如何在1200℃高温恶劣环境下，实现连铸钢坯定尺剪切的毫米级长度测量精度？【自动化解决方案】

在连铸生产线上，精确测量高温钢坯的长度，是实现定尺剪切、优化生产效率和降低材料损耗的关键环节。这不仅要应对钢坯自身的高温（通常在900℃至1200℃甚至更高），还要克服现场复杂的环境干扰，如水蒸汽、氧化铁皮、灰尘以及设备震动等。

1. 连铸钢坯的基本结构与技术要求

连铸钢坯，简单来说，就是从连铸机浇铸出来、尚未经过轧制加工的半成品钢材。它就像一条源源不断、炽热的“面条”，从模具中被拉出，然后经过冷却、矫直，最终被切割成预设长度的段。

结构特征: 钢坯通常有方形、矩形、圆形等截面，表面由于高温氧化会形成一层氧化铁皮，颜色深沉，反射率不高。它以一定的速度在生产线上移动，因此长度测量必须是动态、实时的。

技术要求:* 定尺精度: 这是核心要求，意味着钢坯被剪切后的实际长度要与目标长度高度一致。过短会导致废料，过长则增加后续加工成本。在精益生产中，毫米级的误差都可能带来显著的经济影响，想象一下，如果每一段钢坯都多剪切1厘米，那么在一年成千上万吨的产量中，累积的浪费将非常可观。* 高温适应性: 传感器必须能在钢坯表温高达1000℃甚至1500℃以上的高温环境下稳定工作，并能抵抗由此产生的热辐射干扰。* 环境抗干扰性: 连铸车间烟尘弥漫，水蒸气蒸腾，氧化铁皮随处可见，设备震动也频繁发生。测量系统必须具备强大的抗干扰能力，确保在这些恶劣条件下依然能够准确捕捉钢坯的边缘和位置。* 测量速度: 钢坯在生产线上是连续移动的，传感器需要以足够快的速度进行测量，才能在钢坯达到指定长度时迅速发出剪切指令，避免“跑尺”。

2. 针对连铸钢坯长度的相关技术标准简介

针对连铸钢坯的长度测量，相关的技术标准主要围绕以下几个参数进行定义和评价：

• 定尺长度 (Fixed Length): 这是指根据下游用户或后续轧制工艺要求，连铸钢坯应被剪切成的目标长度。它是一个设计值或指令值。

• 长度偏差 (Length Deviation): 测量剪切后的钢坯实际长度与定尺长度之间的差值。这个偏差可以是正值（实际长度大于定尺）或负值（实际长度小于定尺）。例如，如果定尺是12米，实际剪切出12.005米或11.995米，那么偏差分别是+5毫米和-5毫米。

• 剪切公差 (Cutting Tolerance): 这是一个允许的长度偏差范围。标准会规定在定尺长度下，允许的最大正偏差和最大负偏差。例如，某类钢坯的剪切公差可能是±10毫米，意味着实际长度只要在定尺长度上下10毫米范围内，都认为是合格的。评价时通常通过抽样测量或全线检测，统计偏差落在公差范围内的产品比例。

• 端面平整度 (End Face Flatness): 除了长度本身，剪切面的平整度和垂直度也很重要，它会影响后续加工的质量和效率。虽然不直接是长度测量参数，但精确的长度定位有助于优化剪切过程，间接影响端面质量。评价时通常通过目测或专用工具检测剪切面的光洁度和垂直度。

• 弯曲度 (Straightness): 钢坯的弯曲度也会影响其有效长度和后续加工。虽然长度测量本身不直接检测弯曲度，但在某些高精度应用中，如果钢坯弯曲严重，可能会对长度的“准确定义”和测量带来挑战。评价时通常使用弦高法或整体弯曲度测量。

这些参数的定义和评价方法旨在确保连铸钢坯的尺寸质量符合生产和用户要求，减少废品率，提高生产效益。

3. 实时监测/检测技术方法

连铸钢坯的长度测量是一个充满挑战的工业应用。市面上发展出了多种非接触式测量技术，每种都有其独特的原理和适用场景。

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光时间飞行法 (Laser Time-of-Flight)

这种方法就像我们对着远处的山谷喊一声，然后测量声音传过去再传回来的时间来估算距离。只不过这里用的是速度更快的激光。传感器发射一个激光脉冲，这个脉冲以光速（c）传播，碰到钢坯表面后反射回来，被传感器接收。通过精确测量从发射到接收的“飞行时间” (t)，就可以计算出传感器到钢坯的距离 (D)。

其核心物理基础是光速恒定原理，距离计算公式为：D = (c * t) / 2

其中，c是光速（约3 x 10^8 米/秒），t是激光往返的时间。除以2是因为激光走了去和回两趟路程。

核心性能参数: 这种技术通常能实现长距离测量，典型的测量范围可以从几十米到数百米。精度一般在毫米级别（例如，±1mm到±5mm），重复精度也在此范围。测量频率（或响应速度）可以达到几十赫兹到几百赫兹（例如，200Hz-250Hz），足以应对快速移动的钢坯。

技术方案的优缺点:* 优点: * 测量距离远: 这是其最大的优势，传感器可以安装在远离高温、恶劣环境的地方，有效保护设备。 * 抗干扰能力强: 激光脉冲能量相对集中，配合复杂的信号处理算法，可以在一定程度上穿透稀薄的烟尘和水蒸汽。 * 适用于高温及低反射率表面: 由于是主动发射激光，并且通过时间差计算，对于发红光的高温物体或表面氧化发黑、反射率低的钢坯，只要能接收到足够的回波信号，就能进行测量。 * 非接触式: 避免了对高温钢坯的物理接触，减少了磨损和维护。* 缺点: * 受环境影响: 尽管抗干扰能力强，但如果烟尘、水蒸气过于浓厚，或者存在大量氧化铁皮飞溅，激光信号仍可能衰减严重，影响测量精度甚至导致无法测量。 * 成本考量: 相对于简单的光电开关等，激光测距传感器技术更为复杂，成本通常较高。 * 对表面平整度有一定要求: 如果钢坯表面凹凸不平或有大面积掉块，反射回来的激光信号可能不稳定，影响测量的准确性。

这种技术特别适用于连铸车间需要远距离、高精度测量钢坯定位和长度的场景，传感器可以安装在吊车横梁、厂房立柱等安全区域，对整个生产线的钢坯进行监控。

3.1.2 机器视觉 (Machine Vision)

机器视觉系统就像给生产线安装了一双“慧眼”，它通过工业相机实时捕捉钢坯的图像，然后利用专门的图像处理软件和算法进行分析，从而获取钢坯的长度、宽度，甚至可以同时检测表面缺陷。你可以想象，这就像是用一台高速相机给钢坯拍“写真”，然后电脑通过分析照片上的像素点来量尺寸。

核心性能参数: 性能参数高度依赖于所选用的相机、镜头和图像处理单元。通常会采用高分辨率（例如，5百万像素甚至更高）的图像传感器，以捕捉精细的细节。图像处理速度很快，可以实现每秒处理几十甚至几百帧图像。在理想条件下，可以实现亚像素级的测量精度，远超毫米级别。

技术方案的优缺点:* 优点: * 多参数同时检测: 除了长度，还可以测量宽度、表面缺陷（如裂纹、气泡）等，提供全面的质量控制。 * 高精度: 理论上可以达到极高的测量精度，尤其适用于对尺寸和表面质量有严格要求的钢坯。 * 适应性强: 能够处理形状复杂或表面特性多变的连铸坯。 * 信息丰富: 提供图像数据，便于追溯和分析。* 缺点: * 环境敏感: 对现场光照条件要求较高，高温钢坯自身发出的红光、外部光源波动都可能干扰图像采集。灰尘、水蒸气也可能遮挡视线，影响图像质量。 * 系统复杂性高: 需要专业的图像处理算法和强大的计算平台，系统安装、调试和维护相对复杂，成本也较高。 * 视野限制: 单个相机视野有限，测量长距离的钢坯可能需要多个相机拼接，增加了系统的复杂度和成本。

3.1.3 激光三角测量法 (Laser Triangulation)

激光三角测量法的工作原理有点像我们用尺子测量物体的高度，但这里用的是激光和光学几何原理。传感器发射一束激光，投射到钢坯表面形成一个光点。这个光点被钢坯反射后，通过接收透镜聚焦到传感器内部的位置敏感探测器（如PSD或CMOS传感器）上。当钢坯与传感器的距离发生变化时，光点在探测器上的位置也会随之移动。通过测量这个位置变化，结合固定的基线距离和发射接收角度，就可以利用三角函数关系精确计算出钢坯的位移或距离。

其核心原理基于几何三角关系：tan(theta) = d / L其中，theta是激光发射角，d是光点在探测器上的位移，L是传感器与目标物体基线距离。通过这些已知量和测量量，可以推导出目标物体的距离或位移。

核心性能参数: 这种技术以其极高的测量精度著称，通常在微米甚至亚微米级别（例如，重复精度最高可达0.005微米）。但其测量范围相对较短，通常只有几十毫米到几百毫米（例如，20-200毫米）。采样频率非常高，可以达到几十千赫兹甚至几百千赫兹（例如，392kHz），非常适合高速检测。

技术方案的优缺点:* 优点: * 测量精度极高: 尤其适用于对高精度位移、边缘定位有严苛要求的场合。 * 测量速度快: 极高的采样频率使其能够捕捉到物体微小的动态变化。 * 抗环境干扰能力强: 在其有效测量范围内，对环境光和目标表面颜色变化不敏感，尤其适合表面有颜色变化的物体。* 缺点: * 测量范围短: 这是其主要局限，不适合直接测量数十米长的钢坯整体长度，通常用于精确定位钢坯的某一端部或边缘，然后结合其他方式（如编码器）来推算总长度。 * 需要近距离安装: 传感器必须安装在非常靠近钢坯的位置，这使得它更容易受到高温和物理损伤的威胁。 * 受倾斜角度影响: 钢坯表面的倾斜角度会影响测量精度。

3.1.4 红外热金属检测器 (Infrared Hot Metal Detector)

红外热金属检测器是一种专门为高温工业环境设计的传感器，它不像激光测距那样主动发射激光，而是被动地“感受”钢坯自身发出的红外辐射。当炽热的钢坯进入传感器的视野范围时，它散发出的红外能量会被传感器内部的光敏元件接收并转换为电信号。通过判断这个信号的强弱，就可以精确地判断热金属的到来或离开，从而实现对钢坯边缘的检测和定位。可以把它想象成一个热敏开关，只要有足够热的物体经过，它就会“亮灯”。

核心性能参数: 这种检测器通常检测距离在几十毫米到几百毫米（例如，最高可达700毫米）。最低检测温度通常在300°C以上，以确保只响应热金属。响应时间非常快，通常在毫秒级别（例如，<1ms）。

技术方案的优缺点:* 优点: * 专为高温环境设计: 对灰尘、水蒸气等环境干扰的耐受性强，因为它检测的是目标物体自身发出的热辐射，而不是外部光源的反射。 * 检测可靠性高: 在恶劣环境中也能稳定工作，故障率较低。 * 响应速度快: 能够迅速判断热金属的存在与否。 * 成本相对较低: 相较于复杂的激光测距或视觉系统，红外检测器通常更经济。* 缺点: * 不直接测量长度: 红外热金属检测器只能提供有无热金属的信息，不能直接测量精确的长度或距离。要实现长度测量，通常需要多个检测器配合，或者与编码器等位移传感器结合使用。 * 精度有限: 其精度受限于检测区域的大小和安装位置，难以达到毫米甚至微米级的绝对长度测量精度。 * 无法检测冷态物体: 只能检测达到一定温度阈值的物体，对于冷却后的钢坯则无效。

3.2 市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看市面上一些知名品牌在连铸钢坯长度测量领域提供的解决方案。

• 德国西克 (采用激光时间飞行法) 德国西克在工业传感器领域享有盛誉，其采用激光时间飞行法的传感器如DL100 Hi系列，以其出色的远距离测量能力和在恶劣环境下的可靠性而闻名。这类传感器能够测量最高100米的距离，并保持±1毫米的重复精度，测量频率可达200Hz。它尤其擅长处理连铸现场的高灰尘、蒸汽和高温挑战，适用于需要远距离进行钢坯定位和长度测量的场景。

• 英国真尚有 (采用激光时间飞行法) 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器同样基于激光时间飞行法，在高温和远距离测量方面表现出色。该系列传感器测量范围可达0.05米至500米，精度高达±1mm。特别适用于测量高温物体表面距离，最高可达1550℃，并且对深色等低反射率表面也有良好的适应性，即使在有太阳辐射的户外环境也能可靠工作。同时，具备高达250Hz的测量速度，IP65防护等级，以及-40℃至+60℃的扩展温度范围，使其成为重工业连铸领域中一个坚固且适应性强的选择。该系列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），方便集成到各种工业控制系统中。

• 美国康耐视 (采用机器视觉技术) 美国康耐视专注于机器视觉技术，其In-Sight D900等智能相机系统将图像捕捉与深度学习算法相结合。它不仅仅测量长度，还能同时识别钢坯的边缘、宽度，甚至检测表面缺陷。虽然官方没有统一的核心性能参数，但其高分辨率图像传感器和快速图像处理能力，能够实现亚像素级的测量精度。康耐视的优势在于提供全面的质量控制，适应复杂形状和表面特性的钢坯，但对现场光照和环境清洁度要求相对较高。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量法) 日本基恩士的LK-G5000系列（如LK-G5002）采用激光三角测量法，以其极致的测量精度和高速响应能力著称。它在20-200毫米的测量范围内，可达到最高0.005微米的重复精度和392kHz的采样频率。尽管测量范围较短，但其在超高精度位移、边缘定位方面无与伦比，在连铸行业常用于精确检测钢坯的某一端部位置，配合其他运动传感器实现长度测量。

• 瑞士堡盟 (采用红外热金属检测器) 瑞士堡盟的OADM 20系列等红外热金属检测器，是专为高温环境下的物体存在检测而设计的。它通过感应热金属发出的红外辐射来判断其位置，检测距离可达700毫米，最低检测温度可达300°C，响应时间小于1毫秒。这类传感器的特点是抗灰尘和蒸汽能力强，检测可靠性高，响应速度快。它主要用于精确判断热钢坯的到来或离开，在连铸线上作为触发信号或边缘定位的重要辅助工具，而非直接的长度测量方案。

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

在为连铸定尺剪切选择长度测量设备时，有几个关键技术指标需要深入考量，它们直接影响着测量的准确性、稳定性和系统的可靠性。

• 测量范围: 这是指传感器能够测量到的最大和最小距离。

  • 实际意义: 决定了传感器可以安装的位置。在连铸这种高温、恶劣环境下，如果测量范围足够大（例如数百米），传感器就可以安装在离钢坯很远、环境相对较好的地方，减少高温辐射和机械损伤。如果测量范围太短，传感器必须近距离安装，那就需要更强的防护措施（如冷却装置、防护罩），增加成本和维护难度。

  • 选型建议: 对于需要远距离定位和整体长度测量的连铸定尺剪切，应优先选择测量范围大的激光测距传感器（如激光时间飞行法）。如果只是在非常近的距离上检测钢坯的端面边缘，激光三角测量法等短距离高精度传感器则更有优势。

• 测量精度与重复精度: 测量精度是指测量值与真实值之间的接近程度，重复精度是指多次测量同一目标时结果的一致性。

  • 实际意义: 这直接关系到钢坯剪切的定尺误差。精度越高，剪切出来的钢坯长度就越接近目标值，从而减少废品和材料浪费。想象一下，如果精度只有10毫米，那么每一刀剪切都有可能偏离10毫米，累积起来就会造成很大的损耗。

  • 选型建议: 连铸定尺剪切通常要求毫米级甚至亚毫米级的精度。激光测量精度一般为±1mm~±5mm，优质的系统可以达到更高的精度。应根据工艺对长度公差的要求来选择相应的精度等级。同时，重复精度也至关重要，因为它反映了系统长期稳定工作的能力。

• 测量速度/采样频率: 指传感器每秒能进行多少次测量。

  • 实际意义: 钢坯在生产线上是高速移动的。如果测量速度不够快，传感器可能无法及时捕捉到钢坯的准确位置信息，导致剪切滞后或提前，造成“跑尺”。高速的测量频率能让系统更实时地追踪钢坯的移动，在钢坯到达指定剪切点时立即给出指令。

  • 选型建议: 考虑到连铸坯的移动速度，通常需要测量频率在100Hz以上（如200Hz-250Hz）的传感器，以确保足够的时间分辨率来捕捉精确的剪切点。

• 环境适应性 (高温、防护等级IP): 指传感器在极端温度、潮湿、粉尘等环境下工作的能力。

  • 实际意义: 连铸车间是典型的恶劣工业环境。传感器需要能够承受高温（自身工作温度范围或需配备冷却装置）、抵抗大量水蒸气、灰尘和氧化铁皮的侵蚀。防护等级（如IP65、IP67）决定了传感器防尘防水的能力。

  • 选型建议: 必须选择具有宽温度工作范围、高IP防护等级（至少IP65）的传感器。对于环境温度超过传感器自身允许范围的情况，必须考虑加装冷却水套、空气吹扫装置等防护措施。同时，要关注传感器对高温目标物体的测量能力，有些传感器虽自身耐高温，但对高温目标的反射特性不敏感。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在连铸定尺剪切的实际应用中，即使选择了高性能的传感器，也可能遇到一些棘手的问题，这往往需要综合性的解决方案。

• 问题1: 高温环境导致传感器过热或内部组件老化。

  • 原因及影响: 连铸坯的高温辐射、周围环境的高温气体，都可能使传感器内部温度升高，导致电子元件性能下降，测量数据漂移，甚至烧毁传感器。

  • 解决建议:

    • 冷却外壳/水套: 这是最常见的解决方案。为传感器配备带有水冷或空冷功能的外壳，通过循环水或压缩空气带走热量，将传感器保持在适宜的工作温度。

    • 空气吹扫: 引入洁净压缩空气对传感器表面（特别是光学窗口）进行吹扫，除了能冷却，还能防止灰尘和氧化铁皮附着，保持光学通路清晰。

    • 优化安装位置: 尽可能将传感器安装在离热源较远、受辐射影响较小的位置，或者利用挡板、隔热材料等进行物理隔断。

• 问题2: 蒸汽、灰尘、氧化铁皮等环境干扰影响测量精度。

  • 原因及影响: 连铸车间常有大量蒸汽、金属粉尘和氧化铁皮飞溅。这些悬浮颗粒会散射或吸收激光信号，导致回波信号减弱甚至丢失，从而影响测量的准确性和稳定性。

  • 解决建议:

    • 强激光光源: 选择发射功率更高、光束更集中的激光传感器，其信号穿透力更强。

    • 空气吹扫装置: 在传感器光学窗口前持续吹扫洁净空气，形成一道“气幕”，有效阻挡灰尘、蒸汽和飞溅物。

    • 算法补偿: 传感器内部的信号处理算法可以对因环境干扰导致的信号衰减进行一定程度的补偿和优化。

    • 定期清洁维护: 定期检查并清洁传感器的光学窗口，清除附着的污垢。

• 问题3: 钢坯表面氧化、不平整或掉块，影响激光反射效果。

  • 原因及影响: 钢坯表面在高温下会迅速氧化形成黑色的氧化铁皮，其反射率较低且不均匀。如果表面凹凸不平或有部分氧化皮脱落，会导致激光反射信号不稳定，甚至发生镜面反射或漫反射不足，使传感器难以准确捕捉。

  • 解决建议:

    • 选择对表面特性不敏感的传感器: 例如，某些激光测距传感器采用了更先进的信号处理技术，能够更好地处理低反射率或粗糙表面的回波信号。机器视觉系统则通过图像处理算法来补偿这些影响。

    • 多点测量或平均算法: 如果钢坯表面存在局部不平整，可以通过在钢坯边缘区域设置多个测量点进行采样，然后通过平均值或滤波算法来提高测量结果的鲁棒性。

    • 调整传感器角度: 适当调整传感器的安装角度，避免激光垂直入射到可能发生镜面反射的区域，或选择一个能获得更稳定漫反射信号的角度。

• 问题4: 设备震动导致测量数据不稳定。

  • 原因及影响: 连铸机和剪切设备在运行过程中会产生震动，这种震动会传递到传感器，导致传感器自身位置的微小晃动，从而引起测量数据的波动。

  • 解决建议:

    • 抗震支架: 传感器应安装在坚固、稳定的抗震支架上，以隔离或减弱来自设备的震动。

    • 数据滤波: 在软件层面引入滤波算法（如移动平均、卡尔曼滤波等），对原始测量数据进行平滑处理，去除短时震动引起的毛刺。

    • 测量周期优化: 在震动相对较小的瞬间进行测量或在较长周期内取多次测量结果的平均值。

4. 应用案例分享

• 连铸方坯/板坯定尺剪切: 在连铸生产线上，激光测距传感器被广泛用于实时监测热钢坯的运行长度，当钢坯达到预设长度时，系统会精确触发液压剪或火焰切割器进行剪切，确保每一段钢坯都符合定尺要求，减少废料。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，凭借其在高温环境下的稳定性和高精度，能够胜任这类应用。

• 热轧生产线材长度控制: 在热轧车间，轧制后的钢材同样需要在高温下进行精确剪切。激光测距传感器或机器视觉系统可以监测高速移动的板材或线材的长度，确保其在进入冷却床或后续加工前符合长度标准。

• 钢材生产线定位与防碰撞: 除了长度测量，这些传感器还可以用于钢坯、钢卷的精确定位，比如在堆垛、转运、装卸过程中，防止设备与高温钢材发生碰撞，保障生产安全和设备完好。