IMS x射線測厚儀在天津鞍鋼天鐵1 750 mm軋機(jī)上的應(yīng)用

萬勝茲

（天津鞍鋼天鐵冷軋薄板有限公司，天津 300301）

IMS x射線測厚儀在天津鞍鋼天鐵1 750 mm軋機(jī)上的應(yīng)用

萬勝茲

（天津鞍鋼天鐵冷軋薄板有限公司，天津 300301）

介紹了厚度檢測的幾種方法及應(yīng)用場合，描述了IMS x射線測厚儀的工作原理及其在天津鞍鋼天鐵1 750 mm冷軋中的應(yīng)用。實(shí)踐證明其檢測精度高，運(yùn)行可靠，可滿足生產(chǎn)和工藝要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，在冷軋生產(chǎn)中具有很好的應(yīng)用前景。

測厚儀 x射 線冷軋

1 引言

在冷軋生產(chǎn)過程控制中，要對產(chǎn)品的厚度進(jìn)行精確的控制，需要使用到各種測厚設(shè)備，其檢測到的信號經(jīng)過智能控制單元的前饋、反饋、串級等控制后，達(dá)到目標(biāo)控制精度。因此，其檢測設(shè)備的精度、可靠性、響應(yīng)速度等技術(shù)指標(biāo)直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量。在冷軋生產(chǎn)工藝中，一般都采用x射線測厚儀作為檢測厚度的儀表。德國IMS公司提供的x射線測厚儀是一種以x射線為載體的非接觸式厚度測量系統(tǒng),在不接觸和無破壞的條件下對帶鋼的厚度完成測量，且測量精度能達(dá)到1‰。

2 厚度測量方法

測厚儀一般分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測厚儀通常采用電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電位器式位移傳感器、霍耳式位移傳感器等進(jìn)行接觸式厚度測量，可測量移動(dòng)速度較低的材料。非接觸式測厚儀適用于連續(xù)快速測量，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、維護(hù)相對簡單、故障率低等特點(diǎn)[1]。非接觸式測厚儀按照測量的方式可以分為穿透式、混合式、反射式。接觸式測厚儀機(jī)械磨損塊，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，在冷軋線上基本不使用，在高速的冷軋線上一般采用非接觸式的測量方法。非接觸式測厚儀一般核輻射測厚儀、射線測厚儀、超聲波測厚儀、微波測厚儀、激光測厚儀、光學(xué)測厚儀、氣動(dòng)測厚儀以及紅外線測厚儀等。目前在軋制生產(chǎn)中比較常用和成熟的是射線測厚儀，即γ射線測厚儀和x射線測厚儀。γ射線測厚儀是利用放射性同位素所產(chǎn)生的射線作為測厚儀的放射源，由于放射源的衰減，所以需要隨時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。γ射線是原子核內(nèi)部變化后放射出來的射線，能量較強(qiáng)，可測帶鋼厚度范圍較寬，可測量幾毫米至幾百毫米厚的鋼板，適于中厚板厚度的連續(xù)測量。其射線防護(hù)要求等級相對較高。x射線則是由原子核外產(chǎn)生的，其強(qiáng)度的大小可以根據(jù)加在x射線管上的高壓電壓來選擇，其防護(hù)等級相對簡單，且不用隨時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。在冷軋線上基本都是使用x射線測厚儀。

3 IMS x射線測厚儀工作原理

3.1 x射線產(chǎn)生原理

鎢絲兩端加高壓，鎢絲發(fā)熱，產(chǎn)生大量的熱量，加速鎢絲原子核外電子的高速運(yùn)動(dòng)，在鎢絲表面的能量達(dá)到一定的程度時(shí)，鎢絲表面的電子掙脫原子核對它的引力，脫離金屬表面，向外釋放出電子，由于在射線管兩側(cè)加直流高壓，鎢絲側(cè)為陰極，陽極接地，導(dǎo)致電子向陽極加速運(yùn)動(dòng)，撞擊陽極的特殊材質(zhì)，產(chǎn)生光束，光束中包含有射線[2]。x射線管組成見圖1。

圖1 x射線管組成

3.2 x射線測厚儀檢測原理

放射源和檢測器分別置于被測板材的上、下方，其工作原理見圖2。

圖2 測厚儀工作原理

當(dāng)射線穿過被測材料時(shí)，一部分射線被材料吸收；另一部分則透過被測材料進(jìn)入檢測器，為檢測器所接受。對于入射射線，在其穿透被測軋材以后，射線強(qiáng)度的衰減規(guī)律可用公式（1）表示：

式中，I0為入射射線強(qiáng)度；I為穿過被測材料后的射線強(qiáng)度；μ為吸收系數(shù)；x為被測材料的幾何厚度。

當(dāng)I0和μ一定時(shí)，I是x的函數(shù)。所以，如果測出I，就可知道厚度x值。為此要利用不同檢測器來檢測穿透過來的射線，將其轉(zhuǎn)換為電流量，經(jīng)過放大后用專用儀表指示。但是由于被測材料密度不同，對于相同厚度的材料，其吸收能力也不相同。因此在測厚儀的給定部分設(shè)有合金代碼，以區(qū)別不同的材質(zhì)。

4 IMS x射線測厚儀在冷軋中的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)配置

在天津鞍鋼天鐵冷軋酸洗連軋機(jī)組配置有4套IMS測厚儀，一機(jī)架前后各有一套，五機(jī)機(jī)架后有兩套，冗余熱備。系統(tǒng)選用MxR161型號的金屬陶瓷管，最大承受高壓為160 kV，一機(jī)架前后射線管電壓為85 kV，電流3 mA，測量范圍為1.8～6 mm，測量精度200 μm。五機(jī)架后射線管電壓為65 kV，電流為3 mA，測量范圍為0.25～2 mm。射線管長期工作在最大耐壓的1/2處左右，有效延長射線管的使用壽命。配有1臺(tái)測厚儀的服務(wù)器、1臺(tái)測厚儀的客戶端及1臺(tái)遠(yuǎn)程的監(jiān)控的HMI。各部分通過以太網(wǎng)相連。系統(tǒng)配置見圖3。

圖3 天津鞍鋼天鐵冷軋聯(lián)合機(jī)組系統(tǒng)配置圖

4.2 厚度測量控制系統(tǒng)組成

天津鞍鋼天鐵冷軋厚度測量控制系統(tǒng)主要包括放射源、檢測測裝置、信號轉(zhuǎn)換及處理單元，通過UDP報(bào)文發(fā)送給測厚儀的客戶端，服務(wù)器與客戶端通過以太網(wǎng)通訊，經(jīng)過處理后發(fā)給生產(chǎn)線TDC系統(tǒng)。測量系統(tǒng)組成見圖4。

4.3 冷軋生產(chǎn)中的厚度控制

在酸洗連軋生產(chǎn)中，軋機(jī)出口厚度一般采用C模式控制，5機(jī)架一般只起到表面處理、光整的作用。在該模式下，金屬秒流量控制起著至關(guān)重要的作用。

根據(jù)流量恒定原理，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入軋機(jī)的帶材體積應(yīng)等于軋機(jī)出口帶材的體積。因此，可通過測量軋機(jī)入口、出口速度和入口厚度計(jì)算出軋機(jī)出口厚度，這一計(jì)算厚度與設(shè)定厚度的偏差用于控制軋輥輥縫或軋制壓力，同時(shí)，用出口測厚儀測得的帶材實(shí)際厚度偏差對上述控制進(jìn)行校正。

圖4 測量系統(tǒng)配組成

根據(jù)流量恒定入口金屬體積等于出口體積，則:

根據(jù)公式（2），若軋機(jī)入口速度偏差為Δv0，厚度偏差為Δh0，則可推導(dǎo)出:

式中，v0為入口速度；h0為入口設(shè)定厚度；v1為出口速度；h1為出口厚度。

通過公式（3）可知，如果帶鋼入口實(shí)際厚度與設(shè)定值h0，有一偏差Δh0，可以實(shí)時(shí)給設(shè)定入口速度一個(gè)修正量Δv0，那么入口厚度偏差便得到補(bǔ)償。

5機(jī)架后有2臺(tái)冗余熱備的測厚儀和1臺(tái)激光測速儀，5機(jī)架前沒有測厚儀，但配有1臺(tái)測速儀。在C模式下，5機(jī)架后出口厚度的偏差通過金屬秒流量逐反饋給前一機(jī)架，來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)厚度的控制。

5 結(jié)語

天津鞍鋼天鐵1 750 mm冷軋于2008年5月一次熱負(fù)荷試車成功，其板型控制在5I以內(nèi),軋機(jī)最大出口速度為1 250 m/min。截至2012年1月，IMS x射線測厚儀運(yùn)行可靠，在各種極限軋制過程中也處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，滿足了生產(chǎn)和工藝的要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]宋佩莼，韋光.板帶生產(chǎn)工藝學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[2]許健勇.冷軋薄板的厚度控制與板型高進(jìn)度[J].寶鋼技術(shù)，2001（4）：1-6.

Application of IMS X-ray Thickness Gauge to Tianjin Angang Tiantie 1 750 mm Rolling Mill

Wan Shengzi
(Tianjin Angang Tiantie Cold Rolling Sheet Company Limited,Tianjin 300301)

The paper introduces the methods and application situation of thickness inspection and describes the working principle and application of IMS X-ray thickness gauge at Tianjin Angang Tiantie 1 750 mm Cold Rolling Mill.Practice proves that the gauge,because of its high inspection precision and reliable running,meets the requirement of production and process,obtains good economic effect and has a good prospect in cold rolling production.

thickness gauge,X-ray,cold rolling

萬勝茲，男，工程師，1996年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)，現(xiàn)天津鞍鋼天鐵冷軋公司從事工業(yè)自動(dòng)化控制工作。

（收稿 2012－03－27 編輯 潘娜）