專利名稱：焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，屬于煉焦應(yīng)用炭相學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)煉鐵生產(chǎn)中，焦炭在高爐內(nèi)的主要作用之一是作為料柱骨架，因而強(qiáng)度成為評(píng)價(jià)高爐焦炭性能的重要參數(shù)之一。作為多孔的焦炭，其氣孔結(jié)構(gòu)與焦炭的強(qiáng)度有著密不可分的聯(lián)系，這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)尤其是配煤有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。但在高爐焦炭領(lǐng)域，雖然針對(duì)焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)特征做了一些研究，設(shè)定了諸如氣孔率、平均孔徑(大小)、孔壁厚度和氣孔形變度等參數(shù)，但這些參數(shù)與焦炭性質(zhì)未能建立很好的相關(guān)性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用意義有限。
近年來，在多孔材料氣孔結(jié)構(gòu)的分析研究方法上，普遍采用圖像分析法，該分析法基于幾何學(xué)、體視學(xué)理論，是從材料二維截面上獲得的普適參數(shù)來描述立體結(jié)構(gòu)。這些圖像分析系統(tǒng)主要由圖像拾取和圖像分析兩大系統(tǒng)構(gòu)成，前者由光學(xué)鏡頭、掃描臺(tái)、存儲(chǔ)設(shè)備等硬件組成，后者主要是指用于圖像處理和分析計(jì)算的軟件。對(duì)于前者，光學(xué)顯微鏡和掃描臺(tái)一般都是容易獲取的，而后者，各個(gè)圖像分析儀有其自行開發(fā)的軟件系統(tǒng)。鑒于圖像分析的這個(gè)特點(diǎn)，有多家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)在現(xiàn)有硬件(圖像拾取)設(shè)備的基礎(chǔ)上，自行開發(fā)或是利用現(xiàn)有的圖形軟件來完成圖像處理和顯微組織定量分析的工作。有人特別針對(duì)焦炭開發(fā)了氣孔結(jié)構(gòu)定量分析系統(tǒng)，根據(jù)焦炭氣孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)的算法，開發(fā)了新的算法程序，成為用于分析孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的軟件雛形；但是由于開發(fā)的年代較早，計(jì)算機(jī)硬件還比較落后，受處理芯片、內(nèi)存容量和圖形加速卡所限，該系統(tǒng)的處理能力十分有限，尤其不能勝任高分辨率圖像的處理。
另一方面，傳統(tǒng)的圖像分析法是用測(cè)試線測(cè)量的方法，通過分析在截面上測(cè)試線和氣孔截面相截的長度和數(shù)量來確定氣孔的平均孔徑，通過測(cè)試線和氣孔壁相截的長度和數(shù)量來確定氣孔壁的平均厚度。早期用人工方法分析時(shí)，由于測(cè)試線間距不可能做的很小，因此大量直徑小于該間距值的氣孔將有可能被遺漏；換言之，氣孔在截面上截出的斷面尺寸越小，被測(cè)試線截出的概率越小。在有限次數(shù)的測(cè)量中，小氣孔經(jīng)常不能在截面上反應(yīng)出來，使得測(cè)量的氣孔數(shù)量偏低。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，該測(cè)定方法通過對(duì)表征焦炭微觀結(jié)構(gòu)的氣孔粗糙度參數(shù)測(cè)定，可對(duì)高爐用焦炭的強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行有效的預(yù)判。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，其包含下列步驟(1)取樣，在焦炭軸向上的中線位置處切取焦塊截面試樣；(2)圖像拾取，用帶數(shù)字輸出的光學(xué)顯微鏡在計(jì)算機(jī)上通過圖像軟件抓取焦炭二維截面的灰階圖；(3)圖像處理，將所獲得的二維圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖，對(duì)由于焦炭中反射率較低的礦物質(zhì)得到的氣孔進(jìn)行填充修正，對(duì)斷裂氣孔壁進(jìn)行修復(fù)，使得二維圖像接近焦炭本來的面貌；(4)氣孔粗糙度計(jì)算，測(cè)量和計(jì)算圖像上每個(gè)氣孔的面積A和周長P，進(jìn)而計(jì)算氣孔的圓度C；為每個(gè)氣孔擬合一個(gè)橢圓，再計(jì)算該橢圓的圓度C橢圓，則氣孔粗糙度C’為兩者之比；(5)焦炭氣孔粗糙度計(jì)算，計(jì)算所有氣孔的粗糙度，取平均值即得到焦炭試樣的氣孔粗糙度 上述的焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，所述從二維圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖，首先通過對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪，接著確定閥值將灰階圖分割為黑白二值圖，再使用圖像處理程序中的腐蝕后膨脹操作使焦炭氣孔之間有更好的分離。
本發(fā)明包含兩個(gè)方面第一個(gè)方面是獲取焦炭二維截面的圖像并進(jìn)行圖像處理以獲得可用于計(jì)算的數(shù)字圖像；第二個(gè)方面是從所述數(shù)字圖像上計(jì)算得到焦炭氣孔的粗糙度參數(shù)。焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)與焦炭的強(qiáng)度有著密不可分的聯(lián)系，這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)尤其是配煤有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本發(fā)明通過對(duì)表征焦炭微觀結(jié)構(gòu)的氣孔粗糙度參數(shù)測(cè)定，揭示該參數(shù)與焦炭強(qiáng)度之間具有良好的相關(guān)性，從而對(duì)高爐用焦炭的強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行有效的預(yù)判。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1為二維焦炭截面的取樣示意圖；圖2為焦炭原始照片；圖3為經(jīng)過轉(zhuǎn)換、過濾和分割后的圖像；圖中箭頭A、B分別表示斷裂的氣孔壁和分割缺陷；圖4修正后的圖像；圖中箭頭所指處分別表示對(duì)斷裂孔壁的修補(bǔ)和對(duì)分割缺陷的彌補(bǔ)；圖5為每個(gè)氣孔所擬合的橢圓示意圖；圖6為焦炭的氣孔粗糙度與冷強(qiáng)度之間的關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
一種焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，包含下列步驟(1)二維焦炭截面的獲取高爐焦炭具有從焦頭到焦尾疏密度漸變的特點(diǎn)，為使所有待測(cè)焦炭塊樣具有可比性，選取直徑約為50mm、包含從焦頭到焦尾的完整焦塊，如圖1所示，在其軸向方向的1/2長度位置處并垂直于軸線切割，獲得二維焦炭截面，同時(shí)確保該位置的焦塊截面有40mm×40mm的可測(cè)量面積。經(jīng)過機(jī)械磨拋、清洗以及干燥等一系列處理，獲得用于顯微鏡觀察的焦炭塊光片。
(2)圖像拾取圖像拾取使用配備有數(shù)字?jǐn)z像頭的光學(xué)顯微鏡，顯微鏡與帶有圖像采集卡的計(jì)算機(jī)相連，以計(jì)算機(jī)的顯示器作為顯微鏡的顯示終端，并用相應(yīng)的圖形軟件抓取焦炭切面圖片并以數(shù)字格式儲(chǔ)存下來。
焦炭塊光片固定于掃描臺(tái)上，顯微鏡放大倍數(shù)選取50倍。攝像頭的分辨率為2088pix×1552pix，每幅圖像的實(shí)際大小為2784μm×2069μm，因此掃描步長為橫向3mm，縱向2mm。為保證最后結(jié)果的普遍性，參考慣例，對(duì)焦塊每處截面抓取累積不少于1200mm2總面積的光片圖像，即所抓取的圖片將不少于200張。
(3)圖像處理和氣孔測(cè)量圖像處理采用計(jì)算機(jī)完成，圖像處理和計(jì)算使用的軟件為ImageJv1.30k圖形處理軟件。以實(shí)施例1的孫村焦炭試樣的一張照片為例來具體說明圖像處理的過程，圖2為其原始圖像。所抓取的原始焦炭圖片為256階灰度圖(8-bit圖)。
首先對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理，在本發(fā)明中采用中值濾波(MedianFilter)，其優(yōu)點(diǎn)是在過濾噪聲的同時(shí)，還能很好的保護(hù)邊緣輪廓信息。
而后進(jìn)行圖像分割。圖像分割是要將256階灰度圖轉(zhuǎn)變?yōu)閮H有黑(灰度值為0)和白(灰度值為1)兩種顏色構(gòu)成的所謂二值圖。這一過程通過選取適當(dāng)?shù)幕叶乳y值(Threshold，亦稱作門限)來實(shí)現(xiàn)的，可將超過閥值部分的灰度重新分配以最大灰度值1(即白色)，而低于閥值的部分則分配以最小灰度值0(即黑色)。在焦樣的灰度圖中，亮的部分為焦炭基質(zhì)，暗的部分為孔洞，在調(diào)整閥值時(shí)，把圖像的背景(即焦炭孔洞)轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?，而把焦炭基質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?，這樣得到的圖像就成了黑白二值圖。在具體分割時(shí)，通過對(duì)分割前后照片的反復(fù)對(duì)照比較，確定最佳的閥值范圍，該閥值范圍在80～120，并根據(jù)具體圖像調(diào)節(jié)。最后，再進(jìn)行兩次打開(Open)操作，即腐蝕(Erode)后膨脹(Dilate)，目的在于使毗鄰的孔隙能夠得到更好的分離。經(jīng)過以上處理后的圖像如圖3所示。
接著對(duì)有明顯缺陷的圖像進(jìn)行修正。經(jīng)過與原始圖像的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，圖像缺陷的來源主要有兩個(gè)，一個(gè)是氣孔壁的斷裂，另一個(gè)是圖像分割效果不理想。
焦炭在切片和磨制過程中，由于其某些氣孔壁非常薄，不可避免的產(chǎn)生斷裂。反映在焦炭顯微圖片上，就是部分氣孔壁的缺失，如圖3中A處所示。這種缺失可能造成的后果是，某些氣孔面積增大，而整個(gè)圖像中的氣孔數(shù)量減少，從而對(duì)后面的計(jì)算造成不良影響。用畫線功能(Draw)可以方便的修補(bǔ)斷裂的氣孔壁。
焦炭含有不少礦物組分，其反射率一般較低，在顯微鏡觀察下呈暗色，灰度也與背景(氣孔)的灰度相接近。在不損失其他圖像細(xì)節(jié)的前提下，閥值分割很難使礦物組分與氣孔得到很好的分離，而更容易把它劃作氣孔，如圖3中B處所示。對(duì)于這種缺陷，修正的辦法是用尋邊工具(Wand)選定礦物質(zhì)的邊緣范圍，而后用填充工具(Fill)將選定區(qū)域以白色(代表焦炭基質(zhì))填充。修正后的焦炭圖像如圖4所示。
(4)對(duì)處理后的圖像進(jìn)行氣孔粗糙度計(jì)算首先測(cè)量并計(jì)算出每個(gè)氣孔的面積A和周長P。測(cè)量是以圖像中的每個(gè)黑色像素聚集區(qū)(即每個(gè)氣孔)作為單位測(cè)量對(duì)象進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。其中，孔面積A的測(cè)量是通過計(jì)算相鄰黑色象素總數(shù)并折合成實(shí)際面積獲得的，周長P是以氣孔周邊像素的數(shù)目并折合成實(shí)際長度獲得的。針對(duì)焦炭，在測(cè)量時(shí)對(duì)于直徑大于2mm的超大孔和小于18μm的微孔予以剔除。根據(jù)每個(gè)氣孔的面積A和周長P，利用公式(1)計(jì)算出氣孔的圓度C。
C=4πAP2---(1)]]>接著為每個(gè)氣孔擬合一個(gè)橢圓，如圖5所示，并獲得該橢圓的主軸和副軸長。同樣用公式(1)計(jì)算該橢圓的圓度C橢圓。最后根據(jù)公式(2)計(jì)算氣孔粗糙度C’。
粗糙度的幾何意義是氣孔的圓度與氣孔當(dāng)量橢圓的圓度之比，由于圓度是反應(yīng)氣孔接近于圓的程度，其與為氣孔所擬合的橢圓圓度的比值則反映出氣孔邊緣的粗糙程度。對(duì)每個(gè)試樣所有氣孔的粗糙度取平均值即得到該焦炭試樣的氣孔粗糙度 粗糙度數(shù)值越大(越接近1)，表明氣孔壁越光滑。
實(shí)施例通過對(duì)國內(nèi)20種不同焦炭樣品測(cè)定了其冷強(qiáng)度(DI15015)和氣孔粗糙度，結(jié)果如表1所示。
表120種焦炭樣品DI15015強(qiáng)度和氣孔粗糙度測(cè)定結(jié)果
用粗糙度對(duì)冷強(qiáng)度DI15015作圖，如圖6所示，圖中的曲線為擬合線。從圖中可見，焦炭氣孔粗糙度與其強(qiáng)度之間有較好的相關(guān)性，即粗糙度越大(越接近1)，焦炭的冷強(qiáng)度DI15015越大。
本發(fā)明通過對(duì)表征焦炭微觀結(jié)構(gòu)的氣孔粗糙度參數(shù)測(cè)定，揭示該參數(shù)與焦炭強(qiáng)度之間具有良好的相關(guān)性，從而對(duì)高爐用焦炭的強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行有效的預(yù)判。
權(quán)利要求
1.一種焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，其特征是包含下列步驟(1)取樣，在焦炭軸向上的中線位置處切取焦塊截面試樣；(2)圖像拾取，用帶數(shù)字輸出的光學(xué)顯微鏡在計(jì)算機(jī)上通過圖像軟件抓取焦炭二維截面的灰階圖；(3)圖像處理，將所獲得的二維圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖，對(duì)由于焦炭中反射率較低的礦物質(zhì)得到的氣孔進(jìn)行填充修正，對(duì)斷裂氣孔壁進(jìn)行修復(fù)，使得二維圖像接近焦炭本來的面貌；(4)氣孔粗糙度計(jì)算，測(cè)量和計(jì)算圖像上每個(gè)氣孔的面積A和周長P，進(jìn)而計(jì)算氣孔的圓度C，C=4πAP2;]]>為每個(gè)氣孔擬合一個(gè)橢圓，再計(jì)算該橢圓的圓度C橢圓，則氣孔粗糙度C’為兩者之比；(5)焦炭氣孔粗糙度計(jì)算，計(jì)算所有氣孔的粗糙度，取平均值即得到焦炭試樣的氣孔粗糙度
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，其特征是從二維圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖，首先通過對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪，接著確定閥值將灰階圖分割為黑白二值圖，再使用圖像處理程序中的腐蝕后膨脹操作使焦炭氣孔之間有更好的分離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種焦炭氣孔粗糙度的測(cè)定方法，其包含下列步驟(1)取樣；(2)用帶數(shù)字輸出的光學(xué)顯微鏡在計(jì)算機(jī)上通過圖像軟件抓取焦炭二維截面的灰階圖；(3)將所獲得的二維圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖，并對(duì)有缺陷氣孔和斷裂氣孔壁進(jìn)行修正；(4)測(cè)量和計(jì)算圖像上每個(gè)氣孔的面積A和周長P，進(jìn)而計(jì)算氣孔的圓度C；為每個(gè)氣孔擬合一個(gè)橢圓，再計(jì)算該橢圓的圓度C
文檔編號(hào)G01B11/30GK1979089SQ20051011098
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月30日
發(fā)明者吳信慈, 楊俊和, 胡德生, 房永征, 曹銀平, 金寶, 沈風(fēng)雷, 徐志棟 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司, 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院