超聲波檢測(cè)技術(shù)在高溫冶金中的應(yīng)用

朱曉會(huì)

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

近些年來(lái)，超聲波檢測(cè)技術(shù)在高溫冶金過(guò)程中有了長(zhǎng)足進(jìn)步，諸如鋼液深度、夾雜物檢測(cè)、鋼液凝固中固液相界位置的確定等等，都可以通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行判定，這對(duì)于高溫冶金工作的更好開展提供了強(qiáng)有力支撐[1]。

1 超聲波檢測(cè)技術(shù)概述

超聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用在道路施工領(lǐng)域最為常見，主要適用于對(duì)高等級(jí)水泥路面路基質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，主要包括樁內(nèi)單孔透射法、樁外孔透射法、樁內(nèi)跨孔透射法等檢測(cè)方法。該技術(shù)方法在實(shí)踐應(yīng)用中具有激發(fā)容易、檢測(cè)工藝簡(jiǎn)單等等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率（20Hz～20KHz）的聲波。超聲波在應(yīng)用于水泥路面的質(zhì)量檢測(cè)中具有穩(wěn)定可靠的表現(xiàn)效果[2]。在常規(guī)狀態(tài)下，超聲波的上限頻率為和下限頻率分別為100KHz和20KHz。

超聲波作為波的一類，在運(yùn)行傳輸過(guò)程中具有波的典型規(guī)律特征。例如，超聲波在材料中的傳播以直接的狀態(tài)進(jìn)行；在兩種不同材料的界面處發(fā)生反射；傳播速度可以用波的傳輸公式進(jìn)行計(jì)算，即ν=λf（ν為波速，λ為波長(zhǎng)，f為波的頻率）。超聲波檢測(cè)技術(shù)的基本原理是：當(dāng)波在材料中的傳播速度越來(lái)越快時(shí)，則說(shuō)明材料的硬度越大；當(dāng)傳播速度較慢時(shí)，則說(shuō)明材料較為松軟。硬度和松軟度則是判斷一個(gè)物體或材料所具有的強(qiáng)度的重要指標(biāo)。因此，人們通過(guò)該原理，發(fā)明出了超聲波檢測(cè)技術(shù)，并最先應(yīng)用在道路質(zhì)量檢測(cè)工作中來(lái)，得到了良好的效果。

2 超聲波檢測(cè)技術(shù)在高溫冶金中的應(yīng)用

2.1 爐壁厚度的測(cè)量

在冶金生產(chǎn)過(guò)程中，所需要的工業(yè)爐的爐壁由耐火材料制作而成，在制作過(guò)程中，對(duì)壁爐厚度的檢測(cè)能夠?qū)Τ暡z測(cè)技術(shù)在高溫冶金中的應(yīng)用效果產(chǎn)生直接的影響?；诔暡夹g(shù)應(yīng)用于金屬材料和非金屬材料時(shí)所產(chǎn)生的傳播速度具有較大的差異，耐火材料則憑借著顆粒大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用超聲波技術(shù)則會(huì)存在著明顯的衰減性，所以當(dāng)調(diào)整至較低的頻率（20千赫～200千赫）進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須要對(duì)以上三類反映材料的數(shù)據(jù)收集齊全，具體的數(shù)據(jù)包括：材料聲學(xué)性質(zhì)、時(shí)間讀數(shù)、衰減讀數(shù)和接收信號(hào)波型。對(duì)于在高溫環(huán)境下的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外所進(jìn)行的研究較少。因此，我們對(duì)壁爐的耐火材料進(jìn)行了常溫單界面檢測(cè)，重點(diǎn)進(jìn)行了厚度檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)，在確定探頭頻率、信號(hào)波形的把控等問(wèn)題上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，從而為檢測(cè)的成功提供了有力的支持。經(jīng)過(guò)此次摸索，我們選定了超聲波脈沖反射法來(lái)對(duì)壁爐厚度進(jìn)行檢測(cè)。其基本操作流程為：當(dāng)超聲波脈沖從被檢測(cè)物體的一側(cè)傳至另一側(cè)時(shí)，在后者中所產(chǎn)生的反射會(huì)傳播至反射面，這時(shí)，超聲波脈沖在傳播過(guò)程中所產(chǎn)生的時(shí)間＊傳播速度的1/2，便可以得出檢測(cè)厚度。

2.2 鋼水溫度的測(cè)量

利用聲學(xué)技術(shù)對(duì)冶金溫度進(jìn)行測(cè)試具有較強(qiáng)的先進(jìn)性和可靠性，特別是適用于特殊環(huán)境下的溫度檢測(cè)，因此也近年來(lái)受到廣泛的重視和應(yīng)用。

在處于高溫或高氣壓的生產(chǎn)環(huán)境中，聲學(xué)溫度計(jì)在測(cè)量中具有較強(qiáng)的靈敏性，能夠順利完成對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)氣、核火箭排氣和汽缸中燃燒等特殊高溫環(huán)境下的溫度測(cè)量工作。在對(duì)鋼水等熔融液的溫度測(cè)量應(yīng)用中，超聲溫度計(jì)具備在非接觸情況下準(zhǔn)確完成測(cè)量的功能，從而也就成為在冶金生產(chǎn)中最佳的溫度檢測(cè)工具。由于冶金溫度較高，通常處于2000℃高溫的環(huán)境下，性能最佳的當(dāng)屬細(xì)線敏感元件超聲溫度計(jì)。在物體中所識(shí)別出的聲速可視為溫度的函數(shù)，在溫度不斷上升的情況下，聲速會(huì)相應(yīng)減小，如果固體長(zhǎng)度固定的情況下，超聲波的傳播時(shí)間會(huì)不斷延長(zhǎng)。這就是所謂的細(xì)線超聲溫度計(jì)的應(yīng)用基本原理。細(xì)線超聲溫度計(jì)的基本零件結(jié)構(gòu)是由超聲波發(fā)射接收電子儀器、超聲換能器、引入線、敏感件等組成。超聲波收發(fā)器所具備的功能是依靠磁致伸縮換能器和引入線向高溫環(huán)境中的敏感元件發(fā)射超聲脈沖來(lái)發(fā)揮出來(lái)的。由于前者在運(yùn)行中能夠產(chǎn)生正逆效應(yīng)，能夠?qū)⑹占瘡拿舾性啥说姆瓷涑龅拿}沖聲波并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最終由儀器完成接收。兩個(gè)脈沖電壓會(huì)相繼讓觸發(fā)器形成翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生與脈沖間隔對(duì)應(yīng)的方波，然后在運(yùn)用高頻計(jì)數(shù)脈沖對(duì)方波進(jìn)行填充，這樣技術(shù)線路便可以顯示相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)溫度也能夠通過(guò)聲速變化、脈沖間隔變化、計(jì)數(shù)脈沖數(shù)這一流程來(lái)完成準(zhǔn)確的讀取。與此同時(shí)，細(xì)線敏感元件超聲溫度計(jì)能夠在高溫情況下完成持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的溫度測(cè)量，對(duì)冶金行業(yè)有著非常理想的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 鋼包內(nèi)鋼液深度與夾雜物的檢測(cè)

超聲波在鋼液內(nèi)的傳播過(guò)程所產(chǎn)生的時(shí)間可以通過(guò)超聲波檢測(cè)儀顯示出來(lái)，傳播時(shí)間＊傳播速度的1/2，便是鋼液的深度。這種測(cè)量深度的方法特別適用于鋼水深度較大的中間鋼包。當(dāng)中間鋼包的鋼水深度即將超出最大標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，超聲波在激烈的運(yùn)動(dòng)下所產(chǎn)生的漩渦必然會(huì)將保護(hù)渣卷入到結(jié)晶器之內(nèi)，在這樣的情形下，鋼的冶煉質(zhì)量必然會(huì)受到嚴(yán)重的影響。為此，應(yīng)用超聲測(cè)手段便能夠有效防止這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，能夠快速準(zhǔn)確的收集到中間鋼包內(nèi)鋼水的容量信息，從而有效避免了下渣問(wèn)題的出現(xiàn)，該方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐的溫度測(cè)試中也具有非常良好的效果。

在生產(chǎn)實(shí)踐中，鋼爐還處于正常的使用期內(nèi)，也會(huì)由于補(bǔ)爐等原因，造成爐內(nèi)鐵水的深度發(fā)生不斷的變化，從而使得工作人員很難準(zhǔn)確把爐內(nèi)鐵水的深度，從而為生產(chǎn)過(guò)程中槍位的準(zhǔn)確控制帶來(lái)較大的難度。而應(yīng)用超聲檢測(cè)方法，在頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的底部安裝兩個(gè)超聲波探頭，就能夠快速完成對(duì)各個(gè)爐役期在使用過(guò)程中的爐內(nèi)鐵水深度的準(zhǔn)確檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超聲波檢測(cè)技術(shù)在高溫冶金中的應(yīng)用具有較強(qiáng)的可靠性和可操作性，能夠?qū)︿摖t內(nèi)的溫度、爐壁厚度、鋼液深度等進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，為煉鋼質(zhì)量的控制提供了可靠的技術(shù)保證。由此可以看出，超聲波檢測(cè)技術(shù)在冶金行業(yè)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。