面对1500℃高温、粉尘蒸汽等恶劣环境，如何精准实现钢坯±1mm定位与在线尺寸检测？【冶金自动化】

基于高温钢坯的基本结构与技术要求

在钢铁冶金行业，钢坯是介于液态钢水和最终轧制产品（如钢板、型材）之间的半成品。想象一下，就像是刚出炉还没完全成型的“钢砖”。这些钢坯通常呈矩形或方形，在连铸、加热、轧制等多个工序中流动。

对高温钢坯进行定位和追踪，其基本要求围绕着几个核心要素：

• 尺寸与形状一致性： 钢坯的长度、宽度、厚度，以及表面平整度、弯曲度等几何参数，直接影响后续轧制产品的质量。在生产过程中，我们需要知道这些参数是否达标，以及它们的位置是否准确。

• 高温特性： 钢坯的温度通常在800℃到1200℃甚至更高，最高可达1550℃。这意味着任何接触式测量方式都不可行，传感器必须是非接触的，并且能够承受环境热辐射，甚至要能“透过”钢坯自身发出的强烈红光进行测量。

• 运动状态： 钢坯在生产线上是连续移动的，速度可快可慢，有时还会加速、减速或停止。因此，定位和追踪必须是实时的，能够快速响应钢坯的动态变化。

• 恶劣环境： 钢铁生产现场充满了高温、蒸汽、粉尘、振动、电磁干扰等，这要求传感器及其防护系统具备极高的工业防护等级和环境适应性。

• 定位精度： 不同的工序对定位精度有不同要求。例如，在定尺切割环节，可能需要毫米级甚至亚毫米级的精度，以确保切出合格的长度；而在物流路径跟踪中，厘米级精度可能就足够了。

针对高温钢坯的相关技术标准简介

在钢铁生产中，对高温钢坯的监测参数主要关注其几何尺寸、位置以及表面状态。这些参数的定义和评价方法，是衡量钢坯质量和控制生产过程的关键。

• 钢坯尺寸精度： 这指的是钢坯的长度、宽度、厚度等实际测量值与设计目标值之间的偏差。例如，连铸后的钢坯长度是否符合后续轧机的要求，通常通过测量钢坯端部的准确位置来确定其总长度。评价方法一般是测量多点数据，与理论值进行比对，计算其最大偏差、平均偏差等。

• 钢坯位置度： 指的是钢坯在生产线上的实际位置（如中心线、边缘）与预设基准位置之间的偏移量。比如，钢坯在进入轧机前，是否精确地对准了轧辊中心，这直接影响轧制过程的稳定性和产品的质量。评价时会设定一个允许的偏差范围，如果超出则认为位置不合格。

• 钢坯运行速度： 监测钢坯在生产线上移动的速度，是控制生产节奏、优化工艺流程的重要参数。通过连续测量钢坯在不同时间点的位置，可以计算出其瞬时速度。

• 钢坯表面平整度/弯曲度： 衡量钢坯表面是否平直，是否存在翘曲或弯曲变形。这对于后续的轧制和产品质量至关重要。通常通过多点或线扫描的方式，获取钢坯表面的三维轮廓数据，然后与标准模型进行比较来评价。

实时监测/检测技术方法

1. 市面上各种相关技术方案

在高温钢坯的实时定位和追踪方面，市面上有多种非接触式测量技术方案，它们各有特点，适用于不同的应用场景。

激光测距技术 (Time-of-Flight & Phase-Shift)

这种技术就像是给物体发出一道“光信号”，然后等待“回音”。它通过测量激光从传感器发射出去，碰到高温钢坯表面反射回来，再被传感器接收到的时间或相位变化来计算距离。

• 工作原理与物理基础：

  • 飞行时间法 (Time-of-Flight, TOF)： 传感器会发射一个短暂的激光脉冲，这个脉冲以光速（约每秒30万公里）传播到钢坯表面，然后反射回传感器。传感器内部有一个高精度计时器，精确测量从发射到接收的总时间。 距离 (D) 的计算公式为：D = (c * t) / 2 其中，c 代表光速，t 代表激光脉冲的往返时间。这里的“/2”是因为激光走的是一个往返的路程。 想象一下，你对着一个远处的物体喊一声，然后测量你听到回声的时间。时间越长，物体就越远。激光测距仪就是利用这个原理，只不过它发出的不是声音，而是速度更快、方向性更好的激光。

  • 相位法 (Phase-Shift)： 与TOF不同，相位法并不是测量脉冲的飞行时间，而是发射一束经过高频调制（比如强度周期性变化）的连续激光束。当这束光到达钢坯表面并反射回来时，由于传播了一段距离，它回到传感器时的相位会相对于发射时的相位产生一个滞后（就像波浪在海面上传播，越远的地方波峰到达的时间就越晚）。通过测量这个相位滞后量，就可以非常精确地计算出距离。 距离 (D) 的计算公式为：D = (c / (4 * pi * f)) * Delta_phi 其中，c 仍是光速，f 是激光的调制频率，Delta_phi 是测量到的相位差。

• 核心性能参数：

  • 测量范围： 从几十毫米到数百米。

  • 精度： 激光测距的精度通常在毫米级，部分高端型号可达亚毫米级。

  • 测量速度： 测量速度可达到数百赫兹（Hz），实现快速实时监测。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 长距离测量： 适合远离高温环境进行测量，确保人员和设备安全。

    • 高精度与高速度： 能满足钢坯精确定位和快速移动的追踪需求。

    • 非接触式： 避免了高温对传感器的损害和磨损。

    • 抗干扰能力强： 现代激光测距传感器通常会采用窄带滤波、高动态范围接收器和先进的信号处理算法，以有效抑制高温钢坯自身发出的强烈红外辐射，以及烟尘、蒸汽对光路的影响，确保测量准确性。有些产品专门设计用于深色或低反射率表面测量。

  • 局限性：

    • 环境挑战： 极端浓厚的烟雾或蒸汽仍可能衰减激光信号，影响测量稳定性。

    • 表面特性： 虽然抗干扰能力强，但对于镜面反射或极端粗糙、多孔的表面，仍可能对测量效果有影响。

  • 成本考量： 相对其他高精度光学测量技术，激光测距传感器在性能和成本之间取得了较好的平衡，是工业领域应用广泛的选择。

光谱共焦测量技术

想象一下，你有一束彩色的光，通过一个特殊的眼镜，只有特定颜色的光能在特定距离上看得最清楚。光谱共焦技术就是利用这个原理。

• 工作原理与物理基础： 传感器发射一道白光，这束光通过一个特殊的多镜片光学系统后，会因为不同波长的光（不同的颜色）聚焦在不同的距离上。当这束光投射到钢坯表面时，只有恰好聚焦在钢坯表面的那个波长的光会被反射回来。这些反射光通过一个针孔光阑，由光谱仪分析出其波长。由于每个波长都对应一个确定的聚焦距离，因此通过检测到的波长就能知道钢坯的精确距离。

• 核心性能参数：

  • 测量范围： 通常非常短，毫米级。

  • 精度： 极高，可达亚微米级，分辨率纳秒级。

  • 测量速率： 高达10 kHz。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率，几乎不受被测物体表面颜色、反射率和材料类型影响。

  • 局限性： 测量范围非常短，通常不适用于长距离的钢坯宏观定位，更适合微观表面形貌或微小位移的检测。

  • 成本考量： 通常较高，是高端精密测量的选择。

调频连续波（FMCW）雷达技术

这就像你用一个特殊的雷达去探测物体，它不是简单的“滴”一声然后听回波，而是像广播一样持续不断地改变频率发射信号。

• 工作原理与物理基础： 雷达传感器发射频率连续变化的微波信号（FMCW）。信号以光速传播到钢坯表面，反射回来后被传感器接收。由于发射信号的频率一直在变化，所以接收到的反射信号会和当前正在发射的信号有一个频率差。这个频率差与信号传播的时间成正比，从而可以精确计算出到固体表面的距离。 频率差 (Δf) = (2 * R * df/dt) / c 其中，R 是距离，df/dt 是发射信号的频率变化率，c 是光速。

• 核心性能参数：

  • 测量范围： 可达数十米。

  • 精度： 毫米级，在恶劣环境下表现稳定。

  • 过程温度： 传感器本身可承受高达200℃甚至更高的环境温度。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极强的环境适应性，不受粉尘、蒸汽、温度变化和压力等恶劣环境因素的影响，测量可靠性高。非接触、免维护。

  • 局限性： 测量精度通常不如激光测距高，特别是对于需要亚毫米级的精确定位。波束角相对较大，可能在某些精细定位场景下受到限制。

  • 成本考量： 中等偏高。

线激光三角测量技术

想象一下，你用一把激光尺画一条线在钢坯上，然后从一个角度用相机拍下这条线。通过这条线的形状变化，你就能知道钢坯的精确轮廓和位置。

• 工作原理与物理基础： 传感器发射一道线状激光束投射到目标物体表面。由于激光器、接收镜头和CMOS图像传感器（类似于数码相机芯片）之间的几何关系是固定的，当钢坯表面的位置或形状发生变化时，反射回来的激光线在CMOS传感器上的位置也会随之变化。通过精确计算CMOS传感器上光点的位置，并利用三角函数原理，就能推算出目标物体与传感器之间的距离和轮廓。 距离 (Z) = (f * L) / (X + f * tan(theta)) 其中，f 是镜头焦距，L 是基线长度（激光器到接收镜头的距离），X 是CMOS上的光点位置，theta 是激光器发射角度。

• 核心性能参数：

  • 测量范围： 通常为几十毫米到几百毫米，适用于中短距离。

  • 重复精度： 极高，可达微米级。

  • 采样速度： 非常快，可达数十千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和采样速度，可进行2D轮廓或3D形状检测，适用于高速在线检测和复杂形状的监测。

  • 局限性： 测量范围相对较短，对测量角度、表面反射率和环境光照有一定要求。高温钢坯的自发光可能会对激光线造成干扰，需要特殊的滤波和信号处理技术。

  • 成本考量： 较高。

2. 市场主流品牌/产品对比

这里我们对比几家在高温固体位置监测领域有代表性的品牌及其技术方案。

• 德国米克朗

  • 采用技术： 光谱共焦测量技术。

  • 核心技术参数： 测量范围极短，通常在毫米级（例如2 mm），但能提供极高的精度（线性度±0.4 µm，分辨率0.008 µm），测量速率高达10 kHz。传感器头工作温度可达+200°C，并可定制更高温度版本。

  • 应用特点和独特优势： 在微米级高温固体位置监测领域表现出色，其非接触测量方式几乎不受物体表面颜色、反射率和材料类型影响，非常适合对表面质量要求极高的精密部件进行在线检测。

• 英国真尚有

  • 采用技术： 激光测距技术。

  • 核心技术参数： 测量范围0.05至500m，测量速度高达250Hz，精度±1mm。可测量高达1550℃的高温物体表面距离，工作温度范围为-40℃至+60℃，并可配备冷却外壳用于更高环境温度。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）。

  • 应用特点和独特优势： 适用于重工业和户外应用，能够处理深色表面（低反射率）测量，即使在有太阳辐射的室外也能保证准确度。其长距离、高精度和耐高温特性使其成为钢铁行业钢坯定位和追踪的理想选择，能在恶劣环境下提供稳定可靠的距离数据。

• 美国菲力尔

  • 采用技术： 红外热成像技术。

  • 核心技术参数： 红外分辨率464 x 348像素，测量温度范围广（-20°C至2000°C），热灵敏度小于30 mK，帧频30 Hz，防护等级IP66。

  • 应用特点和独特优势： 完全非接触式，可在安全距离外对极高温固体进行广域监测，提供大面积、全场范围的温度分布和大致位置信息。虽然主要用于温度测量，但通过分析热图像中的高温区域，也能实现对高温固体的存在和大致移动的监控，适用于宏观监控和异常检测。

• 瑞士恩德斯豪斯

  • 采用技术： 调频连续波（FMCW）雷达技术。

  • 核心技术参数： 测量范围可达40m，精度可达±1mm，工作温度范围广（-40°C至+200°C），频率80 GHz，防护等级IP66/IP67。

  • 应用特点和独特优势： 非接触式测量，极强的环境适应性，不受粉尘、蒸汽、温度变化和压力等因素影响，特别适用于料位监测等连续在线监测场景，在高粉尘、高蒸汽的钢铁环境中表现出高可靠性。

• 日本基恩士

  • 采用技术： 线激光三角测量技术。

  • 核心技术参数： 测量范围通常在几十毫米（例如Z轴20 mm，X轴24 mm），重复精度极高（Z轴0.5 µm），采样速度高达64 kHz，防护等级IP67。

  • 应用特点和独特优势： 能够进行高精度的2D轮廓或3D形状测量，适用于高速在线检测和批量监测高温固体的精确位置和表面形状。在需要获取钢坯详细几何信息和表面缺陷检测时，具有独特优势。

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

选择用于高温钢坯定位和追踪的传感器并非简单，需要综合考虑多个技术指标。

• 测量范围： 这指的是传感器能够有效测量的最小和最大距离。

  • 实际意义： 决定了传感器需要安装在距离钢坯多远的位置。如果测量范围太短，传感器可能离钢坯太近，容易受高温损坏；如果太长，可能无法满足精度要求。

  • 选型建议： 对于连铸、初轧等钢坯尺寸大、移动距离长的宏观定位场景，应选择测量范围广的激光测距或雷达传感器。而对于定尺切割、表面形貌检测等微观或近距离的精确测量，则可考虑测量范围较短但精度更高的线激光或光谱共焦传感器。

• 测量精度/重复精度： 衡量传感器测量结果与真实值之间的误差大小，以及多次测量同一目标时结果的一致性。

  • 实际意义： 直接决定了定位的“准”不准。例如，±1mm的精度意味着测量值可能与实际值有1毫米的偏差。重复精度则反映了传感器在相同条件下持续稳定测量的能力。

  • 选型建议： 对于需要毫米级甚至亚毫米级定位（如精确切割、对接）的工序，必须选择高精度的激光测距、线激光或光谱共焦传感器。而对于仅需大致位置判断（如区域存在性检测）的场景，精度要求可适当放宽。

• 测量速度/响应频率： 指传感器每秒能够完成多少次测量。

  • 实际意义： 决定了传感器捕捉钢坯动态变化的能力。如果钢坯移动速度快，传感器测量速度慢，就会导致定位滞后，甚至漏测。

  • 选型建议： 钢坯在轧制线上往往高速移动，因此应选择高测量速度的激光测距或线激光传感器，以实现实时、无缝的追踪。

• 抗环境干扰能力： 传感器在高温、烟尘、蒸汽、震动、强电磁干扰等恶劣工业环境下的稳定工作能力。

  • 实际意义： 钢铁冶金环境极端恶劣，传感器很容易受到干扰导致测量失效或数据不准。

  • 选型建议： 优先选择专为重工业环境设计，具有IP65/IP66高防护等级的传感器。对于粉尘、蒸汽严重的环境，雷达传感器通常表现更优；而激光传感器则需具备良好的抗高温辐射、抗烟雾穿透能力，并可配备冷却和吹扫装置。

• 耐高温特性： 传感器本身或其前端部件能够承受的环境温度。

  • 实际意义： 钢坯表面温度极高，传感器必须能直接或通过辅助冷却在高温环境下工作。

  • 选型建议： 选用标称工作温度范围广，且最高可测目标表面温度达到钢坯实际温度的传感器。如传感器本体工作温度不高，则必须配备水冷/风冷护罩或隔热装置，确保传感器在恶劣环境下的长期稳定运行。

• 接口类型： 传感器与上位控制系统（PLC、DCS）进行数据交换的方式。

  • 实际意义： 决定了传感器能否方便地集成到现有的自动化系统中。

  • 选型建议： 选择具备常用工业接口（如RS232/485/422、以太网、模拟量输出、数字量输出等）的传感器，以确保与自动化系统的无缝连接和数据传输。

4. 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁冶金行业利用激光传感器对高温钢坯进行定位和追踪，虽然技术成熟，但在实际应用中仍可能遇到一些挑战。

• 问题1：高温辐射干扰

  • 原因与影响： 钢坯在高温状态下会发出强烈的红外辐射，这相当于一个强大的“背景光源”，可能淹没或干扰激光传感器接收到的微弱反射信号，导致测量不稳定、误差增大甚至失效。就像在烈日下看手电筒的光，很难看清。

  • 解决建议：

    1. 选用专业传感器： 优先选择专为高温环境设计的激光传感器，它们通常集成了窄带滤光片、高动态范围图像传感器和先进的信号处理算法，能有效抑制背景辐射。

    2. 加装冷却保护： 在传感器外部加装水冷或风冷护罩，确保传感器本体工作在安全温度范围内，避免因过热导致的性能下降。

    3. 优化安装角度： 调整传感器安装角度，尽量避免激光直射高温辐射最强的区域，或利用反射特性避开直接背景光。

• 问题2：烟尘、蒸汽和水雾遮挡

  • 原因与影响： 冶金生产过程中会产生大量的烟尘、蒸汽和冷却水雾，这些颗粒物或水滴会阻挡、散射和吸收激光束，造成信号衰减，就像浓雾会影响视线一样，最终导致测量距离不准确或无法测量。

  • 解决建议：

    1. 配备吹扫装置： 在传感器镜头前加装空气吹扫装置，利用压缩空气持续吹扫镜头，保持其清洁，防止烟尘附着或水雾凝结。

    2. 优化安装位置： 尽可能将传感器安装在烟尘和蒸汽较少、气流相对稳定的区域。

    3. 选择穿透能力强的技术： 在极端恶劣环境下，可以考虑结合雷达等穿透能力更强的技术进行辅助或协同测量。

• 问题3：钢坯表面特性变化

  • 原因与影响： 高温钢坯表面可能存在氧化皮、粗糙度不均、颜色深浅不一（如在冷却过程中）等情况，这会改变激光的反射特性，导致反射信号强度不一致，从而影响测量精度。

  • 解决建议：

    1. 选用高适应性传感器： 选择对目标表面反射率不敏感的传感器，例如一些激光测距仪专门优化了对低反射率（深色）表面的测量能力。

    2. 多点测量与数据融合： 通过在钢坯不同位置布置多个传感器进行测量，然后通过算法融合多路数据，可以有效消除单点测量因表面局部变化带来的误差。

    3. 智能算法补偿： 开发或使用具备自适应能力和补偿算法的测量系统，对因表面特性变化引起的信号波动进行校正。

• 问题4：生产线振动与机械冲击

  • 原因与影响： 钢铁生产线设备运行时的强烈振动和可能的机械冲击，可能导致传感器移位、内部光学元件失准，影响测量稳定性和寿命。

  • 解决建议：

    1. 选用坚固耐用产品： 选择外壳坚固、抗震动等级高的工业级传感器。

    2. 安装减震措施： 在传感器安装支架上加装减震垫或采用弹性连接，吸收和缓冲振动。

    3. 定期校准检查： 定期对传感器进行校准和位置检查，确保其安装稳固，测量基准无偏差。

应用案例分享

• 连铸坯定尺切割： 在连铸生产线上，激光传感器精确测量刚铸成的炽热钢坯的长度，指导飞剪或火焰切割设备在预设位置进行精准切割，确保每块钢坯尺寸符合下游工序要求。例如，英国真尚有的激光测距传感器，能够实现对高温钢坯的精确测量，保证切割精度。

• 热轧产线钢坯追踪： 在加热炉到轧机的整个热轧流程中，部署多个激光传感器实时监测钢坯在传送带上的位置和速度，防止钢坯堆积、碰撞，并确保其准确进入轧机口，提高生产效率。

• 冷床钢坯位置控制： 在钢坯冷却床区域，激光传感器用于检测钢坯是否按预定位置摆放，避免重叠或间距过大，确保冷却均匀，并为后续搬运机器人提供精确的抓取点。

• 炉内钢坯尺寸和位置监测： 在加热炉或均热炉内，耐高温激光传感器可以监测钢坯在炉内的具体位置和大致尺寸，优化炉内布局，提高加热效率和避免炉体损伤。

在选择高温钢坯定位和追踪的传感器时，需要综合考虑测量范围、精度、速度、环境适应性和耐高温特性等关键指标。各种技术方案都有其优缺点，应根据实际应用需求和预算进行权衡。