研究背景:

在当今钢铁行业中，“节能减排、绿色低碳”成为了行业发展的重要主题之一。高炉作为钢铁冶炼中最关键的设备，其能耗和成本约占钢铁制造过程综合能耗和成本的60%~70%，CO₂排放占比在90%以上，具有显著的高碳特性，因此，控制高炉的能耗是实现钢铁行业绿色生产的关键。高炉炉顶是高炉运行和精细控制的核心窗口，高炉料面形貌信息作为炉顶控制最关键的参数，能有效反映炉内运行情况及炉顶流场分布状况，对于指导精细化布料、改善煤气流和粉尘分布、保障高炉顺行、节能减排具有重要参考意义。然而高炉内部复杂多变的环境，严重限制了传统料面形貌检测设备的检测范围和性能，致使设备难以获取清晰高亮的料面形貌视频。因此，亟需研制全新的检测设备，克服高炉内恶劣环境，获取稳定可靠的高炉料面形貌信息。

本项工作提出了基于星光级高温工业内窥镜的料面检测方法。该方法，首先，为了提高内窥镜在星光环境下的成像质量，设计了一种大景深、宽视场的星光光学成像系统。具体而言，采用反向长焦结构和高透射霍普金斯中继透镜来增加视场并最小化光学系统的光损失，使内窥镜具有极宽的成像范围和大视场特性，实现星光级成像性能。其次，为了保证高炉炉顶恶劣环境下的长期稳定运行，开发了水—气双冷却智能自维护防护装置。再次，为获取完整的料面形貌信息，建立了内窥镜最大料面成像优化模型。基于料流轨迹模型和炉顶粉尘分布模型，确定了优化模型的约束条件。最后，利用粒子群优化算法，获得了内窥镜的最佳安装方案，使内窥镜能够捕捉完整的炉料表面图像，同时避免了高炉炉顶内部的物料流动和高浓度粉尘，为高炉现场操作提供了充足的冶炼状态信息。

成果介绍：

中南大学自动化学院陈致蓬副教授团队研制了一种星光高温工业内窥镜，该工业内窥镜能在高炉内部极弱光条件下，获取高清、高亮的炉顶料面形貌视频图像，为冶炼现场提供充分的炉顶运行状态信息。研究成果“A Novel Sensing Imaging Equipment under Extremely Dim Light for Blast Furnace Burden Surface: Starlight High-temperature Industrial Endoscope” 发表于IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 2024年第十一卷第四期。

首先，本文设计了大景深、宽视场、星光级光学成像系统，根据高炉环境相关数据设计其性能指标，并基于光学原理设计光学成像系统的光路及结构，最后对设计的光学系统成像质量进行评价，确保其满足性能指标。成像系统光路镜组结构如图1所示，系统结构如图2所示。

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图1 大景深、宽视场、星光级光学成像系统光路及镜组结构图

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图2 大景深、宽视场、星光级光学成像系统结构图

为保证工业内窥镜在恶劣环境下长期稳定运行，设计的水-气双冷却智能自维护防护装置结构如图3所示，其中前套外壳、后套外壳、固定套环、水冷回路与气冷回路构成水-气双冷却防护装置，清洗喷头、舵机、遮光盖等机械部件组成智能自维护装置。 

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图3  水-气双冷却智能自维护防护装置结构图

最终设计的星光级高温工业内窥镜结构及原型机如图4所示。

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图4  (a)大景深、宽视场、星光级高温工业内窥镜结构 (b)原型机

此外，在本文提出的基于星光级高温工业内窥镜的料面检测方法中，其安装位姿的设计是关键。该设计需克服三大难题：第一，设备必须安装在高炉炉顶无料流区域，防止料流颗粒对内窥镜造成损坏；第二，设备需安装在高炉炉顶低粉尘区域，回避高炉炉顶内粉尘与煤气流交互相间作用；第三，安装后设备镜头距高炉标准料面的垂直距离必须保证设备获取的料面成像面积大，拍摄得到的料面信息完整。基于以上三点，针对本文实验的2650m³高炉而言，首先基于高炉料面图像取像面积模型建立了内窥镜最大料面成像优化模型如图5所示； 

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图5星光高温工业内窥镜取像视场模型

其次建立布料料流轨迹模型如图6(a)所示及炉顶粉尘耦合分布k−Sε−up模型如图6(b)所示，获取炉顶无料流、低粉尘的安全安装区域，确定优化模型约束条件。

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图6 (a)布料料流运动轨迹模型 (b)炉顶粉尘分布模型

最后基于现场数据计算给出本文设计的星光级高温工业内窥镜的最优安装位姿配置如图7(a)所示，现场安装结果如图7(b)所示。

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图7 (a)星光高温工业内窥镜安装方案 (b)现场安装结果

最终，星光级高温工业内窥镜在整个高炉运行阶段所捕获的图像如图8所示。图8(a)至图8(c)为冶炼过程中布料阶段炉料表面图像。相比于现有的高温工业内窥镜，星光级高温工业内窥镜不仅能够捕获高炉正常运行时的料面图像，还能获取异常炉况发生时的图像。图8(d)至图8(f)展现了异常的喷溅炉况，可以看到喷溅出的炉料形成如图所示的亮点落于边缘区域，同时由于喷溅炉况的发生，炉顶产生较多粉尘，降低了图像的分辨率。图8(g)至图8(i)显示了炉顶喷水时的料面图像，炉顶上空被水汽及粉尘笼罩，但仍能观察到水柱的形状及料面的大致形貌；同时，经过炉顶喷水，能明显看出图像高亮处变暗，即炉料的喷溅火焰逐渐熄灭。

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图8 星光高温工业内窥镜获取料面形貌图

作者及团队:

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陈致蓬，中南大学副教授，2012年硕士毕业于湘潭大学，2018博士毕业于中南大学，主要研究兴趣包括冶金过程的仪器检测、建模和控制。

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王新羿，中南大学硕士研究生，2021年本科毕业于中南大学，主要研究方向包括图像处理、仪器检测、冶金过程建模和控制。

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桂卫华，中南大学教授，分别于1976年和1981年获得中南大学自动控制工程学士学位和工程硕士学位。1986年至1988年，他是德国杜伊斯堡大学的访问学者，主要研究领域包括复杂工业过程的故障诊断、建模和最优控制。

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朱霁霖，中南大学博士研究生， 2017年获得南京理工大学工程学士学位，2020年获得中南大学学位工程硕士学位，主要研究方向包括仪器检测、图像处理、工业过程建模和监控。

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阳春华，中南大学教授，分别于1988年和2002年在中南大学获得控制科学与工程硕士学位和博士学位。1999年至2001年，她是比利时鲁汶大学的访问学者。

她的研究兴趣包括复杂工业过程的建模和最优控制，智能控制系统。

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蒋朝晖，中南大学教授，分别于2006年和2011年获得中南大学控制科学与工程硕士学位和博士学位，主要研究方向包括仪器检测、图像处理、工业虚拟现实。

感谢本文作者提供以上简介