電磁感應(yīng)下渣檢測技術(shù)模擬研究

郭慶濤 ，宋宇 ，彭春霖 ，王鵬 ，賈吉祥 ，唐雪峰

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山114021）

連鑄生產(chǎn)過程中，對鋼包下渣過程的控制是提高連鑄坯質(zhì)量、延長中間包壽命、提高連鑄效率的重要手段［1］。為了有效地控制連鑄過程的鋼包下渣，國內(nèi)外一些公司開發(fā)了鋼包下渣自動檢測裝置，如電磁檢測裝置、振動檢測裝置、超聲檢測裝置和紅外檢測裝置等［2］。其中比較有代表性的是德國AMEPA公司開發(fā)的電磁感應(yīng)法下渣檢測技術(shù)和美國ADVENT公司開發(fā)的聲振法下渣檢測技術(shù)。目前，工業(yè)大生產(chǎn)中應(yīng)用的下渣檢測裝置90%以上采用的是AMEPA公司的電磁感應(yīng)法下渣檢測技術(shù)，比如，德國、法國、日本的大部分連鑄機于20世紀90年代初采用了AMEPA公司的下渣自動檢測技術(shù)，韓國浦項鋼鐵公司和臺灣中鋼公司目前也都采用了該術(shù)［3］。下渣自動檢測技術(shù)的優(yōu)點主要是檢測系統(tǒng)操作方便，不受環(huán)境影響，準確度高，抗干擾能力強；缺點是每個鋼包都要安裝傳感器，而且由于工作環(huán)境溫度高，傳感器的使用壽命短。每次轉(zhuǎn)換鋼包時都要插拔傳感器接頭，容易引起接觸不良，影響檢測精度。如果傳感器損壞，必須下線更換，無法連續(xù)使用。

有學(xué)者對下渣檢測的原理進行過深入的分析，但渣含量與副線圈感生電流變化之間的關(guān)系，以及水口中渣的位置對感生電流的影響等，還需要深入的分析。本文采用數(shù)值模擬方法，對渣含量與感生電流的關(guān)系、渣的位置與感生電流的關(guān)系進行了分析和討論，以便更詳細地了解電磁感應(yīng)下渣檢測的機理，為該技術(shù)的自主研發(fā)提供參考。

1 模擬模型

圖1為下渣檢測線圈結(jié)構(gòu)示意圖。電磁線圈安裝在鋼包底部、上水口外，鋼水從線圈中通過，檢測鋼水中渣的含量變化來控制滑板的開關(guān)。模擬過程中參考了鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠的實際檢測線圈結(jié)構(gòu)，模擬尺寸及物性參數(shù)與實物一致，表1為下渣檢測模擬參數(shù)。模擬過程中采用了如下假設(shè)：（1）熔體密度為常數(shù)；（2）液相為不可壓縮的牛頓流體；（3）熔體流動對電磁場的影響被忽略；（4）熔體流動狀態(tài)為紊流。

圖1 下渣檢測線圈結(jié)構(gòu)示意圖

表1 下渣檢測模擬參數(shù)

模擬過程的數(shù)值模擬模型如圖2（a）所示,模擬過程中的網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示。

圖2 數(shù)值模擬模型及網(wǎng)格劃分

2 模擬結(jié)果及討論

（1）為了全面了解電磁感應(yīng)下渣檢測過程的電磁特性，分析了模擬區(qū)域的磁感應(yīng)強度矢量分布圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，在原、副線圈附近的磁感應(yīng)強度較高，而在鋼水區(qū)域的磁感應(yīng)強度相對較低。

圖3 磁感應(yīng)強度矢量分布

圖4 水口中全鋼、全渣時副線圈中感生電流的分布

（2）分析了水口中全渣、全鋼時的副線圈中感生電流的分布情況，見圖4。從圖4（a）模擬結(jié)果可以看出，全鋼時副線圈中感生電流密度為1 983.2 A/m2；從圖 4（b）看出，水口中全渣時副線圈中電流密度為1 987.6 A/m2,二者相差4.4 A/m2,該數(shù)值僅為副線圈電流的0.22%。這說明實際上副線圈電流變化非常小，因而下渣檢測對設(shè)備結(jié)構(gòu)、信號檢測精度的要求非常高。對干擾信號的屏蔽、雜波的過濾、有效信號的放大、處理等都會對下渣檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

（3）定量提取參數(shù)分析了渣的含量分別為1%、10%、20%、50%、75%和100%條件下的電流分布。圖5為副線圈中電流值（即相同模型、相同網(wǎng)格劃分、相同邊界條件時，有渣與無渣時副線圈電流的差值）隨渣含量變化的模擬結(jié)果。

圖5 副線圈中電流值隨渣含量變化的模擬結(jié)果

從圖5中可以看出，電流值與渣含量接近線性關(guān)系。理論上，如果能夠分離出副線圈的感生電流并得到其隨時間的變化，即可對水口中渣的含量進行計算。

（4）考慮到實際生產(chǎn)中的異常情況，對偏渣情況進行了模擬計算，圖6為電流值隨鋼渣中心距水口中間距離變化的模擬結(jié)果。

圖6 電流值隨鋼渣中心距水口中間距離變化的模擬結(jié)果

從圖6的計算結(jié)果可以看出，當(dāng)鋼渣從中心向一側(cè)偏移時，副線圈中的電流變化值逐漸增大。這說明，相同下渣量時，鋼渣在不同位置時對副線圈中電流的影響是不同的。這一點增加了精準檢測鋼渣下渣量的難度。

（5）模擬研究過程中還存在一些困難。因為設(shè)備供應(yīng)廠家保密，所以設(shè)備的具體尺寸、工作時的電流、頻率等數(shù)據(jù)的獲取很難，直接影響數(shù)值模擬模型的建立。其次，模型網(wǎng)格劃分的大小、數(shù)量的多少對計算結(jié)果的影響較大，需采取一定的措施避免網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的影響。

3 實驗研究

截止到2017年10月31日，四分廠下渣檢測技術(shù)的應(yīng)用情況見表2所示。由表2可以看出，各鋼種在使用下渣檢測系統(tǒng)之后的剩鋼量大大減少。當(dāng)靈敏度設(shè)定值為32時，IF鋼平均剩鋼量最低為3.89 t，同比下降57.5%；當(dāng)靈敏度設(shè)定值為16時，RH直上低碳鋼平均剩鋼量最低為4.78 t，同比下降21.3%；當(dāng)靈敏度設(shè)定值為8時，LF鋼平均剩鋼量最低為3.15 t，同比下降30.3%。

表2 下渣檢測技術(shù)應(yīng)用情況

在數(shù)值模擬過程中，副線圈中感生電流的變化與水口中渣含量的變化呈近似線性關(guān)系，與渣的偏心也有關(guān)系。而AMEPA檢測系統(tǒng)最終反饋的信息為靈敏度，該靈敏度與副線圈感生電流變化的關(guān)系還需要進一步的研究。目前，下渣檢測系統(tǒng)正在深入研究中，還無法對數(shù)值模擬結(jié)果的準確性作出評價。目前的模擬結(jié)果僅能提供一種趨勢的參考。

為了實現(xiàn)鞍鋼電磁感應(yīng)下渣檢測技術(shù)的完善和自主創(chuàng)新，還有很多工作要做，如：（1）分析下渣檢測系統(tǒng)檢測機理、信號傳輸方法、干擾信號屏蔽方法、有效信號及數(shù)據(jù)處理分析等；（2）設(shè)計制作電磁感應(yīng)下渣檢測線圈；（3）建立信號采集及分析處理系統(tǒng)；（4）實現(xiàn)下渣檢測技術(shù)的自主研發(fā)，完成成套下渣檢測系統(tǒng)的建立等。

4 結(jié)語

數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)鋼水中渣含量變化時，副線圈中感生電流隨著渣含量的增加而近線性增大。偏渣時副線圈感生電流也會發(fā)生變化，感生電流隨著偏移距離的增加而增大。副線圈感生電流的變化與檢測系統(tǒng)靈敏度之間的關(guān)系還需要進一步的研究。