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硕士论文摹于小波神经网络反演炉口火焰温室辅助炼钢终点判断的研究 摘要 提出了转炉炉口火焰温度信息辅助炼钢终点判断的新方法，温度反演用小波神 经网络来实现的。实验系统由炉口火焰图像采集系统和数据分析处理部分组成，利 用望远系统以及数字摄像系统构建了炉口火焰图像采集系统。小波神经网络测量温 度的过程主要包括炉口火焰图像信息采集、用h s v 作为模式特征向量、图像颜色信 息中r g b 值转化成相应的h s v 值、用软件实现小波神经网络、利用每一幅图像中的 h ，s 的平均值、采用小波神经网络将h 、s 对应的温度值反演出来。在确定高温物体 的颜色和温度存在对应关系后，重点是设计合适的小波神经网络软件从颜色信息得 到温度信息。在设计小波神经网络的过程中，主要是选择合适的小波基和训练方法， 因为恰当的小波基能得到比较准确的结果而好的训练方法能加快神经网络的收敛速 度和避免算法进入局部极小点。介绍了小波神经网络进行函数逼近的优点，明确了小 波神经网络反演温度辅助判断终点的可行性。 关键词火焰图像处理炼钢终点控制小波神经网络温度 硕士论文 基于小波神绎网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 an e wm e t h o df o rt h ee n d - p o i n tc o n t r o lo fb a s i co x y g e nf u r n a c e ( b o f ) i s p u tf o r w a r d ，w h i c hm a k e su s eo ft h et e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o no ff 1 锄ei nt h e c o n v e r t e rm o u t ht oa s s i s te n d - - p o i n tc o n t r 0 1 w a v e l e tn e u r a ln e t w o r ki su s e d t om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo ft h ef l a m ei nt h ef u r n a c em o u t h t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mi n c l u d i n gf l a m ei m a g ec a p t u r i n gs y s t e m ，d a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g s y s t e mi se s t a b l i s h e d t h ef l a m ei m a g ec a p t u r i n gs y s t e mi sc o m p o s e do f t e l e s c o p ea n dd i g i t a le 锄e r ac o n s t r u c t i nt h ep r o c e s so ft h ew a v e l e tn e u r a l n e t w o r kc a l c u l a t i n gt e m p e r a t u r e ，h s vm o d e li su s e da st h ep a t t e r nc h a r a c t e r v e c t o r s i n f o r m a t i o no ff l a m ep i c t u r ei sc a p t u r e da n dc o l o ri n f o r m a t i o ni nt h e f u r n a c em o u t hi sc o n v e r t e df r o mr g bs p a c et oh s vs p a c e t h ew a v e l e tn e u r a l n e t w o r ki sd e s i g n e dw i t hm a t l a b u s i n gt h ei n f o r m a t i o no ft h em e a nv a l u eo f h u ea n ds a t u r a t i o ni ne a c hp i c t u r e ，t h ew a v e l e tn e u r a ln e t w o r kc a nd e d u c et h e c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e w i t ht h ep r e m i s et h a tt h e r ei sc o r r e l a t i o nb e t w e e n h i g ht e m p e r a t u r eo b j e c ta n dc o l o r ，t h em a i nw o r ki st od e s i g na p p r o p r i a t e w a v e l e tn e u r a ln e t w o r kw i t hs o f t w a r es o a st oo b t a i nt h et e m p e r a t u r e i n f o r m a t i o nf r o mt h ec o l o ri n f o r m a t i o n i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gw a v e l e t n e u r a ln e t w o r k ，a p p r o p r i a t ew a v e l e tf u n c t i o na n dt r a i n i n gm e t h o dw e r es e l e c t e d t h ec h o i c eo fw a v e l e t f u n c t i o na n dt r a i n i n gm e t h o di si m p o r t a n t ，b e c a u s e a p p r o p r i a t ew a v e l e tf u n c t i o nc a ng e te x a c tr e s u l ta n ds u i t a b l et r a i n i n gm e t h o d c a ni m p r o v et h et r a i n i n gs p e e do fw a v e l e tn e u r a ln e t w o r ka n da v o i dt h a t a r i t h m e t i cg e ti n t om i n i m u mv a l u e f u r t h e r m o r e ，t h em e r i t so fw a v e l e tn e u r a l n e t w o r ki na p p r o a c h i n gf u n c t i o na r ei n t r o d u c e da n dt h a tu s i n gw a v e l e tn e u r a l n e t w o r kt oa s s i s te n d - p o i n tc o n t r o lb yc a l c u l a t i n gt e m p e r a t u r ei sp r o v e dt o b ef e a s i b l e k e yw o r d s ： i m a g ep r o c e s s i n gs t e e l - m a k i n ge n d - p o i n tc o n t r o l w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k t e m p e r a t u r e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的司f 究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作，明确的说明。 研究生签名：才洲盹耠2 0 0 6 年6 月1 4 目 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j ! 泌2 0 0 6 年6 月1 4 日 硕士论文 基于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 1 绪论 1 1 选题背景及意义 转炉炼钢中，终点控制是其关键技术之一，目前，国内大多数转炉炼钢生产采 用人工经验进行终点判断，难以保证比较高的终点命中率，造成资源浪费，效益低 下。为此，本文试图通过模拟实验利用小波神经网络找到转炉炉口火焰温度信息， 从而辅助终点判断。 氧气转炉炼钢现在是世界上主要的炼钢方法，目前转炉钢的比例已达9 0 以上。 传统的转炉炼钢过程是将高炉来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉“1 ，并按一定 比例装入废钢，然后降下水冷氧枪，以一定的供氧、枪位和造渣制度吹氧冶炼。当 达到吹炼终点时，提枪倒炉，测温，取样化验成分，如果钢水温度和成分达到目标 值范围就出钢。否则，降下氧枪继续吹炼。在出钢过程中，向钢包中加入脱氧剂和 铁合金进行脱氧、合金化，然后，钢水送模铸场铸锭或送连铸车间浇成铸坯。 近年来，用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广， 同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量、扩大品种、节约能源和降低成本越来 越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转 炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。目前由单纯用转炉 冶炼，发展为铁水预处理复吹转炉吹炼炉外精炼连铸这一新的工艺流 程，氧气转炉已由原来的主导地位变为新流程的一个环节，主要承担钢水脱碳和升 温的任务，这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。 氧气顶吹转炉产生于上世纪5 0 年代初，生产规模，工艺流程，设备和自动控制 水平等方面发展迅速，在世界范围内得到迅速推广。其工艺在当今占主导地位。德 国转炉钢产量则占总粗钢产量8 3 ，日本、芬兰，英国、巴西、韩国、加拿大、台 湾地区占7 0 - 7 5 ，奥地利，澳大利亚、比利时、卢森堡、荷兰等占9 0 以上嘲中 国的转炉钢产量则占总粗钢产量7 0 以上嘲。氧气顶吹转炉炼钢法之所以应用如此广 泛是因为其拥有如下很多优点： ( 1 ) 炉内反应速度快，冶金时间短，具有很高的生产率氧气顶吹转炉是当今 世界上效率最高的炼钢方法。 ( 2 ) 可冶炼的品种多。氧气顶吹转炉可冶炼平炉的所有钢种和电炉的一部分钢 种。 ( 3 ) 钢材质量好。由于炼钢的主要原料是钢水，废钢所占比例不大，因此钢中 镍、铬、铝、铜、砷等残余元素少由于钢中气体含量低，氧气顶吹转炉钢具有良 好的抗时效性能、冷加工变形性能和焊接性能。 ( 4 ) 原材料选用性强。氧气顶吹转炉不仅能吹炼平炉炼钢生铁，而且能吹炼中 堡主垫基于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 磷和高磷生铁 ( 5 ) 耐火材料消耗低。由于氧气顶吹转炉炉龄的提高，使耐火材料的消耗大幅 度降低，目前大型转炉采用煤炭砖后，炉龄提高到2 0 0 0 到3 0 0 0 炉，使耐火材料的单 耗小于2 公斤 ( 6 ) 投资省、建设速度快。氧气顶吹转炉设备简单、重量较轻、所需厂房面积 和所需重型设备的数量比平炉炼钢厂少，因此投资比相同规模平炉炼钢厂少3 0 4 0 ，建设速度也快。此外，氧气顶吹转炉炼钢的冶炼时间短，容易和连铸配合，容 易进行煤气回收和采用电子计算机控制。 而在我国自7 0 年代以来，攀钢、鞍钢、本钢、首钢、武钢、宝钢的大型氧气顶 吹转炉相继投产，发展也比较快，但全国5 0 吨以下的小型转炉总容量还占一半以上 我国氧气顶吹转炉钢产量占总产量的6 0 9 6 以上。 1 2 转炉炼钢 转炉炼钢的基本原料包括枷：铁水、废钢、铁合金、造渣料、熔剂、冷却剂、 氧气、氮气、氩气、二氧化碳等。炼钢过程中通过造渣料和氧气的共同作用达到去 除铁水中的杂质的目的，从而冶炼出合格的钢。这一过程中伴随着激烈而复杂的物 理化学反应，而转炉内的成分也发生着不断的变化。根据这一成分变化，通常把冶 炼过程分为三个阶段： ( 1 ) 吹炼前期 吹炼初期由于铁水温度不高，s i 、m n 的氧化速度比c 快，开吹2 4 分钟时， s i 、弛已基本上被氧化。同时，铁水也被氧化形成f e o 进入渣中，石灰逐渐溶解， 使p 也氧化进入炉渣中。s i 、m n 、p 、f e 的氧化放出大量热，使熔炉迅速升温。吹 炼初期炉口出现黄褐色的烟尘，然后燃烧成火焰，这是由于带出的铁尘和小铁珠在 空气中燃烧而形成。开吹时，由于渣料乳化形成而噪声变得柔和。吹炼前期的任务 是化好渣、早化渣，以利磷和硫的去除；同时也要注意造渣，以减少炉渣对炉衬材 料的侵蚀。 ( 2 ) 吹炼中期 铁水中的s i 、m n 氧化后，髂池的温度升高，炉渣也基本化好，c 的氧化速度加 快。此时从炉口冒出的浓烟急剧增多，火焰变大，亮度也提高；同时炉渣起泡，炉 口有小渣块溅出，这标志着反应进入吹炼中期。吹炼中期是碳氧反应剧烈时期，此 间供熔池中的氧气几乎1 0 0 6 , 6 的和碳反应，使脱碳速度达到最大由于碳氧剧烈反应， 使炉温升高，渣中f e o 的含量降低，磷和锰在渣一金间分配发生变化，产生回磷回锰 现象。但此间由于高温、低f e o 、高c a o 的存在，使脱硫反应得以大量进行。同时， 由于熔池温度升高使废钢大量熔化吹炼中期的任务是脱碳和去硫，因此应控制好 2 硕士蝗文基干小被神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 供氧和底气搅拌，防止炉渣反干和喷溅的发生。 ( 3 ) 吹炼后期 吹炼后期，铁水中碳含量低，脱碳速度减小，从炉口排出的火焰逐渐收缩，透 明度增加。这是吹入熔池中的氧气使铁部分氧化，使渣中( f e o ) 和钢水中( 0 ) 含量增 加同时，温度达到出钢要求，钢水中磷，硫得以去除。吹炼后期要做好终点控制， 保证温度和c 、p 、s 含量合乎出钢要求 1 3 终点控制 转炉炼钢是一个复杂的高温物理化学反应过程，其间涉及气体，液体、固体在 钢液、炉渣和炉气三相闻的流动、传热、传质、熔化、溶解和高温化学反应等复杂 现象。转炉炼钢的目的就是将含有较多杂质的铁水与吹入的氧气发生反应，从而去 除杂质，获得要求的钢水成分。 终点控制主要是指终点温度和成分的控制旧。对转炉终点的精确控制不仅要保 证终点碳、温度的精确命中，确保s 、p 成分达到钢要求，而且要求控制尽可能低的 钢水氧含量。转炉兑入铁水后，通过供氧、造渣等操作，经过一系列物理化学反应， 而达到该钢种所要求的成分和温度的时刻，称为。终点”转炉炼钢中炼钢终点控 制是转炉吹炼后期的重要操作。 到达终点的具体标志如下： ( 1 ) 锅中碳含量达到所炼钢种要求的控制范围； ( 2 ) 钢中p 、s 含量低于规定下限要求的一定范围； ( 3 ) 出钢温度保证能顺利进行精炼和浇注； ( 4 ) 达到钢种要求控制的氧含量。 铁水中其他的杂质象磷硫很容易去除，因此转炉吹炼的终点控制主要指终点的 碳含量和温度的控制。 ( 1 ) 终点碳含量控制断 对于一个炼钢厂来说，铁水中的磷、硫含量一般相对来说比较稳定，采用经验 渣量方程一般可以满足生产要求。随钢种类不同，对碳在成品中的含量有不同的要 求。终点碳含量的控制主要依靠改变吹氧量来实现。 ( 2 ) 终点温度控制m 吹炼任何钢种，对其出钢温度都有要求。出钢温度过低或过高，会影响钢的质 量，过高时还会增加铁的烧损，降低合金元素吸收率，降低炉衬和钢包内衬寿命， 造成连铸坯( 或钢锭) 多种缺陷甚至浇注漏钢。因此，控制好终点温度是顶吹转炉吹 炼工艺的重要环节之一。控制好炼钢过程熔池的温度是确保终点温度达到目标值的 关键。只有这样才能保证吹炼中的精炼反应要按标准情况所要求的进行，也只有这 硕十论文摹于小波神经网络反演炉口火焰温室辅助炼钢终点判断的研究 样才能确保连铸时的浇铸温度恰当。随着碳含量的不同，钢的凝固温度不同，所以 所要求的含碳量决定了终点熔池温度的控制目标。一般说来，停吹温度选择在以1 6 0 0 度为中心的一个较宽的范围内是终点温度控制的目标。 终点含碳量主要根据所炼钢种来控制，但应考虑到脱硫剂和铁合金含碳量的影 响。由于氧气顶吹转炉脱碳速度快，而钢种规格要求含碳量的范围窄，所以终 点碳的控制比较困难。在通常情况下氧气顶吹转炉采用单渣法操作时，在吹炼过程 中不倒炉，吹炼末期，当判断终点后，则停止吹氧，倒炉测温并取样。最理想的是 一次性倒炉后，钢液成分和温度即符合出钢要求，否则必须进行补吹。生产实践表 明，在进行补吹的情况下，钢在渣中损失增加，钢中氧和氮含量升高，炉衬腐蚀严 重，因此有必要改进终点判断的方法。 由于本文研究的是一种基于炉口火焰图像中光强和色饱和度来判断终点的方 法，所以下面把对炉口火焰有影响的炉内基本反应和操作做一个简要介绍：产生炉 口火焰的反应主要是碳氧反应，碳氧反应生成了一氧化碳，析出的高温的一氧化碳 遇到炉口的空气激烈的反应生成火焰，因此火焰的强度主要和炉内碳氧反应的程度 有关。另外吹炼过程中的操作对火焰也会有影响，比如加料时候会有黄黑色的烟尘 飞出，其中影响火焰的主要操作是氧枪枪位的变化，在吹炼过程中为了脱碳和造渣 韵需要，氧枪的位置要调整。当氧枪处于低位时氧气直接吹到铁水内部，碳氧反应 剧烈、脱碳速度快，火焰相对较强；吹炼过程中为了防止位于表层的炉渣板结，需 要提高氧枪枪位来加热表层铁水和炉渣，这时由于氧枪和铁水接触面积较小碳氧反 应较慢，火焰就会相应减弱。可见枪位的变化对炉口火焰还是有很大影响的，特别 是人工操作的转炉枪位的调整比较频繁，在解决问题时要考虑到这一点。 1 4 终点控制的发展 转炉吹炼终点的控制主要经历了人工经验控制、静态控制和动态控制几个发展 阶段嘲。自2 0 世纪6 0 年代开始，国外逐步采用计算机对转炉吹炼进行控制，7 0 年 代从静态控制向动态控制发展。国内除宝钢、首钢等少数转炉采用动态控制外，大 多数转炉的装备、控制水平还较低，处于经验控制向自动控制的过渡。 1 4 1 人工经验控制 终点的经验控制主要是在常规吹炼条件下埘，借助一些常规监测手段，对终点 ( 终碳) 进行人工控制。经验控制常采用“拉碳”和“增碳”两种操作方法，常用的 辅助手段为测温定碳和炉前取样快速分析。采用哪种控制方法与所炼钢种有关，所 谓“拉碳”，就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧，由于在中、高碳钢种的含碳 范围内，脱碳速度较快，一次把终点判别不太容易，所以采用高拉补吹的办法。增 硕士论文 基于小波神经网络反溃炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 碳法就是终点按低碳钢控制( 在为数不少的厂家和场合，甚至采取“一吹到底”的操 作方法) ，然后在出钢过程中增碳，使钢水中的碳量达到所炼钢种的要求范围之内。 由于转炉吹炼是一个复杂的高温物理化学反应过程，单纯依靠人工经验来对终 点进行控制很不精确。在操作时，温度和碳的含量的二次命中率很低，需要一次或 多次补吹的炉次占绝大部分。因此，冶炼时间变长，转炉寿命由此缩短，所耗费的 金属量增加，钢水的质量受到影响，工人的劳动强度加大。 1 4 2 静态控制 转炉静态控制是转炉计算机的基本控制方式，副枪动态控制也以静态控制为基 础，静态模型包括终点控制模型、供氧模型、造渣模型和底吹模型。 终点静态控制哪是按照已知的原材料条件和吹炼钢种的终点成分和温度，依据 物料平衡和热平衡原理，参考统计分析和操作经验所确定的基本公式，计算铁水、 废钢、冷却剂、渣料、铁合金及供氧量的加入量，并按照计算结果装料和吹炼，吹 炼过程中不作任何修正，这种控制方法称为静态控制。 终点控制模型是静态控制模型中最主要、最复杂的模型，它通常选取钢水终点 温度和终点碳作为目标值，以冷却剂( 矿石或铁皮等) 加入量和氧耗量作控制变量， 即用冷却剂加入量控制终点温度，用氧耗量控制终点碳。因此，终点控制模型包括 冷却剂加入量和氧耗量两个方程。此模型根据建模方法的不同，有机理模型( 即以热 力学参数反映炉内反应，它根据物料平衡和热平衡方程，参考生产实际并在一系列 假设下推导得出并建立模型) 、统计模型( 应用数理统计方法，例如多元回归法等对 大量生产数据进行统计分析来建立模型) 和经验模型三种。 和人工经验控制相比，终点静态控制能更加有效地利用吹炼过程的初始条件进 行定量计算并进行控制，使终点钢水温度与碳含量的命中率有所提高，但由于仅考 虑始态和终态之间的差别，未考虑吹炼过程的信息，不能进行在线跟踪实时修正， 终点命中率低的，为提高控制精度，提出了动态控制法。 目前国内相当数量的中小型转炉仍处在经验炼钢和单一静态控制模式，终点命 中率低，与世界先进水平相距甚远，同时又正值各转炉炼钢厂淘汰落后、提高装备 水平，向质量效益型企业发展的时期，无论是新建厂、还是旧厂改造，其所具有的 一个共同点就是要通过采用些动态控制技术，提高冶炼过程的自动化控制水平， 提高转炉冶炼终点命中率，以获得更大的竞争优势。 1 4 3 动态控制 动态控制“1 “4 “1 是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温 装置等检测吹炼过程中有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态信息对 5 硕士论文 基于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终卢判断的研究 吹炼参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。 下面就几种常用的动态控制技术作简单介绍： ( 1 ) 气相( 质谱仪) 定碳判定终碳 气相定碳是通过分析转炉炉气成分来连续预测吹炼过程中钢水碳含量的一种方 法，气相定碳主要应用的分析仪器为红外分析仪和质谱仪两种。从目前情况看，质 谱仪的使用己占优势 质谱仪法的原理 将氩、氦等惰性气体作为示踪剂，通过气体物料平衡来决定废气流量。以氩为 例，将吹入气体、吹炼氧气和混入空气中的氩作为炉内氩气的输入源，用质谱仪测 定烟道内的废气成分，根据氩含量的稀释程度计算废气流量，再根据废气成分和流 量，不断地对熔池脱碳速度和渣中氧的吸收速度做出评价。 测算系统 在吹炼过程中，根据从质谱仪得到的废气分析值信号、供氧速度、丙烷流量和 辅助原料( 铁矿石、石灰、萤石) 投入速度等实际吹炼数据，每隔2 秒对相关项目进 行一次计算。 质谱仪的优点是可以连续预测钢水碳含量和炉气成分，因而有利于控制有用炉 气的回收和废气的排放，而且其使用不受炉容量大小的限制。但仅采用质谱仪，在 控制转炉吹炼温度上还没有取得大的突破是其重要缺陷。 ( 2 ) 副枪测定终点控制系统由一个动态模型和一个反馈计算模型所组成，动态控 制模型计算副枪测量过程中以及吹炼结束时所需要的氧量和冷却剂量。副枪动态控 制是在吹炼接近终点时，在静态模型确定的副枪应该插入的时刻将副枪插入熔池， 检测熔池内部的温度和碳含量，同时取得金属样本。反馈计算模型任务是根据检测 到的数据，修正静态模型的计算结果，确定达到吹炼终点所需要的供氧量和副原料 加入量，这样终点命中率得到增加，转炉冶炼自动化水平也得到提高，可以配合计 算机实现对转炉冶炼的动态控制。使用由副枪所测得的值和实际操作值，实时估算 钢水温度和碳含量。随着一个炉役期中命中率的变化，系统可以准确地估计钢水温 度和碳含量，无需在炉役期内调整模型参数，在日常操作中的成功率已达到足够高 的精确程度。但这种方法投资较大，副枪探头成本高，由于炉口尺寸限制，容量较 小的转炉不适用，所以目前仅在现代化的大型转炉钢厂应用。 在氧气炼钢中，副枪系统被用来测定钢水熔池的实际成分和温度，成分和温度 用做动态过程控制系统的输入和吹炼终点检查。使用副枪系统的主要目的是严格控 制炼钢时间以适应连铸工序，避免重复吹炼，节省能源，改善工作条件和环境状况， 降低耐火材料消耗，并可能作为底搅拌操作的检验设备。 就研究和发展而言，副枪是研究由于原料和吹炼方法变化引起的工艺条件变化 6 硕士论文 基于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终卢判断的研究 的必不可少的工具。 使用副枪在转炉上测定钢水熔池温度的想法是奥地利于六十年代最先提出了 的。在七十年代美国和日本也采用了副枪技术，并且将其扩展到钢水取样。日本四 大钢铁公司他们新建的钢厂成功地在使用了副枪装置。在其它工业化国家( 北美、西 欧、澳大利亚等) 副枪已被广泛使用。 ( 3 ) 终点成分测算系统 成分测算系统主要是通过对终点成分的判定来控制吹炼终点，实现快速出钢。 根据采用的不同测算手段，分为 0 f 法和q v 法。 0 f 法一在测定氧浓度的基础上，根据钢一渣之间的平衡关系测算成分。 此法适用于低碳钢。 q v 法一利用副枪测温并获取样品，通过光谱仪在现场快速分析成分，测定碳 含量。此法能精确测定优质钢和高碳钢。 在高碳区，渣中分压与钢中 0 f 值相差5 1 5 倍，二者可视为无相关关系。随 c 的降低，铜、渣间氧分压差差距缩小，当达0 0 6 以下时就可根据钢中 o ， 计算氧分压，确定钢水成分；测定氧浓度，确定终点成分 冶炼后期，利用钢、渣接近平衡的关系，根据 o f ，确定各种成分。方法是用 副枪探测仪来测定 0 f ，并且考虑加入的造渣剂等操作因素，用统计法计算各种成 分。 1 5 新型的终点控制方法 1 5 i 光学系统 针对传统方法有的对终点判断不够准确，或者成本高适用性不广，许多利用转 炉炉口光学参数或图像参数进行终点判断的新型控制方法从上个世纪8 0 年代开始 就进行了尝试。 最近，美国的b e t h l e h e m 公司研制成功了一种简单的光学探头“”。即通过测定 转炉炉口排出炉气的光强度，通过分析光强度的大小与变化来在线测量吹炼终点的 钢水碳含量。由上面分析知道，在转炉的不同阶段火焰的强度不一样，呈现出一定 的规律，有判断终点的可能性。但该方法仅采集炉口炉气的光强度，信息量小，抗 干扰能力弱。小型转炉多由人工操作，供氧不平稳，干扰多。由于供氧不平稳，而 光强由氧气和碳的多少共同作用，因此光强波动大且干扰难以消除。通过我们实验 研究，该方法不适用于小型转炉。 1 9 9 7 年后，国外逐渐出现了以红外激光穿透炉口炉气“”进行终点判断，通过检 测穿过炉气激光发生的变化情况来测量炉气成分以判断终点的光电探测器，该方法 的主要原理就是检测炉气中的一氧化碳的含量，由上面转炉炼钢的简介知道炉内碳 堕士论丈基于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 含量多时碳氧反应激烈，炉气中一氧化碳的含量就高，然后根据炉气中的一氧化碳 的成分变化来进行终点控制。但这种方法仅对于碳含量很低( 0 0 5 ) 时的终点控 制有效，而且设备势必要在距离转炉较近的地方工作，而转炉附近的环境十分恶劣， 这样就会带来寿命的缩短和维护的困难，在实际应用中作用有限。 l 5 。2 图像方法 随着图像处理、模式识别、计算机视觉等学科的发展，由于其有模拟人工判断 的可能，因此新兴了一些利用图像处理方法判断炼钢终点的方法。 ( 1 ) 模式识别法“”：将图像分成若干个区域，根据特定区域内特征像素点的出现 概率作为特征，通过模式识别的手段将图像识别为炼钢特定阶段的图像，用判断炼 钢阶段的方法判断终点这种做法的好处是对图像的识别十分准确，而且对炼钢阶 段的判断也很准确。但是炼钢的第三阶段与炼钢终点还是有很大差别的，该方法无 法判断炼钢的准确终点。而且该方法算法复杂从而失去了判断火焰图像短时间变化 的可能，而在炼钢过程中火焰的平稳总是相对短暂的，所以短时间的火焰变化也很 有意义。 ( 2 ) 纹理分析法“”：利用图像处理中的纹理分析的方法，通过分析计算每幅图像 的纹理结构特征，根据图像的纹理特征的变化来判断终点。目前有两种研究图像纹 理的方法；一类是从图像有关属性的统计分析出发的统计分析方法；另一类是力求 找出纹理基元，再从结构组成上探索纹理的规律和直接去探求纹理构成的结构规律 的结构分析方法。目前常用的方法是统计分析方法但是这两种方法用到炼钢终点 判断上仍然有速度慢的缺点，而且纹理分析的理论和炼钢的过程也没有明显的联系， 实际人工判断的过程中也非利用火焰的纹理。 1 6 本文所做工作 针对上述国内外研究现状与存在的问题，本项目试图在将转炉终点判断的两种 新型方法( 炼钢过程中炉口光强度与终点的对应关系和炉口火焰图像信息中的色度 成分在炼钢过程中变化与终点的关系) 进行结合判断终点基础上，研究一种低成本、 简单可靠能够适应炼钢现场恶劣环境的终点碳含量、温度在线测量控制方法及测试 系统装置，以实现炼钢在线终点控制。 本文所做的工作主要包括： ( 1 ) 在单一光强信息变化规律判断终点与炉口火焰图像中颜色色度分量变化规 律判断终点以及二者相结合进行终点判断的基础上，提出了种新的辅助判断方法， 用炉口火焰的温度信息来实现辅助终点判断。 ( 2 ) 设计能够实现高温物体的温度和颜色信息函数关系的小波神经网络。 8 里兰丝茎茎王尘垫幽竺星堡丝旦盔些堡鏖塑塑苎塑竺生型堑塑! 塞 ( 3 ) 利用已有的数据进行模拟运算，即将已有数据输入设计好的小波神经网络。 检验其输出与实际值的关系，判断小波神经网络测得的温度的可靠性，进而判断小波 神经网络测温辅助转炉炼钢终点判断的可行性。 本项目是多学科交叉研究，其特色是测量控制方法在线实时，装置简单而且成 本低廉，有广阔的应用前景对提高产品质量、降低成本、促进工艺装备现代化将 有明显的效果，潜在着很大的经济和社会效益 9 塾论文基于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 2 炉口火焰图象采集与处理 用小波神经网络这个测量工具来对图像中的色度信息和饱和度信息进行计算， 估计出相应的温度，结合转炉炉口火焰辐射的光强在终点附近特征及炉口火焰图像 信息中色度在终点附近特征来对终点进行更准确的判断。 2 1 系统的实践基础 吹炼时，熔池中的碳在被氧化过程中，金属液中的碳含量不断降低，生成大量 的c 0 气体，高温的c o 气体从炉口中排出时，与周围的空气结合，燃烧成火焰，炉 口火焰的颜色、亮度、长度是熔池温度和炉内c o 排出量的标志，而c o 排出量与脱 碳速度有关因此，火工人和炉长通过观察炉口火焰、火花和供氧时间、耗氧量结 合判断终点”一 ( 1 ) 看火花 被炉气带到炉口的金属滴液被空气氧化时，滴液中的碳与氧气结合生成c o 气 体，由于气体的体积膨胀将金属颗粒爆裂成许多碎片金属滴液中含碳量越高，爆 裂程度就越大。碳火花表现为火球状和羽毛状。滴液中含碳量变低时，爆裂的炭火 花分为多叉、三叉、两叉；当碳含量小于0 0 1 时，炭火花分叉几乎消失，所看到 都是小火星和流线。 ( 2 ) 看火焰 + 吹炼中期时，由于熔池中的碳被大量氧化，c o 气体变多，炉口火焰长度增加， 火焰看起来自亮、有力。当熔池中的碳进一步氧化到0 2 0 9 6 左右时，脱碳速度明显 变慢，c 0 气体生成量明显减少，此时炉口火焰收缩、发软、打晃，看起来火焰较为 稀薄。 ( 3 ) 供氧时间和耗氧量 当氧枪喷头缔构和供氧压力一定时，单位时间的供氧量一定的，在其他条件例 如装入量、冷却剂用量和冶炼钢种都没有什么变化时，固定量的金属需氧量也变化 很小。所以，吹炼一炉钢的供氧时间和耗氧量几乎是固定的。根据冶炼过程统计的 耗氧量和供氧时间，结合平均脱碳速度作为拉碳终点的参考，再根据观察火焰和火 花情况判断终点。 2 2 系统的基本组成 系统由两部分组成：图像采集子系统和软件处理子系统。系统设计方案如图 2 2 1 所示。 1 0 硕士论文摹于小波神经网络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 图2 2 1 系统设计方案图 摄像头采集图像数据，经过初步处理过以后由软件分析处理。软件处理系统负 责把采集到的光强信号和图像信号同步、处理以及对终点进行判断。 2 3 图像采集处理系统 2 3 1 图像采集系统整体设计要求 图像采集系统需要实现的功能是采集炉口火焰图像送到电脑中并进行处理提取 出对终点判断有用的数据。与光强同样的由于转炉炉口环境条件恶劣，整个系统要 能够远离转炉采集，这就需要光学望远系统实现；其次需要选择一个可以清晰采集 炉口火焰的摄像头；最后需要编写采集和处理软件将图像数据的信息提取供电脑判 断，所以需要相应的通讯处理软件。因此图像采集系统也由三部分组成：光学系统、 摄像头、采集处理软件。下面逐一讨论各个部分： ( 1 ) 光学系统：这里由于需要采集的是图像，所以需要采用的光学系统是望远系 统。主要要考虑的是望远系统的放大倍数像差等参数，而且还需要兼顾望远镜的大 小要便于试验。 ( 2 ) 摄像头的选择：摄像头要求可以清晰采集图像，并且需要结构简单、操作方 便、编程方便，而且最好能够体积小巧便于试验需要。 ( 3 ) 处理软件的设计：处理软件不仅需要负责采集图像数据，还需要从图像中提 取有用数据提供给后续的判断软件。因为首先图像数据庞大，变化复杂，不利于直 接判断，所以需要对数据简化提取有用信息；其次图像数据采集需要消耗很多c p u 资源，所以对图像的处理需要仔细选择简便的算法；最后提取出的数据需要能够准 确地反映炼钢终点 2 3 2 摄像系统 由于在距炼钢炉较远的地方进行数据采集，因此需要对广角的摄像头配备望远 镜，以提高图像的放大倍数，获得炉口图像较大的图像，丰富信息量。对望远镜的 要求是放大倍率大，中心视场清晰，而对像差要求不高( 肉眼可以接受范围内即可) 。 实验中采用的是h o k e n n 公司的放大1 0 ( 2 5 ) 倍的望远镜。该望远镜具有体 积小，调试简单等优点，实验中基本满足了要求。 塑主堡塞基于小波神经同络反演炉口火焰温度辅助炼钢终点判断的研究 2 3 3 图像采集系统 图像采集系统的主要耳的是以一定的速度连续采集清晰的图像。c c d 摄像系统 的工作原理如下啪】： ( 1 ) 光电转换器件c c d 工作原理 组成c c d 的基本单元是m o s ( 金属氧化物一半导体) 结构，在p 型( 或n 型) 半导 体衬底上制作氧化层，再在此绝缘层上按一定次序淀积金属电极，便构成了c c d 的 基本单元。在对m o s 的金属栅极施加电压之前，p 型半导体中的空穴( 载流子) 的分 布是均匀的。 金属 氧化层 u e 日9e 址 少数载流子 ( 口) m o s 电容器 阻 ( 6 ) 有信号电荷的势阱 图2 3 3 1 电荷存储示意图 在栅极电压u g 作用下，半导体中形成能容纳电荷的耗尽区，如图2 3 3 1 所示。 即半导体的势阱，势阱深度决定了所能容纳的电荷数量，在合适的光照强度和光照 时间下，c c d 中各像元产生的电荷量的分布能够正确反映出成像面上的光强分布 为避免电压消失后势阱消失，在势阱消失前，电荷必须向其它位置转移通过按一定 规则交替变化的驱动脉冲加到c c d 各电极上，使电荷在交替电压的作用下按一定的 方向逐单元顺序迁移，如图2 3 3 2 ( 口) ( 典型的三相c c d 结构) 所示。三相c c d 是由 每三个栅为一组的间隔紧密的m o s 结构组成的阵列。每相隔两个珊栅电极连接到同 一驱动信号上，也即时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如图2 3 3 2 ( b ) 所示。在f l 时刻，死高电位，吼，仍低电位，此时纯电极下的表面势最大，势阱最深。假设此 硕士论文 基于小波神经网络反演炉口火焰温宦辅助炼钢终点判断的研究 时已有信号电荷( 电子) 注入，则电荷就被存储在识电极下面的势阱中。f ：时刻，西， 唬均为高电位，九为低电位，则旃，如下的两个势阱的空阱深度相同，但因为萌下 面存有电荷，则磊势阱的实际深度闭疙电极下面的势阱浅，识下面的电荷将向欢下 转移，直到下面两个势阱具有同样多的电荷。，3 时刻，唬仍为高电位，死仍为低电 位，而氟由高到低转变。此时钨下的剩余电荷继续向如下的势阱中转移。 ， 一1f _1 广 广 广 1 广1 i ( 口) k 厂 d 一f l i f 3 l i 厂- f fif - i 乏 f n 吣广k 巴、厂一厶 ( 6 ) 岱旷匦r 一f ( c ) 图2 3 3 2 三相电极结构及电荷转移 时刻，办为高电位，氟、以为低电位，如下的势阱最深，信号电荷都被转到如下 的势阱中，这与 时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。上述给 1 3 硕士论文 基于小波神经网络反演炉口火焰温宦辅助炼钢终点判断的研究 定时刻的势阱分布及电荷包的转移情况如图2 3 3 2 ( 口) 所示当经过一个周期r 后，电荷包将向右转移三个电极位置即一个栅周期，也成为一位。因此，时钟的 周期变化，就可使c c i ) 中的电荷包在电极下被转移到输出端，最后在检测端通过电荷 检测回路将电荷转换成电信号，送给后面的处理单元进行信号调制，以把图像信号 转变为通用的视频信号( p a l 或n t s c 制式) 。需注意的是，如果光积分时问过长或者 光强度过高，势阱中的电荷饱和并出现电荷。溢出”的现象，则会干扰相邻位置的 信号，使图像的清晰程度下降甚至不可分辨，此时须采取减少光积分时间、缩小光 圈或通过在光学镜头前加中性衰减滤光片的方法，减少进入c c d 的光通量。 将c c d 的电荷存储、转移的概念与半导体的光电性质相结合，导致了c c d 摄像 器件的出现。c c d 摄像器件按结构可分为线阵c c d 和面阵c c d ，按光谱有可见光c c d 、 红外c c d ，x 光c c d 和紫外c c d 。可见光c c d 又可分为黑白c c d 、彩色c c d 和微光c c d 。 光电转换器件c c d 在芯片表面集成众多光敏器件，这些光敏器件在一条直线上 排列，当光线经镜头会聚成像在c c d 表面上时，每个光敏器件会因为感受到光强的 不同而感应出不同数量的电荷，译码电路根据每一光敏器件耦合的电荷量形成与入 射光强度成比例的模拟电信号( 指大小连续变化的电信号) 输出。 光电转换器件c c d 广泛用于摄像机、数码相机和扫描仪中。摄像机和数码相机 使用的是面阵c c d ，可摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性c c d ，只接受一条直 线上的图像数据。 c c d 只能感应到接收光线的强度，不能分辨图像的色彩，获取彩色图像有两种 常用方式，一是在c c d 芯片的光敏元件表面的每个像素上加彩色滤色片构成彩色成 像c c d ，二是用分光系统将入射光分为红绿蓝三色光，用三片c c d 分别接收。 彩色c c d 摄像机以c c d 图像传感器作为核心部件，为了能输出彩色信号，电路 中必须要处理红、绿、蓝基色信号。常用的彩色c c d 摄像机是三片式彩色c c d 摄像 机，这种摄像机具有三个c c d 图像传感器。分别接受从分光棱镜分出的红、绿、蓝 三基色光信号，经光电转换后送入各自的信号处理电路，最后经彩色编码输出。 ( 2 ) c c d 摄像机电路系统 电路系统的作用是转换、处理、传输图像信号。电路系统主要由模数转换器、 图像处理器和接口电路组成。 2 4 火焰分析的现状 视觉作为人类最重要的一种感知，是人类智能活动所不可缺少的。因此，研究 图像处理和分析一直是一个挑战性的研究课题。目前人们对于图像处理在航天和航 空技术、生物医学工程、通信工程、工业和工程应用、军事公安、文化艺术等方面 的应用都进行了探索性的研究，并取得了长足的进步。 1 4 硕士论文 基于小渡神经网络反演炉口火焰温堂辅助炼钢终点判断的研究 火作为与人类生存息息相关的事物，自然也吸引了众多学者的目光基于火焰 图像处理的生产过程监测、温度的测量、元素的含量分析以及火灾的预报都取得了 重大的进步。下面作一简单介绍： ( 1 ) 回转窑是我国冶金、建材等行业的重要生产设备，通过对回转窑实铡图像进 行分割。”，从而可以实现火焰面积、物料校回转窑带起的高度、黑把子长度、黑把 子面积等回转窑工程参数的准确自动测量。克服了人工监测由于人的精神状态、技 术素质等带来的影响、锅炉炉膛的安全监控系统运用图像处理技术及时报告炉内熄 火事故，得到了满意的效果 ( 2 ) 电厂锅炉火焰的温度场分布对于电厂的安全运行和燃烧诊断都具有极其 重要的现实意义。运用计算机图像处理技术测量燃烧火焰的温度场分布是近年来国 内外得到较多研究的一项技术嘲根据彩色c c d 摄像机的色度学基础，运用比色法 的原理，进行燃烧火焰的二维、三维温度场重建。试验证明简单易行，可以用于电 厂锅炉火焰的温度场的测量。 ( 3 ) n o 含量是控制环境污染的主要指标之一而全世界的石油供应危机导管了 燃煤的增加，而煤中氮的折算含量比重油高近1 0 倍，这就是使控制n o 的排放被列 为重点的研究项目。由于n o 的生成是一个复杂的过程，因而控制n 0 的排放是一个 困难的课题，大量的研究成果都表明降低n o 的重点应放在研究n o 的生成与还原情 况上。而地气中的n 0 含量与燃烧器喷嘴附近的火焰形状及其特征量有关，因此应用 图像处理技术可以有效地研究n 0 的生成情况伽，估计n 0 的含量，从而找到降低n 0 排 放量的途径。 ( 4 ) 火灾是最常见的严重危害之一，它往往给人们的生命财产造成巨大的危害。 火灾时产生的有害火焰具有着火面积逐渐增大、边缘抖动、较强的红外辐射等明显 的特征。所以采用图像处理与识别的方法可以进行远距离探测，达到监测范围广、 误报率低、智能化和高可视化的目的脚 2 4 1 应用图像判断炼钢终点 目前图像处理方法在炼钢终点判断方面已进行了很多的研究，有两种方法对炼 钢火焰图像进行处理，简要介绍如下： 首先是纹理分析法“钉：它是图像处理中的一种方法，分析计算每幅图像的纹理 结构特征，由纹理特征的变化来判断终点。现在主要有两种方法来研究图像纹理特 征：一类是从图像有关属性的统计分析出发的统计分析方法 另一类是力求找出纹 理基元，再从结构组成上探索纹理的规律和直接去探求纹理构成的结构规律的结构 分析方法。目前常用的方法是统计分析方法。用这两种方法对炼钢终点进行判断速 度慢，而且炼钢的过程与纹理分析理论也没有明显的联系，实际人工判断的过程也 非利用火焰的纹理。 1 5 硬士论文 基于小渡神经网络