喬良穎¹，崔容¹，唐正凱¹，史汝川¹，莊森²

（1上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240，2寶鋼湛江鋼鐵煉鋼廠公輔單元，湛江524076）

摘  要：在智能制造的浪潮下，煉鋼智能化不斷推進(jìn)，高溫熔融金屬容器設(shè)備的識(shí)別跟蹤，是實(shí)現(xiàn)其智能調(diào)度優(yōu)化的核心基礎(chǔ)感知技術(shù)。高溫熔融金屬表面工作溫度高、鋼渣散落，克服惡劣工況環(huán)境是技術(shù)難點(diǎn)。本文研究設(shè)計(jì)了基于電磁微聲（Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA）技術(shù)的壓電微聲芯片，最高工作溫度達(dá)到450℃；基于復(fù)合耐高溫材料封裝的微聲標(biāo)識(shí)器，可耐受1200℃的鋼水噴濺；可遠(yuǎn)距離穩(wěn)定發(fā)射和采集信號(hào)的抗干擾雷達(dá)。通過寶鋼湛江鋼鐵的實(shí)際應(yīng)用案例，驗(yàn)證了EMMA技術(shù)具有長期免維護(hù)的顯著優(yōu)勢。技術(shù)解決了高溫熔融金屬識(shí)別跟蹤的難題，助力煉鋼智能化。由于微聲標(biāo)識(shí)器耐高溫、耐潮濕且抗電磁噪聲干擾，在冰雪與泥土覆蓋下可正常工作的特性，在火車精準(zhǔn)爐下對(duì)位、火車定位等領(lǐng)域均有好的應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞： 智能制造；高溫熔融金屬識(shí)別跟蹤；電磁微聲技術(shù)；耐高溫標(biāo)識(shí)器  

1  前言

智能制造為工業(yè)界賦能，鋼鐵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)^[1]也在穩(wěn)步進(jìn)行。機(jī)器人、人工智能、5G等新興技術(shù)應(yīng)用到鋼鐵行業(yè)，在熱軋、冷軋等后端流程工序取得了成功的應(yīng)用和顯著的生產(chǎn)效益^[2]。然而，高爐、轉(zhuǎn)爐、精煉等煉鐵、煉鋼的核心單元，仍被視為“黑箱”，設(shè)備內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)過程、物理信息無法實(shí)時(shí)直接采集^[3]。鋼包、中間包等高溫熔融設(shè)備作為煉鋼-連鑄“界面技術(shù)”的核心裝備^[4]，承載著鋼水串聯(lián)在轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄等多個(gè)工序，運(yùn)行在烘烤位、出鋼位、精煉位、大包位、檢修位等多個(gè)路徑。鋼包貫穿著整個(gè)煉鋼生產(chǎn)工藝流程，其設(shè)備智能化的最低水平?jīng)Q定了整個(gè)流程制造智能化的最高水平。現(xiàn)階段對(duì)鋼包智能化的研究主要集中在智能烘烤、調(diào)度優(yōu)化、智能控制等冶金流程工藝、工序優(yōu)化^[5-7]，而鋼包的識(shí)別跟蹤技術(shù)是鋼包智能化的核心基礎(chǔ)感知技術(shù)，是上述“界面技術(shù)”實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)。

鋼包表面溫度較高，局部高溫區(qū)域達(dá)到350℃，如圖1所示，如何準(zhǔn)確可靠的實(shí)時(shí)掌握鋼包的位置、狀態(tài)，一直是行業(yè)的難題。傳統(tǒng)鋼包識(shí)別跟蹤的方法是依靠肉眼觀察記錄鋼包表面噴涂的號(hào)碼，手動(dòng)記錄鋼包周轉(zhuǎn)信息，這導(dǎo)致鋼包信息匹配易出錯(cuò)、周轉(zhuǎn)時(shí)間長、鋼水溫降大等問題。為了實(shí)現(xiàn)鋼包的自動(dòng)識(shí)別追蹤，行業(yè)內(nèi)試驗(yàn)過多種方案：一種為工業(yè)相機(jī)的圖像識(shí)別方案^[8]，通過圖像處理算法提取鋼包表面噴涂的包號(hào)，該方案具有硬件成本低、監(jiān)控識(shí)別一體的優(yōu)勢。然而在惡劣的煉鋼環(huán)境中，強(qiáng)光、金屬反射、粉塵、振動(dòng)等因素干擾相機(jī)成像質(zhì)量，包號(hào)遭受鋼渣覆蓋遮擋，需要定期維護(hù)鋼包號(hào)碼的清楚、相機(jī)鏡頭的清潔，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高識(shí)別率、純無人化還有較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。另外一種方案為基于半導(dǎo)體的RFID技術(shù)方案^[9]，通過隔熱材料保護(hù)RFID芯片，設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，減緩溫度傳遞到芯片，提高芯片高溫下的壽命。常規(guī)的RFID芯片工作溫度上限為125℃，若芯片長期超過200℃會(huì)發(fā)生電子逃逸等現(xiàn)象，導(dǎo)致芯片不可逆的損壞。因此基于半導(dǎo)體RFID的技術(shù)可短期解決鋼包包號(hào)識(shí)別，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是標(biāo)簽高溫下的損壞率較高，后續(xù)更換損壞標(biāo)簽的維護(hù)成本較高。

隨著智慧煉鋼的不斷推進(jìn)，鋼包精準(zhǔn)識(shí)別跟蹤是智慧煉鋼的必備信息感知技術(shù)之一，如出現(xiàn)鋼包定位跟蹤信息的丟失或誤判，將會(huì)出現(xiàn)煉鋼工序等鋼包、生產(chǎn)物流信息不暢、甚至導(dǎo)致澆錯(cuò)鋼水等嚴(yán)重后果。因此，鋼包定位跟蹤技術(shù)的識(shí)別率須達(dá)到100%，且要求長期穩(wěn)定并免維護(hù)。

圖1 (a)煉鋼廠內(nèi)鋼包，(b)紅外成像的鋼包表面溫度

鑒于以上工業(yè)環(huán)境和技術(shù)條件，本文提出電磁微聲（Electro-Magnetic Micro-Acoustics, EMMA）技術(shù)方案，雷達(dá)發(fā)射電磁波，經(jīng)微聲芯片轉(zhuǎn)換為聲波，再轉(zhuǎn)為電磁波回傳信息。該技術(shù)的核心微聲芯片，是一種制備在壓電單晶上的微機(jī)電系統(tǒng)，從本質(zhì)上具有耐高溫工作的特點(diǎn)，采用硅酸鎵鑭等特種單晶制備，最高工作溫度可達(dá)1200℃。EMMA技術(shù)適用于高溫熔融金屬表面高溫的工作環(huán)境，是高溫熔融金屬識(shí)別率實(shí)現(xiàn)100%的最有可能的路線之一。目前，EMMA技術(shù)已經(jīng)被國際公認(rèn)為最適合惡劣工業(yè)環(huán)境中高溫設(shè)備的識(shí)別感知技術(shù)之一，該技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵包識(shí)別已經(jīng)被西門子、CTR等公司報(bào)道應(yīng)用^{[10, 11]}。

2 電磁微聲技術(shù)

2.1 工作原理

電磁微聲（EMMA）技術(shù)的工作原理如圖2所示，雷達(dá)發(fā)射一段查詢脈沖電磁波信號(hào)，微聲芯片收到電磁脈沖之后，可將微弱的電磁脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲表面波，并在基片上傳播。此時(shí)微聲芯片即已經(jīng)工作，其反射攜帶編碼信息的回波，經(jīng)雷達(dá)天線接收并解碼，得到微聲芯片的 ID 信息或者傳感信息。

圖2 電磁微聲技術(shù)的工作原理

系統(tǒng)主要由微聲標(biāo)識(shí)器、雷達(dá)以及天線組成。其中，微聲標(biāo)識(shí)器內(nèi)的芯片是基于壓電材料制作而成，具有耐高溫、純無源、信號(hào)穿透能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、具備溫度傳感功能等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于特殊惡劣環(huán)境下的識(shí)別。微聲芯片主要由天線、叉指換能器、反射柵、壓電基片構(gòu)成，其中天線與叉指換能器直接相連，反射柵按照一定的編碼規(guī)律放置在壓電基片上，壓電基片一般由壓電材料制備而成，如鈮酸鋰、石英、硅酸鎵鑭等。天線主要用于發(fā)射和接收高頻電磁波信號(hào)；叉指換能器是一種換能元件，由于逆壓電效應(yīng)可激發(fā)出聲表面波，主要用于實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與聲表面波信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化；反射柵用于反射和透射聲表面波。

針對(duì)高溫熔融金屬識(shí)別的應(yīng)用，電磁微聲技術(shù)的特點(diǎn)為：1、使用壽命長，長期免維護(hù)。與IC標(biāo)簽不同，微聲標(biāo)識(shí)器所采用的是壓電材料，不包含任何電子元器件，因此使用壽命可以遠(yuǎn)超過IC標(biāo)簽，非常適合設(shè)備常年免維護(hù)的應(yīng)用需求。2、最大工作溫度高。微聲標(biāo)識(shí)器所使用的基片材料和電極，可在350℃下的高溫正常工作，配合耐高溫天線使用，可以長期工作于高溫設(shè)備表面 150℃-350℃高溫環(huán)境，特種定制的微聲芯片工作溫度可達(dá)到400℃、600℃以及1000℃。3、識(shí)別準(zhǔn)確率高。識(shí)別空間內(nèi)，雷達(dá)僅識(shí)別1個(gè)微聲標(biāo)識(shí)器，在常規(guī)RFID標(biāo)簽易串?dāng)_的環(huán)境下，EMMA系統(tǒng)僅識(shí)別信號(hào)最強(qiáng)的微聲標(biāo)識(shí)器，具有極好的單標(biāo)簽識(shí)別能力，極低的相鄰標(biāo)簽的串?dāng)_影響概率。

2.2 耐高溫微聲芯片

2.2.1 微聲芯片

本系統(tǒng)采用上海交通大學(xué)自主研究制備的微聲標(biāo)識(shí)芯片，芯片采用多脈沖位置全反射柵編碼于2組槽位（Multi-pulse Position with All Reflectors in Two Groups MPP-ART）的編碼方案^[12]。通過微納加工工藝制備的微聲芯片如圖2所示，晶片基底為128°YX-LiNbO₃，反射柵的金屬薄膜材料為鋁。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的時(shí)域響應(yīng)如圖5-3所示，5個(gè)脈沖分別對(duì)應(yīng)編碼反射柵，峰值為-26.58 dB，-26.23 dB，-25.78 dB，-25.59 dB，-25.42 dB，該測試結(jié)果說明器件插入損耗低，反射峰信號(hào)幅度一致性好。

圖3 (a)微聲標(biāo)識(shí)芯片，(b)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試結(jié)果

2.2.2 高溫性能測試

為了測試微聲芯片的工作最高溫度，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套自動(dòng)化的高溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示，主要功能：1、提供程控高溫烘烤的環(huán)境，2、實(shí)時(shí)測量芯片在升溫和老化過程中的溫度、器件信號(hào)幅度和時(shí)延等變化，并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

圖4 (a)高溫實(shí)驗(yàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，(b)退火和升溫階段，微聲芯片每個(gè)反射峰的損耗變化

開展極限耐溫試驗(yàn)，驗(yàn)證微聲芯片的最高工作溫度以及微聲芯片在不同溫度段的響應(yīng)，馬弗爐的溫度設(shè)置從常溫升溫，執(zhí)行退火過程，然后降溫到常溫，再進(jìn)入升溫階段，從50℃到600℃，溫度步進(jìn)間隔為50℃，每個(gè)溫度段停留1小時(shí)，確保馬弗爐內(nèi)微聲芯片所處位置的溫度場穩(wěn)定，數(shù)據(jù)每隔5分鐘記錄一次。

芯片樣品經(jīng)過退火和升溫階段后，反射柵的損耗變化過程如圖 4(b)所示。退火階段，微聲芯片的損耗有所降低，回波幅度在退火高溫階段有所增強(qiáng)，這主要是由于反射柵的Al電極高溫氧化成Al₂O₃，導(dǎo)致電極更重的質(zhì)量加載，增大了反射柵的反射率。升溫階段，回波的整體損耗呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，442℃以下，損耗增大并不顯著。直到506℃溫度段，損耗明顯增大，506℃下持續(xù)1小時(shí)，微聲芯片的插入損耗增大約4dB。569℃下，損耗急劇升高，1小時(shí)內(nèi)器件損壞。但是損耗大幅增加，569℃時(shí)，完全沒有微聲芯片的反射回波，時(shí)域和頻域均無響應(yīng)。根據(jù)頻域的測量結(jié)果，可判斷是微聲芯片的IDT斷路。上述測量結(jié)果說明制備的微聲標(biāo)識(shí)芯片樣品在450℃溫度段，可較長時(shí)間工作，超過500℃，器件僅能短時(shí)間工作。

2.3 標(biāo)識(shí)器封裝及雷達(dá)設(shè)計(jì)

高溫熔融金屬所處的環(huán)境惡劣，對(duì)微聲標(biāo)識(shí)器天線和外殼封裝的工程設(shè)計(jì)要求極高。本文采用耐高溫、高增益天線，標(biāo)識(shí)器封裝外殼選用航空雷達(dá)透波復(fù)合材料及涂層，可短時(shí)間耐受1200℃的鋼水。微聲標(biāo)識(shí)器如圖5所示。主要特點(diǎn)為1、天線及封裝材料長期耐受溫度達(dá)到350℃，2、天線帶寬及增益等參數(shù)的低溫度漂移，確保高溫下仍具有遠(yuǎn)的識(shí)別距離，3、封裝具備耐受鋼水的能力，高溫熔融金屬在倒渣、精煉等工藝過程中散落的鋼水覆蓋在標(biāo)識(shí)器表面后無殘留，不影響標(biāo)識(shí)器工作。上述設(shè)計(jì)思路目標(biāo)是確保微聲標(biāo)識(shí)器可在高溫熔融金屬表面長期免維護(hù)使用。

圖5 （a）可耐受鋼水傾濺的微聲標(biāo)識(shí)器，(b) 920MHz脈沖雷達(dá)

為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)在鋼鐵廠內(nèi)惡劣環(huán)境中識(shí)別距離遠(yuǎn)的性能，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)脈沖式雷達(dá)，如圖5所示，工作頻率為920MHz，與RFID技術(shù)的工作頻段一致。基于經(jīng)典的軟件無線電架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了相參的線性調(diào)頻和脈沖壓縮的查詢功能，可實(shí)現(xiàn)在工業(yè)環(huán)境中的噪聲、干擾、高溫頻偏后，遠(yuǎn)距離識(shí)別微聲標(biāo)識(shí)器。

3 實(shí)施案例及應(yīng)用效果

（1）寶鋼湛江鋼鐵鋼包一體化管理項(xiàng)目

EMMA技術(shù)應(yīng)用于寶鋼湛江鋼鐵鋼包識(shí)別跟蹤項(xiàng)目，助力實(shí)現(xiàn)“5G遠(yuǎn)程一鍵煉鋼”，該鋼廠鋼包表面長期溫度為280℃，短時(shí)間特殊工藝時(shí)溫度超過400℃。鋼包在烘烤位和傾翻臺(tái)等高溫工位，表面溫度長期處于250℃。項(xiàng)目采用電磁微聲技術(shù)，實(shí)時(shí)、可靠地識(shí)別鋼包，跟蹤其位置，實(shí)現(xiàn)鋼包全生命周期高效管理。項(xiàng)目安裝多個(gè)微聲標(biāo)識(shí)器和多臺(tái)雷達(dá)，如圖6所示。EMMA設(shè)備長期穩(wěn)定工作，鋼水濺落沉積在標(biāo)識(shí)器周圍，標(biāo)識(shí)器仍保持良好的工作狀態(tài)，驗(yàn)證了該微聲標(biāo)識(shí)器在惡劣高溫熔融金屬環(huán)境下的穩(wěn)定性、可靠性。基于EMMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的煉鋼物流跟蹤系統(tǒng)，具有識(shí)別率高，標(biāo)識(shí)器長期免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼水實(shí)績管理、優(yōu)化配置調(diào)度、安全監(jiān)控，有效降低了高溫熔融金屬在運(yùn)輸過程中的熱損失，長期效益顯著。

圖6 高溫熔融金屬EMMA標(biāo)識(shí)器和雷達(dá)現(xiàn)場安裝圖

（2）江蘇永鋼集團(tuán)鐵包識(shí)別項(xiàng)目

2019年10月，EMMA技術(shù)應(yīng)用于永鋼集團(tuán)的鐵包識(shí)別跟蹤項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)永鋼“生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)”。該鋼廠鐵包主要是汽車運(yùn)輸，鐵包運(yùn)行軌跡多變，除了對(duì)標(biāo)簽有高溫的要求之外，還需識(shí)別設(shè)備無串?dāng)_、識(shí)別響應(yīng)速度快。系統(tǒng)安裝了鐵包110個(gè)微聲標(biāo)識(shí)器，雷達(dá)8臺(tái)，于2019年12月安裝調(diào)試完成，經(jīng)系統(tǒng)校核，鐵包整體在線率達(dá)到100%，成功投入生產(chǎn)單位使用。目前已經(jīng)開展二期，推廣應(yīng)用于集團(tuán)內(nèi)全部煉鋼煉鐵廠。

圖7 鐵包EMMA標(biāo)識(shí)器安裝位置

（3）火車爐下精準(zhǔn)對(duì)位

EMMA技術(shù)可滿足運(yùn)載鐵包的火車的精準(zhǔn)爐下對(duì)位需求，在車架上安裝微聲定位器，高爐出鐵口下安裝雷達(dá)，如圖8所示。基于RSSI(Received Signal Strength Indication,接收信號(hào)強(qiáng)度)進(jìn)行距離估計(jì)，用于輔助定位，提升定位精度。信號(hào)衰落模型選用對(duì)數(shù)距離模型，如(1)式所示。式中：d為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的間距；d₀ 為參考距離；n為信號(hào)衰減因子，表示損耗隨距離增長的速率；X_σ 是方差為σ的正態(tài)隨機(jī)分布。

             (1)

EMMA火車高爐爐下對(duì)位的優(yōu)勢包括可抵抗鐵水噴濺，解決了格雷母線和激光等技術(shù)高爐爐下可靠定位的問題，可實(shí)現(xiàn)鐵包識(shí)別、爐下對(duì)位共用雷達(dá)，定位精度為5~20cm。

圖8 爐下對(duì)位安裝位置

4 結(jié)論

本文提出了采用電磁微聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)高溫熔融金屬識(shí)別跟蹤的功能，采用微聲芯片作為核心的感知層器件，微聲芯片的工作溫度達(dá)到了450℃，定位標(biāo)識(shí)器封裝可耐受1200℃的鋼渣濺落。典型應(yīng)用案例寶鋼湛江鋼鐵和江蘇永鋼的實(shí)際長期使用，驗(yàn)證了電磁微聲技術(shù)為熔融金屬設(shè)備的控制與調(diào)度優(yōu)化，提供了可靠的感知技術(shù)。本研究將繼續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全壽命周期100%識(shí)別率的電磁微聲技術(shù)，并繼續(xù)研究在爐下對(duì)位的應(yīng)用。未來，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)擴(kuò)展電磁微聲技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域的應(yīng)用，研究設(shè)計(jì)適用多工序場景惡劣工況下的高溫傳感器。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁晴棠, 殷瑞鈺, 曹湘洪, 劉佩成, “面向2035的流程制造業(yè)智能化目標(biāo)、特征和路徑戰(zhàn)略研究 ” 中國工程科學(xué), vol. 22, no. 03, pp. 148-156, 2020.

[2] 張健民, 單旭沂, “熱軋產(chǎn)線智能制造技術(shù)應(yīng)用研究——寶鋼1580熱軋示范產(chǎn)線 %J 中國機(jī)械工程,” vol. 31, no. 02, pp. 246-251, 2020.

[3] W. Q. Sun, Q. Wang, Y. Zhou, and J. Z. Wu, “Material and Energy Flows of the Iron and Steel Industry: Status Quo, Challenges and Perspectives,” Applied Energy, vol. 268, Jun 15, 2020.

[4] 楊建平, 張江山, 劉青, “煉鋼–連鑄區(qū)段3種典型工序界面技術(shù)研究進(jìn)展,” 工程科學(xué)學(xué)報(bào), vol. 42, no. 12, pp. 1542-1556, 2020.

[5] 周繼程, 丁毅, 劉國平, 鄧勇, 上官方欽,酈秀萍, “基于排隊(duì)論的煉鋼-連鑄區(qū)段在線鋼包數(shù)量優(yōu)化 %J 鋼鐵,” vol. 56, no. 08, pp. 93-100, 2021.

[6] 蔡峻, “遷鋼二煉鋼鋼包一體化管控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用,” 博士, 北京科技大學(xué), 2015.

[7] 鄧帥, “首鋼京唐“全三脫”煉鋼過程鐵素物質(zhì)流調(diào)控的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,” 博士, 北京科技大學(xué), 2020.

[8] 郁浩, 張榮福, 程金光, 郭世平, “基于圖像處理的鋼包標(biāo)牌識(shí)別方法,” 電子科技, vol. 29, no. 01, pp. 94-97+101, 2016.

[9] 戴明新, 申屠小進(jìn), 高啟勝, “基于RFID技術(shù)的罐號(hào)跟蹤系統(tǒng)解決方案,” 衡器, vol. 48, no. 04, pp. 28-32, 2019.

[10] A. Binder, G. Bruckner, and J. Bardong, “Passive SAW Based RFID Systems Finding Their Way to Harsh Environment Applications,” Proceedings of the SENSORCOMM, pp. 57-62, 2013.

[11] R. Fachberger, and A. Erlacher, “Applications of Wireless SAW Sensing in the Steel Industry,” Procedia Engineering, vol. 5, pp. 224-227, 2010.

[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.