微波技术在炼钢领域的应用

　天文学家用微波技术探索宇宙的奥秘已有数十年的历史。同时，这项技术也早已被光谱工作者及专家用于原子及分子化合物的试验室分析。最近，瑞士科研人员与冶金专家一起进行一系列实验，探索微波技术在炼钢领域应用的活力，结果证实，完全可以用微波来量化炼钢过程具体阶段冶炼熔渣的物理化学性能。

　　微波是一种超短波，不但能穿透不同性质的物质，而且穿透后，其幅度、相位及极状态会发生变化。因为这种变化随不同物质而异，所以能表征被穿透物的性质。当向半透明介质发射微波信号时，除部分信号在介质反射外，另有一部分信号穿过介质达到下一个物质表面，在此表面发生折射。信号并非百分之百地折射，折射率与折射表面所在物的介电性能，即介电常数相关(介电性能就是电绝缘性能)。这样就通过折射率的检测探知介电性质，再从介电性质推断出某一物质。这就是用微波检测炼钢熔渣组分的基本原理。

　　实验中所用的试验装置是一座有效容量为150kg的感应加热炉。在炉内，在碳钢钢液表上进行炉渣的熔炼。炉渣是各种组份分别占相应比率的Al2O3－CaO－SiO2固态合成渣，是预先备制的。铺在钢液表面上的渣量是其按熔融状态时的厚度应当是5cm这一要求来确定的。取此厚度是为了满足微波信号得到最佳处理的需要，避免信号折射产生大的误差。

　　在实验炉的选择方面，本应该采用石墨坩锅炉，以免初始炉渣受到来自炉衬耐材磨蚀的污染。但因微波天线的配置形式对炉子尺寸有一定约束(要求天线开口角度需覆盖炉内整个炉渣表面，因而要缩小炉子直径，等等)，加上当时购买不到规格合适的石墨坩锅，因而不得不使用标准酸性或碱性耐火材料作内衬的感应加热炉。

　　为防止炉渣被周围空气氧化，在炉口上放置了一块炉盖，并往炉盖底缘与炉口之间的缝隙喷吹Ar气，使空气不能进入炉内。炉盖是用透明石英玻璃材料制成，既能让微波透过，又能遮挡热辐射。

　　在将固态合成渣铺在炉内钢液表面之前，往钢液里添加铝材料，降低钢液的氧势，将钢、渣之间的氧化反应减少到最低限度。炉渣经加热完全熔化后，在其温度达到1550～1600℃时，开始用微波进行检测。在检测开始时及在检测结束时分别取样，进行化验分析、比较及验证。

　　微波检测的另一独特之处是要设置相应的天线来发射和接收信号。而且为了保证信号的最佳处理效果，还必须将天线置于最合适的部位，以防止来自其它方面的干扰。检测中所采用的微波频率是经多次反复试验选定的，分别为2～6千兆赫，4～8千兆赫及6～10千兆赫这3种频段。

　　为进一步了解炉渣各种组份的性质，对各种氧化物的性质进行了X射线衍射分析。氧化物可分为离子氧化物和共价键氧化物。金属氧化物属离子氧化物，其导电性好、粘度低，而共价键氧化物相反，导电性差、粘度高。这种特点对微波检测有特殊意义，因为其氧分子的化合可产生SiO2、P2O5及Al2O3三维网状组织，并在熔化后仍保持这结构形态。

　　实验结果表明：虽然炉衬耐火材料磨蚀对初始炉渣组份有较大影响，且有些初始炉渣质量欠佳，但总的来看，炉渣各组份的折射率有随炉渣碱度增高而增高的走势，并导致微波检测命中率的下降。

　　研究中取得的另一关键成果是弄清了所用微波频率范围对炉渣组份检测效果有重大影响。频率的高低直接关系到折射率的鉴别功效，甚至决定炉渣组份检测的成败。实验证明，从较低到较高不同频段的折射结果相差很远。在频率较高的14～18千兆赫这一频段范围内几乎无折射反应，而大多数命中的折射检测结果(不包括模糊的折射反应)是在2～6及4～8千兆赫这2个频率较低的频带范围获得的。

　　综上所述可以看出，在现代高技术炼钢领域里，微波技术很有希望成为重要的在线过程控制手段，只是在达到这一实际目标之前，尚有一些问题亟待解决，需进行更细致的研究，特别是要进一步查明具体炉渣组份对微波不同频率的反应特征。为此，瑞士专家已制定新一轮实验计划，目前已设计出适合微波检测要求的特殊几何形状的大型石墨坩锅实验装置，并正在进行这一装置的制造及安装。