口火焰的溫度是由兩部分混合組成的^[1]：一部分是從鋼水中逸出的CO氣體所具有的溫度，此溫度實(shí)際上反映了鋼水溫度；另一部分是CO氣體在爐口與氧進(jìn)行完全反應(yīng)后放出的化學(xué)熱，使火焰溫度升高，在一定碳含量下，其值可以認(rèn)為是恒定的，因此可以從火焰顏色來計(jì)算火焰溫度，進(jìn)而計(jì)算鋼水的溫度。

四 系統(tǒng)使用效果

火焰分析系統(tǒng)目前已經(jīng)在翼鋼公司1#轉(zhuǎn)爐上投入使用。現(xiàn)場采集某一爐次的對比度，自相關(guān)性等的曲線如圖4（a）所示。從圖中可以看出，進(jìn)入冶煉末期以后，幾個(gè)特征向量呈現(xiàn)出有規(guī)律的上升或下降的趨勢。根據(jù)曲線下降或上升程度，建立后期碳含量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)制度，對于某一爐次，其預(yù)報(bào)曲線如圖4（b）所示，從圖中可以看出，隨著碳含量降低，脫碳速率逐漸下降，符合實(shí)際冶煉規(guī)律。

圖4 碳含量預(yù)報(bào)；(a)-光強(qiáng)曲線;(b)-碳含量預(yù)報(bào)曲線

現(xiàn)場對50爐進(jìn)行預(yù)報(bào)，14個(gè)碳以下，控制精度在±0.01%范圍內(nèi)，命中率達(dá)到90%以上，當(dāng)終點(diǎn)碳含量小于0.07%時(shí)，命中率達(dá)到95%以上，預(yù)報(bào)效果如圖5所示。

圖5 碳含量實(shí)測值與預(yù)報(bào)值比較

工業(yè)攝像機(jī)獲得火焰實(shí)時(shí)圖片后，系統(tǒng)基于RGB三色測溫方法對火焰瞬時(shí)溫度進(jìn)行計(jì)算。通過不斷的采集圖片，連續(xù)地對熔池溫度進(jìn)行預(yù)報(bào)。整個(gè)爐次中爐口火焰的溫度變化規(guī)律和熔池的溫度變化規(guī)律如圖6所示。從圖中可以看出，隨著冶煉進(jìn)行，熔池溫度一直呈上升趨勢，火焰溫度則是先上升然后快速下降。

通過分析現(xiàn)場50爐的溫度情況，終點(diǎn)控制精度在±15℃時(shí)，命中率達(dá)到90%以上，能夠滿足鋼廠要求，預(yù)報(bào)效果如圖7所示。

圖7 溫度實(shí)測值與預(yù)報(bào)值比較

5  結(jié)論

（1） 火焰分析系統(tǒng)基于光電技術(shù)、機(jī)器視覺和冶金原理，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)爐爐口火焰光強(qiáng)和圖像信息，能夠用于熔池碳含量和溫度預(yù)報(bào)；

（2） 當(dāng)終點(diǎn)碳含量小于0.15%，控制范圍±0.02%時(shí)，系統(tǒng)命中率在90%以上；當(dāng)溫度控制精度±15℃時(shí)，系統(tǒng)命中率在90%以上，符合鋼廠使用要求。

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