X射線測厚儀在熱軋板帶中的應(yīng)用

(寶鋼特種材料有限公司，上海 200940)

0 引言

寶鋼特材公司熱軋廠作為國內(nèi)第一條特殊鋼板帶生產(chǎn)線，于2009年建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)鈦及鈦合金、鎳基耐熱合金、精密合金、特殊不銹鋼、低磁鋼、耐磨鋼、工模具鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼的鋼板及鋼卷，年設(shè)計產(chǎn)量鋼板17.3萬t、鋼卷10.92萬t。

板帶的厚度是板帶熱軋生產(chǎn)中最重要的參數(shù)之一，板帶成品的質(zhì)量主要取決于板帶縱向厚度公差。作為熱軋板帶軋機基礎(chǔ)自動化功能的一個重要組成部分，測厚儀對軋鋼厚度控制起到至關(guān)重要的作用，測厚儀為軋機自動厚度控制提供測量值與設(shè)定值偏差信號，其精確的厚度測量功能是保證軋機厚度控制有效、正確的基本條件。

特材公司熱軋廠軋線上測厚儀是從德國IMS公司引進的X射線厚度測量裝置，其安裝在精軋機前。它是一種以X射線為載體的透射式非接觸式厚度測量系統(tǒng)，在不接觸和無破壞的條件下完成板帶厚度測量，厚度測量范圍為1.0～40.0 mm。該儀表具有響應(yīng)速度快、噪聲低(2σ≤±0.1%，其中，σ用于統(tǒng)計平均誤差百分比指標(biāo)，表明誤差正態(tài)分布情況)、測量精度高(≤±0.1%)、穩(wěn)定性好(8 h漂移≤±0.1%)等特點。

1 X射線測厚儀構(gòu)成與測量原理

1.1 X射線測厚儀構(gòu)成

X射線測厚儀主要由移動C型架、中央主控柜、水冷柜、報警裝置、就地操作箱組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 X射線測厚儀系統(tǒng)框圖

C型架包括機械行走機構(gòu)、X射線發(fā)生裝置(X射線管、高壓發(fā)生器、高壓電纜)、X射線檢測裝置(電離室探測器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器)。其中，X射線發(fā)生裝置產(chǎn)生X射線，電離室探測器接收X射線并轉(zhuǎn)換成微弱電流信號，放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng)以太網(wǎng)上傳至主控柜。

中央主控柜包括M-Server、M-Client、X射線控制器、交換機、Interbus總線。中央控制柜用于對測厚儀進行顯示、控制、監(jiān)視，并與上位機進行通信，接收上位機下發(fā)的被測板帶信息(如軋?zhí)?、軋制道次、軋制厚度目?biāo)值等)及上傳板帶測量厚度值。

水冷柜包括冷卻水外循環(huán)系統(tǒng)和內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)及吹掃系統(tǒng)。水冷柜用于對測厚儀系統(tǒng)進行冷卻和吹掃。

報警裝置包括一組不同顏色的警燈，指示X射線工作狀態(tài)，提醒人員防止射線傷害。

就地操作箱現(xiàn)場控制C型架行走和X射線屏蔽門的開關(guān)，其主要在檢修和厚度標(biāo)定時使用。

1.2 X射線測厚儀測量原理

作為穿透式測厚儀，X射線測厚儀是根據(jù)射線被板帶吸收的原理制成的，其測量原理圖如圖2所示。

圖2 測量原理圖

X射線管在高壓電場作用下產(chǎn)生X射線，當(dāng)X射線照射到被測材料時，一部分射線被被測物吸收，另一部分射線穿透被測物。穿過被測物的射線強度與被測物的厚度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 射線強度與穿透物厚度關(guān)系曲線

射線透過被測物作用到電離室，在電離室被激發(fā)電離，得到微弱電信號。該電信號經(jīng)前置放大和對數(shù)放大后，進行線性化、濾波處理，并給予材質(zhì)、溫度等相關(guān)補償后，經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至過程計算機顯示，從而得到被測板帶的厚度值。

X射線透射過被測物后被吸收的規(guī)律遵守朗伯-比耳定律[1]，即：

Im=I0e-μs=I0e-μmρs

(1)

式中：I0、Im分別為穿過被測板帶前后的射線強度；μ、μm分別為被測板帶線性吸收系數(shù)和質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ為被測板帶密度；s為被測板帶厚度。

當(dāng)被測板帶材質(zhì)一定時，質(zhì)量吸收系數(shù)μm和密度ρ一定，維持入射X射線強度，則通過檢測可得到Im，從而可計算出被測板帶的厚度s。這就是透射式X射線測厚儀的測量原理。

2 測量精度影響及補償

X射線測厚儀作為非接觸式測量裝置,存在很多影響測量精度的因素，具體包括：①外部使用環(huán)境，如C型架測量通道空間溫度變化、被測板帶表面氧化鐵皮和水、測量窗口清潔等；②被測材料測量位置，如鋼板高度位置平行變化、鋼板的傾斜等；③測厚儀本身，如X射線穩(wěn)定性(即X射線管管電壓、管電流穩(wěn)定)、測量元件可靠性及信號處理穩(wěn)定性；④被測板帶溫度、被測板帶材料。這些影響都需要在測厚儀測量信號處理中進行校對、修正及補償。對于X射線光測厚儀來說,被測材料的不同對測量結(jié)果的影響是最大的。因此，本文著重介紹不同被測材料對測量結(jié)果的影響原因、測量時采取的相應(yīng)補償措施和修正方法。

2.1 質(zhì)量吸收系數(shù)

質(zhì)量吸收系數(shù)μm的意義是1個光子被1 g物質(zhì)吸收的概率。試驗證明，元素的質(zhì)量吸收系數(shù)可近似用式(2)表示：

μm=CNZ4λ3/A

(2)

式中：N為阿伏伽德羅常數(shù)，為6.02×1023l/mol；A為元素的質(zhì)量數(shù)；Z為元素的原子序數(shù)；λ為射線的波長；C為常數(shù)，在有限的波長與有限的原子序數(shù)范圍內(nèi)它是一個常數(shù)。

對由多元素組成的物質(zhì)，μm與物質(zhì)的物理和化學(xué)狀態(tài)無關(guān)，僅與組成物質(zhì)各元素的原子序數(shù)和射線的波長(或光子能量)有關(guān)。由多元素組成的物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)為：

μm=G1μm1+G2μm2+G3μm3+…

(3)

式中：G1、G2、G3為各元素重量百分含量；μm1、μm2、μm3為各元素質(zhì)量吸收系數(shù)。

由式(2)可知，質(zhì)量吸收系數(shù)與X射線的波長有關(guān)，X射線管發(fā)出的X射線是連續(xù)譜線，因此這里的質(zhì)量吸收系數(shù)μm是一個等效平均值。由于μm與X射線管電壓的三次方成反比，為了使質(zhì)量吸收系數(shù)μm為常數(shù)，必須維持X射線管管電壓穩(wěn)定[1]。這是保證X射線測厚儀測量準(zhǔn)確的條件。

2.2 合金成分補償

由式(2)與式(3)可知，質(zhì)量吸收系數(shù)還與板帶的組成元素及各元素百分含量有關(guān)。因此，當(dāng)被測板帶的成分發(fā)生變化時，導(dǎo)致其密度ρ發(fā)生變化，質(zhì)量吸收系數(shù)μm也相應(yīng)變化，從而使被測板帶對射線的吸收能力發(fā)生變化，導(dǎo)致厚度測量值的變化[2]。如果要確保X射線測厚儀測量精確，必須考慮被測板帶成分變化(也稱合金成分變化)對測量結(jié)果造成的影響。測厚儀必須對質(zhì)量吸收系數(shù)μm和密度ρ的乘積進行修正，采取相應(yīng)補償方式，才能降低合金成分變化對測量精度的影響。這種補償其實是對線性吸收系數(shù)μ的修正,也稱為合金成分補償。

X射線測厚儀X射線管產(chǎn)生的X射線是連續(xù)譜，低能量部分容易被物質(zhì)所吸收，在采用低能量范圍的X射線測厚儀中，某個特定元素的原子序數(shù)也是起作用的。由于不同原子序數(shù)的吸收能力是不同的，在計算合金補償系數(shù)時，既要考慮被測板帶不同合金成分元素密度對厚度測量精度的影響，又要考慮原子序數(shù)的變化對厚度測量精度的影響，因此對這兩個影響因素(不同成分原子序數(shù)和元素的密度)都要進行補償。補償前后厚度關(guān)系如下：

s=s′/AI

(4)

式中：s為合金補償后板帶厚度值；s′為純鐵板帶材料測量測得的厚度值；AI為板帶合金成分補償系數(shù)。AI的表達(dá)式為：

AI=AI(ρ)AI(z)

(5)

式中：AI(ρ)為被測板帶密度變化補償系數(shù)；AI(z)為被測板帶合金成分原子序數(shù)變化補償系數(shù)。

當(dāng)測量純鐵板時無需合金補償，如用德國IMS公司提供標(biāo)準(zhǔn)純鐵樣板對測厚儀進行標(biāo)定時，AI值必須設(shè)置為1。

AI(p)=1+∑{G%(x)×[AI(p)-cor(x)]}

(6)

AI(z)=1+∑{G%(x)×[AI(z)-cor(x)]}

(7)

式中：G%(x)為x元素在板帶中的重量百分比系數(shù)；AI(ρ)-cor(x)為變量“x元素的密度”的函數(shù)，表示x元素的密度修正系數(shù)，AI(ρ)-cor(x)=(x元素的密度/鐵的密度)-1；AI(z)-cor(x)為變量“x元素的質(zhì)量吸收系數(shù)”的函數(shù)，表示x元素的原子序數(shù)修正系數(shù)，AI(z)-cor(x)=(x元素質(zhì)量吸收系數(shù)/鐵元素質(zhì)量吸收系數(shù))-1。

2.3 合金成分補償方式實現(xiàn)

德國IMS公司的X射線測厚儀合金補償功能通過下列方式實現(xiàn):軋制前通過上位機下發(fā)當(dāng)前軋制板帶的合金成分和成分百分比含量，測厚儀系統(tǒng)根據(jù)式(4)～式(7)自動求得合金成分補償系數(shù)，完成合金補償功能。

針對每一被測板帶合金成分和各成分所占百分比，通過采集相應(yīng)冶煉爐次鋼水的實際檢驗測量數(shù)據(jù)來進行合金補償，能夠反映板帶合金成分構(gòu)成的真實情況。這在一定程度上減小了合金成分變化吸收補償系數(shù)造成的帶鋼厚度測量偏差[3]。

2.4 合金成分補償系數(shù)修正

在實際軋制生產(chǎn)中，對碳鋼及一些含鐵成分百分比含量大的被測合金板帶，采用上述合金成分補償方法，可以得到較好的測量精度。但使用中發(fā)現(xiàn)對有些含鐵成分百分比含量遠(yuǎn)偏離純鐵材料(如鈦合金板帶等)的被測合金板帶，采用IMS自動求得的合金成分補償系數(shù)進行測量時，所得厚度有一定偏差。這是因為IMS的X射線測厚儀合金成分補償方法是基于純鐵材料的；同時即使同一鋼種，不同冶煉爐次材料合金成分和成分百分比含量也不一定相同，也有一定偏差。因此，還必須對IMS計算機給出的合金成分變化補償系數(shù)進行修正。修正方法如下。

事先準(zhǔn)備一塊已知合金成分的(300 mm×300 mm左右)某一鋼種樣板，用千分尺測量出其平均厚度a，在校正純鐵狀態(tài)下(合金補償系數(shù)設(shè)置為1的情況下)，用X射線測厚儀測量上述樣板的厚度b，得出一個修正合金成分補償系數(shù)：

A=a/b

(8)

在軋制這種合金鋼種板帶時，上位機下發(fā)的X射線測厚儀合金成分百分比含量與樣板合金成分百分比含量存在偏差，從而得到糾正系數(shù)K，最終的合金成分補償系數(shù)為：

AI′=KA

(9)

在X射線測厚儀計算機合金補償編輯器畫面上新建這個鋼種代碼，在合金成分表上輸入上述樣板合金元素百分比數(shù)，再輸入上述手工修正系數(shù)A。正式軋制這種鋼種時，測厚儀計算機根據(jù)上位機下發(fā)的被測板帶合金成分(來自冶煉廠鋼水檢化驗數(shù)據(jù))，自動計算出被測材料糾正系數(shù)K和最終合金補償系數(shù)AI′。

3 實施效果

特材公司熱軋廠軋制某一新試合金材料，在同樣測量條件下，測厚儀使用上位機發(fā)來的新試材料合金成分和成分百分比含量，算出合金補償系數(shù)和修正后的合金補償系數(shù)，經(jīng)X射線測厚儀測量得到的被測板帶中心厚度如圖4所示。

圖4 合金補償系數(shù)修正前后測量厚度曲線

觀察圖4所示測厚儀厚度測量曲線記錄可知，按修正后合金成分補償系數(shù)進行板帶厚度測量，板帶測量厚度偏差明顯減少，測量厚度平均偏差小于10 μm，測厚精度小于0.1%，達(dá)到了很好的測量精度。

4 結(jié)束語

結(jié)合X射線測厚儀測量原理，討論了測厚儀厚度測量精度影響因素，重點分析了被測材料合金成分對測厚儀測量精度的影響，并提出了合金成分補償消除措施及合金成分補償系數(shù)修正方法。

實際應(yīng)用表明，該修正方法明顯提高了X射線測厚儀測量精度，為板帶的自動厚度控制軋制提供了良好的技術(shù)保證，大大提高了板帶產(chǎn)品質(zhì)量，具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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