电磁感应下渣检测技术模拟研究

郭庆涛 ，宋宇 ，彭春霖 ，王鹏 ，贾吉祥 ，唐雪峰

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼钢总厂，辽宁 鞍山114021）

连铸生产过程中，对钢包下渣过程的控制是提高连铸坯质量、延长中间包寿命、提高连铸效率的重要手段［1］。为了有效地控制连铸过程的钢包下渣，国内外一些公司开发了钢包下渣自动检测装置，如电磁检测装置、振动检测装置、超声检测装置和红外检测装置等［2］。其中比较有代表性的是德国AMEPA公司开发的电磁感应法下渣检测技术和美国ADVENT公司开发的声振法下渣检测技术。目前，工业大生产中应用的下渣检测装置90%以上采用的是AMEPA公司的电磁感应法下渣检测技术，比如，德国、法国、日本的大部分连铸机于20世纪90年代初采用了AMEPA公司的下渣自动检测技术，韩国浦项钢铁公司和台湾中钢公司目前也都采用了该术［3］。下渣自动检测技术的优点主要是检测系统操作方便，不受环境影响，准确度高，抗干扰能力强；缺点是每个钢包都要安装传感器，而且由于工作环境温度高，传感器的使用寿命短。每次转换钢包时都要插拔传感器接头，容易引起接触不良，影响检测精度。如果传感器损坏，必须下线更换，无法连续使用。

有学者对下渣检测的原理进行过深入的分析，但渣含量与副线圈感生电流变化之间的关系，以及水口中渣的位置对感生电流的影响等，还需要深入的分析。本文采用数值模拟方法，对渣含量与感生电流的关系、渣的位置与感生电流的关系进行了分析和讨论，以便更详细地了解电磁感应下渣检测的机理，为该技术的自主研发提供参考。

1 模拟模型

图1为下渣检测线圈结构示意图。电磁线圈安装在钢包底部、上水口外，钢水从线圈中通过，检测钢水中渣的含量变化来控制滑板的开关。模拟过程中参考了鞍钢股份有限公司炼钢总厂四分厂的实际检测线圈结构，模拟尺寸及物性参数与实物一致，表1为下渣检测模拟参数。模拟过程中采用了如下假设：（1）熔体密度为常数；（2）液相为不可压缩的牛顿流体；（3）熔体流动对电磁场的影响被忽略；（4）熔体流动状态为紊流。

图1 下渣检测线圈结构示意图

表1 下渣检测模拟参数

模拟过程的数值模拟模型如图2（a）所示,模拟过程中的网格划分如图2（b）所示。

图2 数值模拟模型及网格划分

2 模拟结果及讨论

（1）为了全面了解电磁感应下渣检测过程的电磁特性，分析了模拟区域的磁感应强度矢量分布图，如图3所示。从图3中可以看出，在原、副线圈附近的磁感应强度较高，而在钢水区域的磁感应强度相对较低。

图3 磁感应强度矢量分布

图4 水口中全钢、全渣时副线圈中感生电流的分布

（2）分析了水口中全渣、全钢时的副线圈中感生电流的分布情况，见图4。从图4（a）模拟结果可以看出，全钢时副线圈中感生电流密度为1 983.2 A/m2；从图 4（b）看出，水口中全渣时副线圈中电流密度为1 987.6 A/m2,二者相差4.4 A/m2,该数值仅为副线圈电流的0.22%。这说明实际上副线圈电流变化非常小，因而下渣检测对设备结构、信号检测精度的要求非常高。对干扰信号的屏蔽、杂波的过滤、有效信号的放大、处理等都会对下渣检测结果产生较大影响。

（3）定量提取参数分析了渣的含量分别为1%、10%、20%、50%、75%和100%条件下的电流分布。图5为副线圈中电流值（即相同模型、相同网格划分、相同边界条件时，有渣与无渣时副线圈电流的差值）随渣含量变化的模拟结果。

图5 副线圈中电流值随渣含量变化的模拟结果

从图5中可以看出，电流值与渣含量接近线性关系。理论上，如果能够分离出副线圈的感生电流并得到其随时间的变化，即可对水口中渣的含量进行计算。

（4）考虑到实际生产中的异常情况，对偏渣情况进行了模拟计算，图6为电流值随钢渣中心距水口中间距离变化的模拟结果。

图6 电流值随钢渣中心距水口中间距离变化的模拟结果

从图6的计算结果可以看出，当钢渣从中心向一侧偏移时，副线圈中的电流变化值逐渐增大。这说明，相同下渣量时，钢渣在不同位置时对副线圈中电流的影响是不同的。这一点增加了精准检测钢渣下渣量的难度。

（5）模拟研究过程中还存在一些困难。因为设备供应厂家保密，所以设备的具体尺寸、工作时的电流、频率等数据的获取很难，直接影响数值模拟模型的建立。其次，模型网格划分的大小、数量的多少对计算结果的影响较大，需采取一定的措施避免网格划分对计算结果的影响。

3 实验研究

截止到2017年10月31日，四分厂下渣检测技术的应用情况见表2所示。由表2可以看出，各钢种在使用下渣检测系统之后的剩钢量大大减少。当灵敏度设定值为32时，IF钢平均剩钢量最低为3.89 t，同比下降57.5%；当灵敏度设定值为16时，RH直上低碳钢平均剩钢量最低为4.78 t，同比下降21.3%；当灵敏度设定值为8时，LF钢平均剩钢量最低为3.15 t，同比下降30.3%。

表2 下渣检测技术应用情况

在数值模拟过程中，副线圈中感生电流的变化与水口中渣含量的变化呈近似线性关系，与渣的偏心也有关系。而AMEPA检测系统最终反馈的信息为灵敏度，该灵敏度与副线圈感生电流变化的关系还需要进一步的研究。目前，下渣检测系统正在深入研究中，还无法对数值模拟结果的准确性作出评价。目前的模拟结果仅能提供一种趋势的参考。

为了实现鞍钢电磁感应下渣检测技术的完善和自主创新，还有很多工作要做，如：（1）分析下渣检测系统检测机理、信号传输方法、干扰信号屏蔽方法、有效信号及数据处理分析等；（2）设计制作电磁感应下渣检测线圈；（3）建立信号采集及分析处理系统；（4）实现下渣检测技术的自主研发，完成成套下渣检测系统的建立等。

4 结语

数值模拟结果表明，当钢水中渣含量变化时，副线圈中感生电流随着渣含量的增加而近线性增大。偏渣时副线圈感生电流也会发生变化，感生电流随着偏移距离的增加而增大。副线圈感生电流的变化与检测系统灵敏度之间的关系还需要进一步的研究。