基于线结构光阵列的铸坯切割熔渣尺寸在线测量方法

01研究背景火焰切割是一种被广泛应用于钢铁工业中的粗加工技术，对于能够火焰切割的金属，具备金属熔点高于其燃点以及金属氧化物熔点低于金属自身的熔点的条件。因此，当在连铸坯火焰切割过程中，铁等合金元素与氧气剧烈反应，生成氧化铁熔渣在切割断面粘连流淌，冷却凝固后在切割断面上下表面附近形成熔渣。熔渣的存在会对后续工艺甚至成品带来直接的危害，如果在铸坯进入轧制前没有得到及时清除，则会划伤运输辊道，损害轧辊，还有可能影响最终成品质量，降低成材率，直接影响企业的生产效益。因此，连铸生产线上需要对铸坯熔渣尺寸进行检测，对熔渣残留超标的铸坯进行调离，防止其进入后续工艺。但目前尚无铸坯火焰切割熔渣尺寸在线实时检测的有效手段与技术，主要靠人工通过监控相机目测大致判断铸坯火焰切割质量是否满足要求。人工目测法没有一个定量的标准且易丢失大量信息，无法满足生产需求。随着线结构光技术的应用逐渐普及，在许多行业领域代替了人工检测或原有检测方法，线结构光技术可以用于运动物体的测量，但仍没有应用在冶金工业高温复杂环境下对运动物体的实时高精度的测量方法研究。02研究方法通过线结构光对铸坯整个表面进行扫描，然后根据线结构光三角测量原理，可以实现铸坯表面切割熔渣尺寸的测量。火焰切割后的铸坯在辊道上输送过程中为运动状态，因此激光器在固定的情况下，利用铸坯自身的运动即可实现对其整个表面的扫描，完成测量。此外，为了不影响正常的生产节奏，需要提高测量效率。本文在基于线结构光三角测量技术的基础上，采用多个激光器组成的线结构光阵列同时倾斜投射多条线结构光，实现对铸坯表面切割熔渣尺寸的快速测量。如图1所示，为铸坯在辊道上输送过程中经过线结构光阵列投射测量范围的3个阶段。铸坯由阶段1运动至阶段3的过程中，线结构光阵列通过倾斜投射多条线结构光使铸坯经过时可以检测到更多位置的高度信息，提高对铸坯表面的扫描速度，进而提高测量速度。在相机采集速度和计算机处理能力足够的情况下，测量速度与投射线结构光的数量成正比。图1基于线结构光阵列的测量过程通过基于线结构光阵列测量方法的原理进行分析，相机分辨率相同的情况下，相机视场越大，一个像素对应实际距离越大，最后测量得到的像素分辨率越大。因此，为了满足对铸坯熔渣尺寸测量精度的需求，可以采取多个相机采集的方法进而减小每个相机的视场，此时只需满足所有相机的视场能够在宽度方向上覆盖整个铸坯表面即可。综上所述，铸坯切割熔渣尺寸在线测量原理如图2所示，由多个面阵相机组成的视场覆盖铸坯上下表面整个宽度方向，位于其他视角的线结构光阵列投射多条线结构光至铸坯表面，利用铸坯自身的运动，投射的线结构光相对于铸坯表面不断移动，完成铸坯上下表面的扫描。扫描过程中，面阵相机快速同步拍摄带有线结构光图案的铸坯表面图像，通过图像分析保留包含铸坯头部和尾部的图像，根据线结构光三角测量原理提取铸坯头部和尾部熔渣检测区域范围内的轮廓信息，对轮廓进行拼接获取完整的三维形貌，完成铸坯火焰切割熔渣尺寸的在线测量。图2铸坯熔渣尺寸在线测量原理图03应用效果为了验证本文测量方法的有效性，在某钢厂连铸生产现场搭建熔渣尺寸测量装置，如图3所示（图中涉及测量铸坯下表面的相机及激光投射器阵列装置因在该图中被遮挡，故未被标注）。并相应开发一套铸坯切割熔渣尺寸在线检测系统，如图4所示。图3铸坯切割熔渣尺寸测量装置图4测量系统软件界面铸坯向前运动，进而线结构光不断在铸坯表面宽度方向进行扫描，通过对相机同步拍摄到的每一帧线结构光图像进行处理，基于线结构光三角测量法计算当前轮廓上熔渣检测区域范围内的熔渣高度值；对计算出的铸坯不同宽度位置上熔渣高度信息轮廓进行拼接，完成铸坯表面熔渣尺寸测量。图5所示为熔渣尺寸测量结果和对应铸坯实际的熔渣情况，其中测量结果轮廓图高度信息用颜色表示，颜色为蓝紫色区域表示为铸坯表面或表面存在较低的高度起伏；以绿色、黄色和红色表示该点存在熔渣，且高度等级随颜色顺序而增大。(a)测量结果轮廓图(b)铸坯原图(c)铸坯局部细节图

图5铸坯切割熔渣尺寸测量结果与实际熔渣对比通过对比图5的三张图片可以看出，测量结果轮廓图中检测出的熔渣集中区域与实际铸坯表面存在的熔渣集中区域位置相符，证明了该测量结果熔渣被正确检出。因受铸坯运动速度以及相机硬件帧率限制，熔渣尺寸测量轮廓为离散采样，采样间隔与相机帧率成反比。经测试，本文检测系统轮廓检测速度可达440轮廓/s，系统熔渣尺寸测量速度最终的延时为0.144s，即在铸坯离开检测装置0.144s后，系统能完成计算得到熔渣高度值，满足实时性检测的需求。对于测量结果的精度分析，传统的高精度测量方法无法对运动的高温铸坯进行测量，基于此，笔者及团队对某钢炼钢厂抽样检测的下线铸坯进行跟踪，使用传统常见的一种作为高精度测量的3D激光轮廓传感器对铸坯头尾部的熔渣进行高度测量，将3D激光轮廓传感器得到的熔渣高度与本文测量系统得出的熔渣高度进行比对，可以得出本文提出的熔渣尺寸在线测量系统的理论测量精度可达到0.1mm。此外，通过统计持续1000炉生产的铸坯情况，从中抽检出熔渣尺寸检测系统实时抓拍到的有头尾部熔渣的266块铸坯，通过与系统熔渣检测报警结果进行比对，熔渣检出正确率可达到100%。04研究结论1）提出了基于线结构光阵列的熔渣尺寸在线测量方法。通过线结构阵列倾斜投射多条线结构光至铸坯上下表面，利用铸坯自身的运动，投射的线结构光相对于铸坯表面不断移动，根据三角测量原理提取铸坯头部和尾部熔渣检测区域范围内的轮廓信息，完成铸坯火焰切割熔渣尺寸的在线测量方法的实现，且测量范围和测量精度可调节。2）开发了在生产