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(tuán)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(jī)于20世紀(jì)90年代初采用了AMEPA公司的下渣自動檢測技術(shù)，韓國浦項(xiàng)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(diǎn)主要是檢測系統(tǒng)操作方便，不受環(huán)境影響，準(zhǔn)確度高，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行了分析和討論，以便更詳細(xì)地了解電磁感應(yīng)下渣檢測的機(jī)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(shí)際檢測線圈結(jié)構(gòu)，模擬尺寸及物性參數(shù)與實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度較高，而在鋼水區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對較低。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)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(jìn)行計(jì)算。

（4）考慮到實(shí)際生產(chǎn)中的異常情況，對偏渣情況進(jìn)行了模擬計(jì)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(jì)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(diǎn)增加了精準(zhǔn)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?yàn)樵O(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(jì)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(jì)算結(jié)果的影響。

3 實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(jī)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(jì)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(shí)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(jìn)一步的研究。