王 珍，寧平華，夏興國(guó)

（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(xiàng)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(duì)連鑄過程的操作和鑄坯質(zhì)量的控制至關(guān)重要。本項(xiàng)目是為了實(shí)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(cè)，對(duì)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(shí)時(shí)反饋信息，是實(shí)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(duì)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(shí)踐意義。

2 連鑄坯凝固殼厚度檢測(cè)研究的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)

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(cè)是技術(shù)難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外鋼企的連鑄坯凝固坯殼厚度的檢測(cè)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(cè)，存在現(xiàn)場(chǎng)操作難度大，廢品率高的缺陷。（2）鼓肚法，通過檢測(cè)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(jì)，檢測(cè)結(jié)果粗略且對(duì)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(shí)，其強(qiáng)度的呈指數(shù)規(guī)律衰減。通過檢測(cè)傳感器和計(jì)算機(jī)設(shè)備成像金屬物體及計(jì)算出鋼坯厚度，記錄厚度等技術(shù)性數(shù)據(jù)。利用射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)。主要應(yīng)用于無損檢測(cè)領(lǐng)域，在不損壞檢測(cè)物體的前提下，利用成像實(shí)際變動(dòng)圖像的改變來評(píng)估材料內(nèi)部的問題和缺陷。連鑄坯凝固坯殼厚度檢測(cè)主要采用X射線測(cè)厚儀，在實(shí)際生產(chǎn)中存在輻射危害，對(duì)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(jìn)行求解連鑄坯內(nèi)部形貌，該模型已在部分實(shí)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(diǎn)。該方法存在難以確定準(zhǔn)確的邊界條件，而且模型計(jì)算收斂時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

上述的檢測(cè)方法都屬于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的間歇和破壞式測(cè)量，并不能實(shí)現(xiàn)在線和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而且都存在不可克服的缺點(diǎn)和不足，目前均無法實(shí)現(xiàn)連鑄過程的在線檢測(cè)和精確測(cè)量。對(duì)于壓電超聲檢測(cè)凝固坯殼厚度和凝固末端位置則沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

近年來電磁超聲技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)，其具有非接觸、無需耦合劑、耐高溫、防水蒸汽等特點(diǎn)，電磁超聲技術(shù)將為凝固坯殼的無損在線檢測(cè)提供一種新的途徑，也是近年來國(guó)際上著力發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，在冶金、機(jī)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(cè)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

連鑄凝固坯殼厚度檢測(cè)及鑄坯液芯凝固末端位置超聲測(cè)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(cè)需要在有限的空間內(nèi)并且長(zhǎng)時(shí)間要高溫、潮濕及強(qiáng)電磁干擾的惡劣環(huán)境下工作。因此，截至現(xiàn)階段，檢測(cè)市場(chǎng)中并未見其商業(yè)化的產(chǎn)品，該檢測(cè)技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

我國(guó)的衡陽(yáng)鐳目科技有限責(zé)任公司田志恒等其研究項(xiàng)目，其結(jié)合某鋼鐵公司的板坯連鑄機(jī)的生產(chǎn)實(shí)際情況，在其板坯連鑄機(jī)中設(shè)置了5對(duì)電磁超聲傳感器來在線測(cè)量連鑄坯液芯凝固末端位置，選取其中的3-4對(duì)在線檢測(cè)。分析檢測(cè)結(jié)果表明，該檢測(cè)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(shí)時(shí)地檢測(cè)到鑄坯液芯凝固末端位置；測(cè)量數(shù)據(jù)能較好地與動(dòng)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(yáng)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(cè)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(duì)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(hào)的信噪比低等優(yōu)點(diǎn)。因此，研究電磁超聲換能器的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。以便進(jìn)行實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。

4 現(xiàn)場(chǎng)二冷段區(qū)域電磁超聲或壓電超聲檢測(cè)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(cè)方案

4.1.1 電磁超聲橫波檢測(cè)

在連鑄機(jī)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(shí)間差來進(jìn)行連鑄坯殼厚度在線檢測(cè)。連鑄坯殼厚度在線檢測(cè)裝置，包括電磁超聲探頭、測(cè)溫探頭、脈沖功率源和信號(hào)處理系統(tǒng)，測(cè)溫探頭設(shè)置在電磁超聲探頭的臨近區(qū)域，用于測(cè)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(cè)

在連鑄坯液芯凝固末端位置區(qū)域布置4-6對(duì)電磁超聲傳感器，每對(duì)傳感器分別設(shè)置在坯料的上下面對(duì)應(yīng)位置，而且同軸垂直于該連鑄坯。當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖信號(hào)流過發(fā)射傳感器時(shí)，其激勵(lì)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(hào)和所載的信息也異同，計(jì)算機(jī)分析收集的信號(hào)進(jìn)行分析即可確定出連鑄坯的凝固狀態(tài)。

本項(xiàng)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(cè)方案

本項(xiàng)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(duì)高溫坯殼厚度進(jìn)行測(cè)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(cè)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(duì)稱分布的方式。

4.3 超聲機(jī)械機(jī)構(gòu)安裝實(shí)體圖

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

4.3.1 傳感器機(jī)構(gòu)動(dòng)作的控制

超聲傳感器機(jī)構(gòu)通過一個(gè)雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

該氣缸則由一個(gè)二位五通的單電控電磁閥組來控制，通電時(shí)氣缸伸出，斷電時(shí)氣缸縮回。氣缸的運(yùn)動(dòng)速度可以通過單向節(jié)流閥進(jìn)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(hào)。

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(hào)

該電磁閥組的線圈根據(jù)控制開關(guān)、傳感器及檢測(cè)工藝要求由PLC進(jìn)行控制。磁性開關(guān)用來檢測(cè)氣缸活塞位置的。在氣缸內(nèi)的活塞上安裝個(gè)磁環(huán)，通過檢測(cè)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(shí)，由于磁場(chǎng)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(diǎn)閉合，電路接通；當(dāng)磁環(huán)移開后，彈簧片失去磁性，觸點(diǎn)分開。電路斷開，其觸點(diǎn)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(cè)試效果

在實(shí)際檢測(cè)的過程中需要了解現(xiàn)場(chǎng)二冷區(qū)扇形段結(jié)構(gòu)參數(shù)、凝固末端位置檢測(cè)如是否采用射釘實(shí)驗(yàn)、電磁攪拌和動(dòng)態(tài)輕壓下的實(shí)施情況，交流現(xiàn)場(chǎng)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(jì)與傳統(tǒng)的鋼坯厚度檢測(cè)的方法有所區(qū)別。其是在傳統(tǒng)方法上的補(bǔ)充。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析。具有良好的實(shí)用價(jià)值。如將裝置繼續(xù)完善，及按照企業(yè)的實(shí)際情況定制，其實(shí)體結(jié)構(gòu)根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)際情況設(shè)計(jì)安裝。必將起到非常好的應(yīng)用效果。