如何在超过1000℃高温、高速运动的热轧钢坯产线，实现±1毫米级精度非接触式尺寸与轮廓的实时在线检测？【工业测量】【质量控制】

1. 热轧钢坯的基本结构与技术要求

热轧钢坯，顾名思义，是钢铁在高温下经过轧制成形的一种半成品。想象一下，一块被加热到一千多摄氏度、通体发红的巨大钢块，在生产线上以很快的速度通过一系列轧辊，被逐渐挤压、拉长成我们需要的形状和尺寸。在这个过程中，它并不是一个完美的几何体：

• 高温且运动： 钢坯温度高，表面还可能附着着氧化铁皮，同时它还在高速移动，这就要求测量设备必须是非接触式的，并且能够应对动态测量。

• 表面复杂： 钢坯表面可能会有氧化铁皮、水蒸气、烟尘，这些都会影响激光的反射，造成测量误差，所以传感器需要有很强的抗干扰能力。

• 尺寸多样性： 热轧钢坯的尺寸（比如宽度、厚度、长度、横截面形状）会根据最终产品需求有所不同，而且在轧制过程中需要不断调整，所以对尺寸精度和实时性要求极高。

• 环境恶劣： 钢厂生产环境通常伴随着高温、振动、粉尘、电磁干扰等，对设备的环境适应性和耐用性是严峻考验。

精确测量热轧钢坯的尺寸，就像一个经验丰富的裁缝在高速运转的缝纫机旁，不仅要能精准地剪裁布料，还要应对布料的抖动、温度变化等各种挑战，确保每一块成品都符合要求。这对于后续的轧制工序，乃至最终产品的质量都至关重要。

2. 热轧钢坯相关技术标准简介

在热轧钢坯的生产中，为了确保产品质量和生产效率，需要对多个关键参数进行实时监控。这些参数的定义和评价方法都有相应的行业或国家标准来规范，虽然具体条款繁多，但核心理念是保证钢坯的几何形状和尺寸符合预定要求。

• 宽度（Width）： 指钢坯横截面上平行于轧制方向的最大尺寸。通常通过测量钢坯两侧边缘之间的距离来确定。评价方法一般是比较实测宽度与设计宽度之间的偏差，并计算其均匀性。

• 厚度（Thickness）： 指钢坯横截面上垂直于轧制方向的尺寸。在热轧过程中，厚度是控制轧制量的重要参数。评价方法是测量多个点的厚度，计算平均值和最大、最小偏差，确保在允许的公差范围内。

• 长度（Length）： 指钢坯沿轧制方向的尺寸。在切割钢坯时需要精确控制长度，以减少废料并满足下游工序的需求。评价方法是根据起点和终点位置的测量数据，计算总长度，并与目标长度进行比较。

• 横截面轮廓（Cross-Sectional Profile）： 指钢坯垂直于轧制方向的截面形状。除了宽度和厚度，轮廓还包括圆度、方度、边部弧度等。评价方法是通过扫描获取整个截面数据，并与标准模型进行匹配，识别出可能存在的凸起、凹陷、扭曲等缺陷。

• 直线度（Straightness）： 指钢坯沿轧制方向的平直程度。不直的钢坯可能导致轧制不稳或后续加工困难。评价方法通常是测量钢坯沿长度方向的多个点，计算其偏离理论直线轴线的最大距离。

• 端部质量（End Quality）： 包括钢坯端部的切斜度、毛刺等。好的端部质量有助于减少后续处理，提高成品率。评价方法是检测端部的几何形状和表面状况，判断是否符合切齐要求。

这些监测参数如同体检报告上的各项指标，每一项都反映了钢坯的“健康状况”。只有各项指标都达标，才能确保钢坯在进入下一道工序时，是符合要求的“健康”产品，避免因为尺寸不合格导致的返工甚至报废。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在钢铁厂热轧钢坯尺寸测量这个领域，为了应对高温、高速、强干扰的恶劣环境，诞生了多种非接触式的测量技术。这里我们将介绍几种主流的技术方案。

3.1.1 激光飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）/ 相位差法（Phase Shift）激光测距

这种技术就像我们平时用卷尺量距离一样，只不过它用的是激光。它的基本原理是发射一束激光，然后接收从目标物体表面反射回来的激光，通过测量激光往返的时间或者相位变化来计算距离。

• 工作原理和物理基础：

  • 飞行时间法 (TOF)： 想象你站在山谷里大喊一声，然后开始计时，等到听到回音的时候停止计时。声音走过的总距离是两倍的你到对面山壁的距离。激光测距也是类似。传感器发射一个非常短的激光脉冲，同时开始计时。当这个激光脉冲碰到钢坯表面并反射回来，被传感器接收到时，计时器停止。由于光速是已知常数（大约30万公里/秒），那么激光走过的总距离就是光速乘以测量到的时间。然后，将总距离除以二，就得到了传感器到钢坯的距离。这种方法就像在计算一个光速的“秒表跑”。

    • 核心公式： 距离 (d) = (光速 (c) × 往返时间 (t)) / 2。

    • 其中，光速 c ≈ 299,792,458 米/秒。

  • 相位差法 (Phase Shift)： 这种方法不是测量脉冲的飞行时间，而是发射连续的、经过强度调制的激光束。你可以把激光想象成无线电波，它的强度在周期性地变化（比如，像水波一样有波峰和波谷）。当激光从传感器发出，碰到钢坯反射回来后，它的“波峰”和“波谷”相对于发射时会有一个“偏移”，这个偏移就是相位差。传感器通过比较发射信号和接收信号之间的相位差，再结合激光的调制频率和波长，就可以非常精确地计算出距离。这就像测量两个周期性运动物体（比如两个同步摆动的钟摆）之间步调不一致的程度来推算它们的相对位置。

    • 核心公式： 距离 (d) = (调制波长 (λ_mod) × 相位差 (Δφ)) / (4π)。

    • 其中，调制波长 λ_mod = 光速 (c) / 调制频率 (f_mod)。这两种方法通常被称为激光测距传感器，它们能够做到远距离、高精度测量。实现远距离、高精度测量离不开强大的激光发射器、高灵敏度的接收器、智能的信号处理算法以及高效的散热和防护设计。特别是在测量高温物体时，由于物体自身会发出很强的红外辐射，传感器需要有特殊的滤光片和算法来区分激光反射信号和钢坯自身的热辐射，避免“热盲”现象。

• 核心性能参数的典型范围： 测量范围从几厘米到几百米，甚至更远；精度通常在毫米级到厘米级，高端系统可达±1毫米甚至更高；测量速度从几十赫兹到数百赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 测量距离远，可以远离高温区，保障设备和人员安全；非接触式测量，不损伤钢坯；精度较高，可达毫米级；对各种表面颜色和反射率适应性强（尤其是一些优化后的产品）；适用于单点距离测量、宽度测量（多传感器组合）和长度测量等。

  • 缺点： 测量的是单点距离，如果需要整个轮廓或三维形状，需要多个传感器组合或配合扫描机构；易受空气中的烟尘、水蒸气影响（通过气幕吹扫和算法优化可缓解）；成本相对较高。

  • 适用场景： 远距离单点定位、大尺寸钢坯的宽度测量、长度测量、料位监控等。

3.1.2 激光三角测量法

激光三角测量法是一种非常适合获取物体精确轮廓和尺寸的技术。它不像TOF那样测量往返时间，而是通过几何关系来确定距离和形状。

• 工作原理和物理基础： 想象你用手电筒照到墙上的一条线，然后你从旁边另一个角度拍照。如果墙面是平的，你拍到的线是直的；如果墙面有凸起或凹陷，你拍到的线就会弯曲。激光三角测量就是这个原理。传感器内部有一个激光发射器，它会向钢坯表面投射一条高亮度的激光线。同时，传感器内部还有一个高速数字相机（或CMOS图像传感器），它以一个固定的角度（称为“三角测量角”）来观察这条激光线在钢坯表面的反射。当钢坯表面有高度变化时，相机捕捉到的激光线的位置也会发生偏移。通过精确测量这个偏移量，并结合传感器内部的几何参数（比如激光发射器和相机之间的距离、相机焦距等），利用三角测量原理就可以计算出钢坯表面上每个被激光线照射到的点的三维坐标，从而重构出钢坯的横截面轮廓。

  • 核心公式： 假设相机和激光发射器之间的基线距离为B，相机到物体的垂直距离为L，相机观察激光线形成的图像偏移为X，则物体表面的高度变化h ≈ (X * L) / (B * tan(θ)) （简化公式，实际涉及更复杂的透视投影和几何关系），其中θ为相机和激光之间的夹角。

• 核心性能参数的典型范围： 测量宽度从几十毫米到几米；精度可达微米级到亚毫米级；扫描频率从几十赫兹到数千赫兹。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 能够一次性获取钢坯的完整横截面轮廓，不仅仅是单点距离，可以精确测量宽度、高度、圆度、直线度等多种几何尺寸，并识别表面缺陷；精度高，特别是在近距离测量时；响应速度快，适合高速生产线。

  • 缺点： 测量范围相对较短，传感器必须离钢坯较近；对钢坯表面反射率和环境光照变化敏感（需要优化算法和滤光片）；容易受到烟尘、水蒸气遮挡光路的影响；如果需要测量整个钢坯的长度方向的轮廓，需要将传感器安装在移动平台上进行扫描或部署多个传感器。

  • 适用场景： 精确的钢坯截面尺寸测量、轮廓缺陷检测、宽度和高度的实时监控。

3.1.3 X射线测厚法

X射线测厚法是一种利用X射线穿透物质的特性来测量厚度的技术，它与激光测量原理完全不同，但也是钢厂尺寸测量的重要手段。

• 工作原理和物理基础： 想象一下你拿着手电筒照一张纸，光线会穿透过去；如果照一本很厚的书，光线就透不过去了。X射线测厚也是这个道理。它使用一个X射线源向钢坯发射X射线束。当X射线穿过钢坯时，一部分会被钢坯吸收，另一部分则会穿透过去。钢坯越厚，吸收的X射线就越多，穿透过去的X射线就越少。一个高灵敏度的探测器会测量穿透钢坯后剩余的X射线强度。根据X射线衰减的程度与材料厚度成正比的物理定律（即比尔-朗伯定律），通过对接收到的X射线强度进行计算，就能得出钢坯的精确厚度。

  • 核心公式： I = I0 * exp(-μ * ρ * x)。

  • 其中，I是穿透后的X射线强度，I0是初始X射线强度，μ是质量衰减系数（与材料和X射线能量有关），ρ是材料密度，x是材料厚度。

• 核心性能参数的典型范围： 测量精度通常优于±0.1%FS（满量程）；响应时间快，适合在线轧制速度。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 对厚度测量精度极高，不受钢坯表面温度、氧化皮、水蒸气、烟尘等外部环境影响；稳定性好，测量结果可靠。

  • 缺点： 只能测量厚度，无法获取宽度、长度、轮廓等其他几何尺寸；设备成本高昂；涉及到电离辐射，需要严格的安全防护措施和许可；传感器体积通常较大。

  • 适用场景： 对钢坯或板材厚度有极高精度要求的在线实时测量，特别是在轧机出口处对最终产品厚度进行控制。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在钢铁厂的热轧钢坯尺寸测量领域，有几家国际知名品牌提供了先进的解决方案。下面我们将对比其中几家：

• 德国激光应用公司 (采用激光三角测量技术) 德国激光应用公司的STEELPROFILER S激光轮廓测量仪，专注于利用激光光切法进行钢坯轮廓测量。它的测量范围可以达到宽度2200毫米，典型测量精度为±0.5毫米。该系统具备高达300 Hz的扫描频率，并配备了冷却和保护系统，以适应钢厂的高温高尘环境。德国激光应用公司的优势在于其在线质量控制能力，能够实时监测尺寸偏差，有效确保钢坯的几何形状符合标准，从而提高生产效率和产品合格率。

• 英国真尚有 (采用激光测距技术，可能是飞行时间法或相位差法) 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，测量范围从0.05米到500米，精度高达±1毫米，测量速度高达250Hz。该系列传感器的亮点之一是其耐高温性能，实测可以在1550℃的超高温物体表面进行准确测量，同时也能应对深色表面和太阳辐射干扰。其坚固的IP65金属外壳和-40℃至+60℃的扩展环境温度范围，加上可配备冷却外壳，使其适用于钢铁厂的恶劣环境。英国真尚有的产品在长距离、高精度、耐高温以及抗环境干扰方面表现出色,并提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出（0.1%），以及两个可编程数字输出（DO1和DO2）。

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士的LJ-X8000系列超高速高精度轮廓测量仪，采用激光线投射和CMOS图像传感器捕捉的三角测量原理。该系列以其超高速扫描和高分辨率著称，测量宽度最高可达240毫米，Z轴重复精度最低可达0.1微米，扫描速度最高可达16kHz，每轮廓可获取800个数据点。日本基恩士的优势在于其能够对高温钢坯的细微尺寸变化和表面缺陷进行快速检测，是实现智能化生产的关键工具。

• 瑞士ABB (采用激光测距技术进行宽度测量) 瑞士ABB的PMP400系列激光宽度测量仪，通过多个激光传感器单元组合，以非接触方式测量热轧钢材的宽度。传感器发射激光束并接收从钢坯边缘反射回来的光线，精确计算钢坯边缘位置，从而得出整体宽度。该系统的测量范围为500毫米至2500毫米，测量精度为±0.5毫米，具备快速的实时在线测量能力。PMP400系列设计坚固，适用于工业环境，并集成了冷却和保护措施，能够提供宽度数据，支持优化轧制过程，减少废品率，提高生产效率。

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

在为钢铁厂选择激光测距或尺寸测量方案时，我们需要像挑选工具一样，根据任务的轻重缓急和具体要求来决定。以下几个关键指标是您必须仔细考量的：

• 测量精度 (Accuracy)：

  • 实际意义： 传感器测量结果与真实值之间的误差大小。它决定了你对钢坯尺寸控制的精细程度。比如，±1毫米的精度意味着你的测量结果可能比实际值多或少1毫米。

  • 对测量效果影响： 精度越高，产品尺寸偏差越小，成品率越高。如果精度不足，就像用一把刻度模糊的尺子量东西，会导致产品尺寸波动大，不合格品增多。

  • 选型建议： 如果生产的是对尺寸公差要求极高的特殊钢材，或者需要检测微小缺陷，应优先选择亚毫米级甚至微米级精度的产品（如激光三角测量仪）。如果只是大范围的长度或宽度粗测，毫米级精度即可满足。

• 测量范围 (Measurement Range)：

  • 实际意义： 传感器能够有效测量到的最近距离和最远距离。这就像你伸手的长度，决定了你能触及多远的目标。

  • 对测量效果影响： 测量范围直接影响传感器的安装位置。如果传感器必须安装在离钢坯较远的地方（例如为了避开高温或机械障碍），就需要长测量范围的传感器。

  • 选型建议： 针对宽度测量，如果测量宽度变化大，且传感器必须安装在远离钢坯的位置，选择长距离激光测距传感器更为合适。而激光轮廓测量仪通常测量范围较短，适合近距离高精度轮廓捕捉。

• 响应速度 (Response Speed) / 扫描频率 (Scanning Frequency)：

  • 实际意义： 传感器进行一次测量并输出结果所需的时间，或者每秒能测量多少次。钢坯在产线上高速移动，传感器必须像“快枪手”一样，能迅速捕捉到每一个瞬间。

  • 对测量效果影响： 速度慢的传感器在测量高速运动的钢坯时，会“跟不上趟”，导致测量结果滞后或模糊，无法实时反映真实尺寸。

  • 选型建议： 对于高速轧制生产线，应选择响应速度快或扫描频率高的传感器，以确保实时性和准确性。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，能够以高达250Hz的速度进行测量。

• 耐高温性能 (High Temperature Resistance)：

  • 实际意义： 传感器本身或配合的保护装置，能够承受的环境和被测物体的最高温度。热轧钢坯动辄上千摄氏度，这是选择设备时必须跨过的一道门槛。

  • 对测量效果影响： 高温会加速电子元件老化，甚至导致传感器损坏，影响测量稳定性和寿命。

  • 选型建议： 务必选择标明可在高温环境下工作的传感器，并配置可靠的水冷或风冷保护套。同时，关注传感器本身的环境工作温度范围，即使有冷却系统，传感器自身的耐受力也很关键。

• 抗干扰能力 (Anti-interference Capability)：

  • 实际意义： 传感器在烟尘、水蒸气、环境光照、电磁干扰等恶劣条件下，保持测量稳定性和准确性的能力。这就像一个好的听诊器，能从嘈杂的心脏跳动声中，准确分辨出细微的异常。

  • 对测量效果影响： 干扰会导致测量结果波动大、不稳定，甚至出现错误数据，严重影响生产控制。

  • 选型建议： 优先选择那些针对钢厂环境有特殊优化设计的产品，例如具有气幕吹扫功能的镜头、先进的信号处理算法来过滤环境噪声、特殊的滤光片来排除可见光和热辐射干扰。

• 接口与集成 (Interface and Integration)：

  • 实际意义： 传感器与工厂现有自动化控制系统（PLC、DCS）连接的便利性。

  • 对测量效果影响： 接口不兼容会增加额外的集成成本和复杂性。

  • 选型建议： 确保传感器支持常见的工业通信接口（如RS232/485/422、以太网、Profibus、SSI等），便于与现有系统无缝对接。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了最合适的激光测距方案，在钢铁厂的实际应用中，仍然会遇到各种挑战。了解这些问题并提前准备解决方案，能让您的系统运行更加稳定可靠。

• 问题1：高温对传感器性能和寿命的影响

  • 原因： 热轧钢坯的高温会通过热辐射、热对流等方式传递给周围环境。如果传感器没有得到充分保护，其内部的电子元件和光学部件会因为过热而性能下降，甚至永久损坏，导致测量漂移或失效。

  • 影响程度： 轻则测量不准，重则传感器报废，停产维修。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 配备专用冷却系统： 这是最核心的措施。为传感器设计定制化的水冷或风冷保护套，确保传感器本体始终工作在允许的温度范围内。水冷效果通常优于风冷，但在供水困难或担心漏水的场合可考虑风冷。

    2. 选择耐高温等级高的传感器： 从源头上选择那些本身就具备较强耐高温能力的传感器，能有效降低对冷却系统的依赖程度。

    3. 安装位置优化： 尽量将传感器安装在离热源稍远，或者有遮蔽、通风条件较好的位置。

    4. 定期检查维护： 定期检查冷却系统的水路、气路是否畅通，风扇是否正常运转，散热片是否积尘。

• 问题2：烟尘、水蒸气干扰测量光路

  • 原因： 钢厂环境中常伴有大量的氧化铁皮粉尘、水蒸气（特别是水冷区域）、油雾等，这些介质会悬浮在空气中，对激光束产生吸收、散射和折射，导致激光信号强度衰减，甚至无法到达被测物或反射回传感器，造成测量误差或数据丢失。

  • 影响程度： 测量数据波动大，偶尔出现离群值，甚至系统完全失效。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 气幕吹扫装置： 在传感器镜头前安装气幕（气刀），持续向外吹送洁净压缩空气，形成一道“空气墙”，有效阻止粉尘和水蒸气附着在镜头表面或进入光路。

    2. 定期清洁镜头： 即使有气幕吹扫，也应定期用专用清洁剂和软布擦拭传感器镜头，确保其通透性。

    3. 选择特定波长激光： 有些激光波长对水蒸气吸收较少，可以降低水蒸气干扰。

    4. 先进算法补偿： 一些传感器内置了信号处理算法，可以根据接收信号的强度和质量，对测量数据进行智能补偿和滤波，提高在恶劣环境下的鲁棒性。

• 问题3：钢坯表面条件（氧化皮、反射率不均、抖动）

  • 原因： 热轧钢坯表面会形成一层黑色的氧化铁皮，这使得表面颜色深、反射率低。此外，钢坯表面可能不平整，或者在传输过程中存在摆动和抖动。这些都会影响激光的反射效果和测量点的稳定性。

  • 影响程度： 传感器可能难以接收到足够的反射信号，导致测量失败；表面不平整或抖动会引入瞬时误差，影响尺寸数据的准确性。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 选用对深色表面优化的传感器： 选择那些明确标明能处理低反射率或深色表面测量的传感器，它们通常采用更高功率的激光器和更灵敏的接收器。

    2. 多点测量或轮廓测量： 对于抖动和局部不平整，可以采用多点激光测距传感器组合或激光轮廓测量仪，通过测量多个点的数据进行平均或拟合，来平滑局部波动，获取更可靠的整体尺寸。

    3. 算法补偿： 利用软件算法对钢坯的摆动进行预测和补偿，或者在数据处理时进行动态滤波，剔除因抖动产生的瞬时离群值。

    4. 提高激光功率： 在安全允许的范围内，适当提高激光发射功率，确保足够强的反射信号。

• 问题4：传感器安装空间有限或视野受阻

  • 原因： 钢厂产线布局通常紧凑，设备林立，可能没有足够的空间安装大型传感器，或者传感器的理想测量位置被其他设备遮挡。

  • 影响程度： 无法安装传感器，或只能安装在非理想位置，影响测量精度和稳定性。

  • 解决方案和预防措施：

    1. 选择体积小巧的传感器： 优先考虑尺寸紧凑、集成度高的传感器。

    2. 利用远距离测量能力： 如果空间受限，选择测量范围远、精度高的激光测距传感器，可以将其安装在更远的、有足够空间的区域。

    3. 灵活安装支架： 设计可调节、可伸缩的安装支架，以适应不同的安装条件，并尽量避开潜在的遮挡物。

    4. 多角度部署： 对于宽度或轮廓测量，如果单传感器视野不足，可以考虑在不同角度部署多个传感器进行协同测量。

4. 应用案例分享

• 热轧产线钢坯宽度测量： 在热轧生产线上，激光测距传感器安装在钢坯上方或侧方，通过测量钢坯两侧边缘到固定参照点的距离，实时计算钢坯的宽度，指导轧辊间隙调整，精确控制轧制量。例如，在高温环境下，可选用具有耐高温特性的激光测距传感器，如英国真尚有的LCJ系列。

• 连铸连轧流程中钢坯长度切割控制： 在钢坯切割前，利用激光测距传感器准确测量钢坯的实时长度，确保切割点精确，优化定尺切割，减少废料并提高生产效率。

• 钢坯横截面轮廓检测： 激光轮廓测量仪被部署在轧机出口，快速扫描钢坯的横截面，获取精确的形状数据，及时发现椭圆度、扭曲或不规则边角等缺陷，保障成品形状合格。

• 炉内钢坯位置及料位监测： 在加热炉内部，耐高温激光测距传感器用于监测钢坯的精确位置，确保钢坯在炉内的均匀加热，同时也可以对炉内料位进行精准控制，提高炉效。

• 棒材或线材的直径测量： 在棒材或线材轧制过程中，高精度的激光三角测量仪可以实时在线测量其直径，确保产品尺寸符合标准，提高产品质量。