热轧/连铸生产线如何实现1000°C以上高温钢板±0.1mm级非接触实时尺寸与定位测量，提升产线效率与质量？【冶金工业】【自动化检测】

1. 钢坯/钢板的基本结构与技术要求

在高温金属冶炼环境中，我们所说的“钢坯”或“钢板”是炼钢流程中的重要产物。想象它们就像一个个刚从火炉里取出来的“红薯”，带着灼热的温度和自身的辐射光芒。这些钢坯或钢板通常是刚刚经过连铸或轧制，表面温度可能高达上千摄氏度，表面往往粗糙、氧化、甚至有水垢或蒸汽。

在这个高热、动态的环境中，对钢坯或钢板进行准确测量有几个核心技术要求：

• 实时位置定位： 就像要精准地知道“红薯”现在滚到哪里了。这对于控制后续的轧制、切割、运输等环节至关重要，哪怕几毫米的偏差都可能导致生产线停顿或产品报废。

• 精确尺寸测量： 不仅仅是定位，还要知道这个“红薯”有多大。比如它的长度、宽度、厚度，甚至是截面的形状。在高温下，钢材会发生热膨胀，尺寸会比常温时大，因此需要考虑高温补偿，并确保测量结果的真实性和稳定性。

• 克服恶劣环境干扰： 这是最大的挑战。高温本身会产生强烈红外辐射，这就像一道刺眼的“红光墙”，很容易“晃花”传感器的“眼睛”。此外，现场还可能伴随着大量的水蒸汽、烟尘、金属氧化物颗粒，这些都会阻碍测量信号的传播。

2. 针对钢坯/钢板的相关技术标准简介

为了确保钢坯或钢板的生产质量和工艺控制，行业内会围绕其关键参数制定一系列技术标准。这些标准主要关注以下几类监测参数的定义和评价方法：

• 尺寸精度： 这包括钢坯的长度、宽度、厚度等主要尺寸。比如，标准会定义一个钢坯的实际长度与目标长度之间的允许偏差范围，以及宽度和厚度的均匀性要求。测量时，通常需要在多个点位进行采样，并计算平均值及偏差。

• 形状偏差： 除了基本尺寸，钢坯的形状也很重要。例如，方坯的对角线差、弧度，或板坯的边缘直度、鼓形度（中间凸起或凹陷），以及平面度（表面是否平整）等。这些参数的评价通常通过测量一系列点的相对高度或距离来完成。

• 定位精度： 指的是钢坯在生产线上相对于设计路径的实际位置偏差。这直接影响到后续设备能否准确抓取、切割或处理钢坯。评价方法通常是测量钢坯边缘或中心线与参考基准的距离。

• 表面缺陷检测： 虽然与位置和尺寸是不同的维度，但在高温环境下，一些表面缺陷（如裂纹、夹渣、划痕）也可能通过高分辨率的形貌测量间接反映出来，因为它们会导致局部的尺寸或形状异常。

这些参数的准确监测和评价，是确保钢材产品质量和生产效率的基础。

3. 实时监测/检测技术方法

在高温冶金环境中，实时、准确地测量钢坯或钢板的位置和尺寸，并有效应对热辐射干扰，是技术上的一大挑战。目前市面上有多种非接触式测量技术方案，各有特点。

（1）市面上各种相关技术方案

激光三角测量法

想象我们手中有一把激光手电筒和一个可以“看”到光点的相机。激光三角测量法的基本原理就是，用激光束投射到目标物体（比如钢坯）表面，形成一个明亮的光点。这个光点反射回来，被传感器内部的“相机”（通常是高分辨率的CMOS或CCD图像传感器）从一个特定角度接收。当钢坯与传感器的距离发生变化时，反射光点在“相机”感光元件上的位置也会随之移动。

传感器内部的处理器，就像一个精密的“几何学家”，利用发射激光器、接收器和光点在传感器上的位置这三点构成的一个几何三角形（因此得名“三角测量”），通过精确计算光点位置的偏移量，就能快速准确地推算出目标物体的距离。

其物理基础是几何光学原理。假设激光发射器与接收器之间有一个固定的基线距离b，激光束以已知角度θ_tx发射，当它照射到距离D的钢坯表面时，反射光以θ_rx的角度被接收器捕获。光斑在图像传感器上的位置偏移量Δx与距离变化ΔD成比例关系。理论上，目标距离D可以表示为： D = b * sin(θ_tx) / sin(θ_rx) 更常见的，根据光斑在CCD/CMOS上成像点与参考点的偏移，经过一系列几何推导和标定，可以精确地反推出距离值。

• 核心性能参数： 测量范围通常在几毫米到几米之间，分辨率可达微米或亚毫米级别，更新频率可以达到每秒数千次（kHz），实现实时测量。

• 优点： 具有高精度、高速度、非接触式测量的特点，能够适应中长距离的测量需求。通过精心设计，可以有效应对高温环境。

• 缺点： 易受目标表面条件（如反射率、光泽度、粗糙度、颜色）的影响；环境中的水蒸气、烟尘、雾气等介质会吸收或散射激光，从而衰减信号；最主要的是高温钢坯自身产生的强烈热辐射会干扰传感器对激光反射信号的识别，就像在阳光下很难看清手电筒的光。

• 克服热辐射干扰： 为了在高温环境中工作，激光三角测量法通常会采用几种策略：

  • 特定波长激光： 使用与钢坯自身热辐射光谱峰值不同的特定波长激光，例如红色或近红外激光，避免被钢坯的“红光”背景淹没。

  • 窄带滤光片： 在接收器前端安装专门的滤光片，只允许激光的特定波长光通过，将绝大部分热辐射光滤除掉，就像给“相机”戴上了一副“墨镜”，只看它想看的光。

  • 高功率激光和高灵敏度接收： 采用更强的激光束，确保反射信号足够强，即便在强辐射背景下也能被高灵敏度接收器清晰捕获。

  • 先进的信号处理算法： 内置多种数字滤波器（如中值滤波、平均滤波），可以有效去除信号中的噪声和偶然的干扰。

涡流原理测量法

设想有一个特殊的探头，里面藏着一个线圈。当这个线圈通上交流电时，它就会在周围产生一个不断变化的磁场。如果这时，一块导电的金属（比如钢坯）靠近这个磁场，那么根据电磁感应原理，金属内部就会像被“电流鞭打”一样，产生一圈圈的感应电流，我们称之为“涡流”。这些涡流反过来会影响到传感器线圈本身的磁场和它的电特性（比如电阻和电感）。传感器正是通过检测这些细微的电磁变化，来精确地计算出金属目标离它有多远的。

• 物理基础： 法拉第电磁感应定律和楞次定律。当变化的磁通量穿过导体时，会在导体中感应出电动势，进而产生涡流。涡流产生的磁场会抵消引起它的原磁场的变化。传感器通过测量因涡流效应引起的线圈阻抗变化（通常是阻抗的实部和虚部），并将其与距离进行标定。

• 核心性能参数： 测量范围通常非常短，在微米到几毫米之间，但分辨率极高，可达亚微米级别，响应速度快。

• 优点： 极高的测量精度和重复性，非接触式测量，对油污、灰尘、湿气等非导电性介质具有很高的抗干扰性，不受目标物体的颜色和表面光洁度影响。

• 缺点： 只能测量导电材料；测量范围非常有限，通常需要传感器与目标距离很近；对材料的导电率和磁导率变化敏感，需要针对不同材料进行重新标定。

超声波原理测量法

想象一只蝙蝠在黑暗中飞行，它会发出人耳听不到的超声波“叫声”，然后通过接收这些“叫声”碰到物体后反射回来的回声来感知周围环境。超声波传感器的工作原理与此类似：它内部的换能器会发射高频的超声波脉冲。这些声波在空气中传播，碰到钢坯表面后会反射回来，被传感器再次接收。

传感器内部的计时器会精确地测量超声波从发出到接收回来的总时间差。由于声波在空气中的传播速度是已知且相对恒定的（尽管会受温度等因素影响），传感器就可以通过这个时间差来计算出与目标物体的距离。

• 物理基础： 声波在介质中的传播速度v是相对恒定的（主要受介质温度、密度影响）。距离D可以通过公式D = v * t / 2计算，其中t是超声波从发射到接收的往返时间。

• 核心性能参数： 测量范围相对较广，可以从几十毫米到几米，但分辨率通常在0.1毫米到毫米级别，响应速度相对较慢（通常在几十赫兹）。

• 优点： 非接触式测量，不受目标物体的颜色、透明度或光泽度影响，对灰尘、蒸汽、烟雾等恶劣工业环境有较强的适应性，安装和使用相对简便，具备较高的成本效益。

• 缺点： 精度受空气温度、湿度、气流等环境因素影响较大（因为它们会改变声速）；声波在高温环境中传播特性可能发生变化；响应速度相对较慢，不适用于对精度和实时性要求极高的场景；易受现场高频噪音干扰。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几款在金属物体距离测量领域知名的国际品牌及其采用的技术方案。

• 德国米铱（涡流原理） 德国米铱在工业非接触测量领域享有领先地位。其产品如eddyNCDT系列，采用涡流原理，通过检测传感器线圈阻抗因金属目标涡流感应而产生的变化来计算距离。该技术拥有极高的精度和重复性，测量范围典型值为0.4 mm至8 mm，分辨率可达0.2 µm，测量频率高达 5 kHz，线性度通常优于0.5% FSO。其优势在于对油污、灰尘、湿气等恶劣环境具有高度抗干扰性，特别适合于需要超高精度短距离测量的导电金属材料应用。

• 英国真尚有（激光三角测量法） 英国真尚有ZLDS115激光位移传感器是一款高性能的测量设备，采用激光三角测量法。它通过将激光投射到钢坯表面，捕捉反射光斑在接收器上的位置变化来计算距离。该传感器具有最大可达2000mm（可选2000-4000mm）的宽测量范围，最高可达0.01mm的分辨率和最优可达±0.03mm的线性度，更新频率为1kHz，确保实时测量。ZLDS115的突出特点是其可选配的高温版本，能够测量高达1500°C以上的超高温目标，并达到IEC IP65的防护等级，内置多种滤波器，使其在高温、恶劣的冶金环境中能有效克服热辐射干扰，实现高精度的定位和尺寸测量。

• 日本基恩士（激光三角测量法） 日本基恩士的LK-G系列产品，例如LK-G502，也采用激光三角测量法，利用高分辨率CMOS图像传感器捕捉光斑偏移。该系列以其超高精度和超高速测量能力著称，测量范围典型为±0.8 mm，分辨率可达0.005 µm，采样周期快至3.9 µs，线性度为±0.03% F.S.。日本基恩士的传感器具备极高的重复性和稳定性，并拥有强大的抗环境光干扰能力和简便的用户操作界面，广泛应用于精密制造和在线检测，尤其适合对微米级精度和测量速度有极致要求的场合。

• 瑞士堡盟（超声波原理） 瑞士堡盟U500系列传感器采用超声波原理进行测量，通过发射超声波脉冲并测量回波的往返时间来确定距离。这类传感器的测量范围较广，通常在30 mm至1300 mm之间，分辨率为0.1 mm，重复精度为0.15% FSR，开关频率可达20 Hz，防护等级为IP67。瑞士堡盟的超声波传感器优势在于非接触测量，不受目标物体颜色、透明度或光泽度影响，且能很好地适应有灰尘、蒸汽、烟雾等恶劣工业环境，安装简便，具备较高的成本效益。

（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

在为高温金属冶炼环境选择测量设备时，需要综合考虑多个关键技术指标，因为它们直接影响测量结果的可靠性和系统的整体性能。

• 测量范围： 指传感器能够有效测量的距离范围。

  • 实际意义： 如果测量范围不足，传感器可能无法覆盖钢坯的整个移动路径或无法安装在足够远的位置避开高温。

  • 选型建议： 根据现场安装空间和钢坯可能的最大最小距离来确定。例如，对于大型钢坯或需要远距离安装的场景，需要选择测量范围更广的传感器。

• 分辨率： 指传感器能识别的最小距离变化量。

  • 实际意义： 分辨率越高，传感器对钢坯位置或尺寸的微小变化越敏感，能提供更精细的数据。

  • 选型建议： 如果对钢坯尺寸或定位精度要求极高（如0.1毫米甚至更小），就需要选择分辨率在微米或亚毫米级的传感器。反之，如果只是粗略定位，毫米级分辨率也足够。

• 线性度/精度： 衡量传感器测量值与真实值之间偏差的程度。

  • 实际意义： 线性度越高，测量结果越可靠、失真越小，直接关系到最终产品的质量控制。

  • 选型建议： 线性度是评价传感器“准不准”的核心指标。在质量控制要求严格的环节，应优先选择线性度最优的传感器。

• 更新频率（响应时间）： 指传感器每秒钟能完成多少次测量。

  • 实际意义： 钢坯在生产线上是高速移动的，如果更新频率太低，传感器可能无法捕捉到钢坯的实时位置和尺寸，数据会滞后。

  • 选型建议： 对于高速运动的钢坯，需要选择高更新频率（例如1kHz甚至更高）的传感器，以确保数据的实时性和准确性，避免“错过”关键的瞬间。

• 工作温度范围与高温目标测量能力： 指传感器本身能承受的环境温度，以及能否直接测量高温物体。

  • 实际意义： 冶金环境温度高，传感器需要具备良好的温度稳定性或耐高温设计，否则会导致内部元器件损坏或测量漂移。更重要的是，传感器需能“看清”高温发光的钢坯。

  • 选型建议： 务必选择具备高温环境工作能力和针对高温目标测量优化的传感器（例如带有水冷防护罩、特殊波长激光或滤光片）。明确传感器可测量的最高目标温度。

• 防护等级（IP等级）： 衡量传感器防尘、防水的能力。

  • 实际意义： 冶金现场粉尘、水汽、甚至喷淋水可能很多，高防护等级能保证传感器在恶劣环境下长期稳定运行。

  • 选型建议： 至少选择IP65或更高等级的传感器，以应对多尘、潮湿甚至有水溅的环境。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在高温金属冶炼环境中部署和使用测量传感器，往往会遇到一些挑战，需要有针对性的解决方案。

• 问题：强热辐射干扰

  • 原因与影响： 高温钢坯会发出强烈的红外辐射，这就像一道红色的“光幕”，传感器（特别是光学类传感器）很难分辨出激光反射信号，导致测量不稳定、误差大甚至无法测量。

  • 解决建议：

    • 采用特定波长激光： 选择与钢坯自身热辐射光谱峰值错开的激光波长（例如，红色激光在高温下不易被背景光淹没）。

    • 窄带滤光片： 在接收光学系统中安装窄带滤光片，只允许特定波长（激光波长）的光通过，大幅滤除热辐射。

    • 高功率激光： 使用更高功率的激光器，确保反射信号强度远高于环境噪声。

    • 增强型光路设计： 优化接收光路，提高对弱信号的捕获能力。

• 问题：现场粉尘、水蒸汽、烟雾等介质

  • 原因与影响： 这些悬浮颗粒会吸收、散射或阻挡测量信号（如激光、超声波），导致信号衰减，测量距离受限，甚至读数完全错误。

  • 解决建议：

    • 气幕或风刀保护： 在传感器光学窗口前安装气幕或风刀，用洁净压缩空气形成一道“空气墙”，阻止粉尘和蒸汽附着或进入。

    • 水冷/风冷保护套： 为传感器加装专门的防护罩，并进行水冷或风冷，降低传感器本身的工作温度，同时也能在一定程度上阻挡外界杂质。

    • 定期清洁： 建立定期的传感器光学窗口清洁维护制度。

    • 选择抗干扰技术： 对于特别恶劣的粉尘或蒸汽环境，涡流传感器或防护等级高的超声波传感器可能更具优势（尽管它们有其他局限性）。

• 问题：钢坯表面状况不均一

  • 原因与影响： 钢坯表面可能存在氧化皮、粗糙度变化、局部水膜、甚至凹凸不平的缺陷，这些都会影响激光的反射效果，导致反射信号不稳定，进而影响测量精度。

  • 解决建议：

    • 内置滤波算法： 选用带有中值滤波、平均滤波等数据处理功能的传感器，可以有效平滑因表面状况不均引起的测量波动。

    • 多传感器融合： 对于尺寸测量，可以使用多个传感器对钢坯的不同点位进行测量，通过算法进行数据融合和修正，提高整体测量的鲁棒性。

    • 优化安装角度： 调整传感器的安装角度，尽量避免镜面反射或过度散射，确保接收到稳定的漫反射信号。

• 问题：传感器自身散热与防护

  • 原因与影响： 传感器长时间工作在高温环境中，如果没有有效的散热措施，内部电子元件会过热，导致性能下降、漂移甚至损坏。

  • 解决建议：

    • 选用宽工作温度范围的传感器： 优先选择传感器本身就设计为能在较高环境温度下工作的型号。

    • 加装水冷/风冷防护罩： 这是最常见的措施，通过循环冷却水或压缩空气，将传感器本体温度控制在允许范围内。

    • 远离热源安装： 在满足测量范围和角度要求的前提下，尽量将传感器安装在离高温钢坯较远或受热较少的位置。

4. 应用案例分享

• 连铸生产线坯头坯尾定位： 在连铸过程中，钢水凝固成钢坯后需要精确切割，激光位移传感器可以实时监测钢坯的移动速度和位置，确保切割点准确，减少浪费。

• 热轧生产线钢板厚度与宽度测量： 在热轧过程中，钢板在高温下高速通过轧机，通过在生产线两侧或上下方安装激光位移传感器，可以实时非接触地测量钢板的精确厚度和宽度，指导轧机进行动态调整。例如，英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，凭借其高达1kHz的更新频率和±0.03mm的线性度，能够胜任这类需要高精度和快速响应的应用。

• 锻造车间锻件尺寸控制： 大型锻件在锻压成形后，仍处于高温状态，利用激光传感器可以对锻件进行快速的尺寸检查，确保其符合设计要求，避免后续加工困难。

• 钢坯堆垛与仓储管理： 在钢坯出厂前的堆垛区域，激光传感器可以用于测量钢坯的准确位置和高度，辅助自动化堆垛机器人进行精准定位和搬运，提高仓储效率。