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微波技术在钢铁工业的应用

时间:2008-09-03 06:46:05  浏览:        

电磁辐射的特征之一是通过物质传播的能力。此外,电磁波通过物质时将改变相位、振幅和偏振等特性。因此,气态、固态或液态物质根据它们的成分、温度、分子结构以及所处电磁场的特性不同将发射或吸收电磁辐射。因为偏振和波调制图谱的变化反映了物质的特征变化,所以可以认为,电磁辐射是物理学中最敏感的测试之一。

   
微波技术是多用途的工具。几十年来,天文学家利用微波技术来测量分析宇宙以帮助勾画天体图并了解宇宙复杂性。光谱学家在实验室内用微波技术测量原子和分子化合物的特性。当然,微波技术也用在无线电通讯和移动电话领域。微波技术一般对灰尘烟气不敏感,因此,非常适合用于冶金过程的测量。

    微波技术的研究和应用

    1 渣的特性

    在火法冶金过程中,渣的作用非常关键。对许多实质上既是物理又是化学的不同工艺过程产生影响。此时,特别是在精炼过程中了解渣的厚度和化学成分就显得非常重要。MEFOS进行了试验,试验的长期目标是利用
微波技术来量化钢铁生产过程中特定工艺过程的冶炼渣的特性。研究集中在测量折射系数,从而获得渣的介电性能。对工业渣和合成渣分别进行了研究,其中工业渣是从许多不同的钢厂取得的。

  在公称容量100kg的感应炉中进行试验。感应炉有7个频带每个带宽为4GHz。研究了带宽范围从2GHz到18GHz的变化。使用一个矢量网络分析仪作为试验过程中的频率发生器。在实验安装过程中用同一天线发射并接收信号。表1给出EAF、LD和浇包渣(低合金钢)的一些结果。

    表1 不同液渣的折射系数       
    ————————————————————————————
                         频带GHz               
    渣   2~6  4~8  6~10  8~12  10~14  12~16  14~18
    ————————————————————————————
                        折射系数               
    ————————————————————————————
    EAF         1.8   2.5                          
    浇包  1.5   1.4   1.9     1.5     1.6     1.6     2.0       
    LD    3.6   2.4   2.7 
    ————————————————————————————

    从表1可以看出,EAF和LD渣的结果数量低而浇包渣的结果数量相对高些。这说明成功率在30%~100%之间变化。折射系数大致在1.5~4之间。折射系数大小的个体变化可能由测试技术造成的:研究了7个频带每个被研究的频带分成501个频段每个频段频宽约8MHz。对每个频带的501个频段取平均值就得到该频带的折射系数。因此,求得平均的折射系数应该是频带的平均值而不是单个频率的折射系数。由表1还可看出有些频带没有测量结果目前还无法科学的解释这一点。但是我们必须考虑到渣的传导性、温度变化以及波长等的影响。对合成渣的不同混合物进行试验的结果与工业渣相类似。

    目前,获得的结果表明,尽管需要深入研究来证实实验结果,但所用的
微波技术可用于渣的厚度测量与渣的分析。

    2 高炉应用

    今天,
微波技术或雷达技术经常用于高炉中的探尺测量、开炉装料实测以及鱼雷罐车铁水液面的监测等。微波技术在高炉中的其它可能的应用还包括:监测生产过程中的高炉风口回旋区的变化以及建立料面形状的3D图像。MEFOS对瑞典SSAB的3号高炉进行了风口回旋区测量。实验使用的名义频率为10GHz测量,结果显示在3小时的生产过程中测出的风口回旋区的位置变化在1~1.1m。微波测量出的回旋区变化与用取心钻法测量的结果具有可比性,后者对12号风口进行测量结果一致性很高深度约为1m。

    在另一项目中也进行了回旋区变化测量的试验。尽管采取相同的频率范围,但实验方法稍有差异。两个测量实验的结果清楚地表明,
微波技术可用在测量高炉生产过程中的回旋区的变化。

   
微波技术在高炉上另一应用是应用平面贴片阵列天线来充当干涉仪建立料面形状的3D图像。使用这种方法的一个想法是利用3D图像来控制装料顺序从而优化高炉中煤气的利用。MEFOS在最近的ECSC项目中进行中试试验,并在德国迪林根钢厂进行全尺寸装料模型试验。

    该项目的一个子项目是开发出为雷达干涉仪专门设计的平面贴片阵列天线。它由陶瓷
填料的聚四氟乙烯底层制造直径180mm有32个矩阵天线集成在上面。每个阵列天线单独与电子元件相连接。使用一个阵列作发射天线,使用剩余的作接收天线,对所有的天线连续重复。这一做法就有可能建立起料面形状的干涉图像。

    3 转炉应用

    将
微波技术应用到转炉上监测吹炼过程中渣乳化液液位以及标称的钢液位。这些试验结果非常理想。说明可同时监测吹氧过程中转炉中不同的液位。但没进一步进行试验。最近报道了利用微波技术控制LD-KG转炉的可能性。据报道,利用微波技术可区别吹炼过程中转炉内乳化液和渣的液位。尽管与渣和乳化液相比,有效钢水液位的监测比较复杂但也可进行监测。炉内紊流是造成钢水液位监测复杂的原因。早期试验未取得成功,实际问题是炉内的渣壳渣在仪器前结壳完全挡住仪器使仪器无法进行测量工作要继续测量就必须去除渣壳。尽管这个限制对测量工作造成影响但与仪器的功能性无关。在微波技术能完全应用到转炉上进行测量之前,必须要解决这一现实问题。

    4 CONARC应用

    由德国曼内斯曼德马格公司开发的CONARC炼钢法将电炉冶炼与氧气吹炼结合起来。该工艺有两个炉体均装有一个3相电极和一个顶吹氧枪对铁水进行吹炼。米塔尔在南非的Saldanha钢厂的CONARC炼钢工艺安装了转炉液位测量系统该系统于2005年启用监测冶炼过程中渣和泡的位置。使用了这样的仪器进行过程监测控制钢厂的喷溅事故发生频率降低钢水收得率显著提高耐火砖磨损得到更好的控制。

    该仪器由天线、电子元件和陶瓷盘组成。陶瓷盘起着偏振器的作用同时保护电子元件防止在生产过程中遭热辐射破坏。包含电子元件的
密封部分用氮气冷却而密封的下半部与炉顶接触采用水冷。该系统主要用来监测吹炼前熔池液位但由于CONARC能工作在电炉和转炉模式下因此在这两种工作模式下都能获得泡沫渣的液位情况。可以看出,渣、乳化液和有效钢水高度都是同时且实时测量的。

    5 应用前景

   
微波技术还应用在钢铁工业其它工艺过程,如测量出钢过程中中间包或钢包的钢水液面高度,但目前还没有关于在这方面成功应用的报导。

    气体分析是MEFOS研究的另一
微波应用领域。在这方面使用微波技术的显而易见的原因是微波通常对烟尘不敏感。如在转炉上使用全功能仪器就有可能进行远程非接触实时分析。传统的提取技术一般需要精心制作的取样系统,它需要连续的维修和保养,从而对气体分析产生相当长的延时,有时延时几分钟,不适宜于实时的过程控制。

    气体分析使用的设备有一个矢量网络分析仪、两个带天线的频率转换器,其中一个是上变频器,一个是下变频器,还有一些信号放大器。由于频率发生器最大输出频率是40GHz,因此该方法有必要达到研究的高频水平。在频率窗口变化范围110~120GHz内进行
微波测量。理由是CO、CO2和O2存在的频率范围与此相同,而这些化合物是转炉控制的最关键因素。测量结果发现,特别是CO已知频率之间存在非统计学上的严重失配,目前仍在分析原因。研究中必须要考虑到测量工作是在大气环境与高温下进行的。以前很少有类似的研究。

    小结

    就目前而言,
微波技术在钢铁工业中一般用在高炉和CONARC工艺。目前还没有关于在电炉、转炉和钢包上应用的报导。

   
微波技术是有力的测试工具应用在许多科技领域但在钢铁工业中的应用范围还不是很广泛。原因是每一具体安装应用都需要相当独特唯一的方案实现全功能的使用。这一般与微波设备本身的技术和功能性无关,主要与工艺对设备的影响有关,如LD工艺过程中的渣结壳。该技术也当作分析工具来使用获取关于工艺的新知识如用于渣和气体的分析等。这项工作有直接明确的科技目标,可能需要好几年才能完成研究工作。

    目前
微波技术用在包括工业应用在内的许多研究领域。随着技术的发展,元件价格将会更便宜,那时将研究新的频率范围。钢铁工业应用的探头和仪器的发展将会加速微波技术的应用,同时研究新的频率范围将会测量出新的参数可能导致新的技术应用。因此,微波技术在钢铁工业上的应用尽管目前还不广泛,但前景光明
  
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