連鑄坯殼厚度在線檢測方法與裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種基于電磁超聲波的連鑄坯殼厚度在線檢測方法與裝置。一種連鑄坯殼厚度在線檢測方法，在連鑄機的幾個機架（3）之間，位于連鑄坯（1）下表面的下方，設(shè)置至少二個發(fā)射和接收一體式電磁超聲波探頭（2），用于在連鑄坯下表面激發(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；連鑄坯殼厚度是由超聲波發(fā)射和接收的時間差與電磁超聲探頭所在位置的連鑄坯殼內(nèi)的超聲橫波的傳播波速的乘積計算得到。一種連鑄坯殼厚度在線檢測裝置，包括電磁超聲探頭、測溫探頭（4）、脈沖功率源和信號處理系統(tǒng)，測溫探頭（4）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。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及連鑄過程中的一種連鑄坯殼厚度的在線檢測方法與裝置，尤其涉及一種基于電磁超聲波的連鑄坯殼厚度在線檢測方法與裝置。
技術(shù)介紹
連鑄過程中，鋼液經(jīng)過連鑄結(jié)晶器和連鑄扇形段噴水冷卻，逐步形成凝固坯殼和液芯兩個部分，隨著鑄坯冷卻過程的增加，連鑄坯的凝固坯殼不斷增厚，液芯不斷減小，直至最終形成完全固體的連鑄坯。在這個過程中，連鑄坯坯殼厚度或液芯的大小和位置對整個連鑄過程的操作和鑄坯質(zhì)量的控制至關(guān)重要。比如，要獲得良好的連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，消除成分偏析、縮松縮孔等質(zhì)量缺陷，現(xiàn)代連鑄機一般均需要配置輕壓下設(shè)備或電磁攪拌設(shè)備，而這些設(shè)備功能的發(fā)揮取決于鑄坯的凝固進程，即要獲得鑄坯的坯殼厚度(或凝固固相率)等關(guān)鍵參數(shù)。而現(xiàn)代連鑄技術(shù)中，坯殼厚度(或凝固固相率)和液芯終點位置的檢測和預(yù)測是難點。目前，現(xiàn)有技術(shù)中，主要的方法有示蹤劑法、射釘法、AVI(奧鋼聯(lián))輥道鼓肚力測試法以及數(shù)學(xué)模型預(yù)測法等四種。射釘法：裝置簡單，成本低廉，是現(xiàn)代連鑄技術(shù)中獲知連鑄坯殼厚度和判斷液芯位置的最普遍也是最有效的技術(shù)和方法，但射釘法的操作環(huán)境非常惡劣，需離線取樣分析，時間和周期很長，限制了工藝調(diào)整的及時性；同時，射釘法精度不高，還必須結(jié)合一定的數(shù)學(xué)模型才能最終預(yù)測液芯的終點位置。示蹤劑法：該技術(shù)需要鋼液凝固中加入特殊的合金元素，比如FeS等，依靠元素在鑄坯中的最終凝固區(qū)域等來判斷坯殼厚度等，大量污染鑄坯成分，造成鑄坯報廢。目前，該方法基本不再使用。AVI(奧鋼聯(lián))輥道鼓肚力測試法：該技術(shù)是西門子聯(lián)合AVI開發(fā)的一種坯殼厚度和液芯凝固位置的方法，是基于不同坯殼厚度和液芯大小與輥道抗力的相關(guān)性，該方法有商業(yè)化應(yīng)用的實例，但該方法系統(tǒng)復(fù)雜，坯殼厚度與輥道抗力的相關(guān)性需大量基礎(chǔ)研究才能獲得，并受各種條件影響。目前該技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用并不理想。數(shù)學(xué)模型預(yù)測法：是基于凝固物理模型和大量工藝條件下的歷史數(shù)據(jù)，建立的數(shù)學(xué)模型來預(yù)測出坯殼厚度和液芯終點位置，目前在連鑄技術(shù)運用很普遍，尤其在結(jié)合射釘法的基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)模型預(yù)測法在現(xiàn)代連鑄技術(shù)中的應(yīng)用還是很成功有效的。但數(shù)學(xué)模型的影響因素太多太復(fù)雜，尤其涉及首次確定新鋼種生產(chǎn)工藝、以及連鑄條件頻繁變化、多鋼種小批量生產(chǎn)等條件，數(shù)學(xué)模型的預(yù)測還存在較大難度。以上方法都有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。上世紀(jì)70年代，在無損檢測領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)了電磁超聲技術(shù)(EMAT)，能在金屬介質(zhì)內(nèi)非接觸地激發(fā)多種超聲波，主要是縱波和橫波。縱波可在固態(tài)和液態(tài)的金屬材質(zhì)中傳播，而橫波是剪切波則只能在固態(tài)金屬材質(zhì)中傳播，不能穿透液態(tài)材質(zhì)。利用電磁超聲波技術(shù)(EMAT)的縱波和橫波的不同特性，現(xiàn)有技術(shù)中有各種針對連鑄坯殼厚度在線檢測和液芯位置預(yù)測的技術(shù)方案如下：日本專利JP52130422最早公開了采用電磁超聲波進行連鑄過程液芯檢測的技術(shù)方案，其方法是采用兩個設(shè)置于鑄坯上下兩側(cè)的一組EMAT激發(fā)和接收橫波，因橫波不能穿透液體，則通過接收信號的強度大小來評估坯殼厚度。該專利是開創(chuàng)性的，以后幾乎所有的相關(guān)專利都是建立在該專利的基礎(chǔ)上的改進專利技術(shù)。該專利最大的不足是僅僅公開了一種保護思想，技術(shù)的可實施性比較差，比如僅僅以接收信號來判斷，可能存在背景噪聲影響測試結(jié)果的問題。日本專利JP62148850A公開了一種同時能激發(fā)橫波和縱波的檢測方法，該專利優(yōu)勢在于同時利用了縱波和橫波各自的特點，比如若同時接收到橫波和縱波的發(fā)射信號，則認(rèn)為連鑄坯完全凝固，若僅僅接收到縱波信號則認(rèn)為完全是液芯，因為橫波不能穿透液芯。該專利采用兩種組合波，避免了專利JP52130422可能存在的誤報。但該專利采用體型較大的電磁鐵，設(shè)備安裝存在困難，電磁鐵的電磁信號和接收信號的相互干擾問題突出，技術(shù)實現(xiàn)難度大。日本專利JP10197502A，公開了設(shè)置多組橫波電磁超聲探頭的方法，通過多組結(jié)合判斷液芯有無，并通過接收信號共振頻率的大小來計算坯殼厚度。該專利的難點在于如何判斷固相率與共振頻率之間的關(guān)系，這需要大量的材料實驗研究來得到，比較困難，另外，接收信號的判斷有無噪聲信號混入都是難題。日本專利JP2000266730A，公開了一種發(fā)射信號按頻率、振幅或相位調(diào)制后作為參考信號，然后接收信號與參考信號高度關(guān)聯(lián)濾波，可有效濾除噪聲信號對檢測的干擾，該專利的接收信號是可靠和真實的，對連鑄坯殼厚度檢測有非常重要的意義。以后的專利也幾乎都繼承了這一個專利技術(shù)的優(yōu)勢。日本專利JP53057088A公開了一種通過信號處理來提高檢測信噪比的方法，即信號加和平均的方法，該專利也有重大貢獻，對后來的若干專利有參考作用。日本專利JP53106085A則針對連鑄坯殼檢測的高溫和無磁性的特點，公開了一種局部噴水冷卻的方法，通過材質(zhì)快速降溫，提高材質(zhì)磁性從而提高信噪比。該專利的局部冷卻可能會對鑄坯造成表面裂紋，有不足的地方，比如對不銹鋼鑄坯就沒有作用等。但該專利的專利技術(shù)思想被其他幾個專利所借鑒改進。日本鋼管株式會社(JFE)在中國申請專利CN01811397.4，其公開的技術(shù)方案幾乎綜合以上日本幾大典型專利，進行綜合性的改進，其核心思路有三：1)是電磁橫波的發(fā)射信號按JP2000266730A類似的頻率等調(diào)制方法作為參考信號，然后接收信號按參考信號進行噪聲濾波，提高信噪比；2)采用JP53057088A類似的技術(shù)方案進行信號加和平均，提高信噪比；3)采用JP53106085A公開的噴水冷卻方法，但僅僅弱冷0.1mm左右的薄層至α相，即產(chǎn)生磁滯效應(yīng)即可。該專利的技術(shù)方案非常詳細(xì)，且具有顯著的可操作性，被很多企業(yè)模仿。中國專利CN201120452177.7、CN201110361942.9、CN201410727877.0等專利，其核心思想與日本鋼管株式會社(JFE)在中國申請專利CN01811397.4類同，但去除了其采用噴水冷卻的方案。中國專利、歐洲和美國專利還檢索到至少幾十條，但基本上都是電磁超聲波應(yīng)用在探傷領(lǐng)域，而不是在連鑄坯殼厚度在線檢測方面，有參考性但沒有針對性。以上現(xiàn)有技術(shù)方案中，利用電磁超聲EMAT技術(shù)進行連鑄坯殼厚度檢測，都有一定的合理成分，但主要存在以下問題和不足：(1)利用電磁超聲EMAT激發(fā)的縱波，即透視波，來檢測坯殼厚度，必須要求已知的條件包括：檢測位置的連鑄坯總厚度，超聲波在特定溫度下坯殼內(nèi)的傳播速度以及在液芯內(nèi)的傳播速度，通過檢測記錄發(fā)射信號和接收信號的時間差，來檢測得到坯殼厚度值。存在的問題是設(shè)備系統(tǒng)必須額外增加連鑄坯總厚度測量儀和溫度測量儀，系統(tǒng)復(fù)雜。同時，超聲波在金屬材質(zhì)中的傳播速度受鋼種成分和溫度的影響，要想得到傳播速度和鋼種以及溫度的完全對應(yīng)關(guān)系幾乎是不可能的，而實際連鑄生產(chǎn)中，鋼種和生產(chǎn)工藝變化多端，要實現(xiàn)坯殼厚度精確測量有較大困難。(2)利用電磁超聲EMAT激發(fā)的橫波，即不能穿透液芯部分，僅僅只能判斷液芯的有和無，如中國專利CN201120452177.7、CN201110361942.9、CN201410727877.0等專利，通過多個超聲波探頭的聯(lián)合設(shè)置，雖說可判斷液芯位置，但無法得出連鑄控制過程中的坯殼厚度這個關(guān)鍵參數(shù)，液芯位置的定位誤差也很大(誤差是兩個探頭的輥間距)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
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【技術(shù)保護點】
一種連鑄坯殼厚度在線檢測方法，其特征是，在連鑄機的幾個機架之間，位于連鑄坯下表面的下方，設(shè)置至少二個發(fā)射和接收一體式電磁超聲波探頭，用于在連鑄坯下表面激發(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；所述連鑄坯殼厚度是由超聲波發(fā)射和接收的時間差與電磁超聲探頭所在位置的連鑄坯殼內(nèi)的超聲橫波的傳播波速的乘積計算得到，即連鑄坯殼厚度的數(shù)值等于超聲波發(fā)射和接收時間差與波速的乘積的一半。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種連鑄坯殼厚度在線檢測方法，其特征是，在連鑄機的幾個機架之間，位于連鑄坯下表面的下方，設(shè)置至少二個發(fā)射和接收一體式電磁超聲波探頭，用于在連鑄坯下表面激發(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；所述連鑄坯殼厚度是由超聲波發(fā)射和接收的時間差與電磁超聲探頭所在位置的連鑄坯殼內(nèi)的超聲橫波的傳播波速的乘積計算得到，即連鑄坯殼厚度的數(shù)值等于超聲波發(fā)射和接收時間差與波速的乘積的一半。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連鑄坯殼厚度在線檢測方法，其特征是：所述電磁超聲橫波在連鑄坯殼內(nèi)的傳播速度，通過特定鋼種在不同溫度條件下的材料實驗測試獲得；其它鋼種的傳播速度轉(zhuǎn)化成已知波速的特定鋼種的線性函數(shù)，即C＝βf(T)，式中：系數(shù)β定義為鋼種波速修正系數(shù)，f(T)為材料實驗測試獲得的特定鋼種的波速隨溫度變化的函數(shù)，C為其它鋼種的傳播速度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連鑄坯殼厚度在線檢測方法，其特征是：所述系數(shù)β的修正和自學(xué)習(xí)過程為：設(shè)置的至少二個所述電磁超聲探頭，其所處位置的凝固長度分別為L1和L2，根據(jù)預(yù)設(shè)的傳播速度C＝βf(T)，得到實際測量的坯殼厚度值分別為d1和d2，取Ψ定義為坯殼厚度的實測比例系數(shù)；根據(jù)連鑄領(lǐng)域經(jīng)典的坯殼厚度計算公式在連鑄拉速不變條件下，得到所述二個電磁超聲探頭處對應(yīng)的坯殼厚度的理論值，取兩個坯殼厚度的理論值的比值為Ψ'定義為理論比例系數(shù)；則定義ϵ=|(ψ′-ψ)ψ′|×100%,]]>ε為修正閾值，當(dāng)修正閾值ε在預(yù)設(shè)定的精度范圍內(nèi)，此時鋼種波速修正系數(shù)β取值...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：侯曉光，劉俊江，
申請(專利權(quán))人：寶山鋼鐵股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31