（钢铁冶金专业论文）结晶器保护渣渣层厚度测量仪的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo ne q u i p m e n tf o rm e a s u r i n gt h et h i c k n e s s o fm o u l ds l a g a b s t r a c t nt h ep r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h et h i c k n e s so fm o u l ds l a gi s i m p o r t a n tf o r o b t a i n i n gh i g hq u a l i t yp r o d u c ta n dc a s t i n gs a f e l y , a n di ti sp r e c o n d i t i o nt om e a s u r ei t t i m e l y , q u i c k l ya n de x a c t l yf o rc o n t r o l l i n g i nt h i sp a p e r , t h ec o n d u c t i v i t ya n do x i d a t i o no fm o u l d s l a gw e r es t u d i e d ，a i l e q u i p m e n tt h a tc a i lm e a s u r et h et h i c k n e s so fm o u l ds l a ga u t o m a t i c a l l yw a sd e s i g n e d ， a n dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ( 1 ) t h ec o n d u c t i v i t ya n do x i d a t i o no fm o u l ds l a gd e p e n do ni t sm e l t i n gs t a t e t h e r ew e r ed i f f e r e n tc o n d u c t i v i t ya n do x i d a t i o ni nd i f f e r e n tm e l t i n g s t a t e ( 2 ) t h e r ew e r et w oo b v i o u sc h a n g e so fv o l t a g eb e t w e e nt w oe l e c t r o d e so n 血et o d s u r f a c eo ft h em o l t e ns l a ga n di r o n - s l a gi n t e r f a c e s o m em a t e r i a ls u c ha sm o s i 2 ，m o ， s i c ，c e r m e ta n ds oo n ，w e r es u i t a b l ea se l e c t r o d e s ( 3 ) t h e r ew e r et w oo b v i o u sc h a n g e so fe l e c t r o m o t a n c ep r o d u c e db ye l e c t r o c h e m i c a tc e l lo nt h et o ps u r f a c eo ft h em o l t e ns l a ga n d i r o n - s l a gi n t e r f a c e i tc a l lb ef o r l n e db v z r 0 2s t a b i l i z e db ym g oa n dc r - c r 2 0 3m i x t u r ea sr e f e r e n c e ( 4 ) t h ei n a c c u r a c yo f m e a s u r i n gb yt h i se q u i p m e n ti sl e s st h a no n em i l l i m e t e l t w om e t h o d ss t u d i e di nt h i sr e s e a r c hc a l lb eu s e dt on o to n l ym e a s u r et h et h i c k n e s s o fm o u l d s l a gb u ta l s om e a s l l r et h et h i c k n e s s e so fo t h e rs l a g s k e y w o r d sm o l t e ns l a gl a y e r , t h i c k n e s s ，i r o n s l a gi n t e r f a c e ，e l e c t r o d e e l e c t r o c h e m i c a ie e l l i i i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 1 1 1中国钢铁工业近年来的发展状况 近年来，我国钢铁工业的发展取得了举世瞩目的成就。2 0 0 3 年全球钢产量接 近9 6 亿t ，其中我国钢产量达到2 2 2 3 4 万t ，超过美国和日本钢产量的总和，占世 界粗钢产量2 3 以上，粗钢产量连续8 年保持世界第一。图1 1 给出了1 9 9 0 年以 来中国粗钢年产量的变化m l 。 督 投 一 捌 辱 l 1 9 9 0 1 9 9 l 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 92 0 0 02 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 年份 图1 11 9 9 0 年以来中国粗钢产量变化 f i g 1 1c h a n g eo f s t e e lo u t p u ti nc h i n as i n c e1 9 9 0 在产量快速增长的同时，我国钢铁工业总体技术水平也有了较大的提高，一 些大型企业的主要技术装备水平己接近或达到世界先进水平。大多数钢厂增加了 c a s 、l f 、v d 、r h 等炉外精炼设备，具备了生产洁净钢的能力。2 0 0 3 年国内大 中型企业的连铸比达9 6 3 6 ，超过了国际平均水平。但与世界先进水平相比，我 一l 0 0 0 o 0 0 | | 薹| | | o o o z l l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 国钢铁工业生产效率较低，装备水平不高。 路的要求，结合我国冶金工业发展的需求， 1 1 2中国冶金自动化的发展 因此，应该按照我国走新型工业化道 进步提高我国的冶金自动化水平。 1 1 2 1 冶金自动化的发展现状 按照目前流行的自动化体系结构，典型的冶金自动化系统按功能层次可分为 过程控制系统、生产管理控制系统和企业信息化系统3 个层面。 ( i ) 过程控制系统 在基础控制方面，以p l c 、d c s ( 集散控制系统) 和工业控制计算机为代表 的计算机控制取代了常规模拟控制，这方面已在冶金企业全面普及。据最近中国 钢铁工业协会的调查结果，按冶金工序划分，计算机控制的采用率分别为高炉 l o o ，转炉9 5 4 3 ，电炉9 5 9 ，连铸9 9 4 2 ，轧机9 9 6 8 。近年发展起来的 现场总线、工业信息网等技术逐步在冶金自动化系统中应用，分布控制系统结构 替代集中控制成为趋势。在控制算法上，回路控制普遍采用p i d 算法、智能控制、 先进控制技术在电炉、转炉、连铸、连轧、加热炉等方面得到了应用，并取得了 一定的成果。在检测方面的仪表的配备比较齐全，如炼钢过程的熔池钢液含碳量 和温度、连铸过程的拉漏预报、钢材质量和机械性能预报等自动测量仪器。在电 气传动方面，用于节能的交流变频技术普遍采用 2 1 。 f 2 ) 生产管理控制系统 根据最近中国钢铁工业协会的调查结果，按冶金工序划分，生产管理控制系统 计算机配置率分别为高炉5 9 7 ，转炉2 3 0 3 ，电炉2 6 1 2 ，连铸2 0 6 4 ，轧机 4 1 6 8 。从功能上来讲，信息集成和事务处理的方面应用较多，决策支持和动态 管理控制作用没有发挥出来。近年来，冶金企业逐步认识到m e s ( 制造执行系统) 的重要性，在综合应用运筹学、专家系统和流程仿真等技术，协调生产线各工序 作业，进行全线物流跟踪、质量跟踪控制、成本在线控制、设备预测维护等方面 取得了初步成果，但如何在冶金企业发挥它最大的作用和进一步的推广还需做大 量的工作1 2 j 。 ( 3 ) 企业信息化系统 随着企业管理水平的不断提高，“信息化带动工业化”在冶金企业成为共识。 各企业纷纷开始信息化规划和建设，很多企业已经构造了企业信息网，为企业的 信息化道路奠定了基础。漆永新在“解读钢铁企业信息化”的报告中指出：“我国 钢年产量5 0 0 万t 以上的8 家企业1 0 0 投资了信息化的项目，钢年产量5 0 万t 以 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 文献综述 我国在1 9 5 7 年已经开始连续铸钢的实验研究，随后取得了实验成功。改革开 放以后，国家对钢铁工业的连铸技术非常重视，从1 9 8 0 年以来，我国连铸有了较 大的发展，连铸比增长很快。从1 9 8 8 年开始在全国范围内确立了“以连铸为中心” 的生产技术方针，以此来指导全国钢铁生产技术、改造和投资方向。9 0 年代以来 更加重视发展连铸技术，通过工艺优化，装备改良和国产化等途径不断加以推进， 到2 0 0 2 年我国的连铸比达到9 3 0 3 。但总的来说，我国的连铸自动化水平和世界 先进水平相比，还有很大的差距，而且国外对一些技术保密，所以我们必须自主 进行连铸自动化的技术研制与开发，以适应钢铁工业现代化发展的需求【1 ，4 1 。 1 2 1国内外连铸新工艺 些新的连铸工艺已经在国内外的一些钢铁企业得到了应用。主要有铸坯接 近成品的近终型连铸技术、连铸连轧技术等f 4 】。如以下几种工艺： ( 1 ) 紧凑型薄板坯连铸连轧工艺( c o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ) ，简称c s p 工艺。 它是s m s ( 施罗曼西马克公司) 在蒂森钢公司的协助下开发成功的。应用漏斗 型结晶器连铸5 0 r a m 厚的薄板坯。已在纽柯公司克劳福兹维莱厂投产，年产8 0 1 0 0 万t 。 ( 2 ) 薄板坯在线生产工艺( i n l i n es t r i p p r o d u c t i o n ) ，简称i s p 工艺。1 9 9 1 年由曼 内斯曼德马克公司为意大利阿尔维迪公司的c r e m o n a 厂建成投产，年产5 0 万t 。 主要特点是从结晶器出来的5 0 m m 带液芯的薄板坯，由两对辊挤压减薄到1 5 m m ， 再加热从4 辊轧机上轧成6 m m 板卷。 ( 3 ) 薄板坯热轧工艺( f l e x i b l et h i ns l a br o l l i n g ) ，简称f t s r 工艺。采用垂直型 结晶器，轻压下技术，气雾二次冷却等，是一种新紧凑型热轧卷生产技术。 1 2 2 国内外钢铁企业的自动化改造 为了提高连铸自动化水平，国外一些钢铁生产企业都对设备做了自动化改造， 有的还实现了全自动化和智能化。例如以下一些改造： ( 1 ) 日本新日铁等钢铁公司的高炉智能技术处于世界领先水平，因为他们对高 炉进行了现代化水平很高的改造，在高炉上应用了日常操作、故障预测及处理操 东北大学硕士学位论文第一章绪论 作的专家系统【9 】。 ( 2 ) 美国斯坦福大学为北极星钢厂开发的电炉神经网络系统，实时调节电极位 置，减少了电极消耗，节约了电能【9 】d ( 3 ) 法国s e r t 公司用模糊控制器与p i d 并联控制板坯连铸结晶器液位。稳态 时用p i d 调节，当浸入式水口沉积物突然去除时，p i d 调节需1 0 r a i n 才能恢复常 态，而应用模糊控制可减少恢复时间8 0 ，液位升高减少4 t 9 1 。 还有连铸坯喷印智能检测、自动加渣等其它各个环节的智能控制技术国外都 做了研究应用f 5 - 1 1 。 我国的大部分钢厂也进行了大量的自动化改造工程，取得了很好的效果。目 前改进的方向是使连铸机和辅助设备具有更高的综合性能，操作过程自动化、可 控性和安全性达到更高水平，迸一步的发挥连铸机的生产潜力和提高铸坯质量。 例如： ( 1 ) 宝钢1 4 5 0 板坯连铸中间包自动开浇技术，在控制精度上取得了突破f 5 1 。 ( 2 ) 石钢塞棒自动控制系统，采用了p l c 控制系统，从而保证了结晶器内钢 液面的稳定。不仅提高了钢坯质量，还实现了全自动浇铸【6 】。 ( 3 ) 本钢水处理自动控制系统，实现全自动控制，保证了设备稳定运行 引。 ( 4 ) 在线自动称熏系统，能高精度在线测量每个钢坯的重量，减少了钢坯废品 率，取得了很好的经济效益1 7 。 以及其它连铸自动控制系统，都进行了研究开发和现场应用，并取得了很好 的效果。 1 2 3 结晶器保护渣 连铸结晶器常用绝热型保护渣和发热型保护渣。 发热型保护渣在前苏联成功地应用于低碳钢、船舶用钢、钢轨钢等钢种的浇 铸，但由于此类保护渣对环境的污染较大，而且不容易控制成渣速度，因此在其 他国家应用很少。 绝热型保护渣由于资源丰富，来源广，使用比较方便，并且完全能满足连铸 工艺的要求，因此，在世界各国得到普遍地应用。绝热型保护渣可以制成粉状或 粒状。粉状保护渣的保温性能好、成本低，在改进了防尘措施以后，使用率显著 增加，目前仍占有重要的地位。7 0 年代中期发展的颗粒保护渣，其运输方便，使 用过程中对环境的污染小，目前国内外广泛采用。预熔型保护渣是将初级原料入 炉熔化后，再加工成粉渣或颗粒渣，这种渣熔化比较均匀、稳定，但是成本较高， s 东北大学硕士学位论文第一章绪论 只有在特殊钢种浇铸时使用。 总之，结晶器保护渣对保证铸坯质量和安全生产都具有重要的作用。随着连 铸技术的不断发展，人们在努力开发适用于不同钢种浇铸的专用渣。 1 2 3 1 保护渣的重要作用 保护渣在浇铸过程中起着重要的作用，主要有以下几个方面： ( 1 ) 隔绝空气，防止对钢液的二次氧化 当保护渣加到结晶器内的钢液上会迅速形成层状结构，并均匀地覆盖整个钢 液面，将空气与钢液隔开，有效地阻止了空气中的氧进入钢液。渣中炭粉的氧化 及碳酸盐的分解所放出的气体，有利于降低与钢液接触的氧分压。 ( 2 ) 吸收非金属夹杂物，净化钢液 结晶器内铸坯液相穴内上浮到钢液弯月面的夹杂物，有可能被卷入凝固壳， 造成皮下夹杂或表面缺陷。液渣层对氧化物夹杂具有良好的润湿性，吸收速度块， 有利于净化钢液。 ( 3 ) 形成润滑膜，减小拉坯阻力 由于结晶器的振动和坯壳与结晶器壁之间存在缝隙，液渣流入并充满结晶器 壁与坯壳之间的缝隙形成渣膜。在正常的情况下，与坯壳接触的渣膜一侧，由于 坯壳温度高，渣膜能保持足够的流动性，在结晶器壁与坯壳之间起着良好的润滑 作用，从而减小了拉坯阻力，防止“粘结”现象的发生。 ( 4 ) 改善结晶器与坯壳之间从传热 在结晶器内由于坯壳收缩产生了气隙，使热阻增加。根据实验测量得知，当 气隙中充满空气，导热系数为0 0 9 w ( m k ) ，而充满液渣时，导热系数为1 2 w ( m k ) ，所以当液渣均匀的充满气隙时，可以显著减小热阻，明显改善了结晶 器的传热。 ( 5 ) 绝热保温，减少钢液热量损失 如果钢液表面温度的降低大于钢液的过热度，则钢液面可能结壳。保护渣的 保温作用主要是通过覆盖在钢液面上的粉渣层来实现的。保护渣含有一定的碳质 材料来控制保护渣的熔化速度，阻止粉渣很快熔化，使其始终保持具有一定厚度 的粉渣层，起到保温的作用。 1 2 3 2 保护渣的层状结构 保护渣的基本特性决定它的层状结构。由于保护渣是多组元的复杂体系，当 其由固相转变成液相时，是在一定的温度范围内熔化，没有固定的熔点。这样就 导致接触钢液的保护渣先熔化，形成液渣层。由于保护渣厚度方向的温度梯度比 较大，这样渣层上部温度较低，不致于加入的保护渣立即全部熔化。因此，在结 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 i 高度差hi 銎翟噩显委瑟蚕翟妥 s 777 。 f m ( a ) 图1 4 电磁感应法示意图 1 一平台；2 一涡流热感应器；3 一传感器；4 一接触头：5 一悬挂带 f i g 1 4 l l l u s t r a t i n gi n d u c t i o no f e l ec t l u m a g n e t i s m ) s m ( 5 1 电视录像法 此方法是日本的专利，是利用机器人等自动装置，装有前后上下移动的水平 臂，水平臂上又装一根带有保护渣表面检测板的轴，轴上装有一根铝包覆钢丝， 由自动装置将铝包覆钢丝插入结晶器，一定时间后取出，电视录像等摄像装置从 保护渣表面检测板的下方拍摄铝包覆钢丝的影像，然后通过画面处理装置求出相 当于保护渣液渣层厚度的铝熔化长度和相当于保护渣粉渣层厚度的末熔长度，再 计算出保护渣的总厚度。 此方法实际上就是把人工操作方法中的操作者用机器人来代替，并且使用电 视录像等摄影装置，由画面分析出液渣层厚度和总厚度。此方法由于要经过移动 电极，然后还要进行画面分析，所以测量需要的时间较长，并且通过画面分析来 判断液渣层的厚度也存在着较大的误差，其实用性很差。 1 3 本课题研究的目的意义及内容 1 - 3 1本课题研究的目的及意义 为了使结晶器保护渣在浇铸过程中发挥最大的作用，需要控制合理的渣层结 构以及各渣层的厚度，而迅速、准确地检测渣层厚度是控制的前提条件。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，日本、德国等一些发达国家已经采用了自动测量渣层厚度的装置，但 由于技术保密等原因，可以查阅的相关资料很少。我们国内的钢铁企业都是依靠 人工测量来判断液渣层的厚度，在自动测量方面还没有展开研究，本课题正是在 这样的背景下提出的。旨在开发一种能迅速、准确的测出液渣层厚度的方法，以 取代人工测量方法。 1 3 2 本课题研究的内容 获得稳定、可靠的电信号是实现自动控制的基础。因此，本实验主要从保护 渣的电特性考虑。根据目前相关技术发展的状况，再考虑到现场的高温、噪声、 粉尘、潮湿等恶劣的环境，本课题从接触式测量方法展开研究。 研究的主要内容： n 1 测试元件的研究，从国内外的资料和文献来看，准备选用电导电极和氧浓 差电池两种接触测量元件。要求研究出抗钢渣侵蚀、测量稳定、成本合适的测营 元件。 ( 2 ) 研究对测量元件信号的获取方式和处理转换方式。 ( 3 ) 测量设备的机械、电气、数显以及自动控制系统。 ( 4 ) 测量仪相关软件的开发。 ( 5 ) 制作测量仪，并进行验证性实验研究。 研究的关键是测量方法的可行性研究和测量元件的选定。 东北大学硕士学位论文第二章测量原理 第二章测量原理 弟一早 职u 里脲埋 2 1 保护渣的组成和结构 2 1 1 保护渣的组成 结晶器保护渣是在c a 0 一s i 0 2 a 1 2 0 3 三元渣系的基础上加碱金属氧化物、氟化 物、硼化物等低熔点物质来调整熔化温度。另外，还要配加一定的碳，来调整熔 化速度，目前国内外使用的结晶器保护渣的含碳量大致在1 8 左右，常用碳质 材料有石墨和炭黑，还有木炭粉和焦炭粉等。保护渣的成分决定了它的物理和化 学性能 4 ，1 3 ，15 1 。 2 1 2 保护渣的离子理论 人们对炉渣的电化学进行了大量的研究工作，发现熔融炉渣可以电解，从而 可以导电。熔渣组元的最小扩散单元为离子，x 射线衍射研究表明，固态炉渣具 有离子特性，而且随着温度的升高，其离子特性增强。另外，统计热力学为离子 结构理论的建立提供了理论基础【1 7 】。结晶器保护渣和炉渣的化学成分大致相同， 所以熔融保护渣也是离子结构。 离子理论具有如下基本观点： ( 1 ) 氧化物的离解能力 熔渣是由荷电质点所构成，其间的作用力为库仑力。离子间的作用力越大， 氧化物越难离解。 ( 2 ) 离子的存在状态 由于碱性氧化物的正离子的静电势值较小，在高温液态时，呈简单正、负离 子状态存在。酸性氧化物的正离子的静电势值较大，对o 。引力较强，易形成复杂 阴离子。而保护渣大部分组成是酸性氧化物或碱性氧化物，所以熔渣是由简单正、 负离子和复杂阴离子组成。 f 3 ) 碱度对离子浓度的影响 增加保护渣的碱度，即增加碱性氧化物的含量时，有利于使保护渣中的0 2 浓 12 查苎垄堂堡主兰堡丝查蔓三主型兰堡兰 度增大；降低保护渣的碱度，即增加酸性氧化物的含量时，将消耗保护渣中的0 2 复杂阴离子浓度增加。 2 2 保护渣的导电性和氧化性分析 2 2 1 保护渣的导电性 保护渣的导电性的物理本质是熔融保护渣在外电场的作用下，其中离子向两 极迁移而产生的导电现象。 影响液态保护渣导电的因素有： ( 1 ) 温度 温度升高时，离子动能增加，离子间作用力减弱，使液渣的导电性增强。 ( 2 ) 粘度 当液渣的粘度降低时，导电离子迁移阻力减小，使液渣的电导率增大1 7 】。 ( 3 ) 保护渣组分 在一定条件下，液渣的导电性与导电离子的浓度和结构状态( 如简单或复杂) 有关，而这些又与保护渣的化学组成有关。如当保护渣中其它组分保持不变，而 单独增加s i 0 2 时，电导率下降。其原因是，聚合反应生成了复杂的硅氧复合离子， 同时又消耗了导电性强的简单离子。当向保护渣中添加碱性氧化物时，一方面使 复杂离子解体，同时又增加了简单离子的浓度，致使渣的导电性增强。a 1 2 0 3 是两 性氧化物，在熔渣中主要以a 1 3 + 形式参与导电。对于a 1 2 0 3 s i 0 2 二元系熔渣，当 其中a 1 2 0 3 浓度很高时，a l 将形成铝氧或者铝硅复杂阴离子，如a 1 2 0 7 5 。，a 1 2 s i 7 4 一 等，也使渣的导电性变差。保护渣中的c a f 2 既可以使复杂阴离子解体，同时又增 加了导电性强的简单离子浓度，所以可使熔渣电导率值大幅度增加。 2 2 2 保护渣的氧化性 渣的氧化性与渣的温度和组成有关。温度越高，氧化性越强。当温度一定时， 渣的氧化性只取决于组成。保护渣的氧化性用能供氧的物质的活度来表示。渣中 f e o ，s i 0 2 和m n 0 等都对渣的氧活度有影响，其中f e o 的含量起着决定作用，因 为渣中的各种氧化物( 如c a o 、m g o 、m n 0 及f e o ) 中，f e o 的稳定性最差，供 氧的可能性最大 17 1 。 东北大学硕士学位论文第s - 章测量原理 2 2 3 保护渣的熔化状态对其导电性和氧化性的影晌 图2 1 给出了保护渣在纵向上的温度分布情况。 图2 1 保护渣的温度分布 f i g 2 1t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f m o u l ds l a g 由图可见，液渣层厚度只有大约8 1 5 m m ，但上下温度却相差4 0 0 5 0 0 ； 粉渣层和烧结层厚度只有2 5 3 0 m m ，上下温度却相差5 0 0 6 0 0 。c 。所以在纵向 上只要变化很小的距离，保护渣的熔化状态就有很大的差异。 保护渣在不同的熔化状态下，离解出离子的数量不同，其导电性也不同。粉 渣层中没有离解的离子，并且颗粒之阃存在较大的间隙，因此粉渣层几乎不导电。 烧结层中已经开始生成液相物质，离解出少量离子，但离子的迁移能力较弱，故 导电性也较弱。随着液相物质的增加，离解出的离子越来越多，导电性也就越强。 当保护渣完全熔化时，离解出大量的离子，导电性比较强。 保护渣在不同的熔化状态下，由于温度等条件的不同其氧活度不同。 2 3 测量原理 2 3 1 电导电极法 图2 2 和图2 3 给出了电导电极法测量液渣层厚度的原理。 东北大学硕士学位论文 第二章测量原理 图2 2 实验装置示意图 1 一开关电源；2 一外接电阻；3 一记录仪；4 一导电电极；5 坩埚 f i g 2 2 s c h e m a t i cv i c wo fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 咎；咎 图2 3 a图2 3 一b图2 3 一c 邕- 4 ；啦- 4 图2 3 d 图23 - e 图2 3 测量过程示意图 4 一电导电极；5 一坩埚；6 一粉渣；7 一烧结层；8 一液渣；9 一钢液 f i g 2 3 s c h e m a t i cv i e wo fm e a s u r i n gp r o c e s s 实验采用高频交流电源，可以避免测量过程中熔渣组成发生变化，但为了更 好地数据采集和数据分析，本实验采用直流电源。本实验电流值小，所以熔渣组 成变化不大，对实验结果影响很小。电路中只有外接电阻r * 和两电极之间的电阻 串联，两电极 x 东北大学硕士学位论文第二章测量原理 开关电源1 提供稳定的5 v 电压，外按电阻2 起调压和保护测量电路的作用，记录 仪3 可以连续记录两电极之间电压的变化。 图2 3 - a ，表示在空气中，电路不导通，3 显示的数据为开关电源的供电电压e 。 图2 3 - b 2 3 一d ，表示在保护渣中，电路导通，随着插入位置的变化，两电 极之间的电阻取渣+ ) 变化，3 显示的数据也变化，通式可表示为： 摭 ， r 渣+ r 电+ r 外 、 图2 3 一e ，表示接触到钢液上表面，由于钢液的电阻率几乎为o ，所以r * 被 短路，3 显示数据可表示为： 矿= 占：_ = 二鱼一 ( 2 2 ) r 电+ r 外 当两电极之间的电压迅速变化时，表明到达液渣上表面。当两电极继续下降， 出现电压瞬间突然减小时，表明到达渣金界面。记录仪记录了到达液渣上表面和 渣一金界面时的位置，与液渣层的厚度存在着一定的关系。 2 3 2 氧浓差电池法 图2 4 给出了氧浓差电池的工作原理。 - 一0 4 卜h 加h 硅 图2 4 氧浓差电池的工作原理 f j g 2 4w o r k i n gp r i n c i p l eo f s o l i de l e c t r o l ”e s 目前广泛采用氧浓差电池法快速测定钢液中的氧含量。测定钢液中氧含量时， 把氧化物固体电解质( z r 0 2 - m g o ) 置于不同的氧分压之间，并连接成回路，则构成 氧浓差电池。其产生的电动势e 的大小与电解质两侧的氧分压的关系可用n e m s t 16 - 东北大学硕士学位论文第三章电导电极测试实验 第三章电导电极测试实验 3 1电导电极的选择和制备 电导电极材料要求耐高温、抗氧化、抗钢渣侵蚀。本实验选用的电导电极材 料有：m o s i 2 、m o 、金属陶瓷、s i c 、z r 0 2 。 ( 1 ) m o s i 2 m o s i 2 的熔点为2 0 3 0 ，纯m o s i 2 常温时的电阻率为3 0 1 0 。6 q c m ，具有 正的电阻温度系数。 m o s i 2 能抵抗熔融金属和炉渣的侵蚀，与氢氟酸、王水及其它大多数无机酸不 起反应，但容易溶于硝酸与氢氟酸的混合液中，也溶于熔融的碱中。m o s i 2 发热元 件适用于氧化气氛中，最好在1 0 0 0 以上连续作业，应避免在4 0 0 6 0 0 范围内 使用，这是因为高温时在m o s i 2 表面形成了一薄层熔融状的s i 0 2 保护膜，它可以 在1 7 0 0 的空气中连续使用几千小时而不被深入氧化破坏，但在低温时所形成的 s i 0 2 保护膜不连续和松散而使抗氧化能力减弱。m o s i 2 在1 3 0 0 便会发生显著的 蠕变，并有延展性，当冷却后叉会恢复【2 1 2 5 _ 2 9 】。 实验用直径为4 m m 和6 m m ，长度5 0 0 m m 的m o s i 2 棒作电导电极。 ( 2 ) m o 钼的熔点为2 6 2 0 ，在空气中常温下是稳定的，在4 0 0 会发生轻微氧化， 高于6 0 0 金属钼迅速氧化成三氧化钼。m o 丝在保护渣中的氧化没有在空气中剧 烈，但在钢液中会被迅速侵蚀【2 m ”。m o 丝的电阻率随温度的变化情况如表3 1 所 不。 表3 1m o 丝的电阻率随温度的变化情况 t a b l e3 1 r e s i s t i v i i yo f m oa td i f f e r c n tt e m p e r a t l l r e 实验用直径3 m m 的钼丝作电导电极。为了防止在空气中的部分迅速氧化，在 m o 丝外套一石英保护管。m o 电导电极的结构如图3 1 所示。 一1 8 东北大学硕士学位论文第三章电导电极测试实验 实验用的s i c 电导电极是由发热体改制而成，如图3 3 所示。 图3 3s i c 电导电极结构示意图 f i g 3 3 s t r u c t u r eo fs i ce l e c t r o d e ( 5 j z r 0 2 z r 0 2 的熔点为2 6 7 79 c ，具有较高的机械强度，在氧化气氛中使用十分稳定， 在还原性气氛中也有一定稳定性。氧化锆是一种弱酸性氧化物，它能抵抗酸性或 中性熔渣的侵蚀，但会被碱性炉渣侵蚀。氧化锆与铁液和钢液不润湿。氧化锆具 有负的电阻温度系数，在高温时电阻率急剧下降，可作为高温发热体【2 l ，3 3 , 3 4 1 。表 3 3 给出了由c a o 稳定的 x 东北大学硕士学位论文 第三章电导电极测试实验 3 2 实验器材 3 2 1 实验用保护渣 本实验用现场应用的结晶器保护渣，烧结温度为8 0 0 1 0 0 0 ，半球点温度为 1 0 0 左右。 3 2 2 单向加热装置 2 4 3 图3 5 单向加热装置示意图 l 一坩埚；2 一绝热砖；3 一发热体；4 一绝热盖；5 一测量孔 f i g3 5 a p p a r a m so fs i n g l ed i r e c t i o nh e a t i n g 图3 5 是单向加热装置的示意图。单向加热炉用s i c 发热体，加热温度小于 1 4 0 0 ，体积小，升温速度快。实验用刚玉坩埚盛放保护渣，坩埚高5 6 m m ，口径 7 3 m m ，容积1 5 0 m 1 。 3 2 3 升降系统 实验用的升降装置主要由一根丝杠和悬臂横梁组成，丝杠螺距为5 m m ，有效 行程3 0 0 m m 。在横梁上装有一用来夹持测量元件的装置，用绝缘的电木制成，具 有螺栓锁紧功能。如图3 6 所示。 东北大学硕士学位论文 第三章电导电极测试实验 6 3 2 图3 6 升降装置示意圈 1 一轴承座；2 一丝杠；3 一摇柄：4 一横梁：5 一夹具；6 一导向 f i g 3 6a p p a r a t u sf o rl i f t i n ga n dd r o p p i n g 3 2 4电气元件及数据记录装置 实验用直流5 v ，1 5 w 开关电源。金属膜电阻，可组合成1 1 0 0 0o 任意整数。 实验用三笔记录仪记录数据。 3 3 实验方案 图3 7 电导电极测量电路 1 一开关电源；2 一外接电阻：3 一记录仪；4 一导电电极 f i g 3 7m e a s u r i n ge l e c t r o c i r c u i tw i t he l e c t r o d e s - 2 2 东北大学硕士学位论文 第三章 电导电极测试实验 图3 7 给出了电导电极的测量电路图。因为钢要1 5 5 0 。c 才能完全熔化，而生铁 在1 3 0 0 ( 2 左右就能完全熔化，为了在更低的温度下模拟现场条件以方便实验的进 行，本实验用生铁代替钢。 因为m o s i 2 电极的导电性好，抗高温氧化和渣铁侵蚀的能力比较强，所以先 用m o s i 2 电极进行实验。主要测量有以下几个方面： ( 1 ) 保护渣的导电性随温度的变化 电路中r * 取8 0q ，两电极之间的距离为2 0 m m 。在刚玉坩埚里加入l o o g 左 右的保护渣，厚度大约在5 0 r a m 左右。将坩埚放入单向加热炉内，两根电极插至 坩埚底部，加热至1 3 0 0 。c 。用记录仪记录两根电极之间的电压变化。 f 2 ) 渣一金界面测试 电路中r ”取5q ，两电极之间的距离为2 0 r a m 。在刚玉坩埚里加入1 0 0 9 左右 的保护渣，厚度大约在5 0 m m 左右，放入单向加热炉中加热。在1 2 5 0 。c 、1 2 8 0 。c 、 1 3 5 0 时，以1 2 m m s 的速度移动电极进行测量。用记录仪记录两根电极之间的 电压变化。测量结束后向坩埚内加入适量预热的生铁，生铁完全熔化后再进行测 量。 ( 3 1 外接电阻的大小对测试的影响 电路中r 取5 q 、1 0 q 、2 0 q 、1 0 0 q ，两电极之间的距离为2 0 m m 。在刚玉 坩埚里加入l o o g 左右的保护渣和适量的生铁，放入单向加热炉中加热至1 3 5 0 。c ， 保护渣和生铁完全熔化后，以1 2 m m s 的速度移动电极进行测量。用记录仪记录 两根电极之间的电压变化。 f 4 ) 两电极之间的距离对测试的影响 电路中r * 取5q ，两电极之间的相距分别为3 0 m m 和l o m m 。在刚玉坩埚星 加入l o o g 左右的保护渣和适量的生铁，放入单向加热炉中加热至1 3 5 0 。c ，保护渣 和生铁完全熔化后，以1 2 m m s 的速度移动电极进行测量。用记录仪记录两根电 极之间的电压变化。 f 5 1m o 、金属陶瓷、s i c 、z r 0 2 电导电极测试 在刚玉坩埚里加入l o o g 左右的保护渣和适量的生铁，放入单向加热炉中加热 至1 3 5 0 。c ，保护渣完全熔化后，以1 2 m m s 的速度移动电极进行测量。用记录 仪记录两根电极之间的电压变化。 东北大学硕士学位论文第三章电导电极测试实验 3 4 实验结果与讨论 3 4 1 保护渣的导电性随温度的变化 图3 8 给出了两电极之间电压随温度的变化情况，它也反应了保护渣的导电性 随温度的变化曲线，电压越小，导电性越强。 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 苗3 0 0 0 删 2 0 0 0 1 0 0 0 0 、 、 k k 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 0 1 l o o1 2 0 01 3 0 0 温度 图3 8 两电极之间电压随温度变化曲线 f 培3 8c h a n g eo f v d j t a g eb e m e e nm o e 】e c i r o d e sw j t l 】h 哪i n gt e m p e r a n l r e 由图可见，保护渣的导电性从5 5 0 左右开始逐渐下降。这是由于保护渣中部 分粒子熔化成液相，离解出一定的离子导电。随着温度的升高，离解出的离子数 增多，导电性随之增强。在i o o o 1 1 0 0 时，保护渣导电性迅速增强，这是因为 此温度接近保护渣的熔化温度，保护渣迅速熔化。当达到1 2 0 0 时，电阻率减小 的速度减慢，最后稳定在一个恒定值，这是因为此时离解出的离子数量接近最大 值。 分析上述测量过程，外接电阻r * 为定值，两电极之间的电阻( rt + r * ) 随着 温度的变化而变化。其中m o s i 2 电极具有正的电阻温度系数，如图3 9 所示。在 2 0 时的电阻率为3 0 1 0 。q c m ，其有效长度为1 0 0 c m ，计算可得不同温度下 的电阻，如表3 4 所示。 一2 4 东北大学硕士学位论丈 第三章电导电极测试实验 4 3 暑 三 壶2 脚 丑 1 0 矿 0 4 0 08 0 01 2 0 0 温度 图3 9m o s i 2 发热体的电阻随温度的变化 f i g 3 9c h a n g eo f r e s i s t a n c eo f m o s i 2w i t ht e m p e r a t u r e 表3 4m o s i 2 电极在不同温度下的电阻 t a b l e3 , 4r e s i s t a n c eo fm o s i 2e l e c t r o d e sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 由表可见，m o s i 2 电极的电阻值始终较小，两电极之间的电阻r 。起着决定作 用，若忽略m o s i 2 电极电阻的变化。由图3 8 以及电路学原理可以计算出保护渣在 不同温度下的等效电阻，如表3 5 所示。 表3 5 保护渣不同温度下的等效电阻 t a b l e3 5r e s i s t a n c e so f s l a ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 温度* c两电极之间电压，v外接电阻两端电压r * ，q 6 0 04 9 50 0 57 9 2 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 l o o 4 9 4 8 4 1 5 2 o 1 0 2 1 3 4 8 3 9 2 0 1 9 2 0 3 2 0 3 5 1 2 0 00 6 8 4 3 21 2 6 2 5 东北大学硕士学位论文第三章电导电极测试实验 由表3 5 可以看出，保护渣在熔化温度1 0 0 0 。c 以前的导电性很差；在1 0 0 0 c l 1 0 0 。c 度时，保护渣的导电性迅速增强；在达到1 2 0 0 。c 时，保护渣的离解的离子 达到接近最大值，导电性不再有明显的增加。 3 4 2 渣一金界面测试结果 图3 1 0 给出了m o s i 2 电极在加生铁前后的实验结果。 图3 i o a1 2 5 0 测量液渣 ： | ：i 1 熏j l j ，0 二，；二一二j ： 二 一一。“ ：一。”| | 1 j j ， f 冀i ； 是i 誊_ 一霈_ 瑟磐薯 誓_ 一0 r 。 图3 1 0 b1 2 8 0 测量液渣 图3 t 0 一c1 3 5 0 c 测量液渣图3 1 0 d1 3 5 0 。c 澳t j 量液渣与铁液 图3 1 0m o s i 2 电极测试结果 f i g 3 1 0 r e s u l t so f t e s t i n gw i t hm o s i 2e l e c t r o d e s ； 撕 笛 o 3 之f 1 ， 5 撕 笛 o 3 之f 1 ， ； 乃 撕 街 o 3 a ，f 1 东北妻薹斌釜擎“艟。都_ _ 三q电印靓礴黍曩雾舔 霪；霎羹粪蓁羹囊鬟鍪 3 4 ；v 矍墓囔弦錾很羹羹鬻冀羹萋妻 迎! ? i 唾咔蓐旭趔臻啡燃在达到鞴肾证瓢矧萄刚i 稚鞠9 | 驰壹达到接近晕丕媲 啕用型迸崞蔼嗖鹰，魁秽理霎；霎妻妻垂霎； 6 0 0 0 5 0 0 04000妻3 0 0 0 蓥2 0 0 0 0 0 0 东北大学硕士学位论文 第三章电导电极测试实验 由图可见，加入生铁前，在空气中，两电极之间的电压保持5 v 。接触液渣上 表面时，两电极之间的电压瞬间减小。随后单调减小。在坩埚底部，达到最小值 1 2 5 v 左右。加入生铁并熔化后，铁液和液渣在坩埚内明显分层，因此在图3 1 0 - d 中电压达到1 2 5 左右时，会瞬间减小到o 2 v ，然后保持不变。此时电极接触渣一 金界而时，液渣的电阻被铁液短路，其等效电路如图3 1 l 所示。由此可知图3 1 0 一d 中a 点和b 点横坐标之差h 与液渣层的厚度存在着一定的关系，可以由此计算出 液渣层的厚度。 r 自 口四 图3 1 1 a图3 1 i - a 图3 1 1 在渣金界面短路的等效电路 f i g 3 11e q u i v a l e n ta l e c t r o c i r c u i ta ti n t e r f a c eo f m o l t e ns l a g - m o l t e ni r o n 3 4 3 外接电阻的大小对测试的影晌 图3 1 2 给出了外接电阻的大小对m o s h 电导电极测试结果的影响。 5 4 言3 2 l 0 s r a m 图3 1 2 ar * 为5 q s r a m 图3 1 2 br * 为1 0 q 东北大学硕士学位论文 第三章电导电极测试实验 5 4 乏3 3 2 1 0 s m m s m m 图3 1 2 cr * 为2 0 q 图3 1 2 一dr * 为1 0 0 q 图31 2r 对测试结果的影响 f i g 3 1 2 e 矗色c to f r * o nt e s t l n gr e s u l t s 由图可见，r 。越大，电极到达液渣上表面时电压瞬间减小的幅度越大，到达 渣一金界面时电压瞬间减小的幅度越小。 3 4 4 两电极之间的距离对测试的影响 图3 1 3 给出了两电极之间的距离对m o s i 2 电导电极测试结果的影响。 5 3 7 5 言 25 12 5 o 图3 ，1 3 - a 相距3 0 m m 图3 1 3 _ b 相距1 0 m m 图3 1 3 两电极之间的距离对测试结果的影响 f 培3 1 3 e 彘c t o f d i s t a n c eb e 眦e n t w oe i e c t r o d e