冶金检测仪表和成分分析技术进展及开发的几个问题

第36卷第3期 2012年5月 冶金自动化 6 012 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，北京100071) 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(网络集成制造系统(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13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：文章编号：1000012)03in of 00071，he of to it is to in of 3 of i- t to is on 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20世纪60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，出现了控、仪控及计 算机控制和管理)一体化系统。1964年英国人D H后，日本、德国和美国等发达国 家的钢铁厂都采用了算机集成制造系 统，国内也有人称为管理控制一体化系统)，经不 断发展，进而形成络集成制造系统)。 适应激烈 市场竞争的需要，使信息更广域化和高效化。钢 铁公司的与外部(如最终 收稿日期：2011改稿收到日期：20120 作者简介：马竹梧(1931-)，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36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 1995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 据烧结矿 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。 21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，日本曾对钢铁工业检测传感器需求调查，其结果见表1。 表1 日本钢铁工业13个主要工序对特殊检测传感器的需求量 of me3 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、废气中排 气成分等的检测。 (2)烧结。原料中灰石和粉焦 水分，混合料结层碳及各 成分分布，烧结矿量分数，主排气、 风箱废气成分，烧结干粉尘和浓缩机排出的水中 的积分数等的检测。 (3)高炉。原料水分、炉顶煤气成分和出铁中 (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。 (10)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。 (12)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。 (13)钢管。无缝钢管的壁厚偏差、表面缺陷、 曲度和正圆度等 的检测。 22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 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有利用此 原理制成的传感器(探头)分别测量r， 和外，还有利用热电势差原理 制成的注入式 冶金自动化 第36卷 用其他原理制成的取样注入式传感器测量分数。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 用投入式传感器更可 缩短10 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，直接分析但激励光的读取角度和响。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，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。20 世纪8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106 水或钢水液面，并开发了用于测定被激发光谱 的焦距为1 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，n，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(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10 激光功率密度超过1 GW，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)。2005年美国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e，于71时，对标准偏差)为45 1 16。20032008年德国弗朗和激光技术研究 所(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r，o，i，1和平 均误差为称量值的002100；在线检测液 态合金钢中的C，P，S，出限低于21 1测时间为6 s，标定相关系数不小于095； 在距真空脱气炉10 111处分析炉渣中的 时，测量时间为80 S，预测结果偏差很小，接 近标准的射线荧光分析法)。2006年奥 钢联(距，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Ni，u，浓度 测量范围小于称量值的244的情况下，平均偏 差不大于称量值的02。现在，加拿大宝光电)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(，50 00800 ，16 J)，也已被国内外公司成功采用，集成在 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，用光谱仪分析得出离子光谱强度，最终测量钢水中与过去方法相比，此种方法的标准误差在004 以内，测量精度可达10。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 0002 500 温激发出谱由氧枪内的光纤传感器传送到光谱仪，连续 测量波长为386 0331 用式(1)计算 出熔池中 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 1Fe) (1) 式中， 扎为测定的( )为总传质系数；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、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10 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106 以每次脉冲能量为0012 J、振动频率为5 000 振幅为150 可以得 到3 mg后用直径为6 管道将流量为l 0 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r，值有很好的相关性，但不能测定P，2)吹氩法。本方法是向铁水或钢水里吹使之生成微粒子，然后传送给水或钢水成分。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25 L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20 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光强度值的比，对各元素定量。将n，P，S， cr，得出的结果比较，均获得了良好的对应关系。 英钢联(用专门设计的喷雾器探头，用化钢水生成微粒子，先经旋风分离器除去50 m 以上的粒子，而后送人分析装置分析钢水成分。 但在60 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，然后用得出了04以及质 量分数为02时的定量变动系数为14，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。装了一台双通路型原子吸收光谱仪，让转炉废 气烟尘经10 光谱石墨炉，使烟尘原子化，并测定其吸光度， 测定结果是钢水中比之间相关良好，但这只能说明分析钢水中的 未达到实用化。美国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300 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积分 数，并由数据处理系统处理，计算出钢水。 (4)气体传送分压平衡测定法。其原理是根 据H：)=(K ，H，) P ， (2) ， 。)=一1 90591 (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，一材质，吹入42此外，为了保持测量头的强度，在 渣线部位覆盖 。吹入钢水中形成 气泡，把：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。在测量体积分数为别的 H 时，误差为53，测定时间为25 国 6 冶金自动化 第36卷 钢铁公司的测量系统(与)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。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，1，i，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12 )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： 60(A)=XF4) 式中，(A)为成分为 常数；P 分压；P 分压； 为 系数。日本钢管公司按此原理，在50 进行试验研究，结果可稳定地测出n，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(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( 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24 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