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　　馬竹梧 （1931-）

　　男，廣州市人，教授級高級工程師，原冶金部自動化研究院副院長、總工程師，現(xiàn)中國鋼鐵協(xié)會信息化自動化推進中心顧問、中國自動化學會專家咨詢委員會委員，主要從事工業(yè)自動化研究和設計工作

　　摘要：本文主要敘述煉鋼過程檢測夾渣的必要性，目前國內外檢測夾渣的方法，包括電磁感應法和紅外熱成象法。根據(jù)這些方法存在問題及生產實際而開發(fā)一種采用測溫儀表的低成本方案。此外，還進行儀表選擇和在首鋼進行試驗并取得初步成功以及指出今后方向。

　　關鍵詞：電磁感應；熱成象；溫度

　　Abstract: In this paper, we mainly describe the necessity of slag detection during steelmaking process and the slag detection methods including magnetic inductance or thermal imaging methods. According to the existing problems of these methods and practices in production, we develop a lowcost plan using measurement temperature instrument. In addition, we discuss the choice of instrument , get preliminary success in the test done in Shougang and then point out the future work.

　　Key words: Magnetic inductance; Thermal imaging; Temperature

　　1 引言

　　1.1 煉鋼過程下渣檢測的作用

　　在轉爐或電弧爐煉鋼過程中，為了除去鐵水的其他雜質，如硅、磷、硫等，需要進行吹氧和添加一些副原料進行冶煉，生成鋼水及鋼渣。鋼水較重，在爐中沉于底部，鋼渣大多數(shù)為非金屬氧化物，浮在鋼水上面。當冶煉結束開始出鋼時，鋼水從出鋼口中流到鋼包中，鋼水和鋼渣在爐中液位逐漸下降。當鋼水快要流盡時，鋼渣逐漸流出，這時，鋼水和鋼渣呈混合體(夾渣)。由于鋼渣影響鋼水質量，此外，若夾雜物過多，鋼水不潔凈，易于堵塞出鋼口和使鋼包的耐火層磨損嚴重。因此，必須測出鋼水下渣情況，以便及時擋渣或停止出鋼。此外，在連鑄過程中，在中間包澆鑄末期，流出鋼水會出現(xiàn)夾渣，如果進入結晶器會影響鑄坯質量，進而影響軋鋼后鋼材質量而前功盡棄，而更迫切需要及時檢測并阻止夾渣鋼水進入結晶器。

　　1.2 煉鋼過程下渣檢測的效益

　　目前，國內大多數(shù)煉鋼廠在出鋼過程中, 出鋼結束時間仍是由操作工根據(jù)鋼水和爐渣的顏色進行判斷和操縱的, 這需要操作人員具有一定的工作經驗, 因此具有很大的主觀性。而且爐渣剛在出鋼口出現(xiàn)時很難由視覺判斷出來, 即便對于有經驗的操作工來說, 當鋼流夾渣量為15%～20%時才有可能發(fā)現(xiàn), 小于此值時就無法分辨夾渣現(xiàn)象, 再加上現(xiàn)場環(huán)境很惡劣, 影響操作人員的判斷, 因此造成大量爐渣夾帶的問題。從而不但影響產量, 而且影響鋼的質量。實踐證明若采用自動爐渣檢測裝置則可解決上述問題，而且可以獲得很大的經濟效益，據(jù)奧鋼聯(lián)統(tǒng)計，有效地出鋼和探渣系統(tǒng)可以保證以下幾點：① 下渣量最少；② 脫氧劑和合金用量減少；③ 回磷減少；④ 鋼包耐材壽命延長；⑤ 改善鋼水脫硫；⑥ 鋼水成分更準確。其投資在幾個月就可收回。日本NKK公司福山廠轉爐采用了由德國AMEPA公司生產的TSD熱成象爐渣檢測系統(tǒng)后, 流入鋼包的轉爐渣量約減少了40%；本系統(tǒng)使用前, 鋼包中爐渣的平均厚度為27.6mm, 標準偏差為11.4mm; 使用后渣的平均厚度為16.2mm, 標準偏差為7.6mm；使用本系統(tǒng)前, 高溫出鋼時有檢驗延遲的現(xiàn)象, 使用后則沒有這種現(xiàn)象發(fā)生。國內寶鋼300t轉爐使用引進的AMEPA TSD熱成象系統(tǒng)監(jiān)視下渣情況也獲如下的良好效果：① 使用TSD系統(tǒng)，脫碳階段后下渣檢測成功率是99.3 %，脫磷階段后為88.7 %；② TSD系統(tǒng)效果與操作工目測經驗判斷的比較為平均響應時間短和標準偏差明顯下降，即脫磷階段后的平均響應時間從目測的4.8 s減少至TSD的3.3s，脫碳階段后則從3.9 s 減少至2.3 s；③ 脫磷階段后出鋼時, 鋼包平均渣厚從86.89mm減小到68.50mm，標準偏差大體相當；④ 熔劑消耗減少了12 %～21 %；⑤ 轉爐脫氧Al 加入量約減少了19 %。因此裝設下渣檢測系統(tǒng)是迫不容緩了。

　　2 煉鋼過程下渣檢測研究的目標

　　開發(fā)目標包括：① 有效(準確的、易于安裝的和可維護性好的等)的和功能齊全(有大小指示、報警、自動控制和能與計算機連接的和可多種選擇等)的鋼水夾渣檢測系統(tǒng)；② 低成本的和便于推廣的；③ 應用面覆蓋廣的，要不但適合轉爐、電弧爐、感應爐等出鋼過程及連鑄過程而且要適合于重要鑄鋼如鑄造軋輥過程等；④ 最好采用和考慮能覆蓋或改頭換面就可用于其它用途而不是單打一的技術和方案，如日本東芝的測長儀表改頭換面就可成為測速儀或延伸率檢測儀等，又如德國生產鋼板測厚儀表改頭換面就可成為測量橫向厚度、板形等儀。這點很重要，因為這樣易于形成批量、改善質量和降低成本，而在激烈的市場競爭中取勝，特別是鋼鐵專用儀表，難度大、批量少和成本高等，這是過去開發(fā)國內開發(fā)鋼鐵專用往往曇花一現(xiàn)的原因；⑤ 產品化和產業(yè)化，并采用與外商合作或合資方式，一次儀表采用外商先進的產品，二次儀表國內制造和國內成套組裝，利用低成本的優(yōu)勢出口國外。

　　3 方案選擇

　　3.1 目前國內外的幾種下渣檢測方法簡述

　　3.1.1概述

　　國內外試驗研究或生產應用的示渣方法大致有下列幾種：① 電阻法。在出鋼口外側安裝一對電極，出鋼時，電極間電阻小，回路通過一定的電流，當鋼流混渣時，電阻增加，電流急劇下降。② 噪音法。在出鋼口和鋼包分別安裝微音器，根據(jù)出鋼時鋼流摩擦產生的噪音、鋼流落入鋼包液面產生的打擊聲，檢測這兩個微音器的電混成信號，并按其頻率變化來確定鋼流混渣。③ 光譜法。出鋼時，向鋼流投射激光，分析由激光激起鋼液中鋼、渣光譜的特征，并根據(jù)分析值的變化測知渣的流出。④ 振動法。在鋼包或連鑄中間包塞棒或滑動水口的連桿操作裝置裝設振動傳感器，測量振動情況來判別出現(xiàn)渣時信號變化，這種方法國內也有成品。⑤ 輻射能法。連續(xù)記錄出鋼時鋼流輻射能、溫度的變化，依據(jù)在同一溫度下，鋼液、爐渣表面輻射能不同而表面黑度有差別的原理來判別鋼與渣。⑥ 電磁法。⑦ 熱成象法。

　　上述各種示渣方法雖然不少是獲得專利的，但比較準確和達到實用化的主要是電磁法和熱成象法。

　　3.1.2幾種下渣檢測方法的原理

圖1   電磁感應式示渣測量原理圖

　　(1) 電磁法示渣系統(tǒng)。瑞典Studsvik公司、德國AMEPA公司都生產類似的電磁感應示渣系統(tǒng)。目前大型鋼鐵廠大都采用AMEPA公司的電磁感應法下渣檢測系統(tǒng)(國內也生產類似的系統(tǒng))。其原理見圖1，當向線圈通入交變電流時，在被測物體產生渦流，這種渦流的分布、相位是線圈幾何形狀、頻率和被測物體電導能力的函數(shù)，這磁場由二次線圈測定，由這電磁場的振幅和相位可推測出被測材料和物體的形狀。

　　AMEPA鋼渣檢測系統(tǒng)包括傳感器、前置放大器和外顯示控制器等。傳感器由兩個同心線圈構成，套在鋼包水口上(圖3a，對于轉爐或電爐等，則如圖2所示安裝在出鋼口，此時也有采用發(fā)射線圈和接收線圈方式；對于連鑄，則如圖3所示安裝在鋼包或中間包水口上)，在鋼水流過時，由于鋼水與渣的磁導不同(爐渣的電導率僅為鋼液的千分之一，如果鋼流中含有少量爐渣，渦流就會減弱，而磁場則增強)，而可區(qū)分鋼與渣，出現(xiàn)渣時，發(fā)出帶渣報警并顯示。

圖2   電磁感應式示渣傳感器在煉鋼爐上安裝圖

圖3   電磁感應式示渣傳感器在連鑄機上安裝圖

　　(2) 熱成象式示渣系統(tǒng)。其原理如圖4所示。用攝像機對準鋼流攝像，監(jiān)測出鋼鋼流表面，利用紅外頻率范圍內鋼水和爐渣的不同輻射行為，即紅外線的范圍內熔渣的放射率較鋼水高的物理原理(即使鋼水和熔渣有相同的溫度，紅外線傳感器仍判定熔渣的溫度較鋼水高)，用圖像處理技術，通過計算機分辨鋼水還是渣，當出現(xiàn)渣時，顯示并報警。

圖4   熱成象式示渣系統(tǒng)示意

　　3.2 方案確定與紅外高溫計的選擇

　　3.2.1方案確定

　　根據(jù)調查表明：① 對于轉爐下渣檢測，開始不少工廠使用電磁感應法下渣檢測系統(tǒng)，但都相繼改為熱成象式示渣系統(tǒng)，如日本NKK 公司福山廠3煉鋼以前采用電磁感應原理, 在出鋼口埋入線圈傳感器的裝置來檢測爐渣, 由于出鋼口形狀的影響, 經常發(fā)生誤報現(xiàn)象, 其可靠性成為問題，故采用了由德國AMEPA公司生產的熱圖像爐渣檢測系統(tǒng)；奧鋼聯(lián)認為：常規(guī)的電磁探渣系統(tǒng)有一個線圈, 放在出鋼口附近。由于暴露在高溫環(huán)境下, 加上機械負荷較大, 一般要求的維修工作量也較大, 而這類維修一般在轉爐砌爐時進行。系統(tǒng)一旦在計劃砌爐時間之外出現(xiàn)問題, 就會降低系統(tǒng)的作業(yè)率或中斷正常的轉爐生產以進行維修。電磁探渣系統(tǒng)的另外一個缺點是用于新出鋼口時其功能一般會受損, 直至出了若干爐鋼之后才會正常, 往往頭幾爐出鋼時不使用探渣系統(tǒng)的早期預警功能。為此, 開發(fā)了新型熱圖像爐渣檢測系統(tǒng)；又如寶鋼認為電磁感應下渣檢測系統(tǒng)難以維護，或效果不盡理想，常常導致操作工必須使用肉眼來觀察鋼流下渣情況。然而，由于煙氣、灰塵等的影響操作工很難及時發(fā)現(xiàn)轉爐出鋼過程中下渣的發(fā)生，故使用熱圖像渣檢測系統(tǒng)(AMEPA TSD系統(tǒng))；② 目前，電磁感應法下渣檢測系統(tǒng)主要用于連續(xù)鑄鋼過程的大包(鋼包)往中間包(圖4)或中間包往結晶器注入鋼水時檢測下渣和進行自動控制，但是也出現(xiàn)和用于轉爐同樣問題，而使用振動法下渣檢測系統(tǒng)或光強度法等下渣檢測系統(tǒng)；③ 普遍認為熱圖像爐渣檢測系統(tǒng)太昂貴，對大型轉爐較為適合。

　　基于以上調查和研究分析，特別是面對眾多的轉爐、連鑄機組，應該尋求一種有效和便于安裝維護以及低成本的下渣檢測系統(tǒng)。因此，確定采用無接觸、使用壽命長和工作可靠的系統(tǒng)，為此使用類似圖4的系統(tǒng)，但采用直接測量鋼流溫度的方法，研究表明，由于鋼水和渣的輻射率即黑度系數(shù)不同，故即使鋼水和熔渣有相同的溫度，紅外高溫計仍可判定熔渣的溫度較鋼水高而可以檢測到熔渣出現(xiàn), 熔渣和鋼水的放射率差值越大, 高溫計越易檢測到熔渣的出現(xiàn)(如圖5所示)。這樣，便有可能用常用的紅外高溫計代替復雜的和昂貴的熱圖像系統(tǒng)。

圖5    鋼水和熔渣和對應波長的放射率

　　3.2.2紅外高溫計的選擇

　　紅外高溫計是辨別下渣的最終裝置，因而它的選擇是至關重要的。比較了多種紅外高溫計，我們選擇了美國威廉姆遜公司(Williamson)的雙波長紅外高溫計，它和傳統(tǒng)工業(yè)雙色高溫計都是基于普朗克定律和維恩公式基本原理，測量相鄰兩波長的輻射能量，通過比值計算消除干擾，獲得溫度值。由于威廉姆遜雙波長紅外高溫計在傳感器的結構原理、波長選擇及抗干擾能力的算法等方面有自己獨特的專利技術，因此該產品具有測量精度高、長期穩(wěn)定性好和抗干擾能力強等特點：

　　(1) 傳感器的結構。傳統(tǒng)工業(yè)雙色高溫計的兩個濾光片對應于兩個檢測器，而且重疊放置，即稱之為疊層雙檢測器。這兩個檢測器分別將過濾（λA&λB）后的輻射能量轉變成電信號，輸出到比例運算電路，從而獲得與溫度有關的信號。這種設計使波長λB的選擇也受到了λA的帶寬限制。另外，由于兩個檢測器的性能不可能做到完全一致，所以環(huán)境條件的變化會引起較大的誤差，且不易修正。威廉姆遜雙波長傳感器的設計克服了上述的缺點，它將兩個慮光片安裝在同一個調制盤上，被測物體輻射的能量被調制成兩波長(可根據(jù)應用任意選擇）下的單色輻射能量，交替地投射到單一的檢測器。

　　(2) 信號稀釋因子。在實際應用中，測量光路中會存在著各種干擾介質，如煙霧、水霧、蒸汽、粉塵、氧化層、不干凈的視窗或是機械障礙，致使傳感器接受到的能量衰減。一般紅外高溫計對這些干擾介質都進行了補償，不同廠家的紅外高溫計有不同的補償能力，即補償系數(shù)。這個補償系數(shù)又稱之為信號稀釋因子η，它代表信號稀釋的程度，它表示當傳感器能夠提供精確讀數(shù)的同時所能承受的最大衰減比。例如：η＝500:1表示傳感器在測量光路中無干擾介質時正常檢測到的能量為500，當因測量光路中存在著干擾介質致使傳感器檢測到的能量衰減到1時，傳感器還能提供精確的讀數(shù)。傳感器的信號稀釋因子越高，其抗干擾能力就越強。在傳感器測量范圍不同的測量段其η值是不同的。傳統(tǒng)工業(yè)雙色高溫計在量程的上限η值最大25：1，即說明傳感器在量程的上限接受到的能量衰減95％還能保證測量精度。而威廉姆遜雙波長傳感器在整個量程內任意點能量衰減95％都能保證精度。由于它在量程上限的η值為1500：1，所以即使能量衰減99.9％也能保證傳感器的測量精度。因此，威廉姆遜雙波長傳感器具有較強的抗干擾能力。

　　(3) 波長選擇。由于傳統(tǒng)工業(yè)雙色高溫計的上層探測器既要對一個波段具有較高的響應，又要允許另一個波段通過。因此，它的兩個波段的選擇受到了一定的限制，在紅外輻射測溫實際應用中，影響溫度測量精度最重要的干擾介質是水汽或水膜，所以在紅外輻射測溫儀的波長選擇時主要考慮的是紅外光對水的透過率。威廉姆遜雙波長傳感器可以很方便地避開水的吸收帶分別選擇兩個波長。

　　(4) 傳感器的長期穩(wěn)定性。傳感器的長期穩(wěn)定性主要取決于硅探測器的熱穩(wěn)定性。硅探測器在波長大于0.96(microns)或小于0.6(microns)時，探測器的零點輸出隨環(huán)境溫度變化而變化。對于普通工業(yè)雙色高溫計，由于波長選擇在0.7－1.08(microns)，部分波段大于0.96(microns)是導致了零點的不穩(wěn)定的因素之一；另外采用的疊層雙檢測器也會因兩個檢測器老化引起的性能參數(shù)不一致造成零點漂移，有的廠家采用加熱兩個檢測器來補償這個穩(wěn)定性，這樣會降低傳感器對于低溫段的靈敏性，這也是它的稀釋因子低的原因之一。威廉姆遜雙波長紅外高溫計選擇了0.7~0.8(microns)的波段，并采用單檢測器，從而保證了傳感器的長期穩(wěn)定性。

　　(5) 根據(jù)不同用途，而有不同型號和應用軟件。這也是威廉姆遜公司紅外高溫計與其他公司產品最大的不同點，它因不同用途，例如用于鋁軋制、高爐熱風爐、煉鋼連鑄、鋼軋制(又分為板、管、處理線等)而有幾十種型號，它根據(jù)實際現(xiàn)場不同點，如干擾、水氣影響等而開發(fā)經過實際現(xiàn)場良好使用的不同軟件，通常的高溫計沒有這種功能，而須操作人員調整儀表參數(shù)，如補償系數(shù)等且可調手段有限，因而往往在實際現(xiàn)場不好用。

　　4 現(xiàn)場試驗結果

　　本下渣系統(tǒng)是在首都鋼鐵集團公司二煉鋼的210t轉爐上及邢臺軋輥廠鑄造軋鯀進行的，該試驗系統(tǒng)見圖6。由于轉爐出鋼過程中，現(xiàn)場溫度較高且環(huán)境惡劣，故使用的威廉姆遜雙波長紅外高溫計被安放在距出鋼流大約5米的距離，威廉姆遜雙波長紅外高溫計經人工調整，對準出鋼鋼流1/2處，通過電纜將信號傳送到5m以外的威廉姆遜數(shù)字式顯示儀表并連接筆記本計算機。2006年共進行兩次試驗，結果是相同的。其結果如圖7所示，可以看出鋼水夾渣時出現(xiàn)明顯的尖峰，與人工觀察完全一致。

圖6   新型下渣檢測試驗系統(tǒng)

圖7   新型下渣檢測試驗系統(tǒng)測定結果舉例

　　5 結論及今后工作

　　從上述的試驗可以看出，用雙波長紅外高溫計直接測量夾渣是可能的，它比熱成象方法成本是較低的。但還須進行進一步的試驗，以獲得更高的精度，包括最佳波長的選擇，各種鋼種的適應性，有無誤報等。到完全實用化后，還得組成成套裝置，包括自動控制系統(tǒng)（如報警、控制擋渣板等）。此外，由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，最好使用光纖遠傳(如圖8所示)，在有保護管的場合還得設計特殊安裝方法(如圖9所示)。

圖8  帶光纖遠傳的示渣系統(tǒng)

圖9  輻射能式示渣系統(tǒng)用于保護管連鑄生產