石灰石煅烧产物的在线检测方法和在线检测系统与流程

本发明涉及石灰石煅烧，尤其是涉及一种石灰石煅烧产物的在线检测方法和在线检测系统。

背景技术：

1、石灰石，主要成分碳酸钙煅烧制生石灰(氧化钙)是一项历史悠久且工业价值极高的工艺，其应用背景是从传统民生需求延伸到现代工业刚需，覆盖建筑、冶金、环保、化工、农业等关键领域，是上述各领域不可或缺的基础材料。

2、其反应原理为碳酸钙在高温条件下分解生成氧化钙和二氧化碳。氧化钙的转化率直接决定了产品质量和后续应用效果，在建筑建材、冶金、环保、化工等多个领域具有关键影响。因此，精准、快速检测石灰石煅烧过程中氧化钙的转化率，对优化煅烧工艺参数、提升产品质量、降低能耗和碳排放具有重要意义。

3、目前，现有石灰石煅烧氧化钙转化率的检测方法主要包括化学滴定法、人工视觉判定法、热重分析法等。其中，化学滴定法是传统的检测方法，通过盐酸滴定样品中的氧化钙，计算其含量进而得到转化率。该方法虽然成本较低，但操作流程复杂，耗时较长（通常需要1-2h），且样品需进行消解等破坏性处理，无法实现原位检测；同时，样品中的硅、铝、铁等杂质元素会与盐酸发生反应，干扰滴定结果的准确性，检测误差较大（通常≥5%）。人工视觉判定法依赖操作人员根据煅烧后样品的表面颜色、形态等特征判断煅烧产物，该方法效率低、主观性强，易受操作人员经验、光照条件等因素影响，判定一致性差，无法满足工业化大规模生产的质量管控需求。热重分析法通过检测样品在加热过程中的质量变化，根据碳酸钙分解的质量损失计算转化率。该方法具有一定的精准度，但检测周期长（需全程跟踪加热过程，耗时≥1h），仪器设备成本高，且仅能反映样品的整体质量变化，无法准确区分物相组成，对部分未完全分解的中间产物识别能力不足。

4、如何提升石灰石煅烧产物检测的全面性、准确性、智能化程度、效率及实用性，满足工业生产线实时质量监控的需求是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种石灰石煅烧产物的在线检测方法和在线检测系统，提升石灰石煅烧产物检测的全面性、准确性、智能化程度、效率及实用性，满足工业生产线实时质量监控的需求。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种石灰石煅烧产物的在线检测方法，包括如下步骤：

3、s1、收集经不同煅烧工艺得到的多组石灰石煅烧产物，作为样品；

4、s2、通过三维成像技术，采集样品的内部图像，生成样品的三维密度分布模型,基于样品的三维密度分布模型提取样品的密度特征参数；

5、s3、通过视觉识别技术，采集样品的表面图像，对采集的表面图像进行预处理后提取样品的视觉特征参数；

6、s4、测定每组样品的氧化钙转化率真实值；

7、s5、构建包含密度特征参数、视觉特征参数及氧化钙转化率真实值的样本数据集和评价模型，将样本数据集分为训练集和测试集，通过训练集训练评价模型，通过测试集验证评价模型；

8、s6、通过三维成像技术，在线采集石灰石煅烧产物的内部图像，生成石灰石煅烧产物的三维密度分布模型,基于石灰石煅烧产物的三维密度分布模型提取石灰石煅烧产物的密度特征参数；

9、s7、通过视觉识别技术，在线采集石灰石煅烧产物的表面图像，对采集的表面图像进行预处理，基于预处理后的表面图像提取石灰石煅烧产物的视觉特征参数；

10、s8、将石灰石煅烧产物的密度特征参数和视觉特征参数输入所述评价模型中，输出石灰石煅烧产物的氧化钙转化率预测值，根据所述氧化钙转化率预测值判定石灰石煅烧产物的煅烧效果。

11、本发明的一个实施例中，步骤s2和s6中，采用x射线计算机断层扫描技术获取石灰石煅烧产物的多个断层图像，对断层图像序列进行三维重构，通过扫描石灰石煅烧产物，生成石灰石煅烧产物的三维密度分布模型；

12、或者，步骤s2和s6中，通过多探头阵列式超声波检测技术对石灰石煅烧产物进行全域多点位扫描，采集超声波传播速度与衰减系数，结合标定的密度校准模型计算样品三维密度分布参数。

13、本发明的一个实施例中，步骤s2和s6中，提取的石灰石煅烧产物的密度特征参数包括：

14、密度差值，计算石灰石煅烧产物的平均密度与基准样品的密度的差值，作为密度差值；

15、密度梯度最大值，在三维密度分布模型中，沿石灰石煅烧产物的纵向和垂直纵向的各个方向计算密度梯度，提取最大值，作为密度梯度最大值；

16、成品率，根据碳酸钙和氧化钙的密度，通过阈值分割算法，计算碳酸钙和氧化钙的含量，计算氧化钙体积占石灰石煅烧产物总体积的百分比；

17、密度分布变异系数，计算石灰石煅烧产物密度的标准差与平均密度的比值。

18、本发明的一个实施例中，步骤s3和s7中，对采集的表面图像进行预处理时包括如下子步骤：

19、s31、灰度化，将rgb图像转换为灰度图像，减少数据量；

20、s32、高斯滤波去噪，采用5×5高斯模板对灰度图像进行滤波处理；

21、s33、直方图均衡化；

22、s34、图像分割，采用最大类间方差法分割图像中的石灰石煅烧产物区域与背景区域，提取石灰石煅烧产物区域图像。

23、本发明的一个实施例中，步骤s3和s7中，提取的石灰石煅烧产物的视觉特征参数包括：

24、颜色特征，计算石灰石煅烧产物区域的rgb三通道均值、灰度均值及色调分布熵；

25、纹理特征，构建灰度共生矩阵，计算矩阵的能量、对比度、相关性三个特征值；

26、形态特征，采用边缘检测算法提取石灰石煅烧产物表面的裂隙轮廓，统计裂隙数量、总长度，计算裂隙长度占石灰石煅烧产物表面面积的百分比。

27、本发明的一个实施例中，步骤s4中，采用化学滴定法测定每组样品的氧化钙转化率真实值。

28、本发明的一个实施例中，步骤s5中，采用随机森林算法构建和训练煅烧产物评价模型，包括如下子步骤：

29、s51、特征归一化：采用min-max标准化方法对所有特征参数进行归一化处理，将特征值映射至[0,1]区间；

30、s52、模型初始化，设定决策树数量为100-200棵，决策树深度为10-15层，采用bootstrap抽样法从训练集中抽取样本训练每棵决策树；

31、s53、模型训练，将训练集的特征参数输入评价模型，以氧化钙转化率真实值为标签进行模型训练；采用5折交叉验证法优化模型的决策树数量和深度；

32、s54、模型验证：将测试集的特征参数输入训练后的评价模型，得到氧化钙转化率预测值，计算氧化钙转化率预测值与氧化钙转化率真实值的误差，当误差不大于1.5%时，完成模型训练，当误差值大于1.5%时，则调整模型参数重新训练直至误差不大于设定值。

33、本发明的一个实施例中，步骤s8中，当85%≤转化率预测值≤93%，则待评价石灰石煅烧产物煅烧合格；当转化率预测值＜85%，则待评价石灰石煅烧产物煅烧不合格；当转化率预测值≥93%，则待评价石灰石煅烧产物过烧步骤。

34、本发明还提供一种石灰石煅烧产物的在线检测系统，用于实施所述的在线检测方法，包括输送带、内部图像采集装置及表面图像采集装置，所述输送带用于输送石灰石煅烧产线输出的石灰石煅烧产物，所述内部图像采集装置用于扫描所述输送带上的石灰石煅烧产物的内部结构，所述表面图像采集装置用于采集所述输送带上的石灰石煅烧产物的表面图像。

35、本发明的一个实施例中，所述内部图像采集装置为x射线扫描装置或超声波扫描装置，所述表面图像采集装置为视觉识别装置。

36、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明首次将三维成像技术与视觉识别技术联用，同时提取样品内部密度分布特征和表面视觉特征，构建融合密度特征与视觉特征的评价模型，通过评价模型在线检测石灰石煅烧产物的煅烧效果，具体优势如下：

37、首先，检测全面性强，同时提取样品内部密度分布特征和表面视觉特征，突破了传统方法仅能检测单一特性或依赖表面主观判断的局限，实现了煅烧效果的全方位表征，避免了因样品内部未完全分解导致的检测偏差；

38、其次，检测结果准确性高，结合大量样本数据训练优化评价模型，氧化钙转化率检测误差小，显著优于传统化学滴定法和单一物理特性检测法；

39、再次，检测过程智能化程度高，实现了从样品扫描、特征提取、模型预测到结果判定的全流程自动化，无需人工干预，避免了人工判定的主观性和经验依赖性，提升了检测的一致性和稳定性，适用于工业化大规模生产；

40、另外，检测效率高，整个检测流程实现在线原位检测，相较于传统化学滴定法（1-2h）时间大幅缩短，可实现工业生产线的实时质量监控，为工艺参数的动态调整提供及时支撑。

41、最后，无损检测且实用性强：在线检测系统可安装在传送装置上，无需对石灰石煅烧产物进行破坏性处理，可保留样品用于复检。

42、本发明的在线检测系统可直接集成到石灰石煅烧生产线内，实现对煅烧产品的实时、全方位检测。通过精准获取氧化钙转化率及样品的内部、表面特征参数，不仅能快速判定煅烧效果，还能为工艺参数优化提供针对性建议，有效提升产品合格率、降低单位产品能耗和二氧化碳排放。同时，本发明的方法适用于不同规模、不同领域的石灰石煅烧企业，设备投入可通过生产效率提升和能耗降低快速回收，操作简便无需专业检测人员，易于推广应用，具有显著的经济、社会和环境效益。