基于圖像識(shí)別技術(shù)的鋁精煉爐全自動(dòng)扒渣機(jī)

韓魯明，宋寶慶，王元，凌子愚

（1.濟(jì)南北興機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省冶金科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250000）

1 前言

在鋁合金精煉過(guò)程中，產(chǎn)生的爐渣需要及時(shí)扒出清除。現(xiàn)有的清除方式多為人工用渣耙或人工操作的扒渣機(jī)扒出，普遍存在效率低、扒渣時(shí)間長(zhǎng)、鋁液帶出多、環(huán)境溫度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、精煉質(zhì)量低、拔渣不干凈、容易產(chǎn)生鋁液飛濺和煙氣溢出等一系列危害及弊端，并存在無(wú)法按照工藝要求進(jìn)行精煉，導(dǎo)致精煉粉無(wú)法完全與鋁溶液全面融合的現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

部分企業(yè)采用的進(jìn)口拔渣車價(jià)格一般都在數(shù)百萬(wàn)人民幣左右，同時(shí)需要配備專業(yè)的拔渣車操作人員，且維護(hù)運(yùn)行成本比較高，一旦車輛出現(xiàn)問(wèn)題，需要專業(yè)人員進(jìn)行維修保養(yǎng)，不僅影響正常生產(chǎn)，其維修所需的資金也比較大。此外，拔渣車在實(shí)際使用中還存在人為操作因素?fù)p壞熔煉爐壁的情況，所以需要車輛操作人員非常仔細(xì)認(rèn)真，要防止對(duì)爐壁和爐門框的刮擦損壞，對(duì)車輛操作、管理和使用維護(hù)也有很高的要求。采用拔渣車只是實(shí)現(xiàn)了半機(jī)械化扒渣，但鋁液精煉問(wèn)題還是需要人工參與，并沒(méi)有節(jié)省多少人工成本，反而是增加了很多無(wú)形的成本，對(duì)用戶的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理也無(wú)法做到精藝管理要求。

人工扒渣時(shí)，由于受環(huán)境高溫的影響，容易讓工作人員在扒渣時(shí)出現(xiàn)浮渣處理不凈就放鋁水，極易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)對(duì)熔鋁爐爐壁容易造成浮渣粘連，給后續(xù)的熔鋁爐清理帶來(lái)影響，爐渣過(guò)多還容易影響到熔鋁爐的實(shí)際有效容積，造成能源浪費(fèi)。

針對(duì)這種情況，我們專門開(kāi)發(fā)了一種基于圖像識(shí)別技術(shù)的鋁精煉爐智能全自動(dòng)扒渣機(jī)，能夠很好的解決上述問(wèn)題，現(xiàn)將該設(shè)備主要功能和使用情況介紹如下。

2 全自動(dòng)扒渣機(jī)

2.1 系統(tǒng)組成

全自動(dòng)扒渣機(jī)主要包括圖像識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)械等三大系統(tǒng)，控制箱頂端設(shè)有水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)，水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部活動(dòng)設(shè)有扒渣機(jī)械臂，水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)側(cè)壁設(shè)有升降電機(jī)，升降電機(jī)頂端和扒渣機(jī)械臂連接，扒渣機(jī)械臂一端設(shè)有移動(dòng)伸縮鏈條，扒渣機(jī)械臂另一端設(shè)有扒渣扒手，扒渣機(jī)械臂上設(shè)有自動(dòng)精煉桿。

圖1 全自動(dòng)扒渣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

基于圖像識(shí)別技術(shù)的全自動(dòng)扒渣機(jī)是一種具有人工智能的自動(dòng)化設(shè)備，包括視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)。具有人工視覺(jué)功能的圖像識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)對(duì)液面渣量和位置的圖像自動(dòng)識(shí)別并發(fā)出程序和控制指令，指揮機(jī)械手自動(dòng)完成全部扒渣動(dòng)作，并可控制精煉桿插入到鋁水液面下的深度，通過(guò)控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制精煉噴粉工藝過(guò)程。

鋁水中浮渣的圖像檢測(cè)技術(shù)采用目前最先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)浮渣特征，特征學(xué)習(xí)完畢后將學(xué)習(xí)后得出的模型數(shù)據(jù)錄入到視覺(jué)分析系統(tǒng)中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)找出浮渣位置。

鋁水液面采用區(qū)域劃分方式，區(qū)域劃分范圍跟扒渣機(jī)渣扒手的寬度一致（如圖3、4所示為區(qū)域劃分扒渣后的鋁水面存在的區(qū)域），這樣在某一區(qū)域的浮渣就能夠通過(guò)一次扒渣進(jìn)行清理，大大提高了扒渣效率和扒凈率。

控制系統(tǒng)和鋁水液位高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)連接，通過(guò)鋁水液位高度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到熔鋁爐內(nèi)部的鋁水液位高度，通過(guò)計(jì)算后得出需要進(jìn)行的精煉及扒渣高度，指揮控制扒渣機(jī)械臂的位置、角度和伸入熔鋁爐內(nèi)部的長(zhǎng)度，對(duì)熔鋁爐內(nèi)部進(jìn)行自動(dòng)扒渣和精煉噴粉，扒渣完畢后設(shè)備自動(dòng)回到等待位置，等待下一次的動(dòng)作。

3 使用效果

該全自動(dòng)扒渣機(jī)系統(tǒng)已在山東某企業(yè)30噸天然氣鋁精煉爐上連續(xù)使用一年以上，投資造價(jià)不到進(jìn)口扒渣車費(fèi)用的一半，運(yùn)行效果良好，深受企業(yè)歡迎。完成扒渣的時(shí)間只有人工扒渣的1/3，扒凈率也遠(yuǎn)高于人工扒渣，整個(gè)扒渣過(guò)程干凈、安全、高效。原有的精煉及扒渣工藝需要現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)熔爐需要配備工作人員2-3名，同時(shí)在實(shí)際操作中由于工作人員受高溫環(huán)境及煙氣污染的影響，不能夠按照工藝操作，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格，扒渣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)切拔不凈也容易造成產(chǎn)品質(zhì)量影響。根據(jù)冶煉周期的不同，一臺(tái)扒渣機(jī)可以同時(shí)為3-5臺(tái)精煉爐提供扒渣服務(wù)，生產(chǎn)效率大幅提高，大大降低了人工成本。采用全自動(dòng)扒渣及精煉設(shè)備后，現(xiàn)場(chǎng)可不用留有工作人員，只需對(duì)控制室留有1名工作人員，對(duì)企業(yè)的人員工資支出直接降低90%，同時(shí)由于設(shè)備是按照程序設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行，所以對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有非常顯著的提升。

全自動(dòng)扒渣機(jī)具有扒渣和精煉兩方面的功能，能夠滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，全自動(dòng)扒渣機(jī)不需要專業(yè)的操作人員進(jìn)行操作，只需要工人按一下啟動(dòng)按鈕就能自動(dòng)完成所有工藝動(dòng)作，而且全自動(dòng)扒渣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，能夠?qū)⑷詣?dòng)扒渣機(jī)的控制進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，如果用戶現(xiàn)場(chǎng)需要用到多臺(tái)自動(dòng)扒渣機(jī)，則只需要設(shè)計(jì)一個(gè)集中控制室就能夠解決現(xiàn)場(chǎng)所有熔煉爐的精煉及拔渣工藝操作，大大降低了企業(yè)的用工成本，扒渣拔凈率遠(yuǎn)超人工方式，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有非常顯著的提升，降低了企業(yè)的廢品率，生產(chǎn)效率明顯提高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖2 扒渣機(jī)工作圖照（一）開(kāi)始扒渣

圖3 扒渣機(jī)工作圖照（二）正在扒渣

圖4 扒渣機(jī)扒渣后的鋁液面效果

從上圖可以看出，經(jīng)扒渣機(jī)扒渣后的鋁液面非常干凈，視野內(nèi)無(wú)殘?jiān)媪?，扒渣效果大大?yōu)于人工扒渣。

由于采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力，無(wú)須配備其它的能源，降低了企業(yè)的管理成本，同時(shí)全自動(dòng)扒渣機(jī)年更換配件及維護(hù)成本極低。通過(guò)用戶實(shí)際測(cè)算，全自動(dòng)扒渣機(jī)年配件維護(hù)費(fèi)用大概在2萬(wàn)人民幣左右，而且這個(gè)費(fèi)用中還包含了5000左右的潤(rùn)滑油的費(fèi)用，實(shí)際使用費(fèi)用基本在1.5萬(wàn)左右。實(shí)際生產(chǎn)表明，采用全自動(dòng)扒渣機(jī)后熔煉鋁所用物料噸耗都顯著降低，其中液氮噸耗由原來(lái)的3.79公斤/噸降低到3.59公斤/噸，天然氣噸耗由原來(lái)的7.53M3/噸降低到了7.0M3/噸，顯著降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

4 結(jié)語(yǔ)

這套具有圖像識(shí)別系統(tǒng)的全自動(dòng)扒智能渣機(jī)具備自動(dòng)扒渣和自動(dòng)噴粉精煉兩方面功能，成功解決了現(xiàn)有鋁精煉爐人工和半機(jī)械化扒渣所存在的一系列弊端，很好地滿足了用戶的生產(chǎn)實(shí)際需求，不僅提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還可大幅降低生產(chǎn)和人工成本，使用安全，性能可靠，在實(shí)際使用中顯示出了良好的效果和優(yōu)異的推廣使用價(jià)值。該全自動(dòng)扒渣機(jī)的成功研制和投用，大大提升了有色爐窯的裝備自動(dòng)化水平，解決了以往扒渣過(guò)程對(duì)整個(gè)精煉生產(chǎn)全過(guò)程自動(dòng)化的制約，為今后鋁業(yè)生產(chǎn)改造升級(jí)為類似鋼鐵行業(yè)的“一鍵煉鋼”的智能化“一鍵煉鋁”創(chuàng)造了很好的設(shè)備條件。作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于圖像識(shí)別控制系統(tǒng)的全自動(dòng)扒渣機(jī)，已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利。該設(shè)備的先進(jìn)性和有效性已在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中得到很好的驗(yàn)證，相信在不久的將來(lái)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。