如何在高达1000℃的热轧钢坯生产线，实现±0.1%厚度精度的在线精密测厚与质量监控？【非接触测量】

1. 钢坯（带钢）的基本结构与技术要求

钢坯在热轧过程中，其实就是一块经过初步铸造或轧制，还处于高温状态的半成品金属，它即将被进一步轧制成各种板材、带材或型材。你可以把它想象成一块巨大的、红热的、不断运动的“面团”，我们要把它擀成符合要求厚度的“面皮”。

对于这样一块“面团”，我们最关心的尺寸和形状参数主要有以下几个：

• 厚度： 这是最重要的参数。在热轧过程中，钢坯通过轧辊的反复挤压，厚度会逐渐减薄。如果厚度不准，就好像“面皮”有的地方厚、有的地方薄，最终产品就会出现质量问题，比如强度不均、重量超差，或者在后续加工时难以匹配。精确的厚度控制直接关系到产品的合格率和成本。

• 宽度： 虽然不如厚度变化大，但宽度在轧制过程中也会有轻微变化，甚至边缘会不规则。如果宽度不符合要求，可能导致材料浪费或无法满足下游生产线的要求。

• 板形： 这指的是钢坯横截面的形状以及整体的平整度。比如，中间厚两边薄（凸度）、两边厚中间薄（凹度）或者像楔子一样一边厚一边薄（楔形）等。不良的板形会导致内部应力不均，影响产品的平直度，甚至在后续加工时产生翘曲。

• 表面质量： 钢坯表面在高温轧制过程中可能会有氧化皮、裂纹、凹坑等缺陷。这些缺陷会直接影响最终产品的外观和性能。

热轧钢坯通常处于高温（几百摄氏度到上千摄氏度）、高速运动的状态，表面可能还伴有水蒸汽、氧化铁皮和剧烈振动。这些苛刻的环境条件，对测量技术提出了极高的挑战。

2. 针对钢坯的相关技术标准简介

为了确保钢坯热轧产品的质量，行业内会有一系列技术标准来定义和评价这些关键参数。这些标准就像是给“面团”设定好的“擀制”要求，告诉我们它的厚度、宽度和形状应该达到什么水平。

以下是几种主要的监测参数及其评价方法：

• 厚度

  • 定义： 钢坯在垂直于其轧制方向上的主要表面之间的距离。

  • 评价方法： 通常通过对生产线上连续通过的钢坯进行实时、高频测量，获取其瞬时厚度值。然后将这些测量值与目标厚度进行比较，计算出厚度偏差、厚度波动范围以及在一定长度内厚度超出公差的百分比。评价时还会考虑头尾（引部和尾部）厚度与中部厚度的差异，以及整条带钢的厚度均匀性。

• 宽度

  • 定义： 钢坯在垂直于轧制方向和厚度方向上的横向尺寸。

  • 评价方法： 通过光学方法或激光扫描等技术，实时捕捉钢坯两侧边缘的位置，从而计算出瞬时宽度。评价时关注宽度的绝对值偏差、边缘的齐整度（例如是否存在锯齿状或波浪状边缘），以及宽度沿长度方向的稳定性。

• 板形（平整度与轮廓）

  • 定义： 钢坯横截面上厚度分布的特征，以及沿长度方向的平直程度。例如，横向厚度差（楔形）、横向厚度中间高两边低（凸度）等。

  • 评价方法： 这通常比单一厚度或宽度测量更复杂，需要多点测量或扫描整个横截面。通过获取多个点的厚度数据，计算出板形的参数，如凸度值、楔形度，并分析板材边缘或中部是否存在波浪、翘曲等不平整现象。

• 表面质量

  • 定义： 钢坯表面是否存在缺陷，如氧化皮、裂纹、划痕、气泡、凹坑等。

  • 评价方法： 主要通过视觉检查（人工或自动化）和光学检测系统来实现。自动化系统利用高速相机捕捉钢坯表面图像，再通过图像处理算法识别和分类各种表面缺陷。评价时会关注缺陷的类型、尺寸、数量和分布，以及是否超出允许的范围。

3. 实时监测/检测技术方法

要在钢坯热轧这样恶劣、高速的环境下实现稳定、精确的厚度控制，非接触测量技术是唯一的选择。想象一下，如果用传统的尺子去量一块几百摄氏度、高速移动的钢板，那是不可能做到的。非接触技术就像是拥有一双“透视眼”或“遥感器”，在不接触钢板的情况下就能准确获取尺寸信息。

（1）市面上各种相关技术方案

市面上主流的非接触测厚技术主要有以下几种，它们各有千秋，就像不同的工具适用于不同的任务。

• 激光测距（飞行时间法/相位差法）

想象你对着一个远处的物体喊一声，然后计算声音来回所需的时间，就能估算出距离。激光测距的“飞行时间法”（Time-of-Flight, TOF）原理与此类似。它通过向目标表面发射一个短促的激光脉冲，然后测量激光从发射到接收反射回来的光信号之间的时间间隔。由于光速是已知常数，根据公式 D = (c * t) / 2，其中 D 是距离，c 是光速，t 是时间间隔，就可以精确计算出传感器到目标表面的距离。

另一种常见的激光测距原理是“相位差法”（Phase-shift）。它不像TOF那样测量绝对时间，而是发射一个经过调制（比如强度周期性变化）的激光束。当激光束反射回来时，它的相位会相对于发射时的相位发生滞后。通过测量这种相位差，同样可以计算出距离。你可以把它理解为，我们给激光光波打了一个“节拍”，然后看它反射回来时，“节拍”错开了多少，错开的越多，距离就越远。

在钢坯厚度测量中，通常会在钢坯的上方和下方各安装一个激光测距传感器。它们同时测量各自到钢坯上下表面的距离。假设两个传感器之间的固定距离是H_total，上传感器测得距离是D_top，下传感器测得距离是D_bottom，那么钢坯的厚度 T = H_total - D_top - D_bottom。

*  **物理基础：** 光速恒定原理，光的反射与传播。
*  **核心性能参数：**
  *  测量范围：可达数百米（例如0.05米至500米）。
  *  测量精度：通常在毫米级别（例如±1毫米）。
  *  测量速度：可达数百赫兹（例如250赫兹）。
  *  耐温能力：可测量表面温度高达1500℃以上的物体。
*  **技术方案优缺点：**
  *  **优点：** 测量距离远，适合高温、恶劣环境（如重工业，即使有太阳辐射的户外），对深色表面（低反射率）也能有效测量，安装位置相对灵活，安全性高（非接触且无辐射）。
  *  **缺点：** 相比激光三角法，单点位移精度略低，可能会受到严重的烟尘、蒸汽干扰，导致信号衰减或散射。
*  **适用场景：** 对测量距离要求较长，精度要求在毫米级别，且工作环境高温恶劣的钢坯、厚板热轧厚度监控。

• X射线透射测厚

这种方法就像医生给人体拍X光片一样，通过“透视”来测量厚度。系统会发射稳定、高能量的X射线束穿透正在高速移动的热轧钢坯。当X射线穿过钢坯时，一部分会被钢材吸收，一部分会穿透出来。钢坯越厚，吸收的X射线就越多，穿透出来的射线强度就越弱。传感器会实时测量穿透后的X射线强度，然后通过一个叫做“朗伯-比尔定律”的算法，精确地计算出钢坯的实际厚度。

*  **物理基础：** X射线穿透物质时的衰减效应（朗伯-比尔定律）。
*  **核心公式：** I = I0 * e^(-μ * ρ * x)
  *  其中，I0 是初始X射线强度，I 是穿透后的X射线强度，μ 是材料的质量衰减系数，ρ 是材料密度，x 是材料厚度。
*  **核心性能参数：**
  *  测量范围：典型厚度范围1至150毫米。
  *  测量精度：通常优于目标厚度的±0.1%。
  *  响应时间：通常小于10毫秒。
*  **技术方案优缺点：**
  *  **优点：** 极高的测量精度和稳定性，几乎不受钢坯表面状态、温度、速度和表面脏污影响，测量结果可靠。
  *  **缺点：** 涉及电离辐射，需要严格的安全防护措施和专业资质，设备成本高，维护复杂。
*  **适用场景：** 对厚度控制精度要求极高、不允许表面因素干扰的各类热轧产品线。

• 同位素（伽马射线）透射测厚

同位素测厚仪的工作原理与X射线测厚仪非常相似，也可以理解为“透视”技术。不同的是，它使用的是放射性同位素（比如铯-137）作为射线源，发射伽马射线。伽马射线也具有穿透能力，穿透钢坯时会发生强度衰减。高灵敏度探测器测量穿透后的射线强度，再结合预先标定的厚度-强度曲线和先进算法，实时计算出钢坯的厚度。

*  **物理基础：** 伽马射线穿透物质时的衰减效应。
*  **核心公式：** 与X射线类似，I = I0 * e^(-μ * ρ * x)，其中 μ 是伽马射线对应的质量衰减系数。
*  **核心性能参数：**
  *  测量精度：通常可达到目标厚度的±0.1%至±0.2%。
  *  响应时间：毫秒级，可实现快速反馈控制。
  *  重复性：高，确保测量结果一致性。
*  **技术方案优缺点：**
  *  **优点：** 测量稳定性高，不受钢坯温度、速度和表面脏污影响，系统集成度高，可靠性强。
  *  **缺点：** 同样涉及放射性物质，需要严格的法规管理、安全防护和废弃物处理，初期投资成本较高。
*  **适用场景：** 类似于X射线测厚，适用于恶劣工业环境，对测量稳定性有高要求的热轧带钢、板材生产线。

• 激光三角测量

激光三角测量可以想象成，你用手电筒照射一个物体，然后从另一个角度用眼睛观察光点的位置。如果物体远了，光点在你视野里的位置就会发生变化。激光三角传感器就是利用这个几何原理。它向钢坯表面发射一个高度聚焦的激光点，激光点在钢坯表面形成的散射光通过一个接收镜头，被内部的高分辨率CCD或CMOS传感器接收。根据激光点在接收元件上的位置变化，利用精确的三角几何关系，传感器就能高速计算出它到钢坯表面的距离。同样，通过配置两个相对的传感器（一个测量上表面，一个测量下表面）并同步测量，可以实时计算出钢坯的精确厚度。

*  **物理基础：** 几何三角测量原理，光的反射。
*  **核心公式：** D = L * sin(α) / (sin(β) + tan(γ))（简化形式），其中 D 是距离，L 是传感器基线，α 是发射角度，β 是接收角度，γ 是光点在探测器上的位置对应的角度。
*  **核心性能参数：**
  *  测量精度：最高可达微米甚至亚微米级别。
  *  重复精度：极高。
  *  采样速度：非常快，最高可达100 kHz。
*  **技术方案优缺点：**
  *  **优点：** 测量精度极高，响应速度快，非接触，无辐射。
  *  **缺点：** 测量范围相对较短，通常需要传感器距离被测物较近，容易受到钢坯表面反射率、颜色、粗糙度变化的影响，高温环境下蒸汽和烟尘可能干扰测量光路。
*  **适用场景：** 对厚度控制精度要求极致严格，且传感器可安装在相对近距离的位置，环境干扰相对可控的精密轧制。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是针对钢坯轧制厚度控制应用领域，5家主流国际测量产品厂商及其解决方案的对比：

• 德国艾迈斯欧

  • 采用技术： X射线透射测厚

  • 核心性能参数： 测量范围典型厚度1至150毫米；测量精度通常优于目标厚度的±0.1%；响应时间通常小于10毫秒。

  • 应用特点与独特优势： 在金属行业X射线及同位素测厚领域拥有超过50年的经验，是全球领导者。产品坚固耐用，测量精度和稳定性极高，能显著提升轧制产品质量，减少废品率。提供完善的集成解决方案和全球技术支持，特别适合对精度要求苛刻的重工业环境。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光测距（飞行时间法/相位差法）

  • 核心性能参数： 测量范围0.05至500米；最高精度±1毫米；高测量速度高达250赫兹；可测量最高表面温度1550℃的物体。

  • 应用特点与独特优势： 其LCJ系列传感器专为工业应用设计，具备强大的远距离、高温测量能力，即使在深色表面或有太阳辐射的户外也能保持准确测量。IP65防护等级和-40 ... + 60°C的工作温度范围，并可配备冷却外壳在更高温度下使用，使其在钢坯热轧等恶劣环境中表现出色。提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和两个可编程数字输出（DO1和DO2），方便集成。

• 瑞士ABB

  • 采用技术： 同位素（伽马射线）透射测厚

  • 核心性能参数： 测量精度通常可达到目标厚度的±0.1%至±0.2%；响应时间毫秒级。

  • 应用特点与独特优势： 作为全球领先的自动化和电力技术公司，其测量产品集成度高，可靠性强，能无缝集成到轧机控制系统中。同位素测厚仪特别适用于恶劣的工业环境，测量稳定性高，不受钢坯温度、速度和表面脏污影响，有助于优化轧制过程和提高生产效率。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 激光三角测量

  • 核心性能参数： 单点位移最高精度可达±0.005微米；重复精度0.0025微米；采样速度最高可达100 kHz。

  • 应用特点与独特优势： 以其卓越的高精度和高速度传感器技术而闻名。其激光位移传感器在轧钢行业可提供极高的测量分辨率和快速响应能力，适用于对厚度控制要求极其严格的场合。具备强大的抗环境干扰能力，易于安装和集成，并提供全球化的技术支持。

• 奥地利普瑞马特

  • 采用技术： 先进光学厚度测量仪（可能结合激光三角法、结构光扫描、高速图像处理等）

  • 核心性能参数： 测量精度通常达到±0.1毫米级别；高测量频率。

  • 应用特点与独特优势： 作为全球领先的冶金设备和技术供应商，其测量系统与其轧机设备高度集成，能够提供端到端的轧制解决方案，优化整个生产过程。其光学测量系统设计坚固，能适应钢铁厂恶劣的生产环境，提供全面的尺寸和形状控制（包括厚度、宽度、边缘形状、板形等），有效提高产品质量和生产效率。

（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

在选择用于钢坯热轧厚度控制的测量设备或传感器时，不能只看单一指标，需要综合考虑，就像选择一件工具，要看它最擅长做什么，以及你具体需要它做什么。

• 测量精度 (Accuracy)：

  • 实际意义： 指的是测量结果与真实值之间的接近程度。比如，±1毫米的精度意味着你的测量结果可能比实际厚度多或少1毫米。

  • 对最终测量效果的影响： 直接决定了你产品厚度控制的精细程度。精度越高，产品厚度波动越小，合格率越高，材料浪费越少。

  • 选型建议： 对于高附加值产品或要求极高的薄带钢轧制，应优先选择X射线、同位素或高精度激光三角传感器；对于厚板或对精度要求相对宽松的场景，激光测距传感器可能更具性价比。

• 测量重复性 (Repeatability)：

  • 实际意义： 指的是在相同条件下，多次测量同一位置时，测量结果之间的一致性。比如，重复测量一个厚度为50毫米的钢坯10次，如果结果总是50.0±0.05毫米，那么重复性就很好。

  • 对最终测量效果的影响： 决定了测量系统的稳定性。如果重复性差，即便精度很高，每次测量的“随机误差”也会很大，导致控制系统无法稳定调整轧辊，反而引入新的波动。

  • 选型建议： 任何需要实时闭环控制的场景，重复性都至关重要。确保所选设备在恶劣环境下仍能保持高重复性。

• 测量范围 (Measurement Range)：

  • 实际意义： 指传感器能够有效测量的最大和最小距离或厚度。

  • 对最终测量效果的影响： 决定了该传感器是否能覆盖你所有产品的厚度规格，以及是否能安装在足够远的位置以规避高温等影响。

  • 选型建议： 如果生产线有多种厚度规格，确保测量范围能覆盖所有需求。对于高温环境，如果传感器需要远离热源，则长测量范围的激光测距传感器会是优势。

• 测量速度/响应时间 (Measurement Speed/Response Time)：

  • 实际意义： 测量速度指每秒能完成多少次测量（Hz），响应时间指从物理量变化到传感器输出相应信号所需的时间。

  • 对最终测量效果的影响： 热轧生产线速度非常快，如果测量速度慢，传感器获取的数据就会滞后，控制系统来不及做出调整，导致厚度偏差无法及时纠正。高速响应是实现精确闭环控制的关键。

  • 选型建议： 对于高速轧制线，毫秒级响应或数百赫兹以上测量频率的设备是必需的。X射线、同位素和高性能激光传感器在这方面通常表现优异。

• 环境适应性 (Environmental Adaptability)：

  • 实际意义： 指传感器在高温、高湿、粉尘、蒸汽、振动等恶劣工业环境下的正常工作能力。

  • 对最终测量效果的影响： 恶劣环境是热轧车间的常态。如果传感器不耐受，轻则测量不准，重则损坏停机，影响生产。

  • 选型建议： 优先选择具备高防护等级（如IP65/IP67）、宽工作温度范围、抗振能力强、并可加装冷却或吹扫附件的设备。例如，英国真尚有的LCJ系列传感器的高温测量能力和IP65防护等级是其在热轧环境中的优势。

• 接口与集成度 (Interface & Integration)：

  • 实际意义： 指传感器提供的数据输出接口（如RS232/485、以太网、模拟量、数字量）以及与现有DCS/PLC控制系统集成的难易程度。

  • 对最终测量效果的影响： 方便的接口和高集成度能降低系统搭建和调试的成本和时间，确保数据能顺畅地传输到控制系统进行实时反馈。

  • 选型建议： 了解现有控制系统的接口需求，选择具备多种标准接口选项的传感器，并考虑厂商提供的集成支持。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最先进的测量设备，在钢坯热轧的实际应用中也可能遇到各种“拦路虎”。

• 高温环境影响和干扰

  • 问题： 传感器长期暴露在钢坯散发的高温下，可能导致内部电子元件过热，性能漂移甚至损坏。同时，钢坯表面产生的大量水蒸气、烟尘、氧化铁皮颗粒以及热辐射，都可能干扰测量光路或射线通道，导致测量信号不稳定或失真。

  • 原因： 轧钢车间环境极端恶劣，传感器自身防护不足或防护措施失效。

  • 解决建议：

    • 冷却与防护： 为传感器配备专业的冷却系统（如水冷套、风冷罩），有效隔绝热量。选择本身就具备高工作温度上限的传感器。

    • 吹扫与净化： 在传感器的光学窗口或射线路径上安装空气吹扫装置，用压缩空气持续吹散蒸汽、烟尘和氧化皮，保持测量通道清洁。

    • 优化安装位置： 尽量将传感器安装在相对远离高温源、且不易被蒸汽和烟尘直接影响的位置。

    • 材料选择： 考虑使用对环境干扰不敏感的测量技术，例如X射线和同位素透射法受表面蒸汽和烟尘的影响较小。

• 钢坯表面状态变化

  • 问题： 热轧钢坯表面粗糙度不均、氧化皮脱落、颜色深浅不一等，特别是对于光学测量方法（如激光测距、激光三角法），这些变化会影响光的反射特性，导致测量信号强度不稳定，甚至无法有效反射，从而影响测量精度和稳定性。

  • 原因： 钢坯材料成分、轧制工艺参数、冷却方式等都会影响表面特性。

  • 解决建议：

    • 技术选择： 对于表面状态变化较大的情况，X射线或同位素透射法由于其穿透性原理，受表面影响较小，是更稳妥的选择。

    • 光学优化： 如果使用光学方法，选择对表面反射率变化有较强鲁棒性的传感器。采用多点测量、平均化处理或配备自适应增益控制的传感器，以补偿反射信号的变化。

    • 预处理： 在测量前，通过高压水除鳞等方式尽可能清理钢坯表面氧化皮，提供相对一致的测量表面。

• 振动与机械位移

  • 问题： 轧机在高速、重载工作时，必然会产生剧烈振动。这些振动可能导致传感器自身的物理位置发生微小偏移，或者传感器与钢坯之间的相对距离产生瞬时变化，进而引入测量误差。

  • 原因： 轧制力、设备磨损、安装结构不稳固。

  • 解决建议：

    • 安装结构： 采用极其坚固、抗振性好的传感器安装支架，并对支架进行减震处理（如使用减震垫）。

    • 传感器选择： 选择本身抗震性能好、响应速度快的传感器，以捕捉并抵消振动带来的瞬时位移。

    • 差分测量： 对于厚度测量，通过在上下两侧同时使用传感器进行差分测量，可以有效抵消因整体振动导致的共同位移误差。

• 校准与维护

  • 问题： 测量设备长期运行后，由于元器件老化、环境变化（如温度、湿度）、光学窗口污染等原因，可能导致测量精度逐渐漂移，出现“不准”的情况。

  • 原因： 缺乏定期维护和校准，或校准方法不当。

  • 解决建议：

    • 定期校准： 建立严格的定期校准制度，使用高精度的标准样块或已知的标准厚度钢板进行现场校准和比对，确保测量系统的准确性。

    • 在线校准功能： 优先选择具备在线自校准或半自动校准功能的设备，可以减少停机时间和人工干预。

    • 日常清洁： 定期检查和清洁传感器的光学窗口、防护罩等部件，防止灰尘、油污等积累影响测量效果。

    • 故障诊断： 建立完善的故障诊断和预警机制，通过监测传感器内部状态参数或测量数据趋势，提前发现并解决潜在问题。

4. 应用案例分享

非接触测量技术在钢铁工业的多个环节都有广泛应用，尤其在钢坯热轧和后续加工中发挥着核心作用：

• 热轧带钢厚度实时闭环控制： 在高速热轧线上，将非接触测厚仪（如X射线、同位素或激光测距仪）安装在轧机出口处，实时监测带钢厚度。测量数据会立即反馈给轧机液压压下系统，实现毫秒级的自动调整，确保带钢厚度始终保持在目标公差范围内。

• 厚板轧制质量监控： 对于生产大型、超厚钢板的轧机，通过非接触测厚仪和光学板形测量仪，不仅能实时监测板材厚度，还能获取板宽、边缘形状和板形数据。这有助于及时发现并纠正轧制过程中出现的尺寸偏差和形状缺陷，大幅提升厚板产品的合格率和内在质量。

• 特殊合金材料精密轧制： 在生产高附加值、对尺寸精度和均匀性要求极高的特殊合金材料时，非接触测厚技术可以最大限度地减少材料损耗和废品率。例如，对于需要远距离测量，且工作环境高温的钢坯，可以考虑使用英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，保证测量的准确度。