液面檢測控制系統(tǒng)在大圓坯連鑄機(jī)的應(yīng)用

白野修

摘 要： 介紹了渦流檢測法和放射源檢測法2種結(jié)晶器鋼水液面自動(dòng)控制檢測方式， 及其大圓坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用，并總結(jié)兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 液面自動(dòng)控制；連鑄機(jī)；渦流檢測

現(xiàn)階段連鑄機(jī)控制系統(tǒng)中， 結(jié)晶器液面控制是一項(xiàng)關(guān)鍵性核心技術(shù)，目前國內(nèi)絕大部分采用的是自動(dòng)控制，一方面他是保證生產(chǎn)鑄坯質(zhì)量，同時(shí)彌補(bǔ)勞動(dòng)人員不足等問題，大大解放勞動(dòng)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

連鑄機(jī)液面波動(dòng)過大會對鑄坯質(zhì)量造成很大影響，引起坯殼厚度不均勻，影響鑄坯質(zhì)量甚至發(fā)生漏鋼事故；液面波動(dòng)使振痕加深，出現(xiàn)卷渣，皮下夾渣；液面波動(dòng)會引起較大的拉速變化，而拉速變化又引起冷卻不均勻，從而影響鑄坯表面及亞表面質(zhì)量。所以連鑄機(jī)液面自動(dòng)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制對產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。

目前國內(nèi)大部分企業(yè)最普遍采用的是放射源檢測法，采用同位素銫137或鈷60作為放射源，采用BGO 晶體作為接受器的晶體，傳感器接收放射源發(fā)出的γ 射線，穿過鋼水的γ 射線與鋼水的液面成反比。傳感器將γ 射線轉(zhuǎn)化為電信號，通過傳感器連續(xù)測量結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位高度，二次儀表智能化處理后向液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出隨液位高度變化的電流模擬量，送給用戶系統(tǒng)的PLC 來自動(dòng)控制拉坯，使鋼水液面保持在預(yù)定的高度。

但是目前采用放射源檢測法存在一些弊端，放射源發(fā)射出來的γ射線具有一定的能量，它可以破壞細(xì)胞組織，從而對人體造成傷害，所以對放射源的保管使用需要十分小心。另外放射源的γ 射線信號的穩(wěn)定性相對較差，反應(yīng)出來的液面實(shí)際位置存在一定的誤差。

大連特鋼公司與2011年新建一臺2機(jī)2流大圓坯連鑄機(jī)，此連鑄機(jī)采用的液面檢測為渦流檢測法。

渦流檢測系統(tǒng)工作原理

電渦流傳感器由三組互為對稱的線圈及高穩(wěn)定基材組成，外部為耐溫陶瓷保護(hù)罩，內(nèi)部通路為冷卻風(fēng)道。中間線圈為激勵(lì)線圈，受激于穩(wěn)定的高頻正弦信號時(shí)，交變電流產(chǎn)生的磁場將穿過兩個(gè)檢測線圈，方向指向底部線圈（近鋼水液面）。當(dāng)周邊無金屬感應(yīng)物體時(shí)，兩個(gè)檢測線圈產(chǎn)生分別產(chǎn)生幅度相同但相位相反的兩個(gè)感應(yīng)電壓，信號輸出為零，傳感器處于平衡狀態(tài)。當(dāng)鋼水靠近其中的一個(gè)檢測線圈時(shí)，鋼水表面會產(chǎn)生電渦流，其磁場方向反相與激勵(lì)電流磁場的方向，由于距離的不同，渦流對近鋼水表面的線圈產(chǎn)生的磁通量大于遠(yuǎn)離線圈的磁通量，此時(shí)兩個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓幅度及相位均會產(chǎn)生微小的差異，這是電渦流傳感器真實(shí)的輸出信號。一般情況下，與液面高度相關(guān)的是幅度信息，這個(gè)幅度極其微小，必須經(jīng)過后續(xù)電子線路的反饋放大處理，才能得到與液面高度成對應(yīng)的具備測量應(yīng)用的信號波形。此信號經(jīng)過整流、線性處理后，可精確反映出鋼水液面的位移變化，并由計(jì)算機(jī)輸出相應(yīng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。此外，為了保證傳感器穩(wěn)定可靠，成品渦流傳感器同時(shí)提供一路內(nèi)置溫度信號，同樣由計(jì)算機(jī)輸出相應(yīng)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。電渦流傳感器到儀表前置放大器的連接電纜長度要求不超過30 米，傳感器電纜及電纜之間必須進(jìn)行防磁隔離，以適應(yīng)現(xiàn)場電磁環(huán)境為宜。冷卻氣源保障流量要求≥300L/min/流，壓力3-5公斤。見圖1、圖2

圖2 傳感器鋼水液位檢測原理

三、電渦流傳感器技術(shù)參數(shù)

電渦流傳感器，可以滿足板坯、大方坯、大圓坯這類結(jié)晶器的液面檢測要求。

液位檢測范圍： 0-200mm（PLC量程須配套調(diào)整為整數(shù)10倍）

正常工作液面： 80-100mm（距結(jié)晶器銅管上口）

內(nèi)部工作溫度： ≤50℃

冷卻氣源介質(zhì)： 氬氣或干燥的壓縮空氣

空氣冷卻流量： 100～300L/min

空氣壓力： 0.3～0.5Mpa

鋼種： 不限

重量： 約1.5kg

測溫電阻：需要現(xiàn)場一致

渦流檢測液面控制的使用效果： 從2010年投產(chǎn)至今的使用過程中， 由于傳感器探頭設(shè)計(jì)的簡單， 便于安裝、維護(hù)， 大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度， 而且檢測精度能夠使鋼水液面控制在正負(fù)2mm， 不但能夠保證鑄坯質(zhì)量， 而且對于鑄機(jī)的拉坯速度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)水平也起到了關(guān)鍵作用。

渦流檢測與放射源檢測法相比較的優(yōu)點(diǎn)

1、放射源為圓柱體， 四面輻射， 無論是C s137還是C o60，對人傷害性大，維護(hù)保管需要十分小心，對于放射源的購買、回收的審批處理流程相當(dāng)繁瑣，購置周期較長。而渦流檢測不存在安全隱患，設(shè)備購置周期短。

2、放射源用過一段時(shí)間就會有輻射衰減的現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測精度降低。其中C o60半衰期為5.6年，C s137為30年，一般情況下進(jìn)入入半衰期后需要及時(shí)更換新源。

3、從檢測精度和響應(yīng)時(shí)間的對比來看，渦流檢測的響應(yīng)時(shí)間以及穩(wěn)定性均優(yōu)于放射源檢查。放射源檢測的控制精度能夠使鋼水液面控制在正負(fù)3mm，而渦流檢測能夠使鋼水液面控制在正負(fù)2mm。

4、目前渦流檢測有一些條件限制，檢測范圍內(nèi)不能有金屬物體對其進(jìn)行干擾，所以目前僅適用于斷面大于280mm*280mm的大尺寸連鑄機(jī)。

相對于采用同位素技術(shù)的結(jié)晶器鋼水液位檢測系統(tǒng)而言，電渦流檢測具有測量精度高、響應(yīng)速度快、安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是無需顧慮放射性同位素的一系列安全管理要求。渦流檢測系統(tǒng)將會是大斷面連鑄機(jī)未來發(fā)展的主流。