如何在1000°C高温、千米/分钟级高速的热钢坯生产线上，实现亚毫米级的非接触测速测长与尺寸控制？【钢铁冶金 智能制造】

提高热钢坯生产过程中的速度和长度控制精度，是满足工业4.0标准下产品质量要求的关键一环。这不仅仅是为了生产出符合规格的产品，更关乎生产效率、成本控制和自动化水平的提升。

1. 热钢坯的特性与测量技术要求

想象一下，钢坯就像刚从炉子里取出的红彤彤的面条，它不仅滚烫、沉重，还在生产线上高速移动。这就是我们所说的热钢坯。它的基本结构可以是方形、矩形或圆形截面的长条形，在后续的轧制过程中会进一步被加工成各种型材或板材。

对于热钢坯，它的生产过程对测量技术提出了很多挑战和严格要求：

• 高温环境： 钢坯表面温度极高，通常在700°C到1200°C之间，这意味着任何接触式传感器都无法长期工作，必须采用非接触式测量。

• 高速运动： 钢坯在生产线上以每分钟几百甚至上千米的速度移动，这就要求测量系统必须具备极快的响应速度和高频率的数据采集能力，才能捕捉到精确的瞬时速度和位置。

• 表面复杂性： 热钢坯表面可能存在水汽、氧化铁皮、振动、形状不规则（如弯曲、扭曲）等情况，这些都会对测量信号造成干扰，要求传感器具备强大的抗干扰能力和适应性。

• 精度要求： 工业4.0强调个性化定制和质量追溯，这意味着对钢坯的长度、速度乃至横截面尺寸的测量精度都提出了亚毫米级甚至更高的要求，以便精确控制切割点、确保产品合格率，并实现生产数据的实时反馈和优化。

2. 热钢坯生产过程中的主要监测参数与评价

在热钢坯的生产中，为了保证产品质量并优化工艺，我们需要密切关注以下几个核心监测参数：

• 速度： 指钢坯在生产线上瞬时移动的速度。它的评价方法主要是看实际速度与设定目标速度之间的偏差，以及速度的稳定性（波动大小）。如果速度不稳定，可能会导致轧制过程中钢坯受力不均，影响最终产品的尺寸精度和表面质量。

• 长度： 指钢坯从头部到尾部的实际长度。在切割环节尤其重要。长度的评价方法是测量实际切割长度与目标长度的偏差。过长或过短都会造成材料浪费或不合格品。同时，长度测量还需要考虑累积误差，即整个生产批次或班次的长度总和与理论值的差异。

• 横截面尺寸（如宽度、厚度、直径）： 虽然这不是速度和长度直接相关，但很多测量系统在获取速度和长度的同时也能测量这些参数。它的评价方法是测量实际尺寸与设计规格之间的偏差。这些参数的准确控制直接影响后续加工的效率和最终产品的性能。

• 位置与同步： 指钢坯在生产线上的精确位置以及与轧机、剪切机等设备的同步性。评价方法是看设备动作与钢坯实际位置的时间差和空间偏差。精确的位置信息是实现智能控制、避免事故和提高生产节拍的基础。

这些参数的实时、高精度监测，是实现生产过程闭环控制、预测性维护和大数据分析的基石，从而推动传统钢厂向智能化、柔性化生产转型。

3. 实时监测/检测技术方法

为应对热钢坯生产的严苛环境和高精度要求，市面上发展出了多种非接触式测量技术方案。

3.1 市面上各种相关技术方案

• 激光多普勒测量技术

  • 工作原理： 这种技术的核心是利用多普勒效应。想象一下，你站在铁路边，火车向你驶来时汽笛声变尖，驶离时汽笛声变低沉，这就是声音的多普勒效应。激光多普勒技术也是类似，它利用的是光波的频率变化。 具体来说，传感器内部会发出两束具有已知频率差的激光束，这两束激光会在热钢坯表面形成一个非常精密的干涉区域，这个区域就像一个肉眼不可见的“光栅”。当钢坯表面移动并穿过这个“光栅”时，钢坯表面微小的粗糙点会散射激光。由于多普勒效应，散射回来的激光频率会发生改变。传感器会捕捉这些散射光，并检测其频率变化。通过分析两束激光散射光之间的频率差，就能精确计算出钢坯表面的移动速度。 其基本物理公式可以表示为： 速度 v = (f_d * λ) / (2 * sin(θ/2)) 其中，f_d 是检测到的多普勒频移（或两束散射光之间的拍频），λ 是激光的波长，θ 是两束入射激光之间的夹角。一旦速度 v 被准确测得，通过对速度进行时间积分 (L = ∫v dt)，就可以得到钢坯的精确长度。

  • 核心性能参数典型范围： 激光多普勒测量技术能够实现非接触式测量，测量范围广泛，从静止到高速移动的物体，速度测量范围通常可以达到每分钟数千米。速度精度通常可达到0.05%甚至更高，重复性可达0.02%左右。内部测量频率通常很高，每秒可进行数万次甚至数十万次测量，以确保对高速运动物体的精确捕捉。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 真正的非接触式测量，不受钢坯表面高温、磨损、油污、灰尘等影响；测量精度极高，尤其适合高速、高精度的速度和长度测量；无需接触校准，长期稳定性好，基本免维护；响应速度快，能实现实时监控和精确控制；部分产品支持零速测量和方向识别，这对于停机、启动和反向运动的钢坯尤其有用。

    • 局限性： 对钢坯表面光洁度有一定要求，过于镜面或过于粗糙的表面可能影响信号质量（但热钢坯表面通常有足够散射点）；受限于激光束的视野，通常只能测量一点的速度，要获取整体长度需要持续积分。

    • 成本考量： 设备初始投资较高，但由于其高精度、低维护和高可靠性，长期运行的综合成本效益显著。

  • 适用场景： 广泛应用于热轧线、连铸线、切分线、盘卷线等，对板材、型材、线材等金属产品的精确长度测量和速度控制。

• 多点激光扫描与光学三角测量技术

  • 工作原理： 这种技术可以看作是用多把“激光尺”同时测量。它会从不同角度向热钢坯表面投射多条激光线（或点），每条激光线在钢坯表面形成一个独特的轮廓。传感器（通常是高分辨率的工业相机）会从特定角度捕获这些激光线在钢坯表面的反射图像。利用光学三角测量原理，通过计算激光线在相机图像传感器上的位置变化，可以精确地反推出钢坯表面的三维坐标和轮廓。就像你用尺子量东西，如果能从几个角度同时量，就能更全面地知道它的形状。通过连续采集这些横截面轮廓数据，系统可以实时重建钢坯的三维形状和尺寸。长度测量则通过连续的轮廓数据结合钢坯的移动速度（可能由其他传感器提供或通过图像特征跟踪估算）来计算，通过识别钢坯的头部和尾部实现精确的定长。

  • 核心性能参数典型范围： 横截面测量精度通常可达±0.1毫米。由于是连续轮廓测量，测量速度通常很快，每秒能处理大量的轮廓数据。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 能够获取钢坯的完整三维尺寸和形状信息，包括宽度、厚度、型材轮廓，而不仅仅是速度和长度；对钢坯的弯曲、扭曲等变形也有很好的适应性；非接触式，适用于高温恶劣环境。

    • 局限性： 纯粹的长度测量通常需要结合外部速度输入或复杂的图像算法；系统复杂，数据处理量大，对计算能力要求高；受限于传感器视野和安装位置。

    • 成本考量： 系统较为复杂，通常成本较高。

  • 适用场景： 对钢坯或型材的全面尺寸和形状精度有高要求的场合，如热轧精整线、型材轧制线，不仅要量长度，还要量截面尺寸。

• 机器视觉图像处理技术

  • 工作原理： 机器视觉系统就像给生产线安装了一双“慧眼”。它通过高速工业相机连续捕捉热钢坯的图像，就像拍摄一部关于钢坯移动的电影。然后，强大的图像处理软件和智能算法（包括边缘检测、特征跟踪、模式识别，甚至深度学习技术）会“解读”这些图像。

    • 速度测量： 算法可以识别钢坯表面独特的纹理、氧化斑点或特定印记，并跟踪这些特征在连续图像帧中的位移。结合已知的时间间隔（相机帧率）和系统的像素-实际尺寸标定参数，就能精确计算出钢坯的移动速度。就像通过电影里一个点的移动速度来推算火车跑多快。

    • 长度测量： 通过识别钢坯清晰的头部和尾部（通常是轧制或剪切形成的边缘），系统可以记录钢坯进入和离开特定视野的精确时间或位置，进而精确测量其长度。

  • 核心性能参数典型范围： 长度测量精度可达亚毫米级，取决于相机分辨率和视野。速度测量精度能满足生产线控制需求。图像采集速度可达每秒数百帧，处理速度实时，满足生产节拍。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 高度灵活，不仅可以测量长度和速度，还可以同时检测宽度、形状、甚至表面缺陷（如裂纹、凹陷）；适应复杂表面和光照条件（通过智能算法优化）；非接触式，安全可靠。

    • 局限性： 对高温环境需要额外的防护措施，如工业防护外壳、冷却和吹扫系统；光照条件变化、水汽、烟尘等可能对图像质量产生影响，需要稳定光源和保护；系统集成和算法调试相对复杂。

    • 成本考量： 初始投资较高，尤其对于高分辨率、高速相机和复杂算法的系统。

  • 适用场景： 钢坯质量综合检测平台，需要同时测量多种参数（尺寸、长度、速度、表面缺陷）的场合，对智能化、自动化要求高的生产线。

• 激光线扫描（2D轮廓测量）技术

  • 工作原理： 这种技术类似于对钢坯进行“切片”扫描。测量仪会向热钢坯表面投射一条非常细的激光线，就像一把激光刀划过表面。当这条激光线投射到钢坯表面时，由于钢坯形状的变化，反射回来的激光线也会呈现出不同的轮廓。高分辨率的图像传感器（通常是CMOS或CCD）会捕捉这条反射的激光线轮廓。通过分析激光线在传感器上的位置和形状，系统可以实时获取钢坯的横截面轮廓数据。就像我们用2D扫描仪扫描纸张一样，只不过这里是实时对移动的钢坯进行连续扫描。通过连续获取这些轮廓数据，并结合钢坯的移动，系统可以识别钢坯的头部和尾部，从而实现长度测量。对于速度，通常会与外部速度传感器配合使用，或者通过视觉系统对轮廓特征的连续跟踪来辅助实现。

  • 核心性能参数典型范围： 高度测量重复精度可达微米级（例如0.1微米），宽度测量重复精度也可达微米级。采样速度非常快，最高可达每秒数万次轮廓扫描。

  • 技术方案的优缺点：

    • 优点： 测量精度高，尤其适用于精确的横截面轮廓和尺寸检测；测量速度快，能够实时反映钢坯的形状变化；非接触式，适用于恶劣环境；紧凑型设计，安装相对便捷。

    • 局限性： 主要用于轮廓和尺寸测量，纯粹的速度测量可能需要结合其他方法；对钢坯表面反光和温度梯度敏感，可能需要防护罩和气幕保护。

    • 成本考量： 设备成本相对较高，尤其对于高性能、高分辨率的型号。

  • 适用场景： 对钢坯或管材、棒材的横截面尺寸、圆度、椭圆度等轮廓精度有高要求，并同时需要长度控制的场合。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在激光测速测长及相关尺寸测量领域，有几家国际知名品牌提供了成熟的解决方案：

• 德国宝利泰 德国宝利泰是激光测速测长领域的知名品牌，其产品基于成熟的激光多普勒效应。它们的产品以高精度、高可靠性著称，在钢铁行业有着广泛的应用。其核心性能参数方面，测量速度范围可达-6000至+6000米/分钟，速度精度优于0.05%，并且抗振动能力强，即使在高温环境下也能稳定运行。其优势在于完全非接触，无需校准，响应速度快，被认为是热轧和连铸线上的行业标准解决方案。

• 英国真尚有 英国真尚有的AJS10X系列传感器采用激光多普勒测量原理，提供非接触式的速度和长度测量方案，适用于多种工业应用场景。该系列产品的工厂校准精度优于0.05%，重复性达0.02%。其内部测量速率高达 200kHz，确保精确捕捉高速运动物体，最高外部测量速率达25,000次/秒，最大加速度响应能力达1000m/s²，可以测量高达10,000米/分钟的速度，并支持零速测量和方向识别。该系列传感器具备IP67防护等级，并可选配冷却外壳，以适应相对高温的环境。在通信方面，标配以太网、RS-232和CANbus接口，并可选PROFIBUS、PROFINET、DeviceNet、EtherNet/IP等工业总线，以及2.4G WiFi无线连接，便于集成到工业4.0生产系统中。

• 德国朗伯 德国朗伯的激光测量系统通常采用多点激光扫描和光学三角测量原理。其产品优势在于能够提供热钢坯的全面三维尺寸和形状测量，这对于需要精确控制长度、宽度、厚度及型材轮廓的生产线非常关键。其横截面测量精度通常可达±0.1毫米，并能进行高速在线测量。该系统专为钢厂高温、高粉尘、高水汽的严苛环境设计，通常配备有完善的冷却和吹扫系统，以确保测量稳定性，有助于质量控制和工艺优化，尤其擅长处理复杂型材的测量。

• 美国康耐视 美国康耐视的解决方案主要基于先进的机器视觉图像处理技术。通过高速工业相机捕捉热钢坯的图像，并结合其强大的图像处理软件和深度学习算法，实现对钢坯长度、速度的精确测量，同时也能进行宽度、形状和表面缺陷的综合检测。其系统高度灵活，长度测量精度可达亚毫米级，图像采集和处理速度快，能满足生产线节拍。尽管需要配合工业防护外壳和冷却系统适应高温环境，但其基于软件的强大算法和多功能性使其在综合质量检测方面具有独特优势。

• 日本基恩士 日本基恩士的激光轮廓测量仪主要采用激光线扫描原理。它通过投射激光线并捕捉反射轮廓，实现对钢坯横截面轮廓数据的高速获取。其产品以高精度、高重复性和高速测量为特点，采样速度最高可达64,000次/秒。虽然主要用于轮廓和尺寸测量，但通过连续轮廓数据也可实现长度测量。其紧凑型设计和易于安装的特点也受到用户青睐，适用于对长度和形状检测要求严苛的应用。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为热钢坯生产线选择合适的测速测长设备时，您需要像选择汽车一样，根据实际需求看清“性能参数”：

1. 测量精度和重复性：

   • 实际意义： 精度就像射击的准头，决定了测量结果与真实值有多接近；重复性就像射击的稳定性，决定了多次测量同一个目标，结果的一致性。对于长度测量，比如0.05%的精度意味着测量100米的钢坯，误差可能在5厘米以内。

   • 对测量效果的影响： 精度和重复性越高，产品尺寸的合格率越高，材料浪费越少，生产过程控制越精细。在工业4.0背景下，这是实现“零缺陷”生产目标的基础。

   • 选型建议： 如果您的产品对长度和速度要求非常苛刻（如高附加值产品、精密部件的原材料），应优先选择精度达到0.05%甚至更高的激光多普勒或高端视觉系统。一般钢坯轧制，0.1%-0.2%的精度可能也能满足，但要考虑未来升级和质量提升的需求。

2. 测量速度范围和最高加速度响应：

   • 实际意义： 测量速度范围决定了传感器能适应多快的钢坯移动速度，而最高加速度响应则指传感器能多快地捕捉到钢坯速度的变化（比如从静止启动、加速、减速等）。就像赛车手能开多快，以及他从静止加速到百公里需要多长时间。

   • 对测量效果的影响： 如果传感器速度范围不够，高速生产时可能“跟不上节奏”，导致数据缺失或不准；加速度响应差则在启动、停机或轧机变频时无法提供准确的瞬时速度，影响精确切割和同步控制。

   • 选型建议： 热钢轧线速度普遍较高，且存在启停和速度变化，因此选择能够覆盖生产线最大速度，并且具备高加速度响应能力的传感器至关重要。

3. 工作距离和景深：

   • 实际意义： 工作距离是指传感器与被测钢坯之间的最佳距离范围；景深是指在这个工作距离范围内，传感器能保持测量精度的允许距离波动范围。这就像摄影师的“对焦范围”。

   • 对测量效果的影响： 如果工作距离不合适，或者景深太小，钢坯在生产线上轻微的跳动、振动或尺寸变化都可能导致测量失准。

   • 选型建议： 高温环境往往要求传感器离热源远一点，所以选择工作距离长且景深大的传感器能提供更大的安装灵活性和稳定性。

4. 环境适应性（防护等级、耐温性）：

   • 实际意义： 指传感器在恶劣工业环境（高温、粉尘、水汽、振动）下的生存能力。IP防护等级（如IP67）代表防尘防水能力；耐温性则指传感器在高温下的工作极限。

   • 对测量效果的影响： 环境适应性差的传感器会频繁故障，寿命短，维护成本高，甚至影响生产连续性。

   • 选型建议： 必须选择具有高IP防护等级（至少IP65，最好IP67或更高），并支持冷却外壳或内置冷却系统的产品，以确保在热钢生产线上的长期稳定运行。同时要考虑抗振动能力，避免因生产线振动导致测量不稳。

5. 通信接口与集成能力：

   • 实际意义： 指传感器如何与工厂的控制系统（PLC、DCS、MES）进行数据交互。多样化的通信接口（如以太网、RS-232、CANbus，以及PROFIBUS、PROFINET等工业总线）和数据输出格式（如脉冲输出）决定了其与现有自动化系统的兼容性。

   • 对测量效果的影响： 良好的集成能力能确保测量数据实时、准确地传输到控制系统，实现闭环控制和数据追溯，是工业4.0智能制造的关键要素。

   • 选型建议： 优先选择提供多种工业总线接口、支持无线连接（方便调试和诊断）、数据更新率高且提供丰富诊断数据的传感器，以便于与现有或未来的自动化系统无缝集成。例如，英国真尚有的AJS10X系列传感器，支持高达500次/秒的数据更新率，并提供200多个数据字，涵盖测量、诊断、校准和网络信息等。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

1. 问题1：高温对传感器寿命和稳定性的影响

   • 原因分析： 热钢坯的高温会辐射到传感器，导致内部元器件过热，影响精度甚至损坏。钢厂环境的高温还会加速线缆老化。

   • 解决建议：

     • 冷却保护： 必须为传感器配备专业的冷却外壳，如水冷套或空冷套，确保传感器本体工作温度在允许范围内（通常是5-40°C）。

     • 气幕保护： 在传感器镜头前加装气幕保护装置，用洁净压缩空气形成保护气流，既能隔绝热辐射，又能吹散镜头上的粉尘、水汽，保持测量窗口清洁。

     • 优化安装位置： 尽量选择距离热钢坯稍远、受热辐射较小的位置安装，同时避免直接面对热源。

2. 问题2：钢坯表面水汽、氧化铁皮和振动对测量的干扰

   • 原因分析： 轧制过程中会喷水冷却，产生大量水汽；钢坯表面易生成氧化铁皮；生产线振动也无法避免。这些都会导致激光信号散射不均或光学路径受阻，图像识别困难，从而影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 高穿透力激光： 选择采用波长更适合穿透水汽和烟雾的激光（例如特定波段的可见激光或红外激光）。

     • 先进算法： 采用具备强大抗干扰算法的传感器，能够从复杂、多变的背景中提取有效测量信号。

     • 稳固安装： 确保传感器安装基座非常稳固，能有效减小生产线振动对传感器自身的影响。

     • 定期清洁： 定期检查并清洁传感器镜头和保护罩，清除积聚的灰尘和铁皮。

3. 问题3：长度累积误差和起始、结束点识别不准确

   • 原因分析： 长度测量是速度的积分，任何微小的速度误差都会随着时间累积。此外，钢坯的头部和尾部可能不平整、有毛刺或弯曲，导致传感器难以精确识别起始和结束点。

   • 解决建议：

     • 高精度速度源： 选用高精度、高稳定性的激光测速传感器，从源头保证速度数据的准确性。

     • 多传感器冗余/组合测量： 在关键测量点采用多套传感器进行冗余测量或结合不同原理的传感器进行交叉验证，提高整体系统的可靠性。例如，激光测速测长与视觉识别相结合，视觉用于精确定位头尾，激光用于精确积分速度。

     • 智能判头判尾算法： 利用先进的图像处理或激光轮廓识别算法，对钢坯头尾进行精确识别和补偿，过滤掉毛刺等干扰。

     • 定期校准： 虽然非接触式传感器多数无需日常校准，但仍建议定期进行系统性检查或与高精度离线测量设备进行比对校准，以验证其长期稳定性。

4. 应用案例分享

• 热轧生产线速度和长度控制： 在钢板、带钢或型钢的轧制过程中，激光测速测长传感器可以实时监测钢坯的轧制速度，并精确计算定尺切割点的长度，确保每段产品的长度符合要求，显著减少材料浪费。例如，英国真尚有的AJS10X系列，凭借其高精度和快速响应，能够有效应用于此类场景。

• 连铸生产线坯料定长切割： 在钢水凝固成钢坯的连铸生产线上，传感器实时测量钢坯下行速度，并结合目标长度指令，精确控制液压剪或飞剪的切割动作，实现自动化、高精度的定尺切割。

• 线缆、管材生产线精确计长： 针对高速生产的线缆、电线或金属管材，传感器可以非接触地测量其出厂长度，替代传统的接触式编码器，避免磨损和打滑带来的误差，确保每卷产品长度精确无误。

• 棒材、型材轧制线速度同步与防打滑： 监测各道次轧机间的速度匹配性，防止钢材在轧制过程中出现打滑或堆积，从而保证产品尺寸一致性和表面质量。同时，提供精确速度反馈给控制系统，实现各轧机间的精确同步。