金屬液純凈度的原位、在線、定量監(jiān)測(cè)方法——LiMCA技術(shù)回顧與展望

廖艷飛，王曉東，那賢昭

（1.鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京100049）

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金屬液純凈度的原位、在線、定量監(jiān)測(cè)方法——LiMCA技術(shù)回顧與展望

廖艷飛1，2，王曉東2，那賢昭1

（1.鋼鐵研究總院先進(jìn)鋼鐵流程及材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京100049）

摘要：原位、在線、定量的金屬液純凈度監(jiān)測(cè)技術(shù)因其重要的生產(chǎn)實(shí)際意義一直是冶金工作者夢(mèng)寐以求的技術(shù)。該文對(duì)加拿大麥吉爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的LiMCA的原理、發(fā)展歷史、研究手段、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行綜合分析，系統(tǒng)闡述國(guó)內(nèi)外對(duì)這一技術(shù)的研究成果。目前，LiMCA技術(shù)已在鋁工業(yè)以及熔點(diǎn)低于鋁的金屬液純凈度監(jiān)測(cè)方面獲得成功應(yīng)用，然而，將其應(yīng)用于鋼鐵等高溫熔體時(shí)卻遇到一些問(wèn)題。最后，該文指出LiMCA存在的先天不足（基于接觸式的測(cè)量原理），提出非（機(jī)械）接觸式的洛倫茲力微顆粒探測(cè)法，有望解決高溫金屬液純凈度的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：LiMCA；金屬液純凈度；夾雜物檢測(cè)；電阻脈沖；電磁場(chǎng)測(cè)量

0　引言

如果在金屬液凝固前未能有效控制懸浮于其中的非金屬夾雜物，不僅影響成形工藝，還將極大危害金屬材料的使役性能。如鋁及其合金，由于雜質(zhì)所致的針孔型或裂紋等缺陷將影響深沖工藝，在退火過(guò)程中附著在雜質(zhì)處的氣體會(huì)引起所謂的起泡缺陷，并且雜質(zhì)導(dǎo)致線材在實(shí)施深拔工藝時(shí)直接斷掉。鋼鐵材料中雜質(zhì)的存在將影響其強(qiáng)度、韌性、沖壓性能、機(jī)械加工性、焊接、氫致裂紋、疲勞強(qiáng)度，以及表面性能（腐蝕、反射率、光潔度等）。銅熔體很容易氧化，生成氧化銅（Cu2O），在退火和焊接工藝過(guò)程中與氧化銅雜質(zhì)處極易形成裂紋缺陷。要想得到高質(zhì)量的壓鑄鎂合金，鐵、銅、鎳等氧化物雜質(zhì)的濃度和尺寸必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)。因此，快速、準(zhǔn)確地在線監(jiān)測(cè)金屬液中非金屬夾雜物意義重大。

目前，金屬液純凈度的檢測(cè)技術(shù)主要有超聲波法、圖像法、過(guò)濾法、LiMCA法等。其中，液態(tài)金屬純度分析儀（liquid metal cleanliness analyzer，LiMCA）法是由Coulter原理發(fā)展而來(lái)，該方法由加拿大麥吉爾大學(xué)Guthrie研究組首先提出，實(shí)現(xiàn)了金屬液純凈度的原位、在線、定量檢測(cè)。目前，已經(jīng)可以檢測(cè)低至15μm的夾雜物，并且成功應(yīng)用于鋁、鋅、鎂、鉛錫合金、鎵等金屬液。

1　測(cè)量原理

LiMCA的原理如圖1[1]所示。傳感器包括一端封閉的絕緣取樣管、取樣管側(cè)壁上的微孔和取樣管內(nèi)外的電極。根據(jù)氣動(dòng)學(xué)原理，在取樣管內(nèi)外施加壓差，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)液抽入或排出。兩電極間通入恒定的直流電，電勢(shì)差只集中在小孔通道及其附近區(qū)域，此區(qū)域稱為電敏感區(qū)（electric sensing zone，ESZ），因此該法又稱為電敏感區(qū)法。當(dāng)一個(gè)非金屬夾雜物隨待測(cè)液通過(guò)電敏感區(qū)時(shí)，兩電極間的電阻發(fā)生變化，夾雜物通過(guò)電敏感區(qū)這一“事件”表現(xiàn)為一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，由其大小可判斷出夾雜物的尺寸，脈沖信號(hào)的數(shù)目即夾雜物的數(shù)量。LiMCA方法可同時(shí)獲得夾雜物尺寸和數(shù)量。

圖1　LiMCA基本原理圖

顯然，非金屬夾雜物的尺寸與測(cè)量信號(hào)之間的關(guān)系是LiMCA中最基本、最核心的關(guān)系。根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，對(duì)于非金屬夾雜物而言，電阻的變化[2-3]可表示為

式中：ρe——金屬液的電阻率；

d——夾雜物的名義尺寸；

D——小孔直徑或電敏感區(qū)特征尺寸。

由式（1）可知電阻的變化值與夾雜物的體積成正比。對(duì)式（1）有兩點(diǎn)說(shuō)明：

1）當(dāng)夾雜物的電導(dǎo)率趨于無(wú)窮大時(shí)，式（1）變?yōu)?/p>

當(dāng)夾雜物電導(dǎo)率處于不導(dǎo)電和完全導(dǎo)電之間時(shí)，電阻的變化值介于式（1）和式（2）之間。

2　理論分析與數(shù)值模擬

非金屬夾雜物通過(guò)小孔的流體力學(xué)行為可視為多相多物理場(chǎng)問(wèn)題：金屬熔體為液相，夾雜物為固相或氣相；物理場(chǎng)則包含電勢(shì)場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁力場(chǎng)等。Roderick Guthrie教授等在理論分析和數(shù)值模擬方面做了大量研究工作，簡(jiǎn)述如下。

以下討論均是電敏感區(qū)內(nèi)的物理現(xiàn)象。當(dāng)兩電極間通入恒定電流時(shí)，由于小孔橫截面在軸向上變化，電敏感區(qū)內(nèi)的金屬液會(huì)自感應(yīng)出磁場(chǎng)。電敏感區(qū)內(nèi)的電勢(shì)（φ）分布可通過(guò)求解拉普拉斯方程獲得，由歐姆定律可計(jì)算出電流密度，再由安培定律計(jì)算電敏感區(qū)內(nèi)的自感應(yīng)磁場(chǎng)。作用于金屬液上的電磁力密度為Fem=J×B。

通過(guò)求解流體的連續(xù)性方程和不可壓縮流體的N-S方程可得到金屬液的流場(chǎng)，N-S方程為

式中：u（u，ν）——液態(tài)金屬的速度矢量；

p——壓力；

ρf、νf——金屬液的密度和運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度；

Fem——作用于電敏感區(qū)內(nèi)金屬液上的電磁力，且為式中的源項(xiàng)。

通過(guò)求解有關(guān)的動(dòng)量方程（據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律），可以描述夾雜物在電敏感區(qū)中的運(yùn)動(dòng)軌跡：

式中：up（up，νp）——夾雜物速度；

uf（uf，νf）——夾雜物不存在時(shí)，中心位置處

金屬液的流量；

CD——阻力系數(shù)；

μf——金屬液動(dòng)力粘度；

ρp——夾雜物密度；

d/dt——移動(dòng)夾雜物參量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；

D/Dt——金屬液參量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

式（5）左邊表示加速夾雜物所需的合力，右邊各項(xiàng)依次為斯托克斯力、壓力梯度、表觀質(zhì)量加速力、歷史力、浮力和電磁力[5]。

基于上述理論分析，Li Mei[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了夾雜物的運(yùn)動(dòng)受夾雜物的電導(dǎo)率、密度、尺寸、通入電流密度等的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡與磁壓數(shù)（RH）、雷諾數(shù)（Re）、阻塞率（k）和夾雜物與流體密度比（γ）有關(guān)[7-8]。

氣動(dòng)作用下金屬液在小孔內(nèi)形成射流，小孔的形狀和尺寸決定了金屬液在電敏感區(qū)內(nèi)的流動(dòng)行為。關(guān)于小孔的設(shè)計(jì)，首先，小孔不能過(guò)大或過(guò)小。若小孔太小，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，當(dāng)金屬液進(jìn)入電敏感區(qū)時(shí)，會(huì)引起電敏感區(qū)外流場(chǎng)的明顯擾動(dòng)；速度過(guò)快時(shí)易造成小孔堵塞。若小孔太大，通入高電流時(shí)在電敏感區(qū)內(nèi)可能形成循環(huán)流，易引入電敏感區(qū)外的夾雜物；也無(wú)法保證夾雜物依次通過(guò)，影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。目前，LiMCA中選用的小孔直徑為270～500μm[3，5，9]。其次，根據(jù)流體力學(xué)原理，小孔入口截面需要大于喉口處，即呈喇叭口狀，這樣能保證待測(cè)液順利通過(guò)電敏感區(qū)。

數(shù)值模擬工作也為小孔設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Li Mei等在磁流體力學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)上計(jì)算了夾雜物的流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)電磁力較大時(shí)夾雜物的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離軸心而偏向壁面，運(yùn)動(dòng)軌跡亦受到夾雜物的大小和密度的影響。基于此而設(shè)計(jì)的新探頭如圖2[10]所示，在小孔外部有一段管型通道，可將夾雜物中較大、較輕的夾雜物剔除，有效地避免了小孔的阻塞。

圖2　用于區(qū)分夾雜物的新探頭及其原理示意圖［10］

Wang Xiaodong等[11]采用Comsol Multiphysics數(shù)值軟件模擬輸入電流對(duì)夾雜物在電敏感區(qū)內(nèi)流動(dòng)的影響，得到了如圖3所示的結(jié)果。當(dāng)電流較小時(shí)，流動(dòng)邊界層以外區(qū)域的軸向速度較均勻。當(dāng)電流增大至300 A時(shí)，受電磁力影響，流場(chǎng)產(chǎn)生回流。顯然，正常測(cè)量時(shí)應(yīng)避免這種情形，但在實(shí)際應(yīng)用中利用這種短時(shí)強(qiáng)電流，可以有效地沖刷掉聚集在孔壁的夾雜物，現(xiàn)用于每次測(cè)量前小孔的清理。

對(duì)于夾雜物種類而言，微氣泡、液滴和固體夾雜物對(duì)金屬液及其金屬制品質(zhì)量的危害程度不同，如果不加以區(qū)分，計(jì)數(shù)結(jié)果的有效性會(huì)大大降低。相對(duì)而言，微氣泡產(chǎn)生的壓力較小，也較難成核，所以危害程度較小。Chris Carozza[12]的工作表明：可以根據(jù)夾雜物到達(dá)喉口的時(shí)間來(lái)區(qū)分微氣泡和固體夾雜物，氣泡會(huì)最先到達(dá)，然后是密度逐漸增加的液滴和固體夾雜物。Wang Xiaodong[13]根據(jù)電壓脈沖信號(hào)特征區(qū)別軟硬雜質(zhì)，如圖4所示。根據(jù)兩相流理論，軟雜質(zhì)氣泡或液滴會(huì)產(chǎn)生變形，觀察電壓脈沖信號(hào)，軟雜質(zhì)對(duì)應(yīng)的信號(hào)中心不對(duì)稱；相較于同尺寸的硬雜質(zhì)，信號(hào)的幅值也顯著減小，據(jù)此，可將軟、硬雜質(zhì)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

圖3　電敏感區(qū)內(nèi)不同輸入電流情形下的流場(chǎng)及流動(dòng)模式變化［11］

圖4　軟硬雜質(zhì)對(duì)應(yīng)的電阻脈沖信號(hào)對(duì)比［13］

3　實(shí)驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用

對(duì)于冶金問(wèn)題，熔體的溫度越高，測(cè)量難度越大，下面將按照熔體溫度由低到高的順序予以介紹，其中以鋁液和鋼液中的測(cè)量應(yīng)用為主。

3.1基本的信號(hào)檢測(cè)

1985年，麥吉爾大學(xué)的研究人員將電阻脈沖原理（Coulte原理）[14]應(yīng)用到金屬液純凈度的在線監(jiān)測(cè)，檢測(cè)到足夠精確的脈沖信號(hào)是該法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

LiMCA源于Coulter原理，但有所不同：LiMCA在金屬液中檢測(cè)夾雜物，而Coulter是在水溶液中。金屬液的電阻率比水溶液低了4～6個(gè)數(shù)量級(jí)，這就意味著通入同樣電流，得到的電壓脈沖很小，難以測(cè)得，同時(shí)外界干擾對(duì)測(cè)量的影響增大。這樣，為了得到可測(cè)的電壓脈沖，需要通入大電流，同時(shí)盡可能的減小背景噪音的干擾[1]，措施主要有使用更靈敏的電子元件、電磁屏蔽和接地。

為了獲得有效、準(zhǔn)確的夾雜物信息，還需要進(jìn)一步處理信號(hào)，加入了放大器、高低通濾波、數(shù)據(jù)記錄器和DSP等，如圖5[9]所示。其中，在數(shù)字信號(hào)處理（digital signal processing，DSP）階段，為了準(zhǔn)確刻畫信號(hào)特征，采用7個(gè)參量來(lái)描述一個(gè)脈沖信號(hào)，如圖6所示，分別是：脈沖高度、脈沖寬度、始端斜率、終端斜率、脈沖尖峰值時(shí)刻、開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻[9]。

圖5　基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理）的LiMCA信號(hào)處理框圖

圖6　描述LiMCA信號(hào)特征的7個(gè)參數(shù)

3.2水模型實(shí)驗(yàn)

為了模擬復(fù)雜的冶金過(guò)程，研究人員設(shè)計(jì)了LiMCA的水模型，如APS II（aqueous particle sensor II）[15]。Li Mei等[16]利用ASPⅡ首次確認(rèn)了可根據(jù)電壓信號(hào)區(qū)分不同密度的夾雜物。Guthrie等[9]則利用這一模型模擬研究吹氬鋼包內(nèi)雜質(zhì)分布、流入中間包時(shí)鋼液中氧化鋁夾雜物的上浮情況以及利用DSP區(qū)分不同類型夾雜物的可行性等。圖7為實(shí)際測(cè)量與數(shù)值模型預(yù)測(cè)的不同高度處夾雜物濃度分布，這樣，就可以了解鋼包內(nèi)夾雜物分布[9]。圖8為不同顆粒在APS II中實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比圖[9]。顯然，不同類型的夾雜物是可以區(qū)別的。

圖7　實(shí)際測(cè)量與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)的不同高度處夾雜物濃度分布圖（h為測(cè)量點(diǎn)到鋼包模型底部距離，H為鋼包高度）

圖8　不同顆粒在APSⅡ中實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比圖

3.3實(shí)際金屬熔體測(cè)量

最初，研究人員采用室溫下為液態(tài)的金屬鎵進(jìn)行試驗(yàn)，通入60 A的電流（水溶液中為20mA），得到了可檢測(cè)的電壓脈沖信號(hào)。并發(fā)現(xiàn)金屬液的“法拉第籠”效應(yīng)可以減小外界的電磁噪音干擾[1]。法拉第籠是一個(gè)由金屬或者良導(dǎo)體形成的“籠子”，根據(jù)導(dǎo)體的等電勢(shì)原理，內(nèi)部電勢(shì)為零，導(dǎo)體的外殼對(duì)它的內(nèi)部起到“保護(hù)”作用，使內(nèi)部不受外部電場(chǎng)的影響。在面對(duì)電磁波時(shí)，也可以有效阻止電磁波的進(jìn)入。

圖9　ABB公司生產(chǎn)的LiMCAⅡTM與LiMCA CMTM裝置圖［1］

接下來(lái)，研究者考慮在鋁液中應(yīng)用這一技術(shù)。為此，引入了對(duì)數(shù)放大器和數(shù)據(jù)記錄器等，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了第一臺(tái)LiMCA儀器（原型傳感器名為Moster）。1995年加拿大魁北克的BOMEM公司（現(xiàn)在的ABB）制造了第一臺(tái)商用產(chǎn)品LiMCA II，如圖9（a）[1]所示。到19世紀(jì)90年代末，超過(guò)250臺(tái)LiMCA II應(yīng)用于鋁行業(yè)。其中絕緣取樣管采用鋁硅玻璃管，電極材料采用低碳鋼或鎢。取樣管上拋物線形小孔通過(guò)玻璃吹制工藝制得。實(shí)際應(yīng)用中，夾雜物在LiMCA II電敏感區(qū)的喉部上游團(tuán)聚，干擾待測(cè)液通過(guò)電敏感區(qū)，導(dǎo)致測(cè)得的夾雜物數(shù)量比實(shí)際的小。為了解決這一問(wèn)題，在每次測(cè)量前通入前述的短強(qiáng)電流[17]。另外為減小環(huán)境電磁噪音的影響，LiMCA II還采用了4個(gè)外電極的設(shè)計(jì)[18]。

在LiMCA II的基礎(chǔ)上，ABB Bomem公司又開(kāi)發(fā)了LiMCA CM（continuous monitoring），如圖9（b）[1]所示，即將LiMCA II中的模擬電路升級(jí)為數(shù)字電路，并封裝在一個(gè)金屬殼內(nèi)，有效抑制了電磁噪音。目前，南山輕合金有限公司東海熔鑄扁錠生產(chǎn)線引入了國(guó)內(nèi)首臺(tái)LiMCA CM。結(jié)合LiMCA CM和PoDFA檢測(cè)鋁熔體中渣的數(shù)量與類型，從而為有針對(duì)性地改進(jìn)工藝提供依據(jù)[19]。

在鋁工業(yè)中，LiMCA不僅用來(lái)監(jiān)測(cè)金屬液質(zhì)量，還用來(lái)評(píng)價(jià)其他技術(shù)。工業(yè)上用其監(jiān)測(cè)金屬液從流水槽到DC模的氧化物含量變化，優(yōu)化靜置時(shí)間，從而獲得最大的生產(chǎn)量。Keegan等[20]用它來(lái)評(píng)價(jià)陶瓷泡沫過(guò)濾器（ceramic foam filters，CFF）的過(guò)濾效果。圖10是LiMCA II測(cè)得的CFF前后夾雜物分布統(tǒng)計(jì)圖，可以看出CFF對(duì)提高金屬純凈度效果明顯。

圖10　LiMCAⅡ測(cè)得的CFF前后顆粒分布統(tǒng)計(jì)圖

3.4LiMCA在高溫熔體中應(yīng)用的嘗試

隨著LiMCA技術(shù)在鋁工業(yè)上的成功應(yīng)用，研究者嘗試將其用于鎂[21-22]、銅[23]、鋼[5，24-25]等金屬液，并根據(jù)金屬種類和冶金工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳感器，下面主要介紹在鋼液中的應(yīng)用嘗試。

由于鋼液的溫度高達(dá)1600～1700℃，傳感器材質(zhì)的選擇面臨很大的困難，既要抵御強(qiáng)烈的熱沖擊，又要耐鋼液腐蝕，還要求熱變形小。麥吉爾大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了各種傳感器，并試驗(yàn)了各種絕緣材料和電極材料。19世紀(jì)80年代末，在DOFASCO的70t中間包上進(jìn)行了一系列工業(yè)試驗(yàn)，如采用700μm的小孔、30 A的直流電、硅電極、石英絕緣管，其中圓柱型小孔通過(guò)激光鉆孔得到。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)硅電極存在軟化、被侵蝕的問(wèn)題，探頭的壽命僅40min，為此，改用耐高溫的石墨作為內(nèi)部電極。Guthrie等[26]在隨后的文章中也指出鋼中LiMCA設(shè)備的計(jì)數(shù)結(jié)果只對(duì)于較大的夾雜物（＞20μm）才較準(zhǔn)確。對(duì)于探頭的實(shí)際操作問(wèn)題，日本Heraeus Electro-Nite和Sumitomo Metal Industries提出了“一次性”取樣探頭。其中著名的ESZpas（electric sensing zone-particle analyzer system）探頭如圖11[27]所示，腔體由封閉式石英管構(gòu)成，并帶有推進(jìn)式連接器。石英管內(nèi)部的鋼管作為陽(yáng)極，同時(shí)也是抽真空時(shí)的氣體導(dǎo)管。小孔位于浸入端附近。腔內(nèi)有兩對(duì)從鋼管延伸出來(lái)的鋼棒，一對(duì)作為內(nèi)部電極，另一對(duì)則作為體積調(diào)節(jié)裝置。ESZpas有兩個(gè)針對(duì)高溫金屬液的設(shè)計(jì)：1）當(dāng)探頭浸入鋼液時(shí)，外部電極的保護(hù)帽融化，釋放出來(lái)的熱量加熱電極，避免了冷電極與高溫鋼液的直接接觸；2）鋼液進(jìn)入石英腔時(shí)，釋放的熱量融化一段銅線圈并與之形成合金，根據(jù)合金熔點(diǎn)低于組分金屬的規(guī)律，避免了內(nèi)部電極遭受過(guò)高溫的沖擊。ESZpas設(shè)備已經(jīng)在很多工廠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，圖12為連鑄工藝不同時(shí)刻取樣得到的1 kg鋼液中夾雜物的尺寸與數(shù)量的統(tǒng)計(jì)直方圖[1]。ESZpas的測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到25μm，應(yīng)該著重指出的是，雖然ESZpas經(jīng)過(guò)了大量的實(shí)驗(yàn)室和工廠測(cè)試，但市場(chǎng)上迄今為止仍未出現(xiàn)商業(yè)產(chǎn)品，由此可見(jiàn)，LiMCA高溫測(cè)量的可靠性尚未得到徹底解決。

圖11　鋼液中ESZpas探頭示意圖

LiMCA技術(shù)在鋼液中的應(yīng)用還存在其他問(wèn)題，譬如小孔熔化變形[1]。另外，出于成本考慮，鋼液過(guò)熱度應(yīng)＜15℃，這樣石英腔的填充率會(huì)很低，取樣量過(guò)小，計(jì)數(shù)結(jié)果的準(zhǔn)確性差。

4　LiCMA的優(yōu)劣性

一方面，現(xiàn)在常用的檢測(cè)方法都有一定局限性，相較而言LiMCA有很大的優(yōu)勢(shì)。如超聲波法是根據(jù)反射波來(lái)探測(cè)金屬液內(nèi)的情況[28-30]，該技術(shù)的檢測(cè)水平強(qiáng)烈依賴于超聲波的頻率，目前能檢測(cè)的最小夾雜物尺寸僅為60μm[31]，而且檢測(cè)成本很高；圖像法是凝固少量金屬液，然后利用高倍金相顯微鏡和圖像分析儀，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)來(lái)分析和評(píng)定的方法，該法耗時(shí)長(zhǎng)，不能及時(shí)將結(jié)果反饋到冶金工藝中，而且測(cè)量結(jié)果是二維信息，夾雜物的尺寸和體積濃度只是半定量的結(jié)果；過(guò)濾法是靠真空抽取一定體積的金屬液，通過(guò)過(guò)濾片分離夾雜物來(lái)獲取分析樣的一種方法[32]，是一種非連續(xù)的離線檢測(cè)方法。而LiMCA不僅兼具原位、在線、定量等優(yōu)點(diǎn)，而且監(jiān)測(cè)水平低至15μm。

圖12　某連鑄工藝過(guò)程中每1kg鋼液中含有的夾雜物尺寸和數(shù)量的統(tǒng)計(jì)直方圖

圖13　洛倫茲力微顆粒測(cè)量原理圖

另一方面，LiMCA從原理上看是接觸式的測(cè)量，雖然已成功應(yīng)用于鋁熔體及熔點(diǎn)低于鋁熔體的合金液，但對(duì)于高溫金屬熔體（＞1000℃），LiMCA遇到了嚴(yán)重的問(wèn)題：高溫環(huán)境下，電極熱腐蝕快，小孔通道熱變形大。大多數(shù)措施的效果都極為有限，很難獲得穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。此外，Coulter原理的測(cè)量對(duì)象為電解質(zhì)溶液，不能用于檢測(cè)固體導(dǎo)體中的夾雜物，這些問(wèn)題從根本上限制了LiMCA的應(yīng)用。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高溫測(cè)量的挑戰(zhàn)性難題，王曉東等提出了洛倫茲力微顆粒（相當(dāng)于夾雜物）探測(cè)原理［33-34］，并進(jìn)行了相關(guān)原型實(shí)驗(yàn)，證明了該原理對(duì)于微米級(jí)顆粒檢測(cè)的有效性。該原理如圖13[35]所示，運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體經(jīng)過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)（一般由永磁體產(chǎn)生），在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦電流，渦電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生洛侖茲力，當(dāng)無(wú)缺陷的導(dǎo)體穿過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，電磁力不變，如圖13（a）所示。當(dāng)含有微顆粒的導(dǎo)體經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，渦電流分布變化（非導(dǎo)電顆粒內(nèi)不存在感應(yīng)渦電流），洛侖茲力也變化，同理，作用在磁系統(tǒng)上的反作用力（F1）變化，該瞬變過(guò)程表現(xiàn)為一個(gè)負(fù)向的脈沖信號(hào)，如圖13（b）所示，由此獲得缺陷信息。該法的關(guān)鍵應(yīng)用難點(diǎn)有：1）對(duì)于微米級(jí)顆粒，測(cè)得的力為μN(yùn)級(jí)甚至更小，這涉及微小力測(cè)量問(wèn)題；2）測(cè)量過(guò)程與高溫環(huán)境兼容問(wèn)題。解決上述的問(wèn)題后，利用該法有望開(kāi)發(fā)出一種適合任何金屬熔體的金屬液純凈度監(jiān)測(cè)新方法。

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（編輯：莫婕）

In situ，online and quantitative monitoring of liquid metal cleanliness method -review and prospect of LiMCA

LIAO Yanfei1，2，WANG Xiaodong2，NA Xianzhao1
（1. State Key Laboratory of Advanced Steel Processing and Products，Central Iron and Steel Research Institute，Beijing 100081，China；2. College of Materials Science and Opto-electronic Technology，University of Chinese Academy Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract:The in situ，online and quantitative monitoring methods for metal liquid cleanliness have always been coveted by the metallurgists because of their practical significance. In this thesis，the authors have reviewed the operating theory，developing history，research instruments，technical features and industrial applications of the LiMCA（liquid metal cleanliness analyzer）technology developed by the Canadian McGill University and have systematically elaborated the domestic and foreign research findings of this technology gained in the last three decades. At present，the technology has been applied in the aluminum industry，but some critical problems occurred when it was used in iron and steel and other high-temperature melts. In the end，the authors have pointed out that this technology is unfit for high -melting -point melt because of its inherent deficiencies（contact-based measurement principle）and alternatively proposed the Lorentz force particle analyzer（LFPA），a non-contact electromagnetic induction method expected to solve the problems in monitoring the cleanliness of high temperature liquid metals.

Keywords:liquid metal cleanliness analyzer；cleanliness of molten metal；inclusion detection；resistance pulse；electromagnetic field measurement

通訊作者：王曉東（1972-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事材料電磁過(guò)程方面的研究。

作者簡(jiǎn)介：廖艷飛（1990-），女，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榻饘僖杭儍舳葯z測(cè)及連鑄坯振痕檢測(cè)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目（111800M105）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51374190）

收稿日期：2015-07-10；收到修改稿日期：2015-09-21

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.001

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0001-08