[发明专利]耐高温型凝固坯壳厚度电磁超声扫频检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁连续浇注过程凝固坯壳厚度在线非破坏性检测方法及装置，具体指在钢铁连铸生产过程中，实现连铸坯凝固成型过程中坯壳厚度及凝固末端位置的长期准确的在线无损检测。本测量装置主要应用于钢铁连铸凝固坯壳厚度及凝固末端位置的在线无损检测，对连铸二冷水、电磁搅拌、轻压下及拉坯速度等工艺参数控制提供实时反馈信号，有助于提高连铸坯产质量，及减少和预防发生漏钢生产事故。

背景技术

钢铁连铸铸造成型过程中，凝固坯壳厚度及凝固末端位置在线无损测量和控制，为二冷强度、轻压下、电磁搅拌及拉速等工艺参数闭环控制提供反馈信号，以提高连铸坯的产质量，提高连铸自动化水平，具体体现在如下几个方面：实时检测结晶器出口坯壳厚度能否承受钢水的静压力，预防连铸过程中发生漏钢生产事故；在线无损检测凝固坯壳厚度变化趋势，以在线调节二冷水的冷却强度，闭环控制二冷水冷却水量；在线无损检测连铸坯凝固终了位置，闭环控制拉坯速度。

钢铁连铸过程中，连铸坯表面高温且处于高水雾、高温辐射的环境中，同时，连铸坯表面分布有1-2mm厚度的不规整的鳞状氧化铁皮。尤为注意的连铸坯内部存有固相区、糊状区、液相区。这些因素决定了连铸坯壳厚度在线非破坏性无损检测装置要求能在高温、高水雾环境中能长期的运行。

目前，连铸过程中凝固坯壳厚度检测方法主要有实验测量法、数值模型法、应变传感检测法等三类。实验测量法中主要采用射钉法，在二冷区将含硫示踪剂的钢钉射入连铸坯，采用硫印分析、低倍检测射钉在铸坯固相、液相区内的形貌来确定凝固坯壳厚度和液相穴位置，这种实验方法技术成熟，精度高，结果直观可靠，但是属于离线有损检测，测量工作量大；穿刺坯壳测量法，在连铸二冷区刺穿凝固坯壳，使未凝固的液态钢水流出，再对凝固坯壳厚度进行在线检测，这种检测方法属于破坏性检测，现场操作难度很大；鼓肚法是通过检测连铸坯鼓肚的位置来确定液芯位置，该测量方法直观，装置简单，但只能粗略估计液芯末端位置；辐射法主要根据采用钴射线源，通过盖格计数器检测射线源穿过连铸坯后射线强度的变化来探测凝固坯壳的厚度，该方法技术思路可行，但放射源的放射性污染对人体和环境造成一定的影响。数值模型法是基于一维或二维非稳态传热控制方程，使用有限元差分计算法计算连铸坯内部温度场，进而确定连铸坯内部形貌，这种方法成本低，但模型求解精度依赖于准确的边界条件，但非稳态的连铸生产决定了难以确定准确的边界条件，同时模型计算收敛时间长，难以在线实时预测凝固坯壳厚度的变化。应变测试法通过在连铸坯相关扇形段上安装箔式电阻应变片，通过在线监测应变量变化突变点来确定连铸坯凝固末端的位置，这种方法可靠性、敏感性差，但受现场高温辐射、二冷区水雾、扇形段或工作辊受力复杂等影响，测试结果重复性较差，在工业生产现场无法推广应用。

综上所述，在线无损检测连铸过程中凝固坯壳厚度及液芯末端位置对提高连铸过程中连铸坯的质量，提高连铸生产的自动化水平具有重要意义，目前国内外针对凝固坯壳厚度检测方法都没有从根本上解决工业生产现场应用问题。

发明内容

针对现有技术测量连铸凝固坯壳厚度的上述不足，本发明的目的是提供一种在线无损非接触测量连铸过程中凝固坯壳厚度的电磁超声扫频检测装置及方法。本发明能有效克服连铸生产现场的表面高温辐射、水雾环境等恶劣环境的影响，并适合测量铸坯不同表面温度、不同浇筑钢种的要求。

本发明的技术方案是这样实现的：

耐高温型凝固坯壳厚度电磁超声扫频检测方法，在连铸坯内弧侧底部设置电磁超声发生器，相对的连铸坯外弧侧上表面设置电磁超声接收器；电磁超声发生器由电磁场产生器和激励线圈构成，激励线圈在高功率猝发射频信号的作用下在连铸坯集肤层表面感应出电涡流，电涡流在电磁场产生器产生的直流偏置磁场作用下，在连铸坯集肤层表面(集肤层表面是指交变激励的电场在金属表面的集肤效应，集肤深度可以通过激励频率计算出来)产生交变的洛伦兹力，当激励频率达到20KHz以上时，在交变洛伦兹力的作用下，连铸坯晶格发生弹性机械振动进而产生超声波；超声波在连铸坯内部传播，依次穿过连铸坯的固相区、液固两相区、液相区、液固两相区、固相区后穿出连铸坯形成透射波，透射波被设于连铸坯上表面的电磁超声接收器接收；

通过扫频电路配合不同截止频率的滤波器，以检测透射波不同扫描频率的幅值和相位；通过两种不同扫描频率的相位，按下式可以得到电磁超声波在连铸坯内的渡越时间τ；

其中，Δφ_r为连续扫频相位的改变值，ΔF_r为两次扫频的频率差；