在1000℃以上恶劣环境下，如何选用非接触技术实现高温钢坯长度的±5毫米高精度在线检测？【连铸轧钢】

1. 基于高温钢坯的基本结构与技术要求

想象一下，高温钢坯就像是一块从熔炉里刚出来的、还在发光的巨大“面团”，它通常呈长方体、正方体或圆形，表面粗糙，有时还带有氧化皮和蒸汽。在高炉炼钢这样的极端工业环境中，精确测量这些“面团”的长度，可不仅仅是为了好看，它直接关系到生产的效率、成本和最终产品的质量。

对高温钢坯进行长度测量的技术要求非常高：

• 高温适应性： 钢坯表面温度通常在700℃到1200℃甚至更高，测量设备必须能在这种炙热环境下稳定工作，并且能透过高温产生的蒸汽和烟尘进行测量。

• 高精度与稳定性： 炼钢是一个连续过程，钢坯在移动中，测量精度要求达到毫米级别，确保切割尺寸的准确性，减少材料浪费。

• 非接触性： 直接接触测量在高温下不现实，且会损伤钢坯表面，因此必须采用非接触式测量。

• 测量速度快： 钢坯在生产线上快速移动，传感器需要有足够高的测量频率，才能在短时间内捕捉到精确的长度数据。

• 环境鲁棒性： 钢厂环境恶劣，粉尘、水汽、震动和强电磁干扰无处不在，测量设备必须坚固耐用，具备良好的防护等级。

2. 针对高温钢坯的相关技术标准简介

在钢铁行业，对钢坯的监测参数有很多，其中长度是一个核心指标。对这些参数的定义和评价方法，是为了确保生产的质量和工艺的稳定性。

• 长度（Length）： 指钢坯沿轧制方向或铸造方向的尺寸。它的定义通常是钢坯两端面之间的直线距离。

• 宽度（Width）： 指钢坯横截面上最宽的尺寸，通常垂直于长度方向。

• 厚度/直径（Thickness/Diameter）： 指钢坯横截面上的另一个尺寸，对于方坯和矩形坯是厚度，对于圆坯则是直径。

• 弯曲度（Camber）： 衡量钢坯整体偏离直线的程度，通常指钢坯沿长度方向最大弯曲的弦高。

• 表面质量（Surface Quality）： 检查钢坯表面是否存在裂纹、划痕、氧化皮剥落、凹陷等缺陷，这些都会影响后续轧制产品的质量。

这些参数的评价方法通常是通过将测量值与预设的技术规格和公差范围进行比较。例如，如果要求钢坯长度为12米±5毫米，那么任何超出这个范围的钢坯都可能被判定为不合格，需要进行处理或报废。对长度的监测，除了单根钢坯的绝对长度，还会关注不同批次或同一批次中钢坯长度的一致性（即重复性），以保证生产过程的稳定控制。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在高炉炼钢环境下，为了实现高温钢坯长度的精准稳定测量，市面上涌现出多种非接触式技术方案，它们各有千秋，适用于不同的具体需求和应用场景。

（1）脉冲激光飞行时间（TOF）测量原理

工作原理和物理基础：这种技术就像是给传感器装上了一双“会算时间”的眼睛。它发射一道极短的激光脉冲，这个脉冲以光速飞向高温钢坯表面。当激光束碰到钢坯表面后，会有一部分光反射回来，被传感器接收。传感器内部的精密计时器会精确地测量激光从发出到接收到的整个“旅行时间”。由于我们知道光速是一个恒定的物理量（在空气中大约是每秒30万公里），那么通过简单的物理公式，就可以计算出传感器到钢坯表面的距离。

其核心物理公式为：距离 D = (光速 c * 飞行时间 t) / 2这里的 /2 是因为激光是往返了一趟，我们测量的是单程距离。

为了测量钢坯的长度，通常会在钢坯运动路径的两端各安装一个这样的激光测距传感器，或者通过一个传感器配合运动控制系统，分别检测钢坯的头部和尾部到达某一固定点时的位置或时间，再结合钢坯的移动速度来计算长度。这种方法能有效地克服高温、烟尘等干扰，是工业现场常用的非接触式测距手段。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：通常从几厘米到几百米，某些型号可达500米。* 精度：激光测量精度一般为±1mm~±5mm。* 重复精度：±1.5毫米到±10毫米。* 响应时间：通常在毫秒级别（如2毫秒到30毫秒），测量频率可达数百赫兹。* 适用温度：传感器本体通常需在-30℃至+65℃工作，通过防护罩和冷却系统，部分型号可测量高达1550℃甚至更高温度的物体表面。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量距离远，非接触，响应速度快，可以在线实时监测，对目标表面的颜色和反射率变化有较好的适应性。通过特制的高温版本，能够直接测量超高温物体表面，且对恶劣的工业环境有较强的抵抗力。* 缺点： 测量精度受环境中的蒸汽、灰尘和强光影响较大；对于非常精细的表面细节或微米级测量，通常精度不够。成本相对较高，尤其是在需要超高精度和长距离时。

（2）机器视觉技术

工作原理和物理基础：这就像给生产线装上了一双“火眼金睛”。它利用高分辨率的工业相机捕捉高温钢坯的“照片”或视频流。这些图像被传输到一台强大的计算机（或智能相机内置的处理器）中，通过预设的视觉处理算法，就像侦探分析线索一样，精确地识别出钢坯的起始和终止边缘。一旦识别出这些边缘，系统会根据预先进行的像素到实际物理尺寸的标定（Calibration），将图像中的像素距离转换成实际的物理长度。

核心性能参数的典型范围：* 分辨率：从几十万像素到数千万像素，决定了图像细节的丰富程度。* 帧率：每秒可达几十到数百帧，确保对快速移动钢坯的连续捕捉。* 测量精度：非常高，通常能达到亚像素级别，实际可实现0.01毫米至0.1毫米的长度测量精度，这取决于光学系统、标定质量和视野大小。* 处理速度：高速图像处理，支持在线批量检测。* 适用环境：需要配置工业级防护外壳和冷却系统才能适应高温和恶劣环境。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度极高，非接触，除了长度，还可以同时检测宽度、形状、表面缺陷等多种几何特征，功能非常灵活。强大的软件工具集使得系统配置和集成相对容易，适用于复杂和高要求的在线检测。* 缺点： 对环境光照变化敏感，高温钢坯发出的强光可能导致图像过曝，或表面蒸汽、水雾、氧化皮等干扰图像采集。系统安装和标定较为复杂，对传感器（相机）的防护要求极高，成本也相对较高。

（3）光学热辐射端点检测原理

工作原理和物理基础：这种技术是利用高温钢坯自身发出的红外“热辐射光”来工作的，它就像一个被动接收热信号的“红外望远镜”。传感器内部配备有特制的高温红外探测器，这些探测器不主动发射任何光线，而是被动地接收钢坯散发出来的红外能量。当钢坯的端点经过探测器视野时，系统会捕捉到红外辐射强度的急剧变化，从而精确判断出钢坯的起始和终止边缘。通过测量这两个端点位置之间的距离，就能得到钢坯的长度。这种方法因为它“只看热量”的特性，所以不会受到环境光的影响。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围：典型在1米到20米，可根据具体需求定制。* 测量精度：通常在厘米级别（10毫米到50毫米），精度相对较低。* 测量频率：最高可达100次/秒。* 适用温度：钢坯表面温度通常需在700℃至1200℃以上才能有效工作。* 工作距离：0.5米至5米。

技术方案的优缺点：* 优点： 专为高温金属应用设计，利用钢坯自身辐射，完全不受环境光干扰，非接触，系统结构通常坚固耐用，能很好地适应钢铁厂的恶劣工况，提供在线实时长度测量。* 缺点： 测量精度相对较低，不适用于对长度有极高精确度要求的场景。依赖于钢坯自身的高温，如果钢坯温度过低，则无法有效检测。容易受到钢坯表面温度不均匀或冷却不均的影响，导致边缘判断不准确。

（4）激光三角测量和轮廓扫描原理

工作原理和物理基础：这种技术更像是给钢坯做一次“三维CT扫描”。传感器会向钢坯表面投射一条精细的激光线。这条激光线在钢坯表面形成的反射光会从一个特定的角度被一个高分辨率的CMOS图像传感器（例如，就像数码相机里的感光元件）接收。根据几何光学中的“三角测量”原理，通过分析反射光线在传感器上的位置变化，系统能够高速、高精度地计算出钢坯表面每个点的三维坐标，从而得到钢坯的二维（2D）横截面轮廓数据。当钢坯在生产线上移动时，系统会连续地进行这样的扫描，并将一条条的轮廓数据像拼图一样拼接起来，最终构建出钢坯完整的3D表面模型，进而精确测量出钢坯的长度、宽度、高度，甚至是微小的形状变化。

核心物理公式：三角测量原理的核心是几何关系。假设激光发射器、接收器和被测点构成一个三角形。如果已知发射器和接收器之间的距离（基线 B）以及它们相对于被测点的角度 α 和 β，则距离 D（或高度 h）可以通过正弦定理或简单的三角函数计算：D = B * sin(β) / sin(α + β)在实际应用中，通常简化为通过接收器上光点位置的偏移量 Δx，结合基线距离 B、透镜焦距 f 和入射角 θ 来计算高度或距离：h = (B * f) / (Δx * sin(θ) + f * cos(θ))或者更简化的形式，当角度较小时，h ≈ (B * f) / (Δx * tan(θ))。

核心性能参数的典型范围：* 测量范围（Z轴，即距离方向）：通常在几毫米到一米左右，取决于具体型号。* 重复精度（Z轴）：极高，可达微米级别（0.1微米至5微米）。* 扫描速度：非常快，最高可达64 kHz（每秒64,000次扫描线）。* 轮廓点数：每条扫描线包含1600点至3200点，提供丰富细节。* 线性度：±0.03% F.S. (Full Scale)。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度和分辨率极高，可以获取物体完整的3D轮廓数据，实现复杂几何形状和微小缺陷的检测。测量速度快，非接触，并且受目标表面颜色和纹理的影响较小。* 缺点： 通常工作距离较短，对传感器的安装位置和稳定性要求高。对环境中的蒸汽、灰尘等散射介质比较敏感，可能干扰激光线或反射光。系统成本相对较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

以下是对高温钢坯长度测量领域部分国际知名品牌的解决方案进行对比分析：

1. 德国西克 (采用脉冲激光飞行时间测量技术)德国西克的激光测距传感器以其坚固耐用和高可靠性而闻名。其产品通常采用脉冲激光飞行时间原理，通过发射激光脉冲并测量其往返时间来计算距离。* 核心性能参数： 测量范围可达300米（对反射板）或150米（对自然目标），重复精度典型±1.5毫米，线性度典型±2毫米（对反射板）或±10毫米（对自然目标），响应时间快，在2毫秒到30毫秒之间。传感器本体可在-30℃至+65℃环境下使用，高温应用需额外防护。* 应用特点： 适用于长距离、高精度测量，尤其在恶劣工业环境表现出色，响应速度快，可进行在线实时监测。* 独特优势： 作为工业传感器领域的领导者，德国西克的产品拥有极高的可靠性和稳定性，是重工业领域的可靠选择。

2. 英国真尚有 (采用脉冲激光飞行时间测量技术)英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器也是基于激光飞行时间原理，专注于提供高性价比且性能优异的解决方案。* 核心性能参数： 测量范围广，从0.05米到500米，精度高达±1毫米，测量速度快，可达250Hz。尤其值得关注的是，它实测可测量最高表面温度为1550℃的物体，并在-40℃至+60℃的环境温度下正常工作，并可通过冷却外壳适应更高环境温度。此外，该系列传感器还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB），高精度模拟输出（0.1%），以及两个可编程数字输出（DO1和DO2）。* 应用特点： 适用于重工业和户外应用，能够测量深色表面，甚至在有太阳辐射的室外环境也能保持准确性。其高温测量能力使其非常适合高炉炼钢环境下的钢坯长度测量。* 独特优势： 在保证高精度（±1毫米）和长测量范围（500米）的同时，具备极强的高温物体表面测量能力（1550℃），以及较宽的环境温度适应性，使其成为恶劣工业环境下高温钢坯长度测量的有力竞争者。

3. 德国赫达 (采用光学热辐射端点检测技术)德国赫达专注于热材测量系统，其产品利用高温钢坯自身辐射的红外线进行端点检测。* 核心性能参数： 测量范围典型在1米至20米，测量精度在10毫米至50毫米之间，测量频率最高可达100次/秒。钢坯表面温度需在700℃至1200℃才能有效工作，工作距离通常在0.5米至5米。* 应用特点： 专为高温金属设计，利用钢坯自身辐射，不受环境光干扰，非接触。系统坚固耐用，能适应钢铁厂的恶劣工况。* 独特优势： 这种被动式测量方法对环境光免疫，且专门针对高温金属的特性进行优化，在钢铁行业热材测量领域拥有丰富的经验和成熟的解决方案。

4. 日本基恩士 (采用激光三角测量和轮廓扫描技术)日本基恩士的激光轮廓测量仪以其超高精度和三维轮廓获取能力著称。* 核心性能参数： 测量范围（Z轴）10毫米至1000毫米，重复精度（Z轴）高达0.1微米至5微米，扫描速度极快，最高可达64 kHz，每条扫描线可获取1600点至3200点轮廓数据。* 应用特点： 适用于需要极高测量精度、能够获取物体完整三维轮廓的应用，尤其在检测复杂几何形状和微小缺陷方面表现出色。* 独特优势： 提供极其精细的测量能力和三维数据，几乎不受表面颜色和纹理影响，是精密测量和质量控制的理想选择。

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

选择合适的传感器，就像选择一把趁手的工具，需要根据实际“任务”来定。以下是几个关键的“工具属性”和我的选型建议：

• 测量精度（Accuracy）和重复精度（Repeatability）：

  • 实际意义： 精度代表测量值与真实值之间的接近程度，重复精度则表示多次测量同一目标时结果的一致性。想象一下，如果传感器像一个不准的卷尺，每次量出来的数据都和实际有偏差，或者每次量同一根钢坯，结果都不一样，那这样的数据是没法用的。

  • 影响： 毫米级的精度在高炉炼钢中通常是基本要求。如果精度不够，会导致钢坯切割误差大，造成原材料浪费，甚至影响后续工序。

  • 选型建议： 首先明确生产线对长度测量的最小公差要求，然后选择精度指标优于或至少达到该要求的传感器。对于高速移动的钢坯，重复精度尤为重要，确保每一次测量都稳定可靠。

• 测量范围（Measurement Range）：

  • 实际意义： 指传感器能测量的最短和最长距离。这就像你买相机，需要知道它能拍多远多近的物体。

  • 影响： 如果测量范围不够，传感器可能无法安装在合适的位置，或者无法覆盖整个钢坯长度。

  • 选型建议： 考虑到生产线布局、传感器安装位置与钢坯之间的距离、以及钢坯的长度变化范围，选择具有足够测量范围的传感器。对于长距离测量，飞行时间原理的传感器通常更有优势。

• 测量速度/频率（Measurement Speed/Frequency）：

  • 实际意义： 指传感器每秒钟能完成多少次测量。钢坯在生产线上是高速移动的，如果传感器“反应慢”，就会错过很多关键信息。

  • 影响： 测量速度慢会导致数据滞后，无法实时反映钢坯的实际长度，影响切割决策的及时性，甚至产生“漏测”或“误测”的情况。

  • 选型建议： 根据钢坯的移动速度和所需的空间分辨率来确定。高速测量的场景，通常需要选择测量频率在几百赫兹以上的传感器。

• 适用物体表面温度和环境温度：

  • 实际意义： 传感器能承受的自身工作环境温度，以及它能直接测量的物体表面最高温度。

  • 影响： 高炉炼钢环境异常酷热，如果传感器不耐高温，会很快损坏或测量漂移。

  • 选型建议： 这是高炉炼钢环境下最重要的指标之一。确保传感器能承受现场的最高环境温度（本体），并通过冷却外壳、热防护罩等措施保证其长期稳定运行。同时，要确认传感器能够准确测量钢坯的实际表面温度，并且高温物体表面的辐射和热扰动不会影响其测量精度。例如，英国真尚有的LCJ系列高温激光测距传感器，能够测量高达1550℃的物体表面温度。

• 防护等级（IP Rating）：

  • 实际意义： 衡量传感器防尘和防水的能力。例如，IP65表示完全防尘，并能抵抗低压水射流；IP67表示可短时间浸泡。

  • 影响： 钢铁厂粉尘、水汽和油污弥漫，如果防护等级低，传感器内部容易被污染，导致故障或精度下降。

  • 选型建议： 至少选择IP65或更高等级的传感器。在有大量水雾或冲洗的区域，应考虑IP67甚至更高等级，并配合气幕、防护罩等辅助设备。

• 接口类型和集成能力：

  • 实际意义： 传感器如何与现场的PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（集散控制系统）或上位机进行数据通信。

  • 影响： 接口不匹配会导致集成困难，增加系统开发和调试成本。

  • 选型建议： 优先选择与现有控制系统兼容的接口类型（如RS232/485、以太网、Profinet、模拟量输出等），确保数据传输的稳定性和实时性。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高炉炼钢这种充满挑战的环境下，即使选择了最合适的传感器，实际应用中也可能遇到一些意想不到的“麻烦”，但好在都有相应的“解药”。

• 问题：高温和热辐射影响

  • 原因及影响： 钢坯和周围环境散发出的巨大热量，可能导致传感器本体过热，内部电子元件性能下降，测量数据漂移，甚至烧坏传感器。

  • 解决建议：

    • 冷却系统： 为传感器配备水冷或风冷防护罩，通过循环冷却介质带走热量。

    • 增加工作距离： 在满足测量精度和可靠性的前提下，尽可能将传感器安装在离高温钢坯较远的位置，减少直接热辐射。

    • 热反射屏/隔热罩： 在传感器与钢坯之间设置反光材料或隔热板，阻挡大部分辐射热。

• 问题：蒸汽、烟尘和水雾干扰

  • 原因及影响： 高温钢坯与冷却水接触会产生大量蒸汽，加上炼钢过程中产生的粉尘和烟雾，这些都会散射或吸收激光束，导致信号衰减，测量不稳定甚至中断。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫/气刀： 在传感器镜头前安装空气吹扫装置，用高速清洁空气形成一道“透明气帘”，将灰尘、蒸汽和水雾隔绝在镜头之外。

    • 选择合适波长激光： 有些激光波长对水蒸气的穿透性更好。

    • 优化安装位置： 避开蒸汽和烟尘最浓密的区域，选择上风向或视野相对清晰的位置。

    • 防护窗材料： 使用高质量、耐磨、透光性好的光学玻璃或石英玻璃作为防护窗，并定期清洁。

• 问题：钢坯表面状况复杂（氧化皮、不平整）

  • 原因及影响： 高温钢坯表面通常覆盖一层不均匀的氧化皮，或因轧制、铸造等过程导致表面凹凸不平，这些会造成激光反射信号不稳定，甚至发生镜面反射或漫反射不均匀，影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 选择抗干扰能力强的传感器： 飞行时间原理的激光传感器通常对表面漫反射的适应性较好。

    • 多点测量与平均： 如果钢坯表面不平整影响显著，可以采用多个传感器对同一截面或局部进行测量，然后取平均值来提高精度。

    • 先进算法： 传感器内部的信号处理算法应具备过滤异常反射、增强信号稳定性的能力。

• 问题：振动和机械冲击

  • 原因及影响： 钢厂重型机械运行频繁，震动剧烈，可能导致传感器安装支架松动，传感器测量方向偏移，甚至损坏传感器。

  • 解决建议：

    • 坚固安装： 采用厚重、防震的安装支架，并用高强度螺栓固定。

    • 减震措施： 在传感器安装处加装减震垫或减震弹簧，吸收部分机械振动。

    • 定期校准： 即使有减震措施，仍需定期检查传感器安装状态并进行校准，确保测量基准的准确性。

• 问题：环境强光干扰（如太阳光）

  • 原因及影响： 户外或采光好的厂房中，太阳光中的红外成分可能与激光传感器的信号波长重叠，导致传感器误判或测量结果不稳定。

  • 解决建议：

    • 窄带滤光片： 传感器可配备专用的光学滤光片，只允许特定波长的激光通过，滤除大部分环境杂光。

    • 增加激光功率： 提高传感器发射激光的功率，使得反射信号强度远高于环境光干扰。

    • 安装遮光罩： 在传感器镜头前安装物理遮光罩，防止阳光直射。

    • 避开强光区域： 优化传感器安装位置，避免直接暴露在强烈的太阳光下。

4. 应用案例分享

• 连铸机切割定尺： 在连铸生产线上，高温钢水被铸成连续的板坯或方坯，激光传感器实时测量钢坯的长度，指导飞剪或火焰切割机精确地将钢坯切割成所需长度，大幅减少材料浪费。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器凭借其高精度和快速响应，可以实现对钢坯长度的精确控制。

• 轧钢厂热轧尺寸监控： 在热轧过程中，钢坯在轧机之间高速移动，激光传感器连续监测其长度、宽度和厚度变化，确保轧制过程稳定，产品尺寸符合标准。

• 钢材定尺下料生产线： 对于需要精确长度的钢材产品，激光传感器被用于实时检测成品钢材的长度，确保其在进入切割环节时达到预设的尺寸要求。

• 成品库或半成品库管理： 激光测距传感器可集成到自动化系统中，对不同长度规格的钢坯进行自动分类和计数，提高库存管理的效率和准确性。

在选择高温钢坯长度测量解决方案时，没有绝对的“最佳”选项，只有最适合特定应用需求的方案。务必综合考虑测量精度、范围、速度、环境适应性、成本以及长期维护等因素，选择能够满足自身生产工艺和质量控制要求的测量技术和产品。