邸林锁   曹阳辉   李建民

（北京信兆科技有限公司）

摘要：连铸生产中中间包（中包）长期处于高温、强辐射、设备遮挡的恶劣工况，传统人工接触式测温与间断检查存在监测盲区大、响应滞后、漏检率高等问题，极易引发穿包等恶性生产事故。为突破该技术瓶颈，本文融合冶金学、数据采集技术、智能感知理论与 AI 数据分析方法，设计了一套红外测温与热电偶测温相结合的复合监测型连铸中包安全监测预警系统。系统通过大范围非接触式红外温度场成像与关键部位精准连续热电偶测温的技术融合，实现中包包壳温度的全面、实时、在线监控，结合多级预警机制与精细化数据管理功能，完成中包安全管理从被动应对向主动预防的转变。实践表明，该系统可有效辨识耐火材料异常侵蚀状态，提前预警穿包风险，在保障生产安全、优化生产流程、延长设备寿命、降低生产成本等方面具备显著应用价值，为炼钢连铸行业的智能化、安全化发展提供了重要技术支撑。

关键词：连铸；中间包；安全监测；红外测温；热电偶测温；预警系统

引言

连铸中间包作为炼钢生产中承接钢水、稳定流场、去除夹杂的核心冶金容器，其服役状态直接决定连铸生产的安全性与连续性 ^[1]。中包采用钢质外壳与耐火材料内衬的复合结构，在服役过程中持续承受 1500℃以上高温钢水的热冲击、化学侵蚀与机械冲刷，内衬的磨损与侵蚀具有隐蔽性、渐进性特征 ^[2]。而中包包底、包壁下部及靠近结晶器的辐射区域，因设备遮挡、高温辐射等因素，成为常规监测的盲区，传统人工接触式测温方法受空间可达性差、辐射危害高、无法连续监测等限制，难以实时捕捉包壳温度的异常变化；依赖人工间断检查的方式，极易漏检耐火材料损伤的早期信号，是引发穿包事故的重要诱因。

穿包事故的发生将造成高温钢水泄漏，对现场操作人员的人身安全构成严重威胁，同时会损毁结晶器、拉矫机等关键连铸设备，导致生产线非计划性停机，产生巨额的设备维修、停产损失等成本 ^[3]。为解决连铸中包安全监测的技术痛点，满足工业生产对连续、可靠、精准监测的需求，本文提出红外测温全面监测结合热电偶重点监测的复合监测方案，构建多维一体化的连铸中包安全监测预警系统。系统整合红外测温的大范围、可视化优势与热电偶测温的高精度、连续性优势，适配中包周边的恶劣工况，实现包壳温度数据的实时采集、传输、分析与异常预警，为操作人员预留充足的应急响应时间，从技术层面消除穿包事故的隐患，推动连铸生产过程的安全化与智能化升级。

图1 连铸中包生产工艺流程图

1 系统构建的必要性分析

炼钢连铸中包包壳温度是反映内部耐火材料内衬状态的核心外部表征，包壳温度的异常升高与梯度变化，直接对应内衬厚度减薄、结构性损伤等问题 [4]。构建中包安全监测预警系统，对包壳温度进行全维度、实时化监测，是保障生产安全、优化生产流程、延长设备寿命、降低生产成本的关键举措，其必要性主要体现在四个方面：

1.1 保障生产安全，规避恶性事故

中包的结构完整性是连铸生产安全的基础，包壳温度异常是耐火材料内衬失效的首要信号，当内衬侵蚀发展至临界状态时，将引发穿包事故。辛集澳森钢铁、酒泉钢铁、纵横钢铁等企业的生产实践表明，通过对包壳温度的实时连续监测，可提前辨识耐火材料的异常侵蚀状态，精准捕捉穿包事故的前兆信号，实现风险的早期预警，最大限度避免高温钢水泄漏、设备损毁、人员伤亡等恶性生产事故的发生，筑牢连铸生产的安全防线。

1.2 优化生产流程，提升作业效率

包壳温度作为间接参数，可直观反映中包的热状态、内部钢水流场与温度场变化，同时关联中包烘烤效果、热平衡状态、耐材消耗进程等关键生产信息。通过对包壳温度变化趋势的分析，结合连浇炉数、拉速、钢种等工艺参数，可建立基于数据驱动的耐材寿命评估模型，为生产组织优化提供科学依据。依托模型可合理规划连浇序列、动态调整生产节奏，有效提升连铸作业的连续性，解决因耐材失效导致的非计划性停机问题，推动整体生产效率的提升。

1.3 评估耐材状态，延长设备寿命

中包耐火材料内衬在热、力、化学耦合作用下的损耗具有渐进性特征，包壳温度的梯度分布与上升速率，是评估内衬残余厚度和损伤程度的核心指标。通过为系统设置基于冶金学理论与生产实践的温度预警阈值，可精准判断耐火材料的损耗状况，确保在耐材性能临近失效前及时安排更换或下线维修，避免内衬完全失效导致的包壳烧穿、变形等永久性损坏，显著提升中包本体的重复使用次数，有效延长设备的整体使用寿命。

1.4 降低生产成本，提升经济效益

系统从事故成本规避与生产效率优化两个维度实现生产成本的降低：一方面，通过早期预警与及时干预，大幅降低穿包等恶性事故的发生概率，避免事故引发的设备损毁、停产损失、维修费用等高额非计划性支出；另一方面，实时监测可及时发现耐材异常，防止局部过热或钢水渗漏导致的铸坯夹杂、皮下气泡等质量缺陷，提升金属收得率与铸坯合格率；同时基于温度数据优化耐材更换时机，有效减少过度维护或维护不足造成的资源浪费，降低单位产品的耐材消耗与停机维护成本，实现生产成本的精细化管控。

2 系统整体组成

本系统基于 “全面监测 + 重点把控”的设计理念，融合红外热成像技术、热电偶测温技术、无线温度传感器技术、数据传输技术与智能数据分析技术，由计算机及软件系统、耐高温热像仪及配套供电采集设备、热电偶、无线温度传感器及配套供电采集设备三部分组成，各模块协同运行，形成 “数据采集 - 传输 - 分析 - 预警 - 管理” 的闭环体系，实现中包温度数据的全流程管控，系统整体架构如图 2 所示。

图2 连铸中包安全监测预警系统整体架构图

2.1 耐高温热像仪及配套设备

作为系统的全面感知单元，选用适配冶金高温工况的耐高温红外热像仪 [5]，部署于中包周边无遮挡的合理监测位置，实现对包壳表面积大范围、非接触式的温度场快速扫描成像，完成整体温度分布数据的采集与初步传输。

2.2 热电偶、无线温度传感器及配套设备

包含有线热电偶与磁吸无线测温热电偶两类，作为系统的重点感知单元：有线热电偶部署于中包底部关键风险部位，提供稳定、连续的局部精确温度数据；磁吸无线测温热电偶部署于包壁渣线附近及易侵蚀区域，兼顾监测精度与安装、拆卸的灵活性，适配中包更换的生产需求。两类设备采集的温度数据通过以太网技术上传至计算机系统。

2.3 计算机及软件系统

作为系统的核心控制与分析单元，集成数据接收、存储、分析、预警、管理、可视化等功能，通过专业软件对采集的温度数据进行实时处理，结合预设阈值实现异常报警，并为操作人员提供数据查询、曲线分析、设备管理等操作界面，是系统功能落地的核心载体。

3 系统核心功能与技术特点

3.1 核心监测功能

系统采用红外测温+热电偶测温的复合监测方案，兼顾监测的全面性、精准性与灵活性，适配连铸中包移动、更换频繁的生产工况：

· 红外测温实现包壳表面全域监测：通过耐高温热像仪完成中包壳表面的温度场扫描成像，直观呈现整体温度分布态势，快速定位温度异常区域，解决传统监测的盲区问题；

· 热电偶测温实现关键部位精准监测：在中包底部关键风险部位安装有线热电偶，提供稳定、连续的局部精确温度数据；在包壁渣线附近及易侵蚀区域安装磁吸无线测温热电偶，兼顾监测精度与安装、拆卸的灵活性，适配中包更换的生产需求；

· 以太网传输适配生产工况：针对中包移动、更换的特点，采用适配工业高温环境的以太网传输技术 [6]，传输稳定性高、数据交互速率快，无需复杂布线，可快速完成设备的重新部署，确保生产过程中监测数据传输的连续性与准确性。

3.2 数据管理与智能预警功能

系统基于数据采集技术与AI数据分析方法，构建精细化的温度数据管理体系与多级智能预警机制，实现温度异常的快速响应：

· 实时数据采集与记录：对中包包壳温度进行7×24h在线监测，自动采集并存储温度数据，数据时间戳精准到秒，为后续耐材状态分析、生产工艺优化提供完整的数据支撑；

· 多级智能报警：支持温度超上限、超下限等多级报警值设定，可根据温度异常程度区分报警状态，当监测温度超越预设安全阈值时，系统立即通过弹窗、声光等方式触发报警，报警信息自动记录，支持手动复位，为操作人员预留充足应急响应时间；

· 多维度数据查询与可视化：支持按中包号、浇次号、时间区间、设备名称等多维度查询历史数据，可自动生成柱状图、雷达位置图，直观展示中包耐材薄弱区域位置；同时可生成温度变化曲线，清晰呈现温度波动趋势，为耐材损耗分析提供可视化依据；

· 数据共享与导出：监测数据支持联网查询、表格导出（Excel格式）与联网打印，满足生产现场、技术部门、管理部门等多场景的数据使用需求，推动数据的高效共享。

3.3 精细化系统管理功能

系统采用分层级、可扩展的设计思路，具备完善的系统管理功能，适配多台连铸机同时工作的工业生产场景，提升系统的实用性与稳定性：

· 多级权限管理：配置管理员、维护员、操作员等不同层级的用户权限，不同权限用户对应不同的操作菜单，实现精细化的系统管理，保障系统数据的安全性与操作的规范性；

· 测点灵活配置：测点位置可根据生产需求灵活调整，测点数量支持自由扩展，可根据中包的结构特点与生产工况，增加或减少监测点位，适配不同规格中包的监测需求；

· 高稳定性无线传输：无线数据传输距离远，无需中继设备，组网方式简单；采用独创的无线网络隔离技术，有效避免多台连铸机同时工作时的信号误传；支持同一网络内多频段工作，防止信号干扰，提升无线传输数据的准确度与稳定性；

· 设备全生命周期管理：实现对测温设备（热像仪、热电偶传感器）的添加、修改、删除、查询与状态配置，实时掌握设备运行状态，便于设备的日常维护与管理。

3.4 软件模块功能设计

系统软件基于工业级应用需求开发，采用模块化设计思路，各模块功能独立又相互协同，操作界面简洁友好，适配冶金现场操作人员的使用习惯，核心软件模块及功能如表1所示。

表1 连铸中包安全监测预警系统核心软件模块及功能

4 系统功能页面设计

系统软件界面基于“实用性、可视化、便捷性”的设计原则，采用工业级UI设计，核心功能页面布局清晰，操作逻辑简单，可快速实现温度监测、数据查询、设备管理等功能，核心功能页面设计如下：

4.1 登录页面

核心功能为用户身份验证，设置账号、密码输入框，配备“记住密码”“重置”按钮，实现密码自动填充与输入内容清空；用户输入正确账号密码后，系统根据权限自动加载对应操作菜单，同时支持用户安全退出，保障系统的操作安全性。页面设计如图3所示。

图3系统登录页面设计示意图

4.2 数据总览页面

作为系统的核心监控界面，是操作人员的主要操作页面，实时展示中包平均温度、实时状态、浇钢开始时间、持续时间等核心信息；浇次更新后，自动同步包次日期、结束时间、前期温度、后期温度等数据；页面集成中包实时视频画面，支持画面放大查看；当温度超越预设阈值时，页面自动弹出报警提示窗口，同时展示本浇次的温度变化曲线，实现“数据+视频”的一体化监控。页面设计如图4所示。

图4系统数据总览页面设计示意图

4.3 报警记录与历史数据页面

报警记录页面支持按报警类型（超上限/超下限）、时间范围筛选查询报警信息，以列表形式展示设备名称、报警级别、报警值、报警时间等信息，配备数据导出与打印按钮；历史数据页面展示所有中包温度历史数据，支持多维度筛选查询，数据列表包含设备名称、使用开始日期、平均温度、持续时间等关键信息，可选择多组数据进行曲线对比，点击“温度详情”可查看单批次温度变化细节，支持数据批量导出，实现历史数据的精细化管理。页面设计如图5所示。

图5历史数据

4.4 设备管理与系统参数设置页面

设备管理页面实现测温设备的全生命周期管理，包含设备信息输入区（设备名称、IP、状态、测温模式等）与设备列表展示区，支持设备的添加、修改、删除与快速查询；系统参数设置页面以简洁的表单形式，提供温度超上限、超下限报警阈值的自定义设置入口，输入数值后点击 “保存” 即可完成参数更新，为系统预警功能提供灵活的判定标准配置。页面设计如图 6 所示。

图6系统设备管理

此外，系统还设计了历史曲线页面、设备参数页面、视频回放页面等，历史曲线页面以折线图形式直观展示温度变化趋势，支持多曲线叠加对比；设备参数页面支持摄像机云台控制与画面调节；视频回放页面提供灵活的视频查询、回放与编辑功能，各页面均配备清晰的功能按钮与操作提示，提升操作便捷性。

5系统现场部署与安装

5.1 有线式热电偶传感器现场安装

系统的有线热电偶传感器采用定制化安装方案，部署于中包底部关键风险区域，通过钢固定支架与耐高温线安装，实现对包底温度的连续精准监测，安装现场如图 7、图 8所示。

图7底部热电偶传感器安装现场（整体视图）          图8 底部热电偶传感器安装现场（细节视图）

热电偶探头通过定制化固定结构紧贴中包底部钢壳，确保测温精度；红色耐高温线缆用于温度信号传输，通过以太网接口接入数据采集系统，适配工业高温环境的抗干扰需求。

5.2磁吸式无线测温传感器现场安装

磁吸式无线测温热电偶采用免打孔磁吸式安装方案，直接吸附于中包包壁渣线附近及易侵蚀区域，无需破坏中包本体结构，安装便捷、可快速拆卸，适配中包频繁更换的生产需求，安装现场如图 9 所示。

图9 磁吸无线测温传感器现场安装

传感器采用黄色耐高温防护外壳，适配冶金现场高温、高粉尘的恶劣工况，通过耐高温线缆将无线发射器引出到常温区域，将温度数据通过无线传输至数据采集系统，实现对包壁关键区域的连续精准监测。

5.3 红外热像仪现场安装

耐高温红外热像仪部署于中包两侧无遮挡的操作平台，通过定制化支架固定，镜头对准中包包壁与包底的关键监测区域，实现对包壳表面温度场的全域扫描，安装现场如图 10 、11所示。

图10红外热像仪现场安装                           图11 红外热像仪现场安装  

热像仪配备风冷防护装置，适配冶金现场 的高温环境，通过以太网线缆将红外温度数据实时传输至中控室，确保数据传输的稳定性与实时性。

5.4 数据采集与报警系统现场部署

系统的数据采集箱、声光报警器等配套设备部署于中包周边的安全操作区域，通过以太网与现场传感器、热像仪完成组网，实现温度数据的集中采集、处理与异常报警，安装现场如图 12所示。

图12数据采集箱与声光报警器现场安装

数据采集箱内置工业级采集模块，可同时接入多路热电偶与热像仪数据，通过以太网将数据上传至中控室工控机；声光报警器与系统预警模块联动，当监测温度超限时，立即触发声光报警，提醒现场操作人员及时处置。

5.5 红外热成像监测界面

系统在中控室实现红外温度场的实时可视化监测，通过红外热像仪配套软件，可同时显示多路中包不同区域的红外热成像画面，直观呈现包壳温度分布，快速定位异常高温区域，监测界面如图 13所示。

图13红外热成像实时监测界面

界面可实时显示各区域最高温度、最低温度，支持温度阈值设置与异常报警，为操作人员提供直观的中包安全状态监控窗口。

6 结论与展望

6.1 结论

本文融合冶金学、数据采集技术、智能感知理论与 AI 数据分析方法，设计并实现了一套连铸中包安全监测预警系统，通过红外测温全面监测 + 热电偶测温重点监测的复合监测方案，突破了传统中包监测的技术瓶颈，实现了中包包壳温度的全面、实时、在线监控。系统整合了红外测温的大范围、可视化优势与热电偶测温的高精度、连续性优势，适配连铸中包周边的恶劣工况与生产特点；依托多级智能预警机制、精细化数据管理功能与模块化软件设计，实现了温度数据的采集、传输、分析、预警、管理的全流程闭环管控，推动中包安全管理从被动应对向主动预防的转变。

该系统在保障连铸生产安全、优化生产流程、延长设备寿命、降低生产成本等方面具有显著的应用价值：可提前辨识耐火材料异常侵蚀状态，有效预警穿包风险，规避恶性生产事故；可基于温度数据建立耐材寿命评估模型，指导生产组织优化，提升生产效率；可精准判断耐材损耗状况，避免设备永久性损坏，延长中包使用寿命；可从事故规避与效率优化双维度降低生产成本，提升企业经济效益。该系统为炼钢连铸行业的安全化、智能化发展提供了重要的技术支撑，具有广阔的工业应用前景。

6.2 展望

随着工业 4.0 与智能制造在冶金行业的深入推进，连铸生产的智能化水平将不断提升，后续可对本系统进行进一步的优化与升级：

引入AI 深度学习算法，基于海量的温度监测数据与生产工艺数据，构建更精准的耐材寿命预测模型与穿包风险预警模型，实现从 “阈值报警” 向 “趋势预警” 的升级，进一步提升预警的精准性与前瞻性；

融合 “机器视觉、物联网（IoT）”等技术，实现中包服役状态的多维度感知，除温度监测外，增加中包变形、耐火材料剥落等状态的监测，构建更全面的中包安全监测体系；

搭建云平台数据管理系统，实现多厂区、多生产线中包监测数据的云端汇聚与共享，通过大数据分析挖掘数据价值，为企业的生产管理、工艺优化、设备维护提供更全面的决策依据；

增加移动端预警功能，将温度异常报警信息实时推送至操作人员的移动端设备，实现跨场景的实时响应，进一步提升应急处理的效率。

未来，系统将持续结合冶金行业的生产需求与前沿技术，不断优化升级，为连铸生产的安全化、智能化、高效化发展提供更全面的技术保障。

参考文献

[1]   蔡开科，程士富.连铸工艺原理与实践 [M]. 北京：冶金工业出版社，2019:215-220.

[2]   王新华，李建超.炼钢连铸中间包技术的发展与应用 [J]. 钢铁，2020,55 (6):1-10.

[3]   张家泉，连铸生产事故预防与处理 [M]. 北京：冶金工业出版社，2021:89-95.

[4]   刘中柱，王强.连铸中间包耐火材料侵蚀监测技术研究进展 [J]. 耐火材料，2022,56 (3):265-270.

[5]   周俐娜，李阳.红外测温技术在冶金设备温度监测中的应用 [J]. 冶金自动化，2020,44 (4):78-83.

[6]   王健，李鹏.工业以太网在冶金高温设备监测中的应用研究 [J]。冶金自动化，2021，45（2）：65-70.