涡流检测技术在1780生产线的应用

苗雨

摘要：结合本钢集团北营公司轧钢厂1780生产线采用的H2003-II涡流检测设备在磨辊间的使用，简要介绍了轧辊涡流检测技术的基本原理、系统组成以及实际应用。

关键词：电磁感应；涡流检测； 涡流探伤仪；轧辊缺陷

Application of Eddy Current Testing Technique in 1780 production line

MIAO Yu

（Beiying rolling mill of BX Steel，Benxi，Liaoning，117017）

Abstract：Combining with 1780 production line by using H2003-II eddy current testing equipment in the grinding room， this paper briefly introduces the basic principles of roll eddy current detecting technology， system composition and application.

Key Words： electromagnetic induction； eddy current testing； eddy current detector； roll defects

在北营1780热轧生产线，轧辊是轧钢设备的重要部件，其质量对轧制产品的表面质量及轧钢机的轧制效率有着重大的影响。为了确保轧辊质量，生产线对轧辊的质量提出了日益增多的要求，对在役轧辊的检测也愈加重视。对轧辊开展有效的定期检查，可以及时发现隐患，避免因轧辊在承载工作条件下产生的应力裂纹，扩展至内部的工作层形成体积性剥落，导致轧辊损坏而影响生产的经济损失。涡流探伤检测技术以电磁感应为原理，能在轧辊的表面和近表面区域，检测出因轧制过程中承载复杂的应力与应变而生成的裂纹及材质软点或表面擦伤等影响轧辊使用寿命的种种动态参数，经过修复直至消除轧辊的表面缺陷，我厂采用的全部都是涡流探伤检测设备，很好地满足在轧钢过程中对轧辊检测的要求。

一、涡流检测原理

在涡流探伤检测中，通常用探头线圈产生激励磁场，计算通过探头线圈的正弦电流ip 为：

ip=Imsin（ωt）（1）

式中，Im为正弦电流幅值。

该正弦电流所产生的磁通量Φp也按正弦规律变化，令相对于Im的磁通量为Φm。正弦电流产生的磁通量Φp按下式计算：

Φp=Φmsin（ωt）（2）

将探头线圈靠近导体材料（如轧辊）时，在磁场作用范围内的导体表层就产生与此交变磁场相交的电涡流，涡流磁场总是阻碍激励磁场的变化。有导体存在时，探头线圈中的总磁通量ΦE为：

ΦE=Φp-Φs（3）

式中，ΦE为探头线圈中的总磁通量；Φs为涡流的磁通量。

如果检测时保持Φp不变，则由于材料性质引起的涡流变化，会导致线圈总磁通量ΦE的变化。所以，涡流检测实质上就是对探头线圈阻抗的变化量的测量。通过检测探头线圈阻抗的变化，就可以检验导体材料的材质和完整性。

当涡流线圈导线的电阻不能忽略时，其等效电路是一个由线圈电感和电阻串联的电路，其中电阻由线圈中导线电阻和电缆电阻组成。总阻抗为：

Z=R0+ωL0（4）

式中，Z为涡流线圈总阻抗；R0为线圈电阻；ωL0为线圈电抗。

图1用直角坐标平面显示探头线圈的阻抗

Fig.1 Impedance of the probe coil shown

by rectangular coordinate plane

图1所示为用直角坐标平面显示的探头线圈的阻抗，横坐标表示阻抗的实数分量，即电阻分量；纵坐标表示阻抗的虚数分量，即电抗分量。此矢量图被称为阻抗平面图，它是涡流检测中常用的重要工具。图中阻抗矢量的端点P0称为“工作点”。

如果将探头线圈接近导体材料，由于电磁感应现象和涡流磁场的作用，使探头线圈的阻抗发生变化，阻抗矢量的端点产生移动，例如从P0移到P1。若导体材料有缺陷或材质差异改变了涡流状况，阻抗矢量的端点又会在P1点的基点上产生变化。

通过对接近导体材料后的探头线圈等效电路的分析，可以得到上述阻抗变化的基本规律，再通过一系列的电路来实现利用涡流检测轧辊表面缺陷的目标。

二、涡流探伤检测系统结构及运行原理

涡流探伤检测系统比较复杂，图2所示为轧辊涡流检测系统框图，具体可以分为以下几个部分：

图2轧辊涡流检测系统框图

Fig.2 Block diagram of roll eddy current detecting system

1.探头总成

由三个部分组成，分别是涡流检测线圈，剩磁检测线圈和定位传感器。其中涡流检测线圈用于检测轧辊表面的裂纹和软点损伤状况，剩磁检测线圈用于检测轧辊材质中剩磁的影响程度，定位传感器用于保证探头与轧辊探测面之间距离的合理位移值。

2.涡流检测控制仪

专用轧辊涡流检测控制仪是整套探伤设备的核心组成部件，它由用于监测和评估轧辊损伤程度的电子元器件构成，其中内置主板和辅板等控制和检测单元，作用是用来接收、处理并转换探头总成发来的缺陷检测信息和对探头位置控制与保护，并保持与计算机系统的通讯。

3.计算机系统

将检测的结果通过计算机系统进行数据汇总与分析，并在管理软件上进行显示、存储，通过在计算机系统中的参数设定可以及时弥补检测元件使用上的误差，保证探伤结果的准确性。

4.坐标系统

坐标系统是缺陷定位的工具。通过对缺陷的定位，可以局部扫查复核或手工探伤复核；缺陷分布记录也为探伤工提供了质量评估的参考。

5.模拟辊校正装置

由于环境和温度等因素的影响会造成元器件参数的改变，可以定期用模拟辊对系统的灵敏度进行校正。模拟辊上有人工已经制作好的裂纹和软点，通过测试，及时对探伤仪的增益进行调整。

三、涡流探伤检测技术的应用

目前，在1780生产线的磨辊间内，共有3台国产险峰磨床配备了H2003-II涡流检测设备，下面简要介绍一下这些设备的使用情况。

1.校正系统

由于我厂1780生产线处于气候多变的东北地区，季节性的温差变化对设备及轧辊的影响较大，所以需要定期对涡流检测系统的灵敏度进行校正。通过以规定深度的人工裂纹的模拟辊对整个系统功能进行校正，主要参数中增益值设定为18db，多次校正后输出的结果差异不能超出±0.2，一般情况下，每个月进行一次校正操作。

2.坐标系统

坐标系统采用Z轴光电传感器作为检测元件，以轧辊的头到尾长度为定长，实现轧辊工作面的区域划分，可以有效地对整个轧辊表面损伤的分布情况作出定位。这种方式比较简单，有时可能会有微小的误差的影响，在今后的改造中可以引入独立的坐标系统增强检测的稳定性和准确度。

3.通讯系统

现有探伤仪系统使用的是串行通讯系统，这种通信方式比较方便但数据传输速率较差，今后还可以升级为以太网通讯方式提高探伤仪与其他设备间的通信速率。

4.探伤系统

探伤仪的执行系统的有几个重要参数，其中工艺门限这个参数与轧辊的材质，轧辊的工位和工况，生产线的轧制工艺，产品的规格与要求等多方面因素有关；轧辊转速会影响检测的结果，一般讲线速度控制在0.5米/秒以上；磨床托板速度也会影响探头检测的准确性，所以我们这里一般把托板的速度都设定的比较低，这样可以得到非常准确的检测结果。另外， 轧辊在生产过程中可能会产生剩磁，这会影响探伤后的真实显示结果，当出现这种情况时要进行彻底的消磁确保检测结果准确。

四、应用效果

从我厂涡流检测设备在磨辊间的使用情况来看，此项技术发挥了不可替代的作用。依据检测结果，提前分析并判断出工作辊裂纹及软点的产生原因，为生产线对轧辊的使用情况提供了重要的数据；通过涡流检测，可以降低超声波探伤的使用频率，只有轧辊的裂纹深度较深时才使用超声波探伤设备检测，避免了不必要的使用情况；另外，涡流检测的边磨边探功能可以有效控制磨削量，减少辊耗。

五、结束语

涡流检测技术既不需要接触工件也不需要耦合剂，可以在高温下进行检测，同时探头可以延伸至远处检测，不仅可以对轧辊进行检测，对管、棒、线材的检测也易于实现自动化检测。但涡流检测也有其局限，如只适用于检测轧辊表面及近表面缺陷，不能检测工件深层的内部缺陷；涡流效应的影响因数多，目前对缺陷的定性和定量还比较困难。作为技术人员只有充分掌握涡流检测的多方面技术知识，才能更好地发挥设备的使用特性，创造更多的价值。

参考文献：

[1]任吉林，林俊明，徐可北.涡流检测[M]. 北京：机械工业出版社，2013.

[2]陈连生.热轧薄板生产技术[M]. 北京：冶金工业出版社，2006.