本发明通常涉及电磁连续铸造工艺中测量熔融金属高度(level of molten metal)的装置和方法，更具体地说，涉及在电磁连续铸 造工艺中使用交流电磁场，测量熔融金属表面高度的装置和方法。

正如本领域技术人员所熟知，电磁连续铸造工艺技术通过熔融金 属表面施加电磁场，并使用电磁力和由施加的电磁场(applied magnetic field)产生的焦耳热来铸造熔融金属。在这项技术中，最 初被固化的一部分熔融金属受到焦耳热的加热，然后慢慢冷却，导致 在熔融金属表面下形成一层薄的、初始呈固态的壳，因此很难形成振 动印记(oscillation mark)(OM)。此外，由于铸造模型和熔融金属表 面间的接触角度由于电磁力而增加，这层初始呈固态的壳较少受到铸 模振动的影响，使铸造产品的表面特性得到改善。另一方面，与现有 的工艺不同的是，这种电磁连续铸造工艺适用于通过熔融金属的自由 表面(下文中引用为表面)施加强交流电磁场。现有的工艺的电磁场 是通过交流电作用于放置在铸造模型外的感应线圈产生的，而熔融金 属表面将放置于此。

在上述电磁连续铸造工艺中，熔融金属的表面是决定铸造产品表 面状态的重要因素，因此，必须加以细致地控制以保持铸造产品表面 状态良好。由于这个缘故，精确地测量熔融金属表面的高度就非常重 要。在熔融金属表面超出所要求高度的情况下，会在连续铸造产品表 面上形成明显振动印记，这会导致在随后的工艺中出现一系列缺陷。 从这点上看，与普通的铸造工艺相比，在电磁连续铸造工艺中对熔融 金属的表面高度的管理必须更加严格。本领域众所周知，当熔融金属 表面与感应线圈顶部的高度相一致时，铸造产品表面的特性最优。

为了测量现有的钢连续铸造工艺中熔融金属表面的高度，已有的 通常方法包括：使用不能穿透熔融金属的放射性射线；使用涡流传感 器(美国专利号：4567435,1987年)；使用静电电容传感器(美国专 利号：4555941,1985年)等。然而，因为这些测量装置加热受限或 空间受限，这些方法不能用于在熔融金属表面区域有强交流电磁场处 的电磁连续铸造工艺。基于涡流传感器的方法能很好地测量熔融金属 表面高度，但它的缺点在于涡流传感器需安置于铸模内部。也就是说， 在电磁连续铸造工艺中把强电磁场施加于熔融金属表面区域时，涡流 传感器会因磁饱和而失去其传感器的功能。基于静电电容传感器的方 法在空间上严格受限，因为在电极和熔融金属表面距离之间导电材料 不会必然对电位产生影响。此外，由于在铸造熔融金属过程中，熔融 金属表面粉末的介电常数会对静电容量传感器产生相当大的影响，所 以传感器输出会随着粉末厚度变化而变化，导致在很大范围内产生误 差。而且，需安装在离熔融金属表面较近的导电材料，会在电磁连续 铸造过程中被强电磁场感应加热，从而导致传感器失效。同样，在基 于放射性射线的方法中，由于电磁场感应加热使得建议使用的装置无 法发挥其功效。

为在电磁连续铸造过程中测量熔融金属表面的高度，其他已有的 可用方法包括：利用外部感应线圈的频率变化，施加电磁场(美国专 利号：4446562,1984年)；使用感应线圈的电感的变化(日本专利公 开出版号：平成6-122056)等。电磁连续铸造装置的电负载包括感 应线圈、铸造模型、熔融金属等。这些电负载基本上随着熔融金属表 面高度改变而改变。其结果是，电源到感应线圈的电压和相关的电流、 电感、频率发生变化。前述方法适用于使用这种现象测量熔融金属表 面高度。然而只有当熔融金属表面位于感应线圈范围内时才有优良的 测量性能，但是当熔融金属表面超出感应线圈范围时测量性能会急剧 降低。这就要求将熔融金属表面的测量带限定在感应线圈范围内。

解决这一问题的方法之一就是通过在感应线圈上安装辅助线圈来 延伸熔融金属表面的测量带。在这一方法中测量带的界限是由两个线 圈定义的(参见铁和钢(Iron and Steel),84卷，625页，1998年)。 在一种使用检测线圈测量感应线圈电感的变化的方法中(参见日本专 利公开出版号：平成6-122056)，检测线圈的测量值将电流的自变化 造成的影响引入到感应线圈的电流中。结果，在没有纠正这种变化的 情况下，将测量值应用到熔融金属表面高度的精确测量中是不合理 的。

另一种方法是使用磁场传感器(韩国专利申请号：99-28920)。 这种方法可应用到电磁连续铸造过程中的熔融金属表面高度测量，磁 场传感器有很好的灵敏度和宽的检测带。然而在感应线圈的电流有严 重变化的情况下，会在测量结果中造成相当程度的误差。

据此，本发明谨记现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是 提供电磁连续铸造工艺中用于测量熔融金属表面高度的装置和方法。 本发明能够有效消除电磁连续铸造机器的电源装置产生的噪声成分， 能够有效消除外部噪声成分，能精确测量熔融金属表面高度，并基于 精确测量能提供适用于其他装置的熔融金属表面高度数据。

根据本发明的一个方面，电磁连续铸造工艺中，测量铸模内熔融 金属表面高度的装置通过检测感应线圈施加的磁场和基于熔融金属中 涡流产生的磁场，来完成上述目的和其他目标。这些装置包括：电源 装置，用于向所述感应线圈提供预定交流功率和设置功率变量来指示 所述交流功率中的变化；检测线圈，用于检测感应线圈施加的磁场与 感应磁场的总和；放大/滤波装置，用于将所述检测线圈输出的信号 放大至预定电平以及从所述放大的信号中滤除噪声成分；计算装置， 响应所述放大/滤波装置的输出信号和所述电源装置的功率变量 (power variable)，通过从所述检测线圈检测的所述磁场的总和中消 除由于所述感应线圈的交流功率变化产生的所述施加的磁场成分，检 测熔融金属表面的高度。

根据本发明的另一方面，提供一种用于在电磁连续铸造工艺中的 铸模内测量熔融金属表面高度的方法；该方法通过检测线圈检测感应 线圈施加的磁场与基于熔融金属中涡流的感应磁场的总和测量熔融金 属表面高度；第一步，放大所述感应线圈的输出信号到预定电平，并 滤波所述放大的信号，以滤除其中的噪声成分；第二步，通过从所述 放大和滤波的信号中消除基于所述感应线圈的电流变化的所述施加的 磁场成分，来确定所述熔融金属的所述表面高度。

根据附图，可清晰理解本发明上述目的及其他目的、特性、优点。

图1是本发明用于电磁连续铸造工艺中测量熔融金属表面高度的 装置的结构图；

图2是图1中所示的高度检测装置结构的框图；

图3示出根据本发明施加于熔融金属的磁场与由施加于熔融金属 的磁场在熔融金属中产生的感应磁场的变化；

图4是本发明中熔融金属表面高度的测量结果随感应线圈中电流 变化而变化的图示；

图5是采用本发明对熔融金属表面高度测量结果的实例。

图1是本发明在电磁连续铸造过程中进行熔融金属表面高度测量 的示意结构图。如图所示，表面高度测量装置包括：感应线圈3，安 装在离铸模1有一定距离处，用于响应对其施加的交流电而产生感应 磁场，并将该磁场加于铸模1中的熔融金属4；电源装置7，向感应 线圈3提供交流电流；检测线圈6，用于检测感应线圈3产生的磁场 和根据施加的磁场在熔融金属4中引发的涡流所感应的磁场；高度检 测装置8，根据检测线圈6测量的磁场的总和，测量熔融金属表面高 度。

更进一步，电源装置7可向感应线圈3提供的交流电频率在几十 至几百千赫兹，电流强度在几千安培。另外，感应线圈3产生的磁场 和熔融金属4中涡流产生的感应磁场为同频率的交流磁场。

如果电源装置7向感应线圈3提供交流电，感应线圈3产生的磁 场将穿过铸模1施加于熔融金属4，从而导致在熔融金属4中产生涡 流，同时，涡流又将产生感应磁场。检测线圈6测量施加的磁场与感 应磁场的总和，并根据测量结果对熔融金属表面高度进行测量。

高度检测装置8从来自检测线圈6的高度检测信号中消除噪声成 分，并根据噪声消除后的高度检测信号测量熔融金属的表面高度。高 度检测装置8更适合于稳定控制熔融金属的表面高度，用于固体外壳 的稳定成型，从而提高铸造产品的表面质量。

检测线圈6还可设置成测量与铸模1轴线平行的磁场、与铸模1 轴线垂直的磁场或对与铸模1轴线成任意角度(与铸模1轴线平行的 磁场和与铸模1轴线垂直的磁场的组合)的磁场的测量。为达到测量 上述磁场的目的，检测线圈6可以优选安装在铸模1的上方外侧或感 应线圈上方(即：铸模1的上方周围)。虽然本发明的优选实施方案 中，检测线圈6安装于铸模1的上方周围，本领域的技术人员知道检 测线圈6并不限于这种位置。

图2是图1中高度检测装置8的结构的详细框图。如图所示，高 度检测装置8包括一个绝缘(insulation)放大器9，用于将检测线圈 6的输出信号放大到预定电平。值得注意的是，由于线圈是环形线圈， 并且普通的差分放大器不能消除10伏或10伏以上的共模噪声，所以 在检测线圈6中可能会引入外部强噪声。在这点上，对于系统的保护 和稳定放大而言，绝缘放大器更可取。

同时还应注意到，由于绝缘放大器9的输出信号包含因电源装置 的电气波动造成的噪声成分，所以有必要仅在高度测量所要求的特定 频率范围内，从绝缘放大器9的输出信号中获取信号成分。由于这个 缘故，带通滤波器10用来从绝缘放大器9的输出信号中消除噪声成 分。带通滤波器10的输出信号仍然有交流信号特性。为了利用这个 信号来控制熔融金属表面高度，必须使用均方根(RMS)计算器11或峰 值检波器12将该信号转换成预定时间周期内的直流信号。均方根计 算器11或峰值检波器12的输出信号中仍然含有高频噪声成分。考虑 到这点，低通滤波器13用来将均方根计算器11或峰值检波器12的 输出信号中的噪声成分消除。从检测线圈6中输出的噪声消除的表面 高度检测信号，可能还要根据给定条件进行远距离传输。为此目的， 差分输出转换器14用于将低通滤波器13的输出信号放大至预定电 平。采用模/数转换器15将差分输出转换器14输出的模拟信号转换 成数字信号。最终，模/数转换器15将不含噪声成分的信号发送到算 术单元16。

在模/数转换器15将检测线圈6的测量值转换成数字信号的基础 上，算术单元16用来确定熔融金属的表面高度。在这里，利用检测 线圈6依照将在下文中详细描述的原理检测熔融金属的表面高度。

检测线圈6采用的基本原理是电磁感应。也就是说，通过电磁连 续铸造工艺机器的电源装置向熔融金属施加一个交流磁场，并通过施 加的交流磁场产生一个感应磁场。于是，检测线圈6通过检测所施加 的磁场与感应磁场的总和来测量熔融金属表面高度。

如果一个时变磁场施加于导电材料上，那么会因为与该材料垂直 的磁场B而在导电材料中产生电动势ε，见公式1。于是，会在产生 电动势的电路上形成遵守欧姆定律的感应电流电路。 $ϵ=-\frac{d}{\mathrm{dt}}\underset{c}{\int }B·\mathrm{nda}$

                        公式1

由感应电流产生的感应磁场方向随着外部磁场的变化而变化，这 一外部磁场是为了保持导电材料中的感应磁场恒定而施加于导电材料 的。这样，感应磁场的方向正好同施加的磁场方向相反，这一点可由 公式1中的负号看出。

由于通过测量感应电动势来测量磁场，检测线圈6或许被看作线 圈形磁场传感器更合适。也就是说，检测线圈6通过测量感应磁场来 测量熔融金属表面高度，这一感应磁场取决于熔融金属表面所形成的 电流回路。穿过检测线圈6所环绕的区域的磁通量的时间变化率是以 下两部分的总和，一部分是基于穿过感应线圈的电流施加的磁场Bep 的时间变化率，另一部分是基于熔融金属中感应电流产生的感应磁场 Bip的时间变化率。结果，检测线圈6的输出可由公式2表示如下。 $V1=-\frac{d}{\mathrm{dt}}\underset{c}{\int }(B_p^e+B_p^i)·\mathrm{nda}$

                        公式2

将检测线圈6采用上述方式测得的磁场总和放大至预定电平，并 用上文提到的放大滤波装置消除噪声，然后送至算术单元16以确定 熔融金属表面高度。

基于公式3，算术单元16从磁场总和中消除电源装置提供的电 流所施加的磁场值，以便检测熔融金属表面高度。而熔融金属表面高 度不是取决于所施加的磁场的变化，而是取决于熔融金属表面位置上 的变化。

                        公式3

公式3中，a=C1*V1+C2,b=C3*V2+C4,d=C5*V2+C6,k=C7,V1=磁 场总和，C1,C2,C3,C4,C5,C6和C7=常数，这些常数与电磁连续铸造 系统的结构有关。换句话说，在公式3中，变量a代表检测线圈6的 检测区域中的最低熔融金属表面高度(例如，300mm)，变量b代表最 高熔融金属表面高度(例如，0mm)，当感应磁场曲线图的斜率为k时， 变量d代表表面高度。感应磁场曲线图将在后面详细叙述。

依据电磁连续铸造特性，由感应线圈感应产生的强磁场存在于熔 融金属表面区域。在这一点上，检测线圈同时测量到由感应线圈施加 的磁场和基于熔融金属中涡流的感应磁场。

如前所述，电磁连续铸造装置的电负载和电源装置提供给感应线 圈的电流总量随着熔融金属表面位置的变化而变化。结果，基于感应 线圈电流施加的磁场会有所变化。这一施加的磁场直接受到电磁连续 铸造工艺中感应线圈电流总量变化的影响。由于这个缘故，施加的磁 场成分必须从熔融金属表面的周围测得的磁场中消除掉，以确保在电 磁连续铸造工艺中熔融金属表面高度能够被精确测量。

另一方面，感应磁场既包括当熔融金属表面位置变化时，随着施 加的磁场变化而变化的成分；还包括即使施加的磁场恒定，但却随着 熔融金属表面位置变化而变化的成分。这表明通过确定检测线圈输出 中的变化是由施加的磁场中的变化还是熔融金属表面高度的变化产 生，从而使得熔融金属表面位置能够被精确检测。

本方案中，功率变量V2基于检测线圈输出的感应磁场中的变化， 校正施加的磁场的变化。V2是一个能够代表施加的磁场和从电源装置 向感应线圈提供功率的变量。同时，功率变量V2同熔融金属表面位 置的变化和电磁连续铸造工艺中电负载的变化不相关，并且功率变量 与感应于感应线圈上的电流值一一对应。功率变量V2设置成由电源 装置供给感应线圈的交流电流、电压或功率或许更可取。

图3为比较施加的磁场的变化与感应磁场随熔融金属表面位置变 化而变化的图示。如图所示，检测波段内的施加的磁场区域较窄而感 应磁场的区域较宽。

由公式3可知，电源装置产生的功率变量V2分别包含于变量a， b,d中。这就使在给定铸造条件下消除由于感应线圈电流的自变化和 熔融金属表面位置变化而引发的施加的磁场的变化的影响成为可能。 换句话说，在当前的实施方案中，算术单元通过仅将模/数转换器输出 信号中的表面位置变化所引起的感应磁场的变化值分离，从而测量熔 融金属表面位置。因此，即使在电磁连续铸造过程中存在感应线圈电 流的自变化，算术单元也能稳定地测量金属表面高度。

图4是本发明优选实施方案中，熔融金属表面高度测量结果随感 应线圈电流变化的图示。该情况下，作为电源装置电信号的规定电压 或电流信号被提取出来送入高度检测装置。在提取出电源装置的自信 号之一的整流电压或电流并用于高度检测装置的情况下，如图4所示， 感应线圈电流突变或施加的磁场的突变对熔融金属表面高度的测量没 有影响。由图4可知，熔融金属表面的位置在80到90毫米的范围内 缓慢变化。这是由于铸造过程中，熔融金属表面位置变化可以防止熔 融金属注入口被腐蚀。

图5是采用本发明测量熔融金属表面高度的测量结果实例。如图 所示，与传统铸造方式下的约4毫米的噪声值相比，该发明的测量噪 声值改进到了只有大约0.3毫米。因此，可以说明，采用此发明后高 度的测量精确性被显著提高。另外，高度测量中采用此发明后，测量 值大约每秒振荡一次。该信号基于于铸模的自振荡并代表熔融金属表 面高度的变化。

根据上文描述可以得出结论：采用该发明可以精确的实现对熔融 金属表面高度的测量而不受感应线圈电源中电流和电压变化的影响， 这一点是通过从检测施加的磁场和熔融金属表面位置的变化引起的感 应磁场的检测线圈的输出中消除由于感应线圈施加的磁场成分而实现 的。

另外，采用该发明可对熔融金属表面高度进行高精确度稳定的测 量并将其作为表面高度控制的参考信号。因此，可以提高铸造表面的 质量，同时减少了钢产品的生产周期并节省了能源。

尽管本发明的优选实施方案已经通过图示方法进行了展示，但是 本领域技术人员应知道：不脱离本发明所附权利要求的精神和范围， 该方案可以有不同形式的变形、增加和替代。