熔渣检测装置和方法 【发明背景】
本发明总体涉及用于检测熔融金属中的熔渣存在情况的装置，特别涉及一种供在钢水连铸设备中一个浇包套筒(shroud)上使用的可提高灵敏度和可靠性的熔渣检测装置。
如图1中所示，在一个连续铸钢操作中，精炼钢水1从一个浇包3通过一个浇口7连续地注入一个中间包5中，利用一个滑动闸板阀12(未示出)可使所述浇口7打开或关闭。为了防止外界的氧气与从浇包3引入到中间包5中的熔融钢水流9相接触，设置一个管状套筒11，所述套筒11的下端位于中间包5中钢水16液面15的下方。最终使注入中间包5中的钢水通过第二套筒17进入一个连续铸模(未示出)中。
在浇包3中对钢水1进行预先精炼处理的结果是在钢水1的上表面上形成一层熔渣19。浇包熔渣通常包括熔融状态下的具有少量氧化镁、氧化铁以及氧化锰的钙铝硅酸盐和其它化合物。虽然这样的熔渣19有利于吸收钢水中有害的杂质(例如硫)，但是它对于中间包耐火材料却具有较高的腐蚀性。因此，连续地监测浇包3中钢水1的液面位置是重要的，以便当浇包中的钢水流出时确保没有熔渣进入中间包5中。这样有害地腐蚀性熔渣流会破坏形成中间包5内表面的耐火材料衬，而且它会沾污在连铸模中所产生的铸钢件。
为了防止有害的熔渣从浇包进入中间包中，人们已经研制了几种类型的熔渣检测装置。一种这样的装置包括一个通高频交流电的线圈以产生一个变动的磁场。该线圈位于浇包和中间包的排放喷嘴附近以使其所发出的变动磁场可以与熔融钢水流相互作用。因为熔渣的导磁率高于钢水的导磁率，所以一旦熔渣进入钢水流时，线圈对交流电流的阻抗就会增加。因此，通过连续监测该线圈的阻抗就可检测熔渣是否存在。遗憾的是，由于经济因素难于制造这样一个能够承受在排出喷嘴附近大约1800°F高温的线圈式熔渣检测器，因此这样的检测器成本太高。另外，无法证实这些现有的检测器具有足够的灵敏度和可靠性以便当钢的生产能力提至最大时使系统操作者以始终防止有害的熔渣进入中间包中的方式操作所述浇包的滑动闸板阀。
由于这些缺点，人们开发了其它类型的熔渣检测器，美国专利5,375,816中披露并请求保护一种最先进的检测器。如图1中所示，这种熔渣检测器20只包括一个安装在所述管状套筒11中的钢销21以便其内端直接与钢水流接触。所述钢销21的外端通过导线25与一个电压表23连接。该电压表测量钢销21与地之间的电位变化。这种特殊类型的熔渣检测器是根据这样一个令人惊奇的发现来得到的，即钢水流中熔渣的存在会在钢销21与地之间产生一个可测量的电位增量。与线圈式熔渣检测器相比，这种检测器21在结构上非常简单和坚固，并且基本上证实至少在对熔渣存在情况的灵敏度方面与线圈式传感器是相同的。
但是，尽管这种导电销式熔渣检测器相对已有技术进行了很大改进，可是人们除了需要熔渣检测器具有结构简单和耐用性能以外，还需要对熔渣检测器的灵敏度和可靠性进行提高以使炼钢设备操作者具有更多的时间进行控制，从而防止大量的熔渣在浇注过程中从浇包流到中间包中。
发明概述
本发明包括一种更灵敏和更准确检测诸如钢水的熔融金属流中的熔渣存在情况的装置和方法，该方法和装置是通过直接检测当熔融金属经过一个浇包套筒或其它直流式冶金部件时在熔渣与熔融金属之界面处的电位差的方式来完成的。本发明的装置包括一个第一导电销和一个第二导电销，该第一导电销安装在所述冶金部件的壁中，并且其一端与熔融金属流接触，该第二导电销同样安装在所述冶金部件壁中位于所述第一导电销旁、并且其一端与熔融金属流电接触；所述装置还包括一个使所述第一导电销与所述冶金部件壁和所述第二导电销绝缘的绝缘体；以及一个电压表，所述电压表用于检测当熔融金属流过所述套筒或其它冶金部件壁时第一和第二导电销之间的电位差。
在所述套筒是由一种半导电的含有石墨的陶瓷材料制成的情况下，所述第二导电销通过所述套筒壁与熔融金属流以通电的方式相连通，但利用所述套筒壁的一部分厚度与熔融金属流机械地隔开。在所述套筒壁是由一种电绝缘材料制成的情况下，所述第二导电销的一端与流经的熔融金属直接接触。在这两种情况下，由于可以更加直接地测量由一个双电层所引起的存在于熔融金属边界与熔渣之间的电位差，因此可以提高熔渣检测结果的准确度和灵敏度，当测量所述第一导电销与地之间的电位时只能间接地检测所述存在于熔融金属边界与熔渣之间的电位差。
尽管第一和第二导电销之间的间距可以与所述套筒的一半长度一样大；但该间距最好不大于20厘米，最理想的间距为5厘米或小于5厘米。该间距可沿管状套筒壁的长度或者沿其圆周来确定，或者既沿其长度又沿其圆周来确定。
所述第一导电销和第二导电销都可由一种铁素体合金、最好是低碳钢制成。尽管所述第一导电销完全贯穿所述套筒壁的厚度，但是所述第二导电销应该贯穿所述套筒壁不大于1/2的厚度(当该套筒壁是半导电的时候)，最好贯穿所述套筒壁不大于1/3的厚度。这两个导电销最好利用这样一种导线与电压表连接，即这种导线由一种含有大约90％的镍和10％的铬的合金制成以便在提供良好延伸性能的同时避免氧化。所述导线的规格应该足够大以使其耐用。
在本发明的方法中，将两个导电销安装在可引导熔融金属流的一个套筒或其它冶金部件的壁中。所述两个导电销中的一个与所述套筒壁的相对部分及第二导电销隔开。然后，用于检测所述第一导电销和第二导电销之间电位差的一个电压表或其它装置以电方式连接在所述第一和第二导电销之间。在该方法的最终步骤中，当熔融金属流经所述套筒时，监测所述两个导电销之间的电位差。电位差的剧烈变化表示熔融金属/熔渣的界面通过了两个导电销之间。
本发明所提供的用于检测熔融金属流中熔渣存在情况的装置和方法与只能测量一个单独导电销与地之间电位差的现有技术熔渣检测器相比，其信号强度至少增强了100％。
附图简述
图1示意性地表示了安装在一个将熔融钢水从浇包导入中间包中的耐火材料套筒中的一个现有技术熔渣检测器；
图2示意性地表示安装在一个将熔融钢水从浇包导入中间包中的耐火材料套筒壁中的本发明熔渣检测器；
图3A是图2中所示的本发明熔渣检测器第一实施例的放大的剖面图，该图表示了安装在一个半导电套筒中的检测器的两个导电销，并且该图表示了这些导电销如何检测存在于流经所述套筒的熔融钢水与熔渣之间的界面处由双电层所产生的电位差；
图3B是安装在一个绝缘套筒壁中的本发明第二实施例导电销的剖面图，以及
图4A和4B分别表示由现有技术熔渣检测器与本发明熔渣检测器所产生的熔渣检测信号强弱的曲线图。
优选实施方案详述
现参照图2，其中在这几个附图中相同的标号表示相同部件，本发明的熔渣检测器30特别适用于检测从一个浇包3经过套筒11注入中间包5中的熔融金属流1中熔渣的存在情况。为此，该熔渣检测器30包括一个安装在套筒11的管状壁22中的上导电销31，所述上导电销31的远端32直接与流经的熔融钢水接触。该熔渣检测器30还包括一个同样安装在管状壁22中非常靠近所述上导电销31的下导电销33。与销31不同，所述下导电销33的远端没有完全贯穿管状壁22与流经套筒11的熔融钢水直接接触。利用由一种耐热镍铬合金制成的导线35、36(例如商标为Chromel)将一个电压表34连接在所述上导电销31与下导电销33之间。尽管熔点等于或大于钢熔点的绝大多数金属都能满足本发明的要求，但上导电销31和下导电销33最好都由低碳钢制成。另外，导电销31、33的形状为圆柱形，这是因为这样的形状最易于装入用于将销31、33安装在套筒11之管壁22的圆柱形安装孔中。
现参照图3A，上导电销31具有一个近端40，该近端40包括一个与导电销的圆柱轴同心式对准的孔42。该孔42以摩擦装配方式容纳耐热导线35的端部44。在优选实施例中，镍铬导线35是一种16号实心线。这样一根较粗的导线可以使熔渣检测器30耐用，并且可使由从销31的远端32输送到电压表34的电压信号所经受的电阻最小。
在本发明的图3A实施例中，套筒11的管状壁22由一种含有石墨的陶瓷材料形成，因而是半导电的(即，具有大约为105姆欧的导电率，处于半导电和导电之间的边界处)。这样的导电率需要上导电销31与套筒11的管状壁22电绝缘。如果不绝缘，则导电销31将不能检测在钢水与混于其中的熔渣颗粒之间的局部界面处产生的电位变化。因此，上导电销31由一个管套46所围绕，所述管套46由一种不导电的陶瓷材料诸如高纯度氧化铝制成。在导电销31的外表面与管套46的内表面47之间设置一层耐火水泥48以将导电销固定于所述管套。管套46的外表面50设置在通过所述套筒壁22厚度的孔52内，所述孔52是以钻孔或其它方式形成的。孔52的内径与管套46的外径紧密配合以使它们之间几乎没有空隙。在管套46的外表面50与孔52之间设置一层耐火水泥54以将管套46固定在孔52中。
下导电销33也具有一个远端59。但是，本实施例中的导电销33的远端59没有完全贯穿套筒壁22的厚度，只是停在壁22厚度的1/2和1/3之间的某个地方。这样的结构可以防止下导电销33的远端59与在套筒壁22内侧流过的熔融金属发生机械式接触，但是由于制成套筒壁22的耐火材料含有导电石墨，因此可使下导电销33的远端59与金属以通电的方式接触。下导电销33与上导电销31一样也具有一个近端61，穿过所述近端61设置一个与之同心式对准的孔63，孔63用于容纳耐热导线36的端部55。进而，与上导电销31类似，一层耐火水泥67使下导电销33的外表面固定在一个圆柱状孔68的内表面上，所述孔68是以钻孔方式或其它的方式设置在所述套筒壁22的侧面。
尽管上导电销31与下导电销33之间的距离D可以为套筒11长度的一半(跨度通常约为50厘米)，但是使该距离D不超过20厘米是较为理想的，最好使该距离D为5厘米或小于5厘米。在本发明这个特别的实施例中，两个导电销31与33之间的距离为2.5厘米。尽管这里的距离D是沿垂直方向上表示的，但是它沿管状套筒壁22的圆周方向表示也是容易的。
图3B示出了本发明的一个实施例，其中套筒壁22不是导电或半导电的，而是由一种电绝缘陶瓷材料制成的。在本发明的这个实施例中，不需要用在本发明的图3A实施例中的由绝缘材料制成的管套46。只是将上导电销31插入一个紧密配合的孔53中并且使用一层耐火水泥56使导电销31固定在孔53中。另外，因为必须使下导电销33与流经所述套筒的熔融金属70实际接触以使二者电接触，所以本实施例中的导电销33的远端69如图所示完全贯穿套筒壁22的厚度。在所有的其它方面，图3B的实施例与图3A中所示的实施例是相同的。
现参照图3A和3B说明本发明熔渣检测器30的操作过程和检测方法。首先当熔渣开始进入沿所述套筒壁22内表面流动的熔融钢水流70中时，所述熔渣分裂成许多混和在熔融钢水70中的小球或颗粒72。这样的熔融金属包括很大浓度的正金属离子和自由浮动的电子。相反，形成熔渣72的各种熔融氧化物和硅酸盐则包括与正金属离子结合的氧化物和硅酸盐负离子的混合物。在熔融金属70和熔渣72之间的边界74处，存在于熔融金属70中的自由浮动电子吸引存在于熔渣72中的正金属离子，从而产生一个主要带负电荷的电子层，该带负电荷的电子层围绕着一个带正电荷的金属离子层。所形成的双电层在金属与熔渣的界面74处产生一个电位差，当上导电销31和下导电销33位于界面74的相对两侧时，所形成的电位差会依次在上、下导电销31和33之间产生一个电位差。更具体地说，由与上导电销31的远端32接触的正电荷和与在半导电套筒壁22中最接近下导电销33之远端59的导电区域76接触的负电荷一起产生一个瞬间电压。在两个导电销31和33之间所形成的电位由线78表示。
通过比较图4A和4B中所示的毫伏-时间曲线图，可以最好地理解本发明的熔渣检测器相对于现有技术的改进。图4A表示由图1中所示的现有技术熔渣检测器所产生的毫伏信号，在该检测器中利用一个电压表23仅将一单个钢制导电销21接地。在这个具体的实施例中，熔渣检测信号大约经过70秒后形成大约75毫伏的峰值。因为该信号取自由在导电销21与其周围熔融钢水之间的热电偶效应所产生的一个约为25毫伏的“基线”电压的顶值，所以熔渣检测信号的绝对峰值ΔV1仅约为50毫伏。相反，如图4B中所示，由本发明熔渣检测器30所产生的熔渣检测信号的峰值约为125毫伏。由于该信号的因热电偶效应所产生的“基线”电压大约为5毫伏，因此本发明熔渣检测器30所产生的熔渣检测信号的绝对峰值ΔV2约为120毫伏。这表明了信号峰值大约增加了240％。信号峰值大幅度增长，由于在120毫伏信号和例如由感应炉中电磁线圈所产生的噪音之间的相应较高信噪比，从而提高了系统操作者第一次接收信号的能力。在这个特定的实施例中，在套筒管壁22中的上导电销31和下导电销33之间的距离大约为2.5厘米。
尽管参照一个优选实施例对本发明进行了描述，但是显然本领域技术人员可对其进行各种修改和改变。所有这样的修改、改变和变化都拟包括在所附权利要求所界定的本发明范围内。