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面向铁钢界面极致效率的电磁微声技术研究与应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-05-23  作者:乔良颖1 黄伟2 鲁靖2 陆伟2 唐正凯1 史汝川1  浏览次数:680
 
核心提示:摘 要:铁钢界面极致效率是当前钢铁行业特殊环境下,企业降本增效的有效途径,铁水包的智能调度是节约铁水温降并提高铁包周转率的关键技术,其依赖于先进的感知技术来获取信息,而识别跟踪定位技术最为核心。铁水包表面温度高、钢渣散落,在恶劣的环境下长期可靠的识别定位是技术难点。本文研究设计了基于电磁微声(Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA)技术的压电微声芯片,最高工作温度达到450℃;基于复合耐高温材料封装的微声标识器,可耐受1200℃的钢水喷溅;可远距离稳定发射和采集信号
 面向铁钢界面极致效率的电磁微声技术研究与应用

乔良颖1  黄伟2  鲁靖2  陆伟2  唐正凯1  史汝川1

(1 上海交通大学感知科学与工程学院  上海,2 江苏永钢集团  苏州)

摘  要:铁钢界面极致效率是当前钢铁行业特殊环境下,企业降本增效的有效途径,铁水包的智能调度是节约铁水温降并提高铁包周转率的关键技术,其依赖于先进的感知技术来获取信息,而识别跟踪定位技术最为核心。铁水包表面温度高、钢渣散落,在恶劣的环境下长期可靠的识别定位是技术难点。本文研究设计了基于电磁微声(Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA)技术的压电微声芯片,最高工作温度达到450℃;基于复合耐高温材料封装的微声标识器,可耐受1200℃的钢水喷溅;可远距离稳定发射和采集信号的抗干扰雷达;可耐受高温的雷达天线。本技术在江苏永联钢铁进行了实际应用,验证了基于EMMA的识别跟踪定位技术具有长期免维护的显著优势。技术解决了铁钢界面铁水包识别跟踪的难题,已经在全国16家钢铁企业应用,助力铁钢界面极致效率。

关键词:铁钢界面;铁水包识别跟踪;电磁微声技术;智能制造

1 前言

在当前钢铁环境下行的大环境下,各大钢铁企业采取各种技术手段降本增效,提高企业竞争力。随着国家大力推进“新型工业化体系”,智能制造、机器人、人工智能、5G等新兴技术应用到冶金流程工程,在热轧、冷轧等后端流程工序成功应用并产生显著生产效益[1-2],其中,铁钢界面的智能调度,是企业实现千万级降本的有效途径。铁水包作为炼铁-炼钢“界面技术”的核心装备[3-7],承载着铁水串联在高炉、地磅、脱硫、转炉等多个工序。该系统可以达到降低铁水过程温降、提高铁包周转率、提高铁包使用效率、降低运输生产成本、稳定入炉铁水温度、铁包状态监控,实现精益安全生产。铁包的识别跟踪技术是铁包智能化的核心基础感知技术,是上述“界面技术”实现的硬件基础。

传统铁包识别跟踪的方法是依靠肉眼观察记录铁包表面喷涂的号码,手动记录铁包周转信息,这导致铁包信息匹配易出错、周转时间长、钢水温降大等问题。如图1所示,铁包表面温度较高,局部高温区域达到350℃,这为技术上实现识别跟踪定位带来了难题。行业内进行过很多尝试,包括图像识别和RFID技术。图像识别方案基于工业相机[8],通过图像处理算法识别铁包表面喷涂的包号,该方案具有硬件成本低、监控识别一体的优势。然而在恶劣的炼钢炼铁环境中,强光、金属反射、粉尘、振动等因素干扰相机成像质量,包号遭受钢渣覆盖遮挡,需要定期维护铁包号码的清楚、相机镜头的清洁,其次大雨、大雾等恶劣环境也影响相机成像,系统实现高识别率、纯无人化还有较大的技术挑战。另外一种方案为基于半导体的RFID技术方案[9],通过隔热材料保护RFID芯片,设计散热结构,减缓温度传递到芯片,提高芯片高温下的寿命。常规的RFID芯片工作温度上限为125℃,若芯片长期超过200℃会发生电子逃逸等现象,导致芯片不可逆的损坏。因此基于半导体RFID的技术可短期解决铁包包号识别,具有成本低的优点,但是标签高温下的损坏率较高,后续更换损坏标签的维护成本较高。

铁包精准识别跟踪是铁水智慧调度的必备信息感知技术之一,如出现铁包定位跟踪信息的丢失或误判,将会出现铁包生产物流信息不畅、甚至导致浇错钢水等严重后果。因此,铁包定位跟踪技术的识别率须达到100%,且要求长期稳定并免维护。

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图1 (a)炼钢厂内铁包,(b)红外成像的铁包表面温度

鉴于以上工业环境和技术需求,本文提出电磁微声(Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA)技术方案,雷达发射电磁波,经微声芯片转换为声波,再转为电磁波回传信息。该技术的核心微声芯片,是一种制备在压电单晶上的微机电系统,从本质上具有耐高温工作的特点,采用硅酸镓镧等特种单晶制备,最高工作温度可达1200℃。EMMA技术适用于高温熔融金属表面高温的工作环境,是高温熔融金属识别率实现100%的最有可能的路线之一。目前,EMMA技术已经被国际公认为最适合恶劣工业环境中高温设备的识别感知技术之一,该技术应用于钢铁包识别已经被西门子、CTR等公司报道应用[10, 11]

2 电磁微声技术

2.1 工作原理

电磁微声(EMMA)技术的工作原理如图2所示,雷达发射一段查询脉冲电磁波信号,微声芯片收到电磁脉冲之后,可将微弱的电磁脉冲信号转化为声表面波,并在基片上传播。此时微声芯片即已经工作,其反射携带编码信息的回波,经雷达天线接收并解码,得到微声芯片的 ID 信息或者传感信息。

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图2 电磁微声技术的工作原理

系统主要由微声标识器、雷达以及天线组成。其中,微声标识器内的芯片是基于压电材料制作而成,具有耐高温、纯无源、信号穿透能力强、抗干扰能力强、具备温度传感功能等优点,非常适用于特殊恶劣环境下的识别。微声芯片主要由天线、叉指换能器、反射栅、压电基片构成,其中天线与叉指换能器直接相连,反射栅按照一定的编码规律放置在压电基片上,压电基片一般由压电材料制备而成,如铌酸锂、石英、硅酸镓镧等。天线主要用于发射和接收高频电磁波信号;叉指换能器是一种换能元件,由于逆压电效应可激发出声表面波,主要用于实现电信号与声表面波信号的能量转化;反射栅用于反射和透射声表面波。

针对高温熔融金属识别的应用,电磁微声技术的特点为:1、使用寿命长,长期免维护。与IC标签不同,微声标识器所采用的是压电材料,不包含任何电子元器件,因此使用寿命可以远超过IC标签,非常适合设备常年免维护的应用需求。2、最大工作温度高。微声标识器所使用的基片材料和电极,可在350℃下的高温正常工作,配合耐高温天线使用,可以长期工作于高温设备表面 150℃-350℃高温环境,特种定制的微声芯片工作温度可达到400℃、600℃以及1000℃。3、识别准确率高。识别空间内,雷达仅识别1个微声标识器,在常规RFID标签易串扰的环境下,EMMA系统仅识别信号最强的微声标识器,具有极好的单标签识别能力,极低的相邻标签的串扰影响概率。

2.2 耐高温微声芯片

2.2.1 微声芯片

系统核心的微声标识芯片为上海交通大学自主研究,通过微纳加工工艺制备,如图2所示。芯片采用多脉冲位置全反射栅编码于2组槽位(Multi-pulse Position with All Reflectors in Two Groups MPP-ART)的编码方案[12],基底为128°YX-LiNbO3,反射栅的金属薄膜材料为铝。通过矢量网络分析仪测量的时域响应如图5-3所示,5个脉冲分别对应编码反射栅,峰值为-26.58 dB,-26.23 dB,-25.78 dB,-25.59 dB,-25.42 dB,该测试结果说明器件插入损耗低,反射峰信号幅度一致性好。

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图3 (a)微声标识芯片,(b)矢量网络分析仪测试结果

2.2.2 高温性能测试

本文设计开发了一套自动化的高温实验平台,以测试微声芯片的最高工作温度,如图4所示。平台主要功能:1、提供程控高温烘烤的环境;2、实时测量芯片在升温和老化过程中的温度、器件信号幅度和时延等变化,并自动记录数据。

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图4 (a)高温实验自动数据采集平台,(b)退火和升温阶段,微声芯片每个反射峰的损耗变化

基于该平台开展极限耐温试验,验证微声芯片的最高工作温度以及微声芯片在不同温度段的响应,马弗炉的温度设置从常温升温,执行退火过程,然后降温到常温,再进入升温阶段,从50℃到600℃,温度步进间隔为50℃,每个温度段停留1小时,确保马弗炉内微声芯片所处位置的温度场稳定,数据每隔5分钟记录一次。

芯片样品经过退火和升温阶段后,反射栅的损耗变化过程如图 4(b)所示。退火阶段,微声芯片的损耗有所降低,回波幅度在退火高温阶段有所增强,这主要是由于反射栅的Al电极高温氧化成Al2O3,导致电极更重的质量加载,增大了反射栅的反射率。升温阶段,回波的整体损耗呈现逐渐增大的趋势,442℃以下,损耗增大并不显著。直到506℃温度段,损耗明显增大,506℃下持续1小时,微声芯片的插入损耗增大约4dB。569℃下,损耗急剧升高,1小时内器件损坏。但是损耗大幅增加,569℃时,完全没有微声芯片的反射回波,时域和频域均无响应。根据频域的测量结果,可判断是微声芯片的IDT断路。上述测量结果说明制备的微声标识芯片样品在450℃温度段,可较长时间工作,超过500℃,器件仅能短时间工作。

2.3 标识器封装及雷达设计

高温熔融金属所处的环境恶劣,对微声标识器天线和外壳封装的工程设计要求极高。为确保微声标识器可在高温熔融金属表面长期免维护使用,本文采用耐高温、高增益天线,标识器封装外壳选用航空雷达透波复合材料及涂层,可短时间耐受1200℃的钢水。微声标识器如图5(a)所示。主要特点为1、天线及封装材料长期耐受温度达到350℃;2、天线带宽及增益等参数的低温度漂移,确保高温下仍具有远的识别距离;3、封装具备耐受钢水的能力,高温熔融金属在倒渣、精炼等工艺过程中散落的钢水覆盖在标识器表面后无残留,不影响标识器工作。

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图5 (a)可耐受钢水倾溅的微声标识器,(b) 920MHz脉冲雷达

为了实现雷达在钢铁厂内恶劣环境中识别距离远的性能,设计了自适应脉冲式雷达,如图5(b)所示,工作频率为920MHz,与RFID技术的工作频段一致。雷达基于经典的软件无线电架构,实现了相参的线性调频和脉冲压缩的查询功能,可实现在工业环境中的噪声、干扰、高温频偏后,远距离识别微声标识器。

3 实施案例及应用效果

(1)江苏永钢集团铁包识别项目

2019年10月,EMMA技术应用于永钢集团的铁包识别跟踪项目,实现永钢“生产调度管理系统”。该钢厂铁包主要是汽车运输,铁包运行轨迹多变,除了对标签有高温的要求之外,还需识别设备无串扰、识别响应速度快。系统安装了铁包200个微声标识器,雷达15台,于2019年12月安装调试完成,经系统校核,铁包整体在线率达到100%,成功投入生产单位使用。目前已经开展三期,开展智慧调度系统,实现机器自学习的高效率铁水调度策略。

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图6 铁包EMMA标识器安装位置

(3)火车炉下精准对位

在关键生产环节的关键位置,如高炉炉下的精准对位是一个行业难题,如图7为对位后出铁。EMMA技术可满足运载铁包的火车的精准炉下对位需求,在车架上安装微声定位器,高炉出铁口下安装雷达,如图9所示。基于RSSI(Received Signal Strength Indication,接收信号强度)进行距离估计,用于辅助定位,提升定位精度。信号衰落模型选用对数距离模型,如(1)式所示。式中:d为移动节点和信标节点的间距;d0 为参考距离;n为信号衰减因子,表示损耗随距离增长的速率;Xσ 是方差为σ的正态随机分布。

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EMMA火车高炉炉下对位的优势包括可抵抗铁水喷溅,解决了常用的格雷母线和激光等技术在高炉炉下不抗干扰的问题,可实现铁包识别、炉下对位共用雷达,定位精度为5cm。本系统在广西翅冀钢铁厂搭配红绿灯指示实现了炉下精准对位,优化了机车调度指挥员,降本增效明显。本系统为未来的工业无人驾驶火车提供技术基础。

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图7 铁包炉下对位

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图8 炉下对位安装位置

(4)运载火车定位

在铁钢界面极致效率的要求下,工业运载火车有实时定位的需求。提供对工业火车的实时定位,实现智能调度对降本增效有重要意义。电磁微声技术可应用在工业火车定位,其原理如图9所示。将雷达安装在列车上,天线安装在车底,地面微声定位器安装在轨道上。当列车经过时,雷达读取微声定位器,获取定位器ID信息,并根据回波信号特征精确解算位置信息,实现运载火车的实时可靠定位。图10所示为电磁微声技术运载火车定位实际应用案例的安装示意图。本系统也已有在钢铁厂实际落地案例。

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图9 电磁微声技术运载火车定位

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图10 铁水运载火车定位安装位置

4 结论

本文基于电磁微声技术实现铁包跟踪定位,采用微声芯片作为核心的感知层器件,微声芯片的工作温度达到了450℃,定位标识器封装可耐受1200℃的钢渣溅落,助理冶金企业铁钢界面中铁水包智能调度,实现极致效率。该技术在江苏永钢的实际已使用5年,验证了电磁微声技术为铁钢界面极致效率提供了可靠的感知技术。本文还介绍了本技术在火车炉下精准对位、运载火车实时定位的系统及应用案例,案例体现了技术在工业界有着广泛的应用场景。本研究将继续优化,实现全寿命周期100%识别率的电磁微声技术,并继续研究人工智能铁水智能调度的技术实现。

参考文献

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[12]  R. Shi, C. Zhang, P. Qin, T. Hao, T. Han, B. Chen et al., “SAW Tags with Enhanced Penetration Depth for Buried Assets Identification,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp. 1-1, 2020.

 
 
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