连铸坯试样中人工缺陷的超声试验研究

张乐 赵赫 陈继平

【摘 要】针对连铸坯试样中的人工缺陷，通过超声波检测技术进行缺陷定位、定量和性质估判，以及制作AVG曲线。研究超声波探伤技术在连铸坯试样中人工缺陷探伤检测中的应用，并对缺陷作出详细分析，为将来在实际生产中对连铸坯中的缺陷进行超声探测分析提供依据。

【关键词】人工缺陷；超声波检测；试验研究

Ultrasonic testing of artificial defects in continuous casting billet samples

ZHANG LE ZHAO HE CHEN JI PNG

（Anhui university of technology，ma'anshan 243000，China）

Abstract：Aiming at the artificial defects in continuous casting billet samples，ultrasonic detection technology was used to locate，quantify and evaluate the defects，as well as to make AVG curves.The application of ultrasonic flaw detection technology in artificial flaw detection and detection of continuous casting billet samples was studied，and the defects were analyzed in detail，which provided a basis for ultrasonic flaw detection and analysis of continuous casting billet in actual production in the future.

Key words：Artificial defects；ultrasonic testing；experimental research

自從钢铁行业成为经济基础之后，连铸已经成为了现代钢铁生产的重要工艺流程。随着对连铸技术的持续研究，例如高效连铸、直接轧制和热送热装等，连铸以其生产效率高，自动化程度高劳动强度小，占据了主流。与此同时，人们也开始渐渐关注连铸坯的质量问题。其中，连铸坯的内部裂纹、疏松和缩孔为主要缺陷问题，其形成往往伴随着严重的偏析线，对钢材的均匀性和连续性造成很大的破坏[1]。目前，表面裂纹有诸多检测手段：采用超声表面波、Lamb波检测方法中信号特征变化曲线可用于表面缺陷裂纹角度、长度、埋深等特征定量分析[2-3]。

但是对于检测1000℃左右的连铸坯内部缺陷，由于温度太高，导致检测条件很困难，无论是仪器的研究和制造方面，还是超声波检测技术方面仍然处于初期。但是如果连铸坯中的内部缺陷不进行检查和安全评定，而盲目使用势必会造成重大恶性事故，给企业带来重大的经济损失。因此尝试利用超声波方法对内部孔洞缺陷的定量检测，势必要研究超声波在内部孔洞缺陷上传播情况，通过携带了孔洞缺陷信息的辐射波，包含了孔洞缺陷的位置、尺寸等检测和评估信息。通过准确判定缺陷的种类，可以及时制定正确的检测方案、降低成本、提高产品质量和工艺水平。

1 试验对象与仪器

试验材料是钻有平底孔的冷态连铸坯小方块，选用型号为Smartor X1的A型显示脉冲反射数字式超声波探伤仪，探头选用SIUI的2.5Z20N圆形直探头，耦合剂采用机油。

2 实验过程

2.1 校准仪器

1）输入方坯和探头的基本参数。2）零点校准：为了减少误差，提高实验的准确性，手动调整。3）灵敏度调整：利用试块上基准反射体或工件底面作为灵敏度调节基准，只要计算出该校准基准与所要求的灵敏度之间由分贝数表示的声压反射率差异，此dB差就是灵敏度调整量。基准为大平底面，当探测灵敏度所要求的声程 ，则灵敏度调整量为 。需要将其第一个底面回波与噪声信号进行比较，背面回波至少应比噪声信号高6dB，灵敏度要求是 平底孔，但灵敏度应放大到可以看到噪声，约为平底孔 之间。

2.2检测方向的选择

连铸坯的工艺流程一般为，将装有精炼好钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇位置后，将钢水注入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶拉矫机与结晶振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出，经冷却、电磁搅拌后，切割成一定长度的板坯。再结合工艺浇注方向，一般表面边缘区氧化渣多，且属于检测近场区，杂波多而影响判定；心部铁水比较纯净，基本无氧化渣，所以应选择选择两个相互垂直的方向检测。实际检测中，检测人员要视铸件外形结构及现场具体状况来判断从哪个方向进行检测。对于形状特殊的无法将底平面朝上放置，只能从上表面往下检测，当发现有异常波时，再从侧面检测。

2.3波形的分析

在超声波探伤中，不同性质的缺陷其反射回波的波形区别不大，往往难于区分，常见的估性方法有：1）静态波形法；2）动态波形法；3）底波法。

连铸坯内部普遍为不致密枝晶，其结构组织不均匀且晶粒粗大，声波在晶界面和不均匀结构处会产生散射，示波屏上往往产生杂乱无章的丛状回波。特别要注意的是异常波形从近场盲区就开始，且底波不可见，异常波形的表现形式为：一是铸件背面回波的衰减；二是铸件中间为异常波形[4]。但是图1中均存在底波，红圈内的异常波峰②④，位于底波后面，经分析应属于侧壁干涉产生的。其中①③与相同区域的平底孔波形相比较，界面反射率低，波形宽大并带有锯齿，属于夹渣、疏松或者对象表面粗糙造成的。

因此缺陷内含物的声阻抗对缺陷回波高度有较大的影响，常见1）夹渣：带有棱角、界面反射率低，波形宽大并带有锯齿；2）缩孔：是一波多峰，幅度高，对底波有明显影响；3）冷裂纹：回波较高，对底波影响明显，移动探头时波形此起彼伏，变化较大。4）白点：声阻抗很小，反射回波高，根部清晰的林状间波；5）气孔等内含气体：表面平滑，界面反射率高，波形陡直尖锐。它们都会形成不同的波形，甚至缺陷波形状相似，为了更准确地分析缺陷性质，具体情况要进一步进行检测和分析。

2.4缺陷对比分析

在超声波探伤检测技术的应用过程中，常见的影响因素包括环境因素、技术因素、人为因素以及管理因素等等[5]。从而影响缺陷检测的定位、定量的结果的准确性，甚至造成漏检或错检。人为因素上，如果探伤人员在仪器调试时零点、K值等参数存在误差或定位方法不当；技术上，除了受现有的超声波检测技术发展本身局限性的限制外，同时也受所采用的设备的影响；环境因素上，探头性能和工件的表面情况以及耦合状况。以上种种因素，都会影响缺陷定位影响缺陷定位、定量。

实验数据采集得到两个缺陷位置 ，依照在一定探测灵敏度下所得的缺陷波高（高于或低于靈敏度基准波高）的dB数，采用平底孔公式进行定量计算得出 。因出现异常波形，从侧面垂直于第一次扫查方向，进行扫查得到图2。

图2中的①波形呈连续或断续树枝状，一波多峰且回波反射较强，探头移动时多个回波此起彼伏，严重时影响底波。采用缺陷波高相对基准反射体波高的百分比的方法，进行当量计算可得 。与上面计算差距较小，可认为相对准确。从②波形呈连续大区域低反射回波，移动探头时会出现波幅很低的不稳定蠕动动态波形，提高灵敏度呈杂乱大区域，底波消失经对比波形特征可判定为疏松缺陷。理论上②至底波区间应该会有一个短横孔缺陷，但是没有探测到，估计能量被晶粒粗大疏松吸收损失过大导致的。这样的结果不是我们想看到的，这样的漏检会导致严重的生产事故。

制作AVG曲线来表示回波声程、幅度和缺陷当量之间的关系见图3。缺陷①和②出的波峰超出第一根线（2mm当量），却低于第二根线（3mm当量），即该缺陷当量大于2mm小于3mm。与上述平底孔当量法计算的吻合，因此可认为检测准确。

3 结语

（1）该试验分析了连铸坯的人工缺陷的波形，对比了采用当量法和AVG曲线的缺陷当量差异，并总结了连铸坯常见缺陷所对应的波形特征，为今后连铸坯探伤中提供参考。

（2）虽然超声波检测作为检测钢制品质量的一种有效方法，但是超声波检测的本身所固有的特点和局限性，再加上影响连铸坯质量的因素和缺陷的产生的原因是多方面的，应充分了解工艺的基础上，制定合理的检测方案，还须与其他检测方法配合使用，提高检测质量。

参考文献：

[1] 姚书芳、徐李军.连铸坯内部裂纹的成形原因和防止措施[J].钢铁.2010，15（12）：95-99

[2 ]Edwards R S，Dixon S，Jian X.Enhancement of the Rayleigh Wave Signal at Surface Defects[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37（16）：2291-2297

[3] Yun-Kyu A. Measurement of Crack-Induced Non-Propagating Lamb Wave Modes under Varying Crack Widths[J].International Journal of Solids and Structure，2015，62：134-143

[4] 唐爱国，孙存忠.铸件缺陷的超声波定性检测[J].无损检测.2017（36）：54-56

[5] 李树军，王志勇，牛晓光，董 国振，梁红方.小径管对接焊缝超声波探伤规程、导则的应用及缺陷波的识别[J].无损检测.2012（34）：45-48

（作者单位：安徽工业大学）