連鑄二冷區(qū)凝固坯殼厚度的超聲檢測裝置的設(shè)計與實踐

王 珍，寧平華，夏興國

（1.馬鞍山技師學(xué)院；2.馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽馬鞍山 243031）

1 項目研究的背景和意義

鋼坯在連鑄的過程中鋼液經(jīng)過結(jié)晶器和二冷扇形段噴水冷卻，逐步形成凝固坯殼和液芯，坯殼厚度或液芯的大小和位置對連鑄過程的操作和鑄坯質(zhì)量的控制至關(guān)重要。本項目是為了實現(xiàn)連鑄坯凝固成型過程中坯殼厚度和凝固末端位置的在線無損檢測，對連鑄二冷水、電磁攪拌、輕壓下及拉坯速度等工藝參數(shù)控制提供實時反饋信息，是實施輕壓下、凝固末端電磁攪拌等手段改善鑄坯中心疏松與偏析的前提和關(guān)鍵，對消除成分偏析、疏松縮孔等缺陷，獲得良好的連鑄坯質(zhì)量及開發(fā)高品質(zhì)新品質(zhì)鋼材具有重要的實踐意義。

2 連鑄坯凝固殼厚度檢測研究的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

現(xiàn)有的連鑄技術(shù)中坯殼厚度和液芯凝固末端位置的檢測是技術(shù)難點。國內(nèi)外鋼企的連鑄坯凝固坯殼厚度的檢測方法主要有以下幾種形式：（1）刺穿坯殼法，這種方法是在連鑄過程中，利用設(shè)備刺穿坯殼，讓鋼坯中未凝固液體流出并確定坯殼厚度，其屬于破壞性檢測，存在現(xiàn)場操作難度大，廢品率高的缺陷。（2）鼓肚法，通過檢測連鑄坯鼓肚的情況和位置來確定液相穴的位置，此法只能粗略地估計，檢測結(jié)果粗略且對鑄坯的整體質(zhì)量有所很大的影響。（3）高能放射輻射法，此法是利用高能放射線在穿透一定的物質(zhì)時，其強度的呈指數(shù)規(guī)律衰減。通過檢測傳感器和計算機設(shè)備成像金屬物體及計算出鋼坯厚度，記錄厚度等技術(shù)性數(shù)據(jù)。利用射線實時成像檢測技術(shù)。主要應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域，在不損壞檢測物體的前提下，利用成像實際變動圖像的改變來評估材料內(nèi)部的問題和缺陷。連鑄坯凝固坯殼厚度檢測主要采用X射線測厚儀，在實際生產(chǎn)中存在輻射危害，對操作工健康有非常大的影響。操作過程必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程，防止放射源危害。（4）數(shù)學(xué)模型法，主要是利用求解一維或二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱控制方程，并利用有限差分法來進行求解連鑄坯內(nèi)部形貌，該模型已在部分實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用。由于連鑄生產(chǎn)是非穩(wěn)態(tài)的特點。該方法存在難以確定準(zhǔn)確的邊界條件，而且模型計算收斂時間長的缺點。

上述的檢測方法都屬于實驗性質(zhì)的間歇和破壞式測量，并不能實現(xiàn)在線和長時間連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測，而且都存在不可克服的缺點和不足，目前均無法實現(xiàn)連鑄過程的在線檢測和精確測量。對于壓電超聲檢測凝固坯殼厚度和凝固末端位置則沒有相關(guān)文獻報道。

近年來電磁超聲技術(shù)的研究成為熱點，其具有非接觸、無需耦合劑、耐高溫、防水蒸汽等特點，電磁超聲技術(shù)將為凝固坯殼的無損在線檢測提供一種新的途徑，也是近年來國際上著力發(fā)展的一項新技術(shù)，在冶金、機械加工等多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3 電磁超聲坯殼厚度檢測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

連鑄凝固坯殼厚度檢測及鑄坯液芯凝固末端位置超聲測量的思想最早可以追溯到上世紀(jì)八十年代，日本在這方面做了諸多的研究，并發(fā)表了大量的文章和專利。由于連鑄坯殼厚度檢測需要在有限的空間內(nèi)并且長時間要高溫、潮濕及強電磁干擾的惡劣環(huán)境下工作。因此，截至現(xiàn)階段，檢測市場中并未見其商業(yè)化的產(chǎn)品，該檢測技術(shù)具有廣闊的市場前景和巨大的社會及經(jīng)濟效益。

我國的衡陽鐳目科技有限責(zé)任公司田志恒等其研究項目，其結(jié)合某鋼鐵公司的板坯連鑄機的生產(chǎn)實際情況，在其板坯連鑄機中設(shè)置了5對電磁超聲傳感器來在線測量連鑄坯液芯凝固末端位置，選取其中的3-4對在線檢測。分析檢測結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)能夠根據(jù)板坯的拉速等制造工藝條件的改變情況下，依然能準(zhǔn)確、實時地檢測到鑄坯液芯凝固末端位置；測量數(shù)據(jù)能較好地與動態(tài)輕壓下結(jié)合，顯著改善連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

重慶大學(xué)歐陽奇等發(fā)明了一種耐高溫型凝固坯殼厚度電磁超聲掃頻檢測方法及裝置，在連鑄坯內(nèi)弧側(cè)底部設(shè)置電磁超聲發(fā)生器，相對的連鑄坯外弧側(cè)上表面設(shè)置電磁超聲接收器。超聲波在連鑄坯內(nèi)部傳播依次穿過連鑄坯固相區(qū)、液相區(qū)、液固兩相區(qū)、固相區(qū)后穿出連鑄坯形成透射波，被連鑄坯上表面的電磁超聲接收器接收。

綜上所述，電磁超聲與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比較，其換能具有效率高，信號的信噪比低等優(yōu)點。因此，研究電磁超聲換能器的技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。以便進行實際工業(yè)應(yīng)用。

4 現(xiàn)場二冷段區(qū)域電磁超聲或壓電超聲檢測凝固坯殼厚度和凝固末端位置的方案

4.1 基于電磁超聲的連鑄坯殼厚度在線檢測方案

4.1.1 電磁超聲橫波檢測

在連鑄機二冷區(qū)凝固末端附近扇形段的中心位置安裝電磁超聲傳感器，可以先設(shè)置單通道發(fā)射和接收一體式電磁超聲波探頭，傳感器位于連鑄坯上表面的上方，用于在連鑄坯上表面激發(fā)和接收電磁超聲橫波，利用超聲波的發(fā)射和接收時間差來進行連鑄坯殼厚度在線檢測。連鑄坯殼厚度在線檢測裝置，包括電磁超聲探頭、測溫探頭、脈沖功率源和信號處理系統(tǒng)，測溫探頭設(shè)置在電磁超聲探頭的臨近區(qū)域，用于測溫電磁超聲探頭區(qū)域的坯殼表面溫度。

4.1.2 電磁超聲縱波檢測

在連鑄坯液芯凝固末端位置區(qū)域布置4-6對電磁超聲傳感器，每對傳感器分別設(shè)置在坯料的上下面對應(yīng)位置，而且同軸垂直于該連鑄坯。當(dāng)強電磁脈沖信號流過發(fā)射傳感器時，其激勵出的電磁超聲波在鋼坯的固相、液相的兩相區(qū)內(nèi)傳播，因超聲波在不同凝固區(qū)域的傳播特性異同，使接收裝置轉(zhuǎn)化的電信號和所載的信息也異同，計算機分析收集的信號進行分析即可確定出連鑄坯的凝固狀態(tài)。

本項目研究中可以先設(shè)置單通道發(fā)射和接收一體式電磁超聲波探頭，傳感器位于連鑄坯上表面的上方，用于在連鑄坯上表面激發(fā)和接收電磁超聲縱波。

4.2 基于壓電超聲的連鑄坯殼厚度在線檢測方案

本項目研究中可以先設(shè)置單通道發(fā)射和接收一體式帶有噴射水柱裝置的壓電超聲波探頭，即采用水柱作為耦合劑對高溫坯殼厚度進行測量，傳感器位于連鑄坯上表面的上方，用于在連鑄坯上表面激發(fā)和接收電磁超聲縱波。超聲縱波發(fā)射到固相和兩相區(qū)界面由于具有一定量的反射回波，根據(jù)測試效果情況將采用發(fā)射探頭和接收探頭分離在連鑄坯上下兩側(cè)對稱分布的方式。

4.3 超聲機械機構(gòu)安裝實體圖

電磁超聲和壓電超聲坯殼厚度和凝固末端位置探測系統(tǒng)的控制方式和機械安裝方式。

4.3.1 傳感器機構(gòu)動作的控制

超聲傳感器機構(gòu)通過一個雙作用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)往復(fù)直線運動。

該氣缸則由一個二位五通的單電控電磁閥組來控制，通電時氣缸伸出，斷電時氣缸縮回。氣缸的運動速度可以通過單向節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)，圖1為二位五通的單電控電磁閥組的工作原理圖及圖形符號。

圖1 二位五通的單電控電磁閥組的工作原理圖及圖形符號

該電磁閥組的線圈根據(jù)控制開關(guān)、傳感器及檢測工藝要求由PLC進行控制。磁性開關(guān)用來檢測氣缸活塞位置的。在氣缸內(nèi)的活塞上安裝個磁環(huán)，通過檢測并反映活塞的位置。當(dāng)氣缸內(nèi)的磁環(huán)靠近磁性開關(guān)時，由于磁場的作用舌簧開關(guān)的兩根簧片被磁化而相互吸引，使接觸點閉合，電路接通；當(dāng)磁環(huán)移開后，彈簧片失去磁性，觸點分開。電路斷開，其觸點開閉即提供了氣缸活塞伸出或者縮回位置。圖2為PLC控制原理圖。

圖2 PLC控制原理圖

5 總結(jié)與測試效果

在實際檢測的過程中需要了解現(xiàn)場二冷區(qū)扇形段結(jié)構(gòu)參數(shù)、凝固末端位置檢測如是否采用射釘實驗、電磁攪拌和動態(tài)輕壓下的實施情況，交流現(xiàn)場單通道探頭和多通道探頭的安裝布置細(xì)節(jié)。本次設(shè)計與傳統(tǒng)的鋼坯厚度檢測的方法有所區(qū)別。其是在傳統(tǒng)方法上的補充。通過實驗測試數(shù)據(jù)對比分析。具有良好的實用價值。如將裝置繼續(xù)完善，及按照企業(yè)的實際情況定制，其實體結(jié)構(gòu)根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境實際情況設(shè)計安裝。必將起到非常好的應(yīng)用效果。