炉口火焰信息在转炉炼钢终点控制中的应用

熔池温度
２００
４００
６００
８００
１ ０００
１ ２００
１ ４００
时间 ／（０．５ ｓ）
图 ６ 整炉温度曲线
规律见图 ６。从图 ６ 中可以看出，随着冶炼的进行， 熔池温度一直呈上升趋势，火焰温度则是先上升然 后快速下降。
通过分析现场 ５０ 炉的温度情况，终点控制精度 在±１５ ℃时，命中率达到 ９０％以上，能够满足钢厂 要求，预报效果见图 ７。 4 结论
１）火焰分析系统基于光电技术、机器视觉和冶
金原理，实时采集转炉炉口火焰光强和图像信息，能 够用于熔池碳含量和温度预报。
２）当终点碳含量小于 ０．１５％，控制范围±０．０２％ 时，系统命中率在 ９０％以上；当温度控制精度±１５ ℃ 时，系统命中率在 ９０％以上，符合钢厂使用要求。
参考文献 ［１］ 冯捷，张红文．转炉炼钢生产［Ｍ］，北京：冶金工业出版社，２００６． ［２］ 孟祥宁，张海鹰．转炉炼钢过程静态控制模型的改进［Ｊ］．材料
７ ０００
６ ０００
５ ０００
４ ０００
３ ０００
２ ０００
１ ０００
００ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ １ ２００ １ ４００ 时间 ／（０．５ ｓ）
４－ １ 强光曲线
发光强度 ／ｃｄ
w（Ｃ）／％
１０．０
５．０
０４：５９：００ ０４：５９：１５ ０４：５９：３０ 时刻
４－ ２ 碳含量预报曲线
２０１２年第 ５ 期
王如伦，等：炉口火焰信息在转炉炼钢终点控制中的应用
· ２７ ·
w（Ｃ）／％
１４
实测值
１３
预报值
１２
１１
１０
９
８
７
６
５
４ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ ５０ 炉数 ／ 炉
图 ５ 碳含量实测值与预报值比较
温度 ／℃
１ ６９０ １ ６８０
实测值 预报值
１ ６７０
ＣＣＤ 器件 R、G、B 通道的亮度，KＲ、KＧ、KＢ 为各通道的
光电相应特性系数，则得到：
R１＝KＲEλＲ．
（５）
G１＝KＧEλＧ．
（６）
B１＝KＢEλＢ．
（７）
对公式（５）、公式（６）、公式（７）取对数，然后
采用两两相比再相比的方法，即可得到要测的温度，
即公式（８）。
λ λ T＝
ｌｎ
R１B１ G２
控制范围为±１５ ℃时，温度命中率大于 ９０％，这一技术对提高我国中小转炉控制水平，提升钢材产量和质量具
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有积极意义。
关键词：转炉 终点控制 火焰 光强 图像
中图分类号：ＴＦ７１３．１
文献标识码：Ｂ
收稿日期：２０１２－ ０５－ １５
终点控制是转炉冶炼后期的一个关键操作，准 确命中终点有利于提高钢厂生产效率、减少能源和 原材料浪费、提高钢材质量［１］。目前，主要的控制方 法包括人工经验技术、静态模型技术、副枪技术和烟 气分析技术［ １－ ４］。近年来，随着对钢材质量要求的提 高，人工经验和传统静态模型的控制精度已经越来 越难以满足客户要求［５］。副枪控制精度高，但是设备 价格昂贵，探头消耗大，同时对炉容要求严格，一般 要 １２０ ｔ 以上，难以满足我国以中小钢厂为主的现状［６］。 烟气分析技术不受炉容限制，但是对原材料要求、对 钢厂自动化要求高，同时其价格昂贵，且质谱仪属于 精密仪器，在钢厂炼钢环境下，气体标定周期短，采 样头更换频繁，维护量大［７］。
析精度，采用中值滤波、直方图修正、直方图均衡化
等技术有效降低火焰图像的失真率，同时滤除噪声、
还原图像真实信息。
2 系统工作原理
2.1 碳含量预报原理
转炉吹炼过程中，金属熔池中脱碳速度变化可
用下页图 ２ 表示。其分为三个阶段：前期以硅、锰氧
化为主，脱碳速度逐渐加快；中期以碳的氧化为主，
脱碳速度达到最大，几乎为常数；吹炼后期，脱碳速
王如伦 １， 刘卓民 ２， 田 陆 ２
（１．翼城钢铁有限责任公司， 山西 临汾 ０４１０００；２．衡阳镭目科技有限责任公司， 湖南 衡阳 ４２１００１）
摘 要：火焰分析技术基于光电技术、机器视觉和冶金原理，实时采集转炉炉口火焰光强和图像信息，对熔池碳
含量和温度进行预报。现场使用表明，当终点 w（Ｃ）＜０．１５％，控制范围为±０．０２％时，碳命中率大于 ９０％，温度
DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2012.05.002
总第 １３９ 期 ２０１２ 年第 ５ 期
文章编号：1672-1152（2012）05-0025-03
山西冶金 ＳＨＡＮＸＩ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
炉口火焰信息在转炉炼钢终点控制中的应用
Ｔｏｔａｌ １３９ Ｎｏ．５，２０１２
衡阳镭目科技有限责任公司开发的火焰信息终 点预报系统，是通过对转炉炉口火焰信息的实时采 集，在冶炼后期对熔池碳含量和温度进行实时预报。 该系统远离转炉，维护量低，对提高我国转炉冶炼水 平，提升钢材质量具有积极意义。 1 系统组成
系统主要由机械密封结构、光学模块、光强采集 模块、视频采集模块、数据处理模块、工控机等部分 组成（见图 １）。
图 ４ 碳含量预报
０４：５９：４５
现场对 ５０ 炉进行预报 w（Ｃ）在 １４％以下，控制 精度在±０．０１％范围内，命中率达到 ９０％以上，当终 点 w（Ｃ）＜０．０７％时，命中率达到 ９５％以上，预报效 果见下页图 ５。
工业摄像机获得火焰实时图片后，系统基于 ＲＧＢ 三色测温方法对火焰瞬时温度进行计算。通过 不断的采集图片，连续地对熔池温度进行预报。整个 炉次中炉口火焰的温度变化规律和熔池的温度变化
转炉系统 数据库
工业以太网
转炉系统 ＰＬＣ
界面控制
光学模块
终点控制系统 工控机
信号传输线
机械结构盒
数据分析处理 模块
图像及光强 采集模块
调节支点 注：立式或吊装
转炉火焰信息采集
转炉
图 １ 火焰分析系统组成
动镜头、高精度图像采集卡，保证采集图像真实有效。
３）数据处理模块。由于现场噪声及光照、灰度
偏移、几何变形原因使得图像变得模糊不清，影响分
根据光辐射理论，当 c２／（λT）远大于 １ 时，在某 个特定的波长下，单色辐照度为［８］：
－
Eλ（T）＝c１λ
５－
e
c２/λT
ελ（T）．
（４）
火焰图像经彩色电荷偶合元件（ＣＣＤ）系统采
集后，按每像素 ２４ 位方式存储，其中包括各 ８ 位的
红色（Ｒ）、绿色（Ｇ）、蓝色（Ｂ）。对各自通道，通道
采集值正比于各自的单色辐照度，若 R１、G１、B１ 为
究学报，２００２，１４（３）：６８－ ７２． ［６］ 刘浏．转炉全自动吹炼技术［Ｊ］．冶金自动化，１９９９（４）：１－ ６． ［７］ 何平，刘浏．转炉激光炉气分析动态控制系统的开发［Ｊ］．钢铁，
２００７，４２（１２）：２０－ ２４． ［８］ 刘世才．光辐射测量［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，１９９１．
度逐渐降低。各阶段的脱碳速度可用公式（１）、公式
（２）和公式（３）表示：
－ d［w（Ｃ）］／dt＝k1t．
（１）
－ d［w（Ｃ）］／dt＝k2． － d［w（Ｃ）］／dt＝k（3 Ｃ）．
（２） （３）
式中：k1、k2、k3 为系数，分别受各阶段主要因素影响；
t 为吹炼时间，ｍｉｎ；w（Ｃ）为熔池中碳的质量分数，％。
１ ６６０
１ ６５０
１ ６４０
１ ６３０
１ ６２０ ０
５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ ５０ 炉数 ／ 炉
图 ７ 温度实测值与预报值比较
温度 ／℃
２ ２００ ２ １００ ２ ０００ １ ９００ １ ８００ １ ７００ １ ６００ １ ５００ １ ４００ １ ３００ １ ２００
０
火焰温度
· ２６ ·
山西冶金 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｙｅｊｉｎｓｘ＠１２６．ｃｏｍ
第 ３５ 卷
反映到炉口火焰上，则表现为，前期火焰从暗红 色渐渐变红，且浓度变淡；当红色火焰中有一束束白 光出现时，冶炼中期开始，此后火焰红色逐渐减退， 白光逐步增强。进入到冶炼后期，随着碳含量减少， 碳氧反应减弱，火焰浓度降低，白亮度变淡，火焰开 始向炉口收缩。因此，基于炉口火焰信息，可以对熔 池后期的碳含量进行预报，指导终点操作。
１
c２
２－ １－ １ λＧ λＲ λＢ
＋ｌｎ
ελＧ（T）ελＢ（T） ελ２G（T）
＋５ｌｎ
λＲλＢ λ２
Ｇ
． （８）
转炉炉口火焰的温度是由两部分混合组成 的［１］：一部分是从钢水中逸出的 ＣＯ 气体所具有的温度， 此温度实际上反映了钢水温度；另一部分是 ＣＯ 气体在 炉口与氧进行完全反应后放出的化学热，使火焰温度升 高。在一定碳含量下，其值可以认为是恒定的，因此可以 从火焰颜色来计算火焰温度，进而计算钢水的温度。 3 系统使用效果
w（Ｃ）／％
ｄ［w ｄ（tＣ）］／VＣ
第Ⅰ期 第Ⅱ期 第Ⅲ期 时间
图 ２ 熔池碳含量、脱碳速率三段式特征曲线
2.2 温度预报原理
根据辐射传热的观点，物体在每一个温度下都有
一个最大辐射强度的波长，而且随着温度的升高，最
大辐射强度的波长变短，物体的颜色由红变白。所以
火焰的颜色在很大程度上反映了火焰温度的高低。
火焰分析系统目前已经在翼城钢铁有限责任公 司 １ 号转炉上投入使用。现场采集某一炉次的光强 曲线如图 ４－ １ 所示。从图 ４－ １ 中可以看出，冶炼开始 后，光强首先呈逐渐增加的趋势，达到顶点后，快速 下降。根据光强曲线下降程度，建立后期碳含量实时 预报制度。对于某一炉次，其预报曲线如图 ４－ ２ 所 示，从图 ４－ ２ 中可以看出，随着碳含量降低，脱碳速 率逐渐下降，符合实际冶炼规律。
１）光强采集模块。其将光强信号变成电信号再变 成数字信号便于计算机分析处理，采用硬件滤波电路、 软件算法修正等方法来滤除噪声、降低采样的失真率。
２）视频采集模块。其采用工业摄像机、大变焦自
第一作者简介：王如伦（１９６７—），男，现在翼城钢铁有 限责任公司主要从事钢铁冶炼生产及工艺研究，副总工程 师。Ｔｅｌ：１３７８７２５５５９３，Ｅ－ ｍａｉｌ：ｌｚｍａｉｌｙ＠１２６．ｃｏｍ
与冶金学报，２００４，３（４）：２４６－ ２５０． ［３］ Ｇ．Ｊ．Ａｐｅｌｄｏｏｒｎ，Ｐ．Ｄ．Ｈｕｂｂｅｌｉｎｇ．达涅利康力斯副枪系统的应用
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（编辑：苗运平）
End-point Control Technology of BOF Based on Flame Information
WANG Rulun1, LIU Zhuomin2, TIAN Lu2
（１．Ｙｉｃｈｅｎｇ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．， ｌｔｄ．， Ｌｉｎｆｅｎ ０４１０００，Ｃｈｉｎａ；ＨｅｎｇｙａｎｇＲａｍｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．，Ｈｅｎｇｙａｎｇ ４２１００１， Ｃｈｉｎａ）
Abstract:Ｔｈｅ ｆｌａｍｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈｏｔｏ-ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｅｗｅｒ ａｎｄ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃ ｔｈｅｏｒｙ， ｇａｔｈｅｒｓ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｆｌａｍｅ ｉｍａｇｅｓ ｏｎｌｉｎｅ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｓ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０．１５％， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ±０．０２％， ｔｈｅ ｈｉｔ ｒａｔｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９０％， ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ±１５ ℃， ｔｈｅ ｈｉｔ ｒａｔｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９０％． Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｇｏｏｄ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｅｖｅｌ， ｓｔｅｅｌ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔｙ． Key words:ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ， ｅｎｄ-ｐｏｉｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｆｌａｍｅ， ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ｉｍａｇｅ