如何在1000°C高温、浓蒸汽连铸环境下，实现0.1mm级钢坯尺寸的精准在线监测？【冶金自动化】

基于钢坯的基本结构与技术要求

在连续铸造过程中，钢坯就像是从熔融金属中缓慢“拉”出来的长条形面团，它一边冷却一边成型，最终会切割成我们熟悉的钢材初级产品。这个“面团”的表面，在测量时有几个特别的脾气，给测量带来了很大的挑战：

首先是高温。刚从模具中出来的钢坯，表面温度可以高达1000°C甚至更高。这种高温不仅仅是物体自身发光（红外辐射），还会对传感器附近的空气产生强烈的热对流，导致空气密度不均匀，就像阳光下的柏油路面扭曲的景象一样，这会干扰激光束的传播路径。

其次是蒸汽和水雾。在连铸过程中，为了冷却钢坯，会大量喷水。这些水遇到高温钢坯会迅速蒸发，形成浓密的蒸汽和水雾。蒸汽和水雾中的水分子会对激光束产生散射和吸收，严重削弱激光信号，就像在浓雾中开车，视线会变得很模糊。

再者是表面状态变化。钢坯表面可能存在氧化皮、粗糙不平、甚至局部反光等情况。这些都会影响激光的反射效果，使得传感器接收到的信号强度和质量不稳定。想象一下，如果一个物体表面一会儿是磨砂的，一会儿是镜面的，激光打上去反射回来的光线肯定不一样，这就给测量带来了困难。

最后是运动状态。钢坯是连续运动的，测量需要在动态下进行，这就要求传感器有极快的响应速度和足够高的测量频率，才能实时捕捉到其位置变化。

针对这些特点，对钢坯表面位置的稳定测量提出了苛刻的技术要求： * 高精度和高重复性：需要精确地知道钢坯的尺寸和位置，以确保后续轧制过程的质量。即使在恶劣环境下，测量结果也必须稳定可靠。 * 耐高温能力：传感器自身及其防护系统必须能够承受高温环境的考验。 * 抗干扰能力：要能有效穿透或抑制蒸汽、水雾、烟尘以及钢坯自身红外辐射的干扰。 * 快速响应：能够实时跟踪钢坯的运动，提供连续的位置数据。 * 稳定性与可靠性：在连续生产的严苛工况下，传感器需要长期稳定运行，减少维护。

针对钢坯的相关技术标准简介

对于连续铸造中的钢坯，通常关注的监测参数包括以下几点，这些参数的定义和评价方法在行业内都有共识，是衡量钢坯质量和连铸过程稳定性的关键。

• 钢坯尺寸（截面尺寸）：这是指钢坯横截面的宽度和厚度。例如，对于方坯或矩形坯，我们会测量其边长；对于板坯，则测量其宽度和厚度。评价方法通常是采用在线或离线测量，与设计值进行对比，超出允许偏差范围即为不合格。

• 钢坯弯曲度/直线度：衡量钢坯在长度方向上的弯曲程度。理想状态下，钢坯应该是笔直的。评价通常通过测量钢坯表面相对于参考直线的最大偏差来确定，偏差越大，直线度越差。

• 钢坯翘曲度：这特指板坯表面平整度，即板坯在横向或纵向上的扭曲程度。评价方法是测量板坯表面的高低不平，或各角点不在同一平面的偏差量。

• 钢坯表皮缺陷（如鼓肚、裂纹）：鼓肚是指钢坯在铸造过程中由于冷却不均或拉速过快导致表面局部向外凸出。裂纹则是表面出现的细小裂缝。这些缺陷的评价方法通常是依靠视觉检测或更先进的表面扫描技术，识别并量化缺陷的大小和位置。

• 钢坯振动或摆动：在连铸过程中，钢坯在拉出时可能会出现轻微的振动或侧向摆动。这需要通过实时监测钢坯边缘或中心线的位置，分析其动态变化来评价，过大的振动会影响铸坯质量和拉速稳定性。

这些参数的准确获取，对于优化连铸工艺、提高产品质量、减少废品率至关重要。

实时监测/检测技术方法

要稳定测量高温、蒸汽环境下的钢坯位置，市面上主要有几种技术方案，每种都有自己的“拿手好戏”和“软肋”。

市面上各种相关技术方案

• 激光三角测量技术

  想象一下，你拿着一个激光笔对着墙壁照，然后从旁边不同的角度看激光点的位置，当激光笔离墙壁远近不同时，你看到的激光点相对于你的位置也会移动。激光三角测量就是利用这个原理。

  工作原理和物理基础： 传感器内部有一个激光发射器，它会向被测物体表面发射一束可见光激光。这束激光在钢坯表面形成一个光斑。同时，传感器内部还有一个光学接收系统，包含一个接收镜头和一个高分辨率的线性阵列传感器（比如CCD或CMOS传感器）。接收镜头会把钢坯表面反射回来的激光光斑成像到线性阵列传感器上。 关键在于，激光发射器、接收镜头和线性阵列传感器之间有一个固定的几何布局，它们构成一个三角形。当被测物体（钢坯）的距离发生变化时，由于这个固定的三角关系，反射光斑在线性阵列传感器上的成像位置就会发生位移。通过精确测量这个位移量，传感器内部的微处理器就可以利用几何三角原理计算出被测物体到传感器的距离。

  其核心的几何关系可以简化为： 当激光发射器、接收镜头和线性阵列传感器构成一个固定的直角或斜角三角形系统时，被测物体距离的变化会引起光斑在接收器上的位移。 假设激光发射器与接收器之间基线长度为 L，激光发射角为 α，接收器光轴与基线夹角为 β。当目标距离变化 Δd 时，光斑在接收器上产生位移 Δx。 可以推导出距离 d 与光斑位置 x 的关系： d = (L * sin(α) * f) / (x * cos(α) + f * sin(α)) 其中，d 是传感器到被测物体的距离，f 是接收镜头的焦距。这个公式虽然看起来复杂，但其本质是利用相似三角形的比例关系来求解距离。通过这种方式，将目标距离的变化转化为光斑在传感器上的位置变化，实现高精度测量。

  核心性能参数的典型范围： * 精度：激光三角测量具有较高的测量精度，一般为±0.02mm~±0.1mm，优质的系统可达±0.015mm。 * 分辨率：可达0.1微米到几十微米。 * 响应时间：通常在毫秒级，比如0.5毫秒到10毫秒。 * 测量范围：从几毫米到数米不等。

  技术方案的优缺点： * 优点： * 高精度：在短距离测量中能提供非常高的精度和分辨率，适合对尺寸控制要求严格的场合。 * 快速响应：能够进行高速测量，适用于动态目标的实时监测和快速过程控制。 * 非接触：避免了对被测物体造成磨损或污染，尤其适合高温、柔软或移动的物体。 * 缺点： * 受表面特性影响：被测物体的颜色、粗糙度、反射率变化（如高温钢坯的氧化皮、反光面）会影响激光的反射效果和光斑的清晰度，从而影响测量精度和稳定性。 * 受环境干扰大：高温产生的热空气扰动（热浪效应）、水蒸气、烟尘等介质会散射或吸收激光，削弱信号，导致测量不稳定甚至失效。 * 测量距离限制：长距离下激光能量衰减和环境干扰加剧，精度会显著下降，且三角测量的几何结构决定了其最佳工作距离范围相对有限，存在所谓的“死区”。 * 适用场景：适合对精度要求高、测量距离适中、环境相对可控或有良好防护措施的场合。在连续铸造中，需要配合强大的抗高温、蒸汽干扰的防护和冷却系统。 * 成本考量：中等到高。高性能的传感器和附加的防护、冷却、吹扫系统会增加总成本。

• 飞行时间 (Time-of-Flight, ToF) 测量技术

  这种技术就像是我们对着山谷喊一声，然后测量声音从发出到听到回声用了多长时间，再根据声速来估算我们离山谷有多远。只不过这里用的是激光而不是声音。

  工作原理和物理基础： 传感器会发射一束非常短的激光脉冲，同时开始计时。当这个激光脉冲碰到钢坯表面后，一部分光会反射回来，被传感器接收到。传感器会立即停止计时，并精确地测量从发射到接收之间经过的时间。由于光速是已知的常数（约3 x 10^8 米/秒），所以通过简单的公式就能计算出距离。

  距离 (D) = (光速 (c) × 时间 (t)) / 2

  这里的t是激光往返的总时间，所以要除以2。

  核心性能参数的典型范围： * 精度：通常在毫米级到厘米级。 * 重复精度：最小可达0.5毫米。 * 响应时间：非常快，最快可达0.5毫秒。 * 检测范围：从几十毫米到几十米甚至更远。

  技术方案的优缺点： * 优点： * 长距离测量：尤其适合大范围的距离测量，可以安装在远离高温或恶劣环境的位置。 * 受表面特性影响小：由于原理是测量时间而不是光斑位置，所以目标物体的颜色、材质和角度变化对测量结果的影响较小。 * 抗环境光干扰能力较强：通过脉冲激光和时间门技术，可以有效抑制环境光的干扰。 * 缺点： * 短距离精度相对较低：在极短距离下，ToF传感器的精度通常不如激光三角测量，不适合微米级的精细测量。 * 对散射介质敏感：虽然比三角测量好，但在极浓的蒸汽、灰尘环境下，激光信号衰减严重仍会影响测量稳定性。 * 适用场景：需要进行长距离或对表面颜色、材质变化不敏感的距离测量。 * 成本考量：中等到高。

• 调频连续波雷达 (FMCW Radar) 技术

  这种技术可以想象成雷达车向前方发射一种频率不断变化的电磁波（微波），就像警笛声高低起伏一样。当微波遇到目标反射回来时，它的频率会和刚发出去的微波频率不一样。测量这个频率差，就能知道目标有多远。

  工作原理和物理基础： 传感器发射一个频率随时间线性变化的连续微波信号（比如从24GHz到24.1GHz）。这个信号以光速传播到被测钢坯表面，并反射回传感器。由于信号传播需要时间，反射回来的信号相对于发射信号会有一个时间延迟。因为发射信号的频率一直在变化，这个时间延迟就会导致接收信号和当前发射信号之间出现一个频率差（叫做拍频）。传感器通过测量这个频率差来计算信号的飞行时间，进而得出距离。

  距离 (R) = (c * Δf) / (2 * (dB/dt)) 其中，c是光速，Δf是发射信号和接收信号之间的频率差（拍频），(dB/dt)是发射信号的频率变化速率（调频斜率）。

  核心性能参数的典型范围： * 测量范围：从几十厘米到几十米。 * 重复精度：通常在毫米级。 * 检测分辨率：毫米级。 * 发射频率：常用的有24GHz或77GHz。

  技术方案的优缺点： * 优点： * 穿透力极强：微波对水蒸气、灰尘、烟雾、雨雪等介质具有很强的穿透能力，几乎不受这些恶劣环境的影响。这在连续铸造的高温蒸汽环境中是巨大的优势。 * 不受环境光影响：与激光不同，微波不受可见光或红外辐射的干扰，适用于完全黑暗或光线极强的环境。 * 工作温度范围广：传感器本身通常具有较宽的工作温度范围。 * 缺点： * 空间分辨率较低：相比激光，雷达的光束较宽，在精细定位或测量小目标时不如激光传感器。 * 精度相对激光传感器低：在对精度要求极高的短距离测量中，雷达通常无法达到激光的微米级精度。 * 尺寸较大：通常比激光传感器大。 * 适用场景：极其适合环境极端恶劣、有大量蒸汽、烟尘、高温等干扰因素的工业场所，对精度要求在毫米级的应用。 * 成本考量：中等到高。

市场主流品牌/产品对比

这里我们挑选几家在工业测量领域有口皆碑的品牌进行比较，它们各有侧重，可以为解决连续铸造中的测量问题提供不同的思路。

• 德国米德 (采用激光三角测量技术) 德国米德在精密位移传感器领域拥有深厚的技术积累。他们的激光三角测量传感器，例如optoNCDT 1750-750LL，是专门针对炽热物体测量进行优化的。它通过特殊的接收元件和算法来抑制高温物体自身发出的红外辐射干扰，同时对目标表面的特性变化（如金属氧化、反光）有较好的鲁棒性。该产品量程为750毫米，分辨率可达150微米，测量速率最高2.5千赫兹，可测量高达2000°C的物体。在连续铸造这种对精度和抗高温能力都有较高要求的场景下，德国米德的产品提供了一个可靠的选择。

• 英国真尚有 (采用激光三角测量技术) 英国真尚有ZLDS116激光位移传感器同样采用光学三角测量原理，其特点在于宽广的测量范围。它最大测量距离达10米，测量范围可达8米，最高测量精度可优于0.08%（具体精度取决于测量范围）。该传感器能够测量最高1300°C的被测物，并提供2mW、5mW和10mW三种激光功率选项以适应不同环境和目标温度。为应对恶劣环境，它具备IP66级铸铝外壳防护等级和空气净化系统，并可通过水冷系统将工作温度提升至120°C。这些特性使其在连续铸造环境中具备了一定的适应能力，能够应对高温和一定的灰尘、水汽，但仍需加强对浓密蒸汽和强烈红外辐射的防护。

• 日本基恩士 (采用飞行时间ToF测量技术) 日本基恩士的LR-T5000系列传感器采用飞行时间（ToF）原理。这类传感器的优势在于其广泛的适用性和对目标颜色、材质及角度变化的较低敏感性，因为它是测量光线往返时间，而非光斑位置。LR-T5000的检测范围可达5米（反射板模式最高50米），重复精度最小可达0.5毫米，响应时间最快0.5毫秒。在连续铸造中，如果需要较长的测量距离且对微米级精度要求不那么极致，同时希望传感器能更好地应对表面状态变化，那么ToF技术是一个很有吸引力的选项。其IP67的防护等级也使其能在一定的工业环境下工作。

• 瑞士宝盟 (采用调频连续波雷达FMCW技术) 瑞士宝盟的OADM 2500Q4400-S雷达传感器利用调频连续波雷达原理进行测量。它的最大优势是对恶劣环境的超强适应性，特别是对灰尘、水汽、烟雾、雨雪和高温的穿透能力。在连续铸造这种蒸汽弥漫的场景下，雷达信号受到的衰减远小于激光。该型号测量范围可达8米，重复精度1毫米，检测分辨率1毫米。传感器本身工作温度范围宽广，且微波信号的穿透性使其在高温环境中进行远处测量时表现出色。如果现场环境蒸汽极其浓厚，且对测量精度要求在毫米级即可满足，雷达方案的稳定性将是首选。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的传感器，就像为特殊任务挑选合适的工具，需要根据任务特点来定。在连续铸造这种复杂环境中，以下几个指标尤其重要：

1. 测量原理：

   • 实际意义：决定了传感器对环境干扰的抗性、测量范围和潜在精度。例如，激光三角测量通常精度高但怕遮挡和表面变化；ToF激光适合长距离，对表面变化不敏感；FMCW雷达穿透力强但精度相对低。

   • 影响：错误的测量原理可能导致测量结果不稳定、精度差，甚至无法工作。

   • 选型建议：如果现场蒸汽、烟尘极浓，且对精度要求在毫米级，优先考虑FMCW雷达。如果环境相对较好或有完善的防护措施，且对精度要求极高，激光三角测量是优选。如果需要中长距离测量且对表面变化鲁棒性要求高，ToF激光可作为平衡选择。

2. 测量精度与分辨率：

   • 实际意义：精度是指测量结果与真实值之间的符合程度，分辨率是指传感器能识别的最小变化量。

   • 影响：精度不足会导致钢坯尺寸控制不准，影响产品质量；分辨率低可能无法发现细微的尺寸波动。

   • 选型建议：根据工艺对钢坯尺寸控制的严格程度来选择。例如，如果需要控制到0.1毫米，那么传感器的精度和分辨率至少要达到这个级别甚至更高。

3. 测量范围与工作距离：

   • 实际意义：测量范围是传感器能有效测量的最大和最小距离，工作距离是传感器安装位置到被测物体的典型距离。

   • 影响：范围太小可能无法覆盖整个测量区域；范围太大可能导致精度下降。安装距离不合适会影响测量的稳定性或精度。

   • 选型建议：根据现场安装空间和钢坯的实际运动范围来确定。在高温环境下，通常会倾向于选择工作距离较远的传感器，以便将传感器本体远离热源。

4. 目标物耐温能力与传感器自身工作温度：

   • 实际意义：前者指传感器能够准确测量的物体最高温度，后者指传感器本体能正常工作的环境温度。

   • 影响：高温钢坯会发出强烈的红外辐射，干扰激光传感器；传感器本体若不能耐受高温，会加速老化甚至损坏。

   • 选型建议：选择明确标明可测量高温物体的传感器，并且传感器的防护系统（如水冷、空气吹扫）要能确保传感器本体工作在安全温度范围内。

5. 防护等级与抗干扰能力：

   • 实际意义：防护等级（如IP66/IP67）表明传感器防尘防水的能力；抗干扰能力体现在对高温辐射、蒸汽、烟尘的抑制。

   • 影响：防护不足会使传感器因灰尘、水汽侵入而失效；抗干扰能力差则无法在恶劣环境下提供稳定测量。

   • 选型建议：连续铸造环境至少需要IP66/IP67等级。对于蒸汽和热空气扰动，可以考虑配备空气吹扫系统保持镜头清洁，并结合传感器本身的抗红外干扰算法。FMCW雷达在此方面有天然优势。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在连续铸造这种充满挑战的环境下使用激光位移传感器，常常会遇到以下几个问题：

1. 问题：高温钢坯的红外辐射干扰

   • 原因与影响：高温钢坯会像一个“小太阳”一样发出大量的红外光。对于激光传感器来说，这些红外光就像强烈的背景噪声，会淹没传感器发射的微弱激光信号，导致接收器“看不清”真正的激光点，从而产生测量误差甚至无法测量。

   • 解决建议：

     • 采用短波长激光：优先选择使用可见光（如红色或蓝色激光）或更短波长的激光传感器，因为高温物体的辐射峰值在红外波段，可见光受干扰较小。

     • 窄带滤波技术：在传感器的接收光学系统中安装窄带滤光片，只允许与发射激光波长精确匹配的光线通过，从而滤除绝大部分的红外辐射。

     • 调制激光与解调技术：传感器发射调制激光信号（比如以特定频率闪烁），接收端只响应这个特定频率的信号，就像在嘈杂的派对中只听某个特定频率的广播，其他噪音就被屏蔽了。

     • 避开直射：调整传感器安装角度，尽量避免接收镜头直接对着钢坯表面发射的红外辐射最强的区域。

2. 问题：蒸汽和水雾对激光的衰减和散射

   • 原因与影响：连续铸造过程中，冷却水喷到高温钢坯上会产生大量蒸汽和水雾。这些水滴和水分子会阻挡、吸收或散射激光束，使得激光能量大大衰减，到达传感器接收端的光信号非常微弱，就好像在浓雾中，手电筒的光线穿透力变得很差一样。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫系统：在传感器镜头前持续吹送洁净的压缩空气。这就像给传感器镜头装了一个“气帘”，可以将蒸汽、水雾和烟尘挡在镜头之外，保持镜头清晰。英国真尚有ZLDS116传感器采用IP66级铸铝外壳，配备空气净化系统，可以在一定程度上缓解蒸汽和水雾的影响。

     • 选择高功率激光：在满足安全标准的前提下，选择功率更大的激光传感器，以增强激光的穿透力，确保在衰减后仍有足够信号强度被接收。

     • 安装保护罩：为传感器安装带有吹扫功能的定制保护罩，创造一个相对清洁的微环境。

     • 选择穿透力强的技术：如果蒸汽问题极其严重，可以考虑使用对水汽穿透力更强的FMCW雷达传感器作为替代或补充方案。

3. 问题：钢坯表面状态变化（氧化、粗糙、反光）

   • 原因与影响：高温下钢坯表面会形成氧化皮，或者表面粗糙不平，有时还会有局部反光区域。这些都会导致激光反射的漫反射特性不稳定，影响光斑的形成和接收，进而影响测量精度。

   • 解决建议：

     • 采用高动态范围接收器：选择具有高动态范围（HDR）的线性阵列传感器，它能同时处理很亮和很暗的光信号，更好地应对表面反射率的变化。

     • 优化算法：传感器内部的信号处理算法需要具备自适应能力，能够根据接收信号的强度和质量进行优化调整，例如，通过多次采样取平均值或滤波。

     • 短波长激光：短波长激光在与金属表面相互作用时，通常能提供更稳定的反射信号。

     • 多点或多线测量：对于表面粗糙不平的钢坯，单个点测量可能不够代表性，可以采用多激光点或激光线扫描，然后对多个测量结果进行平均或拟合，以获得更准确的整体位置信息。

4. 问题：传感器本体过热

   • 原因与影响：连铸现场环境温度高，如果传感器本体长时间暴露在高温下，内部电子元件会失效，光学系统会变形，导致测量漂移甚至永久损坏。

   • 解决建议：

     • 水冷系统：为传感器配备水冷套，通过循环冷却水带走热量，将传感器本体温度控制在安全范围内。英国真尚有ZLDS116传感器配备水冷系统后，工作温度可达120°C。

     • 空气冷却：通过压缩空气对传感器进行冷却，成本较低但效果可能不如水冷。

     • 隔热措施：在传感器和高温钢坯之间设置隔热板或防护罩，减少热辐射对传感器的直接影响。

     • 选择耐高温型号：在选型时就优先考虑专为高温环境设计的传感器，它们通常内部元器件和封装都有特殊处理。

应用案例分享

• 连铸结晶器液位控制：在连铸结晶器中，激光位移传感器可以实时、非接触地测量液态钢水表面的高度（液位）。通过精确控制液位，可以保证铸坯的尺寸精度和表面质量，避免钢水溢出或液位过低导致断裂。例如，英国真尚有ZLDS116激光位移传感器，凭借其高精度和快速响应的特点，可应用于结晶器液位控制，实现稳定测量。

• 钢坯位置和摆动监测：在连铸引锭和拉坯过程中，传感器可以安装在出坯口附近，持续监测钢坯的中心线位置和侧向摆动幅度。这有助于及时发现钢坯跑偏或振动异常，防止擦伤结晶器内壁或拉坯机故障，提高生产效率和安全性。

• 铸坯长度及切割控制：在连铸切割区域，激光传感器可以测量铸坯的实时长度，结合切割指令，精确控制火焰切割机的动作，确保切割长度符合预设要求，减少材料浪费。

• 板坯厚度或宽度在线测量：在热轧生产线上，多组激光传感器可以对高温板坯进行实时扫描，精确测量其厚度或宽度，为后续轧制压下量和侧压量提供准确数据，确保最终产品的尺寸精度。

• 辊缝间隙测量：在连铸机或轧机中，激光位移传感器可以用来测量辊子之间的间隙，确保辊缝均匀，从而保证钢坯或钢板的尺寸均匀性和表面质量。