王春梅            周東東 徐 科  程樹森                   張海寧

    (河北科技大學(xué))            (北京科技大學(xué))                  (河鋼集團(tuán)石鋼公司)

摘 要  采用語義分割深度學(xué)習(xí)模型,開發(fā)了高爐風(fēng)口焦炭粒度在線檢測裝置,可對所采集風(fēng)口圖像中的焦炭進(jìn)行識別。將該裝置應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠2500 m3高爐全焦冶煉時期的風(fēng)口焦炭粒度研究,得到了風(fēng)口焦炭粒度及粒徑分布,并在此基礎(chǔ)上,修正了適用于該檢測結(jié)果的風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度的計算公式。認(rèn)為該裝置為研究高爐內(nèi)焦炭裂化機(jī)理及回旋區(qū)形成機(jī)理奠定了基礎(chǔ),同時也為采用機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)在線檢測復(fù)雜環(huán)境顆粒粒度提供了新思路。

關(guān)鍵詞  高爐 風(fēng)口焦炭 粒度 在線檢測 深度學(xué)習(xí)

高爐風(fēng)口焦炭粒度能反映高爐內(nèi)焦炭裂化程度,是影響高爐下部料柱透氣性及透液性的重要因素,對改善焦炭性能及穩(wěn)定爐況具有較好的參考作用。目前,高爐風(fēng)口焦炭粒度檢測常用風(fēng)口取焦的辦法,該方法需高爐停風(fēng)期間實(shí)施,具有間歇性的特點(diǎn)且影響高爐生產(chǎn),

本文首次采用機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)在線檢測高爐風(fēng)口焦炭粒度,開發(fā)了在線檢測裝置,將該裝置應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠2500m3高爐全焦冶煉時期的風(fēng)口焦炭粒度檢測研究。

1  焦炭粒度計算模型

1.1  深度學(xué)習(xí)模型

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),特征提取采用前向傳播方式,權(quán)值修正采用反向傳播方式【1】。語義分割(FCN)是在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其目的是精確理解圖像并對其中的每個像素做分類[2]。具體思路為建立全卷積網(wǎng)絡(luò),輸出任意尺寸,經(jīng)過有效學(xué)習(xí)和推理輸出相應(yīng)的尺寸,學(xué)習(xí)圖像每個區(qū)域乃至像素的語義類別[2].

語義分割用于風(fēng)口焦炭識別及粒度檢測流程如圖1所示,首先識別風(fēng)口圖像中的焦炭顆粒并進(jìn)行標(biāo)簽制作,采用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行離線訓(xùn)練,得到風(fēng)口焦炭的標(biāo)簽。將要檢測的風(fēng)口圖像輸入到語義分割深度學(xué)習(xí)模型中,通過分類及定位,最終在線識別焦炭顆粒。

1.2  風(fēng)口焦炭粒度分析

高爐風(fēng)口焦炭長徑及短徑如圖2所示,風(fēng)口焦炭粒度可由下列公式計算[3]

D=√A*8  

  (1)式中D-焦炭粒度,mm;

A---焦炭長徑,mm;

B---焦炭短徑,mmo

高爐風(fēng)口焦炭粒度在線檢測流程如圖3所示。

由于采集的風(fēng)口圖像有時會出現(xiàn)失真現(xiàn)象,因此首先將輸入的風(fēng)口圖像進(jìn)行邊緣檢測,判斷風(fēng)口是否變形,如果變形則跳至下一幅圖像。如果風(fēng)口沒有變形,則進(jìn)行焦炭識別,采用預(yù)先標(biāo)記好的焦炭顆粒標(biāo)簽離線訓(xùn)練,輸入到FCN深度學(xué)習(xí)模型中進(jìn)行在線識別焦炭顆粒。然后進(jìn)行焦炭長徑及短徑計算,利用公式(1)計算得出焦炭的粒度,最終通過大量的焦炭粒度計算,得出焦炭的粒徑分布。

2  在線檢測結(jié)果與討論

2.1  2500m3高爐操作參數(shù)

2500m3高爐鐵口3個,風(fēng)口30個,風(fēng)口直徑為120mm。鐵水[Si] 0.35%,鐵水溫度為1504.31℃.

爐渣二元堿度為1.23

高爐的主要操作參數(shù)見表1,焦炭質(zhì)量指標(biāo)見表2。

2.2  風(fēng)口焦炭圖像采集

高爐風(fēng)口焦炭圖像采集裝置如圖4所示,包括耐高溫防塵套管、圖像采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、圖像儲存及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),圖像采集系統(tǒng)包括CCD工業(yè)相機(jī)及鏡頭。由于高爐實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場高溫及灰塵對圖像采集過程形成了干擾,本系統(tǒng)中集成了耐高溫防塵套管。將高爐風(fēng)口焦炭粒度檢測裝置放度置于2500m3高爐的風(fēng)口端,由于噴煤過程形成的煤粉云遮擋了圖像中的部分區(qū)域，因此本研究中采集了不噴煤即全焦冶煉過程的風(fēng)口圖像。風(fēng)口端輻射出的回旋區(qū)光線,經(jīng)過直吹管和風(fēng)口窺視孔,被采集系統(tǒng)的CCD工業(yè)相機(jī)所采集,CCD系統(tǒng)的圖像信號由傳輸系統(tǒng)傳輸至圖像儲存及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。所采集的高爐風(fēng)口焦炭圖像如圖5所示,右上側(cè)黑色棒狀區(qū)域?yàn)槊悍蹣?顏色較深的近似圓形區(qū)域?yàn)榻固款w粒。

2.3  風(fēng)口焦炭粒度結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)用語義分割深度學(xué)習(xí)模型在線檢測得到的焦炭顆粒與人工識別結(jié)果是否相符,將圖5中的全焦冶煉風(fēng)口圖像中的焦炭顆粒采用人工識別并標(biāo)記,其焦炭顆粒如圖6(a)所示。用離線訓(xùn)練數(shù)據(jù)集及深度學(xué)習(xí)模型在線檢測的焦炭顆粒結(jié)果如圖6(b)所示,人工標(biāo)記的焦炭顆粒與采用深度學(xué)習(xí)模型在線識別的結(jié)果一致性較好。說明采用深度學(xué)習(xí)模型在線識別焦炭顆?？尚星医Y(jié)果準(zhǔn)確。

高爐風(fēng)口焦炭粒度檢測結(jié)果及粒徑分布結(jié)果如圖7所示,焦炭粒度范圍為12.10mm到36.54 mm焦炭粒度分布隨著時間的增加呈現(xiàn)出粒度先減小后增大的趨勢,這可能與高爐回旋區(qū)坍塌周期有關(guān)。風(fēng)口焦炭平均粒徑為25. 68mm,平均粒徑相對入爐時的下降率為46.43%。從圖7 (b)可知,焦炭粒徑分布最多的粒徑范圍為25 ~30mm,最少的粒徑范圍為10~15mm及35 ~40mm。以上檢測結(jié)果與寶鋼、首鋼等采用風(fēng)口焦炭取樣粒徑范圍相符[5-7],再次驗(yàn)證了采用機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)模型在線檢測風(fēng)口焦炭粒度的可行性及準(zhǔn)確性。

2.4  焦炭粒度檢測結(jié)果應(yīng)用

首鋼竺維春等提出了應(yīng)用風(fēng)口前焦炭粒徑計算高爐風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度的經(jīng)驗(yàn)公式[7],其焦粒度采用風(fēng)口前焦炭取樣結(jié)果。對于本文中風(fēng)口前回旋區(qū)斷面處計算的焦炭粒度,應(yīng)對計算公式進(jìn)修正,以指導(dǎo)高爐生產(chǎn)實(shí)踐操作,為高爐提高噴煤量,以及進(jìn)一步研究焦炭在高爐中的裂化機(jī)理奠基礎(chǔ)。

研究表明,2000 m3到3000 m3高爐風(fēng)口焦炭帶長度為2.5m左右,因此以2.5m為基準(zhǔn),采用本研究得到的焦炭粒度對風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度進(jìn)行修正,結(jié)果如下:Lc=-10.07740+01047xVb+0. 04996xDc+0. 104xM40 

(2)式中

L C---風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度,m;

Vb-實(shí)際風(fēng)速,m/s;

Dc---風(fēng)口焦炭粒度,mm;

M40--焦炭抗碎強(qiáng)度,%。

由公式(2)可知,風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度增加有利于活躍爐缸,在日常高爐操作中,應(yīng)盡可能提高焦炭冷態(tài)強(qiáng)度及焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度CSR,這樣才能增加風(fēng)口焦炭粒度;同時提高高爐的實(shí)際風(fēng)速也有助于增加風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度。

我國大高爐的焦炭抗碎強(qiáng)度M40穩(wěn)定性不足,各個企業(yè)之間的差異較大[8],因此,高爐操作還要在提高焦炭質(zhì)量方面下功夫,切實(shí)提高高爐焦炭的強(qiáng)度及粒徑,以進(jìn)一步降低焦炭在高爐內(nèi)的裂化,提高風(fēng)口前焦炭粒度。同時也間接地增加風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度。

3  結(jié)論

(1)采用語義分割深度學(xué)習(xí)模型開發(fā)了高爐風(fēng)口焦炭粒度在線檢測裝置,并將該裝置應(yīng)用于國內(nèi)某鋼廠2500m3高爐全焦冶煉時期的風(fēng)口焦炭粒度研究。結(jié)果表明:風(fēng)口焦炭粒度范圍為12.10~36.54 mm;焦炭粒度分布隨著時間的增加呈現(xiàn)出粒度先減小后增大的趨勢,風(fēng)口焦炭平均粒徑為25.68 mm ,相對入爐時的平均粒度下降率46.43%,焦炭分布最多的粒徑范圍為25 ~30mm。

在線檢測結(jié)果與風(fēng)口焦炭取樣粒徑范圍相符,驗(yàn)證了在線檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)基于風(fēng)口前焦炭在線檢測結(jié)果,對風(fēng)口回旋區(qū)焦炭帶長度計算公式進(jìn)行了修正,使之符合風(fēng)口前回旋區(qū)斷面處焦炭粒度與其焦炭帶長度的關(guān)系。

(3)高爐風(fēng)口焦炭粒度在線檢測裝置為研究高爐內(nèi)焦炭裂化機(jī)理及回旋區(qū)形成機(jī)理奠定了基礎(chǔ),同時也為采用機(jī)器視覺及深度學(xué)習(xí)在線檢測復(fù)雜環(huán)境顆粒粒度提供了新思路。

4  參考文獻(xiàn)

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[8] 周東東,姜 曦,周 翔.2016年上半年中國大高爐生產(chǎn)指標(biāo)淺析[J],中國冶金,2016,26 (12) :1-5.