邸林鎖   曹陽輝   李建民

（北京信兆科技有限公司）

摘要：連鑄生產中中間包（中包）長期處于高溫、強輻射、設備遮擋的惡劣工況，傳統人工接觸式測溫與間斷檢查存在監測盲區大、響應滯后、漏檢率高等問題，極易引發穿包等惡性生產事故。為突破該技術瓶頸，本文融合冶金學、數據采集技術、智能感知理論與 AI 數據分析方法，設計了一套紅外測溫與熱電偶測溫相結合的復合監測型連鑄中包安全監測預警系統。系統通過大范圍非接觸式紅外溫度場成像與關鍵部位精準連續熱電偶測溫的技術融合，實現中包包殼溫度的全面、實時、在線監控，結合多級預警機制與精細化數據管理功能，完成中包安全管理從被動應對向主動預防的轉變。實踐表明，該系統可有效辨識耐火材料異常侵蝕狀態，提前預警穿包風險，在保障生產安全、優化生產流程、延長設備壽命、降低生產成本等方面具備顯著應用價值，為煉鋼連鑄行業的智能化、安全化發展提供了重要技術支撐。

關鍵詞：連鑄；中間包；安全監測；紅外測溫；熱電偶測溫；預警系統

引言

連鑄中間包作為煉鋼生產中承接鋼水、穩定流場、去除夾雜的核心冶金容器，其服役狀態直接決定連鑄生產的安全性與連續性 ^[1]。中包采用鋼質外殼與耐火材料內襯的復合結構，在服役過程中持續承受 1500℃以上高溫鋼水的熱沖擊、化學侵蝕與機械沖刷，內襯的磨損與侵蝕具有隱蔽性、漸進性特征 ^[2]。而中包包底、包壁下部及靠近結晶器的輻射區域，因設備遮擋、高溫輻射等因素，成為常規監測的盲區，傳統人工接觸式測溫方法受空間可達性差、輻射危害高、無法連續監測等限制，難以實時捕捉包殼溫度的異常變化；依賴人工間斷檢查的方式，極易漏檢耐火材料損傷的早期信號，是引發穿包事故的重要誘因。

穿包事故的發生將造成高溫鋼水泄漏，對現場操作人員的人身安全構成嚴重威脅，同時會損毀結晶器、拉矯機等關鍵連鑄設備，導致生產線非計劃性停機，產生巨額的設備維修、停產損失等成本 ^[3]。為解決連鑄中包安全監測的技術痛點，滿足工業生產對連續、可靠、精準監測的需求，本文提出紅外測溫全面監測結合熱電偶重點監測的復合監測方案，構建多維一體化的連鑄中包安全監測預警系統。系統整合紅外測溫的大范圍、可視化優勢與熱電偶測溫的高精度、連續性優勢，適配中包周邊的惡劣工況，實現包殼溫度數據的實時采集、傳輸、分析與異常預警，為操作人員預留充足的應急響應時間，從技術層面消除穿包事故的隱患，推動連鑄生產過程的安全化與智能化升級。

圖1 連鑄中包生產工藝流程圖

1 系統構建的必要性分析

煉鋼連鑄中包包殼溫度是反映內部耐火材料內襯狀態的核心外部表征，包殼溫度的異常升高與梯度變化，直接對應內襯厚度減薄、結構性損傷等問題 [4]。構建中包安全監測預警系統，對包殼溫度進行全維度、實時化監測，是保障生產安全、優化生產流程、延長設備壽命、降低生產成本的關鍵舉措，其必要性主要體現在四個方面：

1.1 保障生產安全，規避惡性事故

中包的結構完整性是連鑄生產安全的基礎，包殼溫度異常是耐火材料內襯失效的首要信號，當內襯侵蝕發展至臨界狀態時，將引發穿包事故。辛集澳森鋼鐵、酒泉鋼鐵、縱橫鋼鐵等企業的生產實踐表明，通過對包殼溫度的實時連續監測，可提前辨識耐火材料的異常侵蝕狀態，精準捕捉穿包事故的前兆信號，實現風險的早期預警，最大限度避免高溫鋼水泄漏、設備損毀、人員傷亡等惡性生產事故的發生，筑牢連鑄生產的安全防線。

1.2 優化生產流程，提升作業效率

包殼溫度作為間接參數，可直觀反映中包的熱狀態、內部鋼水流場與溫度場變化，同時關聯中包烘烤效果、熱平衡狀態、耐材消耗進程等關鍵生產信息。通過對包殼溫度變化趨勢的分析，結合連澆爐數、拉速、鋼種等工藝參數，可建立基于數據驅動的耐材壽命評估模型，為生產組織優化提供科學依據。依托模型可合理規劃連澆序列、動態調整生產節奏，有效提升連鑄作業的連續性，解決因耐材失效導致的非計劃性停機問題，推動整體生產效率的提升。

1.3 評估耐材狀態，延長設備壽命

中包耐火材料內襯在熱、力、化學耦合作用下的損耗具有漸進性特征，包殼溫度的梯度分布與上升速率，是評估內襯殘余厚度和損傷程度的核心指標。通過為系統設置基于冶金學理論與生產實踐的溫度預警閾值，可精準判斷耐火材料的損耗狀況，確保在耐材性能臨近失效前及時安排更換或下線維修，避免內襯完全失效導致的包殼燒穿、變形等永久性損壞，顯著提升中包本體的重復使用次數，有效延長設備的整體使用壽命。

1.4 降低生產成本，提升經濟效益

系統從事故成本規避與生產效率優化兩個維度實現生產成本的降低：一方面，通過早期預警與及時干預，大幅降低穿包等惡性事故的發生概率，避免事故引發的設備損毀、停產損失、維修費用等高額非計劃性支出；另一方面，實時監測可及時發現耐材異常，防止局部過熱或鋼水滲漏導致的鑄坯夾雜、皮下氣泡等質量缺陷，提升金屬收得率與鑄坯合格率；同時基于溫度數據優化耐材更換時機，有效減少過度維護或維護不足造成的資源浪費，降低單位產品的耐材消耗與停機維護成本，實現生產成本的精細化管控。

2 系統整體組成

本系統基于 “全面監測 + 重點把控”的設計理念，融合紅外熱成像技術、熱電偶測溫技術、無線溫度傳感器技術、數據傳輸技術與智能數據分析技術，由計算機及軟件系統、耐高溫熱像儀及配套供電采集設備、熱電偶、無線溫度傳感器及配套供電采集設備三部分組成，各模塊協同運行，形成 “數據采集 - 傳輸 - 分析 - 預警 - 管理” 的閉環體系，實現中包溫度數據的全流程管控，系統整體架構如圖 2 所示。

圖2 連鑄中包安全監測預警系統整體架構圖

2.1 耐高溫熱像儀及配套設備

作為系統的全面感知單元，選用適配冶金高溫工況的耐高溫紅外熱像儀 [5]，部署于中包周邊無遮擋的合理監測位置，實現對包殼表面積大范圍、非接觸式的溫度場快速掃描成像，完成整體溫度分布數據的采集與初步傳輸。

2.2 熱電偶、無線溫度傳感器及配套設備

包含有線熱電偶與磁吸無線測溫熱電偶兩類，作為系統的重點感知單元：有線熱電偶部署于中包底部關鍵風險部位，提供穩定、連續的局部精確溫度數據；磁吸無線測溫熱電偶部署于包壁渣線附近及易侵蝕區域，兼顧監測精度與安裝、拆卸的靈活性，適配中包更換的生產需求。兩類設備采集的溫度數據通過以太網技術上傳至計算機系統。

2.3 計算機及軟件系統

作為系統的核心控制與分析單元，集成數據接收、存儲、分析、預警、管理、可視化等功能，通過專業軟件對采集的溫度數據進行實時處理，結合預設閾值實現異常報警，并為操作人員提供數據查詢、曲線分析、設備管理等操作界面，是系統功能落地的核心載體。

3 系統核心功能與技術特點

3.1 核心監測功能

系統采用紅外測溫+熱電偶測溫的復合監測方案，兼顧監測的全面性、精準性與靈活性，適配連鑄中包移動、更換頻繁的生產工況：

· 紅外測溫實現包殼表面全域監測：通過耐高溫熱像儀完成中包殼表面的溫度場掃描成像，直觀呈現整體溫度分布態勢，快速定位溫度異常區域，解決傳統監測的盲區問題；

· 熱電偶測溫實現關鍵部位精準監測：在中包底部關鍵風險部位安裝有線熱電偶，提供穩定、連續的局部精確溫度數據；在包壁渣線附近及易侵蝕區域安裝磁吸無線測溫熱電偶，兼顧監測精度與安裝、拆卸的靈活性，適配中包更換的生產需求；

· 以太網傳輸適配生產工況：針對中包移動、更換的特點，采用適配工業高溫環境的以太網傳輸技術 [6]，傳輸穩定性高、數據交互速率快，無需復雜布線，可快速完成設備的重新部署，確保生產過程中監測數據傳輸的連續性與準確性。

3.2 數據管理與智能預警功能

系統基于數據采集技術與AI數據分析方法，構建精細化的溫度數據管理體系與多級智能預警機制，實現溫度異常的快速響應：

· 實時數據采集與記錄：對中包包殼溫度進行7×24h在線監測，自動采集并存儲溫度數據，數據時間戳精準到秒，為后續耐材狀態分析、生產工藝優化提供完整的數據支撐；

· 多級智能報警：支持溫度超上限、超下限等多級報警值設定，可根據溫度異常程度區分報警狀態，當監測溫度超越預設安全閾值時，系統立即通過彈窗、聲光等方式觸發報警，報警信息自動記錄，支持手動復位，為操作人員預留充足應急響應時間；

· 多維度數據查詢與可視化：支持按中包號、澆次號、時間區間、設備名稱等多維度查詢歷史數據，可自動生成柱狀圖、雷達位置圖，直觀展示中包耐材薄弱區域位置；同時可生成溫度變化曲線，清晰呈現溫度波動趨勢，為耐材損耗分析提供可視化依據；

· 數據共享與導出：監測數據支持聯網查詢、表格導出（Excel格式）與聯網打印，滿足生產現場、技術部門、管理部門等多場景的數據使用需求，推動數據的高效共享。

3.3 精細化系統管理功能

系統采用分層級、可擴展的設計思路，具備完善的系統管理功能，適配多臺連鑄機同時工作的工業生產場景，提升系統的實用性與穩定性：

· 多級權限管理：配置管理員、維護員、操作員等不同層級的用戶權限，不同權限用戶對應不同的操作菜單，實現精細化的系統管理，保障系統數據的安全性與操作的規范性；

· 測點靈活配置：測點位置可根據生產需求靈活調整，測點數量支持自由擴展，可根據中包的結構特點與生產工況，增加或減少監測點位，適配不同規格中包的監測需求；

· 高穩定性無線傳輸：無線數據傳輸距離遠，無需中繼設備，組網方式簡單；采用獨創的無線網絡隔離技術，有效避免多臺連鑄機同時工作時的信號誤傳；支持同一網絡內多頻段工作，防止信號干擾，提升無線傳輸數據的準確度與穩定性；

· 設備全生命周期管理：實現對測溫設備（熱像儀、熱電偶傳感器）的添加、修改、刪除、查詢與狀態配置，實時掌握設備運行狀態，便于設備的日常維護與管理。

3.4 軟件模塊功能設計

系統軟件基于工業級應用需求開發，采用模塊化設計思路，各模塊功能獨立又相互協同，操作界面簡潔友好，適配冶金現場操作人員的使用習慣，核心軟件模塊及功能如表1所示。

表1 連鑄中包安全監測預警系統核心軟件模塊及功能

4 系統功能頁面設計

系統軟件界面基于“實用性、可視化、便捷性”的設計原則，采用工業級UI設計，核心功能頁面布局清晰，操作邏輯簡單，可快速實現溫度監測、數據查詢、設備管理等功能，核心功能頁面設計如下：

4.1 登錄頁面

核心功能為用戶身份驗證，設置賬號、密碼輸入框，配備“記住密碼”“重置”按鈕，實現密碼自動填充與輸入內容清空；用戶輸入正確賬號密碼后，系統根據權限自動加載對應操作菜單，同時支持用戶安全退出，保障系統的操作安全性。頁面設計如圖3所示。

圖3系統登錄頁面設計示意圖

4.2 數據總覽頁面

作為系統的核心監控界面，是操作人員的主要操作頁面，實時展示中包平均溫度、實時狀態、澆鋼開始時間、持續時間等核心信息；澆次更新后，自動同步包次日期、結束時間、前期溫度、后期溫度等數據；頁面集成中包實時視頻畫面，支持畫面放大查看；當溫度超越預設閾值時，頁面自動彈出報警提示窗口，同時展示本澆次的溫度變化曲線，實現“數據+視頻”的一體化監控。頁面設計如圖4所示。

圖4系統數據總覽頁面設計示意圖

4.3 報警記錄與歷史數據頁面

報警記錄頁面支持按報警類型（超上限/超下限）、時間范圍篩選查詢報警信息，以列表形式展示設備名稱、報警級別、報警值、報警時間等信息，配備數據導出與打印按鈕；歷史數據頁面展示所有中包溫度歷史數據，支持多維度篩選查詢，數據列表包含設備名稱、使用開始日期、平均溫度、持續時間等關鍵信息，可選擇多組數據進行曲線對比，點擊“溫度詳情”可查看單批次溫度變化細節，支持數據批量導出，實現歷史數據的精細化管理。頁面設計如圖5所示。

圖5歷史數據

4.4 設備管理與系統參數設置頁面

設備管理頁面實現測溫設備的全生命周期管理，包含設備信息輸入區（設備名稱、IP、狀態、測溫模式等）與設備列表展示區，支持設備的添加、修改、刪除與快速查詢；系統參數設置頁面以簡潔的表單形式，提供溫度超上限、超下限報警閾值的自定義設置入口，輸入數值后點擊 “保存” 即可完成參數更新，為系統預警功能提供靈活的判定標準配置。頁面設計如圖 6 所示。

圖6系統設備管理

此外，系統還設計了歷史曲線頁面、設備參數頁面、視頻回放頁面等，歷史曲線頁面以折線圖形式直觀展示溫度變化趨勢，支持多曲線疊加對比；設備參數頁面支持攝像機云臺控制與畫面調節；視頻回放頁面提供靈活的視頻查詢、回放與編輯功能，各頁面均配備清晰的功能按鈕與操作提示，提升操作便捷性。

5系統現場部署與安裝

5.1 有線式熱電偶傳感器現場安裝

系統的有線熱電偶傳感器采用定制化安裝方案，部署于中包底部關鍵風險區域，通過鋼固定支架與耐高溫線安裝，實現對包底溫度的連續精準監測，安裝現場如圖 7、圖 8所示。

圖7底部熱電偶傳感器安裝現場（整體視圖）          圖8 底部熱電偶傳感器安裝現場（細節視圖）

熱電偶探頭通過定制化固定結構緊貼中包底部鋼殼，確保測溫精度；紅色耐高溫線纜用于溫度信號傳輸，通過以太網接口接入數據采集系統，適配工業高溫環境的抗干擾需求。

5.2磁吸式無線測溫傳感器現場安裝

磁吸式無線測溫熱電偶采用免打孔磁吸式安裝方案，直接吸附于中包包壁渣線附近及易侵蝕區域，無需破壞中包本體結構，安裝便捷、可快速拆卸，適配中包頻繁更換的生產需求，安裝現場如圖 9 所示。

圖9 磁吸無線測溫傳感器現場安裝

傳感器采用黃色耐高溫防護外殼，適配冶金現場高溫、高粉塵的惡劣工況，通過耐高溫線纜將無線發射器引出到常溫區域，將溫度數據通過無線傳輸至數據采集系統，實現對包壁關鍵區域的連續精準監測。

5.3 紅外熱像儀現場安裝

耐高溫紅外熱像儀部署于中包兩側無遮擋的操作平臺，通過定制化支架固定，鏡頭對準中包包壁與包底的關鍵監測區域，實現對包殼表面溫度場的全域掃描，安裝現場如圖 10 、11所示。

圖10紅外熱像儀現場安裝                           圖11 紅外熱像儀現場安裝  

熱像儀配備風冷防護裝置，適配冶金現場 的高溫環境，通過以太網線纜將紅外溫度數據實時傳輸至中控室，確保數據傳輸的穩定性與實時性。

5.4 數據采集與報警系統現場部署

系統的數據采集箱、聲光報警器等配套設備部署于中包周邊的安全操作區域，通過以太網與現場傳感器、熱像儀完成組網，實現溫度數據的集中采集、處理與異常報警，安裝現場如圖 12所示。

圖12數據采集箱與聲光報警器現場安裝

數據采集箱內置工業級采集模塊，可同時接入多路熱電偶與熱像儀數據，通過以太網將數據上傳至中控室工控機；聲光報警器與系統預警模塊聯動，當監測溫度超限時，立即觸發聲光報警，提醒現場操作人員及時處置。

5.5 紅外熱成像監測界面

系統在中控室實現紅外溫度場的實時可視化監測，通過紅外熱像儀配套軟件，可同時顯示多路中包不同區域的紅外熱成像畫面，直觀呈現包殼溫度分布，快速定位異常高溫區域，監測界面如圖 13所示。

圖13紅外熱成像實時監測界面

界面可實時顯示各區域最高溫度、最低溫度，支持溫度閾值設置與異常報警，為操作人員提供直觀的中包安全狀態監控窗口。

6 結論與展望

6.1 結論

本文融合冶金學、數據采集技術、智能感知理論與 AI 數據分析方法，設計并實現了一套連鑄中包安全監測預警系統，通過紅外測溫全面監測 + 熱電偶測溫重點監測的復合監測方案，突破了傳統中包監測的技術瓶頸，實現了中包包殼溫度的全面、實時、在線監控。系統整合了紅外測溫的大范圍、可視化優勢與熱電偶測溫的高精度、連續性優勢，適配連鑄中包周邊的惡劣工況與生產特點；依托多級智能預警機制、精細化數據管理功能與模塊化軟件設計，實現了溫度數據的采集、傳輸、分析、預警、管理的全流程閉環管控，推動中包安全管理從被動應對向主動預防的轉變。

該系統在保障連鑄生產安全、優化生產流程、延長設備壽命、降低生產成本等方面具有顯著的應用價值：可提前辨識耐火材料異常侵蝕狀態，有效預警穿包風險，規避惡性生產事故；可基于溫度數據建立耐材壽命評估模型，指導生產組織優化，提升生產效率；可精準判斷耐材損耗狀況，避免設備永久性損壞，延長中包使用壽命；可從事故規避與效率優化雙維度降低生產成本，提升企業經濟效益。該系統為煉鋼連鑄行業的安全化、智能化發展提供了重要的技術支撐，具有廣闊的工業應用前景。

6.2 展望

隨著工業 4.0 與智能制造在冶金行業的深入推進，連鑄生產的智能化水平將不斷提升，后續可對本系統進行進一步的優化與升級：

引入AI 深度學習算法，基于海量的溫度監測數據與生產工藝數據，構建更精準的耐材壽命預測模型與穿包風險預警模型，實現從 “閾值報警” 向 “趨勢預警” 的升級，進一步提升預警的精準性與前瞻性；

融合 “機器視覺、物聯網（IoT）”等技術，實現中包服役狀態的多維度感知，除溫度監測外，增加中包變形、耐火材料剝落等狀態的監測，構建更全面的中包安全監測體系；

搭建云平臺數據管理系統，實現多廠區、多生產線中包監測數據的云端匯聚與共享，通過大數據分析挖掘數據價值，為企業的生產管理、工藝優化、設備維護提供更全面的決策依據；

增加移動端預警功能，將溫度異常報警信息實時推送至操作人員的移動端設備，實現跨場景的實時響應，進一步提升應急處理的效率。

未來，系統將持續結合冶金行業的生產需求與前沿技術，不斷優化升級，為連鑄生產的安全化、智能化、高效化發展提供更全面的技術保障。

參考文獻

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