冶金检测仪表和成分分析技术进展及开发的几个问题.pdf

第3 6卷第 3期 2 0 1 2年 5月 ‘ 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n du s t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 6 No ． 3 Ma y 2 0 1 2 综 述 与评 论 - 冶金检测 仪表和成 分分析技术进展 及 开发 的几个 问题 马 聩 梧 中国钢研冶金 自动化研究设计院， 北京 1 0 0 0 7 1 摘要 主要叙述钢铁工业 自动化的发展及趋势， 从简单模拟式单回路小闭环 自动化系统到电子计算机控制、 计 算机集成制造系统 C I M S 和网络集成制造系统 WI MS ， 直至现在的智能化与无人化系统 ， 所有这些发展阶段 都离不开检测仪表。文中列出了钢铁生产 1 3 个工序专用检测仪表的需求， 叙述在线成分分析传感器的工作原 理、 现状以及存在的问题， 最后给出如何有效开发相关传感器和仪表的几点意见。 关键词 质量控制； 成分分析； 在线检测； 钢水直接分析 中图分类号 T H 7 ； T H 8 3 文献标志码 A文章编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 2 0 3 - 0 0 0 1 - 0 7 Pr o g r e s s i n m e t a l l ur g i c a l m e a s u r e m e nt i ns t r ume nt s a nd c o m p o s i t i o n a n a l y s i s t e c h no l o g y a nd i t s p r o b l e ms o f d e v e l o pme n t C I S R I A u t o m a t i o n R e s e a r c h a n d D e s i g n I n s t i t u t e o f Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y ， B e ij i n g 1 0 0 0 7 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o g r e s s a n d t r e n d o f a u t o ma t i o n f o r i r o n a n d s t e e l i n d u s t ry a r e ma i n l y d e s c ri b e d f r o m s i mp l e s i mu l a t e d t y p e a n d s i n g l e l o o p s ma l l c l o s e l o o p s y s t e m t o c o mp u t e r c o n t r o l ， CI MS a n d WI MS ． No wa da y s ， i t i s e nt e ring t o i n t e l l i g e n t a n d u n ma n ne d s y s t e m s t e p． Me a s u r e me n t i n s t r u me n t s a r e ne c e s s a r y i n all d e v e l o p me n t s t a g e ． Re q u i r e me n t s o f s p e c i a l me a s u r e me n t i n s t rume n t s for 1 3 p r o c e s s e s o f i - r o n a n d s t e e l p r o d uc t i o n a r e l i s t e d． Pr i n c i p l e， p r e s e n t s i t u a t i o n a n d e x i s t i n g p r o b l e ms for s u p e r v i s o r y q u ali t y s e n s o r s a r e d e s c rib e d ． At l a s t ， h o w t o d e v e l o p e ff e c t i v e l y i s d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s q u ali t y c o n t r o l ； c o mp o s i t i o n a n a l y s i s ； me a s u r e me n t o n l i n e ； l i q u i d s t e e l d i r e c t a n al y s i s 1 钢铁工业自动化的发展与冶金检测仪表 和成 分分析技术 的作用 ． 第 2次世界大战结束后的恢 复和建设对钢铁 产品的需求量很大， 为了实现高效、 优质的生产以 及材料 、 能源和人力的节约 ， 钢铁工业 自动化技术 得到了飞速发展 ， 从 简单 的热工监测 到全盘 自动 化经历了 3个历程 。 第 1 个历程是在 2 0世纪 6 0年代以前 ， 主要使 用经典控制理论 的模拟式单 回路小闭环 自动化系 统 。 第 2个历程是电子计算机的出现， 使基于现 代控制理论的先进控制和数学模型组成的复杂系 统的使用成 为可能 ， 出现 了 E I C 电控 、 仪 控及计 算机控制和管理 一体化系统 。1 9 6 4年英 国人 D ． H ． K e l l e y首先提 出分 层计 算机 系统并在英 国 S p a n c e r 厂实现； 其后， 日 本、 德国和美国等发达国 家的钢铁厂都 采用 了 C I MS 计 算机集成 制造 系 统， 国内也有人称为管理控制一体化系统 ， 经不 断发展， 进而形成 WI M S 网络集成制造系统 。 WI MS是高度信息化和 自动化的系统 ， 能适应激烈 市场竞争的需要， 使信息更广域化和高效化。钢 铁公司的 C I MS不仅内部联 网， 还与外部 如最终 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 - 0 5； 修改稿收到 日期 2 0 1 2 -01 1 0 作者简介 马竹梧 1 9 3 1 - ， 男 ， 广东广州人 ， 教授级高级工程师 ， 主要从事冶金 自动化方面的研究及应用工作。 2 冶 金自 动化 第 3 6 卷 用户和有关的交通、 税务 及海关等部 门 联 网， 通 过使用电子商务供销手段 ， 实现行业生 产 一物流 一 销售一体化。 目前， 为了进一步提高产品质量和降低成本， 正进入第 3个历程 ， 即智 能化与无人化。现在 已 经有 了许多成功的例子 ， 例如 加拿大采矿业采用 无人化掘进平巷 、 无人化 回采等技术 ， 实现井下无 人 ， 仅由地面操作室 内的少数人员遥 控作业 。 日 本等发达国家钢铁厂原料场及港 口料场实现了移 动机械无人化 ， 开始是 机上无人 ， 由中控室人员遥 控 ， 以后不断提高 自动化水平 ， 由机上 P L C半 自动 作业 ， 进而采 用 由过 程计算 机输人 包括位 置、 地 点 、 料堆规格等堆 、 取计划给机上 P L C实现全 自动 作业 ； 炼焦过程 四大车中的装 煤车、 导焦车 、 熄焦 车实现了无人驾驶 ， 并计划将 推焦车也实现无人 化。 日本钢管公 司福 山厂烧 结工 厂实 现 了无人 化 ， 仅需要 3个操作人员即可 ， 1 人监控操作状态 ， 2人负责设备点检 、 取样分析和处理设备粘料等。 日 本钢铁公司连续铸钢平台实现了无人化， 用机 器人执行捞除结晶器氧化渣、 加入并均匀分布保 护渣等操作。日 本川崎钢铁公司千叶制铁所西区 1 9 9 5年投产的 3号热轧机 ， 实现全车间无人化 ， 只 有 4人在 中控室和生产管制 中心负责监视操作 ， 劳动生产率 比以往提高 5倍左 右 岗位人员减少 超过百人 ， 质量提高并稳定 ， 因而获得 了重大的 经济效益。 实现无人化 涉及多种技术 ， 如采矿 无人化涉 及无线电通信和定位技术， 设备和工艺技术， 软件 和电子技术以及组织管理等技术。实现全厂无人 化要复杂些 ， 还要考虑产 品质量 ， 因为实现无人化 后不能靠操作人员监控产品质量。如烧结厂实现 无人化后 ， 增加 了为稳定烧结矿质量 的化学成分 控制等 系统。这些 系 统按 照 产 品 目标值 ， 调整 S i O 和 C a O辅料 的配入 量 ， 根 据烧结 矿 S i O 和 C a O的分析结果 ， 稳定 烧结矿碱度。而 大型板 带 热连轧厂实现无人化则更 复杂， 包括要使许多过 去未完全 自动化 、 分别 由多个操作台控制 的系统 成为完全 自动化并能 同步连续操作 的系统 ， 还要 完善轧制计划 包括编排向精轧机供给工作辊的 计划等 和质量监控系统等。总之 ， 虽然实现无人 化涉及多方面技术 ， 但可靠 、 完善 的检测技术是实 现无人化的先决条件。 2 冶金检测传感器和成分分析技术 下面简单介绍各生产流程对冶金检测传感器 的需求量 ， 以及急待解 决的有关成分质量分析技 术 。 2 ． 1 冶金检测传感器的需求 为了满足钢铁生产 的需要和确立尚需开发的 课题 ， 日本 曾对钢铁工业 l 3个 主要工序进行 了特 殊检测传感器需求调查 ， 其结果见表 1 。 表 1 日本钢铁工业 1 3个主要工序对特殊检测传感器的需求量 T a b l e 1 R e q u i r e me n t q u a n t i t y o f s p e c i a l me u r e me m s e n s o r o f 1 3 ma i n p r o c e s s e s f o r i r o n a n d s t e e l i n d u s t r y i n J a p a n 套 第3 期 马竹梧 冶金检 测仪表和成分分析技术进展及 开发的几个问题 3 ★一含加速度 1 焦炉。煤成分 、 焦炭水分的连续检测 以及 煤气发热值 、 干熄焦气体含尘量 、 废气 中 N O 、 排 气成分等的检测。 2 烧结。原料 中 C质量分数、 石灰石和粉焦 水分 ， 混合料 F e O质量分数和水分 ， 烧结层碳及各 成分分布， 烧结矿 F e O和 S i O 质量分数， 主排气、 风箱废气成分 ， 烧结干粉尘 和浓缩 机排 出 的水 中 的 K质量分数和 N 体积分数等的检测。 3 高炉 。原料水分 、 炉顶煤气成分和出铁 中 s i 质量分数等的检测。 4 转炉。铁水、 钢水成分在线连续分析， 炉 渣成分快速分析 ， 排气成分等的检测。 5 二次精炼。钢水成分在线连续分析、 炉渣 成分快速分析 、 钢水中 H 体积分数和脱气槽气体 成分连续分析等。 6 连铸。中间包 钢水 中氧和气雾 中氧 的体 积分数、 接缝处铸坯成分和中心偏析、 铸坯表面及 内部缺陷等的检测。 7 热轧 。带材宽、 厚和表面缺陷等 的检测。 8 厚 板。钢板尺寸 、 平 面形状 、 翘 曲度及平 坦度 、 轧辊辊形等 的检测。 9 冷 轧。冷 轧酸洗 酸液成 分， 冷 轧机油 浓 度 ， 铁粉成分 ， 油粒直径 ， 碱化度 和氧化度 ， 板材表 面缺陷及铁鳞量 、 微小夹杂物及 内部缺陷和形状 ， 冷轧退火周 围雾气成分等的检测 。 1 0 表面处理 。镀液成分和残留镀液成分 、 镀槽 的离子浓度 、 镀层附着量和膜厚、 板材表面缺 陷等 的检测 。 1 1 型钢。断面形状和长度等的检测。 1 2 棒材线材。直径 、 断面形 状以及 热轧材 的表面缺陷 ， 钢种识别 ， 偏析等的检测。 1 3 钢管。无缝钢管的壁厚偏差 、 表面缺陷 、 U O E大 口径直缝焊管 的外形 、 弯 曲度和正 圆度等 的检测。 2 ． 2 在线成分分析技术 近年来 ， 除 了工艺改进或开发更多 的新 品种 以外 ， 加强生产的质量监控和管理 已成为重点 ， 这 就需要更 多及 时和连续 的质 量检 测传感 器和仪 表 ， 对炼钢和炼铁来说主要是对铁水和钢水成分 有高精度分析要求的直接在线分析仪表。由于铁 水和钢水温度很高， 周围环境恶劣， 要求分析的化 学成分数量多， 控制范 围较窄， 所 以需解决 的技术 问题很多 ， 难度也很大 ， 至今仍未很好地解决这些 问题 ， 使其成为影响产量 和质量 的“ 瓶颈” 。 目前 对轧钢质量监控仪表的研究较多、 也较成熟 ， 甚至 已经产品化， 故本节只讨论铁水和钢水成分分柝 技术。 当前， 炼钢过程钢水成分分析技术主要有以 下几种方式 1 取样 一制样 ～送样 。完成对钢水 取样 一制样 一 送炉前分析室或气动送样到 中心试 验室的各类 分析仪器 后再 对钢 样进行分析 ， 耗时 需 58 ra i n 。 2 副枪。主要是测温 、 定碳和定 氧 。 3 投 入 式 传 感 器。 目前 只 能 测 温 定 氧。 4 插人式传感器或取样注入式传感器⋯。在转 炉上应用时都需要停 吹倒炉 ， 使 用基于 电化学法 的由高温固体 电解质组成 的浓差电池传感器测量 钢水 中的氧体积分数和 s i 质量分数 ， 也有利用此 原理制成 的传感器 探 头 分别 测量 A l ， C r ， N i ， S 和 P等质量分数。另外， 还有利用热电势差原理 制成的注入式 s i 传感器测量 s i 质量分数以及利 4 冶 金自 动化 第3 6卷 用其他原理制成的取样注入式传感器测量 Mn质 量分数 。虽然 目前采用上述方法进行测量可以满 足炼钢生产的要求 ， 且方法 2 ～ 4 比方法 1 可节约 5 m i n以上的时间 使用投入式传感器更可 缩短 1 0 m i n左右 的出钢时间 ， 但这些方法都是断 续式的， 需要停止冶炼 ， 并且检测 时间长 ， 因而导 致钢水质量控制滞后 ， 能耗和成本上升。美 国能 源部研究指 出， 缺乏有效 的在线组分检测技术 是 产生上述问题的关键原 因之一 ， 因此 ， 需要开发直 接在线连续分析传感器和仪表。按照检测 分析方 式 ， 检测方法可分为以下几类 。 1 铁水或钢水液面直接发光法。如 闪光放 电、 电弧发光 、 激光发光 、 吹氧火点、 电子束照射炉 内发光等方法 ， 以下重点介绍几种 。 1 闪光放 电法。 日本神户钢铁公司在真空冶 炼炉将电极固定在熔融金属上 面， 在 A r 气氛 中， 电火花放 电使熔融金属发光 ， 将 此激励光 由光导 纤维传送到光谱分析装置 ， 直接分析 s i 质量分数 ， 但激励光的读取角度 和 A r 流量对分析灵敏度有 影响。 日本钢铁公司将装有电极的探头插入 钢水 中 ， 使 电火花往钢水表面放 电， 发生的激励光 由光 导纤维传送 给光谱 分析装 置 ， 同时进行定量分析 多种元素， 除不能测定 c ， s和 P的质量分数， 其他 元素都得到了理想的测定精度。 2 激光发光法 。对这种方法 的研究较多也 比 较有成效， 它是向铁水或钢水表面照射激光， 使其 激励发光 ， 按发光情况得 出铁水 或钢水成分。2 0 世纪 8 O年代末 ， 美 国阿拉莫斯研究所 ， 13本 冈山 大学、 大阪氧气公司和莱亥大学等就已经在实验 室进行过许 多基础研究。其后 ， 日本川崎钢铁公 司使用波长为 1 ． 0 6 m的钕玻璃激光器直接照射 铁水或钢水液 面， 并开发了用于测定被激发光谱 的焦距为 1 m 的多频道真空 分光器测定装 置 ， 对 铁水或钢水液面 的上下 波动、 液面倾斜和温度 的 影响进行了研究。该装置安装在运行中的高炉出 铁钩上 ， 对铁水 中的 C， S i ， Mn ， P和 S质量分数进 行连续分析 ， 然后与普通样勺试样光谱分析结 果 进行 比较 ， 取得 了良好的对应关系 。 近年来， 国内外许多单位研究激光诱导击穿 光谱 L I B S 法在线测定固体金属和液体金属的成 分， 比较成功 ， 其原理是激光输出高能量脉冲 聚焦到钢水表 面 激光 脉冲周期 典型值为 1 0 n s ， 激光功率密度超过 1 G W／ c m ， 使钢水产生激光 剥离 ， 并出现特定波长的辐射 ， 然后用高灵敏度光 谱仪进行光谱分析， 就可得出被测材料成分 按谱 线位置辨别元素种类， 按谱线强度算出元素质量 分数 。2 0 0 5年美 国 E n e r g y R e s e a r c h公司在 C o rn m o n w e a l t h铝业公 司 的熔炼炉 中， 用 L I B S法在 线 检测熔融铝合金的成分 ， 测定结果为 质量分数在 0 ， 1 ％左右的合金成分 C u ， F e ， M g ， M n和 S i 的偏差 小于 7 ． 1 ％ 时， R S D 相对标 准偏 差 为 4 ． 5 ％ ～ 1 1 ． 6 ％ 。2 0 0 3～ 2 0 0 8年德国弗朗和激光技术研究 所 I L I T 用此方法检测 固态和液态合金钢 、 炉渣 、 高炉煤气等成分 ， 结果为 定量分析 固态合金钢成 分中的 N i ， C r ， C u ， Mo ， S i ， T i ， Mn ， A 1 和 C时 ， 其平 均误差为称量值的0 ． 0 2 ％ ～1 ． 0 0 ％； 在线检测液 态合金钢 中的 C， P ， S ， N i ， C r时， 检出限低于 2 1 1 O一， 检测时间为 6 s ， 标定相关系数不小于 0 ． 9 5 ； 在距真空脱气炉 1 0 1 1 1 处分析炉渣 中的 C a O， S i O ， A 1 O 时， 测量时间为 8 0 S ， 预测结果偏差很小 ， 接 近标准的 X R F X射线荧光分析法 。2 0 0 6年奥 钢联 V A I 在距 A O D炉约 1 0 m处装设 L I B S系 统， 通过对吹气 口取样 和光纤 传输 的数据进行分 析 ， 结果为 在分析 N i ， c r ， C u ， Mo和 c o时， 其浓度 测量范围小于称量值的 2 4 ． 4 ％的情况下， 平均偏 差不大于称量值的0 ． 2 ％。现在， 加拿大 B e a m t e c h O p t r o n i c s 镭宝光 电 公司已经生产出用于分析相 关元素的各种 型号 的脉 冲纳 秒激光 器 D a w a系 列 ， l 0 3 5 0 m J ； N i m ma 系列 ， 4 0 0 8 0 0 m J ； S G R系 列 ， 16 J ， 也 已被国内外公司成功采用 ， 集成 在 L I B S 系统中。目前国内也有许多单位在进行相关 方面的研究 ， 如钢铁研究总院、 冶金 自动化研究设 计院 、 中国科学院沈阳 自动化所 、 长春工业大学和 华南理工大学等 。 3 吹氧火点法 。日本钢铁公司坍厂在转炉氧 枪 中装入光纤 ， 测 量吹氧 时因碳 燃烧形成局部热 点时所发射 的谱线 ， 用光谱仪分析得 出 F e和 Mn 的离子光谱强度， 最终测量钢水中 M n质量分数。 与过去方法相 比， 此种方法 的标准误差在 0 ． 0 4 ％ 以内， 测量精 度可达 1 0 ％ 。采用此 种方法 的原 理是 吹氧时 ， 纯氧与熔池反应 ， 形成火点 ， 温度高 达 2 0 0 0 2 5 0 0 o C， 高温激发 出 F e和 Mn的离子 光谱由氧枪内的光纤传感器传送到光谱仪， 连续 测量波长为 3 8 6 n m的 F e 离子光谱强度和波长为 4 0 3 ． 3 1 n m的M n 离子光谱强度， 利用式 1 计算 出熔池 中 Mn质量分数 ∞ M n 。 第3 期 马竹梧 冶金检测仪表和成分分析技术进展及开发的几个问题 5 l o g ∞ Mn [ 1 o g ， M Ⅱ ／ F e l o g K T ] ／ 1 式中， ， 扎 为测定的 M n 与 F e 离子光谱强度之比； 为总传质系数； T 为钢水的绝对温度； 叼为自 吸收系数。美 国则 开发 了一 种新 型光 学组 合探 头 ， 将光学传感器安装在水冷顶吹氧枪 中心部位 ， 连续测量火点区钢水发射光线 的频率 、 波长 、 强度 和灰度之后 ， 按一定公式推断熔池钢水温度 、 c质 量分数和熔池液位 。 2 微粒子生成法。用下列方法生成微粒子 ， 然后把微粒子送 I C P 电感耦合等离子体发射 光 谱仪进行分析得 出相关成分。由于可将分析装置 设在离钢水较远 的地方 ， 因而可较容易 地进行现 场实验。本方法较有成效 ， 有些 已在工厂 中试用 ， 有待改进 的是进一步研究稳定激励 1 0 m 以下微 粒子的方法和能长期测量的探头材质。 1 激光照射法。此项技术 由阿拉莫斯研究所 开发。使用 波长为 1 ． 0 6 m 的 N d ． Y A G激光器 ， 以每次脉冲能量为 0 ． 0 1 2 J 、 振动频率为 5 0 0 0 H z 、 振幅为 1 5 0 n s的激光照射到钢水表面 ， 就可 以得 到 3 mg ／ m i n的微粒子生成量 ， 然后用直径为 6 m m 的管道将流量为 l I Mm i n的 A r 流输送到距激光器 3 0 m处的 I C P发光分光装 置 中， 观察各元素 因蒸 发能 的不同而出现的蒸发差异。用这种方法测定 的 N i ， C r ， c u质量分 数与这些元素在钢水 中的实 际值有很好的相关性 ， 但不能测定 P， S和 C 。 2 吹氩法 。本 方法是 向铁水或钢水里吹 A r ， 使之生成微粒子， 然后传送给 I C P光谱仪以分析 铁水或钢水成分。日 本钢铁公司使用由耐火材料 制成的测量头 ， 插入铁水或钢水 中， 吹入 2 5 L ／ mi n 的 A r 流 ， 使之 生成微粒子 ， 通 过输 送管并经小 型 旋风分离器 ， 除掉大粒子后 ， 送到 2 0 m远处的 I C P 发光分光装置中， 对多种元素同时定量分析。通 过求出各被测元素的积分发光强度值与 F e 积分 发光强度值 的比， 对各元素定量。将 S i ， Mn ， P， S ， c r ， c u和 V等元素分析结果与过去使用的分析方 法得 出的结果 比较 ， 均获得 了 良好 的对 应关 系。 英钢联 B S C 采用专门设计 的喷雾器探头 ， 用 A r 雾化钢水生成微粒子， 先经旋风分离器除去 5 0 m 以上的粒子 ， 而后 送人 分析 装置 分析钢水 成分 。 但在 6 0 t 转炉和 3 0 0 t 转炉上进行实验 ， 结果表明 分析精度达不到生产工艺的要求 。 3 闪光放电法。日 本钢铁公司采用使钢水表 面发生 电火花放电， 然后用 A r 将生成 的微粒子送 到 I C P光谱仪的方法对钢水中的元素进行分析， 得 出了 s i 的分析值为定量下限的 0 ． 0 0 4 ％以及质 量分数为 0 ． 2 ％时的定量变动系数为 1 ． 4 ％ ， 但这 种方法存在探头结构复杂和电极粘钢等问题 。 3 废气烟尘分析法。这种方法 已经在转炉 烟道取样后分析炉气 中 C O和 C O 体积分数以及 测量炉气流量 的实践 中获得 了成 功应 用 ， 用于计 算转炉冶炼的脱碳速度。近年来则尝试 直接分析 钢水成分 。 E t 本钢管公 司在转炉废气管的分支管 安装 了一 台双通路 型原子吸收光谱仪 ， 让转炉废 气烟尘经 1 0 m过滤器直接进入改造过 的原子吸 收光谱石墨炉， 使烟尘原子化 ， 并 测定其吸光度 ， 测定结果是钢水 中 Mn质量分数和 Mn ／ F e质量分 数 比之间相关 良好 ， 但这 只能说 明分析钢水 中的 Mn是可能 的， 尚未达到实用化 。美国 I N S T E C研 究所开发了一种激光传感器测量方法并在美 国伯 利恒钢铁公司 3 0 0 t 转炉上进行 了工业试验 ， 方法 是在转炉烟道一侧的激光器发射光线并使之通过 转炉烟道 ， 而在另一侧 的传感器接 收测量信号 以 确定转炉烟道烟气的温度以及 C O和 C O 体积分 数 ， 并 由数据处理系统处理 ， 计算 出钢水 c质量分 数 。 4 气体传送分 压平衡测定法 。其原理是根 据 S t e v e r t 定律 H K ， ／ ， H ， ／ P ， 2 l o g ， 。 一1 9 0 5 ／ T一1 ． 5 9 1 3 上述式中 ， H 为钢水 中 H 的体积分数 ； ， 为 在已知温度下 H 的平衡系数 ， 为 H 活度系数 ； P ，为钢水中 H 的分压力。只要测出 H 的分压 就可得出 H 的体积 分数 。 日本 钢铁公 司名古 屋 钢铁厂按此原理 ] ， 在 R H装 置 中装设耐火材料 制成的测量头 ， 耐火材料采用耐侵蚀性能 良好 、 加 工性能优良但耐热冲击性能略差的 A 1 O ， 一 S iC作 为材质 ， 吹入 A r 的管路材 质为 0 ． 9 4 ％A 1 2 O 3 - 4 ％ S i O ， - 2 ％Z r O 。此外 ， 为了保 持测量头 的强度 ， 在 渣线部位覆盖 A 1 O 。吹入 A r 后 ， 在钢水 中形成 气泡 ， 把 A r H 经排 出管送分析室内的色谱仪 以 测定 H 的分压 ， 也可同时测定 O 和 N 的分压。 但美国有文献报道认 为利用类 似原理建立 的 N 检测 系统 ， 因 N 在钢水中的扩散系数 远小于 H ， 导致载气泡 中的 N 与钢水达到平衡 的时间过长 而无法实用化。在测量体积分数为 l 0 级别的 H 时， 误差 为 5 ． 3 ％ ， 测定时 间为 2 ． 5 mi n 。美 国 6 冶 金自 动 化 第3 6 卷 钢铁公 司的测量 系统 与 E l e c t r o - N i t e公司共 同开 发 与 日本钢铁公司的测量系统大同小异 ， 主要是 测量头和吹入气体不 同 ， 其测量头主要 由多孔 陶 瓷罩组成 ， 当测量头 浸入钢 水 中时， 向钢 水吹人 N ， ， 并 由多孔陶瓷罩 收集 ， 熔解在钢水 中的 H 就 会不断地扩散而进入载气氮 ， 在钢液与气相之间 的 H ， 分压开始建立平衡。使用热导检测器进行 测定时 ， N 穿过钢水不断地循环， 钢水 中的 H 也 不断地扩散成气相 ， 直到不再扩散为止 ， 然后测量 H 的分压并最终换算为 H 的体积分数。E l e c t r o N i t e 公司还利用上述检测方法制造出设备并作为 产 品推 出。 5 其他测定法。主要有 1 电化学法 。即 用高温固体电解 质组成浓 差 电池的方法 ， 可 以测 量钢水中 O， S i ， A 1 ， C r ， N i ， S和 P等成分 。有测量 金属液各种成分的探头 ， 将其直接插入金属液中， 即可测出相关元素 的成分 ， 目前 主要是用 于短时 测量并 已产品化 ， 而在线连续测量还在研究之中， 目前连续测量 时间仅为 1～2 ra i n 。2 声 振动法。 声振动法是匈牙利国家钢铁研究院开发 的。该方 法是在向铁水 或钢水 喷射 一定量的脱硫 剂时 ， 通 过放置在离金属液表面 的微型麦克风或安装在炉 子上 的加速计来 测量金属 液 中气 泡产生 的声振 动 ， 从而得出金属液 中 S质量分数。这种连续监 测铁水或钢水 中硫表面活性溶质质量分数变化的 系统已经在芬 兰 R a a h e 钢铁厂中试验 ， 效果 良好 。 3 化合物生成传送 法。其原理是 向钢水 中吹人 氯气 ， 使钢水 中的大多数成分气化并形成氯化物 ， 氯化物 中所测成分的质量分数可用式 4 表示 6 0 A K P A c ／ P XF ／c 2 4 式 中， ∞ A 为成分 A在钢水 中的质量分数 ； K为 常数 ； P c 为 A C 1 的分压 ； P c 为 F e C 1 的分压 ； 为 系数。 日本钢管公司按此原理 ， 在 5 0 k g 高频熔化 炉进行试验研究 ， 结果可稳定地测 出 S i ， Mn ， C r和 N i 的质量分数， 而 c和 s 没有氯化物， 只能作为氧 化物传送， 会受到钢水中氧量的影响。德国杜伊 斯堡大学也做过类 似研 究 ， 向钢水里 吹入混有反 应气体 O 或 c l 的 A r ， 分析反应生成物 中的 C， P ， s ， 找到了它们和钢水成分之间的关系。但化合物 生成传送法未 见有进一 步工业试 验或应 用 的报 道。 3 对冶金检测仪表开发的几点看法 对专用传感 器和 检测仪 表 的需 求一 直很 迫 切 ， 无论 国内还 是 国外 ， 许多检测项 目尚需 开发 ， 但难度较大 ， 因此需要从选题 、 组织 、 人 员和方法 等几方面合理安排 ， 才能有效地达到开发的 目的。 1 选题 。应根据社会需要及客观情况 、 自身 基础 、 人员专业 、 积极性和可能性等因素选择开发 项 目。目前冶金检测技术经过几十年来 的多方面 努力 ， 取得了很大的进展 ， 一些项 目中的问题已经 得到解决 ， 甚至已经形成生产力 ， 因此要避免重复 研究。当前 ， 质量 监督 特别是成 分分析技术无 疑 是尚未解决 的问题 ， 应作为重点之一。 2 组 织。国外冶金检测开发项 目大致有 3 种方式 ， 即由钢铁厂的计测 中心开发 ， 如 日本各个 钢铁公司 ， 优点是钢铁生产规模大 ， 利润大 ， 能为 研究包括试验仪器装备提供充足经费 ， 且具有工 业试验 的场地 ， 因而实用 化都较 好 ； 电气 公 司开 发 ， 如德 国西 门子公 司、 瑞典 A B B公司 ， 优点是生 产规模大 ， 利润也大 ， 都有专 门的研究单位 ， 公司 每年从利润中抽取一定 比例的资金投入研究， 研 究单位只需提供成果 ， 无须上交利润 ； 高等院校或 研究院所开发 ， 经费由社会赞助或国家 、 公司按合 同提供。由于国内产业部门性质 的研究单位现在 大都要 自 力更生， 自筹经费， 研究中的一些项 目 会 获得国家一定 的科研经费支持 ， 所 以国内研究 院 所为解决开发经费 问题 ， 除可获得 国家专项科研 经费外 ， 还应建立科研 一生产 一推广 应用一体化 单位或小组 ， 靠产品利润补助研究经费； 也可仿效 外国电气公 司的做法 ， 从 整个研 究院所收入和利 润中提出一定 比例 的资金投人研究 ， 但需对研究 人员严格考核 ， 提供成果是根本。此外 ， 根据 国内 外统计 ， 仪表 是赢利 大 的行业 ， 但 前提是批 量生 产。温度、 流量等仪表能大规模生产已无疑问， 但 冶金仪表难以大规模生产 ， 为此 ， 日本横河公司建 立柔性小批量生产方法和灵活生产线 ， 包括零部 件通用化等 ， 这些做法都值得学习。 3 人员。人员不在多而在精 ， 要有一批热心 于开发、 能力强且有百折不挠精神的队伍 ； 领导上 应把出成果 、 出人材、 出效益作为根本方针 ， 尽力 减少管理人员 ， 技术人员应主要 留在技术 岗位 ， 并 提高他们的地位 。 4 方法。开发成果要广域化 ， 如 日本东芝公 司开发数字测 速仪 ， 稍加变换 ， 就成 为测 长仪、 延 伸率测定仪等 ， 以实现多项检测 内容。又如 日本 钢管公司开发时域反射技术 T D R 用以测量高炉 第3 期 马竹梧 冶金检测仪表和成分分析技术进展及开发的几个问题 7 软融带位置 ， 利用 同一原理 ， 不仅开发 了监测高炉 炉身侵蚀、 炉缸侵蚀技术， 而且还用做电炉炉底侵 蚀监测 ， 获得 了重大的经济效益。此外 ， 产 品需要 系列化 ， 例如横河公 司的红外分析仪 N R 8 0 0 就 有“ 在线机” 和“ 离线机” 两种机型 ， 分析仪表 价格 不菲 ， 两种机型价格差别也较大 ， 这样就为用户提 供了更多选择而利于市场拓宽。在生产产 品上也 要注意产 品的配套 ， 形成本单位 的特有技 术而拓 宽销售 ， 如美 国衡钢公 司在连铸 中间包液位 测定 中 ， 其压头安装设计使用空气旋 涡冷却器 ， 以解决 传统水冷 的漏水危 险 ； 又如加 拿大 K L E K公 司生 产轧钢测力压头 、 拉杆式测力仪 ， 还兼提供在线标 定车 ， 以解决生产中常需 的标定 问题 常规方法是 把压头卸下 ， 运到标定力值实验室进行标定 ， 大力 值标定则需运到大城市的专业院所进行标定 ， 不 仅大大提高 了压头 的在线率 ， 也有利 于生产 。由 于这是其他公司没有 的技术 ， 因而销路大增 。 二次世界大战时期 ， 美 国许多军工材料 和产 品急需测定质量和安全性 ， 而许多物理 和化学性 能的测定 ， 因没有现成 的仪表和方法而急需开发 。 但由于时间紧 ， 故利用 现有 的各种原理测量各 种 参量的传感器以及仪表零部件 ， 在 2 4 h内组装成 任何可测定参数 的装置 以解决 问题 ， 然后如有必 要 ， 再请生产厂家设计定型成为产品。其 实 ， 冶金 特殊检测技术也是在使用现成技术基础上开发而 成 的， 完全可以采用这种方法来加快研究 的进度 ， 在此不再详述 。 4 结束语 开发冶金检测及成分分析技术的专用传感器 和仪表的必要性 已经无庸置疑 ， 各单位应按照 自 己的条件加速开发 ， 并按 照上述 观点大力开发炼 钢成分连续直接分析技术。 参考文献 [ 1 ] 万雅竞 ， 张玉庆． 冶金传感器的研究与开发 [ C] ／ ／ 冶金 自动化研究设计院建院 3 0周年论文集． 北京 冶金工 业 出版社 ， 2 0 0 3 1 - 5 ． [ 2 ] 孙兰香， 于海斌 ， 郭前进， 等． 激光诱导击穿光谱在物质 成分定量分析方面的实验研究进展[ J ] ． 仪器仪表学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 1 O 2 2 3 5 - 2 2 3 9 ． S U N L a n x i a n g ， Y U H a i b i n ， G U O Q i a n - j i n ， e t a 1 ．D e v e l -