基于圖像識別技術的鋁精煉爐全自動扒渣機

韓魯明，宋寶慶，王元，凌子愚

（1.濟南北興機械設備有限公司，山東 濟南 250000；2.山東省冶金科學研究院，山東 濟南 250000）

1 前言

在鋁合金精煉過程中，產生的爐渣需要及時扒出清除。現有的清除方式多為人工用渣耙或人工操作的扒渣機扒出，普遍存在效率低、扒渣時間長、鋁液帶出多、環境溫度高、勞動強度大、精煉質量低、拔渣不干凈、容易產生鋁液飛濺和煙氣溢出等一系列危害及弊端，并存在無法按照工藝要求進行精煉，導致精煉粉無法完全與鋁溶液全面融合的現象，從而影響產品質量。

部分企業采用的進口拔渣車價格一般都在數百萬人民幣左右，同時需要配備專業的拔渣車操作人員，且維護運行成本比較高，一旦車輛出現問題，需要專業人員進行維修保養，不僅影響正常生產，其維修所需的資金也比較大。此外，拔渣車在實際使用中還存在人為操作因素損壞熔煉爐壁的情況，所以需要車輛操作人員非常仔細認真，要防止對爐壁和爐門框的刮擦損壞，對車輛操作、管理和使用維護也有很高的要求。采用拔渣車只是實現了半機械化扒渣，但鋁液精煉問題還是需要人工參與，并沒有節省多少人工成本，反而是增加了很多無形的成本，對用戶的現場質量管理也無法做到精藝管理要求。

人工扒渣時，由于受環境高溫的影響，容易讓工作人員在扒渣時出現浮渣處理不凈就放鋁水，極易出現質量問題，同時對熔鋁爐爐壁容易造成浮渣粘連，給后續的熔鋁爐清理帶來影響，爐渣過多還容易影響到熔鋁爐的實際有效容積，造成能源浪費。

針對這種情況，我們專門開發了一種基于圖像識別技術的鋁精煉爐智能全自動扒渣機，能夠很好的解決上述問題，現將該設備主要功能和使用情況介紹如下。

2 全自動扒渣機

2.1 系統組成

全自動扒渣機主要包括圖像識別系統、自動控制系統和執行機械等三大系統，控制箱頂端設有水平旋轉臺，水平旋轉臺內部活動設有扒渣機械臂，水平旋轉臺側壁設有升降電機，升降電機頂端和扒渣機械臂連接，扒渣機械臂一端設有移動伸縮鏈條，扒渣機械臂另一端設有扒渣扒手，扒渣機械臂上設有自動精煉桿。

圖1 全自動扒渣機的結構示意圖

2.2 工作原理

基于圖像識別技術的全自動扒渣機是一種具有人工智能的自動化設備，包括視覺識別系統、自動控制系統和機械執行系統。具有人工視覺功能的圖像識別系統通過對液面渣量和位置的圖像自動識別并發出程序和控制指令，指揮機械手自動完成全部扒渣動作，并可控制精煉桿插入到鋁水液面下的深度，通過控制系統精準控制精煉噴粉工藝過程。

鋁水中浮渣的圖像檢測技術采用目前最先進的深度學習方法進行學習浮渣特征，特征學習完畢后將學習后得出的模型數據錄入到視覺分析系統中，系統會自動找出浮渣位置。

鋁水液面采用區域劃分方式，區域劃分范圍跟扒渣機渣扒手的寬度一致（如圖3、4所示為區域劃分扒渣后的鋁水面存在的區域），這樣在某一區域的浮渣就能夠通過一次扒渣進行清理，大大提高了扒渣效率和扒凈率。

控制系統和鋁水液位高度自動檢測系統連接，通過鋁水液位高度自動檢測系統檢測到熔鋁爐內部的鋁水液位高度，通過計算后得出需要進行的精煉及扒渣高度，指揮控制扒渣機械臂的位置、角度和伸入熔鋁爐內部的長度，對熔鋁爐內部進行自動扒渣和精煉噴粉，扒渣完畢后設備自動回到等待位置，等待下一次的動作。

3 使用效果

該全自動扒渣機系統已在山東某企業30噸天然氣鋁精煉爐上連續使用一年以上，投資造價不到進口扒渣車費用的一半，運行效果良好，深受企業歡迎。完成扒渣的時間只有人工扒渣的1/3，扒凈率也遠高于人工扒渣，整個扒渣過程干凈、安全、高效。原有的精煉及扒渣工藝需要現場每臺熔爐需要配備工作人員2-3名，同時在實際操作中由于工作人員受高溫環境及煙氣污染的影響，不能夠按照工藝操作，容易造成產品質量不合格，扒渣時間過長切拔不凈也容易造成產品質量影響。根據冶煉周期的不同，一臺扒渣機可以同時為3-5臺精煉爐提供扒渣服務，生產效率大幅提高，大大降低了人工成本。采用全自動扒渣及精煉設備后，現場可不用留有工作人員，只需對控制室留有1名工作人員，對企業的人員工資支出直接降低90%，同時由于設備是按照程序設定自動運行，所以對產品質量有非常顯著的提升。

全自動扒渣機具有扒渣和精煉兩方面的功能，能夠滿足用戶現場的實際需求，全自動扒渣機不需要專業的操作人員進行操作，只需要工人按一下啟動按鈕就能自動完成所有工藝動作，而且全自動扒渣機可以實現聯網功能，能夠將全自動扒渣機的控制進行遠程集中控制，如果用戶現場需要用到多臺自動扒渣機，則只需要設計一個集中控制室就能夠解決現場所有熔煉爐的精煉及拔渣工藝操作，大大降低了企業的用工成本，扒渣拔凈率遠超人工方式，對產品質量有非常顯著的提升，降低了企業的廢品率，生產效率明顯提高，經濟效益顯著。

圖2 扒渣機工作圖照（一）開始扒渣

圖3 扒渣機工作圖照（二）正在扒渣

圖4 扒渣機扒渣后的鋁液面效果

從上圖可以看出，經扒渣機扒渣后的鋁液面非常干凈，視野內無殘渣存留，扒渣效果大大優于人工扒渣。

由于采用伺服電機作為動力，無須配備其它的能源，降低了企業的管理成本，同時全自動扒渣機年更換配件及維護成本極低。通過用戶實際測算，全自動扒渣機年配件維護費用大概在2萬人民幣左右，而且這個費用中還包含了5000左右的潤滑油的費用，實際使用費用基本在1.5萬左右。實際生產表明，采用全自動扒渣機后熔煉鋁所用物料噸耗都顯著降低，其中液氮噸耗由原來的3.79公斤/噸降低到3.59公斤/噸，天然氣噸耗由原來的7.53M3/噸降低到了7.0M3/噸，顯著降低了企業的生產成本。

4 結語

這套具有圖像識別系統的全自動扒智能渣機具備自動扒渣和自動噴粉精煉兩方面功能，成功解決了現有鋁精煉爐人工和半機械化扒渣所存在的一系列弊端，很好地滿足了用戶的生產實際需求，不僅提高了生產效率和產品質量，還可大幅降低生產和人工成本，使用安全，性能可靠，在實際使用中顯示出了良好的效果和優異的推廣使用價值。該全自動扒渣機的成功研制和投用，大大提升了有色爐窯的裝備自動化水平，解決了以往扒渣過程對整個精煉生產全過程自動化的制約，為今后鋁業生產改造升級為類似鋼鐵行業的“一鍵煉鋼”的智能化“一鍵煉鋁”創造了很好的設備條件。作為國內首臺基于圖像識別控制系統的全自動扒渣機，已申報國家發明專利。該設備的先進性和有效性已在現實生產實踐中得到很好的驗證，相信在不久的將來會得到越來越廣泛的應用。