炼钢厂连铸结晶器在1500℃高温及炉渣干扰下，如何实现±1毫米精度、毫秒级响应的非接触钢水液位控制？【高温液位】【智能炼钢】

1. 钢水液位的基本结构与技术要求

炼钢厂的钢水液位监测，听起来简单，但实际上是在一个极端恶劣、对精度和安全要求极高的环境中进行。想象一下，我们监测的不是普通的液体，而是温度高达1500°C甚至更高的熔融钢水，它具有极强的腐蚀性、高粘度，并且表面往往覆盖着一层炉渣。

我们常见的钢水容器主要有转炉、钢包、中间包和结晶器。它们就像是炼钢过程中的一个个“接力棒”，钢水从一个容器流向下一个。在这些关键环节，准确知道钢水液位就像是知道水杯里还有多少水一样重要。

具体到技术要求，主要有几点：

• 非接触测量是必须的：你肯定不能把探头直接插进1500°C的钢水里，那会瞬间融化。所以，所有的方案都必须是非接触式的，传感器要远远地“看”着钢水。

• 高温环境适应性：传感器不仅不能碰到钢水，还要能承受周围环境的高温辐射、蒸汽、粉尘和金属飞溅。这就要求传感器本身有很好的耐热设计，或者有完善的冷却保护系统。

• 高精度和快速响应：尤其是在连铸结晶器中，钢水液位的微小波动都可能影响铸坯质量，甚至导致漏钢事故。所以，液位变化必须能被精确、快速地捕捉到，精度通常需要达到毫米甚至亚毫米级别，响应时间则要毫秒级。

• 抗干扰能力：钢水表面往往有炉渣浮动，这会遮挡真正的钢水液面；生产过程中产生的烟雾、粉尘和蒸汽也会干扰测量信号。所以，传感器必须有很强的抗干扰能力，能“透过现象看本质”，准确识别钢水液位。

• 可靠性和稳定性：炼钢生产是连续的，任何测量设备的故障都可能导致停产或安全事故，损失巨大。因此，设备必须极其坚固耐用，能长期稳定运行。

2. 钢水液位监测参数简介

在炼钢过程中，对钢水液位的监测远不止“高低”那么简单。它包括多个方面的参数，以及对这些参数的评估方法，确保整个生产过程的安全与高效。

• 液位高度：这是最核心的参数，指的是钢水表面到特定参考点的垂直距离。它直接反映了容器内钢水的储存量或填充程度。评价方法通常是与设定的目标液位进行比较，计算出偏差值。

• 液位波动幅度：钢水液面在生产过程中并非完全静止，会有一定的波动。这个参数描述了液面在一定时间内的最大起伏范围。评价通常通过统计液位数据的峰谷差或标准差来衡量，过大的波动可能预示着流体动力学问题或结晶器稳定性欠佳。

• 液位变化速率：表示液位在单位时间内上升或下降的速度。这对于控制钢水注入量、拉坯速度等至关重要。评价方法是实时监测液位对时间的导数。

• 炉渣层厚度：在钢水表面，常常会有一层炉渣。虽然它不是钢水本身，但准确识别并测量其厚度也很重要，因为它会影响热损失、钢水质量，并可能干扰液位测量。评价通常通过多光谱分析或特定物理原理来区分炉渣和钢水，并计算其界面距离。

• 液面平稳性/湍流度：这是一种更宏观的液面状态描述，反映了液面是否平静、有无漩涡或大的波动。平稳的液面有利于铸坯质量。评价可以基于视觉图像分析，通过纹理、边缘变化或特定区域的像素亮度波动来量化。

3. 实时监测/检测技术方法

炼钢厂钢水液位的非接触式检测，是确保生产安全和效率的关键。目前市面上有多种技术方案，各有特点。

3.1 市面上各种相关技术方案

激光测距技术

工作原理与物理基础： 激光测距技术，就像我们用卷尺量距离一样，只不过它用的是一束激光，而且速度快得多，测量精度也高得多。它的核心原理通常基于脉冲激光时间飞行法（Time-of-Flight, TOF）。传感器会发射一束非常短的激光脉冲到钢水液面，这束激光会反射回来被传感器接收。传感器内部会精确计算激光从发出到接收所花费的时间。

物理基础很简单：光在真空中以恒定速度传播（约 3 x 10^8 米/秒）。假设激光从传感器发出到钢水表面，再从钢水表面反射回传感器所花费的总时间是 t，那么激光走过的总距离就是 c * t（其中 c 是光速）。由于激光是来回走了一趟，所以传感器到钢水液面的距离 D 就是总距离的一半。

公式表达：D = (c * t) / 2

这个过程在极短的时间内完成，并且不断重复（比如每秒几百次），所以我们就能实时、精确地得到钢水液面的距离变化。对于高温的钢水，由于其表面通常亮度较高（红炽），对激光的反射效果其实很好，有利于信号的接收。当然，为了应对高温环境，传感器本身需要采用特殊设计和散热措施。

核心性能参数： 激光测距技术通常能提供毫米级的测量精度，高端系统精度可达亚毫米级，测量范围从几厘米到数百米不等，响应速度快，通常能达到几十赫兹到数百赫兹，可以有效捕捉液面快速波动。一些型号的激光测距仪具备测量1500℃以上高温物体表面距离的能力。

技术方案的优缺点：* 优点：非接触式测量，精度高，测量速度快，测量范围广，对高温物体表面有良好的适应性。在一定程度上，比机器视觉技术更能穿透轻度烟尘和蒸汽，因为它依赖的是反射的激光信号，而不是全面的图像信息。安装灵活，可以远离高温区。* 局限性：当环境中烟尘、水蒸气非常浓厚时，可能会阻挡激光束，导致信号衰减甚至丢失。钢水表面可能存在的强反射或镜面反射也可能影响测量稳定性，需要优化安装角度。相比于伽马射线技术，对外部环境（如粉尘、水气）的穿透力稍弱。* 成本考量：激光测距传感器本身成本适中，但若需应对极高环境温度，可能需要额外的冷却系统（如水冷或风冷），这会增加总体安装和运行成本。

伽马射线液位计技术

工作原理与物理基础： 这种技术就像给钢水做了一次“X光检查”。它在钢水容器的一侧安装一个微量的放射源（比如铯-137），在容器的另一侧安装一个探测器。放射源会持续发出伽马射线，这些射线穿透容器壁和里面的钢水。

钢水对伽马射线有吸收作用，就像一张厚布料会阻挡光线一样。液位越高，伽马射线穿过钢水的路径就越长，被吸收的就越多，到达探测器的射线强度就越弱。反之，液位越低，穿过钢水的路径越短，到达探测器的射线强度就越强。探测器通过实时监测射线强度的变化，就能精确反推出钢水液位。

公式表达：I = I0 * e^(-μx)其中，I 是穿透介质后的射线强度，I0 是初始射线强度，μ 是介质的线性衰减系数，x 是射线穿过介质的厚度（与液位高度相关）。

核心性能参数： 测量范围可达数米，测量精度通常能达到±2毫米。响应时间一般在几百毫秒。传感器及电子部件安装在容器外部，不受钢水高温影响，可耐受高环境温度。

技术方案的优缺点：* 优点：极致的非接触测量，传感器完全不接触容器内部和外部的恶劣环境，对介质温度、压力、粘度、粉尘、蒸汽、腐蚀性及炉渣层完全免疫，测量结果稳定可靠。坚固耐用，长期运行稳定性极高，维护量小。* 局限性：涉及放射源，需要严格遵守放射性物质管理规定，包括采购、运输、安装、使用和废弃处置等环节，手续复杂，公众接受度可能较低。初期投资成本相对较高。* 成本考量：初期设备成本和相关资质审批费用较高，但由于其超高的可靠性和低维护需求，长期运行成本可能较低。

电磁感应液位计技术

工作原理与物理基础： 电磁感应液位计就像是给钢水容器周围安装了一个“无形的手”，通过电磁场来感知导电钢水的存在。它在结晶器等特定容器周围放置线圈，线圈通电后会产生一个高频交变磁场。

当导电的钢水液面在磁场区域内移动时，根据电磁感应原理（法拉第电磁感应定律），钢水内部会感应产生涡流。这些涡流反过来会影响到传感器线圈本身的电磁特性，比如它的电感或阻抗。系统通过精确检测并分析这种阻抗变化的幅度或相位，就能实时、精确地计算出钢水液位。

核心性能参数： 测量范围通常较小，例如±25毫米或±50毫米，特别适用于连铸结晶器中对窄范围液位的精确控制。测量精度极高，通常优于±1毫米，响应时间可达毫秒级。传感器需要水冷或气冷保护以适应高温。

技术方案的优缺点：* 优点：非接触式测量，响应速度极快，测量精度非常高，特别适合对液位波动要求严格的连铸结晶器应用。能有效抑制液面波动，对提高铸坯质量和生产效率有显著作用。* 局限性：测量范围相对较小，主要用于连铸结晶器等特定场景的精确控制。对钢水的电导率变化可能敏感，并且传感器通常需要安装在容器壁附近，可能受到金属飞溅的影响，需要额外的保护。* 成本考量：设备成本较高，安装和维护需要专业知识，且通常需要额外的冷却系统，会增加运行成本。

机器视觉/红外热像仪技术

工作原理与物理基础： 这种技术就像给炼钢炉安装了一双“慧眼”。它通常使用高分辨率的工业相机或红外热像仪，从上方或侧面实时捕捉钢水液面的图像。

对于工业相机，系统分析的是可见光的亮度、颜色、纹理和边缘信息。例如，钢水表面和炉渣的亮度、颜色可能有差异。对于红外热像仪，它捕捉的是物体表面的热辐射，因为钢水和炉渣的温度和发射率不同，会呈现出不同的红外图像特征。

随后，系统利用复杂的图像处理算法（如边缘检测、模式识别、目标跟踪等），识别出钢水与炉渣的界面，进而确定钢水液面的精确位置。通过连续的图像序列分析，可以实现动态液位测量和监测，甚至可以分析液面波动模式和炉渣厚度。

核心性能参数： 测量范围可覆盖中间包或结晶器整个液面区域。测量精度通常在±2-5毫米，取决于光学系统分辨率和算法。响应时间为实时图像采集和处理，可实现快速响应。相机和电子设备需要坚固的防护罩和水冷或风冷系统。

技术方案的优缺点：* 优点：非接触式测量，能够提供直观的液面图像，不仅仅是单一数值，还能提供炉渣厚度、液面波动模式等更丰富的信息。对液面扰动和炉渣敏感性较低（因为能通过图像分析区分），有助于实现更精细的液位控制。* 局限性：易受环境因素（如烟雾、粉尘、水蒸气、环境光照变化）影响，可能导致图像模糊或识别困难。镜头容易被污染，需要定期清洁。设备通常需要复杂的冷却和防护系统，以应对高温辐射。图像处理算法的鲁棒性是关键。* 成本考量：初期设备（高性能相机、图像处理单元、冷却防护系统）和软件开发成本较高，后期维护需要确保镜头清洁。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在炼钢厂钢水液面检测领域，国际上有几家知名厂商提供了成熟的非接触式解决方案。

• 德国伯托 (采用伽马射线液位计技术) 德国伯托在放射性测量领域拥有超过70年的经验，其伽马射线液位计技术非常成熟。产品具有极高的可靠性和长期稳定性，其测量结果不受介质温度、压力、粘度、粉尘、蒸汽及腐蚀性影响，即使存在炉渣层也能提供准确的钢水液位。测量精度最高可达±2毫米，响应时间通常为几百毫秒，适用于极端恶劣的炼钢环境。

• 英国真尚有 (采用激光测距技术) 英国真尚有的激光测距传感器LCJ系列，是一款工业级激光测距仪。它通过激光束反射进行精确的距离测量，精度可达±1mm，测量范围从0.05米到500米，测量速度高达250Hz。LCJ系列高温型传感器实测最高可测量1550℃高温物体表面距离，并且可以在深色表面（低反射率）上进行测量。其坚固的IP65防护等级金属外壳和扩展的工作温度范围（-40…+60°C），配合可选的冷却外壳，使其能够适应重工业和户外应用中的严苛环境。该系列还提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）、高精度模拟输出（0.1%）和两个可编程数字输出（DO1和DO2），方便集成到各种工业控制系统中。

• 瑞士ABB (采用电磁感应液位计技术) 瑞士ABB的EM液位控制系统基于电磁感应原理，主要应用于连铸结晶器钢水液位的精确控制。该系统响应速度快，精度极高，测量精度通常优于±1毫米，响应时间可达毫秒级，能有效抑制液面波动，防止铸坯缺陷，显著提高铸坯质量和生产效率。传感器通常采用水冷或气冷保护以适应结晶器区域的极端高温。ABB在钢铁行业自动化和控制系统方面具有深厚经验。

• 德国莱茵金属 (采用机器视觉/红外热像仪技术) 德国莱茵金属的液位检测系统采用先进的机器视觉技术，结合红外热像仪或高分辨率工业相机，实时捕捉钢水液面图像。系统通过复杂的图像处理算法，分析亮度、温度分布和边缘信息，精确识别钢水液面，甚至能提供炉渣厚度等额外信息。测量精度通常为±2-5毫米，可实现快速响应。相机和电子设备通常安装在带有水冷或风冷系统的坚固防护罩内，以应对高温环境。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的钢水液位检测方案，就像为特种部队挑选装备，每一个指标都关乎任务成败。

• 测量精度：这个指标告诉我们测量结果和真实值之间可能的最大偏差。在炼钢厂，特别是连铸结晶器，精度直接影响铸坯质量和成品率。例如，±1毫米和±5毫米的精度，在液位控制上会导致完全不同的结果。对于需要精确液位控制的环节（如连铸结晶器），应选择精度高于±1毫米的设备；对于大范围监测（如钢包），±2-5毫米的精度可能足够。

• 响应时间：指的是传感器从接收到信号到输出结果所需的时间。钢水液位波动很快，特别是注入和拉坯过程。如果响应时间太长，传感器就不能及时发现并反馈液位变化，导致控制滞后。想象一下，如果汽车的刹车响应慢半秒，后果会怎样？对于快速变化的液位（如连铸结晶器），毫秒级的响应时间至关重要；对于变化相对缓慢的容器，几百毫秒的响应也勉强可以接受。

• 测量范围：指传感器能够有效测量的距离范围。不同的容器，钢水液位的变化范围不同。钢包可能需要较大的测量范围（数米），而结晶器通常只需要几十毫米的精确范围。根据实际容器的尺寸和液位变化幅度来选择。

• 抗干扰能力：炼钢环境烟尘弥漫、蒸汽缭绕，钢水表面还有炉渣浮动。传感器能否“透过”这些干扰，准确看到钢水真身，是其可靠性的关键。例如，伽马射线技术对这些干扰免疫，而机器视觉则需要强大的算法和良好的防护。要根据现场环境的复杂程度来评估传感器的抗干扰能力，优先选择对现场主要干扰因素有较强抵抗力的技术。

• 工作温度与环境防护：这包括传感器本身能承受的环境温度，以及其防护等级（如IP65/IP66）。高温、粉尘、水溅甚至腐蚀性气体都是炼钢环境的常态。如果传感器不能在这样的环境下稳定工作，或防护等级不够，寿命会大大缩短。选择能够直接在现场环境温度下工作，或配备可靠冷却和防护系统的设备。

选型建议：

• 对于连铸结晶器液位控制：追求极致的精度和响应速度是首要任务。电磁感应液位计或高精度激光测距传感器是优选方案，它们能提供亚毫米级精度和毫秒级响应，确保铸坯质量。

• 对于钢包或中间包液位监测：需要考虑较大的测量范围和对炉渣层的穿透能力。伽马射线液位计以其不受介质影响的特性表现突出；或者选择具备抗高温和粉尘能力的激光测距传感器，如英国真尚有的LCJ系列，也是高精度选择。机器视觉技术则能提供更丰富的液面信息。

• 对于环境极其恶劣、维护困难的区域：伽马射线液位计因其超强的环境适应性和稳定性，是可靠性最高的选择。但需考虑放射源的安全管理成本。

• 综合考量：在满足基本精度和响应要求的前提下，优先选择维护成本低、安装方便、长期运行稳定的方案。同时，一定要考虑供应商在钢铁行业的经验和售后服务能力。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在炼钢厂这样严苛的环境中，即使再好的设备，在实际应用中也可能遇到各种“水土不服”的问题。

• 问题一：烟尘和蒸汽干扰

  • 原因与影响：钢水在转运和浇铸过程中会产生大量高温烟尘和水蒸气。这些颗粒和水雾会散射或吸收激光、可见光等信号，导致传感器接收到的信号衰减，测量数据波动大，甚至无法有效测量。对于激光测距和机器视觉系统尤其明显。

  • 解决建议：

    • 空气吹扫/防护罩：为传感器镜头或测量窗口配备强力的空气吹扫装置，持续吹出清洁空气，形成“气帘”防止烟尘和蒸汽附着或进入。

    • 优化安装位置：尽量将传感器安装在烟尘和蒸汽较少的区域，或从侧面、倾斜角度进行测量，避开蒸汽直冲区域。

    • 特定波长激光：某些激光测距仪会采用特定波长的激光，其穿透烟尘和水蒸气的能力更强。

    • 多传感器冗余：部署多个传感器，通过数据融合算法提高测量稳定性。

• 问题二：钢水表面炉渣层影响

  • 原因与影响：钢水液面常常覆盖一层厚度不均的炉渣，不同的炉渣成分和厚度会影响测量信号的反射或吸收特性。这可能导致传感器误将炉渣表面识别为钢水液面，从而产生误差。

  • 解决建议：

    • 多原理融合：结合多种检测原理，例如，机器视觉可以区分炉渣和钢水图像特征，再结合激光测距进行深度测量。

    • 算法优化：对于激光测距，可以开发更智能的信号处理算法，识别并滤除炉渣层对激光反射信号的干扰。对于机器视觉，强化图像识别算法，更准确地分割钢水-炉渣界面。

    • 伽马射线优势：如果炉渣影响非常严重且不可避免，伽马射线技术由于其穿透性，能够直接测量钢水液位，不受炉渣影响。

• 问题三：传感器自身高温损坏或寿命缩短

  • 原因与影响：炼钢环境的高温辐射和金属飞溅对传感器的电子元件和光学部件是巨大的考验。长时间工作在高温下，会导致电子元件老化、光学部件污染或损坏，从而影响测量精度和设备寿命。

  • 解决建议：

    • 冷却系统：为传感器配备可靠的冷却系统，如水冷套、风冷装置或涡流管冷却器，将传感器工作环境温度控制在安全范围内。

    • 隔热防护：使用多层隔热材料制作防护箱，有效阻挡热辐射。

    • 定期维护：定期检查冷却系统工作状态，清洁光学窗口，更换磨损部件，确保其正常运行。

    • 选用耐高温产品：优先选择那些设计上就具备宽温度范围、高防护等级的工业级传感器，并确认其声称的最高可测表面温度和环境温度。

• 问题四：安装位置和角度受限

  • 原因与影响：炼钢厂空间有限，加上设备布置复杂，可能无法为传感器找到理想的安装位置和角度，导致测量盲区或信号不佳。

  • 解决建议：

    • 多点测量：在条件允许的情况下，部署多个传感器从不同角度进行测量，通过数据融合提高覆盖范围和测量准确性。

    • 远程测量技术：利用激光测距等具有较长测量范围的技术，可以将传感器安装在离钢水较远且环境较好的位置。

    • 灵活支架设计：设计可调节的安装支架，允许传感器在安装后进行精确的角度和位置微调。

4. 应用案例分享

• 连铸结晶器液位精确控制：在连铸生产线上，通过高精度电磁感应液位计或激光测距传感器实时监测结晶器内的钢水液位，将液位波动控制在±1毫米以内，显著提高铸坯质量，减少表面缺陷。

• 钢包、中间包液位连续监测：在钢水从转炉到钢包、再到中间包的转运过程中，使用激光测距或伽马射线液位计对液位进行连续监测，确保钢水供应稳定，防止溢流或空浇，提高转运效率。

• 电弧炉/精炼炉渣层识别与液位测量：结合机器视觉和红外热像仪技术，不仅能监测电弧炉或精炼炉内的钢水液位，还能实时识别和测量钢水表面的炉渣层厚度，为精准出钢和精炼操作提供依据。

• 特殊合金钢水液位检测：对于生产特殊合金钢的炉次，其工艺参数要求更为严格，采用高精度、高可靠性的非接触式液位检测方案，保障了特殊钢材的成分稳定性和生产过程的安全性。