极端高温连铸场景下，如何实现±1mm钢水液位高精度监测与智能控制？【冶金传感器选型】

1. 钢水液位的基本结构与技术要求

在冶金连铸生产中，钢水液位指的是结晶器内熔融钢水表面的高度。想象一下，结晶器就像是一个没有底的模具，高温钢水从上方的大包或中间包源源不断地注入，并在这个模具里逐渐冷却凝固，形成连铸坯。钢水液位就是这个模具里液态钢水的高度。

精确控制钢水液位至关重要，它直接关系到连铸坯的质量和生产过程的稳定性。如果液位过高，钢水可能会溢出，造成安全隐患和设备损坏；如果液位过低，钢水表面暴露在空气中的时间过长，容易氧化，形成夹杂物，影响铸坯表面和内部质量，甚至可能导致保护渣层破裂，引起“漏钢”事故。此外，液位的波动还会影响铸坯的凝固过程和冷却效果，最终导致铸坯出现裂纹、缩孔等缺陷，降低产品的良品率。

因此，对钢水液位的测量，不仅要做到实时、连续，更要达到极高的精度，通常要求控制在±1mm以内。这意味着传感器必须能够在这种极端恶劣的、高达1500℃以上的环境中，稳定可靠地提供毫米级的距离数据。这种精度要求，就像是要求你在几百米外用一根细绳测量一个水杯里的水位波动，并且误差不能超过一根头发丝的粗细。这无疑是对测量技术的巨大挑战。

2. 钢水液位相关技术标准简介

对于钢水液位监测，相关的技术标准主要关注以下几个核心参数的定义和评价方法，以确保生产过程的稳定性和产品质量：

• 实际液位 (Actual Level)： 指传感器实时测量到的钢水表面相对于某一固定基准点的高度。这是最直接的测量值。

• 目标液位 (Target Level)： 生产工艺预设的理想钢水液位值。所有控制系统都会努力将实际液位维持在这个目标值附近。

• 液位偏差 (Level Deviation)： 实际液位与目标液位之间的差值。评价时通常会设定一个允许的偏差范围，例如±1mm，超出这个范围就认为液位失控。

• 液位波动范围 (Level Fluctuation Range)： 在一定时间窗口内，实际液位的最大值与最小值之差。波动范围越小，说明液位控制越稳定。

• 液位稳定性 (Level Stability)： 用于衡量液位在特定时间段内保持目标值的程度。可以通过统计学方法，如标准差或均方根误差 (RMSE) 来评价。更小的标准差意味着更高的稳定性。

• 响应时间 (Response Time)： 测量系统从钢水液位变化到传感器输出相应信号所需的时间。在连铸这种动态过程中，快速响应是实现精确控制的关键。

这些参数的评价通常通过连续采集液位数据，然后进行实时或离线的数据分析来完成。例如，通过绘制液位随时间变化的曲线，可以直观地观察液位波动情况；通过计算平均偏差和标准差，可以量化液位控制的精度和稳定性。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

3.1.1 激光飞行时间法（Time-of-Flight, TOF）/相位差法测距

这种技术就像是利用声音回波来判断距离，只不过它用的是光速极快的激光。传感器发射一个激光脉冲（或连续调制的激光），激光束以光速传播，照射到钢水表面后反射回来。传感器接收到反射光后，通过精确测量激光从发射到接收所需的时间（飞行时间），或者测量发射光和接收光之间的相位差，就能计算出传感器到钢水表面的距离。

其物理基础是光速恒定不变。对于飞行时间法，距离 D 可以通过以下公式计算：

D = (c * t) / 2

其中： * D 是传感器到目标物体的距离。 * c 是光在介质中的传播速度（在空气中约3 x 10^8 米/秒）。 * t 是激光信号从发射到接收所花费的总时间。之所以除以2，是因为激光要经过去和回两次行程。

如果采用相位差法，传感器发射一个连续的、经过调制的激光信号。反射回来的光信号相位会相对于发射信号发生偏移。通过测量这个相位差 Δφ，并结合激光的波长 λ（或调制频率 f），可以计算出距离 D：

D = (Δφ / (2 * π)) * (λ / 2) 或 D = (Δφ / (2 * π)) * (c / (2 * f))

这种方法的核心优势在于其非接触性、测量范围广且精度较高。对于冶金连铸场景，激光测距技术能够提供较长距离的测量，一些产品通过采用冷却系统或特殊材料，可以承受高温环境。此外，激光束具有良好的方向性，不容易受到结晶器内蒸汽、烟尘等环境因素的干扰，能提供毫米级的测量精度。

核心性能参数： * 测量范围： 通常可从几厘米到数百米。 * 精度： 典型精度范围在±1毫米至±10毫米之间。 * 响应时间： 几十毫秒到几百毫秒，一些高端系统测量频率可达250Hz。

优点： * 非接触测量： 不会磨损，不污染钢水，不会影响钢水流动。 * 测量范围广： 适用于连铸生产中多种安装距离。 * 高精度： 能满足±1mm的液位控制要求。 * 抗干扰能力强： 激光束聚焦性好，受环境光、蒸汽、粉尘影响相对较小。 * 耐高温： 传感器本体通常远离高温区域，并通过冷却系统或选材实现耐高温测量。

缺点： * 对反射面要求： 对钢水表面的反射率有一定要求，虽然先进技术已能应对低反射率表面，但剧烈波动的钢水表面和强烈的金属蒸汽可能仍然会影响信号接收。 * 维护成本： 激光发射器和接收器的光学窗口可能需要定期清洁，以确保测量精度。 * 初期投资： 相较于某些简单传感器，初期投入可能略高。

3.1.2 雷达物位测量技术

雷达物位计的工作原理就像是蝙蝠通过发射超声波来定位物体，只不过它发射的是更高频率的电磁波（毫米波）。传感器向钢水表面发射一系列高频电磁波，这些电磁波碰到钢水表面后被反射回来。传感器接收到反射波后，通过测量发射波与接收波之间的“飞行时间”或者“频率差”，来计算出传感器到钢水表面的距离。目前主流的是调频连续波（FMCW）雷达，它通过测量发射信号和接收信号的频率差来确定距离。

其物理基础是电磁波的传播速度在特定介质中也是恒定的。对于FMCW雷达，传感器会发射一个频率线性变化的连续波。反射波的频率会相对于发射波有一个频率差 Δf。距离 D 可以通过以下公式计算：

D = (c * Δf * T) / (2 * B)

其中： * D 是传感器到目标物体的距离。 * c 是电磁波在介质中的传播速度。 * Δf 是发射波和接收波之间的频率差。 * T 是一个扫频周期的时间。 * B 是扫频带宽。

核心性能参数： * 测量范围： 可达数十米甚至上百米。 * 精度： 典型精度范围在±1毫米至±10毫米之间。 * 过程温度： 可耐受极高温度，通常通过天线设计和冷却实现。

优点： * 非接触测量： 不与钢水接触，无磨损，无污染。 * 极强的环境适应性： 雷达波能有效穿透高温蒸汽、粉尘、泡沫，尤其适合连铸这种极端恶劣的工况。 * 不受介质密度、温度、压力变化影响： 测量结果稳定可靠。 * 维护量小： 天线不易结垢，寿命长。

缺点： * 对天线安装位置有要求： 避免内部障碍物对信号的遮挡或干扰。 * 初期投资较高： 相较于其他一些技术，雷达物位计的成本通常较高。 * 部分工况下可能受结晶器壁等干扰： 需要进行信号处理或屏蔽。

3.1.3 激光三角测量技术

激光三角测量是一种高精度的非接触式位移测量方法，它主要用于短距离、高精度的测量。想象一下，你用手电筒照墙壁，从侧面观察光斑，如果手电筒和你的眼睛位置不变，光斑移动就说明墙壁离你远了或近了。激光三角测量就是类似这个原理。传感器内部的激光器发射一道激光束，以一个固定角度照射到钢水表面。反射回来的光通过一个接收透镜，聚焦到一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS/CCD图像传感器上。当钢水液位（即被测表面）发生微小变化时，反射光斑在PSD上的位置也会随之移动。通过精确测量光斑在探测器上的位移量，结合传感器固定的几何参数（如激光发射角度、接收透镜焦距等），就可以精确计算出钢水表面的位移量或距离。

其物理基础是三角几何关系。传感器内部预设一个基线距离 L（激光发射点与接收透镜之间的距离），激光发射角度 α 和接收角度 β。当目标距离变化 ΔD 时，光斑在探测器上的位置变化 ΔX。通过几何关系，可以推导出距离 D 的计算公式，通常是非线性的，并通过内部标定进行修正。简化后的距离变化与光斑位移关系大致如下：

ΔD ≈ (L * sin(α)) / (cos(α) * cot(β) + sin(α))

这只是一个简化示例，实际计算会更复杂，需要考虑多个角度和距离参数，以及透镜成像原理。

核心性能参数： * 测量范围： 通常较短，例如几十毫米到几百毫米。 * 重复精度： 极高，可达微米甚至亚微米级别。 * 采样周期： 极快，可达微秒级别。

优点： * 极高精度和分辨率： 能实现微米级的位移测量，远超毫米级要求。 * 高速响应： 能够捕捉快速变化的钢水液位波动。 * 非接触测量： 避免了对钢水的物理干扰。 * 对目标材料颜色和表面反射率变化有较强的适应性： 尽管激光器和接收器有优化，但对强反光或不均匀表面仍需注意。

缺点： * 测量范围短： 仅适用于安装距离非常近的场景，通常需要将传感器安装在结晶器正上方非常靠近钢水液面的位置。 * 对环境要求高： 钢水表面产生的蒸汽、烟尘、飞溅物会对光学镜头造成污染，影响测量精度和寿命。需要额外的保护和冷却系统。 * 视场角限制： 传感器只能测量其视场范围内的局部液位，无法提供整个液面的综合信息。

3.2 市场主流品牌/产品对比

连铸钢水液位测量需要极高的精度和恶劣环境适应性，市场上涌现出许多优秀品牌。下面我们选择几家在非接触式测量领域有代表性的国际品牌进行比较：

• 日本基恩士 (采用激光三角测量技术) 日本基恩士在工业传感器领域享有盛誉，其LK-G5000系列激光位移传感器是高精度测量的典范。该系列基于激光三角测量原理，能够提供极高的重复精度，例如LK-G502型号的重复精度可达0.005微米，LK-G507可达0.02微米，远超±1mm的液位控制要求。它的测量范围相对较短，如LK-G502为20±3毫米，LK-G507为70±15毫米，这使得它更适用于结晶器内非常近距离的液位微动测量或表面形貌检测。其优势在于极高的精度和高速响应（最快3.9微秒的采样周期），适用于钢板厚度、宽度、位置、轧制间隙等需要亚微米级精度的应用，但对于连铸钢水大范围的液位测量，其短量程和对光学窗口的严格要求是一个挑战。

• 英国真尚有 (采用激光飞行时间法/相位差法测距) 英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，采用激光飞行时间法/相位差法测距技术，最大量程可达500米，测量精度高达±1mm，是一款专为重工业和户外应用设计的产品，尤其适用于连铸钢水液位这种需要中长距离、高精度非接触测量的场景。该系列传感器可以测量高温物体表面距离,实测最高表面温度为1550℃。同时，它能在深色表面和有太阳辐射的户外环境下进行测量，并提供IP65级的防护，可在-40℃至+60℃的环境温度下正常工作，并可配备冷却外壳以应对更高环境温度。高测量速度（高达250Hz）也确保了实时控制的响应需求。它提供多种串行接口（RS232，RS485，RS422，SSI和USB）和高精度模拟输出（0.1%），以及两个可编程数字输出（DO1和DO2），便于集成到现有控制系统中。

• 德国维萨拉 (采用雷达物位测量技术) 德国维萨拉的VEGAPULS 69雷达物位计是冶金等恶劣工况下物位测量的强大选择。它采用80 GHz高频调频连续波（FMCW）技术，测量范围可达120米，在部分工况下精度也能达到±1毫米。其核心优势在于对环境的极强适应性，例如能有效穿透高达+450 °C的过程温度、高粉尘、强蒸汽和泡沫，这些都是连铸现场常见的干扰因素。80 GHz的频率使其具有更好的聚焦性，不易受到结晶器内部构件或罐壁的干扰。雷达技术在恶劣环境下表现出高可靠性和稳定性，且安装维护简便，寿命长，非常适合作为钢水液位测量的主力传感器。

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

在为连铸钢水液位测量选择设备时，以下几个技术指标是必须重点关注的：

• 测量精度和重复性： 这是最核心的指标，直接决定液位控制的最终效果。对于连铸良品率提升，±1mm的精度是基本要求。实际意义： 精度高，意味着测得的液位与实际液位更接近，控制系统就能更准确地调整钢水流量；重复性好，意味着多次测量同一液位时，结果一致性高，避免了随机误差对控制系统的干扰。

• 测量范围： 根据传感器安装位置与钢水液面的距离来确定。连铸现场可能因结构限制，传感器无法紧贴液面，因此需要传感器具备足够长的测量距离。实际意义： 如果测量范围不足，传感器可能无法安装在安全、稳定的位置，或者在液位波动较大时超出测量范围，导致测量中断。

• 耐高温性能： 连铸钢水温度高达1500℃以上，传感器必须能够承受这种极端高温环境，或者通过特殊设计（如冷却装置）保证其长期稳定工作。实际意义： 传感器若不耐高温，将迅速损坏，导致停机维护，严重影响生产效率和成本。

• 环境适应性（抗蒸汽、粉尘、反射、振动）： 连铸车间烟尘弥漫，蒸汽缭绕，钢水表面也可能出现波纹和强反射。传感器需具备强大的抗干扰能力。实际意义： 恶劣的环境会严重影响传感器信号的质量，导致测量数据不准确、不稳定甚至丢失，使得控制系统无法正常工作。

• 响应速度（测量频率）： 连铸过程是动态的，钢水液位会因流量、结晶器振动等因素而快速变化。传感器需要具备足够高的测量频率，以实现实时反馈和闭环控制。实际意义： 响应速度慢，控制系统就无法及时感知液位变化并进行调整，可能导致液位过度波动。

• 防护等级（IP等级）： 反映传感器对外壳防尘、防水的保护能力。连铸现场多粉尘和水汽，高防护等级能保证设备寿命。实际意义： 低防护等级的传感器容易因灰尘、水汽侵入而损坏内部精密部件，缩短使用寿命。

选型建议：

• 对于需要中长距离、高精度且抗高温能力强的场景： 优先考虑激光飞行时间法/相位差法测距传感器。

• 对于极端恶劣、蒸汽和粉尘干扰严重且对穿透力要求高的场景： 建议选用雷达物位测量技术。

• 对于需要超高精度（微米级）且安装距离极短的特殊液位微动监测场景： 可以考虑激光三角测量技术，但需配套完善的冷却和防护系统，以应对高温、粉尘和蒸汽问题。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在连铸钢水液位测量中，即使选择了先进的传感器，实际应用中仍可能遇到一些问题：

• 问题1：高温环境对传感器的影响。

  • 原因及影响： 连铸结晶器区域温度极高，传感器若不具备足够耐温能力或有效冷却，内部电子元件会因过热而失效，导致测量漂移或损坏。

  • 解决方案：

    1. 选择耐高温传感器： 选用本身就具备高耐温能力的传感器。

    2. 配备冷却系统： 为传感器安装水冷或风冷外壳，隔离外部高温。

    3. 优化安装位置： 尽可能将传感器安装在远离热源且通风良好的位置。

• 问题2：蒸汽、烟尘、钢水飞溅物的干扰。

  • 原因及影响： 连铸过程会产生大量水蒸气、金属氧化物粉尘，钢水表面也常有飞溅。这些会遮挡传感器光路或污染光学窗口，降低信号质量甚至中断测量。

  • 解决方案：

    1. 选用抗干扰能力强的技术： 雷达物位计对蒸汽和粉尘有天然的穿透优势。激光传感器可通过更窄的光束和先进的信号处理算法来减少影响。

    2. 安装吹扫装置： 在传感器光学窗口前安装气帘或气刀，用压缩空气持续吹扫，防止灰尘和水汽附着。

    3. 定期清洁维护： 制定并执行严格的传感器光学窗口清洁计划。

    4. 优化传感器视角： 避开钢水飞溅和蒸汽最集中的区域。

• 问题3：钢水表面波动和反射特性变化。

  • 原因及影响： 钢水液面并非完全平整，可能存在波纹、气泡，甚至覆盖保护渣，这些都会导致激光或雷达信号反射不稳定，影响测量精度。强烈的镜面反射也可能导致信号饱和或丢失。

  • 解决方案：

    1. 采用多点测量或平均算法： 通过在不同位置安装多个传感器取平均值，或对单个传感器的多组数据进行滤波和平均处理，来平滑液面波动影响。

    2. 选用具有智能信号处理功能的传感器： 现代传感器内置算法能够识别并处理异常反射信号，优化测量效果。

    3. 调整传感器安装角度： 避免垂直入射导致强镜面反射，适当倾斜角度有时能改善信号接收。

    4. 监测保护渣厚度： 保护渣层厚度变化也会影响液位测量，必要时需引入保护渣厚度补偿机制。

• 问题4：电磁干扰（EMI）。

  • 原因及影响： 连铸车间存在大功率电气设备，会产生强电磁场，可能干扰传感器的电子线路和信号传输。

  • 解决方案：

    1. 选择EMC（电磁兼容性）性能好的传感器： 工业级传感器通常在这方面有严格设计。

    2. 采用屏蔽电缆： 所有信号线应使用屏蔽电缆，并正确接地，防止外部电磁干扰。

    3. 合理布线： 传感器电缆应与大功率电缆分开布线，避免平行和近距离走线。

4. 应用案例分享

• 连铸结晶器液位控制： 在连铸生产线上，高精度液位传感器实时监测结晶器内钢水液位，并将数据反馈给液位自动控制系统，通过调节中间包的塞棒或滑动水口开度，精确控制钢水流量，确保液位稳定在目标范围±1mm以内，显著提高铸坯质量。例如，英国真尚有的LCJ系列激光测距传感器，凭借其高精度和快速响应，能够在此场景中发挥重要作用。

• 中间包液位测量： 在钢水从大包流入中间包，再从中间包流向结晶器的过程中，对中间包的液位进行精确测量，有助于平稳生产节奏，避免钢水溢出或空包，提高连铸作业的连续性和安全性。

• 电弧炉或LF炉内钢水高度监测： 在冶炼后期或精炼过程中，精确测量炉内钢水高度，可以辅助操作人员控制加料量、渣层厚度，优化冶炼工艺，确保钢水质量和生产效率。