摘  要：钢包下渣检测技术已成为现代连铸生产和质量控制的重要技术之一．它对防止钢包过量下渣，提高钢水纯净度、浇铸收得率和铸坯质量，改善劳动强度和工作环境均有明显的效果。介绍了称重检测法、电磁检测法、起声波裣残法、振动检测法等下渣检测方法的原理及局限性，并对上述方法的应用进行探讨。

关键词：连铸；钢包下渣；检测

    O前言

连铸生产过程中，钢水浇铸后期钢包渣不可避免地流人中间包。当钢包中含氧化铁、氧化锰的强氧化性炉渣流入中间包以后，会增加中间包渣的氧含量，造成钢水中铝、硅、铁和钒等易氧化合金元素的烧损，特别是与钢水中的铝发生氧化反应产生氧化铝夹杂物，直接影响到钢水的纯净度。另外，还会造成水口堵塞，降低中间包连浇炉数，最终影响冷轧钢板的表面质量。

  鞍钢自2005年ASP连铸生产IF钢等超低碳铝脱氧钢以来，发生过严重的浸入式水口堵塞问题。为解决ASP连铸钢包浇铸后期的下渣问题，在浇铸汽车板等对纯净度要求非常严格的超低碳钢种时，采取了根据浇铸时钢包长水口工作臂的振动程度判断钢包下渣及钢包留钢操作等方法。由于上述方法有较大误差，不能准确及时地关闭滑板，因此不能有效防止下渣。采取留钢操作时，一般钢包留钢量为3％～10％，使钢包中的残钢量增加，降低了钢水收得率。因此，必须在浇铸后期自动检测和控制钢包下渣。

    近几年，国内外对钢包下渣检测技术开展了大量的研究，相继研制开发了基于重力检测、电磁检测、超声波检测、振动检测等原理的检测实验装置。本文对这几种方法的检测原理及使用局限性进行了介绍，并对电磁感应法下渣检测技术和声振法下渣检测技术在鞍钢ASP连铸生产中应用的可行性进行了探讨。

    1  钢包下渣自动检测方法的研究进展

    1．1称重自动检测法

连铸过程中，如果保持滑动水口开度不变，则钢包与钢水的总重量会随着钢包内钢水液面的下降而缓慢地降低。在钢水浇铸后期，总重量的改变很小，基本为一定值。一旦下渣，上述重量将发生明显变化，因此，理论上可以利用这一现象，在钢包下安装合适的称重传感器监测下渣。

    虽然称重检测法原理上可行，但在实际使用中仍受到较大的限制。首先，在检测过程中，滑动水口开度需保持不变，但现场操作较难；其次，钢包和钢水的称重设备要有足够的精度，需要一种量程大(如100t以上)、称重分辨率在1kg左右、抗干扰能力强的称重传感器，这一要求难以实现；另外，称重测量法存在较大的时间延迟，当重量发生明显改变时，已有不少钢渣进入中间包。因此，目前称重检测法还只用于小转炉的对比试验，几乎没有实际使用。

    1．2电磁检测法

    1986年，电磁检测法首先应用于转炉出钢口。1989年德国EdmundJulius博士又将此项技术用于钢包炉渣的早期检测，德国蒂森钢铁公司于1987年在一台板坯连铸机上采用了钢包下渣自动检测技术，取得了较好的效果。后来，德国亚琛大学钢铁冶金研究所成立了AMEPA公司，在世界上推广应用其开发成功的钢包下渣自动检测技术。

    电磁线圈检测法的原理是利用钢水与钢渣磁导率的不同来检测钢渣。德国AMEPA公司采用双线圈结构来检测钢渣，其传感器由两同心线圈组成，主要部件有传感器、前置放大器、主控制器以及外围显示控制器。传感器安装在钢包底部，液流通过水口时可以感应出电磁场，从而测定涡电流值。

    当高频电流通过第一个线圈，线圈中心又有钢水流过时，将产生磁场。因为渣的磁导率显著低于钢水的磁导率，所以钢渣的感应磁场远远小于钢水中产生的磁场。浇钢开始时熔体全部为钢水，钢流中的磁场强度大；浇钢后期钢水、钢渣混出，使熔体的磁导率下降，电磁场将减弱，此值由第二个线圈测得。经放大后，计算机处理显示出混渣量的多少。由于渣的导电性比钢水低得多，因此渣的感应涡流电流比钢水的小。这样，线圈就能区分钢和渣，并发出渣的报警呜叫。前置放大器可将信号放大到容易检测和传送的程度，它的位置应尽量靠近信号发生点(传感器)。在达到限定值时，示渣系统报警并关闭钢包的滑动水口。

    电磁检测法的关键是传感器的灵敏度。基于电磁感应原理，钢流表面上的炉渣或悬浮炉渣比钢液内流动的炉渣更易被检测。

    目前，全世界200多台现代化板坯、薄板坯、方坯及圆坯连铸机应用的下渣检测装置中，90％以上都采用了AMEPA公司的自动检测技术。蒂森、浦项、中钢、宝钢、武钢以及珠钢等采用了AMEPA公司的钢包下渣检测装置。

    电磁线圈检测的主要优点如下：

    (1)实时监测钢水中钢渣含量，钢水收得率提高0．2％～0．6％；

    (2)提高连铸坯质量；

    (3)中间包水口堵塞现象减少50％，提高中间包使用寿命。

    2002年9月，宝钢应用连铸钢包下渣检测装置在浇铸纯净度要求较高的钢种时，完全由下渣检测装置自动判定并关闭滑动水口，钢水收得率比以前提高0．4％，每炉钢可减少留钢约1t。中间包连浇8炉后，渣层厚度不超过50mm，减轻了劳动强度，改善了工作环境。

    但电磁检测法在使用过程中也暴露出不少问题。最突出的一点是传感器线圈必须埋在钢包座砖出口附近，因此，需要改造钢包。另外，传感器线圈位于水口附近，环境温度较高，传感器的使用寿命也将受到影响，因此，改造和维护费用都很高。

    为了解决上述问题，国内外已有不少研究者开始研究改进上述方法。有一种由单线圈构成的检测传感器，简化了传感器的结构，提高了系统可靠性，目前已在杭州钢铁厂进行试验。也有研究者开始研制能随时装拆的电磁线圈检测装置，如研制安装在保护套管外的电磁线圈传感器或在水口外安装快速更换的检测线圈等。但滑动水口开度对电磁检测线圈内磁导率变化的影响仍有待解决。

    1．3超声波检测法

    超声波检测法是利用有渣和无渣时超声波发出发射信号和反射信号的差别来检测钢渣的。超声波检测法主要有两种形式：

    (1)浸入式检测法

    浸入式检测法采用浸入式的超声波探头，浸入式超声波探头由压电晶体、低碳钢波导和安装在石墨支撑架上的中空反射器组成。下渣时，钢渣会以小渣团的形式进入反射器探头的内部。此时示波器显示出3个峰值：初始的脉冲信号(左)、从钢渣反射回来的回声信号(中)、从反射器壁上反射回来的回声信号(右)。没有钢渣时，只有左和右两个峰值信号。

    这种方法对浇铸过程没有影响。但是，只有当钢渣流到中间包以后才能检测出来。因此，在检测下渣时，已经有一定的下渣量存在。而且，超声波探头的工作环境温度高达1 500℃左右，影响其寿命和灵敏度。

    (2)侧壁安装式检测法

    侧壁安装式检测法是在钢包侧壁安装超声波探头，这种方法可以有效检测涡流卷渣现象。在钢水的流出过程中，有时会出现汇流旋涡现象。汇流旋涡是在容器排流过程中，当液面下降到一定高度(一般称为临界高度或旋涡高度)时发生的。此时原本向出流口中心线汇流而出的流体质点在径向某处开始叠加切向速度(角速度)，使其迹线越来越偏离径向而逐渐演变成围绕中心线的旋转流动，最终发展为具有强烈抽吸作用的贯通出流口的漏斗状旋涡，致使涡芯卷气或卷渣而下。在炼钢生产中，这种汇流旋涡卷渣危害很大，检测较困难，其原因在于：

    ①液面一达到临界高度就会发生汇流旋涡；

    ②熔渣处于涡芯，难以鉴别。

连铸作业更换钢包或中间包时，钢包或中间包内液位往往会降到临界高度以下。侧壁安装式检测法就是利用钢水中产生涡流和没产生涡流时，超声波发出的发射信号和反射信号的差别来进行检测的，当钢水中没有涡流产生时，发射探头发射的超声波穿过钢水到达另一侧的钢包壁并反射回来，但是由于发散而使得接收探头无法接收到，在示波器上只看到1个峰值。当钢水中产生涡流，这时发射的超声波信号会在涡流与钢水的分界面处反射回来而被接收探头接收。这样，就会在示波器上看到两个峰值，左侧的峰值为初始发射的脉冲信号，右侧的峰值则为从涡流与钢水的分界面处反射回来的信号。

    这种方法的优点是刚开始形成汇流旋涡卷渣时就能检测出下渣，检测灵敏度很高。缺点是需要对钢包进行改造，而且超声波探头的工作环境也比较恶劣，工作温度高达700～800℃，制造和使用费用都较高。此方法目前还处于研制阶段。

    另外，还有一种方法，在大包的顶部安装一个回声波的发射极和接收极，后部有放大和处理装置。通过接收到的波形来判断涡流的形成，一旦出现涡流卷渣就关闭滑动水口，此法也在试验中。

  1．4振动检测法

  因为钢渣和钢水的密度相差较大，且其流动性也大不一样，所以在流经钢包长水口时，两者对长水口的冲刷作用必定有较大的差别。因此，有不少研究者想利用钢水冲刷与钢渣冲刷引起的操纵杆振动在时域或频域上的差异来监测长水口内钢水的流动状态，从而间接检测下渣。

    钢水通过长水口保护套管流入中间包，振动加速度传感器固定在操作臂末端，计算机完成传感器振动信号的采集，并经过信号处理判断是否下渣，然后控制箱发出相应的指令完成钢水浇铸系统的相应操作。其原理是，钢渣密度只有钢水的三分之一，浮在钢水表面；浇铸后期，钢渣会和钢水混合在一起流人中间包，形成所谓的卷渣现象。这时操作臂的振动与纯钢水流动时的振动必然存在一些差异，如能检测到这种差异，就能间接监测下渣。

    澳大利亚BHP纽卡斯尔钢厂和肯布拉钢厂进行过振动检测法的试验研究。试验表明，由于各种环境振动与操作过程对操纵杆振动影响较大，检测的准确性受到一定的影响，容易产生误报现象。但振动检测法安装简便，投资改造少，如能排除各种环境对振动的干扰，仍为一种有效的检测手段。

    1．5其它检测方法

    近年还有许多其它方法检测钢包下渣，例如红外技术检测法和光学检测法。

    2下渣检测技术的应用效果

    2．1提高钢水纯净度

    凭经验判断下渣时，钢包中的钢渣容易进入中间包，并把氧带人中间包；而在浇铸后期，为观察下渣情况必须把保护管移开，这样部分钢水将发生再氧化。上述两种情况都能降低钢水的纯净度。采用钢包下渣检测技术能及时发现下渣并适时关闭水口，且可实现浇铸全程氧气保护，以提高钢水纯净度。由于下渣量的减少，可使板坯表面缺陷至少降低80%。

    2．2减少水口堵塞

    钢水的二次氧化以及钢包中钢渣进入中间包是浸入式水口堵塞的重要原因之一。应用下渣检测技术后，可使水口堵塞次数减少50％左右。

    2．3提高钢水收得率

    一般情况下，钢包下渣5～20s后才能判断出。实际生产中，为了防止渣子流人中间包而提前关闭水口，导致钢包中存留大量钢水。采用下渣检测技术后，钢包刚开始下渣时就能检测到并及时关闭水口，钢水收得率提高了0．2％～0．6％。宝钢应用钢包下渣检测装置后，钢水收得率大约平均提高了0．4％。

    2．4延长耐材寿命和增加连浇炉数

    由于大量下渣，特别是强氧化性的熔渣，会侵蚀钢包滑动水口、保护管、中间包耐材和塞棒，降低耐材使用寿命，减少连浇炉数。采用下渣检测技术能够减少下渣量，延长耐材寿命，增加连浇炉数。

    3  下渣检测技术在薄板坯连铸生产中的应用

    目前，世界上许多钢厂在板坯连铸生产中采用了钢包下渣检测技术。由于薄板坯连铸时结晶器钢水容量较小，其拉速较常规板坯连铸高得多。如果下渣较多，将更容易出现“夹渣”，而且随着连浇炉数的增加，每炉都有一些渣子流人中间包。连浇炉数越多，中间包积累的渣子就越多，流到结晶器内的渣子就越多，容易导致拉漏和水口堵塞。因此，越来越多的薄板坯连铸采用钢包下渣检测技术。

    4结语

    钢包下渣检测技术已成为现代连铸生产质量控制的重要技术之一，它对防止钢包过量下渣、提高钢水纯净度与浇铸收得率以及改善劳动强度和工作环境均有明显的效果，可以获得显著的经济效益。目前，电磁线圈检测法和振动检测法较成熟，被越来越多的钢铁企业所采用。

    电磁检测法具有实时监测钢水中钢渣含量、提高钢水收得率和连铸坯质量、减少中间包水口堵塞以及提高中间包使用寿命等优点。但传感器使用寿命低，维护费用较高，而且需改造钢包。

    振动检测法具有安装使用简便、系统改造投资费用低、无备件消耗、可检测卷渣涡流、下渣预报迅速(准确率可达90％以上)等优点。影响下渣检测技术应用效果的关键因素是特征振动信号的提取和处理，下渣检测设备供应商可以提供用于分析、储存数据及连续改进的系统集成软件，根据钢种的要求调整下渣检测及报警敏感度。目前，振动式下渣检测技术因其具有很好的经济性和实用性，正在被许多钢厂所采用。

    鞍钢ASP连铸生产线若采用电磁下渣检测系统，需对现有钢包进行改造。改造部分钢包将给生产组织带来困难；改造全部钢包，不仅工程量大，而且日常维护和检修工作量加大。同时，由于传感器线圈位于水口附近，环境温度较高，传感器的使用寿命将受到很大影响，钢包下渣检测系统无法工作，设备维护费用增加。因此，根据鞍钢ASP连铸生产实际，应选择振动式下渣检测系统。

　　                           鞍钢股份有限公司技术中心　　张旭生　　张维维　　李晓伟

　　                         鞍钢股份有限公司热轧带钢厂　　姚伟智　　张宏亮　　赵爱英