在线检测非金属夹杂物的方法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.03.005 第22卷第3期 北京科技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 在线检测非金属夹杂物的方法 韩传基许荣昌蔡开科刘新华申亚曦 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要针对传统夹杂物的检测方法存在的问题，提出一种在线检测方法一电敏感区法.用 此法在冷态和热态下在线检测了非金属夹杂物，证明在线检测是可行的. 关键词非金属夹杂物：在线检测：电敏感区 分类号T℉03.3 非金属夹杂物检测方法有许多种四，如：电 及小孔孔径有关.当小孔孔径确定时，脉冲变化 解法、硫印法、金相法、电子探针等，这些方法都 的幅度就与非导电微粒的体积有一定的比例关 各具有特定的分析范围，它们相互结合，相互补 系：脉冲变化的宽度与非导电微粒在导电液体 充，已使非金属夹杂物的分析检测达到了一定 中运动的速度及取样管壁厚有关：脉冲个数等 的水平.但这些方法都是离线进行的，即必须到 于通过电敏感区的粒子数.可见，通过适当检测 生产岗位取样，然后在实验室处理样品并进行 方法获取电压脉冲，并通过分析便可间接得到 检验，再把结果返回到生产中去.电敏感区法是 夹杂颗粒的粒径信息， 一种夹杂物在线检测方法，可以克服上述方法 (a) uK0 的缺点. 5名8 1电敏感区在线测试法2 W 电敏感区(Electrical Sensing Zone)在线检测 法又称ESZ法，是80年代中期才发展起来的， (b) 它是以阻抗脉冲技术原理为依据实现检测的， △U=微粒体积) 适用于导电液体中悬浮的非导电夹杂物的在线 测试. △U=pLI/A 1.1阻抗脉冲技术原理 0 to f ta t ta 电敏感区原理如图1所示。导电流体内悬 s 浮着非导电夹杂物.将一侧壁打孔的绝缘材质 图1电敏感区原理.(a)沿取样管侧壁小孔轴向剖面图： 取样管插入被测导电液体中，图1(a)中给出了 ()绝缘粒子通过电敏感区时所引起的电压脉冲 取样管沿小孔径向剖面图.若小孔内充满电场， Fig.1 Electric sensing zone principle 且各点均有一定的电位，则此时的小孔区称为 1.2脉冲值的理论计算 电敏感区.当有一个绝缘粒子（直径为）通过 麦克斯韦尔原理指出，当导电液体中粒子 电敏感区（直径为D,即孔径）时，会影响电敏感 浓度不太大时，且粒子直径与电敏感区直径比 区内电场分布，改变电敏感区的电性质.若导电 小于0.4（即dD<0.4),电敏感区内充有绝缘 液体电阻率远小于粒子的电阻率，则最终会导 粒子时的有效电阻率可表示为： 致电敏感区内电阻值升高， pa=1+2f+） (1) 在有电流通过的情况下，这种电阻的变化 其中，∫为溶液中绝缘粒子所占的电敏感区体积 表现为在t4区间连续的电压脉冲，如图1(b) 比率.假定长L,直径D的电敏感区被电阻率P 所示，该脉冲变化的幅度与非导电微粒的体积 的液体充满，则其电阻R为： 1999-09-12收稿韩传基男，33岁，工程师 R=4 元D (2)

第 2 卷 第 3 期 2 州N】年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e rs ity o f s e le n c e a n d l 飞c h n o l o gy B e ij i n g V bl . 2 2 N o 3 J u n e 2 00 在线检测非金属夹杂物的方法 韩传基 许荣昌 蔡开科 北京科技大学冶金学 院 , J 刘新华 申亚 曦 10 00 8 3 摘 要 针 对 传统夹 杂物 的检测方 法存在 的 问题 , 提 出一种 在线检 测方 法— 电敏 感 区法 . 用 此法在 冷态 和热态 下在 线检测 了非金 属夹杂 物 , 证 明在线检测 是可行 的 . 关键 词 非 金属夹 杂物 : 在线检测 : 电敏感 区 分类 号 FT 03 .3 非金 属 夹杂物检测 方法有许 多种 「, , , 如 : 电 解法 、 硫 印法 、 金相 法 、 电子 探针等 . 这些方法都 各具 有特定 的分析范 围 , 它们相互 结合 , 相 互 补 充 , 已使 非 金 属 夹 杂 物的 分 析 检测 达 到 了一 定 的水平 . 但 这 些方法都是 离线进行 的 , 即必 须到 生 产 岗位取 样 , 然 后 在 实 验 室 处 理 样 品并 进行 检验 , 再把结果返 回到生 产中去 . 电敏感区法 是 一 种夹杂物在线检测 方法 , 可 以克服上述方法 的缺 点 . 1 电敏感 区在线测试法` , , 3 , 及 小孔孔径有关 . 当小孔孔径确定时 , 脉冲变化 的幅度就与非导电微粒 的体积有一 定 的比例关 系 ; 脉冲变化 的宽度与非导 电微粒在 导电液体 中运动 的 速度及取样管壁厚有关 ; 脉冲 个数等 于通过 电敏感区 的粒子 数 . 可 见 , 通过适 当检测 方法 获 取 电压 脉冲 , 并通过分 析便 可 间 接得到 夹杂颗粒的粒径信息 . a() 。 比冷仔侧。 奋会 奋 舌台 附交夕 电敏感 区 ( E l e e itr e a l S e n s in g Z o n e ) 在线检测 法 又称 E s z 法 , 是 80 年 代 中期才 发 展起 来的 , 它 是 以阻 抗脉冲技 术原理 为依据 实现检测 的 , 适用 于导 电液体中悬浮 的非导 电夹杂物的 在线 测 试 . 1 . 1 阻抗脉冲技术原 理 电敏感区 原理如 图 1 所示 . 导电 流体 内悬 浮 着 非 导 电夹杂 物 . 将 一侧 壁 打孔 的 绝缘 材质 取样 管插 入被测导 电液体 中 , 图 l (a) 中给 出了 取样管沿小 孔径 向剖 面 图 . 若 小孔 内充满 电场 , 且各 点均 有一 定的 电位 , 则此 时的小孔区 称为 电敏 感 区 . 当有一 个绝 缘粒 子 ( 直径为 的 通过 电敏感 区 ( 直 径为 D , 即孔径 ) 时 , 会影 响 电敏感 区 内电场分布 , 改变 电敏感区 的 电性质 . 若导 电 液体 电阻 率 远小 于 粒子 的 电 阻 率 , 则 最终 会导 致 电敏感 区 内电 阻值升高 . 在有 电流通过的情况下 , 这种 电阻 的变化 表现 为在 今t , 区 间连续的 电压 脉冲 , 如图 1 (b) 所示 . 该脉冲变化的幅度与非导 电微粒 的体积 △ U = 爪微粒体积 ) 遥 之 △ U = P L I/ A 五甲 l 占甲血l 山TVes 0 ot lt 九 九 人 t/ S 图 1 电敏感区原理 . (a) 沿取样管侧壁小孔轴 向剖面图 ; 伪)绝缘粒子通过 电敏感区时所引起的电压脉冲 F ig · I E流t ir c s e n s in g z o n e P r i n c i Pl e 1 . 2 脉冲值的理论计算 麦 克斯韦 尔原理 指 出 , 当导 电液体 中粒 子 浓度 不太大 时 , 且粒子 直径与 电敏感 区直径 比 小于 .0 4 ( 即留 D < .0 4) , 电敏感 区 内充有绝缘 粒子 时 的 有效 电阻 率可 表示 为 : ,一 , (`+ 歌 + … … ) ( l ) 其中 , f 为溶液中绝缘粒子所 占的电敏感区体积 比率 . 假定长 L , 直径 D 的电敏感区被电阻率P 的液体充满 , 则其 电阻 R 为 : 9 99戎冷 . 12 收稿 韩传基 男 , 3 岁 , 工程师 p = 生竺 兀刀 2 (2 ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 03. 005

-210 北京科技大学学报 2000年第3期 直径d的导电粒子进入电敏感区时： 2.2探头输出特性测试 赞品 (3) 由理论推导可知，在回路电流I、溶液电阻 经整理后可得到绝缘粒子进入电敏感区 ρ恒定，不导电粒子产生的电压脉冲幅值最后 时，所引起的电阻变化为： 输出与下列因素有关：()与电敏感区孔径D △R=4pd'/rD (4) 成反比；(2)与粒子直径d成正比. 式中，p为导电液体的电阻率，d为非导电夹杂 试验过程中要求夹杂物（本试验为塑料粒 物颗粒直径，D为小孔直径 子)能悬浮在液体中，同时保证顺利进入取样管 在实际应用中，当dD不能满足限制条件要 (探头).但在试验中，由于塑料粒子密度大于水 求时，由式(4)计算出的△R与实际值有一定偏 溶液，全部下沉底部，又由于离子水导电性差， 差，这时可引入校正因子FdD),即： 不能较好地模拟金属液，为此，我们配制了适当 △R=(4pd/mD)-F(dD) (5) 浓度的NaCl水溶液，其相对密度为1.04，解决 若在导电液中通以恒定电流I,则△R可转 了上述问题.试验结果见图3和图4. 变为△U,表示为： 3.0r(a) 2.5 △U=I△R=(4Ipd/mD)F(dID) (6) 2.0 对于球形粒子，校正系数可表示为： F(dD)=[1-0.8(dD] (7) 1.5 当dD在0-0.8内取值时，(5)式精确度可 1.0 达到99%. 0.5 0.0 2冷态试验分析 051015202530 2.1检测系统组成 d/10-3mm3 基于以上测试原理设计了夹杂物在线检测 0.8b) 系统，它由传感器和信号实时处理两大环节组 0.7 成.传感器功能是将夹杂颗粒的尺寸信息转换 0.6 0.5 成微小的电阻变化；信号实时处理功能是将微 0.4 小的电阻变化转换成为0~5V之间的电压脉冲. 0.3 系统框图如图2所示，取样管插入待测导电液 0.2 体中，通过抽气泵配合完成对夹杂的取样，相 0.1 应产生的微弱的阻抗脉冲，阻抗脉冲/电压变 0.00.20.40.60.81.01.2 换电路完成阻抗信号提取并将其转换成易于处 d/10-'mm 理的微弱电压脉冲信号，并由放大电路将其放 图3测量输出电压与非导电粒子粒径d之间的关系 大.信号经AD变换后，由微机采样，采入微机 (a)7#探头测量结果(b)9骈探头测量结果 中的数据根据信号幅度的不同进行分类，并统 Fig.3 Relationship between output voltage and 计个数，将单位时间内的统计数据输出，以作为 non-conducting particle diameterd 夹杂物含量的信息， 图3分别给出了2个探头所在电路输出电 压与非导电粒子之间的关系，图中直线是经回 抽气泵 归得到后再经F(dD)补正过的.由图可见，电敏 感区阻抗变化在一定范围内近似与非导电夹杂 待测导 取样管 阻抗脉冲/ 前量放大中对数成大 物粒径的3次方成正比. 电液体 电压变换 图4为2个探头的测试结果比较.由图中 统计数据输出微机数据处理一AD变换 可以看出，随着选取探头孔径的增大，检测灵敏 度急剧减小，电压脉冲幅值与D成反比. 图2电敏感区法测试系统框图 上述试验结果，证明了理论分析的正确性， Fig.2 Schematic diagram of electric sensing zone system 说明了电敏感区法在线检测的可行性

. 2 1 0 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 年 第 3期 0 00 直径 的导 电粒子进入电敏感区 时 d : 八压孟 = 旦竺 叭 、 孔 3口 L ( 3) 溉心李曰 经 整 理后 可 得 到 绝缘 粒 子 进 入 电 敏 感 区 时 , 所 引起的 电阻 变化为 : △R = 如d 3 / 7t D ` ( 4 ) 式中 , P 为导 电液体的电阻率 , d 为非 导 电夹杂 物颗粒直径 , D 为小孔直径 . 在实 际应用 中 , 当叨D 不 能满足 限制条件要 求时 , 由式 ( 4) 计算 出的△R 与实际 值有一 定偏 差 , 这时可 引入 校 正 因 子月留D ) , 即 : △R = (如d 3沉D ` ) · F (留D ) ( 5 ) 若在 导电液 中通 以恒 定 电流 I , 则△R 可 转 变为△ U , 表示 为 : △ U = .I △R = ( 4 IP r /兀D ` ) · F (留D ) (6 ) 对 于球 形粒 子 , 校 正 系数可 表示为 : F (留D ) = [ l 一 0 . 8 (留D 丫] 一 , ( 7 ) 当 留D 在 O刁 . 8 内取值时 , ( 5) 式精确度 可 达到 9 % , 2 冷态试验分析 2 . 2 探头输 出特性测试 由理论推导可 知 , 在回路 电流 I 、 溶液 电阻 P 恒 定 , 不 导 电粒子 产生 的 电压 脉冲 幅值最 后 输 出与下 列 因素有 关 : ( l) 与 电敏感 区孔径 口 成反 比 ; (2) 与粒子 直径 护 成 正 比 . 试验过 程 中要 求夹杂物 ( 本试验为 塑 料粒 子 ) 能悬浮在液体 中 , 同时保证 顺利进入取样管 (探头 ) . 但在 试验 中 , 由于 塑料粒子 密度大 于水 溶液 , 全部 下 沉底部 , 又 由于 离子 水导 电性差 , 不 能较好地模拟金属液 . 为此 , 我们 配制 了适当 浓度的 N a CI 水溶液 , 其相 对密 度 为 1 . 04 , 解 决 了上 述 问题 . 试验 结果 见 图 3 和 图 .4 一气4 , j 淤资é心 0 2 . 1 检测 系统组成 基于 以上 测试 原理 设 计 了夹杂物在线检测 系 统 , 它 由传 感器 和 信号实 时处 理两 大环 节组 成 . 传感器功 能是将 夹杂颗粒 的尺 寸信息转换 成微小的 电阻 变化 ; 信号实时处 理 功能是将微 小的电阻 变化转换成为 0一 S V 之间 的 电压 脉 冲 . 系统框图 如图 2 所示 . 取 样管插入待测导 电液 体 中 , 通过抽气泵配合完 成对 夹杂的 取 样 , 相 应 产 生 的 微弱 的 阻 抗脉冲 . 阻 抗脉 冲 / 电压 变 换 电路完成阻 抗信 号提取 并将其转换成 易于 处 理 的微弱 电压脉冲信号 , 并 由放大 电路 将其 放 大 . 信号经 A / D 变换后 , 由微机采样 , 采入微机 中的数据根据信号 幅度 的不 同进行 分类 , 并统 计个数 . 将单位时 间 内的统计数据 输 出 , 以作为 夹杂物含量 的信息 . d 3 / 1 0 一 3 r o r O 3 .08 「助 0 . 7 卜 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 , 8 1 . 0 1 . 2 d , / 10 一 , I n l l l 3 …前量放大日 对 数放大 { 统计数据输出卜一}微机数据处理 图 2 电敏感 区法测试系统框图 F馆 · 2 cS h e m a it e d认g r a m o f e l ec t ir c s e n s in g z o n e s y s et m 图 3 测 量输 出电压与非导 电粒子粒径 砂 之间的关系 a( ) , #探头测 t 结果 ( b) #9 探头测 t 结果 Fig 3 取 l a it o n s hi P be 俪 e n o u tP u t v o lat g e a n d n o n一 o n d u c t in g P a川c le d i a m et r d 3 图 3 分别给 出 了 2 个探头所在 电路输 出电 压与非 导 电粒 子之 间 的关系 , 图 中直线 是 经回 归得到 后 再 经 F (留D )补正过 的 . 由图可 见 , 电敏 感区 阻抗变化在一 定范 围内近似与非 导 电夹杂 物粒径 的 3 次方成正 比 . 图 4 为 2 个探 头的测试 结果 比较 . 由图中 可 以看出 , 随着选取探头孔径 的增大 , 检测 灵敏 度 急剧减 小 , 电压 脉冲幅值与 口 成反 比 . 上 述试验结果 , 证 明了理 论分析的正 确性 , 说明 了 电敏感 区法在线检测 的可 行性

VoL22 No.3 韩传基等：在线检测非金属夹杂物的方法 ·211· 1.2 铝液中测夹杂所采得的电压脉冲，从波形分析 1.0 D=627mm 可以看出，由于铝液较粘稠，影响了夹杂物运行 0.8 的速度，脉宽略有增加.试验完成后，取固体铝 0.6 样一个剖面做金相样扫描电镜分析，结果表明 所加SiO2夹杂物确实通过探头小孔进入了取样 0.4 D=1098mm 管，从而证明所得电压脉冲是真实的， 0.2 热态实验由于是在高温下进行的，不可能 0.0 0.00.20.40.60.8.01.21.4 象冷态测夹杂一样，将抽入取样管的塑料粒子 d/10-3mm3 过滤后一个个测量直径，做进-一步验证.在目前 图4探头孔径对检测灵敏度的影响 实验条件下，只能在金相显微镜下做近似估计. Fig.4 Effect of pore diameter on detecting sensitivity 4结语 3热态试验初步探索 通过理论分析和冷、热态实验测试证明了电 热态下夹杂物的检测主要是直接测定铝液 敏感区法在线检测非导电夹杂物技术方案是可 中夹杂，共进行了20次.由于Si0,密度与铝液相 行的.应当指出，由于测试技术的难度，开发出 当，它适合作为铝液中的夹杂物.图5给出了在 应用于钢水中夹杂物在线检测技术，还需要做 很多研究工作. 参考文献 1董履仁，刘新华.大型非金属夹杂物.北京：冶金工业 出版社，1992 2 Guthrie RIL.On the Measurements of Inclusions in Cop- 2004006008001000 per-based Melts.Canadian Metallurgical Quarterly, 1989,28(1):41 t/ms 3 Kuyucak S,Nakajima H,Guthrie R I L.On-line Measare- 图5铝液中采样结果 ments of Inclusions in Liquid Steel.in:5th Int Ivon and Fig.5 Sampling result in liquid aluminum Steel Congress.Washington,1986 Method of On-line Measurements of Nonmetallic Inclusions HAN Chuanji,XU Rongchang,CAI Kaike,LIU Xinhua,SHEN Yaci Metallurgy School,UST Beijing,Beijing100083,China ABSTRACT To the disadvantage of tranditional measurements of inclusions,a new method of on-line mea- surements,ESZ principle,is put forward.Based on experiments under low temperature and high temperature, on-line measurements of inclusions is proved to be practical. KEY WORDS non-metallic inclusions;on-line measurements;electrical sensing zone

VO 2L 2 N 0 . 3 韩传 基等 :在 线检测 非金属 夹杂物 的方法 D = 6 2 7 1艺I n .0 6 李冷é阅 D = 1 0 9 8 m m .0 ’ 踌一 _ _ _ _ _ _ 0 . O L一一 一一一一 一一一一` 一 - 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 d 3 / 1 0 一 3m m 」 图 4 探头 孔径对检测灵敏度 的影响 F咭 . 4 E ef tc o f P o er d i a m e t e r o n d e tec 灯n g se n s it i v iyt 铝 液 中测 夹杂所采得 的 电压脉冲 . 从波 形 分析 可 以看 出 , 由于 铝 液较粘稠 , 影 响了 夹杂物运行 的速度 , 脉宽略有增加 . 试验完成 后 , 取 固体铝 样一 个 剖面做金 相样 扫描 电镜 分析 , 结果表 明 所加 is q 夹杂物确实通过 探头 小孔进入 了取样 管 , 从而 证 明所得 电压 脉冲 是 真实的 . 热态实验 由于 是 在 高温 下进行 的 , 不 可 能 象冷态测夹杂一 样 , 将抽入取 样管 的塑料粒子 过滤后 一 个个测 量直径 , 做进一 步验证 . 在 目前 实验条件下 , 只能在金相显 微镜下 做近似估计 . 4 结语 3 热态试验初步探索 热态下 夹 杂物的 检测 主 要 是 直 接测 定铝 液 中夹杂 , 共进行 了 20 次 . 由于 51 0 2密度与铝液相 当 , 它 适合作 为铝 液中的 夹杂物 . 图 5 给 出 了在 通过理论分析和 冷 、 热 态 实验测 试证 明了 电 敏感区 法在线检测非导 电夹杂物技术方案是可 行 的 . 应 当指 出 , 由 于测试技术 的难度 , 开发 出 应用于 钢水 中夹杂物在线检测技术 , 还需要 做 很多研究工 作 . 奋火匀司 2 0 0 4 0 0 6 00 800 1 0 00 刀m s 图 5 铝液 中采样结果 F 啥 · 5 S a m P li n g r es u l t in il q u id a l u m i n u m 参 考 文 献 1 董履仁 , 刘新 华 . 大型非 金属夹 杂物 . 北京 : 冶 金工 业 出版 社 , 19 92 2 G u thir e R I L . 0 n ht e M e as uer m e nst o f 1 n c l u s i o n s in C op - P e -r bas e d M e lst . C an ed i an M e at l l u gr i c al uQ a rt e r l y, 19 89 , 2 8( l ) : 4 1 3 K u y u c ak S , N ak aj iln a H , G u 吐ir l e R I L · On 一 l ine Meas aer · m en st o f nI e lus i o ns in L i卿i d Set e l . in : s ht Iin I v o n an d Set e l Co n gr e s s . W助h l n g t o n , 1 986 M e ht o d o f O n 一 l i n e M e a s ur e m e n t s o f N o n r n e t a lli e I n e l u s i o n s 万搜N hC ua n’j i, X U R o ” g c ha gn, CA I aK i ke , LI U 天几n hu a, S HE N K Zx i M e at ll u任0 S e h o l , U S T B e ij in g , B e ij in g l 0 0 0 83 , C h in a A B S T R A C T oT ht e d i s a vd a n ta g e o f tr an d it i o n a l m e a sur e m e n t s o f in e l u s i o n s , a n e w m het o d o f o n 一 li n e m e a - s U丁e 〔 n e n st , E S Z P inr c iPl e , 1 5 P u t fo wr a r d . B a s e d o n e xP e ir m e snt un d er l ow t e m P e r a tL ir e an d h ihg t e m Per a ut r e , o n 一 lin e m e a istr e m ent s o f icn l u s i o n s 1 5 Por v e d ot b e rP a e t i e a l . K E Y WO RD S n o n 一 m e at lli e i n e l u s i o n s ; o n 一 li n e m e a s ur e m e lt s ; e l e e itr e a l s e n s l n g z on e