如何在800-1500°C高温环境下，实现轧制线上钢坯尺寸、温度的毫米级精度非接触式实时监测？【钢铁生产质量控制】

1. 基于高温钢坯的基本结构与技术要求

高温钢坯在钢铁生产中，可以想象成是刚刚从连铸机出来，或者在轧制线上移动的“大块烧红的金属砖块”。它的结构相对简单，通常是截面呈矩形、方形或圆形的长条状。但其状态非常特殊：

• 高温特性： 钢坯温度极高，通常在800°C到1500°C以上，表面会发出耀眼的红光甚至白光。这种高温不仅带来测量难度，也对测量设备的耐热性提出极高要求。

• 表面状态复杂： 钢坯表面可能存在氧化铁皮（俗称“黑皮”）、水汽、灰尘、火焰和蒸汽，这些都会干扰光路，降低测量信号的质量。就像透过一层模糊的玻璃去看东西，很难看得清楚。

• 快速移动： 在生产线上，钢坯通常以较快的速度移动，这就要求测量设备必须具有极高的实时响应速度，才能捕捉到精确的瞬时数据。

• 环境恶劣： 钢铁厂环境多粉尘、高湿、强振动、强电磁干扰，这些都需要测量设备具备工业级的坚固防护能力。

对高温钢坯测量的核心技术要求主要包括：

• 测量精度： 无论是温度、尺寸还是位置，都需要达到很高的精度，通常是毫米级甚至亚毫米级，以确保产品质量和工艺控制。

• 实时性： 测量数据必须能够实时获取和反馈，以便生产线及时调整，防止出现质量问题或生产中断。

• 非接触性： 由于高温，任何接触式的测量方式都不可行，必须采用非接触技术。

• 环境适应性： 设备必须能在恶劣的钢铁生产环境下稳定可靠地工作，并降低长期维护成本。

2. 针对高温钢坯的相关技术标准简介

针对高温钢坯的监测，行业内通常会关注以下几个核心参数及其评价方法：

• 表面温度： 这是最直接也最重要的参数之一。评价方法主要是通过非接触式红外测温设备获取，它测量的是钢坯表面向外辐射的热量。理论上，物体温度越高，辐射的能量越多，通过专业的算法就能反推出温度值。但需要考虑钢坯材料的表面发射率，就像不同颜色的物体在阳光下吸收热量不同一样，不同材料和表面状态的钢坯，其辐射特性也有差异。

• 几何尺寸（宽度、厚度、截面轮廓）： 钢坯的宽度、厚度以及其横截面是否规整是影响后续轧制和最终产品质量的关键。评价方法通常是通过激光、视觉成像等技术，对钢坯的边缘或整个截面进行扫描，然后利用几何算法计算出精确的尺寸数据和轮廓偏差。

• 位置与姿态： 钢坯在生产线上移动时，其精确的位置信息（例如距离轧辊的距离、是否偏离中心线）和姿态（例如是否歪斜）对于自动化控制至关重要。这通常通过激光测距或视觉定位技术来实现，评价其在指定范围内的偏差量。

• 表面缺陷： 如裂纹、凹坑、氧化铁皮脱落等，这些都会影响最终产品的性能。评价方法一般是利用高速相机结合机器视觉算法，对钢坯表面进行高分辨率成像和分析，通过图像识别技术找出异常区域。

这些参数的监测和评价，都旨在确保钢坯在进入下一道工序前符合质量标准，从而优化整个生产流程，减少废品率。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

激光测距技术

这种技术的核心是利用激光的精确传播特性来测量距离。可以想象成发射一道非常细、非常直的光线，打到钢坯表面，然后这道光线会反射回来，传感器接收到反射光后，就能算出它走了多远。最常用的原理有两种：

• 时间飞行法（TOF，Time-of-Flight）： 传感器发出一束激光脉冲，这个脉冲以光速传播，碰到钢坯表面后反射回来。传感器精确测量激光发出到接收之间的时间差。就像我们对着山谷喊一声，听到回声的时间越长，山谷就越深。 其核心公式为： 距离 (D) = (光速 (c) × 飞行时间 (t)) / 2 这里 c 是光速，大约为 3 x 10^8 米/秒。这个方法适用于远距离测量。

• 相位差法： 传感器发出一束连续的、经过调制（像无线电波一样被赋予特定频率）的激光。当激光反射回来时，它的相位（可以理解为波形的起始点）相对于发射时的相位会有一个偏移。通过测量这个相位差，就能计算出距离。这种方法更适合高精度、相对短距离的测量，精度可以做得很高。 其核心公式为： 距离 (D) = (c × ΔΦ) / (2 × π × f) 这里 c 是光速，ΔΦ 是相位差，f 是调制频率。

核心性能参数典型范围： 测量范围可从几厘米到数百米，精度通常在毫米到厘米级别，高端系统的精度可达亚毫米级，响应速度可达数百赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度高，响应速度快，可以在较远距离进行测量，对高温物体表面具有一定的适应性，即使在有一定烟尘、水汽的环境中也能工作（但过浓的环境会衰减信号）。其能够直接测量钢坯到设备的距离，从而推断钢坯的精确位置、甚至形状变化。* 缺点： 价格相对较高；在极度恶劣的环境，例如浓烟、大蒸汽或粉尘非常多的场合，激光信号可能会被削弱，导致测量不稳定。

红外测温技术

这种技术就好像用一种特殊的“眼睛”去“看”钢坯散发出来的热量。任何有温度的物体都会向外辐射红外线，温度越高，辐射的红外线能量就越强。红外测温仪就是通过接收这些红外辐射能量，然后根据物理定律反推出物体的表面温度。

核心物理基础是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，它描述了黑体（理想的辐射体）辐射的总能量与温度的关系：P = ε * σ * A * T^4其中，P 是辐射功率，ε 是物体的发射率（ε = 1 代表黑体），σ 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，A 是辐射面积，T 是物体的绝对温度。实际应用中，非接触式红外测温仪通过测量特定波段的辐射亮度，再结合普朗克定律和物体的发射率来计算温度。

核心性能参数典型范围： 测量范围可从几百摄氏度到两千多摄氏度，响应时间通常在毫秒到几十毫秒，精度通常在±1°C到±几摄氏度。

技术方案的优缺点：* 优点： 直接测量温度，响应速度极快，完全非接触，对设备本身没有高温损伤风险。* 缺点： 测量精度受物体表面发射率影响很大，而钢坯的发射率会受氧化铁皮、表面粗糙度等因素影响而变化，需要经验校正；水汽、灰尘和火焰会阻挡红外辐射，影响测量准确性。

激光三角测量技术

这种技术常用于测量物体的轮廓、尺寸或微小形变。它不像激光测距那样测量一个点到传感器的距离，而是投射一条激光线到钢坯表面。然后，一个高分辨率的摄像头从一个特定角度观察这条激光线在钢坯表面的投影。当钢坯表面有高低起伏时，激光线在摄像头成像芯片上的位置就会发生偏移。通过简单的几何三角关系，传感器就能计算出钢坯表面的高度变化，从而得到它的精确轮廓。

核心性能参数典型范围： 测量范围（Z轴）通常在几十到几百毫米，重复精度可以达到微米级别，采样速度可达每秒数万次。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够高精度、高速获取钢坯的横截面轮廓数据，非常适合尺寸、形状和表面缺陷的检测。* 缺点： 测量范围相对有限，通常不适合长距离测量；对钢坯表面反射率敏感，在反射率低或表面有强干扰时效果可能受影响；同样受水汽、烟尘干扰。

光学成像与机器视觉技术

这种技术就像给生产线上的钢坯安装了一双“智慧的眼睛”。它利用工业相机拍摄钢坯的图像，然后通过计算机强大的图像处理算法，像人眼一样去识别钢坯的边缘、计算其宽度，甚至识别表面缺陷。这通常需要配合专门的光源和冷却/除尘系统，以确保在高温和多尘环境中获得清晰的图像。

核心性能参数典型范围： 测量宽度范围可达数米，精度通常在亚毫米到毫米级别，测量频率可达几十到上百赫兹。

技术方案的优缺点：* 优点： 能够非接触、实时测量大尺寸钢材的宽度、位置等参数，提供丰富的视觉信息，可以识别复杂的形状和表面特征。* 缺点： 对环境光照、水汽、粉尘和蒸汽非常敏感，要求光学通路极其清洁；系统通常比较复杂，需要专业的图像处理算法支持，维护成本相对较高。

3.2 市场主流品牌/产品对比

• 美国阿美特克： 专注于红外测温技术，其产品如SPOT AL S系列高温计，在工业红外测温领域拥有超过70年的经验。这类设备专为钢铁等恶劣工业环境设计，测温范围宽广（600°C至1800°C），响应时间快（10毫秒），精度高（±0.75%读数或±1°C）。它们的核心优势在于长期的高可靠性和稳定性，以及针对高温金属测温的专业校准与服务，是直接获取钢坯表面温度的理想选择。

• 英国真尚有： 提供LCJ系列激光测距传感器，采用先进的激光测距技术，能够进行精确的非接触式距离测量。其测量范围从0.05米到500米，精度高达±1毫米，测量速度可达250Hz。LCJ系列激光测距传感器采用坚固的金属外壳，提供IP65级保护，扩展温度范围为-40°C至+60°C，并可配备冷却外壳。该系列尤其适用于高温物体表面（实测最高1550°C）的距离测量，这使得它在钢坯的位置、长度控制等方面表现出色，尤其在高精度和长距离应用中有独特优势。LCJ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。

• 日本基恩士： 以LJ-X8000系列激光轮廓测量仪为例，主要采用激光三角测量原理。该系列以其高精度、高速度著称，能够高速获取钢坯的高精度轮廓数据（重复精度0.5μm，采样速度64kHz），测量Z轴范围约240±55mm。其优势在于可以精确检测钢坯的尺寸、形状和表面缺陷，配合强大的软件分析功能，对于质量控制和工艺优化非常关键。

• 德国奥特米尔： 其WSW系列热轧宽度测量仪，采用先进的光学成像和机器视觉技术。该产品专注于高温金属加工领域的测量，能够对热轧钢材进行高精度非接触宽度测量，测量宽度范围可达4200毫米，精度±0.5毫米，测量频率100Hz。德国奥特米尔的优势在于产品设计坚固耐用，能有效应对钢铁厂的极端环境，并提供实时、可靠的宽度数据反馈。

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

选择非接触式测温或测距方案时，不能只看某个单一指标，而需要综合考量。就好像买车不能只看最高速度，还得看油耗、舒适度、安全性一样。

• 测量精度和重复精度： 精度决定了测量结果的“真”和“准”，重复精度则决定了每次测量的“稳”。例如，激光测距传感器的精度为±1mm，意味着测出的距离与实际距离的偏差不会超过1毫米。在钢坯尺寸控制上，如果要求极高，比如公差只有几毫米，那精度就是第一位的。

  • 选型建议： 对于尺寸、位置测量，通常要求达到毫米级甚至亚毫米级精度；对于温度测量，通常要求±1°C到±几摄氏度。应根据实际生产工艺对公差的要求来选择。

• 响应速度（或采样频率）： 这决定了传感器捕捉快速变化的能力。如果钢坯以每秒几米的速度移动，而传感器每秒只能测量一次，那大部分时间钢坯的位置都是“未知”的。高响应速度意味着能更快地获取数据，实现更精细的实时控制。

  • 选型建议： 轧制线上的钢坯移动速度快，推荐选择响应速度在100Hz甚至更高的传感器，以确保对瞬时变化的有效捕捉。

• 测量范围（或工作距离）： 这是传感器能测量的最远和最近距离，以及能测量的温度、宽度范围。例如，一个测距仪能测500米，一个高温计能测1800°C。这需要和现场的安装位置、钢坯的温度范围、尺寸大小相匹配。

  • 选型建议： 预先确定传感器安装位置到钢坯的距离，以及钢坯的尺寸和温度范围。选择测量范围能完全覆盖这些参数的设备，并留有一定余量。

• 环境适应性（防护等级、工作温度）： 钢铁厂环境恶劣，IP防护等级（如IP65表示防尘防喷水）和宽环境工作温度范围（如-40℃到+60℃）至关重要。如果设备不耐脏、不耐热，很快就会损坏。冷却、除尘配件是否齐全也是考虑因素。

  • 选型建议： 至少选择IP65或更高防护等级的设备。对于传感器本体无法承受的高温环境，必须考虑配备水冷或风冷外壳等辅助降温措施。

• 接口类型和集成便捷性： 传感器提供的数据如何传输到控制系统？多种串行接口（RS232、RS485等）、模拟输出、数字输出等，都是为了方便与现有自动化系统（PLC、DCS）对接。

  • 选型建议： 选择与工厂现有控制系统兼容性强、集成方便的接口类型，以降低系统集成难度和成本。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在钢铁厂这种“硬核”的环境里，再好的设备也可能遇到各种“硬茬子”。

1. 问题：高温、蒸汽、粉尘、氧化铁皮干扰。 这是最常见的问题，就像给传感器戴上了“有色眼镜”，影响测量精度和稳定性。氧化铁皮和蒸汽会阻挡激光或红外信号，粉尘会附着在光学镜头上。

   • 原因与影响： 信号衰减，导致测量误差增大或根本无法测量；光学镜片污染，影响透光率。

   • 解决建议：

     • 空气吹扫/水冷保护： 在传感器镜头前安装空气吹扫装置，用压缩空气持续吹走灰尘和水汽。对于极高温环境，必须加装水冷或风冷保护套，确保传感器本体在安全工作温度内。

     • 优化安装位置： 尽量选择避开主要烟尘、蒸汽区域的安装点，或者与钢坯之间保持足够的测量距离，利用信号的衰减特性避开近场干扰。

     • 选择抗干扰能力强的产品： 某些激光测距产品具有较强的抗干扰能力，即使在深色表面和太阳辐射下也能稳定测量。

2. 问题：钢坯表面发射率不均匀或变化。 特别是红外测温时，钢坯表面的氧化程度、粗糙度、甚至冷却水的流淌都会改变其发射率，导致测温不准。

   • 原因与影响： 测温误差，可能导致过热或欠热的误判，影响后续轧制质量。

   • 解决建议：

     • 多波段高温计： 采用双色或多色高温计，通过测量不同波长的辐射来消除发射率的影响，获得更准确的温度。

     • 发射率校准： 在生产线上进行定期或在线发射率校准，或建立发射率数据库，根据钢种和工艺阶段自动调整。

3. 问题：振动和冲击。 钢铁生产现场的重型设备运行会产生剧烈振动，可能导致传感器移位、内部元件松动或损坏。

   • 原因与影响： 测量数据不稳定，传感器故障。

   • 解决建议：

     • 坚固的安装支架： 使用重型、防振的安装支架，并确保牢固固定。

     • 选择抗振性强的设备： 工业级传感器通常会考虑抗振设计，其结构更加坚固。

     • 定期检查： 定期检查传感器安装是否松动，光学通路是否偏离。

4. 问题：电磁干扰。 钢铁厂的电动机、变频器等设备会产生强大的电磁场，可能干扰传感器信号。

   • 原因与影响： 测量数据波动、通信中断。

   • 解决建议：

     • 屏蔽电缆： 使用带屏蔽层的信号电缆，并确保正确接地。

     • 远离干扰源： 尽可能将传感器及其连接电缆远离大功率电机和变频器。

     • 选择抗干扰设计产品： 工业级产品在设计时通常会具备一定的电磁兼容性（EMC）能力。

4. 应用案例分享

• 连铸坯切割长度控制： 在连铸线上，激光测距传感器精确测量高温钢坯的长度，指导飞剪或火焰切割机进行准确切割，确保每一段钢坯的尺寸符合要求。例如，英国真尚有LCJ系列激光测距传感器，凭借其高精度和长距离测量能力，能够胜任此类应用。

• 轧钢线上的钢坯位置检测： 激光测距或机器视觉系统实时监控高温钢坯在轧制线上的精确位置和速度，确保其准确进入轧机，防止跑偏或卡料。

• 加热炉内钢坯温度监控： 红外高温计在加热炉出口或炉内关键点测量钢坯表面温度，帮助操作人员优化加热曲线，确保钢坯温度均匀且达到轧制要求。

• 型钢轧制过程中的尺寸与轮廓控制： 激光三角测量系统可以实时扫描热轧型钢的横截面轮廓，监测尺寸偏差，帮助及时调整轧辊参数，提升产品质量。