基于图像识别技术的铝精炼炉全自动扒渣机

韩鲁明，宋宝庆，王元，凌子愚

（1.济南北兴机械设备有限公司，山东 济南 250000；2.山东省冶金科学研究院，山东 济南 250000）

1 前言

在铝合金精炼过程中，产生的炉渣需要及时扒出清除。现有的清除方式多为人工用渣耙或人工操作的扒渣机扒出，普遍存在效率低、扒渣时间长、铝液带出多、环境温度高、劳动强度大、精炼质量低、拔渣不干净、容易产生铝液飞溅和烟气溢出等一系列危害及弊端，并存在无法按照工艺要求进行精炼，导致精炼粉无法完全与铝溶液全面融合的现象，从而影响产品质量。

部分企业采用的进口拔渣车价格一般都在数百万人民币左右，同时需要配备专业的拔渣车操作人员，且维护运行成本比较高，一旦车辆出现问题，需要专业人员进行维修保养，不仅影响正常生产，其维修所需的资金也比较大。此外，拔渣车在实际使用中还存在人为操作因素损坏熔炼炉壁的情况，所以需要车辆操作人员非常仔细认真，要防止对炉壁和炉门框的刮擦损坏，对车辆操作、管理和使用维护也有很高的要求。采用拔渣车只是实现了半机械化扒渣，但铝液精炼问题还是需要人工参与，并没有节省多少人工成本，反而是增加了很多无形的成本，对用户的现场质量管理也无法做到精艺管理要求。

人工扒渣时，由于受环境高温的影响，容易让工作人员在扒渣时出现浮渣处理不净就放铝水，极易出现质量问题，同时对熔铝炉炉壁容易造成浮渣粘连，给后续的熔铝炉清理带来影响，炉渣过多还容易影响到熔铝炉的实际有效容积，造成能源浪费。

针对这种情况，我们专门开发了一种基于图像识别技术的铝精炼炉智能全自动扒渣机，能够很好的解决上述问题，现将该设备主要功能和使用情况介绍如下。

2 全自动扒渣机

2.1 系统组成

全自动扒渣机主要包括图像识别系统、自动控制系统和执行机械等三大系统，控制箱顶端设有水平旋转台，水平旋转台内部活动设有扒渣机械臂，水平旋转台侧壁设有升降电机，升降电机顶端和扒渣机械臂连接，扒渣机械臂一端设有移动伸缩链条，扒渣机械臂另一端设有扒渣扒手，扒渣机械臂上设有自动精炼杆。

图1 全自动扒渣机的结构示意图

2.2 工作原理

基于图像识别技术的全自动扒渣机是一种具有人工智能的自动化设备，包括视觉识别系统、自动控制系统和机械执行系统。具有人工视觉功能的图像识别系统通过对液面渣量和位置的图像自动识别并发出程序和控制指令，指挥机械手自动完成全部扒渣动作，并可控制精炼杆插入到铝水液面下的深度，通过控制系统精准控制精炼喷粉工艺过程。

铝水中浮渣的图像检测技术采用目前最先进的深度学习方法进行学习浮渣特征，特征学习完毕后将学习后得出的模型数据录入到视觉分析系统中，系统会自动找出浮渣位置。

铝水液面采用区域划分方式，区域划分范围跟扒渣机渣扒手的宽度一致（如图3、4所示为区域划分扒渣后的铝水面存在的区域），这样在某一区域的浮渣就能够通过一次扒渣进行清理，大大提高了扒渣效率和扒净率。

控制系统和铝水液位高度自动检测系统连接，通过铝水液位高度自动检测系统检测到熔铝炉内部的铝水液位高度，通过计算后得出需要进行的精炼及扒渣高度，指挥控制扒渣机械臂的位置、角度和伸入熔铝炉内部的长度，对熔铝炉内部进行自动扒渣和精炼喷粉，扒渣完毕后设备自动回到等待位置，等待下一次的动作。

3 使用效果

该全自动扒渣机系统已在山东某企业30吨天然气铝精炼炉上连续使用一年以上，投资造价不到进口扒渣车费用的一半，运行效果良好，深受企业欢迎。完成扒渣的时间只有人工扒渣的1/3，扒净率也远高于人工扒渣，整个扒渣过程干净、安全、高效。原有的精炼及扒渣工艺需要现场每台熔炉需要配备工作人员2-3名，同时在实际操作中由于工作人员受高温环境及烟气污染的影响，不能够按照工艺操作，容易造成产品质量不合格，扒渣时间过长切拔不净也容易造成产品质量影响。根据冶炼周期的不同，一台扒渣机可以同时为3-5台精炼炉提供扒渣服务，生产效率大幅提高，大大降低了人工成本。采用全自动扒渣及精炼设备后，现场可不用留有工作人员，只需对控制室留有1名工作人员，对企业的人员工资支出直接降低90%，同时由于设备是按照程序设定自动运行，所以对产品质量有非常显著的提升。

全自动扒渣机具有扒渣和精炼两方面的功能，能够满足用户现场的实际需求，全自动扒渣机不需要专业的操作人员进行操作，只需要工人按一下启动按钮就能自动完成所有工艺动作，而且全自动扒渣机可以实现联网功能，能够将全自动扒渣机的控制进行远程集中控制，如果用户现场需要用到多台自动扒渣机，则只需要设计一个集中控制室就能够解决现场所有熔炼炉的精炼及拔渣工艺操作，大大降低了企业的用工成本，扒渣拔净率远超人工方式，对产品质量有非常显著的提升，降低了企业的废品率，生产效率明显提高，经济效益显著。

图2 扒渣机工作图照（一）开始扒渣

图3 扒渣机工作图照（二）正在扒渣

图4 扒渣机扒渣后的铝液面效果

从上图可以看出，经扒渣机扒渣后的铝液面非常干净，视野内无残渣存留，扒渣效果大大优于人工扒渣。

由于采用伺服电机作为动力，无须配备其它的能源，降低了企业的管理成本，同时全自动扒渣机年更换配件及维护成本极低。通过用户实际测算，全自动扒渣机年配件维护费用大概在2万人民币左右，而且这个费用中还包含了5000左右的润滑油的费用，实际使用费用基本在1.5万左右。实际生产表明，采用全自动扒渣机后熔炼铝所用物料吨耗都显著降低，其中液氮吨耗由原来的3.79公斤/吨降低到3.59公斤/吨，天然气吨耗由原来的7.53M³/吨降低到了7.0M³/吨，显著降低了企业的生产成本。

4 结语

这套具有图像识别系统的全自动扒智能渣机具备自动扒渣和自动喷粉精炼两方面功能，成功解决了现有铝精炼炉人工和半机械化扒渣所存在的一系列弊端，很好地满足了用户的生产实际需求，不仅提高了生产效率和产品质量，还可大幅降低生产和人工成本，使用安全，性能可靠，在实际使用中显示出了良好的效果和优异的推广使用价值。该全自动扒渣机的成功研制和投用，大大提升了有色炉窑的装备自动化水平，解决了以往扒渣过程对整个精炼生产全过程自动化的制约，为今后铝业生产改造升级为类似钢铁行业的“一键炼钢”的智能化“一键炼铝”创造了很好的设备条件。作为国内首台基于图像识别控制系统的全自动扒渣机，已申报国家发明专利。该设备的先进性和有效性已在现实生产实践中得到很好的验证，相信在不久的将来会得到越来越广泛的应用。